具有分层结构特征的多用途地下储能系统的制作方法

本实用新型涉及储能技术领域，更具体的说，是涉及一种具有分层结构特征的多用途地下储能系统。

背景技术：

近年来，地下储能系统因具有良好的储能技术经济效果和广泛应用前景而不断受到国内外的广泛关注。按照系统驱动方式(相变和水泵)和循环的换热介质(相变和非相变)不同，地下储能系统可划分为主动式和被动式两种。其中，主动式地下储能系统得到了广泛应用，包括：地下含水层储能(ates)、埋管储能(btes)、水箱储能(wtes)和砾石-水储能(gwes)等不同形式。尽管如此，主动式地下储能在实践过程中也暴露出诸多问题，例如：该系统全部依靠水泵驱动循环工质流经地下空间进行换热储能，因此驱动功耗较高、储能能效比(储能量与储能功耗之比)较低；同时，该系统中循环工质为非相变工质，地下换热储能过程以显热热交换方式完成，因此换热储能效率也较低、供给侧冷热源有效利用率低，并进一步增加了系统能耗，并造成储能能效比进一步下降。在此背景下，被动式地下储能系统概念逐渐出现。

被动式地下储能系统主要是利用相变工质的相变驱动完成储能过程，无需水泵驱动即可完成地下换热储能过程，因此系统的驱动功耗大幅降低、储能能效比大幅提升；同时由于采用潜热热交换方式完成地下储能换热过程，因此储能换热效率相比主动式系统也得到大幅提升。然而，当前被动式地下储能系统由于自身结构的限制和理论指导的缺乏，仍然存在诸多技术问题需要解决。

首先，由于地下蓄能体的热扩散系数较小，不论是主动式还是被动式地下储能系统在储能过程中均存在显著的“热堆积效应”。注入地下蓄能体的能量若长期积聚在换热表面周边的局部区域而无法得到有效和快速的扩散，将导致换热界面两侧的换热温差大幅减小。在换热面积和换热系数不变的条件下，地下储能系统的换热量相比初始时段将产生大幅衰减，这也是导致当前主/被动地下储能系统储能效率低下的直接原因之一，也是制约地下储能系统大规模推广的主要原因之一。

另外，不论是现有的主动式还是被动式地下储能系统，几乎全部采用直接注能和储能的技术手段。直接注能和储能的重要特点就是将供给侧冷热源的能量以均摊方式通过埋管等注入并储存在整个地下蓄能体中。这一注能和储能方式的弊端十分明显，尤其是在供给侧给定冷热源的条件下。这一方式下地下储能系统的储能品味基本上仅取决于地下蓄能体的热物性条件，因此储能品质无法根据需求侧的需求进行动态调整。这也导致采用直接注能和储能的地下储能系统欠缺储能应用的灵活度和扩展性，限制了其进一步推广应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种具有分层结构特征的多用途地下储能系统，可有效解决地下储能系统存在的“热堆积”现象，既可实现“分层间歇储能”也可实现“中间层集中储能”功能，满足需求侧对储能“量”或储能“质”的不同需求。

为实现上述目的，本方案提供一种具有分层结构特征的多用途地下储能系统，包括蓄能体、地埋储能腔、保温层和换热器；所述地埋储能腔安装在所述蓄能体的内部，所述保温层覆盖在所述蓄能体和地埋储能腔的上部；所述地埋储能腔在径上划分为三个相互独立的区域，分别为蒸汽腔、液体腔和换热腔，所述换热腔在轴向上具有多层换热器子腔，最底层的换热器子腔底部两侧分别设有液体出口，其中一个液体出口与蒸汽腔连通，另一个与液体腔连通，其余每层换热器子腔的下部靠上位置都设置与液体腔连通的液体出口，每层换热器子腔设有与所述蒸汽腔连通的蒸汽出口；

所述换热器的第一工质接口与第一流体管的一端连接，所述第一流体管的另一端穿过所述地埋储能腔上端进入所述蒸汽腔内部，其管口端面位于所述蒸汽腔上部并高于最上层换热子腔的蒸汽出口位置，第一流体管上装有第一流体管电磁阀，在第一流体管电磁阀上部连接有第二流体管，所述第二流体管的另一端穿过所述地埋储能腔上端进入并贯穿每层换热器子腔，第二流体管在各换热子腔内均设有第二流体管支管且出口位于各换热器子腔的上部；

所述换热器的第二工质接口与第三流体管的一端连接，第三流体管上安装有第三流体管干管电磁阀，第三流体管干管电磁阀的旁路管路上并联有变频工质泵，第三流体管的另一端穿过所述地埋储能腔上端进入并贯穿每层换热器子腔，且第三流体管在各换热子腔内均设有第三流体管支管,且出口位于各换热器子腔的下部，每个第三流体管支管上都安装有第三流体管电磁阀；

每层换热器子腔所对应的蓄能体中间位置处分别设置有蓄能体温度传感器，每层换热器子腔中分别设有液位传感器；

所述第一流体管电磁阀、第二流体管电磁阀、第三流体管电磁阀、变频工质泵、蓄能体温度传感器、液位传感器分别通过信号线与控制器连接。

优选地，各换热子腔液体出口以下的空间体积不小于系统工质充注量的二分之一。

优选地，所述换热器上部设有换热器进口和换热器出口。

优选地，所述蒸汽出口位于每层换热器子腔的侧部上方。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型可有效克服地下储能系统中普遍存在的“热堆积”现象对系统注能和储能过程的不利影响，既可实现“分层间歇储能”也可实现“中间层集中储能”功能。其中“分层间歇储能”可大幅降低“所需储能量”条件下系统的功耗或者大幅提升“给定注能量”条件下系统的储能效率；而“中间层集中储能”则可大幅提升蓄能体的蓄能品位和能量密度。因此，本实用新型既可实现提升储能“量”的应用目的，也可应用于提升储能“质”的应目的，有效提升了地下储能系统应用的灵活度和扩展性。

附图说明

图1所示为本实用新型具有分层结构特征的多用途储能系统示意图；

图2所示为本实用新型的具体结构；

图3所示为地埋储能腔俯视图；

图4所示为地埋储能腔a-a向剖视图；

图5所示为地埋储能腔b-b向剖视图。

1.蓄能体；2.保温层；3.地埋储能腔；4.蒸汽腔；5.液体腔；6.换热腔；7.蒸汽出口；8.液体出口；9.第一流体管；10.第二流体管；11.第三流体管；12.第二流体管电磁阀；13.第二流体管支管；14.第三流体管电磁阀；15.第三流体管支管；16.第一流体管电磁阀；17.换热器；18.换热器进口；19.换热器出口；20.变频工质泵；21.第三流体管干管电磁阀；22.控制器；23.工质；24.蓄能体温度传感器；25.液位传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的具有分层结构特征的多用途地下储能系统示意图如图1所示，一种具有分层结构特征的多用途地下储能系统，包括蓄能体1、保温层2、地埋储能腔3、换热器4、流体管路及相应控制系统。所述蓄能体1上设有钻孔，多层地埋储能腔3安装设置在上述钻孔中，所述蓄能体1和地埋储能腔3上部覆盖有保温层2。所述地埋储能腔3在径上划分为三个相互独立的区域，分别为蒸汽腔4、液体腔5和换热腔6。所述换热腔6在轴向上具有多层换热器子腔结构。所述蒸汽腔4与底层的换热器子腔通过子腔上部设置的蒸汽出口7和底部设置的液体出口8连通，除底层换热器腔子腔外，所述蒸汽腔4与其它换热器子腔通过各层子腔上部设置的蒸汽出口7连通。所述液体腔5与底层换热器子腔通过子腔底部设置的液体出口8连通，除底层换热器腔子腔外，所述液体腔5与其它换热器子腔通过各层子腔下部靠上位置(非底部)设置的液体出口8连接通。所述各换热子腔液体出口8的位置与系统充注的工质体积相关，各换热子腔液体出口8以下的空间体积应不小于系统工质充注量的二分之一。所述第一流体管9一端与所述换热器17的第一工质接口连接，另一端穿过所述地埋储能腔3上端进入所述蒸汽腔4内部，且管口端面位于所述蒸汽腔4上部并高于最上层换热子腔的蒸汽出口位置。所述第二流体管10的一端接入所述第一流体管9，另一端穿过所述地埋储能腔3上端进入并贯穿所述换热腔6各换热子腔，且第二流体管10在各换热子腔内均设有第二流体管支管13且出口位于各换热子腔的上部。所述第三流体管11一端与所述换热器17的第二工质接口连接，另一端穿过所述地埋储能腔3上端进入并贯穿所述换热腔6各换热子腔，且第三流体管11在各换热子腔内均设有第三流体管支管15且出口位于各换热子腔的下部。所述第一流体管9位于蒸汽腔4出口和第二流体管10接入口之间设有第一流体管电磁阀16，所述第二流体管支管13末端设有第二流体管电磁阀12，所述第三流体管支管15末端设有第三流体管电磁阀14。所述第三流体管干管上设有第三流体管干管电磁阀21，第三流体管干管电磁阀21旁通管路上设有变频工质泵20。所述换热器17上部设有换热器进口18和换热器出口19，所述蓄能体1中各层中间位置处设置有多个蓄能体温度传感器24，所述换热腔各子腔中设有液位传感器25。上述温度传感器、电磁阀和变频工质泵均通过信号线与所述控制器22连接。

如图2所示，以换热腔6内设有4层换热子腔为例，本实用新型的具有分层结构特征的多用途地下储能系统运行模式分为，分层间歇储冷、分层间歇储热、集中储冷和集中储热四种模式，进一步对应的优选储能策略包括：“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储能”、“第一、第三换热子腔和第二、第四换热子腔间歇储能”、“第二和/或第三换热子腔集中储能”三种。

分层储冷模式如下：由于自然状态下工质23聚集在最底层(第四)换热子腔内，所以无论是以“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储冷”还是“第一、第三换热子腔和第二、第四换热子腔间歇储冷”策略运行，控制器22均需首先向系统发出分层储冷模式准备指令。以“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储冷”为例：首先打开第一流体管电磁阀16和第三流体管干管电磁阀21和第三流体管电磁阀14-2和14-3，关闭其余电磁阀。在蓄能体1中热量的加热下，地埋储能腔3底部聚集的相变工质23通过池沸腾换热方式吸热相变蒸发成为蒸汽，蒸汽在第四换热子腔6-4上部空间逐渐聚集，并在相变力作用下经蒸汽出口7-4进入蒸汽腔4中，随后经第一流体管9进入换热器17中。蒸汽在换热器进口18冷流体的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，由于第三流体管支管15上仅有电磁阀14-2和14-3开启，因此液态工质最终在重力的作用下回流至第二和第三换热子腔中。当液位传感器25-2、25-3监测到第二换热子腔6-2和第三换热子腔6-3中液位接近一致且第四换热子腔6-4中已基本无工质时，即完成“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储冷”第一阶段准备过程。随后在蓄能体1中热量的加热下，第二和第三换热子腔中聚集的相变工质23通过池沸腾换热方式吸热相变蒸发成为蒸汽，蒸汽在对应换热子腔上部空间逐渐聚集，并在相变力作用下经蒸汽出口7-2和7-3进入蒸汽腔4中，随后经第一流体管9进入换热器17中。蒸汽在换热器进口18冷流体的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，最终在重力的作用下回流至第二换热子腔6-2和第三换热子腔6-3，完成“第二、第三换热子腔储冷”。当蓄能体温度传感器24-2和24-3监测的平均值与24-1和24-4监测的平均值差值超过0.5-1℃时，进行“第一、第四换热子腔储冷”准备。此时关闭第三流体管电磁阀14-2和14-3，打开14-1和14-4，经过换热循环后液态工质将回流至第一换热子腔6-1和第四换热子腔6-4，当液位传感器25-1和25-4监测到第一换热子腔6-1和第四换热子腔6-4中液位接近一致且第二换热子腔6-2和第三换热子腔6-3中基本无工质时，即完成“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储冷”第二阶段准备过程。随后在蓄能体1中热量的加热下，第一换热子腔6-1和第四换热子腔6-4中聚集的相变工质23通过池沸腾换热方式吸热相变蒸发成为蒸汽，蒸汽在换热子腔上部空间逐渐聚集，并在相变力作用下经蒸汽出口7-1和7-4进入蒸汽腔4中，随后经第一流体管9进入换热器17中。蒸汽在换热器进口18冷流体的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，最终在重力的作用下回流至第一换热子腔6-1和第四换热子腔6-4，完成“第一、第四换热子腔储冷”。当蓄能体温度传感器24-1和24-4监测的平均值与24-2和24-3监测的平均值差值超过0.5-1℃时，再次进行“第二、第三换热子腔储冷”。上述过程不断重复，最终完成“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储冷”。“第一、第三换热子腔和第二、第四换热子腔间歇储冷”类似，此处不再赘述。

分层储热模式如下：由于自然状态下工质23聚集在最底层(第四)换热子腔内，所以无论是以“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储热”还是“第一、第三换热子腔和第二、第四换热子腔间歇储热”策略运行，控制器22均需首先向系统发出分层储热模式准备指令。以“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储热”为例：打开第二流体管电磁阀12-2、12-3以及第三流体管电磁阀14-4，其余电磁阀保持关闭状态。启动变频工质泵20，在变频工质泵20的驱动下，地埋储能腔3底部聚集的相变工质23被迅速泵送至换热器17中并受到换热器进口18热流体的加热作用吸热相变蒸发成为蒸汽，随后蒸汽经第二流体管10进入地埋储能腔3中，由于第二流体管上仅有第二流体管电磁阀12-2和12-3打开，因此蒸汽经第二流体管支管13-2和13-3分别进入第二和第三换热子腔中。进入第二和第三换热子腔中的蒸汽在地埋储能腔3壁面的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，并最终在重力的作用下回流至第二和第三换热子腔底部。当液位传感器25-2、25-3监测到第二和第三换热子腔中液位接近一致且第四换热子腔中工质已基本无工质时，即完成“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储热”第一阶段准备过程。随后关闭第三流体管电磁阀14-4并打开14-2和14-3，在变频工质泵的驱动下，第二和第三换热子腔底部聚集的相变工质23被泵送至换热器17中并受到换热器进口18热流体的加热作用吸热相变蒸发成为蒸汽，蒸汽经第二流体管10进入地埋储能腔3中，并经第二流体管支管13-2和13-3分别进入第二和第三换热子腔中随后在地埋储能腔3壁面的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，并最终在重力的作用下回流至第二和第三换热子腔底部，完成“第二、第三换热子腔储热”。当蓄能体温度传感器24-2和24-3监测的平均值与24-1和24-4监测的平均值差值超过0.5-1℃时，进行“第一、第四换热子腔储热”准备。此时关闭第二流体管电磁阀12-2和12-3，打开12-1和12-4，经过换热循环后蒸汽将进入第一和第四换热子腔中并发生相变冷凝，液态工质随之回流至第一和第四换热子腔底部，当液位传感器25-1和25-4监测到第一和第四换热子腔中液位接近一致且第二和第三换热子腔中无工质时，即完成“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储热”第二阶段准备过程。随后打开第三流体管电磁阀14-1和14-4，关闭14-2和14-3，在变频工质泵的驱动下，第一和第四换热子腔底部聚集的相变工质23被泵送至换热器17中并受到换热器进口18热流体的加热作用吸热相变蒸发成为蒸汽，蒸汽经第二流体管10进入地埋储能腔3中，并经第二流体管支管13-1和13-4分别进入第一和第四换热子腔中随后在地埋储能腔3壁面的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，并最终在重力的作用下回流至第一和第四换热子腔底部，完成“第一、第四换热子腔储热”。当蓄能体温度传感器24-1和24-4监测的平均值与24-2和24-3监测的平均值差值超过0.5-1℃时，再次进行“第二、第三换热子腔储热”准备。上述过程不断重复，最终完成“第二、第三换热子腔和第一、第四换热子腔间歇储热”。“第一、第三换热子腔和第二、第四换热子腔间歇储热”类似，此处不再赘述。

集中储冷模式如下：同样，由于自然状态下工质23聚集在最底层(第四)换热子腔内，所以无论是以“2集中储冷”、“3集中储冷”还是“2和3集中储冷”等策略运行，控制器22均需首先向系统发出集中储冷模式准备指令。以“2集中储冷”为例：首先打开第一流体管电磁阀16和第三流体管干管电磁阀21和第三流体管电磁阀14-2，关闭其余电磁阀。在蓄能体1中热量的加热下，地埋储能腔3底部聚集的相变工质23通过池沸腾换热方式吸热相变蒸发成为蒸汽，蒸汽在第四换热子腔上部空间逐渐聚集，并在相变力作用下经蒸汽出口7-4进入蒸汽腔4中，随后经第一流体管9进入换热器17中。蒸汽在换热器进口18冷流体的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，由于第三流体管支管15上仅有电磁阀14-2开启，因此液态工质最终在重力的作用下回流至第二换热子腔中。当液位传感器25-2和25-4监测到工质全部进入第二换热子腔中时，即完成“2集中储冷”准备过程。随后在蓄能体1中热量的加热下，第二换热子腔中聚集的相变工质23通过池沸腾换热方式吸热相变蒸发成为蒸汽，蒸汽在对应换热子腔上部空间逐渐聚集，并在相变力作用下经蒸汽出口7-2进入蒸汽腔4中，经第一流体管9进入换热器17中。蒸汽在换热器进口18冷流体的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，最终在重力的作用下回流至第二换热子腔，完成“第二换热子腔集中储冷”。“第三换热子腔集中储冷”以及“第二和第三换热子腔集中储冷”类似，此处不再赘述。

集中储热模式如下：同样，由于自然状态下工质23聚集在最底层(第四)换热子腔内，所以无论是以“第二换热子腔集中储热”、“第三换热子腔集中储热”还是“第二换热子腔和第三换热子腔集中储热”等策略运行，控制器22均需首先向系统发出集中储热模式准备指令。以“2集中储热”为例：打开第二流体管电磁阀12-2以及第三流体管电磁阀14-4，其余电磁阀保持关闭状态。启动变频工质泵20，在变频工质泵20的驱动下，地埋储能腔3底部聚集的相变工质23被泵送至换热器17中并受到换热器进口18热流体的加热作用吸热相变蒸发成为蒸汽，随后蒸汽经第二流体管10进入地埋储能腔3中，由于第二流体管上仅有第二流体管电磁阀12-2打开，因此蒸汽经第二流体管支管13-2进入第二换热子腔中。进入第二换热子腔中的蒸汽在地埋储能腔3壁面的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，并最终在重力的作用下回流至第二换热子腔底部。当液位传感器25-2监测到工质全部进入第二换热子腔中时，即完成“2集中储热”准备过程。随后关闭第三流体管电磁阀14-4并打开14-2，在变频工质泵的驱动下，第二换热子腔底部聚集的相变工质23被泵送至换热器17中并受到换热器进口18热流体的加热作用吸热相变蒸发成为蒸汽，蒸汽经第二流体管10进入地埋储能腔3中，并经第二流体管支管13-2进入第二换热子腔中随后在地埋储能腔3壁面的冷却作用下发生相变冷凝成为液态工质，并最终在重力的作用下回流至第二换热子腔底部，完成“第二换热子腔集中储热”。“第三换热子腔集中储热”以及“第二换热子腔和第三换热子腔集中储热”类似，此处不再赘述。

本实用新型可有效克服地下储能系统中存在的“热堆积”现象对系统注能和储能过程的不利影响，既可实现“分层间歇储能”也可实现“中间层集中储能”功能。其中“分层间歇储能”可大幅降低“所需储能量”条件下系统的功耗或者大幅提升“给定注能量”条件下系统的有效储能效率，而“中间层集中储能”则可大幅提升蓄能体的蓄能品位和能量密度。因此，本实用新型既可实现提升储能“量”的应用目的，也可应用于提升储能“质”的应目的，有效提升了地下储能系统应用的灵活度和扩展性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。