RU2626922C2

RU2626922C2 - Heat energy storage

Info

Publication number: RU2626922C2
Application number: RU2015130415A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Максименко; Владимир Александрович Максименко
Original assignee: Александр Александрович Максименко; Общество с Ограниченной Ответственностью "Региональный центр ресурсосбережения"
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-08-02
Also published as: RU2015130415A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: heat energy storage contains a reservoir that is a cavity in the ground filled with solid storing medium, which can be soil, sand, rock, incombustible solid waste, mining overburden rocks, as well as charge and discharge heat exchangers with a heat carrier connected to the heat energy source and consumer, respectively. The reservoir has heat and hydraulic insulation from the environment, the internal volume of the reservoir is divided by horizontal hydro- and heat-insulating partitions into separate sections, each of which has its own charge and discharge circuit portions with a heat carrier. The discharge and charge circuits of each hydro- and heat-insulating section are united in discharge and charge manifolds.

EFFECT: cold or heat storage is characterized by high heat output, short charging time, low heat losses, and also by easiness of fabrication and manufacturability.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к хранению тепла или холода, используемых для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования и получения электроэнергии.The invention relates to the storage of heat or cold used for heating, hot water, air conditioning and generating electricity.

Известны аккумуляторы тепловой энергии (ТА), резервуаром которых является полость в скальных породах, содержащая 100 тыс. м³ воды, имеющая кольцевую форму и не теплоизолированная. Прилежащие к полости слои скальной породы принимают участие в тепловом аккумулировании энергии [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 148, рис. 4.27].Thermal energy accumulators (TA) are known, the reservoir of which is a cavity in rock, containing 100 thousand m ^{3 of} water, having a ring shape and not thermally insulated. Layers of rock adjacent to the cavity take part in thermal energy storage [Beckman G., Gilly P. Thermal energy stored. - M .: Mir, 1987, p. 148, fig. 4.27].

Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: уникальность таких естественных или искусственных полостей, препятствующая их широкому распространению; долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; значительные потери воды через микротрещины скальной породы; максимальная температура теплоносителя - не более 100°C.The disadvantage of this type of heat accumulator are: the uniqueness of such natural or artificial cavities, which prevents their wide distribution; long charging time, preventing the energy from being partially charged from the battery; significant loss of water through rock microcracks; maximum heat carrier temperature - no more than 100 ° C.

Известны также аккумуляторы с аккумулирующей средой в виде резервуара, содержащего вещество с фазовым превращением (ВФП), через которые проходят и омывают ее попеременно два газовых потока [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 146, рис. 4.24].Also known are batteries with an accumulating medium in the form of a reservoir containing a substance with phase transformation (WFP), through which two gas flows pass and wash it alternately [Beckman G., Gilly P. Thermal accumulated energy. - M .: Mir, 1987, p. 146, fig. 4.24].

Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: высокая стоимость вещества с фазовым переходом (ВФП) (к которым относятся соли металлов и неметаллов, стеарин, парафин, и т.д.), препятствующая их широкому распространению; долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; фиксирована максимальная температура теплоносителя - для теплового аккумулятора на стеарине, парафине (наиболее широко распространенных ВФП) не более 70°C; пожароопасность разогретых стеарина и парафина; присутствует потребность в дорогостоящем термоизолированном герметичном металлическом резервуаре из специальной стали.The disadvantage of this type of heat accumulator is: the high cost of the substance with a phase transition (WFP) (which include salts of metals and nonmetals, stearin, paraffin, etc.), which prevents their wide distribution; long charging time, preventing the energy from being partially charged from the battery; the maximum temperature of the coolant is fixed - for a heat accumulator on stearin, paraffin (the most widespread WFP) not more than 70 ° C; fire hazard of heated stearin and paraffin; there is a need for an expensive thermally insulated sealed metal tank made of special steel.

Известен тепловой аккумулятор солнечной установки на 10 МВт в г. Барстоу (США). Аккумулирующий резервуар выполнен в виде цилиндрического сосуда объемом более 3000 м³, аккумулирующая среда выполнена из гранитной щебенки, а в качестве теплоносителя используют масло. Сосуд аккумулятора заряжается острым паром, который затем охлаждается. В режиме разрядки питательная вода поступает в разрядный теплообменник, где образуется перегретый пар, который направляется к турбине [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 240, рис. 7.29].Known thermal battery of a solar installation of 10 MW in the city of Barstow (USA). The storage tank is made in the form of a cylindrical vessel with a volume of more than 3000 m ³ , the storage medium is made of granite gravel, and oil is used as a heat carrier. The battery vessel is charged with hot steam, which is then cooled. In the discharge mode, the feed water enters the discharge heat exchanger, where superheated steam is formed, which is sent to the turbine [Beckman G., Gilly P. Thermal accumulated energy. - M .: Mir, 1987, p. 240, fig. 7.29].

Недостатком данной станции является то, что она не может работать как сезонный аккумулятор, кроме того, данный тип аккумулятора требует большого количества масла в качестве теплоносителя.The disadvantage of this station is that it cannot work as a seasonal battery, in addition, this type of battery requires a large amount of oil as a coolant.

Наиболее близким техническим решением является тепловой аккумулятор, содержащий резервуар, заполненный вразброс твердой аккумулирующей средой, в качестве которой могут быть выбраны каменные породы, негорючие твердые отходы, вскрышные породы горнодобывающей промышленности, а также теплообменник, подключенный зарядной стороной к источнику солнечной энергии, а разрядной стороной - к паросиловой части солнечной электростанции, и теплоноситель, отличающийся тем, что разрядная сторона теплообменника образована дополнительно размещенным в упомянутой аккумулирующей среде нагревателем, заполненным упомянутым теплоносителем, а в качестве резервуара использована полость в грунте [Патент РФ №2027119 F24H 7/00, Опубликовано: 20.01.1995].The closest technical solution is a heat accumulator containing a reservoir filled with a spread of solid storage medium, which can be selected as rock, non-combustible solid waste, overburden of the mining industry, as well as a heat exchanger connected by the charging side to the solar energy source and the discharge side - to the steam-powered part of the solar power station, and the coolant, characterized in that the discharge side of the heat exchanger is formed by additionally placed in said accumulating medium with a heater filled with said coolant, and a cavity in the ground was used as a reservoir [RF Patent No. 2027119 F24H 7/00, Published: 01/20/1995].

Плюсы такого теплового аккумулятора: низкая стоимость и общедоступность аккумулирующего вещества, высокая температура теплоносителя, возможность создавать недорогие ТА большого объема (большой энергоемкости) за малый срок.Advantages of such a heat accumulator: low cost and accessibility of the storage substance, high temperature of the coolant, the ability to create inexpensive high-volume TAs (large energy consumption) in a short time.

Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; отсутствие гидро- и теплоизоляции может привести к значительным тепловым потерям на нагрев окружающего грунта, испарение почвенных вод, радиационное излучение (ИК-спектр).The disadvantage of this type of heat accumulator is: a long charging time, which prevents the energy from being partially charged from the battery; the absence of hydro- and thermal insulation can lead to significant heat losses due to heating of the surrounding soil, evaporation of soil water, radiation (IR spectrum).

В результате рассмотрения вышеуказанных конструкций аккумуляторов тепловой энергии следует вывод, что наиболее перспективным путем создания высокоэффективных и дешевых ТА является: увеличение количества теплоаккумулирующего вещества, применение широко распространенного и дешевого теплоаккумулирующего вещества, улучшение теплообмена с зарядным и разрядным контурами теплоносителя, минимизация тепловых потерь, что достижимо при качественной тепло- и гидроизоляции и минимальной поверхности стенок ТА.As a result of the consideration of the above designs of heat energy storage batteries, it follows that the most promising way to create highly efficient and cheap heat pumps is to increase the amount of heat storage substance, use widespread and cheap heat storage substance, improve heat transfer with charge and discharge coolant circuits, and minimize heat loss, which is achievable with high-quality heat and waterproofing and a minimum surface of the walls of the TA.

С целью снижения стоимости аккумулятора тепловой энергии и повышения надежности и безопасности, в качестве корпуса ТА предложено использовать резервуар (котлован), созданный (вырытый) в грунте рядом с потребителем тепловой энергии, а в качестве теплоаккумулирующего вещества предложено использование грунта, вынутого из котлована. С целью снижения тепловых потерь стенки вырытого котлована покрываются слоем теплоизоляции и гидроизоляции. Для улучшения теплообмена теплоаккумулирующего вещества с потребителем тепловой энергии, в объеме теплоаккумулирующего вещества, предложено создать систему трубопроводов с теплоносителем, включающую в себя зарядный и разрядный теплообменники (контуры). Первый теплообменник предназначен для прохождения хладагента от источника тепла (холода), в то время как через второй теплообменник протекает теплоноситель потребителей и производится отбор тепла (холода). Первый и второй теплообменники размещены с возможностью эффективного теплообмена с энергоаккумулирующим материалом. Для предотвращения потерь тепла (холода) тепловой аккумулятор снабжен многослойной теплоизоляцией, включающей в себя гидроизоляцию, слой (слои) из материала с низкой теплопроводностью и слой (слои) из материала с высокой отражающей тепловое излучение способностью.In order to reduce the cost of the thermal energy accumulator and increase reliability and safety, it is proposed to use a reservoir (foundation pit) created (dug) in the ground next to a consumer of thermal energy as a TA enclosure, and the use of soil removed from the excavation as a heat storage substance is proposed. In order to reduce heat loss, the walls of a dug pit are covered with a layer of thermal insulation and waterproofing. To improve the heat transfer of the heat-accumulating substance with the consumer of thermal energy, in the volume of the heat-accumulating substance, it is proposed to create a piping system with a coolant that includes charging and discharge heat exchangers (circuits). The first heat exchanger is designed to pass the refrigerant from a heat source (cold), while the heat carrier of the consumers flows through the second heat exchanger and heat (cold) is taken. The first and second heat exchangers are placed with the possibility of efficient heat exchange with energy storage material. To prevent heat loss (cold), the heat accumulator is equipped with a multilayer thermal insulation, including waterproofing, a layer (s) of material with low thermal conductivity and a layer (s) of material with a high heat-reflecting ability.

Предлагаемое изобретение решает задачи создания более высокоэффективных, дешевых и энергоемких аккумуляторов тепловой энергии простым и технологичным способом.The present invention solves the problem of creating more highly efficient, cheap and energy-intensive heat energy accumulators in a simple and technologically advanced way.

Техническим результатом изобретения является создание более совершенных аккумуляторов тепловой энергии с увеличенной надежностью, эффективностью и энергоемкостью, низкими тепловыми потерями простым и технологичным способом.The technical result of the invention is the creation of more advanced heat energy accumulators with increased reliability, efficiency and energy intensity, low heat loss in a simple and technologically advanced way.

Технический эффект изобретения заключается в снижении потерь тепловой энергии (что наиболее ощутимо при длительном периоде ее хранения), простоте и технологичности изготовления, применении широко распространенных материалов, простоте размещения практически на любой территории, высокой надежности и безопасности при эксплуатации (сравнительно (с ВФП) низкие температуры теплоносителя, малое количество и рабочее давление теплоносителя).The technical effect of the invention is to reduce the loss of thermal energy (which is most noticeable during a long period of storage), simplicity and manufacturability, the use of widespread materials, ease of placement in almost any territory, high reliability and safety during operation (relatively (with VFP) low coolant temperature, small quantity and working pressure of the coolant).

Изобретение проиллюстрировано чертежом, где на фиг. 1 показана конструкция аккумулятора тепловой энергии.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows the design of a thermal energy accumulator.

Аккумулятор тепловой энергии состоит из резервуара 1, в качестве которого используют естественные или искусственные полости в грунте 2 (котлованы, заброшенные карьеры, овраги и т.д.). Резервуар 1 оснащен тепло- и гидроизоляцией 3. В резервуаре 1 установлены теплообменники 4 и 5, выполненные, например, в виде спиральных трубопроводов, заполненных жидким незамерзающим теплоносителем, желательно с высокой температурой кипения (например, антифриз, минеральное или синтетическое масло). Резервуар 1 заполнен твердым аккумулирующим материалом 6, в качестве которого используют грунт, песок, гранитный, базальтовый, туфовый и другие отходы камнедобывающей и обрабатывающей промышленности, битый кирпич, битое стекло и любые другие негорючие отходы промышленности, вскрышные породы горнодобывающей промышленности. Резервуар 1 заполнен твердым аккумулирующим материалом 6 и секциями теплообменников 4 и 5, послойно. Слои (уровни) теплового аккумулятора разделены теплоизолирующими перегородками 7. Стенки резервуара 1 и теплоизолирующие перегородки 7 выполнены из материала с хорошими гидро- и теплоизоляционными свойствами (например, твердый пенополиуретан). Теплообменник 4 подключен к источнику тепла (холода): к солнечным коллекторам, котлам на твердом или жидком топливе, воздушным теплообменникам и т.д.). Теплообменник 5 подключен к потребителю тепла (холода): к системам теплоснабжения зданий, горячего водоснабжения либо к холодильным камерам, фанкойлам системы кондиционирования помещений и т.д. при использовании энергоаккумулятора в качестве аккумулятора холода.The thermal energy accumulator consists of a tank 1, which is used as natural or artificial cavity in the ground 2 (pits, abandoned quarries, ravines, etc.). The tank 1 is equipped with heat and water insulation 3. In the tank 1, heat exchangers 4 and 5 are installed, made, for example, in the form of spiral pipelines filled with liquid non-freezing coolant, preferably with a high boiling point (for example, antifreeze, mineral or synthetic oil). The tank 1 is filled with solid storage material 6, which is used as soil, sand, granite, basalt, tuff and other waste from the mining and manufacturing industries, broken bricks, broken glass and any other non-combustible industrial waste, overburden from the mining industry. The tank 1 is filled with solid storage material 6 and sections of heat exchangers 4 and 5, in layers. The layers (levels) of the heat accumulator are separated by heat-insulating partitions 7. The walls of the tank 1 and heat-insulating partitions 7 are made of a material with good hydro- and heat-insulating properties (for example, solid polyurethane foam). The heat exchanger 4 is connected to a source of heat (cold): to solar collectors, boilers for solid or liquid fuel, air heat exchangers, etc.). The heat exchanger 5 is connected to a consumer of heat (cold): to the heat supply systems of buildings, hot water supply or to refrigeration chambers, fan coil units of an air conditioning system, etc. when using the energy accumulator as a cold accumulator.

Плюсы такого теплового аккумулятора: низкая стоимость и общедоступность аккумулирующего вещества, высокая температура теплоносителя, низкие тепловые потери, возможность создавать недорогие ТА большого объема (большой энергоемкости) за малый срок. Отбор тепловой энергии с максимальной температурой (не менее 90% от температуры теплоносителя на входе в тепловой аккумулятор) посредством разрядного теплообменника можно осуществлять в любой момент, даже при частично нагретом тепловом аккумуляторе.Advantages of such a heat accumulator: low cost and general availability of storage material, high coolant temperature, low heat loss, the ability to create inexpensive high-volume TAs (large energy consumption) in a short time. The selection of thermal energy with a maximum temperature (at least 90% of the temperature of the coolant at the inlet to the heat accumulator) by means of a discharge heat exchanger can be carried out at any time, even with a partially heated heat accumulator.

При разделении ТА слоями теплоизоляции (не показаны) на теплоаккумулирующие секции, обеспеченные своими зарядным и разрядным контурами, подключенными через регулирующие вентили (не показаны) к общим зарядным и разрядным коллекторам (не показаны) соответственно, можно отключать эти секции от ТА. Этим можно значительно уменьшить тепловые потери при малой зарядке ТА или использовать ТА для одновременного хранения и тепла, и холода.When TA is separated by thermal insulation layers (not shown) into heat-accumulating sections, provided with their charging and discharge circuits connected through control valves (not shown) to common charging and discharge collectors (not shown), respectively, these sections can be disconnected from the TA. This can significantly reduce heat loss during low TA charging or use TA for simultaneous storage of both heat and cold.

Один из примеров изготовления ТА по предлагаемой заявке, который объясняет, но не ограничивает других способов.One example of the manufacture of TA on the proposed application, which explains, but does not limit other methods.

В грунте с помощью землеройной техники формируется котлован, который затем гидро- и теплоизолируется путем напыления твердого пенополиуретана или обкладкой плитами иной гидро- и теплоизоляции. Затем на дно резервуара укладывается

или иная часть грунта секции, спирально укладываются контуры зарядного и разрядного теплообменников, производится засыпка оставшейся части грунта секции ТА, трамбовка. Затем поверх грунта секции ТА наносится теплоизоляционная перегородка. В том же порядке происходит процесс изготовления остальных секций ТА. ТА закрывается слоем грунта.A foundation pit is formed in the soil using earthmoving equipment, which is then hydro- and heat-insulated by spraying solid polyurethane foam or by lining plates with other hydro- and thermal insulation. Then it is laid on the bottom of the tank

or another part of the soil of the section, the contours of the charging and discharge heat exchangers are spirally laid, the remaining part of the soil of the TA section is backfilled, tamped. Then, a heat-insulating partition is applied over the soil of the TA section. In the same order, the manufacturing process of the remaining TA sections takes place. TA closes with a layer of soil.

Таким образом, для изготовления ТА потребуется только землеройная техника, трубы теплообменников, теплоизоляция. Теплоаккумулирующее вещество (грунт) будет использовано имеющееся в наличии. Поверх ТА возможно построить тепличное хозяйство, или по- иному использовать земельную площадь, которая не будет выведена из оборота.Thus, for the manufacture of TA will require only earthmoving equipment, pipes of heat exchangers, thermal insulation. The heat storage substance (soil) will be used available. It is possible to build a greenhouse farm on top of the TA, or use the land area in a different way, which will not be taken out of circulation.

Работа аккумулятора тепловой энергии показана на примере отопления здания (Фиг. 2).The operation of the thermal energy accumulator is shown by the example of building heating (Fig. 2).

Аккумулятор тепловой энергии работает следующим образом.The thermal energy accumulator operates as follows.

Теплоноситель с высокой температурой от любого источника тепловой энергии (например, солнечных коллекторов 8 любого типа (плоскими, вакуумно-трубчатыми, параболическими концентраторами)) пропускается через теплообменник 4 контура зарядки, тепло передается в аккумулирующий материал 6, нагревая его. Теплоноситель, проходя по разрядному контуру трубопровода 5, нагревается и отдает энергию на нагрев радиаторов отопления зданий 9 и на нагрев воды в водонагревателе 10. Циркуляция теплоносителя осуществляется принудительно циркуляционными насосами 11.A heat carrier with a high temperature from any source of thermal energy (for example, solar collectors 8 of any type (flat, vacuum tubular, parabolic concentrators)) is passed through a heat exchanger 4 of the charging circuit, heat is transferred to the storage material 6, heating it. The heat carrier, passing along the discharge circuit of the pipeline 5, is heated and gives energy to heat the heating radiators of buildings 9 and to heat the water in the water heater 10. The heat carrier is circulated by forced circulation pumps 11.

В районах с высоким дневным поступлением суммарной солнечной радиации, за весенне-летне-осенний сезоны можно создавать аккумуляторы тепловой энергии со значительным объемом теплоаккумулирующего вещества, что обеспечит аккумуляцию тепловой энергии, достаточную для теплоснабжения зданий в зимний период.In areas with a high daily intake of total solar radiation, during the spring-summer-autumnal seasons, it is possible to create heat energy accumulators with a significant amount of heat-accumulating substance, which will ensure the accumulation of heat energy sufficient for heat supply of buildings in winter.

В течение сезона температура аккумулирующего материала может достичь 95-150°C, причем тепловая энергия от теплообменного трубопровода 4 передается в первую очередь верхним слоям резервуара 1 посредством теплопроводности аккумулирующего материала 6. Отбор тепловой энергии посредством разрядного теплообменника 5 можно осуществлять в любой момент, даже при частично нагретом тепловом аккумуляторе.During the season, the temperature of the storage material can reach 95-150 ° C, and the heat energy from the heat exchange pipe 4 is transmitted primarily to the upper layers of the tank 1 through the heat conductivity of the storage material 6. The heat energy can be taken off by the discharge heat exchanger 5 at any time, even when partially heated thermal battery.

При энергозатратах на отопление здания в отопительный период (100 суток) тепловой мощности 5 кВт (120 кВт⋅ч в сутки или 43,2 ГДж в отопительный период), потребный объем теплового аккумулятора с теплоаккумулирующим веществом - земля (теплоемкость, 2 МДж/м³⋅К), работающего в интервале температур 90-30°C, составит 350 м³. Расчеты показывают, что для нагрева сезонного аккумулятора объемом 350³ за 100 солнечных дней (мощность солнечной радиации 1 кВт/м², световой день 10 часов) требуются солнечные коллекторы (КПД солнечных коллекторов 75%) общей площадью 40 м².When the energy consumption for heating a building during the heating period (100 days) is 5 kW (120 kW⋅h per day or 43.2 GJ per heating period), the required volume of a heat accumulator with a heat storage substance is earth (heat capacity, 2 MJ / m ³ ⋅К), operating in the temperature range 90-30 ° C, will be 350 m ³ . Calculations show that for heating a seasonal battery of 350 ³ for 100 sunny days (solar radiation power 1 kW / m ² , daylight hours 10 hours), solar collectors (efficiency of solar collectors 75%) with a total area of 40 m ² are required.

Таким образом, тепловой аккумулятор позволяет накопить тепловую энергию в течение летнего периода (весна-лето-осень), т.е. в дни с высокой солнечной радиацией, и ее эффективно использовать в течение зимнего сезона.Thus, the heat accumulator allows you to accumulate thermal energy during the summer period (spring-summer-autumn), i.e. on days with high solar radiation, and its effective use during the winter season.

Сравнение предлагаемого ТА с известными показывает, что использование предлагаемого изобретения позволяет:Comparison of the proposed TA with the known shows that the use of the invention allows:

1. Снизить потери тепловой энергии, снизить стоимость ТА, повысить его надежность.1. To reduce the loss of thermal energy, reduce the cost of TA, increase its reliability.

2. Заряжать ТА и одновременно производить теплоснабжение потребителей.2. Charge TA and at the same time produce heat supply to consumers.

Claims

1. A thermal energy accumulator containing a reservoir that is a cavity in the ground, filled with a solid storage medium, which can be selected as soil, sand, rocks, non-combustible solid waste, overburden of the mining industry, as well as charging and discharge heat exchangers with a coolant, connected to the source and consumer of thermal energy, respectively, characterized in that the tank has thermal and hydraulic isolation from the external environment, the internal volume of the tank is divided horiz On-line hydro- and heat-insulating partitions into separate sections, each of which has its own section of the charging and discharge circuit with a coolant, and the discharge and charging circuits of each hydro- and heat-insulated section are connected to the discharge and charging collectors.

2. The battery according to claim 1, characterized in that the thermal and hydraulic insulation of the tank from the external environment is made of solid polyurethane foam.

3. The battery according to claim 2, characterized in that the solid polyurethane foam additionally contains fillers, providing its increased strength, hardness, thermal and radiation insulation.