热能存储阵列的制作方法

本发明关于用于热能存储的一系统及一方法，特别是关于多个可配置的热能存储砖体的一阵列。

背景技术：

已开发国家的许多能量消耗的研究指出每年在低于400至300小时内(5％的时间)发生能源(电力)消耗峰值。大量的这种能量峰值需求可能归因于多个结构冷却系统，例如，依靠热泵的冷却机、空调或空间供暖系统。因此，提供可抵销电网波动的多个有效且具成本效益的冷却系统的需求日益渐增。

对于此需求的一响应为多个热能存储系统的开发，特别是冰存储系统，所述多个热能存储系统通过在非高峰时段的期间运行多个电网消耗冷却机或多个热泵来存储冷能或热能，然后在高峰时段或其他时段的期间释放所述被存储的能量。多个现有系统的多个主要缺点为与一商业建筑物的不兼容性、缺乏模块化及很大的占地面积-时常需要使用一建筑物的房地产资产来提供足够的热能存储；因此，这种存储热能的方法几乎从商业领域(办公大楼、购物中心、酒店、医院等)完全消失，其为对于高峰需求现象的一重要原因。

这种用于存储热能的常规系统的一最常见的类型被称为一“冰盘管式(ice-on-coil)”存储系统。这些系统包括一槽体，所述槽体装满了水/冰，以作为一相变介质(pcm)，所述相变介质用于存储热，特别是通过利用液态水至冰的所述相变。这些系统进一步包括一盘管，所述盘管被放置在所述槽体内部的所述水中，以便与所述水/冰进行热交换。当充填(charge)这类型的系统时，在所述盘管周围积聚冰块，以形成一大型的块状物。由于所述水的所述冻结规律地在所述盘管处或所述盘管上开始，并且所述冻结的水为一相当良好的热绝缘体，因此这些系统的效率显着地降低。由此，当利用所述盘管将所述槽体冷却至低于摄氏零度左右时，所述盘管上的一层冰增加其厚度，以存储潜热能。因此，一增加的绝缘层使其越来越困难将所述存储槽的整个体积冻结。这被称为“积冰(ice-build-up)”问题。如此一来，多个常规系统必须使用非常低的温度来冷却所述盘管，其为效率不佳的。再者，在过低的温度下运作会损害所述冷却机的性能系数(cop)。

此外，一不同类型的多个常规的热能存储系统被称为多个“封装式蓄冰(encapsulatedice)”存储系统，其中含有水的多个容器被放置于一槽体内部，所述水作为用于存储能量的pcm。根据需求，将用于与所述多个容器内部的所述水/冰进行热交换的一另外的介质，例如一水与甘油的混合物，泵送通过所述槽体。然而，直到现在，这种类型的热能存储系统仍然缺乏效率及可靠性。

多个现有系统，特别是使用冰/水的“封装式蓄冰”及“冰盘管式”系统，的多个低效率的其中之一为缓慢或不一致的冰成核化(icenucleation)，所述缓慢或不一致的冰成核化导致效率不佳的热能存储及释放。所述不一致的冰成核化及生成通常是由未在一所需的温度下冻结的过冷水所造成的。

多个现有系统的又一限制为在存储流体(水)的体积与整个系统体积之间的一限定的比率，及/或在所述存储流体(水)与所述热传递流体(例如甘油)之间的一限定的接触，这是由于随着所述释放周期的进行，在所述多个囊体内部的所述两个之间的所述不断增长的水屏障，由于所述多个存储流体的容器的一低填充系数，或者所述多个存储流体的容器的不良设计，而使它们无法将一足够大的表面积暴露给所述热传递流体，或阻断所述热传递流体的所述流动，从而大大地降低所述热存储的所述效率。一另外的限制为所述效率不佳的释放过程，所述效率不佳的释放过程无法使所有存储在所述系统中的所述冰块融化。再者，多个常规系统提供一不足且特别下降的释放速率，其不足以支持多个负载需求。换言之，多个常规的冰存储系统通常具有一不稳定且衰减的释放表现/释放曲线的问题。

使用水/冰作为能量存储介质的多个已知热能存储系统的一另外的问题为它们在其寿命期内受到系统性能衰减的困扰，例如，由于材料疲劳或所述系统的多个流动特性的改变。特别是对于“现有的封装式蓄冰系统”，在冻结时，水体积的反复膨胀及收缩会产生这样的问题。使用水作为pcm的多个常规的热能存储系统的一另外的问题为在所述释放周期的后半段中的一功率的下降。此现象是由在所述多个囊体中的所述融化的水所造成的，所述融化的水作用为所述热能交换/传导的屏障，其中在所述冰块融化时，此热能屏障会不断变大。

因此，期望提供一种具有一模块化设置及可适用于符合欲运作的结构的一占地面积的热能存储系统，并且所述热能存储系统进一步提供改善的热能存储。

技术实现要素：

根据本发明的一些实施例，一种热能存储阵列包括多个冰砖，其中每个所述冰砖包括多个囊体；其中所述多个冰砖相互连接，以使流过所述多个冰砖的一第一流体进行流体连通，且其中所述多个冰砖以一模块化结构布置的方式来配置，所述模块化结构布置包括以下的一个或多个：所述多个砖体堆迭在彼此的顶部上；所述多个砖体铺设成末端对末端；或所述多个砖体铺设成紧邻于彼此。优选地，所述阵列进一步包括多个绝缘板，所述多个绝缘板围绕所述多个砖体的所述模块化结构布置的一外部表面。一方面，这些绝缘板被提供用于围绕所述模块的多个外部表面。另一方面，避免在多个非外部表面上使用所述多个绝缘板。将所述多个绝缘板设计成根据多个砖体的一计划的模块化布置来附接在一个或多个所述砖体上。这导致一均匀的冰砖结构及一简单的设置，其也易于拆卸。这种配置节省所需的绝缘体总数，因为仅需要对整个阵列的所述外表面进行绝缘，而无需对每个砖体的每个表面进行绝缘。

优选地，所述多个囊体包括一第二流体。优选地，所述第二流体包括水。优选地，所述阵列进一步包括一流体分配系统。优选地，所述第一流体具有比所述第二流体低的一凝固点。优选地，所述第二流体包括一冰块成核剂。优选地，所述冰块成核剂包括石英。优选地，所述砖体包括介于65％与85％之间的容纳于所述多个囊体中的所述第二流体。优选地，所述阵列进一步包括一tes冷却机，所述tes冷却机用于冷却所述第一流体。

优选地，通过一第三流体将所述tes冷却机的一冷凝部分冷却，所述第三流体也将在由所述阵列所运作的一结构中的一负载冷却。优选地，所述阵列进一步包括一空气压缩机。优选地，所述囊体包括一填充喷嘴，所述填充喷嘴被放置在所述囊体的一上部角落上，以使所述第二流体能够将所述囊体填充至一最大值。优选地，所述囊体包括一个或多个窄边间隔件及宽边间隔件，其中当所述多个囊体一起堆迭在所述砖体内部时，所述多个间隔件在所述多个囊体之间产生一间隙。优选地，所述囊体的一表面包括多个突出物，所述多个突出物适用于增加在所述多个囊体周围的所述第一流体的一紊流(turbulentflow)。优选地，所述砖体为矩形的。优选地，所述砖体具有50x50x400厘米的一尺寸。优选地，所述砖体具有25x25x400厘米的一尺寸。优选地，所述砖体具有750至1200升的一体积。优选地，所述砖体具有15至23trh的一能量存储能力。优选地，所述囊体包括一环己烷的形状。优选地，所述多个环己烷形状的囊体被放置在所述砖体内部，以便自由地安置在所述砖体内部。

优选地，所述砖体适合被放置于地下。优选地，所述砖体为圆柱状的，并且包括一管件，所述管件包括一螺旋金属加强件，所述螺旋金属加强件沿着所述砖体的外部延伸，以使所述砖体能够被放置于地下。优选地，所述多个囊体被设置在所述砖体内部的一固定的位置上。优选地，所述多个砖体进一步包括多个间隔件，所述多个间隔件被插入在所述多个囊体之间，其中所述多个间隔件确保所述第一流体流动通过所述砖体，且当在所述多个囊体之间的所述间隙由于所述第二流体融化而增加时，所述多个间隔件使一紊流最大化。

根据本发明的一些实施例，一种用于释放用来冷却一负载的一热能存储(tes)系统的方法包括：提供一tes系统，其中所述tes系统包括：多个冰砖的一阵列、一控制器及一流体分配系统，其中所述阵列被所述流体分配系统划分成多个冰砖的多个子组，且其中所述控制器为一计算装置；通过所述控制器启动所述多个子组的一第一子组，使得一第一流体流过所述第一子组，以便将所述负载进行冷却；通过所述控制器监控所述第一流体的一温度；当所述第一流体的所述温度超过一阈值时，通过所述控制器启动所述多个子组的一另外的子组，使得一第一流体流过所述另外的子组，以便将所述负载进行冷却，其中所述另外的子组为在一活跃的释放过程期间未被启动的一子组；及重复前面两个步骤。

优选地，除了所述第一子组以外，将多个所述另外的子组启动，使得所述第一流体流过所有被启动的子组。优选地，所述方法进一步包括：通过所述控制器确定所有的所述多个子组是否已经被启动；以及当所有的所述多个子组已经被启动时，通过所述控制器终止所述释放。优选地，所述流体分配系统包括：至少一泵及至少一流动控制机构，其中所述启动一子组包括：启动所述至少一泵及所述至少一流动控制机构，使得所述第一流体流过所述子组。优选地，所述多个冰砖各自包括一容器，所述容器包括多个囊体，并且包括一入口及出口管件，以使所述第一流体在所述阵列中能够进行流体连通。优选地，所述多个囊体包括一第二流体，在释放之前，所述第二流体具有比所述第一流体的所述温度低的一温度，其中在所述第一流体流过所述冰砖时，所述多个囊体将所述第一流体冷却。

根据本发明的一些实施例，提供一种热能存储单元，所述热能存储单元包括：一管体，具有用于一第一流体的至少一入口及至少一出口；多个囊体，在所述多个囊体中具有一第二流体，其中所述多个囊体被设置在所述管体内部；其中所述第一流体为一热传递流体，所述热传递流体用于与所述第二流体进行热交换；所述第二流体为一相变介质；其中所述第一流体从所述入口至所述出口的一实际的流动路径的所述平均长度大于所述管体的一长度。

根据本发明的一些实施例，提供一种热能存储单元，所述热能存储单元包括：一管体，具有用于一第一流体的至少一入口及至少一出口；多个盘状的囊体，在所述多个囊体中具有一第二流体，其中所述多个囊体被堆迭在所述管体内部，或其中所述多个囊体被设置在所述管体内部，以形成多个囊体的多个堆迭体；其中所述第一流体为一热传递流体，所述热传递流体用于与所述第二流体进行热交换；所述第二流体为一相变介质；其中在所述多个囊体之间提供有用于所述第一流体的多个限定的窄的或浅的流动路径。

优选地，所述热能存储单元具有多个囊体，所述多个囊体适用于使所述流动路径在所述流动路径的一部分中以一曲折的模式被提供。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述管体为矩形的；以及所述管体的所述长度与所述管体的一宽度的一比率在约4至50的一范围内；及/或所述管体的所述宽度与所述管体的一高度的一比率在约0.5至2的一范围内。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述管体的形状为矩形；以及所述管体的所述长度与所述管体的所述宽度的一比率在从12至20的一范围内，优选为约16；及/或所述管体的所述宽度与所述管体的所述高度的一比率为约1。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个囊体的所述第二流体的一总体积为所述管体的一总体积的50％至90％，优选为65％至85％。这已经证明所述第二流体的所述体积与所述管体的所述总体积的一最佳的比例或一接近最佳的比例。一方面，对于所述第一流体必须具有一足够的空间，而能够与所述流体进行热交换，且另一方面，应当尽可能有更多用于存储热的可用容量。

优选地，配置所述热能存储单元，以便提供所述热能存储，使得：a)所述入口及所述出口被提供在所述管体的相同末端处；及b)在每个所述囊体上的所述第一流体从所述入口至所述出口的一流动基本上为双向的。例如，大约放置在所述囊体中间处的一橡胶密封元件可作用为一分流器，所述分流器用于在所述管体内部的所述第一流体的所述流动。由此，所述第一流体的两个大体上双向的流动可经过所述囊体，其可具有不同的温度。因此，所述囊体受到所述第一流体的两个不同的流动的影响，且利用两个不同温度将所述囊体加热或冷却，使得所述囊体内部提供有一温度梯度。此温度梯度造成所述第二流体(水)在所述囊体内部的一有利的循环，这样在所述囊体的内部提供一热传递效果，并且另外作用以抵抗在所述囊体内部形成的融化水的一隔离屏障。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个盒状或盘状的囊体的多个宽边为内凹(形状)的。这种具有多个凹形壁的囊体至少在中心为所述多个壁提供一定的柔性。因此，所述囊体的所述壁可弯曲，以允许所述第二流体在其相变过程中的体积增加而不会受到损坏。并且，所述多个宽边的所述内凹形状提供了在多个并排堆迭的囊体之间的多个狭窄形且限定的流动路径。由于所述多个囊体的所述多个壁的所述多个宽边的所述内凹形状，在一堆迭体的多个相邻的囊体之间产生用于所述第一流体的一流动通道，所述流动通道为窄的(或浅的)。因此，相较于一圆柱状通道，这种通道的一表面积与体积的比率得到改善，并且增加了与所述囊体的所述宽边接触的所述第一流体的所述表面。由此，通过提供用于所述第一流体及所述多个囊体的所述流动通道(及所述流动路径)的多个对应的(窄的)形状，改善了通过在所述囊体与所述第一流体之间的所述接触表面的所述热交换，其中这也另外是一节省空间的解决方案。换言之，通过在多个扁平的囊体之间提供多个对应的扁平流动通道，可显着地改善所述囊体与所述第一流体之间的所述热交换率。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个囊体的至少一表面包括多个突出物，所述多个突出物适用于产生或增加通过所述管体的所述第一流体的所述流动的一紊流。这样提高了所述系统的效率。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个囊体的每个囊体为相同的类型；或所述多个囊体的每个囊体对于所述第二流体具有相同的体积。这样降低了制造成本，并使其容易产生具有多个限定流动路径的多个囊体的多个堆迭体。

优选地，所述热能存储单元进一步包括多个坚硬的间隔件，所述多个坚硬的间隔件被放置在所述多个囊体之间。因此，由金属或塑胶制成的多个坚硬的间隔件，例如网格类型，被放置在所述多个囊体的多个平坦壁之间，其中所述网格可具有许多形状：矩形、菱形或方形孔洞的焊接网格或链锁类型。所述多个间隔件的尺寸应以有足够的自由空间给所述囊体壁扩展进入的这种方式来制作，所述自由空间应大于所述囊体的体积的15％，但小于在不具有所述多个间隔件的所述多个囊体之间的所述假定的自由流动区域的30％。一金属网格可由直径约为2.8毫米的多个不锈钢棒制成，并以八根纵向棒及六根横向棒焊接成尺寸为310x140毫米的一方形网状构型。

优选地，所述热能存储单元进一步包括多个柔性的间隔件，所述多个柔性的间隔件被放置在所述多个囊体之间，其中所述多个柔性的间隔件包括多个翼片(flaps)。这些柔性的翼片提供了一弹性的流动控制，所述弹性的流动控制可根据所述多个囊体的一充填(charging)状态来自行调节。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个囊体通常为盒状或盘状的；及所述多个间隔件的尺寸使得在两个所述囊体的所述宽边之间的一自由流动区域为在不具有所述多个间隔件的所述多个囊体之间的所述自由流动区域的15％至30％的一范围内。

优选地，配置所述热能存储单元，使得至少一所述囊体包括一成核剂，优选为石英。因此，相较于多个常规的冰存储系统，用于所述囊体的一冷却温度可更高。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个囊体包括多个热传递条带，优选地将所述多个热传递条带设置成使它们将热传导至所述囊体的内部。含有水的多个常规的囊体的一问题为水的一传热系数非常低。因此，通过定位成更靠近所述壁的所述水/冰来阻挡从所述囊体的最内部至所述囊体的外部的所述热传递。使用所述多个热传递条带解决了此问题，因为它们也向所述囊体的所述内部提供一有效的热传递。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个热传递条带由铝制成。此材料提供一良好的传热率。可替代地，所述多个热传递条带可由具有一良好导热性的另外的材料制成，例如不锈钢。优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个热传递条带由一材料制成，所述材料在多个标准状况下具有高于10瓦/(米*克尔文)(w/(m*k))的一导热系数k。更优选地，在多个标准状况下，所述多个条带的所述导热系数k大于75瓦/(米*克尔文)。这样进一步改善了在所述囊体内部的所述冰块的生成过程。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个热传递条带具有0.4至4毫米的一厚度、35至350毫米的一长度，及5至10毫米的一宽度。这些尺寸为所述囊体的所述内部提供一良好的传热率。再者，通过一小开口可容易地将这些条带放置在一囊体内部。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个囊体通常为盒状或盘状的；及所述多个囊体包括一单一的填充口，所述单一的填充口位在所述囊体的一角落处。这种形状具有一高的表面积与体积的比率。这样改善了在所述第一流体与所述第二流体之间的所述热交换率。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述多个囊体通常为盒状或盘状的；及所述多个囊体包括多个脊部，使得所述多个囊体被设置成彼此间隔开。所述多个脊部能够为在所述多个囊体之间的所述第一流体的一限定的流动路径产生多个自由空间。由于所述多个囊体具有大体上平坦的或不平坦的多个宽边，因此产生在两个堆迭的所述囊体之间的多个窄的(或浅的)空间。因此，产生了用于所述第一流体的一改良且限定的流动路径，进而实现了一高的热交换率。

优选地，配置所述热能存储单元，使得所述管体的一外部形状为棱柱形；及所述棱柱形管体的一长度为所述棱柱形管体的最大直径的四倍长。

优选地，配置权利要求33或34所述的热能存储单元，使得所述多个囊体具有一基体及多个突出物，所述多个突出物从所述基体突出；所述多个基体通常为具有一第一半径的一球体；所述多个突出物通常具有半球体的形状，所述半球体具有一第二半径；所述第二半径比所述第一半径至少小50％。

优选地，配置权利要求53所述的热能存储单元，使得所述多个突出物均匀地分布在所述基体的一表面上。

优选地，配置权利要求53或54所述的热能存储单元，使得所述囊体具有12个所述突出物，并因此为环己烷的形状。

根据本发明的一些实施例，提供一种热能存储系统，所述热能存储系统包括多个上面提及的热能存储单元，所述系统的特征为所述多个热能存储单元为一建筑物的一结构布置的一部分；其中所述结构布置为一墙壁、一地板，或一屋顶，或一墙壁、一地板或一屋顶的一结合物。

根据本发明的一些实施例，提供一种热能存储系统，所述热能存储系统包括多个上面提及的热能存储单元，所述系统的特征为所述多个管体的一结合的长度与一切流面积的一比率在约40至200的一范围内，优选为约60至150的一范围内；其中将所述切流面积定义为每个囊体的对于所述管体中的所述第一流体的一自由流动截面区域。

优选地，配置所述热能存储系统，使得所述多个管体的数量为3至5个，优选为4个。

优选地，配置所述热能存储系统，使得所述多个管体的所述结合的长度为从10至20米，优选为16米。这样确实证明对于所述系统可产生所述最佳的热交换率。

根据本发明的一些实施例，提供一种囊体，所述囊体用于前面所阐述的一热能存储系统或热能存储单元，其中所述囊体含有一冰块成核剂，所述冰块成核剂优选地包括石英。

根据本发明的一些实施例，提供一种囊体，所述囊体用于前面所阐述的一热能存储系统或热能存储单元，其中所述囊体含有至少一热传导元件，优选为一金属条带。

上面提及的多个实施例的多个技术效果在下面详细地阐述。多个热能存储系统的其中一个关键性能规范为相对于所述存储容量的一平均释放率，在整个释放有效期间，所述平均释放率可在多个所需的温度限制内维持不变。容纳一定容量的一典型的系统应当能够在，例如，4小时的时间内尽可能地释放其存储的容量，并将所述第一流体的一最终离开的温度维持在低于或等于摄氏5度。

由于上述的多个需求，一特定囊体的所述有效的传热率应当尽可能地高。详细来说，一囊体的所述传热率受到以下的操纵：

1、多个传递所述热的区域，包括：

i、在所述囊体715内部的所述冰材料(例如厚块)的多个活跃的传递区域(所述热传递由所述囊体外壳的整个内表面区域开始，并且在所述冰材料开始融化时则下降，在冰块形成的期间则相反)

ii、所述囊体外壳的多个内部区域(意即，传至所述囊体的所述材料的所述冰/水的热传递区域)

iii、所述囊体外壳的多个外部区域(意即，传至所述第一流体的所述外部热传递区域)

2、多个传热系数(htc)，包括：

i、所述第二流体，意即，冰变水(融化)或水变冰(冻结)

ii、在所述囊体内部的水的多个进一步的影响(意即，从所述囊体内部通过水本身的所述热传导)

iii、所述第二流体对所述囊体材料(所谓的薄膜(film)htc；意即，例如取决于在所述囊体内部的所述第二流体的所述循环的多个边界效应(bordereffects))

iv、所述囊体材料本身，例如一聚合物(意即，所述囊体材料本身的所述热传导)

v、所述囊体材料对所述第一流体(意即，例如取决于在所述囊体外部流动的所述第一流体的速度及紊流的多个边界效应)

3、温度差异，包括：

i、在所述囊体内部与所述第一流体之间的总温度差异

ii、2i至2v的每个阶段的各自的差异

许多变量可被视为大致恒定：1i、1iii、2i、2ii、2iii、2iv、3i。其余的多个变量在释放过程中发生变化，详细来说：

1i、在所述释放过程期间，所述冰材料(厚块)的表面积显着地减少。所述减少率不一定与所述融冰的百分比呈一线性关系。

2v、所述囊体材料对所述第二流体120的所述传热系数高度取决于所述第二流体120的一流动特性。由于所述冰块的融化而使所述流动路径的所述空间持续增加(所述多个囊体收缩成它们“被水填充的尺寸”)的事实导致所述htf速度的下降，以及所述塑料对htf表面的htc亦随之下降(不一定与所述融冰的百分比呈一线性比例，是取决于流动雷诺(reynolds)数。

上面提及的多个实施例考虑到上面提及的项目1至3中的几个。例如，多个盘状或盒状的囊体提供了相对于其体积的一增加的囊体区域。通过利用一坚硬的聚合物来减少所述囊体材料的一厚度，改善了通过所述多个囊体外壳的所述htc。在所述囊体内部提供多个金属传递条带改善了所述冰对水的htc及水的htc。通过使每个所述囊体在不同温度下暴露在所述第一流体的双向通行来引起所述第二流体在所述囊体内部的内部循环导致在所述囊体内部的所述第二流体体积的一有利的交换，这样改善了所述囊体的所述内部htc，因为通过所述循环促进所述热传导。通过在所述囊体表面增加多个突出物来为所述第一流体的所述多个流动路径提供一紊流分布导致在所述囊体外壳与所述第一流体之间的一更有效的热传递，因为通过所述第一流体本身的运送再次促进所述热传导。相反地，纯层流分布将对所述传热率产生负面影响，因为在所述囊体的边界处的所述第一流体的所述速度趋近于零(这是由于一边界现象)，由此，在一纯层流的情况下，所述第一流体本身的移动不提供或仅提供很小的热传递。在所述多个囊体之间使用金属或其他材料作为多个间隔物或一网格导致一紊流分布及多个限定的流动路径。使用维持所述间隔物与所述囊体之间的多个紧密流动路径的多个可变/柔性间隔物也增加了所述传热率。

总结上文，本发明的多个实施例及多个方面应当使水能够以一安全、干净、有效且可负担的方式成为能量的一可用的电容器。

除非另外定义，否则本文所使用的所有技术及科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。本文提供的多个材料、方法及示例仅为说明性的，并非旨在进行限制。

术语“冰砖”可理解为一热能存储单元，所述热能存储单元特别适用于封闭一热传递流体(意即，所述第一流体)及多个囊体，所述多个囊体含有所述pcm(意即，所述第二流体)。

术语“管体”可理解为一细长的空心体，所述细长的空心体具有大于其直径的至少两倍，优选为六倍，的一长度。所述管体的一截面可为圆形、椭圆形、方形、矩形或多边形。优选地，所述管体的所述截面为矩形的，并且在其整体的长度上基本为恒定的。

术语“囊体”可理解为用于永久存储一pcm，例如水或水的一混合物，的一封闭的容积。另外，在此封闭的容积内不可存储多个另外的组成物或成分。

术语“热”指的是可被存储及交换的热能。

一热交换器的效率或有效性为所述热交换器中的实际的所述传热率与最大可能的传热率的比率。

一截面显示出在所述管体的一宽度方向上的一截面图。

本发明的所述方法及系统的实施方式涉及手动、自动或其一组合来进行或完成某些选择的任务或步骤。并且，根据本发明的所述方法及系统的多个优选实施例的实际的仪器及设备，通过硬件或通过任何固件的任何操作系统上的软件或其一组合可实施许多选择的步骤。例如，作为硬件，本发明的多个选择的步骤可被实施作为一芯片或一电路。作为软件，本发明的多个选择的步骤可被实施作为通过利用任何合适的运作系统的一计算机所执行的多个软件指令。在任何例子中，本发明的所述方法及系统的多个选择的步骤可被描述为通过一数据处理器来进行，例如，用于执行多个指令的一计算平台。

虽然针对一“控制器”、“计算装置”、一“计算机”或“移动装置”来描述本发明，但应当注意的是，可选择地，任何特征为一数据处理器且有能力执行一个或多个指令的任何装置皆可被描述为一计算机，包括但不限于任何类型的个人计算机(pc)、可编程逻辑控制器(plc)、一服务器、一分布式服务器、一虚拟服务器、一云计算平台、一蜂窝式电话、一ip电话、一智能手机或一个人数字助理(pda)。彼此通信的任何两个或多个这种装置可能可选择地包括一“网络”或一“计算机网络”。

附图说明

本文仅通过示例的方式参考多个附图来描述本发明。现在具体且详细地参考多个附图，要强调的是，所显示出的多个细节仅为示例的方式，并且仅为了说明性地讨论本发明的多个优选实施例的多个目的，以及将所述多个细节呈现出是为了提供被认为是对本发明的多个原理及多个概念方面的最有用且最容易理解的描述。在此方面，相较于必须基本理解本发明，未试图更详细地显示出本发明的多个结构细节，与多个附图结合的描述使本领域技术人员清楚如何在实践中体现本发明的多种形式。在多个附图中：

图1a至1e为根据本发明的至少一些实施例的一热能存储系统的多个示意图；

图2a至2u为根据本发明的至少一些实施例的多个冰砖、多个冰囊体及多个热能阵列的多个图示；

图3显示出根据本发明的至少一些实施例的一冰囊体；

图4显示出根据本发明的至少一些实施例的一圆柱状的冰砖；

图5a显示出能够通过一控制器启动多个冰砖的多个个别的子组的一tes系统，图5b显示出用于运作一tes系统的一流程图，及图5c显示出根据本发明的至少一些实施例的来自于运作一tes系统的实验数据；及

图6a至6g显示出根据本发明的至少一些实施例的使用于一冰砖中的多个间隔件；

图7a至7d显示出一热能存储单元及包括有一管体及多个囊体的一热能存储单元的多个截面图；

图8a及8b显示出含有多个金属条带的多个囊体；及

图9a及9b显示出在多个囊体之间的多个间隔件。

具体实施方式

在至少一些实施例中，本发明为通过使用多个可配置的冰砖或多个热能存储单元的用于热能存储的一系统及方法。

现在请参考图1a至1e，图1a至1e为根据本发明的至少一些实施例的一热能存储系统的多个示意图。如图所示，一热能存储(tes)系统100使用在一设施中的一空调(hvac)系统的一hvac冷却机102。所述设施的多个非限制性的示例包括一办公楼、住宅楼、购物中心、机场航站楼、工厂、服务器机房或类似场所。当在没有本发明的所述系统100的情况下运作时，所述hvac冷却机102将一第三流体124冷却，所述第三流体124接着在整个所述设施中循环，以便冷却一负载130。所述第三流体124优选为水。

如上文所描述，本发明的一目标为通过使用所述tes100来“存储冷却”。可替代地，相同的所述系统100可用于存储热。所述tes系统100包括一流体分配系统104，所述流体分配系统104包括必须用来将一第一流体120、一第二流体122及所述第三流体124分配到整个所述系统100中的那些组件。因此，所述分配系统104包括一个或多个泵106、管件108、多个流动控制机构107，例如多个阀，及多个监控组件109，所述多个监控组件109用于监控，例如，所述系统100内部的多个温度及多个流动速率。监控109优选地将数据提供给一控制器105，以便通过控制多个所述冷却机102及105、一he170、所述负载130、一阵列110，及如下文进一步描述的所述流体分配系统104的所述多个组件来控制一冻结及/或冷却过程。在正常的使用下，所述hvac冷却机102将所述第三流体124冷却，通过所述流体分配系统104来将所述第三流体124从所述hvac冷却机102通过多个管件108c引导至多个管件108l，以便流动通过所述负载130。

所述tes100进一步包括一热能阵列110。所述阵列110包括多个冰砖112。每个所述冰砖112包括被所述第一流体120围绕的多个冰囊体114。参考图2a至2u及图3在下文进一步描述所述多个冰砖112及所述多个冰囊体114的多个实施例。所述多个冰囊体114为含有所述第二流体122的多个封闭的或密封的囊体。所述第二流体122优选为水，如此将所述多个囊体114暴露于围绕所述多个囊体114的一低温的第一流体120下导致所述多个囊体114冷却，继而将所述第二流体122冷却，并且相变为冰。

所述第一流体120优选地具有比所述第二流体122低的一凝固点。一第一流体120的多个非限制性的示例包括乙二醇、与水混合的乙二醇、盐水或类似流体。所述tes100进一步包括一tes冷却机150，所述tes冷却机150用以将所述第一流体120冷却至低于所述第二流体122的所述凝固点的一温度。所述tes冷却机150为气冷式或水冷式的其中一种。

所述第二流体122优选为与一冰块成核剂混合的水。所述冰块成核剂优选为石英。所使用的石英类型可为但不限于以下任何一个：赫基蒙钻石、白水晶(rockcrystal)、紫水晶、紫黄晶、蔷薇石英、玉髓、隐晶石英、红玛瑙、玉髓、东陵石、玛瑙、缟玛瑙、碧玉、乳白石英、烟水晶、虎眼石、黄水晶、堇云石、金发晶或蓝线石水晶。石英便宜且容易获得，并且可抵抗所述第二流体的多个反复冻结的循环。再者，它将冻结所述冰所需的起始温度提高了几度。因此，一成核剂改善了所述热能存储系统100的所述效率及响应性。

可选择地，所述第二流体122包括一金属的多个条带，所述多个金属条带漂浮在所述多个囊体144内部的所述第二流体122中，并且使在所述多个囊体144内部形成的冰均匀分布。优选地，所述金属为铝。优选地，所述多个条带厚达0.5毫米。优选地，所述多个条带长达30厘米；优选地，所述多个条带宽达1厘米。参考图8将更详细地阐述此可选择的方面。

每个所述冰砖112优选地具有如图2e至2h所显示的一长又窄的形状因子，使得在所述多个囊体114与所述第一流体120之间能够进行有效的热传递。具有一长形状因子的一冰砖112优选地具有一长度l，所述长度l大于其最大宽度w及/或高度h的至少三倍或四倍。所述多个砖体112可优选地末端与末端相连，以产生包括多个砖体112的多个长线性模块。所使用的所述模块化结构及所述多个砖体112的数量能够控制能量释放率，进而为每次的设置提供确切的热能存储需求，并且也提供了多个灵活的设置选项，因为所述阵列110可根据需求来成型。参考图8a及8b将更详细地阐述此可选择的方面。

所述多个囊体114优选地在所述多个砖体112内稍微间隔开，以增加在一表面积与待冻结的所述第二流体122的体积之间的一整体比例。优选地，所述砖体112含有介于65％与85％之间的所述第二流体122。优选地，所述砖体112含有75％的所述第二流体122。所述多个囊体114优选地包括聚合物，例如，聚氯乙烯或其他合适的耐用且低成本的材料。所述多个囊体114优选地在其外部表面上包括多个突出物或多个脊部，以提供在所述多个囊体114之间的间隔，所述间隔用于所述第一流体120的流动，以及增加所述第一流体120的一紊流(turbulence)。

在使用如图1a所显示的系统100时，所述tes冷却机150将所述第一流体120冷却，优选地冷却至低于所述第二流体122的所述凝固点的一温度。所述第一流体120从所述tes冷却机150通过多个管件108g被泵送出，并且通过所述流体分配系统104引导所述第一流体120经由多个管件108t通过所述阵列110，以冻结所述第二流体122(在本文亦称为一“充填(charging)过程”)。接着，温度已经增加的所述第一流体120通过所述多个管件108t离开所述阵列110，并且通过所述流体分配系统104将所述温度已经增加的第一流体120引导回所述多个管件108g，并到达所述冷却机150，以便再次被冷却。在所述充填过程期间，所述第一流体120的提供可为连续的或不连续的。当在所述一个或多个砖体112内达到所述第一流体120的一所需的温度时，或者当一预定的时间段已经延迟时，或者当在所述阵列110中存储一预定量的能量时，所述充填过程优选地被停止。一(完全)充填的阵列110通常包括具有一冻结状态下的一第二流体122的多个囊体114。

一旦所述阵列110已经被充填，利用所述阵列110来将一冷却过程(在本文亦称为一释放过程)用于冷却所述负载130。通过管件108t将在所述阵列110内部的所述第一流体120引导至所述分配系统104，并且通过所述多个管件108s进入所述热交换器170中，在所述热交换器170中，所述第一流体120冷却所述第三流体124。接着，所述分配系统104引导所述冷却过的第三流体124通过多个管件108h进入所述多个管件108c，以便流过所述hvac冷却机102，并接着流过所述负载130(通过所述多个管件108l)。可替代地，所述第三流体124被引导通过与所述hvac冷却机102平行的所述多个管件108h，并经由所述流体分配系统104至所述管件108l来直接到达所述负载130。由于在所述he170中已经通过所述第一流体120将所述第三流体124冷却，因此所述hvac冷却机102优选地不需要被启动，从而产生了节能。当所述第一流体120在所述he170与所述阵列110之间循环时，含有所述冻结的所述第二流体122的所述多个囊体114将所述第一流体120冷却，接着，所述第一流体120直接或间接将所述第三流体124及所述负载130冷却。优选地，进入所述热交换器170的所述第一流体120的所述温度介于在一入口处的摄氏5度与在一出口处的摄氏10度之间。当所述多个囊体114冷却所述第一流体120时，所述冻结的第二流体122逐渐经历一相变并融化，直到所述阵列110不再足以冷却所述第一流体120，以及所述阵列110被称为待释放的一时间点(point)为止。一(完全)释放的阵列110通常包括具有一液体状态下的一第二流体122的多个囊体114。

所述充填过程优选地发生在非高峰时段期间(在所述电网上为低负载的时段)，而所述释放过程优选地根据所述负载130的多个需求而发生-甚至在高峰时段期间。当达到所述第一流体的一切断温度(cutofftemperature)时，或者当一预定的时间段已经流逝时，或者当从所述阵列110输出一预定量的能量时，或者在所述负载130的控制下，或者当用于冷却所述负载130的需求已经降低至一所需水平时，所述释放过程优选地被停止。

在所述充填过程期间的所述阵列110中的所述第一流体120的一流动方向可能相同或不同于在所述释放过程期间的所述第一流体120的一流动方向。

可替代地，将所述系统100用于加热。对于加热，所述tes冷却机150优选地运作如同一热泵。所述tes冷却机150加热所述第一流体120，优选地在非高峰时段。所述第一流体120从所述tes冷却机150通过所述多个管件108g被泵送出，并且通过所述流体分配系统104引导所述第一流体120经过所述多个管件108t及通过所述阵列110，以加热所述第二流体122(在本文亦称为一“充填过程”)。接着，温度已经下降的所述第一流体120离开所述阵列110，并且通过所述流体分配系统104引导所述温度已经下降的第一流体120通过所述多个管件108t及所述管件108g到达所述tes冷却机150，以便再次被加热。在所述加热过程期间，所述第一流体120的提供可为连续的或不连续的。当在所述一个或多个砖体112内达到所述第一流体120的一所需的温度时，或者当一预定的时间段已经延迟时，或者当在所述阵列110中存储一预定量的能量时，所述加热过程优选地被停止。在所述阵列中未发生相变。

一旦所述阵列110已经被充填，利用所述阵列110来将一加热过程(在本文亦称为一释放过程)用于加热所述负载130。通过所述分配系统104引导在所述阵列110内部的所述第一流体120通过所述多个管件108t及108s进入所述热交换器170中，在所述热交换器170中，所述第一流体120加热所述第三流体124。接着，所述分配系统104引导所述加热过的第三流体124从所述多个管件108h通过所述多个管件108c，以便流过所述hvac冷却机102，并接着流过所述负载130(通过所述多个管件108l)。可替代地，所述第三流体124被引导通过与所述hvac冷却机102平行的所述多个管件108h，并经由所述流体分配系统104至所述管件108l来直接到达所述负载130。由于在所述he170中已经通过所述第一流体120加热所述第三流体124，因此所述hvac冷却机102(充当为一热泵)优选地不需要被启动，因为所述第三流体124已经被加热，从而产生了节能。当所述第一流体120在所述热交换器170与所述阵列110之间循环时，含有所述加热过的所述第二流体122的所述多个囊体114加热所述第一流体120，接着，所述第一流体120直接或间接加热所述第三流体124及所述负载130。

所述充填过程优选地发生在非高峰时段期间(在所述电网上为低负载的时段)，而所述释放过程优选地根据所述负载130的多个需求而发生-甚至在高峰时段期间。

所述流体分配系统104的所述监控109优选地包括一个或多个温度监控器，所述一个或多个温度监控器用于监控以下的至少一个：进入所述阵列110之前的所述第一流体120所述温度；位在所述阵列110内的任何一位置中的所述第一流体120的所述温度；离开所述阵列110之后的所述第一流体120的所述温度；在一个或多个所述囊体114内的所述第二流体122的所述温度；一个或多个所述冰砖112的所述温度；进入所述he170之前的所述第一流体120的所述温度；及当离开所述he170时的所述第一流体120的所述温度。另外或可替代地，所述监控109包括一个或多个流动监控器(未显示)，所述一个或多个流动监控器用于监控以下的至少一个：在所述阵列110之前、内部、之后的所述第一流体120的所述流动；及在所述he170之前、内部、之后的所述第一流体120的所述流动。

尽管图1a至1e显示出所述流体分配系统104的所述多个冷却机102及105、所述he170、所述负载130、所述阵列110及所述多个组件的多个单一的例子，但应当理解为所述tes100可包括这些组件的任何合适的数量。

图1b的所述系统100以与图1a的所述系统相同的一方式来作用，但所说明的实施例包括一空气压缩机140。所述压缩机140从每个所述砖体112的顶部吸入空气216。此空气216优选地被压缩在介于10与20巴之间，从而由于压缩导致所述空气126被加热。接着，所述被压缩的空气126通过一空气对空气的热交换器142及/或一膨胀阀(未显示)来被泵送入每个所述冰砖112的一底部，进而使一温度下降至介于摄氏-20至-30度之间。此空气126通过每个所述冰砖112被起泡，以便在介于摄氏-5至+5度之间通过所述多个砖体112的所述顶部离开之前，进一步冷却多个内容物。接着，再次将此冷空气126提供给所述压缩机140，以产生一冷却封闭环108p。所述冷却环108p为简便显示为直接连接至所述热能存储阵列110，但所述冷却环108p优选为所述流体分配系统104的一部分，并且如本文所描述的其他管件系统一样被控制。在此实施例中，所述第二流体122优选地与盐类或其他合适的材料结合，以便降低所述第二流体122的所述凝固点。

图1c的所述系统以与图1a的所述系统相同的一方式来作用，但其中所述tes冷却机150的一冷凝循环为水冷式的，其包括从所述第三流体进料的一热交换器152。在此实施例中，一负载管件108k是用于连接至所述tes冷却机150中的所述he152。所述负载管件108k携带已经被所述hvac冷却机102冷凝的所述第三流体，所述第三流体124通常被冷凝至介于但不限于7至12℃之间的一温度。

接着，所述tes冷却机150通过一he154将所述第一流体120冷却至低于所述第二流体122的所述凝固点的一温度，使得所述第一流体120可被泵送通过所述阵列110，以便将所述多个囊体114内部的所述第二流体122冻结。接着，如同对于其他实施例，所述释放过程在所述he170中发生。此设置增加了所述tes冷却机150的所述能量效率，当部分或完全不使用所述负载130时，例如但不限于，一办公大楼在夜间的使用，所述tes冷却机150可利用大量供应的可用的所述冷却过的第三流体124。所述hvac冷却机102优选地在夜晚冷却所述第三流体124，此时外部温度较低且电力成本较低，以便更有效且更便宜地使用能量。由于所述水冷式的tes冷却机150更有效率，因此它也可小于其它实施例中所使用的一气冷式冷却机。

图1d的所述系统结合了图1b及1c的所述功能特性，以提供通过所述he152来连接至所述第三流体的一tes冷却机150，其通过来自于所述空气压缩机140的压缩冷却来进行补充。

图1e的所述系统以与图1a的所述系统相同的一方式来作用，但在所说明的实施例中，一些或全部的所述冰砖112为包括所述多个囊体114。在图1e的所述实施例中，所述tes100将所述第一流体120存储在所述多个冰砖112中。因此，通过所述冷却机150将所述第一流体120冷却，并且所述冷却过的第一流体120接着被泵送入所述多个冰砖112中，以便存储或在其他时间用于冷却所述第三流体(通过所述he170)。如上文所述，一第一流体120的多个非限制性实施例包括乙二醇、与水混合的乙二醇、与水混合的盐类，或者这些或其他流体的其他组合物，以形成“泥浆”或多个类似的流体。

现在请参考图2a至2u，图2a至2u为根据本发明的至少一些实施例的多个冰砖、多个冰囊体及多个热存储阵列的多个图式。图2a至2d显示出所述多个囊体114的多个优选的实施例。所述囊体114包括一填充喷嘴202，所述填充喷嘴202被放置在所述囊体114的一上部角落上，以使所述第二流体122能够将所述囊体114填充至一最大值，同时仍然能够有效地包装所述多个囊体114。所述多个囊体144优选地包括多个窄边间隔件204及多个宽边间隔件206。在提供所述多个间隔件时，当这些囊体114一起被包装在所述砖体112内部时，所述多个间隔件204及206在所述多个囊体114之间产生一间隙。此间隙被需要以允许所述第一流体120在所述多个囊体114之间流动，进而将在所述多个囊体114内部的所述第二流体122冻结。所述多个囊体114包括一高的深度d对上长度l及高度h之比率，以便在一较薄的冰块周围产生一更大的表面积，从而进行更有效率的所述第二流体122的热传递)。

图2e至2h显示出多个冰砖112的多个优选的实施例，所述多个冰砖112包括所述囊体114。所述冰砖112包括一矩形封闭件220，所述矩形封闭件220用于封闭多个所述囊体114。将所述多个囊体114包装在一起，以使容纳在所述砖体112内部的所述第二流体122的量最大化。所述砖体的每个末端均装配有用于对准所述多个囊体114的多个对准或支撑平板227以及密封所述砖体的多个末端平板226，使得所述砖体112在密封时为不透水的。所述砖体112通过多个入口/出口管件224连接至所述阵列110。提供了多个安装托架222，以将所述砖体112安装在所述阵列110中的一固定位置上，如下文进一步描述。除了用于连接所述多个砖体的所述多个入口/出口管件224及一互连管件228之外，所述砖体112被完全密封，以便完全容纳流过所述砖体112的所述第一流体120。

优选地，所述砖体112具有50x50x400厘米的一尺寸。优选地，所述砖体112具有1000升的一体积，所述1000升的体积包括75％(750升)的所述第二流体122。优选地，所述砖体112具有19.8trh|69千瓦小时(kwh)。可替代地，所述砖体112具有25x25x400厘米的一尺寸。选择所述砖体112的所述尺寸，以便在足够的能量存储与所述阵列的结构模块化之间提供一平衡。

图2i至2n显示出在多个热存储阵列110的多个柔性配置中的多个砖体112的多个优选的实施例。将所述砖体112使用作为配置具有任何所需的布局及容量的一阵列110的一建构块。如在图2i及2j中所显示，所述多个砖体112堆迭在彼此的顶部上、铺设成末端对末端，以及铺设成紧邻于彼此。接着，使用所述多个入口/出口管件224及所述互连管件228，以提供在所述阵列中用于所述第一流体120的所述多个砖体112之间的流体连接。所述多个砖体112以并联，或可替代地以串联，或可替代地以串联与并联的一结合的方式来进行流体连接。

如图2k至2n中所显示，一旦所述阵列110已经以一所需的容量(所述多个砖体112的数量)及形式(所述多个砖体112的布置)来被建构，就将多个绝缘板230贴附于所述阵列110的所述外部表面，以使所述阵列完全绝缘并保存所述多个砖体112内的所述热存储。此配置节省了所需的绝缘体总数，因为仅需要对整个阵列110的所述外表面进行绝缘，而无需对每个砖体112的每个表面进行绝缘。所述阵列110优选地被组装在一基底框架232的一顶部上，所述基底框架232优选地在其底侧绝缘。

一旦将所述阵列110已经被设置成一所需的形式，例如，图2m的一矩形盒状，或图2n的一平面平台状，或这些的任何组合，以产生特定安装所需的任何结构布置，此形式可被整合至所述热存储系统100所运作的所述结构中。作为一非限制性示例，图2n的所述平台可作用为一地板，或者可垂直竖立以作用为一墙壁，或者可同时作用为一地板及一墙壁，或者可作用为在所述tes系统100所运作的所述建筑物/结构内部、旁边或上方的一高架平台。

图2o至2r显示出包括多个囊体114的多个冰砖112的多个另外的优选实施例，其中所述多个囊体114在一中间区块中较狭窄，从而产生用于所述第一流体120的流动的在所述多个囊体114之间的多个间隙。

图2s至2u显示出多个囊体114的多个另外的优选实施例，其中所述多个囊体114包括具有一支撑脊部250的一加宽的中部，如此当冰块形成在所述囊体114内部时，一上部分256及一下部分254不会塌陷。当所述多个囊体114被包装在所述砖体112内部时，所述脊部250及多个脊部252产生在所述多个囊体114之间的一间隙。此间隙被需要以允许所述第一流体120在所述多个囊体114之间流动，进而将在所述多个囊体114内部的所述第二流体122冻结。所述多个囊体114也包括多个突出物260。所述多个突出物260增加了所述第一流体120在所述多个囊体114外部的雷诺(reynolds)数，从而导致所述第一流体120的一更紊乱的流动，并因此使在所述囊体114内部形成的冰块更好地分布。

图2v显示出具有多个突出物260、一脊部252及一填充喷嘴202的一囊体114的一侧视图。所述填充喷嘴的放置位置使它的增加不会超出所述矩形囊体114的一总体外部形状。图2w以垂直于图2v的所述视图的一另一侧视图来显示出图2v的所述囊体。图2x以一前视图的方式显示出图2v及2w的所述囊体，其中显示出所述囊体114的所述宽边及所述第一流体120的一总体的流动方向290。所述囊体114具有所述多个突出物260，所述多个突出物260被设置以使经过所述囊体114的所述第一流体260的所述流动路径以一曲折的模式291(或一蜿蜒的模式)来被提供。在本发明的意义上，所述曲折的模式291的特征为所述流动的所述方向反复地改变。优选地，所述曲折的模式291的特征为所述流动的所述方向规律地改变。更为优选的是，所述曲折的模式至少在所述曲折模式的一部分绕着一中央线大致呈对称。参考标号292指的是在所述多个突出物260之间的所述多个囊体114的多个平坦区域。图2y显示出图2v、2w及2x所示的所述囊体114的一立体图。

现在请参考图3，图3显示出根据本发明的至少一些实施例的一冰囊体。如图3所显示，优选地以一环己烷的形状来提供一囊体114cy。在使用中，将多个环己烷形状的囊体114cy放置在所述砖体112内部，以便自由地安置在所述砖体112内部。因此，所述多个囊体114cy并非固定在所述砖体112内部。所述多个环己烷形状的囊体114cy的一不规则的形状能够使所述砖体112内有一很高的填充系数，同时允许用以使所述第一流体120在所述多个囊体114cy周围流动的所述多个间隙使所述多个囊体内部的所述第二流体122冻结。并且，多个环己烷形状的囊体114cy也在所述砖体112c内部提供多个限定的流动路径，因为当将多个所述囊体放置在一封闭容积的内部时，这种限定的环己烷形状的囊体114c将产生这些囊体114c的一限定的几何图案。

现在请参考图4，图4显示出根据本发明的至少一些实施例的一圆柱状的冰砖。在如图4所显示的一可选择的实施例中，所述冰砖112c为圆柱状的，且包括以一个或多个阵列的方式设置的所述多个囊体114c。可选择地，在所述砖体112c内放置在不同高度的多个阵列。优选地，所述圆柱状的砖体112c适合被放置于地下。所述砖体112c由一管件制造而成，所述管件包括一螺旋金属加强件(未显示)，所述螺旋金属加强件沿着所述砖体112c的外部延伸，以使所述砖体112c能够被放置于地下。所述冰砖112c的体积优选为介于100至10,000立方米之间。

现在请参考图5a、图5b及图5c，图5a显示出能够通过一控制器启动多个冰砖的多个个别的子组的一tes系统，图5b显示出用于运作一tes系统的一流程图，图5c显示出根据本发明的至少一些实施例的来自于运作一tes系统的实验数据。如图5a所显示，所述tes系统100是根据图1a的所述tes系统100来建构及运作。可选择地，如同参考图5b所描述的，可使用图1a至1e的任何实施例。在图5a的所述实施例中，所述系统100包括n个冰砖112，其中n为大于2的一整数。应当理解的是，如上面所描述，所述阵列110优选地包括需要用来提供足够的热能存储的尽可能多的所述冰砖112。通过使用所述多个入口/出口管件224及所述互连管件228来将所述多个冰砖112进行互连，并且通过所述流体分配系统104的多个组件来进一步将所述多个冰砖112进行互连。所述流体分配系统104的所述流动控制107能够将所述阵列110分割成可被单独地启动的所述多个冰砖112的多个子组520，如下文所描述。

如上文所述，所述第一流体120流过所述多个冰砖112，以进行充填及释放。在图5b的所述释放过程500中，在步骤501中，开始所述释放步骤。所述过程500的多个步骤优选地受到所述控制器105的控制，所述控制器105控制如上文所述的所述系统100的所述多个组件。所述释放过程的启动可涉及许多步骤，例如但不限于，启动所述多个泵106、开启或关闭在所述流动控制107中的多个阀，及通过使用所述监控109来监控所述多个流体120、122与124的多个温度及多个流动速率。

在作为所述启动过程的一部分的步骤502中，所述控制器105启动所述多个冰砖112的一第一子组520a，并且仅将所述第一流体120泵送通过此第一子组520a，而不泵送通过任何其他的所述冰砖112。如图5a所显示，所述第一子组520a包括多个冰砖112a及112b，然而，任何数量的所述多个冰砖112，且甚至是一单一的所述冰砖112，亦可被包括在一子组中，并且在一子组520中的两个冰砖112的所述示例不应被视为是限制。可选择地，在步骤502启动一个以上的所述子组520。由于所述第一流体120经过所述第一子组520a，因此将所述第一流体120冷却，同时加热所述第二流体122。在步骤503中，当所述第一流体离开所述阵列110时，监控所述第一流体120的所述温度，例如，通过所述监控109。可选择地，在所述系统100中的其他流体的多个温度也可以在步骤503中进行量测。

在决定步骤504中，所述监控109指示出所述监控到的温度是否已经升高到高于一限定的阈值。假如所述监控到的温度未超过所述阈值，则接下来所述控制器105不会采取任何措施，并继续步骤503的监控。当所述监控109指示出所述温度已经升高到高于所述限定的阈值(优选地被定义在所述控制器中)，则意味着经过所述子组520a的所述第二流体122不再受到所述子组520a的充分冷却，因为所述子组520a的所述第二流体122的温度已经升高。在一非限制性的示例中，在所述第一流体120的所述温度已经在所述阵列110的所述出口处升高到超过摄氏5度的情况下，所述子组520a不再充分地将所述第一流体120冷却。

在决定步骤505中，所述控制器105确认是否已经启动所述多个冰砖112的所有的子组。当确定并未启动所述多个冰砖112的所有的子组时，所述控制器105在步骤506中启动所述多个冰砖112的一下一个子组520b。如上文所述，尽管图5a显示所述子组520b仅包括所述多个砖体112c及112d，但这不应被视为是限制性，且所述子组520b可包括任何数量的所述冰砖112。除了所述子组520之外，优选地启动所述子组520b。可替代地，当启动所述子组520b时，停用所述子组520。可选择地，在步骤506中启动一个以上的所述子组。如在步骤503中通过所述监控109所监控，所述子组520b的所述启动导致一下降的温度。

如图5b所显示，重复步骤503、504及505，直到在步骤505中确定所述多个冰砖112的所有可用的子组，直到子组520n，已经被利用为止，并且在步骤507中停止所述释放过程500。

图5c显示出来自于运作一tes系统的实验数据。如在图5c的图示中所显示，所述第一流体120的所述温度在所述阵列110的所述出口处被监控，并且被绘制成线段532，以作为自一释放过程启动以来经过的时间的一函数。在一实验的系统中，在时间＝0时启动三个冰砖112，并且如所示，在点530所指示的时间点，所述温度从摄氏-5度上升到摄氏5度左右。在时间点530，除了所述初始的三个冰砖之外，也启动另一所述冰砖，并且这样立即降低所述出口的温度，如图示532中所示，降低至摄氏0度左右。接着，随着一第四冰砖也被释放，所述温度再次逐渐升高到摄氏5度左右。如同可从所述实验图示532所见，所述多个冰砖112或所述多个冰砖112的所述多个子组的所述逐渐启动导致所述tes系统100的释放更加平衡，更长的释放时间导致所述tes冷却一负载130的时间段更长，并且更好地利用每个所述冰砖112，所述每个冰砖112被更完全地释放。

现在请参考图6a至6g，图6a至6g显示出根据本发明的至少一些实施例的使用于一冰砖中的多个间隔件。所述多个间隔件600及620被插入在所述多冰砖112内部的所述多个囊体114之间。一冰砖112优选地包括多个间隔件600，或者可替代地为多个间隔件620。可替代地，一冰砖112包括多个间隔件600及620的一组合。

图6d及6e显示出在一释放(图6d)状态及一充填(图6e)状态下的不具有任何间隔件600或620的两个囊体114。图6f及6g显示出在一释放(图6f)状态及一充填(图6g)状态下的具有间隔件620的两个囊体114。为了简化的目的，显示出两个囊体114，并且应当显而易见的是，可依照在所述砖体112内部的需求来提供任何数量的所述多个囊体及所述多个间隔件。所述多个间隔件600及620的目的在于维持所述多个囊体114周围的一最小的流动区域630。由于在所述多个囊体114被完全充填(所述第二流体122，例如水，已经转变为冰)时，所述多个囊体114会膨胀(图6e)，因此需要所述流动区域630。所述多个囊体114的这种膨胀可通过限制所述流动区域630(图6e)来阻挡所述第一流体120的所述流动，如此防止所述第一流体120经过所述冰砖112，并从而防止所述第一流体120的有效冷却。进一步地，当所述第二流体122(例如水)在一释放状态下时(图6d)，所述多个囊体114收缩，并且在所述多个囊体114之间的所述流动区域630增大，进而造成所述第一流体的流动速率的一显着的下降，这样影响了对于充填及释放两者的热传递。

在图6a的所述实施例中，所述间隔件600通过安装在所述多个囊体114之间来确保一足够的流动区域，使得所述多个囊体114无法膨胀而填满所述流动区域。在所述间隔件600中的多个孔洞604允许所述第一流体120的流动。当所述多个囊体114释放时，多个柔性的翼片(flaps)602远离于所述间隔件600打开，以便占据所述流动区域630，从而增加所述第一流体的流动速率。

在图6b、6c、6f及6g的所述实施例中，所述间隔件620通过安装在所述多个囊体114之间来确保一足够的流动区域630，使得所述多个囊体114在冻结时无法膨胀而填满所述流动区域630。图6c显示出所述间隔件620的a’-a’截面。在所述间隔件620中的多个垂直棒621及多个水平棒622之间的多个间隙624允许所述第一流体120的流动。如在图6f中所显示，所述间隔件620安装在所述多个囊体114之间，且所述多个垂直棒621及所述多个水平棒622增加所述第一流体通过所述流动区域630的所述流动速率。如在图6g中所显示，当所述多个囊体114被充填且膨胀时，所述间隔件620防止所述囊体114阻挡所述流动区域630，从而确保所述第一流体120持续在所述多个囊体114周围流动。

现在请参考图7a至7d，图7a至7d显示出一冰砖112，意即，一热能存储单元711。

图7a的所述热能存储单元711包括一管体712，所述管体712具有一细长的空心体形状。所述管体712优选地由金属制成，例如碳钢或不锈钢。一前端元件713a及一后端元件713b被设置成盖在所述管体的两个末端处，如此提供了一矩形的封闭体。所述元件713a及713b两者也优选地由金属制成，例如不锈钢或碳钢，并提供用于将所述热能存储单元711安装至，例如一支撑工具(未显示)，的一工具。所述前端元件713a及所述后端元件713b分别具有一入口714a及一出口714b。所述入口714a及所述出口714b可进一步连接至所述多个热能存储单元112、所述管体10，及/或所述流体分配系统104。在所述管体712内部，设置有多个囊体715。所述多个囊体115具有盘子或砖块的形状。再者，所述多个囊体715的多个主要表面(意即，它们的宽边)呈一内凹或凹槽的形状。所述多个囊体715在所述管体内部的所述布置优选地配置成所述多个囊体715的多个水平设置的堆迭体717(意即，所述多个堆迭体在所述管体712的一宽度方向上堆迭)。例如，16或8个所述囊体715可形成所述多个囊体715的一堆迭体717。多个堆迭体717是沿着所述管体712的一长度一个接着一个来设置。所述多个囊体容纳如同所述第二流体的一相变材料，例如水，以及优选地有一成核剂，例如石英。在所述多个囊体715之间，以及在所述多个囊体与所述管体之间，提供一间隔件716，其中所述第一流体120，例如一水/甘油混合物，可在所述管体712内部从所述入口714a流至所述出口714b。

此设置允许通过所述囊体715的所述壁的在所述第一流体120与所述第二流体122之间的一有效率的热交换。在所述囊体715与所述第一流体120之间的所述实际的热交换率取决于许多因子，包括所述流动的速率、在所述第一流体120的所述流动与所述囊体715之间的所述接触表面的一有效的区域，及所述流动的类型(例如，紊流或层流)。图7a的所述实施例改善了所有的这些因子。这将在下文更详细地阐述：

所述管体的所述细长的形状结合所述多个囊体715的所述堆迭设置限定了剩余的自由空间716，这导致所述第一流体的多个预定的流动路径718紧邻于所述多个囊体。在所述入口714a处的所述第一流体120的整个流动被划分成所述多个预定的流动路径718，其中每个所述流动路径718沿着所述管体712的所述长度经过多个囊体。并且，所述多个囊体715配置以使所述多个流动路径718被限定在所述多个囊体715的一冻结(膨胀)状态中以及所述多个囊体715的一未冻结(非膨胀)状态中。换言之，在考虑到由于所述第二流体的所述体积变化而引起的所述多个囊体的体积变化时，尤其是在进行相变时，在所述多个囊体715之间提供用于所述第一流体120的多个预定的或固定的流动通道。因此，相对于多个常规的基于槽体的能量存储单元，提供了用以使所述第一流体120进行热交换的多个流动路径718的一预定的系统。在所述多个常规的基于槽体的能量存储单元中的所述热传递流体的所述流动具有一高度的随机性，其中，例如，所述第一流体很难到达所述槽体的多个边缘。

并且，所述多个囊体715的所述盘子的形状在几何上增加了所述多个囊体715的表面(意即，其表面积与体积的比率)，其中所述多个囊体715的一最大的表面(意即，所述多个宽边)有利地限定了其用于热交换的多个主要表面。

相应地，图7a的每个所述流动路径715具有一狭窄的形状，所述狭窄的形状平行地对准所述多个囊体715的所述多个主要表面。所述多个限定的流动路径718的所述狭窄的形状利用所述多个囊体715的所述多个主要表面，如此增加了所述传热率。换言之，所述热能存储单元711的上文所阐述的设置显着地增加用于进行热交换的所述接触表面的所述有效的区域，同时将压降维持在一可接受的水平(例如，低于1巴)。

所述管体712的所述细长的形状提供所述第一流体120的多个限定的流动路径，所述多个限定的流动路径显着地比多个常规的系统长。因此，优化了所述第一流体120与所述多个堆迭体717的所述热交换，这是因为在发生所述多个囊体715的冻结或解冻时，将所述多个堆迭体717逐渐启动。

另外，将所述多个流动路径的平均长度增加到比所述管体712的所述长度l长。此外，这样也增加了传热率。

图7b显示出一空管体712的一截面。图7c显示出一管体712的一截面，所述管体712包括具有在一液体(未冻结)状态下的水的所述多个囊体715的一堆迭体717。因此，将图7c的所述热能存储单元711完全释放。图7d显示出一管体712的一截面，所述管体件712包括具有在一冻结/固体状态下的水的所述多个囊体715的一堆迭体717。因此，将图7d的所述热能存储单元711完全释放。假如考虑不具有任何所述囊体715，则图7b的所述管体712理想地具有所述管体712a用于所述第一流体120的一整体的截面(意即，截面积)。假如将所述多个囊体715的一堆迭体717放置在所述管体712内部，在所述多个囊体715之间提供多个狭窄形的流动路径；在图7c中，通过多个圆圈指示出这些窄流动路径718的其中一个，所述多个圆圈表示所述第一流体120的所述流动方向。在用于所述第一流体120的两个囊体120中的每一个之间的一截面区域中(在图7c中以参考标号718a来表示用于所述多个流动路径的这些自由流动截面区域的其中一个)，以及在图7c的左侧及右侧处，在所述管体120的所述壁与最外面的左侧囊体及右侧囊体之间分别提供所述流动路径718。在图7c中以所述参考标号718a来表示限定所述多个流动路径718的这些截面区域的其中一个。图7d显示出与图7c几乎相同的构造，关键的区别在于，在所述多个囊体715之间的用于所述第一流体120的所述流动的多个剩余的截面区域较小，这是因为通过在所述多个囊体715内部的所述冻结的第二流体122使所述多个囊体715膨胀。在图7d中通过参考标号718b来表示用于所述第一流体120的限定所述多个流动路径718的这些自由流动截面区域的其中一个。设置所述多个堆迭体717，以便沿着通常是从所述前端至所述后端至所述管体的所述管体的所述长度来提供连续的流动路径718。这些流动路径718的所述平均长度比所述管体712本身的所述长度长。优选地，所述多个囊体715的所述多个堆迭体717具有相同数量的所述多个囊体715。优选地，所述多个堆迭体717紧邻于彼此来连续地设置，如此通过所述多个堆迭体717本身来提供所述多个流动路径718。

由于在进行充填/冻结时，水膨胀其体积，因此相较于图7b的所述多个囊体，图7c的所述多个囊体715需要更多的空间。此影响也称为所述多个囊体715的“呼吸效应(breathingeffect)”。由于此呼吸效应，用于所述第一流体120的所述剩余的空间根据在所述多个囊体715内部的所述第二流体122的所述状态而改变。在限定所述多个流动路径718时，必须考虑到所述多个囊体715的所述呼吸效应。第一，所述多个堆迭体717必须被调整，使得所述多个流动路径718在所述充填状态及在所述释放状态下不会被阻挡。第二，所述多个堆迭体717必须被调整，使得在所述多个冻结的囊体715的例子中，以及在所述多个未冻结的囊体715的例子中，所述多个流动路径718提供一可接受的压降。第三，必须优化所述热能存储单元711的整体的热力学配置。这特别包括在所述流动路径718中的所述第一流体120的流动动力学，其应当被配置以使在所述多个囊体715与所述第一流体120之间可发生一有效的热传递。

上文所提及的所述第一项是为了确保可始终提供所述第一流体120的一流动。

下面将更详细地阐述上文所提及的所述第二项。所述流动路径越长，所述流动路径的截面积越小，所述压降的增加就越多。一增加的压降具有一较高的泵送功率消耗(意即，较高的系统损耗及较低的所述系统的总效率)的缺点，以及对于整个所述系统增加了多个机械需求的缺点。因此，从所述入口714a至所述出口714b的所述压降必须低于1巴(大气压)。优选地，所述热能存储单元配置以使所述压降在其完全充填的状态以及在其完全释放的状态下低于0.5巴。

关于上文所提及的所述第三项，多个管体(或是一个非常长的管体)的一结合的长度与一切流面积的一比率在约40至200的一范围内，优选为约60至150的一范围内。多个管体的一结合的长度(意即，串联连接在一起的多个管体712的一总长度)与一切流面积的这些比率提供一有效的传热率及一可接受的压降。

一方面，这样允许放置在最靠近所述入口的所述多个囊体(其由于在所述多个囊体内部的冰块的融化而造成降低的传热率)有更多个时间以一较低的传热率及一较低的交换温度继续将它们的热传递至所述第一流体120，而位在所述第一流体120的所述流动的最下游的所述多个囊体715以一较高的传热率继续它们的热传递。

术语“切流面积”为如下所计算出的一数字：

切流面积＝(tcsa-(ffcsa-ls+ffcsa-fs)/2xcps)/cps

其中上述的多个变量定义如下：

tcsa＝所述管体的整体可用的截面区域712a(参见图7b)；

ffcsa-ls＝在所述第二流体的液体状态下(意即，在一释放状态下，参见图7c)的每个囊体的自由流动截面区域718a；

ffcsa-fs＝在所述第二流体的冻结状态下(意即，在一充填状态下，参见图7d)的每个囊体的自由流动截面区域718b；

cps＝每个堆积体718的多个囊体715的数量；

利用上述的公式，每个所述囊体715的一平均的自由流动截面积(意即，(ffcsa-ls+ffcsa-fs)/2)被用以计算在一管体的截面中的可用的总流动面积。所述结果接着被用以计算每个囊体的所述平均的流动截面积，意即，所述切流面积。

所述计算出的切流面积可被用来计算一比率γ，所述比率γ为针对在所述囊体与所述第一流体之间的所述热传递的所述效率的一良好指标，如下：

比率γ＝所述多个管体的一结合的长度/切流面积

约为150的所述多个管体的所述结合的长度与所述切流面积的一比率γ为一最佳的数值。在低于摄氏5度的所述第一流体的一可接受的离开温度及一可接受的压降(约0.5巴)的情况下，已经根据上文所阐述的需求来配置的一系统说明了高于80％的一屈服值(yieldvalue)(在四小时内的释放速率期间融化的所述第二流体的百分比)。将所述比率增加至200(具有根据上文所阐述的多个实施例的所述囊体的一形状)将使所述压降增加到超过所需的限制。将所述比率降低到低于40将减少一产量百分比，同时进行释放至50％。在60至90的一范围内的一比率也将导致所述单元711的一合理的效能。并且，相对于多个常规的“封装式蓄冰”系统，本实施例提供一平坦且稳定的释放曲线(性能)。

要注意的是，对于所述比率γ的上述的多个范围及多个最佳的数值为上述多个实施例的理论及多个实践实验的结果。

图8a显示出具有一填充喷嘴202的一囊体114，所述填充喷嘴202具有一预定的直径。提供多个扁平的金属条带801，使它们被设置在所述囊体114内部。所述多个条带的一宽度适于所述填充喷嘴202的所述直径，如此所述多个条带可被插入至所述囊体114中。要注意的是，放置在图8a的所述填充喷嘴202中的所述条带801仅出于多个说明的目的来示出。最后用于所述热存储单元的所述囊体114仅设有完全位于所述囊体114内部的所述多个条带801。所述多个条带801的一长度优选地被确定尺寸，使得它们很好地符合在所述囊体114的所述长度内。如此一来，所述多个条带801将留在所述囊体114内部的一适当位置中，且将影响所述囊体114的一很大部分的内部体积。优选地，使用多个金属条带，以增加所述囊体114的所述整体的热传递效率。这些条带801作用为多个热传递元件，所述多个热传递元件改善了在所述囊体114内部的所述热的传递，并且改善了各个所述囊体的总热传递效率。

图8b显示出具有一填充喷嘴202的一囊体114，所述填充喷嘴202具有一预定的直径。提供多个螺旋又扁平的金属条带802，使它们被设置在所述囊体114内部。所述多个条带的一宽度适于所述填充喷嘴202的所述直径，如此所述多个条带可被插入至所述囊体114中。要注意的是，放置在图8a的所述填充喷嘴202中的所述条带802仅出于多个说明的目的来示出。所述多个螺旋又扁平的金属条带802提供在所述囊体114内部的一均匀且良好分布的热。

图9a显示出一坚硬的间隔件620，所述坚硬的间隔件620具有多个垂直棒620、多个水平棒621及在所述多个棒件之间的多个间隙624。在两个邻近的所述囊体114之间提供所述坚硬的间隔件600。请参考图6b及6c，以及对应的阐述。例如，所述坚硬的间隔件可与在图7的内文中所描述的实施例结合使用。

当所述囊体的壁在进行充填时(意即，在所述第二流体122冻结时)朝向邻近的所述囊体壁偏斜时，所述多个水平棒622维持它们附近的一自由流动路径，这将允许所述第一流体120的多个平行的流动650，如此将造成所述冰块在整个所述囊体的宽度上融化。直立的所述多个垂直棒将产生一紊流，所述紊流将改善在所述囊体的所述壁与所述第一流体120的所述流动之间的所述传热系数，如多个弯曲的箭头640所描绘。

图9b显示出具有多个翼片602的一柔性的间隔件600。在两个邻近的所述囊体114之间提供所述柔性的间隔件600。请参考图6a及对应的阐述。再者，提供多个突出物603，以产生更多的紊流。例如，所述柔性的间隔件600可与在图7的内文中所描述的实施例结合使用。

预先加载以压在所述相邻的囊体114的多个平坦壁上的装配有所述多个翼片602的所述多个柔性的间隔件600的放置将迫使所述第一流体流过在所述多个囊体114的多个壁之间的所述狭窄的间隙。这样增加所述第一流体120与所述囊体114的所述传热率。另外，增加了所述流动的所述紊流。这在图9b中通过多个线段900来描绘。在所述充填阶段中的一最小空隙(意即，所述间隙的一最小尺寸)在每侧应约为1毫米。

再者，所述柔性的间隔件600可配置以使所述间隙在每侧增大(由于冰融化)至约3至5毫米。这样将有利地造成所述第一流体120的所述流体流动的所述速率下降至在所述管体中的其最大速率的四分之一(1/4)。

所述多个翼片(翅翼)被预先设置以远离于一平直的薄板来扩展，并朝着所述囊体壁移动，以及维持用于在所述囊体114附近的所述第一流体120的一狭窄的流动间隙，并且所述多个翼片将防止如上所述的性能下降。

应当理解的是，为清楚起见，在个别的实施例的内文中所描述的本发明的某些特征也可以在一单一实施例的组合中被提供。相反地，为简洁起见，在一单一实施例的内文中所描述的本发明的各种特征也可以个别地，或以任何合适的子组合来被提供。

虽然已经结合本发明的多个特定实施例来描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，显然许多替代、修改及变化为显而易见的。因此，其旨在涵盖所有落入所附的权利要求的精神及广泛范围内的这种替代、修改及变化。在此说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请皆通过引用整体并入本文中，其程度与假如每个单独的出版物、专利或专利申请具体地且单独地被指示通过引用并入本文中的程度相同。此外，在此申请中的任何参考文献的引用或辨识不应被解释为承认这种参考文献可用作本发明的现有技术。

参考标记列表

能量存储(tes)系统100

冷却机102/150

流体分配系统104

控制器105

泵106

流动控制机构107

管件108至108t

监控组件109

阵列110

冰砖112、112b、112c、112d

冰囊体114、114c、114cy

第一流体120

第二流体122

第三流体124

空气126

冷却负载130

空气压缩机140

热交换器(he)142、152、170

填充喷嘴202

窄边间隔件204

宽边间隔件206

矩形封闭件220

安装托架222

入口/出口管件224

末端平板226

支撑平板227

互连管件228

基底框架232

脊部250、252

下部分254

上部分256

突出物260

总体的流动方向290

曲折的模式291

释放过程500

子组520、520a、520b520、520a、520b

间隔件600、620

翼片602

突出物603

垂直棒621

水平棒622

间隙624

流动区域630

弯曲的箭头640

流动650

管体712

管体的整个截面712a

前端元件713a

后端元件713b

入口714a

出口714b

囊体715

空间716

囊体的堆叠体717

流动路径718

第二流体在液体状态下的自由流动截面区域718a

第二流体在冻结状态下的自由流动截面区域718b