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1. (CN108700391) METHOD AND DEVICE FOR INPUTTING THERMAL ENERGY INTO AND REMOVING THERMAL ENERGY FROM A BODY OF WATER
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用于将热能引入水体中并从水体中提取热能的方法和装置


技术领域
本发明涉及一种用于将热能引入水体中并从水体中提取热能的装置,以及包括该装置的系统。
此外,描述了一种借助相应装置加热和冷却结构的方法。
背景技术
由于能源成本上涨以及生态方面的原因,利用诸如风能或太阳能等天然能源来最小化化石燃料的使用变得越来越重要。由于这类能源通常仅在特定时间段内提供必要的能量,因此(太阳能电池在夜间不提供能量;风力涡轮机在静止的空气中会停止),由自然能源产生的能量在能量过剩时暂时存储,以便能够在晚些时候(例如在夜间)利用能量。
例如,所谓的抽水蓄能电站已被证明特别适用于此目的。在这种情况下,例如借助风力涡轮机产生的动力,将水泵送至海拔较高的储水池中。如果需要能量,在将水释放到海拔较低的储水池期间,可以利用水的势能来驱动发电机,并因此产生电流。
还有人提出将热能临时储存在水箱中,以便随后借助热交换器从水箱中提取热能并利用热能。
毫无疑问,先前已知的方法相对于专门使用化石能源而言确实具有优势。然而,还有改进的余地。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种装置、一种系统和一种方法,通过其,可以特别有效地利用自然产生的能量。
通过具有独立权利要求的特征的装置、系统和方法来解决该问题。
原则上,根据本发明的装置用于将热量引入水体中并且用于从水体中提取热能,其中,水体可以是例如可操作地连接到一个或多个风力涡轮机的人工池塘、人工湖或抽水蓄能储水池。
该装置通常包括主体,主体包括完全或部分封闭的内部中空空间,其中,中空空间的尺寸如此设计,使得装置在放置于水体中时漂浮。优选地,装置包括附接点,通过附接点可以将装置固定在水体中的适当位置。
此外,装置包括水热交换器,水热交换器在装置放入水体之后至少部分地浸在水体中,因此流经热交换器的传热流体通过一个或多个热交换器壁与水体导热接触,以便能够在传热流体与水体的水之间交换热能。
水热交换器包括传热流体的进口和传热流体的排出口,传热流体可以是例如乙二醇或其他已知的传热流体。如果在使用装置之前通过管道系统将装置连接到位于陆地上的热泵,则传热流体可以通过管道系统从热泵流向装置。在装置中,传热流体通过进口进入水热交换器,流经水热交换器,最后通过管道系统流回到热泵。如果水体的水的温度高于传热流体的温度,则传热流体在经过水热交换器时从水体中提取热能并且将热能传导至热泵,而热泵相应地从传热流体中提取热能(例如,用于加热建筑物)。
根据传热流体的温度和水温,有可能(特别是在冬季)装置周围的水会改变其物理状态并冻结成冰,其中在这种情况下可以从水中提取特别大量的热能。在这种情况下,水体充当“冰蓄能器”。
为了同时或延迟地向水体提供天然热能,并因此再次加热水体并融化已经形成的冰,所述装置还包括空气热交换器,通过空气热交换器可以将环境空气的热能引入水体中。为此,空气热交换器包括用于吸入环境空气的空气入口和用于排出预先已经通过空气入口进入空气热交换器的环境空气的空气出口,因此环境空气可以流经空气热交换器。为了推进上述流动,必要时,装置包括至少一个风机,通过风机可以将环境空气通过空气入口移动到空气热交换器中,然后通过空气热交换器。风机是通风机或鼓风机。空气热交换器还包括用于来自水体的水的入口和用于通过入口供给的水的出口,因此水体的水可以流经空气热交换器,然后离开空气热交换器。
尽管上述水热交换器因此用于从水体中提取热能并将热能传导至位于陆地上的热泵,但空气热交换器的任务是从装置周围的环境空气中提取热能并将热能引入水体的水中。为此,空气热交换器包括一个或多个分隔件,通过分隔件,经过空气热交换器的水在空间上与同样经过空气热交换器的环境空气分离,其中通过一个或多个分隔件进行从环境空气到水中的热能传递。
虽然在要加热连接到装置的结构(学校、体育馆、公寓楼、工业建筑等)的时候上述应用是有用的,但装置也可以用于冷却结构,优选在夏季。在这种情况下,当环境空气的温度低于装置周围水体的水的温度时,可以操作风机。因此,热能从水转移到环境空气,因此,水体冷却下来。如果从结构输送的且温度高于水体温度的传热流体现在泵送通过水热交换器(优选在白天),则传热流体的热能释放到水体中。冷却的传热流体最终泵送回结构,因此可以供给到结构的冷却回路。
有利的是,装置包括形成中空空间的主体。装置原则上设计为浮筒,并且优选地包括用于通风机的电源供应的电源连接器,并且包括用于连接管道系统的到进口和排出口的连接点,通过管道系统水热交换器可以供应传热流体。优选地,主体完全或至少大部分由混凝土制成,以提供低成本、稳定且耐用的设计。特别地,设计成管状的空气热交换器的热交换器部分优选在主体内延伸,特别是在上述中空空间内延伸,其中来自水体的水在装置的操作期间流经上述热交换器部分。为此目的,装置本身包括泵。可选地,装置也可以通过上述进口连接到相应的管线,通过管线可以用外部泵将水供应到水热交换器。
有利的是,当装置按照预期使用时,水热交换器浸入装置主体下方的水体中。在这种情况下,水热交换器的浸入部分(当然是传热流体可以流经的部分)与装置下方的水直接接触,其中水和传热流体之间的热能传递通过水热交换器的浸入部分的相应的壁进行。由于浸入部分优选地仅位于装置或装置主体的下方,所以几乎完全排除由经过的小船/轮船造成的损坏。
特别有利的是,水热交换器包括一个或多个管段,传热流体可以流经管段并且当装置按照预期使用时管段至少部分地浸入水体中并因此形成上述段。优选地,管段设计成蜿蜒形状、螺旋形状或蛇形,以便在尽可能小的空间上提供尽可能大的热交换器表面。管段可以由多个管形成,或者可以共同形成传热流体流经的一个管。在任何情况下,管段连接到水热交换器的进口和排出口,因此传热流体可以流入并离开管段。
有利的是,装置包括浸入水体中并且横向保护浸入水体中的热交换器元件的保护壁。保护壁围裙样地从主体向下延伸到水体中,并且防止漂浮物横向冲击水热交换器突入水中的部分并损坏水热交换器。保护壁优选设置为与主体连接并且例如横向部分地或完全地包围主体的单独部件(作为碰撞防护)。
特别有利的是,当装置按照预期使用时,装置包括从水体突出的部分。因此,装置特别地以这种方式设计,使得装置的一部分位于水体的水面之上,装置的一部分位于水体的水面之下。特别有利的是,风机(通常也可以存在多个风机)设置在从水体突出的部分的区域中,以便特别简单地维护风机。或者,风机也可以放置在装置内,当然,在这种情况下风机更难访问。
还有利的是,风机布置在空气入口或空气出口的区域中。特别是在装置的操作期间,风机从上方可见,并且由例如栅格覆盖。此外,风机应该包括用于电能供应的连接器,特别是用于电力电缆的连接器,以便使风机能够连接到优选设置在陆地上的外部电源。
特别有利的是,当装置按照预期使用时,装置包括从水体突出且至少分段地横向限定水体的表面部分的部分。因此,限定一定量的水,该一定量的水在或多或少极端的程度上向侧面封闭。存在于该区域中的水可以由太阳光特别集中地加热,并且最终可以将热能释放给位于其下方的装置(特别是空气热交换器),因此流经空气热交换器的水可以额外的加热。
在这种情况下,特别有利的是,装置的盖部在上述部分之间延伸,并且当装置按照预期使用时,盖部位于水体的水面之下并且至少部分地从上方可见。特别地,盖部可以限定朝向顶部的内部中空空间。内部中空空间相应地完全或部分包围空气热交换器。因此,由一定体积的水覆盖的布置在盖部之上的中空空间的区域可以由水加热。如果环境空气现在通过空气入口和空气出口输送通过中空空间,则该环境空气由加热的盖部额外地加热,因此可以将特别大量的热能引入水体的水中。
还有利的是,空气热交换器的出口在盖部的区域中延伸,因此通过出口离开空气热交换器的水可以穿过盖部流回到水体中。特别地,当装置按照预期使用时(即,在已经放入水体之后),盖部或其封闭出口的部分应当位于水面之上。在任何情况下,原则上,从上方可见的盖部区域中的出口的设置具有以下优点:在离开空气热交换器之后,离开的水可以通过装置表面上的太阳能额外地加热。在这种情况下天然热能的引入是最大的。
特别有利的是,盖部与从水体突出的部分一起形成朝向底部且至少部分地朝向侧面限定的盆部。优选地,盆部由相应地从水体突出的部分朝向所有侧面限定并且朝向顶部开放。位于盆部中的水(水可以通过空气热交换器的出口流入盆部)在这种情况下可以集中暴露在阳光下,因此可以额外地加热(上述出口优选位于盖部的区域中或位于装置的从水体突出的部分的向内取向的侧壁的区域中)。
有利的是,上述水热交换器(优选传热流体可以流经的管段)延伸到盖部和/或盆部内,因此热能可以在传热流体和位于盆部内的水之间传递。如果将传热流体通过温度低于0℃的水热交换器泵送,则位于盆部中的水迅速冷却然后结冰,因此可以在相对短的时间内将相对大量的热能传递给传热流体。以这种方式,可以将较大量的热快速地提供给连接到装置的结构,其中这在一天中的某些时间(例如,在早晨,为了快速加热结构)是特别有利的。
另外地或可选地,还可以提供第二水热交换器,其也包括传热流体的进口和传热流体的排出口(其中进口和排出口连接或可以连接到第一水热交换器或单独的管道系统)。例如,可以想象的是,第一水热交换器或其管段仅仅延伸到主体下方的水体的水中,而第二水热交换器或其供传热流体流过的管段仅仅延伸到装置的盆部和/或盖部,和/或延伸到从水突出的部分。
根据前面的或后面的描述,根据本发明的系统最终包括漂浮在水体中的装置,其中单独的特征可以单独地或者以任何组合实现(假设权利要求1的特征已经实现)。此外,系统包括布置在水体外部(即,陆地上)并且经由管道系统(优选地包括供应管线和回流管线)连接到装置的热泵,其中,例如热泵可以放置在结构(建筑物等)中。热泵用于从通过管道系统从装置回流的传热流体中提取热能,以加热结构。特别地,热泵和装置通过管道系统作为回路连接,因此传热流体可以在热泵和装置之间循环。
根据前面或后面的描述,特别有利的是,系统包括多个装置。单独的装置可以彼此独立地放置在水体中,并且可以通过单独的管线网络或同一管线网络连接到一个或多个热泵。然而,优选地,多个装置彼此连接以形成一个漂浮单元。特别地,在这种情况下,特定的空气热交换器和/或水热交换器也应该彼此联接,因此环境空气和/或传热流体和/或水体的水可以流经并联或串联连接的多个装置。
根据前面或后面的描述,已经部分描述的用于通过装置加热结构的方法包括以下步骤:
首先,将装置放置在先前选定的水体中,例如(抽水)蓄能湖中,并且如果需要,在固定在水体的底部。随后,将装置连接到位于陆地上的热泵,因此最终获得上述系统。
现在为了将装置周围的环境空气的热能引入水体的水中并暂时存储热能,上述风机开始工作,因此环境空气通过空气热交换器转移。优选地同时或延迟地启动泵(其不需要是装置的一部分)以将水泵送出水体并将水供给到空气热交换器。
假设水流经的区域和环境空气流经的空气热交换器的区域仅通过分隔件彼此分开,则环境空气的热能传递到水中(当然,假定环境空气的温度高于通过空气热交换器的水的温度)。
同时或优选至少部分延迟地(例如在夜间),也将传热流体最终泵送通过水热交换器,从而从水体的水中提取热能,传热流体可以通过热泵最终释放到待加热结构的加热回路中。在这种情况下,传热流体从热泵泵送,通过水热交换器并返回到热泵,其中来自水体的水的热能传递到装置区域中的传热流体,然后借助于热泵从传热流体转移到结构的加热回路,以加热结构。
有利的是,操作风机,根据结构的加热需求和/或环境空气的温度和/或水体的温度,将来自水体的水移动通过空气热交换器,和/或将传热流体移动通过水热交换器。特别地,风机可以通过控制单元和/或调节单元进行控制和/或调节。例如,只有当环境空气的温度高于装置周围的水温时,如果要将环境空气的热能输入水体,操作风机才是有用的。
另外,装置也可用于冷却结构,即用于从结构中提取热能并将热能引入水体中。相应的方法包括以下步骤:
首先,在这种情况下,装置(具有上述或下述的特征)必须引入到水体中(假如这种情况尚未发生,因为装置已经用于上述方法)。装置还必须连接到待冷却结构的冷却回路(位于陆地上)(如果这尚未在上述方法的范围内发生,其中冷却回路可连接到上述热泵)。
现在为了使水体冷却,操作风机,因此环境空气移动通过空气热交换器。在这种情况下,只有当环境空气的温度低于装置周围水体的水的温度时,风机才应运行,原因在于只有在这种情况下热能才能从水中转移到环境空气中。因此风机应该优选在晚上进行操作。
同时,应将水泵送通过空气热交换器,以便提供从水到环境空气的期望的热能传递。以这种方式,水体冷却。如果传热流体现在被泵送通过水热交换器,其温度高于装置周围水的温度,则传热流体可以通过水热交换器将先前在结构中吸收的热能释放给水体,并因此冷却下来。冷却后的传热流体在经过水热交换器后,最终通过管道系统泵送回建筑物,并可通过冷却回路冷却建筑物。
还有利的是,在这种情况下,根据结构的冷却需求和/或环境空气的温度和/或水体的温度,操作风机,将来自水体的水移动通过空气热交换器和/或将传热流体移动通过水热交换器。
此外,上述方法当然也可以进行组合,其中,应当在要加热结构时(例如,在冬季)进行最初提到的方法,而应在要冷却建筑物时(因此,优选在夏季)实施第二种方法。
附图说明
在以下示例性实施方式中描述了本发明的进一步的优点。附图中:
图1示出了根据本发明的系统,
图2示出了根据本发明的装置的第一实施方式的立体图,
图3示出了沿着图2中的虚线以及从右下到左上(基于图2)观察的图2中所示的装置的截面图,
图4示出了根据本发明的装置的一个替代实施方式的立体图,
图5示出了沿垂直延伸通过左侧和右侧所示的空气出口的平面并且基于装置的对准的图4中所示的装置的横截面。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的系统的示意图,系统用于将热能引入水体2或从水体2中提取热能。
原则上,水体2是直立的,优选为人造的水体2,例如蓄水池(reservoir),该蓄水池可以借助引入管线20和引出管线21与一个或多个风力涡轮机塔架连接,借助风力涡轮机塔架,水25可以泵送到水体2中或者泵送出水体,因此水体2可以用作抽水蓄能湖泊。
根据本发明的装置1原则上设计为可漂浮,因此如图1所示,装置仅部分位于水25下面(水面表示为附图标记24)。
此外,装置1连接到管道系统16(其优选包括至少两个管道),管道系统16连接到位于陆地22上的结构17(例如办公楼或公寓楼)的热泵15。热泵15连接到加热回路18和/或冷却回路19,经由加热回路18和/或冷却回路19,可最终为结构17供给热能或可冷却结构17。
现在将参考图2(立体图)和图3(沿图2中的虚线的截面)更详细地解释装置1本身;
原则上,装置1包括主体31,所述主体31优选全部或部分由混凝土制成并限定有中空空间3,以便为装置1提供在水体2的水25中所需的浮力。
在中空空间3内延伸的是空气热交换器7,其优选地包括一个或多个热交换器管32,水体2的水25可以流经热交换器管32。为此,空气热交换器7包括入口11,入口11连接到仅仅不完整地表示的管线28,并且管线28又连接到泵,借助于泵28可以将水25从水体2泵送到水热交换器4中。水25流经热交换器管32并最终通过出口12离开水热交换器4。出口12优选地位于装置1的盖部26的区域中,盖部26面向上且优选地延伸到水面24下方,因此可以借助于阳光额外地加热离开的水25。
水体2的主要热输入是通过空气热交换器7进行的,然而其风机10通过空气入口8吸入环境空气,并在装置1运行期间将空气引入中空空间3。在中空空间3中,空气与充当分隔件13的热交换器管32的外壁接触,因此环境空气的热能可以传递到流过热交换器管32的水25中。因此,加热水体2(参考上面关于装置1的第二种可能用途的描述,其中通过向环境空气释放热能来冷却水体2)。
最后,冷却的环境空气通过空气出口9离开装置1,其中空气入口8和空气出口9应该位于装置1的从水25突出的部分27的区域中。
尽管在所描述的情况下空气热交换器7用于将周围环境的热能引入水体2中,但同样地水热交换器4用于从水体2中提取热能,以便将热能传递到建筑物(在这里没有明确描述的相反的应用中,空气热交换器7用于冷却水体2并且水热交换器4用于将热能引入水体2中)。
水热交换器4包括全部或部分地浸入水体2的水25中的一个或多个管段29。水热交换器4还包括进口5,传热流体(例如乙二醇)通过进口5可以从热泵15经由管道系统16泵送到水热交换器4。传热流体流经管段29并且通过出口返回到管道系统16中,最后返回到热泵15。如果通过进口5流入的传热流体的温度低于围绕管段29的水25的温度,水25的热能传递到传热流体,最终可以用于通过热泵15加热结构17。同时,水体2中的水25冷却,其中,根据水体2的起始温度和传热流体的温度,这甚至可能导致管段周围的水25冻结。
最后从图1和图2中还可以看出,装置1可以包括第二水热交换器4,传热流体也可以流经第二水热交换器4,并且第二水热交换器4延伸通过例如盖部26的向上突出的肋23(当然可以设置多个肋23)。
因此,该第二水热交换器4位于能够从位于盖部26上方的水体2的水25中提取热能的区域中。在这种情况下,盖部26连同装置1的从水突出的部分27一起形成至少部分限定一定体积的水的一种盆部14。
如果通过第二水热交换器4从水25中提取热能,则该体积的水可以根据具体条件而快速冷冻,因此由于相变,每单位体积的水25可以提取特别大量的热能。
图4(示意图)和图5(穿过图4中的左侧和右侧空气出口9的截面)示出了第二种可能的实施方式。
与前面的附图中所示的实施方式相反,图4和5中所示的装置1的主体31设计为在俯视图中看起来是圆形的。向下伸入水体2中的水热交换器4的管段29、突出到上盆部14中的水热交换器4的管段29以及空气热交换器7的热交换器管32在这种情况下设计为螺旋形并且围着延伸穿过圆形空气入口8的中心点的假想中心轴缠绕。
此外,图5示出了向下伸入水体2中的水热交换器4的管段29可以朝向侧面由围裙式的保护壁30封闭,为了清楚起见,保护壁30未在图4中示出。
图5还示出了空气热交换器7的出口12优选通向盆部14,因此通过出口12流出的水25经由盆部14流回到水体2中,并且这样做可以借助入射的阳光进一步加热。
而且,如图所示,设置在盆部14中的第二水热交换器4可以包括用于传热流体的单独的进口5和单独的排出口6。原则上,上述水热交换器4当然也可以连接向下伸入水体2中的水热交换器4,因此传热流体可以以串联或并联回路的方式流过两个水热交换器4。
本发明不限于已表达和描述的示例性实施方式。在权利要求的范围内的改进是可能的,如上述特征的任何组合,即使这些特征在说明书或权利要求的不同部分或在不同示例性实施方式中示出和描述。
附图标记列表
1 用于将热引入水体中并从水体中提取热的装置
2 水体
3 中空空间
4 水热交换器
5 水热交换器进口
6 水热交换器排出口
7 空气热交换器
8 空气换热器的空气入口
9 空气热交换器的空气出口
10 风机
11 用于来自水体的水的空气热交换器的入口,
12 用于来自水体的水的空气热交换器的出口
13 分隔件
14 盆部
15 热泵
16 管道系统
17 结构
18 结构的加热回路
19 结构的冷却回路
20 引入管线
21 引出管线
22 地面
23 肋
24 水面
25 水
26 盖部
27 从水体突出的部分
28 管线
29 管段
30 保护壁
31 主体
32 热交换器管