专利名称：用于加热和/或冷却的设备和方法
用于加热和/或冷却的设备和方法
技术领域：
本发明分别涉及一种用于在地下能量储藏中储存热能的方法，以 及从所述储藏中收回热能的方法。
地球的各个地方具有不同的季节性变化。通常可以发现变化的模 式是一年当中的某些部分是相对较冷的，而其它部分是相对较暖和的。 在这些情况下，通常在较冷的时期中需要加热。相应地，通常在较暖 和的时期中需要冷却。在世界的不同地方对于这种需求具有不同的程 度，并且即使在相同的地方分别对于加热和冷却的需求也不总是具有 相同的量级。
例如，房屋具有这种加热和/或冷却的需求。但是，应当意识到， 其它类型的设施，如工业设施，在某些情况下也有加热和/或冷却的需 求，这取决于设施的特性和取决于季节的平均空气温度。
现如今，经常会用到所谓的地热系统，即将大地用作用于加热和/ 或冷却设施的能量储藏。这意味着当大地平均要比空气更暖和一些时， 可以在寒冷时期从大地采集热能。正相反，当大地平均要比空气更冷 一些时，可以在暖和时期从大地采集冷量。人们可以看到，好象是在 寒冷时期从大地排出热能，而在暖和时期向大地补充热能。因此，房 屋例如可以通过将大地用作均匀化能量储藏而保持均匀的温度。这将 使得对用于加热或冷却设施的额外供给能量的需求最小化。
在已知的这种能量储藏中，使用一个或多个竖直孔，在这些竖直 孔中，热栽体例如乙二醇和水的混合物通过孔中的管道向下进入大地 并且随后返回到表面。在这个通路中，实施了与大地的热量的热交换， 从而热载体或者向围绕所述孔的大地发出或是从围绕所述孔的大地接 收热能或冷量。热泵可以结合抽取热量或冷量来使用。
这种常规的能量储藏或者可以被用于加热或冷却，或者两者均可。 最常见的、特别是有关在较小的房屋中的温度控制是在寒冷时期用于
加热的设备，但是在暖和时期它们是不工作的。
在较小的房屋的情况下，最普遍的用法是使用单独一个或仅仅几 个孔。但是，还有使用不仅仅是几个孔的布置。在这些情况中，孔的 管道要么可以串联连接或者可以并联连接，或者串联连接和并联连接 结合，并且以各种几何布局分布，例如沿直线或以栅格形式。但是， 对于所有这些已知的布置共同的是流过各个管道的热载体具有相同的 温度并且恰好在同 一 时刻流入所有的孔中。这使得热能在同 一 时间被 补充到所有孔中或者从所有孔中被采集。
这种能量储藏可以被安装在由岩石构成大地的地区，但是在由粘 土、沙子等构成的大地上的安装也是可能的。在某些情况下，在安装 过程中使用额外的支撑管或其它支撑装置。
同样已知的是使用这样一种能量储藏，即这种能量储藏中的热栽 体管道在孔的内部是部分隔热的，从而获得沿孔延伸方向的温度梯度。 以这种方式，由于可以在竖直方向上控制大地中的可用热能的强度场， 因此可以增加i殳备的效率系数。
现有技术伴随有几个问题。
首先，储存在孔周围的地下的热能或冷量可在远离所述孔的方向 上径向地散失。例如，在寒冷季节，由于部分补充的热能已经通过大 地并远离所述孔被传导，因此这将致使比在暖和季节通过孔补充的全 部热能的总量更少的能量是可用的。这是由于周围的大地冷却了所述 孔周围被加热的大地。反过来当然也是成立的，即如果围绕所述孔的 大地在寒冷季节被冷却，这些储存的冷量在暖和季节将不能被完全地 采集，因为当到了釆集储存的冷量的时候，周围的大地会将冷却区域 加热到 一定程度。这种问题同样出现在使用多个孔的这种能量储藏中， 因为这些已知的储藏恰好在某个特定的时间加热或者冷却包围所有孔 的大地。
其次，普通的冷却效应例如出现在居住区。也就是说，在这些区 域内，地热系统在冬季加热并且主要在夏季停止工作，并且地热系统 通常彼此靠近地设置。无论是从太阳、大气和周围的大地向冷却的岩
石的额外的热流都会出现这种现象。这种效应完全是长期的，并且成 功地降低了所述区域内的地热系统的效率系数。因此，需要使用这样 一种设备，即可以以更高效率与大地交换热量以及冷量，而不是单向 地收回热能。
本发明解决了上述问题。
因此，本发明涉及一种用于分别将热能储存于地下能量储藏以及 将热能从地下能量储藏收回的方法，所述地下能量储藏包括至少四个 孔，通过这些孔输送热载体并且由此分别加热或冷却大地，其特征在 于所述孔基本上沿至少两个同心圆布置，设置控制装置以控制阀系统， 所述阀系统被设置用于将热载体引导至沿一个圆布置的孔中，并且由 此分别加热或冷却沿所述圆的大地，当热载体的温度高于周围大地的 温度时，内部的圆先于外部的圆被加热，当热载体的温度低于周围大 地的温度时，外部的圆先于内部的圆被冷却。
本发明还涉及这种类型的设备并且其基本上具有如权利要求10
中所描述的特征。
现在将结合本发明的示例性实施例和附图对本发明进行详细的描述。
附图i为根据本发明的能量储藏的简化俯视附图2为从根据本发明的第一实施例的热孔侧看的剖视附图3为本发明第二实施例的典型视图。
如附图l所示的能量储藏l，其包括13个彼此之间成一定距离地 设置的热孔2，所述热孔2被钻入周围大地3中。所述孔2沿三个分 别同心但是具有不同半径的圆10、 11、 12等距离地间隔开。如附
图1 中清楚所示的，最内部的圆的直径为零，位于这个最内部的圆10的热 孔4实质上位于同心圆10、 11、 12的共同的圆心上。但是，这个条件 不是必要的；相反，最里面的同心圆IO可以具有不等于零的直径，由 此沿最内部的圆IO可以有多个等距离地间隔开的孔。
此外，例如附图1中所示的能量储藏1，同心圆的数量也不必需 是三个，而可以是任何数量，但是至少有两个。同时，也无需使用圆
形，相反，可以使用任何同心的、封闭的并且具有递增尺寸的几何图 形组，如侧边具有递增尺寸的同心矩形。
孔2分布在各个圆10、 11、 12上，从而基本在所述孔能量储藏1 上的每对两个相邻的孔之间的距离与其它对之间的距离一样大。这意 味着沿外部的圆比沿内部的圆设置更多的孔2。在当前实施例中，这 意味着沿外部的圆12比沿中间的圆11设置更多的孔2。取决于周围 大地3的导热性，两个相邻孔之间的典型距离大约在3到IO米之间， 通常在5到7米之间。
能量储藏1中的每个孔2所具有的深度大约在50至250米之间， 通常在150至200米之间。最外部的圆的直径大约在10至250米之间， 通常大约为150米。
附图2示出了根据本发明第一实施例的在如附图1中所示的储藏 中的热孔2中的一个。所述孔2从地面5被向下钻入大地3中。如果 需要，基于大地的特性，可以设置不同的支撑结构如支撑管(未示出)， 以便增加所述孔的稳定性。同时还可以使用用于密封所述孔2的装置 (也未示出)。
U型管道23向下延伸进入所述孔2，基本上下降至孔2的底部21, 进一步再向上至孔2的上端22。所述管道23可以由任何合适的材料 制成，如聚乙烯。此后，管道24分别从阀系统6延伸到孔2和从孔2 延伸到阀系统6。热载体8从阀系统6流动通过管道24、 23向下进入 孔2，向上穿过孔2，并回到阀系统6。热载体8可以是任何合适的流 体介质，如水和乙二醇的混合物，并且优选地为防冻的。
同时，在孔2中具有温度测量线圏9，其基本上在孔2的整个长 度上延伸。线圏9或者可以布置在管道23的内部、管道23的外部， 或者可以直接布置在孔2的壁上。在各个这些情况中，温度测量线圏 9因此测量热载体8的温度、孔2内部或是周围大地3中紧邻所述孔2 的一部分的温度。在本实施例中，线圏9被设置在管道23的外表面上， 但是以任何其他记载的方式设置线圏9也是完全可能的，并且仍然是 不背离本发明的。
温度测量线圏9使用温度传感器25测量温度，沿孔2的延伸方向 通常以间隔大约0.5米等距离地设置。但是基于设备的其他特性以及 土壤的类型，温度传感器还可以以更大的间隔布置如间隔为1-5米。 在附图2中，为了更清楚，温度传感器25没有按照比例被示出。线圏 9与控制装置7如计算机结合。因此线圏9在孔2中的各个深度定期 测量温度，并且将测量到的温度报告给控制装置7。
温度测量线圏9，包括温度传感器25，可以是任何合适的类型， 其中一个例子是一种使用常规光学纤维线的光学读取设备。例如，这 种设备从HydroReserch Sam Johansson AB， H6rn裊kersvSgen 14， Taby， Sweden可以买到。另 一个例子是PT100型的一系列常规温度 传感器。
随后，控制装置7被连接到阀系统6并且被设置用于控制阀系统 6。阀系统6再被设置用于控制单个热载体8通过管道23、下降至孔2 的流动。因此，控制装置7被设置以用于控制热载体8经由阀系统6 通过孑L 2的流动。
此外，能量储藏l中的每个孔2设置有各自的这种温度测量线圈 9，每个温度测量线圏9被联接到控制装置7上，每个孔2均设置有各 自的阀系统6，并且控制装置7被分别联接到每个阀系统6上。因此， 通过持续地以及单独地分别控制经过每个孔2的流动，控制装置7被 布置用于控制热栽体8流入能量储藏1中的每个孔2中的流动分配。
在操作过程中，控制装置7分别地控制热载体8经过孔2的流动， 以便在孔2中测量的温度将会基本上等于沿相同的同心圆布置的每个 孔中的温度。在本文中，术语"基本上相等"意味着沿相同的圆布置 的两个孔之间的最大温度差异不超过大约1-2'C。
附图3示出了根据本发明的第二优选实施例的沿附图1中的同心 圆10、 11、 12布置的孔2的典型视图。在附图3中，为了更清楚地示 出，所述孔成一排被示出，尽管事实上它们实质上是沿附图1中的同 心圆IO、 11、 12中的一个布置的。
如附图2中所示，附图3的孔2具有U形管道23。这些U形管
道23与管道31串联连接。同时与孔2串联连接的是阀系统6。因此， 热载体8流过管道23、 31，从阀系统6向下进入第一个孔2a，从第一 个孔2a向上，下降至第二个孔2b，并且如此向前直到最后的孔2d， 然后再次返回到阀系统6。
热载体8的溫度通过使用第一温度传感器33测量，该传感器33 被设置在阀系统6的出口与第 一孔2a之间，以及可以通过使用第二温 度传感器34测量，该传感器34被设置在最后的孔2d与阀系统6的入 口之间。管道32从这两个温度传感器33、 34延伸到控制装置7如计 算机。温度传感器33、 34可以是任何适合的类型，例如PT100型常 规温度传感器。
此后，控制装置7被联接到阀系统6并被设置用于控制阀系统6, 阀系统6再被设置用于控制热载体8经过管道23、 31的流动，向下进 入孔2。因此控制装置7被设置用于通过阀系统6控制热栽体8经过 孔2的流动。
此外，沿能量储藏1中的每个同心圆10、 11、 12的孔2具有各自 的这种温度传感器33、 34,每个温度传感器33、 34被联接到控制装 置7，每个同心圆IO、 11、 12设置有各自的阀系统6,并且控制装置 7被联接到每个各自的阀系统6上。因此，通过持续地以及单独地控 制通过沿每个各自的同心圆10、 11、 12的孔2的流动，控制装置7 被设置用于控制热栽体8在沿能量储藏1中的每个各自的同心圃10、 11、 12的孔2中的流动分配。
在前面描述的第一和第二优选实施例中，热能可以被补充到能量 储藏1中，或者可以从所述能量储藏1中采集。
在本文中，"补充能量，，意味着通过从热载体8传递热能而将热能 供给到能量储藏l中，所述热载体8在孔2中流过管道23，下降至大 地3。这还意味着热载体8在经过能量储藏1中的孔2时被冷却，并 且输入与输出温度之间的温度差可以被用于例如在一年当中相对较暖 和的部分冷却房屋。即使可能出现由于气候、土地以及其他条件产生 的变化，在冷却房屋的过程中的向下流入孔2中的热载体的温度典型
地为5-18°C。离开所述孔的被冷却的热载体的温度典型地比输入温 度低约2-6。C，通常低3-4。C。
在本文中，"釆集能量，，意味着热能以相反的方式从大地3被传递 到热载体8中。因此，当需要时(如在一年当中相对较冷的部分)，可 以使用例如加热热载体8来加热房屋。即使可能出现由于气候、土地 以及其他条件产生的变化，当加热房屋时向下流入孔2中的热载体的 温度典型的为-3-7。C。离开所述孔的被加热的热栽体温度典型地比输 入温度高大约2-6。C，通常高3-4。C。
值得注意的是补充能量储藏1时，被加热的孔周围的大地3的温 度升高，并且在采集能量时大地3的温度类似地降低。
与使用现有技术中的能量储藏相比，使用根据本发明的能量储藏 1在采集先前补充的热能时可以实现高得多的效率。这通常是通过从 储藏1的中心向外补充热能，以及通过从储藏1的外周向内采集热能 实现。这降低了由于热量在能量储藏1的外围散失而引起的损失。
因此，由于可以在设置成比最初补充所述热能的圆更加远离中心 的圆处采集所散失的热能的大部分，从最初开始补充热能的内部的孔 散失的热能的大部分在采集时是可以利用的，尽管在那个时候所述热 能的一部分已经散失远离所述内部的孔。当在最外部的圆上的热交换 相当低时，开始对更向内设置的圓采集热能，并且这样向前进行下去 直到采集过程一直移动到最内部的圓时。当从沿这些圆或沿这个圆的 孔的热交换减小到零时，能量储藏l已经被耗尽，并且与传统能量储 藏相比，获得被补充热能的相当更大部分进行利用。
因此，通过利用分别以半径增加或半径减小的顺序一个接着一个 排列的同心圆10、 11、 12来补充和采集热量，在能量储藏l中分别从 中间向外补充热能以及从外周向内采集热能。根据测量温度的地点， 可以应用用于沿按顺序的下一个圆开始分别补充和采集热能的各种条 件。在沿每个各自的同心圆10、 11、 12的每个各自的孔2中的温度被 测量的情况下，优选所述条件是在沿着此时分别补充或采集热能的圆 的孔中的温度应当基本上与沿按顺序的前一个圆的孔的温度一样高。
当在连接沿同心圓的所有孔2的管道31中测量温度时，一个优选所述 条件是沿着此时分别补充或采集热能的圆的孔的管道的温度应当基本 上与连接沿按顺序的前一个圆的孔的管道中的温度一样高。但是，应 当意识到其他条件也是可以的和适用的，其中取决于温度传感器25、 33、 34的布置，并且取决于阀系统6控制热载体8经过热储藏1中的 孔2的流动的控制方式。
在本文中，"基本上等于"意思是沿相邻的圓上的两个孔之间的最 大温度差异不超过大约1 - 5'C 。
此外，当能量储藏缺乏热能时，最外面的井(wdls)可被用于常 规的地热孔，以便因此可以采集比之前储存在能量储藏1中的热能更 多的热能。
在上文中，示例性实施例已经被公开。但是本发明可以在不背离 本发明的前提下进行改变。因此，不能认为本发明受这些示例性实施 例的限制，而本发明仅受附加的权利要求的限制。
权利要求
1、一种用于分别将热能储存于地下能量储藏(1)中并且从地下能量储藏(1)中收回热能的方法，所述地下能量储藏包括至少四个孔(2)，通过所述孔(2)输送热载体(8)并且由此分别加热或冷却大地(3)，其特征在于，基本上沿至少两个同心圆(10，11，12)布置所述孔(2)，将控制装置(7)设置用于控制阀系统(6)，将所述阀系统(6)设置用于将热载体(8)引导至沿一个圆布置的孔，并且由此分别加热或冷却沿所述圆的大地，当热载体(8)的温度高于周围大地(3)的温度时，先于外部的圆加热内部的圆，并且热载体(8)的温度低于周围大地(3)的温度时，先于内部的圆冷却外部的圆。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，使用至少一个温度 传感器(25， 33， 34)测量沿每一个圆(10， 11， 12)的温度，所述 控制装置(7)控制阀系统(6)以便控制每个相邻圆之间的温度差异， 并且在当前分别被加热或冷却的圆中的热载体与相邻的圆之间的温度 差异低于预先设定值时，开始对下一个圆分别进行加热和冷却。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过使用至少 一个温度传感器(25)单独地测量每个孔(2)中的温度，所述控制装 置(7)控制阀系统(6)，所述阀系统(6)再单独地控制施加在每个 孔(2 )上的加热或冷却效果，从而使得分别基本沿相同的同心圆(10， 11， 12)布置的孔(2)之间的最低温度与最高温度之间的差异在整个 圆(10， 11, 12)上处于预先设定值以下。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，将所述热 载体(8)引导到U形管道(23)中、向下进入每个孔(2)中并且从 每个孔(2)向上。
5、 根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，在能量储藏 (1)中当前热能含量最低的圆处从所述能量储藏(1)中采集冷量。
6、 根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，将所述孔(2) 之间的距离设置在2至10米之间。
7、 根据前迷任一权利要求所述的方法，其特征在于，将两个孔(2) 之间的最大距离设置在10至250米之间。
8、 根据前迷任一权利要求所述的方法，其特征在于，将所述孔(2 ) 的深度设置在50至200米之间。
9、 根据前迷任一权利要求所述的方法，其特征在于，将所述孔(2 ) 的直径设置在10至50厘米之间。
10、 一种用于分别将热能储存于地下能量储藏(1)中并且从地下 能量储藏(l)中收回热能的设备，所述地下能量储藏包括至少四个孔(2)，通过所迷孔(2)输送热载体(8)并且由此分别地加热或冷却 大地(3)，其特征在于，所述孔(2)基本上沿至少两个同心圆(10, 11， 12)布置，控制装置(7)被设置用于控制阀系统(6)，所述阀系 统(6)再被设置用于将热载体(8)引导至沿一个圆布置的孔，并且 由此分别加热或冷却沿所述圆的大地，所迷控制装置(7)被设置用于 控制阀系统(6)从而当热栽体(8)的温度高于周围大地(3)的温度 时，内部的圆先于外部的圆被加热，以及控制所述阀系统(6)从而当 热载体(8)的温度低于周围大地(3)的温度时，外部的圆先于内部 的圆被冷却。
11、 根据权利要求10所述的设备，其特征在于，至少一个温度 传感器(25， 33， 34)被设置用于测量热载体(8)的温度，所述热载 体(8)被输送穿过沿每一个圆(10， 11， 12)的孔(2)，并且所述控 制装置(7)被设置用于控制所述阀系统(6)，所述阀系统(6)再被 设置用于控制每个相邻的圆之间的温度差异，从而在当前分别被加热 或冷却的圆中的热载体与相邻的圆之间的温度差异低于预先设定值 时，开始对下一个圓分别进行加热和冷却。
12、 根据权利要求IO或11所述的设备，其特征在于，至少一个 温度传感器(25)被设置用于单独地测量每个孔(2)中的温度，所述 控制装置(7) 被设置用于控制所述阀系统(6)，所述阀系统(6)再被设置用于单独地控制提供给每个孔(2)的加热或冷却效果，从而使得分别基本沿相同的同心圆(10， 11, 12)布置的所有孔(2)的最低温度与最高温度之间的差异在整个圆(10, 11， 12)上处于预先设定 值以下。
13、 根据权利要求1O、 11或12所述的设备，其特征在于，U形 管道(23)被设置用于引导所述热载体(8)向下进入每个孔(2)并 且从每个孔(2)向上。
14、 根据权利要求10-13中的任一权利要求所述的设备，其特征 在于，所述控制装置(7)被设置用于控制所迷阀系统，以便在能量储 藏(1)中当前热能含量最低的圆处从所述能量储藏(1)中采集冷量。
15、 根据权利要求10- 14中的任一权利要求所述的设备，其特征 在于，所述孔(2)之间的距离在2至1O米之间。
16、 根据权利要求10-15中任一权利要求所述的设备，其特征在 于，两个孔(2)之间的最大距离在10至250米之间。
17、 根据权利要求10-16中的任一权利要求所述的设备，其特征 在于，所述孔(2 )的深度在50至200米之间。
18、 根据权利要求10-17中任一权利要求所述的设备，其特征在 于，所述孔(2)的直径在10至50厘米之间。
全文摘要
一种用于分别将热能储存于地下能量储藏(1)中并且从地下能量储藏(1)中收回热能的方法，所述地下能量储藏包括至少四个孔(2)，通过所述孔(2)输送热载体并且由此分别加热或冷却大地(3)。本发明的特征在于基本上沿至少两个同心圆(10，11，12)布置所述孔(2)，将控制装置设置用于控制阀系统，将所述阀系统设置用于将热载体引导至沿一个圆布置的孔，并且由此分别加热或冷却沿所述圆的大地，当热载体的温度高于周围大地(3)的温度时，先于外部的圆加热内部的圆，并且当热载体的温度低于周围大地(3)的温度时，先于内部的圆冷却外部的圆。本发明还涉及一种设备。
文档编号F28D20/00GK101389910SQ200780006364
公开日2009年3月18日 申请日期2007年1月22日 优先权日2006年2月24日
发明者B·吉尔茨, T·维尔迪格 申请人:斯堪的纳维亚能源效率股份公司