用于液体储存器中的能量传递和能量存储的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在液体储存器中传输能量和存储能量的装置。

背景技术

从现有技术来看，已知在季节变化期间采取适当的预防措施，以便将室内空间的温度保持在用户舒适的温度范围内。各种类型的加热系统用于提高温度，而空调单元通常用于通过将经由冷却压缩机而被冷却的室外空气带入室内来降低温度。

使用化石燃料来控制室内温度不仅越来越不经济，而且由于对气候的相关负面影响而越来越受到质疑。用于能量存储的高效系统确保在加热和冷却建筑物时减少能量消耗。

能量存储系统在所谓的通风和空调系统中使用，在该通风和空调系统中，室外空气可以借助于径向风机经由热交换器而作为供应空气被馈送进入建筑物的内部。排出空气通常借助于蒸发冷却器被馈送进入热交换器，由此，由另一径向风机吸入的空气离开建筑物，作为与室外空气混合的抽取空气。除了用于清洁空气的各种过滤器之外，还可以使用辅助加热器，使得室内通风成为可能。

此外，已知将室外空气供应到室内空间，由此，建筑物的所有室内空间都通过排出空气管道连接起来，通过该排出空气管道将排出空气供应到热泵，使得排出空气中所含的能量可以在离开建筑物之前经由热泵而作为排出空气被供应到例如热水箱。这种排出空气热泵有助于建筑物的能量效率。

从DE 29 26 610 A1已知一种在低温度水平下为热泵系统提供输入热能的存储箱，该热泵系统吸收这种能量，并在较高的温度水平下再次将所述能量释放。在这种情况下，水池被设计成使得其含水量可以冻结而不会损坏水池，且位于水池底部或嵌入水池底部的热交换系统允许该水池的冷却和冻结热量被供应到热泵的冷侧。

除了使用人工水池外，还已知使用自然水体作为存储介质。

因此，DE 10 2015 104 909 A1公开了一种能量存储系统，该能量存储系统具有漂浮在呈湖泊形式的下部水池上的热交换器，该湖泊可以优选地经由第一供应管线填充水，由此，来自下部水池的水可以经由第二供应管线在单独的回路中被供应到热泵，且流经热交换器的冷却剂可以经由第三供应管线在单独的回路中被供应到热泵，使得可以通过下部水池的水的结冰经由热交换器抽取能量或以来自下部水池的水的显热的形式抽取能量，并可以将能量传递给消费者，以用于散热和/或散冷。

此外，从DE 10 2015 121 177 A1已知一种用于将热能引入水体并用于从水体抽取热能的浮动装置，该浮动装置具有水热交换器，在该装置已被放置在水体上之后，该水热交换器被浸没在水中并具有用于热传递流体的入口和出口，该热传递流体可以向水体释放热能或从水体抽取热能。该装置还包括环境空气能够渗入的空气热交换器，并且还包括用于来自水体的水的入口和对应的出口，使得来自水体的水可以流经空气热交换器，从而热能在流经空气热交换器的环境空气与流经空气热交换器的水之间可传递。

然而，用于在流体储存器中传递能量和存储能量的装置也可以在没有天然水的情况下使用。

发明内容

基于该现有技术，任务是在装置的性能方面改进用于液体储存器中的能量传递和能量存储的装置。

根据权利要求1的解决方案使用例如来自建筑物的排出空气以提高装置的性能。

液体储存器能量传递和存储装置包括水热交换器和布置在水热交换器上方的空气热交换器，该水热交换器被布置在液体储存器中。该装置包括室外空气入口，该室外空气入口允许室外空气流通过空气热交换器引导到空气出口。热交换器被设计用以将用于能量传递的、从排出空气入口流入的排出空气经由液体储存器引导到热交换器的外围区域，排出空气可以作为抽取空气流从该外围区域而被引导到空气热交换器，环境空气流和抽取空气流在该空气热交换器中混合。

本发明的其它有利实施例每一个均是从属权利要求的主题。这些实施例可以以技术上有用的方式彼此组合。说明书(特别是与附图结合)另外表征并具体说明了本发明。

排出空气是来自建筑物的空气，其在与外部空气接触之后被称为抽取空气。因此，对于从热交换器流入空气热交换器的空气来选择这种名称，外部空气也流入该空气热交换器。外部空气也可以被称为环境空气。

在排出空气作为抽取空气流被馈送进入空气热交换器之前，温暖的排出空气首先由热交换器(其也用作空气流偏转器)引导流过液体储存器的液体表面，从而释放供水热交换器可以使用的能量。结果，环境空气(在空调技术中也称为室外空气)和排出空气在装置的入口侧上没有混合，且因此入口侧上的温度不均衡，这将使温暖的排出空气的利用更差得多。为实现这一效果，排出空气入口与室外空气入口间隔开，且处在液体储存器上方。

水热交换器有利地是被布置在地板上。液体储存器被内壳包围，该内壳将该装置与从地面覆盖该内壳的外壳划界，该外壳至少部分地埋在地面中。在一个实施例中，该装置在顶部处被覆盖物封闭，使得空气流可以从空气入口通过空气热交换器而被引导到空气出口。空气出口可以居中地位于覆盖物上，且优选地是，风机在空气出口处位于覆盖物的下方。

因此，该装置可以分为三个区段，其中的水热交换器布置在液体储存器的底部。空气热交换器位于上部区段中，环境空气可以流经该空气热交换器。在该空气热交换器的上方布置有覆盖物，当根据本发明的装置嵌入地下直至覆盖物时，该覆盖物可以适当地设计用以预留室外空间，例如在住宅的花园中。通常，水热交换器和空气热交换器的起作用区域经由液压单元连接到热泵，且通常具有用于能量交换的、流经它们的乙二醇-水溶液。能量交换可以以不同的方式进行。首先，可以经由热泵从空气热交换器中抽取室外热量，以用于加热目的。多余的室外热量可以同时馈送进入水热交换器。如果无法从空气热交换器获得足够的环境热量以用于加热目的，则可以从水热交换器中抽取热量。从空气热交换器可获得的有用热量可以被分流和反馈回到水热交换器中，以用于存储箱的再生和充热。除了从空气热交换器中抽取环境热量之外，还可以经由空气热交换器释放热量，以用于冷却目的。部分地是，冷量可以被分流并供应到水热交换器，作为存储箱的主动预冷。也可以借助于空气热交换器，从水热交换器中取出对应量的冷量，以经由热泵输送热量，以用于冷却目的。最后，还可以实现对存储器的自由预冷，以便经由空气热交换器为水热交换器的自由预冷供应自由冷却。结果，该装置将提高有用热量的生成效率，因为水热交换器可以将来自温暖日子的环境热量以及排出空气的能量传递到效率较低的寒冷日子，从而显著提高效率。当冷却建筑物和/或机械时，根据本发明的装置的效果甚至更加明显，因为夜晚的冷量被带入存储器，以支持由低源温度在白天期间生成冷量。

除了这种效率上的增加之外，根据本发明的装置被设计成使得其显著地促进这样的系统的安装和操作。为此，外壳首先插入地面中，这在安装期间可以由稳定的芯部支撑，以防止鼓胀。液体储存器形成在内壳内，且在取出芯部之后，内壳可以用于稳定外壳，这通过外壳从地面覆盖内壳来实现。这允许根据本发明的装置的简单布置，这进而可以以低成本安装。

该装置中的热交换器被设计用以将建筑物或机器的排出空气最初引导到热交换器的中心区域，并从中心区域将排出空气向热交换器的周向或几乎周向的外围区域径向地供应，使得生成足够长的距离以使排出空气流经液体储存器以用于能量交换。

排出空气被引导通过热交换器中的翅片，该翅片至少在某些区域中径向地延伸，使得路径具有至少一个径向分量。翅片可以用于将排出空气引导到中心区域或引导排出空气离开中心区域。热交换器被设计成使得排出空气通过与排出空气入口相邻布置的翅片而被引入中心区域，并从中心区域通过其它翅片分配到外围区域。

为了防止流入热交换器的排出空气直接流向外围区域而不是中心区域，在排出空气被引导到中心区域所通过的翅片处布置有针对外围区域的流动屏障，该流动屏障阻止流入的排出空气直接流向外围区域。

根据本发明的一个实施例，隔热层布置在水热交换器与空气热交换器之间，且热交换器布置在隔热层的面向液体储存器的那一侧上。

因此，可以将水热交换器的区域与空气热交换器的区域隔热，由此，具有热交换器的水热交换器、空气热交换器和隔热层的组合可以被设置为组件组，该组件组被插入外壳中。这样设计的装置既可以方便地运输到使用地点，也可以在挖掘工作完成之后迅速安装在预期的自由空间中。通过在隔热层上设置外部框架，在将单元插入外壳之后可以完成适当的隔热效果。

在一个实施例中，隔热层具有用于被引导到外围区域的排出空气的通道，或者，隔热层被设计成使得排出空气流过隔热层的外部，使得可以将排出空气引导到空气热交换器作为抽取空气。可替代地是，或附加地是，外部框架被设计成使得排出空气可以在隔热层与外壳之间流过。

在一个实施例中，排出空气入口布置在隔热层中的凹部处，排出空气通过该凹部流入隔热层下方的热交换器。可替代地是，排出空气入口可以形成在外部框架上。

附图说明

在下文中，参考附图更详细地解释了一些实施例。附图示出：

图1示出了装置的实施例的侧视图，

图2以纵截面示出了该装置的内部，

图3以三维方式示出了该装置的内部，

图4以三维方式示出了热交换器的实施例的截面。

在附图中，相同或功能相似的部件被赋予相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于流体储存器中的能量传递和能量存储的装置VO的实施例的侧视图。

装置VO通常安装在建筑物的外部，借助于装置VO，将对该建筑物进行加热或冷却。为了实现装置VO的简单安装，首先提供待安装的地基，在此通常可以将混凝土板BP设置为基底。此外，从建筑物的外部移除土壤ER，使得可以在混凝土板BP上铺设外壳AH。在固定外壳AH之前，通常将线路段铺设到被容纳在建筑物中的热泵，其由连接单元AE连接到装置VO。来自建筑物的排出空气也经由连接单元AE馈送进入装置VO。

对于外壳AH的节材设计，可以在安装装置VO之前将定位器插入外壳AH内，该定位器用作稳定芯部且旨在防止外壳AH鼓胀。通常，外壳AH相对于其高度被设计成使得装置VO完全或几乎完全位于土壤ER的地面水平下方。然而，对于装置VO的操作，重要的是外部空气入口LE让环境空气流入装置VO的内部，并可以让环境空气经由空气出口LA流出。为此目的，装置VO在其顶部侧设置有覆盖物DE，该覆盖物几乎完全覆盖外壳AH的横截面，只留下周向布置的狭槽，该周向布置的狭槽可以至少部分地被用作室外空气入口LE。

图1所示的覆盖物DE以及土壤RE的上侧形成几乎平坦的表面，由此，外壳AH通常被设计为具有圆形横截面的圆柱体的形式，该圆柱体在其整个轴向高度上被布置在土壤ER中。然而，在其它实施例中，可以使装置VO部分地突出于土壤的顶部之上，使得外部空气入口LE也可以经由圆柱形的外部区域。例如，在此，代替外壳AH，于是将保护格栅等装配在土壤ER的表面与覆盖物DE之间。

装置VO的形状可以是圆形，也可以是相对于地基的多边形。不排除其它形状，诸如椭圆等。

图2以纵截面示出了装置VO的内部。为了清晰起见，未示出外壳AH。

装置VO由空气热交换器LW和水热交换器WW组成，该水热交换器WW具有液体储存器FR并安置在底板BP上，该液体储存器被形成在内壳IH内。在顶部，水热交换器WW借助于隔热层IS与空气热交换器LW分离，该隔热层可以通过随后将被插入的外部框架而被相对于外壳AH附加地密封。因此，可以将由空气热交换器LW、隔热层IS和水热交换器WW构成的单元作为外壳AH内的联合单元，从而借助于外部框架，随后可以在空气热交换器LW中的空间(空气入口LE让室外空气流经该空间)与水热交换器WW中的空间之间形成隔热。

在填充水热交换器WW的液体储存器FR之后，由于柔性设计，所以可以特别地规定在外壳AH的方向上挤压内壳IH，这增强了外壳AH抵靠于周围的土壤ER的附加稳定性。

水热交换器WW包括布置在液体储存器FR内的环形缠绕管。通常，液体储存器FR将填充有水，但不排除其它液体介质，诸如石蜡溶液等。同样，适当的入口管或出口管将提供与位于建筑物中的热泵的连接，通常，水-乙二醇溶液流经管道，以提供能量传递或能量存储。

空气热交换器LW的实施例示例具有布置在若干块中的多个金属翅片ML。在此，金属翅片ML通常由铝制成，以用于减轻重量，而连接金属翅片ML的管可以由铜制成。环境空气(也称为室外空气)围绕金属翅片ML流动，由此，环境空气借助于风机VE经由室外空气入口LE而被引导至覆盖物DE上的空气出口LA。金属翅片ML的入口管和出口管经由连接单元AE而被连接到位于建筑物中的热泵。

在隔热层IS面向液体储存器FR的那一侧上，布置有具有盘状基本形式的热交换器WU。热交换器WU被设计用以将进入的排出空气经由液体储存器FR引导到水热交换器WU的周向的外围区域RB中，使得能量从温暖的排出空气传递到液体储存器FR中的液体。

然后，从外围区域RB，排出空气作为抽取空气流入空气热交换器LW，在空气热交换器中，抽取空气流与流入空气热交换器的环境空气混合。抽取空气在流经热交换器WU之后可以流过隔热层IS的侧边缘SR。为了使这成为可能，在隔热层IS与外壳AH之间的外部框架(如果存在外部框架的话)可以相应地进行设计并具有例如凹部。可替代地是，或附加地是，可以在隔热层IS中设置凹部。

如图2中可见，十五组环形缠绕管彼此叠置地布置在水热交换器WW中。这些组中的每一组经由其自己的入口管和其自己的泵进行供应，其从分配器连接到热泵。当然，组的数目可以取决于液体储存器FR的大小而根据目标输出进行变化。

图3以三维方式示出了装置VO的内部，该装置VO具有空气热交换器LW和水热交换器WW。

在隔热层IS中存在凹部，该凹部用作排出空气入口AU，来自连接单元AE的排出空气通过该排出空气入口而被引入热交换器WU。为此目的，管道或轴(为清晰起见未示出)可以从连接单元AE引导到凹部。

通过排出空气入口AU进入的排出空气首先从布置在边缘处的凹部被引导到热交换器WU的中心区域ZB，并从中心区域向热交换器WU的周向的边缘区域RB径向分配。热交换器WU被部分地浸没在液体储存器FR中。温暖的排出空气因此流过热交换器WU的未被液体覆盖的表面，使得热交换器WU的表面中的被液体覆盖的部分与液体储存器FR中的液体之间发生能量交换，在此期间，排出空气的热量被至少部分地传递到液体。然后，已经经由热交换器WU被部分地冷却的排出空气流过隔热层IS的侧边缘SR进入空气热交换器LW，并可与流入空气热交换器LW的环境空气混合。由于排出空气的能量被传递到靠近所述表面的区域中的液体，所以可能需要在附图中未示出的再循环。可替代地是，也可以操作紧挨着热交换器WU的最上方的一组环形缠绕管，使得其泵始终被激活或在受控时段期间被激活，使得经由热泵的操作液体在管内的循环来平衡整个液体储存器FR内的温度。

图4示出了水热交换器WW中的热交换器WU的三维截面。该热交换器具有基本盘状形式，仅示出了其盘状截面的细节，排出空气也流入其中。

热交换器WU具有多个(优选地是金属)翅片WL，所述多个翅片至少在某些区域中径向延伸。对于区域径向，可以理解的是，它们延伸所处的方向具有至少一个径向分量。优选地是，翅片WL从内到外笔直地且径向地延伸。替代设计是弯曲的。优选地是，翅片WL布置成垂直于水热交换器WW的纵向轴线。在替代实施例中，它们可以被设计成从顶部到底部是横向的或弯曲的，以便影响流经的排出空气的流动。在图3中的各个部件之间的间隙中也可以看到翅片WL。

叶片WL在径向方向上引导进入的排出空气流。从上方通过位于边缘处的排出空气入口AU流入的排出空气首先由与排出空气入口AU相邻布置的翅片WL而被引导进入中心区域ZB。从中心区域，排出空气由周向布置的径向设计的翅片WL分配，并被引导到热交换器WU的周向的外围区域RB。翅片WL上的、将排出空气引导到中心区域ZB的流动屏障SP防止排出空气直接流向外围区域RB并从外围区域离开，而不是首先流入中心区域ZB。这将显著降低热交换器WU的性能，因为与液体的能量交换将由于在液体表面上的距离短而仅发生非常有限的程度。流动屏障SP是位于翅片WL的径向端部处的弯曲的板，该弯曲的板将排出空气引导到中心区域ZB。

例如，热交换器WU可以附接到隔热层IS或外部框架。在本实施例中，翅片WL被固定在两个同心的圆形框架RM之间，该同心的圆形框架固定到隔热层IS。通常，布置有由铝制成的几百个(在该示例中示出为大约900个)这样的翅片WL，该翅片例如10cm高且在操作期间被液体覆盖超过其一半高度。

上文和权利要求书中描述的特征以及可以从附图中提取到的特征可以单独和以各种组合以有利方式实现。本发明不限于所描述的实施例，而是可以在本领域技术范围内以许多方式变化。