建筑物中的蓄水池作为供暖、通风和空调的蓄热器的非侵入式和扩展应用的制作方法

专利名称：建筑物中的蓄水池作为供暖、通风和空调的蓄热器的非侵入式和扩展应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及在供暖、通风和空调(heating，ventilation and airconditioning)(HVAC)系统中减少消耗的方法和系统。
特别地，本发明涉及一种利用建筑物中的蓄水池来增强建筑物的供暖和冷却从而减少能量消耗的方法。
背景技术：
供电公司给予能够转变他们的能量需求从高峰需求期到非高峰期的用户经济上的激励是通常惯例。高峰期和非高峰期的电的价格的差别通常是相当可观的。这使得建筑物管理实施能在低价格下运行的系统具有消耗效益。
本领域中这样的系统的一个例子是蓄热器系统，其在非高峰期运行致冷设备来制冰，然后在高峰期释放冰存储来满足全部或部分的冷却任务。这种时间相关的能量消耗如电负荷费和高峰期使用时间能量费的显著减少是使用蓄热器系统的主要动机。
制冰的例子在夏季或者在较温暖的气候中的冷却是有用的，利用蓄热器来节省消耗的想法也可以通过在较冷的气候或季节利用温暖的空气来实现。
热能能够被储存于水(冰)或者其它相变材料如水合盐溶解的潜热中。就冰存储而言，将不得不安装单独的制冰机，但是这些制冰机比那些用于空气调节目的的制冰机典型的能量效率低效。就相变材料而言，传统的空气调节冷却器仍可以被用来产生更好的能效。
可选地，可以用不产生相变的水作为存储介质。储存在冷却的水存储中的能量数量直接涉及到储存器中水的容量、进入和离开系统的水之间的温差(Δt)次数。冷却水存储中发展的技术基于保持凉水和温水之间的隔离。
这种隔离可以由分开的容器或者槽，或者通过制造温跃层将温水隔离到槽的上部，较冷的水在槽的下部来完成。
冷水(典型的，6℃)被用管道输送到冷却水回路中去完成预期的冷却，并且较温的水(典型的是12℃)返回到与剩下的冷水库存分开的储存槽中。可选地，由电或太阳能加热器或者来自废热加热的水可以用管道输送到系统中以加热进入的冷空气。固有地，该技术限制空气调节系统中的温差(Δt)到大约10℃的传统工作范围。冷却器将储存器中的水冷却到5℃并在15℃盘旋回水到存储器中。
此外，冷却水系统关联大容量。结果许多储存槽被放置在户外或者地下。蓄热器系统需要的地点和空间与存储类型和建筑物以及场所的结构有关。建筑物或者场所的限制使得经常从一个选择转换到另一个选择。有时，建筑上或者结构上的考虑超过蓄热系统能达到的性能利益。
因此，能够通过转移能量需求以利用非高峰用电价格，而不需要安装新的存储器和昂贵的制冰设备或者相变材料来减少其运行消耗对暖通空调系统来说是明显的需求。另外，利用现有水存储来达到该转移，而无需安装额外的结构也将进一步减少消耗。
可以看出，在本领域中，这些方法的工作温差或者范围典型地只是10℃，并且在现有技术的发明中不同温度的存储介质或水通常被分离开工作。

发明内容
本发明一方面试图提供一种利用至少一个蓄热装置来减少至少一个空气调节系统中的负荷和电能消耗的方法，其中该至少一个蓄热装置包括至少一个建筑物中的至少一个现有水体，所述方法包括修改所述至少一个现有水体；连接该至少一个现有水体到空气调节系统；改变该至少一个现有水体内的水的温度；该至少一个现有水体内的水缓和该至少一个空气调节系统的负荷；由此该至少一个现有水体内的水的容量和完整性被保持，并且因此扩大了水的有用温差超过1O℃。
在另一方面，本发明提供一种利用蓄热器减少空气调节系统的负荷和电能消耗的系统，所述系统包括至少一个蓄热器；至少一个空气调节系统；其中，该至少一个蓄热器通过至少一个热交换器间接连到该至少一个空气调节系统，由此所述蓄热器有助于缓和与该至少一个空气调节系统连接的负荷；并且该至少一个蓄热器的容量和完整性被保持；并且蓄热器的有用的温差被扩大到超过10℃。


本发明的优选实施例将通过例子结合附图更详细地进行描述，其中图1说明建筑物中的现有存储水体如何根据本发明可以与现有空气调节系统连接的示意图；图2示出了根据本发明如何利用现有存储水体；图3示出了一种根据本发明的方法如何使用多个储水箱的水容量而不减少整体水容量的方法；图4示出了另一种可以通过本发明的方法保持一个槽的整体水容量方法；图5示出了如何为蓄热器蓄能。
图6示出了本发明的方法的释放蓄热器的热量的第一个阶段。以及图7示出了本发明的方法的第二个阶段。
具体实施例方式
本发明试图提出已知技术中的不足之处，并提出一种具有消耗效益的解决方案以实现用于空间供暖或冷却建筑物的蓄热器系统。
本发明利用其水容量被保持的蓄水池，来减少建筑物的暖通空调(HVAC)系统运行的消耗。
依照所描述的本发明的一个优选实施例。在下面的描述中，将描述该优选实施例的细节。对本领域的技术人员来说是明显的是，本发明可以无需这些细节就被实施。为了不模糊本发明，有些细节可能不会详细描述。
现代建筑物被设计带有多种需要业主为每项服务分别存储水体的服务。为防火的目的，要求建筑物装备有基于水的消防系统，如自动洒水装置系统和消防湿上水喉系统。在这些系统中，规定的水量必须备用存储以便在激活时火的爆发可以被抑制及或/扑灭。在正常的情况下，在这些蓄水池中的水在其它方面从不会被使用。
本发明利用在其它方面未使用的蓄热器来减少HVAC系统的运行消耗。
不像现有技术那样，本发明在优选实施例中没有使用冰存储或者其它蓄热介质如相变材料。本发明使用的是闭环回路系统中冷却的或者变温的水。
虽然所描述的本发明的优选实施例针对的是冷却建筑物，但是HVAC系统领域内的技术人员将能意识到本发明也可以容易地适用于节省建筑物中空间供暖的能量消耗。
本发明优选实施例具有很多优点。优选实施例其中的一个优点是作为蓄热介质用于除了空气调节系统之外的服务的存储在建筑物中的水体(蓄水池)的非侵入式应用。这些蓄水池将会包括，但是不局限于，为了消防目的存储的水和/或为了娱乐目的如游泳池存储的水。这减少了(但未完全消除)为了冷却水存储的目的建造大型水箱的消耗。
另一个优点是该策略和技术能够保证所述水体的完整性，并且不危及它们最初的预期用途。
另一个优点是水的储能量可以增加超过通常所接受的空气调节的惯例。这包括扩大冷却水的工作范围超过典型的10℃温差(Δt).
图1示出了连接这些水体到HVAC系统的示意图。存储介质中的水被隔离并且不被连接流动到用于空气调节的冷却水线路的任何段。相反，热传递是利用蓄热介质(1)和冷却水线路之间的合适的热交换器(4)实现的。通过使用这些现有水体，尤其为蓄热目的建造额外的储水箱的消耗被大大减少。
在本发明中，蓄热器中的水的温度被改变，并且之后用这些水缓和空气调节系统中的负荷。
在蓄能模式中，线路可以被设置为在遇到负荷时允许冷却器(20)或者另一个温度改变装置如加热器执行蓄能或者改变存储介质(1)的温度。可选地，其它专用的冷却器(201)可以单独蓄能水存储(图2)。这些可以在夜间完成，此时电的价格比较低且将为用户节省相当多的费用。
本发明提供单一或者两阶段蓄热能量的释放。第一阶段的释放如本领域中，也就是说，利用存储的冷却水在通常10℃温差(Δt)内的热量用于冷却负荷。然而，和现有技术不同，热存储介质并不进入到回路中，而是通过热交换器(4)间接地完成。
第二阶段，本发明的另一种方法和目的为试图扩大存储介质的温差超过10℃的温度范围。本发明可以通过一阶段或者两阶段释放蓄热器(1)来实现。在这两种情况下，本发明的水或者蓄热介质在封闭的回路中循环，并且不与空气调节系统中的水或者蓄热介质相混合。热交换通过热交换器(4)完成。本发明的这个方法保持了蓄热器的完整性并且对比本领域的现有方法是新颖的和有创造性的。
冷却任务由两组热交换器(22)A和(16)B完成(图1)。热交换器B是预冷却设备从而减少热交换器(22)A的负荷。
如图所示，考虑冷却负荷的通风成分。典型地，新鲜空气被引入到建筑物中以满足居住者的通风需求。进入到建筑物中的新鲜空气量可以在其进入位置由热交换器(16)B预先冷却或者变适中。这减少了热交换器A(22)的负荷。因此，本发明能够缓和空气调节系统的负荷。
在第一阶段(图6)中，蓄热器中的水通过管道顺流输送到扩大了冷却水线路返回段的热交换器(22)。通过水箱(1)的存储能量的释放冷却器的冷却任务因此被部分地去除了。冷却器将会检测到返回的冷却水的温度降低了。因为冷却器已经被编程为作出相应的反应，其可以在一个减少的容量下运行或者甚至可以不介入循环以节省能量。当在蓄热器(1)中的水的温度下降到正常工作范围5℃到15℃内时这是有效的。超出该范围，蓄热器不以直接方式影响冷却器的运行。
在第二阶段，冷却水的工作范围被扩大了。由于蓄热器中的水的温度现在高于15℃，其不再适于冷却在主冷却水回路的负荷。然而，不像现有技术中的方法那样不予处理，这些高于15℃的水在本发明中仍是有用的，因为其仍能在第二冷却阶段预先冷却一些冷却负荷的被选定的成分。
第二冷却阶段通过操作阀(13，15)形成一个与主冷却水回路相隔离的封闭回路(图7)完成。这可以手动完成(由一年中该季节那天的温度读物来指导)。然而，最好的方法是使用本领域中公知的的机电装置，其中当水到达一个选定的温度如15℃时阀被自动操作。
第二冷却水回路将供给热交换器(16)以缓和或预先冷却选定的冷却负荷的成分。在这个例子中，引入的新鲜空气由被封闭回路中的水供给的热交换器(16)预先冷却。在蓄水池中的水的剩余热容量仍适用于预冷却功能且因此被提升到更高的温度。
在这两阶段释放中，蓄水池中的(水的)温度可以从低达4℃提升到与周围环境温度一样高。温差因此通过该新颖的且有创造性的方法被扩大超过典型的10℃范围。
本发明的优点，即存储在建筑物中的最初并没有打算用作空气调节系统的一部分的水体或者蓄水池的非侵入式应用，，这可能邀请有关的管理权威审核。如果可以保持水的完整性，这些权威有可能被说服允许这些水体的作为蓄热媒介的非侵入式应用。在为消防目的存储的水的非侵入式应用的情况下，防火必须不被危及且其所需的供水必须在紧急情况中是可得的。
关于该优点，本发明也提供了策略和技术来保持在紧急情况下水体的完整性。紧急情况的例子包括触发火警、温度降到零下或者储水箱中的体积减少。当紧急情况发生时，泵(3)和/或热交换器(4)的操作将被连接到传感器的机电装置切断。进一步地，电动阀(6)可以被机电、水力或者风动装置关闭。这些措施用于打断回路的运行以保持蓄热槽中水的容量。槽中的水的容量之后可以用于它们原本的目的如供应消防洒水系统。
如果用户选择不配置机电或电传感器，本发明保持蓄热器中的水的完整性和容量的方法是为需要吸引升力的储水箱安装一个泵(3)(图3)。当在储水箱中的水的容量减少被机械地探测到时，本发明的该方法将导致泵丧失最初的功能，因此打断其运行。
图3示出了两个通过互连的管子相连的储水箱。运行设置为需要吸引升力的泵(3)以循环水从一个槽到另一个槽，但是在任何情况下都不引起水的容量的减少。
沿着吸水管(2)制造支管(8)。该支管的直径明显地小于吸水管的直径且被连接到在单向阀(7)下面的吸水管上。单向阀有时被参考用作止回阀或者底阀。
该支吸水管(8)精确放置在正常水位处。该管的直径是关键的且尺寸足够小以致于通过它的水流与较大的吸水管(2)相比是可忽略的。
虽然描述并且图示了一个或者两个槽，但是本领域的技术人员将意识到本发明的蓄热器可以包括容纳在一个或者更多隔间中，或者一个或者更多由互连的管子连接的槽中的水体。
在水存储在一个单独的槽中或者在槽的一个隔间中但是没有与其它隔间相连的情况下，图4示出了管道布置。
类似地，在需要吸升引力处设置泵(3)。然后，水被移动到热交换器(4)用于蓄能或者释放蓄热器。输水管(5)被放置在同一个槽中从而达到最佳水循环。
沿着吸水管(2)设置支管(8)所以其能探测到槽内水的容量的显著减少。由于要维持的容量是重要的，就必须指明所包括的容量因为其指出了本发明元件支吸水管的位置。
槽的大小为能存储一定容量的水，以满足为空气调节系统之外的目的。当该最小容量的水被存储在槽中时，该水位被定义为正常水位。
在槽精确存储了所需的水的容量的情况下，实际的水位与正常水位相符。为本发明的目的，使水的容量加满到溢流管的水位是必要的。支吸水管(8)恰好被淹没在水表面下。
当水箱尺寸过大时，可以储存更多的水且水位将会超过正常水位。放置在正常水位处的支吸水管(8)已经被淹没在水表面下。
支吸水管(8)的直径尺寸为使得通过的水流是可忽略的从而没有涡流出现。然而，当水位下降时，支吸水管暴露于空气中。这将使得空气进入到吸水线，并导致泵失去其功能。
本领域的技术人员将会意识到上述本发明的描述提供了非侵入式方法以扩展建筑物中现有水体作为为空气调节的热存储的用途。
本发明的一个优点是利用建筑物中现有蓄水池，其中所包含水的整体性必需被保持，本发明也提供了其它的优点。本领域的技术人员将会意识到本发明扩大蓄热器的使用范围的其它优点也可以应用到其它蓄热介质如相变材料。
如果用户受限不能利用建筑物中的现有水体，本发明中的方法可以应用到新建造的的蓄热槽以利用本发明。在这种情况下，在不需要保持这些蓄水池中的水且不需要安装本发明中保持容量的元件(如控制机制、管道系统等)。
本发明的方法也允许水的蓄热容量超过典型的空气调节系统中普遍公认的10℃。在本发明中，水体的有用范围可以从15℃扩大到高达25℃到28℃。
本发明的方法也保持和保护现有水体的完整性，当利用它们减少空气调节系统的负荷时。因此本发明克服了或者至少减轻了现有技术中的问题和局限性。
本领域的技术人员也将意识到本发明中的用于空气调节(冷却)建筑物的方法也能应用于提供空间加热建筑物，同时减少能量消耗。如上所述的蓄热器可以被容易地改造以在温带区域较冷的月份里供暖或者增加水(或者蓄热介质)的温度。所述蓄热器可以通过加热装置如专用的电或煤气炉，或者通过建筑物的设备机械产生的废热加热。
本发明的元件可以以用户认为合适的实施本发明所用的最小消耗容易地改进到现有的HVAC系统。这使得本发明具有安装的消耗效益，并且可以节省相当大的能量。
综上所述，本发明提出了一种通过连接其到HVAC系统改进建筑物中现有水体用于蓄热器的的方法。之后，蓄热器的温度在夜间电的低价格被改变(冷却或者加热)，然后这些水可以缓和系统的负荷以减少能量消耗。当蓄热器中水的容量被保持并且蓄热器的有用范围扩大到超过10℃时达到上述效果。
可以意识到虽然只详细描述了几个优选实施例，本领域的技术人员在不背离本发明的范围的情况下可以做出各种修改和改进。
权利要求
1.一种利用至少一个蓄热装置来降低在至少一个空气调节系统中的负荷以及电能消耗的方法，其中所述至少一个蓄热装置包括在至少一个建筑物中的至少一个现有水体，该方法包括修改该至少一个现有水体；连接该至少一个现有水体到空气调节系统；改变在该至少一个现有水体内的水的温度；利用该至少一个现有水体内的水来缓和该至少一个空气调节系统中的负荷；由此在该至少一个现有水体内的水的容量和完整性被保持，以及因此扩大水的有用温差超过10℃。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述修改进一步包括安装管道附件和机械到该至少一个现有水体，并且通过连接该至少一个现有水体到其它的水体来扩大其容积能力。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于连接该至少一个现有水体到空气调节系统进一步包括至少一个热交换器，与热交换器的连接为一个封闭回路，其中在该至少一个现有水体内的水不与该至少一个空气调节系统中的水混合。
4.如权利要求1所述的方法，改变该至少一个现有水体内的水的温度进一步包括连接温度改变装置到该至少一个现有水体。
5.如权利要求4所述的方法，改变水的温度包括降低水的温度并且温度改变装置包括冷却器。
6.如权利要求4所述的方法，改变水的温度包括增加水的温度并且温度改变装置包括加热装置。
7.如权利要求1所述的方法，利用水来缓和该至少一个空气调节系统中的负荷进一步包括在至少一个阶段缓和负荷。
8.如权利要求1所述的方法，利用水来缓和该至少一个空气调节系统中的负荷进一步包括在两个阶段缓和负荷。
9.如权利要求5所述的方法，在至少一个阶段缓和负荷进一步包括通过温度改变装置间接缓和负荷。
10.如权利要求5所述的方法，在至少一个阶段缓和负荷进一步包括不通过温度改变装置直接缓和负荷。
11.使用蓄热器降低空气调节系统中的负荷以及电能消耗的系统，该系统包括至少一个蓄热器；至少一个空气调节系统；其中所述至少一个蓄热器通过至少一个热交换器间接与该至少一个空气调节系统相连，由此蓄热器用于缓和连接至该至少一个空调器调剂系统的负荷，并且该至少一个蓄热器的容量和完整性被保持；并且蓄热器的有用温差被扩大超过10℃。
12.如权利要求11所述的系统，所述蓄热器包括至少一个现有水体。
13.如权利要求11所述的系统，通过连接蓄热器到与负荷串联的该至少一个温度改变装置来实现利用蓄热器缓和负荷。
14.如权利要求11所述的系统，通过直接连接蓄热器到负荷，绕开该至少一个温度改变装置，实现利用蓄热器缓和负荷。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于蓄热器包括一个现有水体，在该一个现有水体内的水的容量和完整性通过机械地布置和至少一个泵和管道系统以循环该一个现有水体内的水来保持，由此防止水的减少超过预定的容量。
16.如权利要求15所述的系统，防止水的任何减少通过机电装置完成。
17.如权利要求15所述的系统，防止水的任何减少通过使得该至少一个泵失去其功能完成。
18.如权利要求11所述的系统，其中蓄热器包括一个以上现有水体，在现有水体内的水的容量和完整性通过机械地布置至少一个泵和管道系统以循环该多于一个现有水体的水完成，由此防止水的减少超过预定的容量。
19.如权利要求18所述的系统，防止水的任何减少通过机电装置完成。
20.如权利要求18所述的系统，防止水的任何减少通过使得该至少一个泵失去其功能完成。
全文摘要
本发明公开了一种利用建筑物中现有水体来降低空气调节装置的消耗的方法和系统。在本发明中，存储装置如用于应急喷水系统的水箱可以被用于扩大蓄热装置的有用温差超过现有技术中供暖和冷却的典型的10℃。本发明达到这些目的同时保持建筑物中现有水体的完整性和效用。
文档编号F25B29/00GK1973166SQ200580013537
公开日2007年5月30日 申请日期2005年4月8日 优先权日2004年4月27日
发明者郑书盛, J·陈维英 申请人:郑书盛, J·陈维英