DK150249B - Fremgangsmaade til oplagring og udhentning af varmeenergi fra jordskorpen - Google Patents

Description

i 150249

Opfindelsen vedrører en fremgangsmåde af den i krav l's indledning angivne art.

Indenfor energiteknikken findes der mange tilfælde, hvor det er ønskeligt at oplagre varmeenergi. Særligt aktuelt 5 er dette energilagringsbehov i solvarmeanlæg. Når der f. eks. skal opvarmes lokaler ved hjælp af solenergi er det en betingelse, at der skal kunne lagres varmeenergi under solrige perioder, hvilken varmeenergi skal kunne udnyttes under solfattige perioder. Det er ønskeligt at kunne lag-10 re solvarme fra sommerhalvåret til vinterhalvåret.

Når der anvendes vindenergi til rumopvarmning findes et lignende behov for varmeenergioplagring. Ved mange industriprocesser frembringes der store varmemængder ved et relativt lavt temperaturniveau, som kunne anvendes til op-15 varmning af rum. Der går store energimængder til spilde på grund af manglen på en økonomisk fremgangsmåde til at kunne lagre denne varmeenergi.

F.eks. i varmekraftværker, hvor store variationer i elektricitetsbehovet umuliggør en rationel udnyttelse af var-20 meproduktionen, ville en varmeoplagringsmulighed være øn skelig.

Forbrænding af affald i kombination med en billig varme-oplagringsmetode ville medføre udnyttelse af energiressourcer, som ikke anvendes i dag.

25 En billig og enkel energilagringsmetode, som kan anvendes i lille målestok, opmuntrer også den enkelte til en rationel udnyttelse af affaldsmaterialet, som ellers ikke ville komme i anvendelse.

Der kendes flere metoder til oplagring af varmeenergi.

30 Forskellige materialer udnyttes til varmeoplagring. En metode går ud på, at udnytte materialernes specifikke 2 150249 varmefylde. Andre metoder udnytter et materiales smeltevarme eller fordampningsvarme ved, at varmeenergien tilføres ved smelte- henholdsvis kogepunktet. En yderligere metode er baseret på energiudbyttet ved krystalforandrin-5 ger i visse materialer. Visse af metoderne anvendes i dag i færdige anlæg, medens andre metoder endnu befinder sig på udviklingsstadiet.

Hvilken metode, der kommer i anvendelse, beror på en øns-• ket arbejdstemperatur, lagerets størrelse, acceptabel var- 10 melækage, hvor stor en effekt, der kan udtages pr. vægt/ volumenenhed, anlægsudgifter o.s.v.

Fælles for de ovennævnte metoder er, at ingen medfører en egnet lagringsmetode i op til et år. Lagringstiden for de bedste af metoderne er maksimalt nogle uger.

15 Der kendes anlæg, hvor der som lagringsmedium anvendes vand til oplagring af energien fra en solfanger. Den oplagrede varmeenergi skal anvendes til opvarmning af en bolig. Hvis den indstrålede solvarme, som opnås i løbet af en dag, skal anvendes til ét døgns varmeforbrug, og hvis 20 temperaturområdet tillades at være 60-95 °C, kræves en velisoleret vandtank på 2-3 rn . Opvarmning i løbet af et solfattigt døgn må derfor ske ved hjælp af en eller anden form for tilskudsvarme. Hvis man vil undgå denne ulempe, kan der anlægges en større solfanger og et større varme-25 energilager. Prisen for denne mulighed er imidlertid ik ke rentabel.

En mere interessant varmeoplagringsmetode består i, at der gøres brug af en jordskorpedel, som står i direkte varmeledende forbindelse med det omgivende terræn, såle-30 des som det er angivet i indledningen til krav 1, De i jordskorpen anbragte kanaler kan være et borehul i jorden, i hvilket borehul der er nedsænket en rørledning med et 3 150249 strømmende fluidum. Ifølge et andet forslag består kanalerne af i et bjerg sprængte huller, som er indbyrdes forbundne. I begge de nævnte tilfælde forudsættes høje temperaturer hos det i kanalerne strømmende fluidum (normal 5 radiatortemperatur er mindst 50 DC), og der kræves et kompliceret reguleringssystem for at styre til- og afgangen for varmeenergien. På grund af de høje temperaturniveauer bliver varmetabene til det omgivende terræn meget store, idet det omgivende terræns temperatur er betydeligt lavere 10 (i Stockholm 8 °C). Hvis der anvendes solfanger, får dis se en dårlig virkningsgrad ved høje temperaturniveauer.

De nævnte forhold har i praksis betydet, at metoden ikke har kunnet tilpasses under realistiske og økonomisk forsvarlige forhold.

15 Formålet med opfindelsen er at angive en fremgangsmåde af den indledningsvis angivne art til oplagring og til ud-hentning af varmeenergi, hvor der uden for store omkostninger kan opnås en tilstrækkelig høj lagringskapacitet, med varmetab, som der kan kompenseres for, eksempelvis ved 20 hjælp af solfangere, og hvor fremgangsmåden er baseret på en simpel teknik og enkle materialer.

Dette formål opnås ved, at fremgangsmåden udøves som angivet i krav l's kendetegnende del.

Opfindelsen er helt baseret på de tidligere forslag, men 25 udviser i forhold til disse den væsentlige forskel, at der anvendes en så lav temperatur som ca. 35 °C i jordskorpedelens omgivende begrænsningsflader.

Med anvendelse af en solfanger er det fordelagtigt, at det fra solfangeren kommende fluidum har en temperatur, 30 som begrænses til højst 45 °C, fortrinsvis 35 °C, hvorved solfangeren kan gøres meget enkel i sin konstruktion og alligevel få en meget høj virkningsgrad, der endog kan 150249 4 være højere end for de mest avancerede solfangere, der arbejder ved temperaturer op til 100 °C i fluidet. Specielt opnås der en høj total virkningsgrad, når der anvendes lav temperatur i de varmeafgivende aggregater.

• 5 Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen opnås således føl gende fordele: a) Kapaciteten kan gøres så stor, som det kræves, uden høje omkostninger, b) varmetabene på grund af varmelækage er så små, at de ID økonomisk set kan modsvares af et større solfanger- areal, c) den nuværende teknologi er brugbar, og der kræves ingen komplicerede komponenter, d) der kan anvendes simple solfangere med en god virk- 15 ningsgrad, e) der opstår ingen større termiske spændinger eller udmatningsfænomener i jordskorpen, og f) jordskorpens maksimale overtemperatur er så lav, at der ikke opstår økologiske skadevirkninger.

20 Givetvis må varmeafgivningssystemet dimensioneres således, at der kan overføres tilstrækkelige energimængder fra fluidet til et rum, selv om fluidets temperatur ikke adskiller sig fra rumtemperaturen med mere end 10 °C.

Jordskorpelageret består i første omgang af en inderzone 25 (se fig. 3a og 3b), som er forsynet med kanaler eller ledningsbaner for tilførsel af varme. Begrænsningsfladen for denne zone udgøres af en flade, som omslutter de aktive ledningsbaner i marken.

5 150249

Ved beregning af jordlagerets lagringskapacitet kan det antages, at den ovenfor definerede zone fuldstændigt følger med i ledningsbanernes temperaturvariationer, forudsat at hvert volumenelement i jordskorpen højst ligger i afstanden s^ fra en hvilken som helst af ledningsbanerne.

Fra Jacob, Heat Transfer, marts 1958, side 303 findes s. aS 0,7 V— \/— , hvor 1 v ur V txr a = og od* = frekvensen for temperaturvariationen

P

(periodisk), og hvor X = varmeledningsevnen hos jordskorpen •β = jordskorpens vægtfylde, og 0^ = den specifikke varmefylde for jordskorpen.

Afstanden mellem to hosliggende ledningsbaner bør derfor være mindre end 2 s^. Ved periodiske variationer er temperaturen i zonens begrænsningsflader vil der vandre varmeenergi til eller fra det omgivende terræn. Den varmeenergi som på cyclisk vis tilføres henholdsvis udtages fra det omgivende terræn kan ifølge den ovennævnte bog side 293 udtrykkes således: Q = Y. . 2Θ . .-= , hvor 1 a Vv? 20 er temperaturvariationen (se fig. 3c), og hvor

7C = Vf . cp .X

Denne varmemængde Q kan oplagres i en ydre zone i terrænet, som helt deltager i (følger) temperaturvariationen for fladen Y^. Rumfanget af denne ydre zone Z^ kan 6 150249 skrives som . S2* hvor S2 kan tolkes som den "ækvivalente indtrængningsdybde" i jordskorpen udenfor zonen Z^. Jordlagerets rumfang kan således betragtes som summen af zonerne og og have en begrænsningsflade Y2, som lig-5 ger i afstanden S2 fra fladen Y^.

Altså gælder Q = Y . 2Θ .& .==- = s0 . Y, . 2Θ . c , 3 a 2 1 a * p7 hvorved det fås, at S2 = \/ ·

Man finder altså af s^ = S2*

For at opnå optimal udnyttelse af den i varmeoplagrings-10 processen arbejdende jordmasse fordeles kanalerne fortrins vis således, at hvert i processen deltagende masseelement har en største afstand til en kanal på ca. 1 meter gældende for meget vandrig jord og på ca. 3 meter for meget vandfattig jord eller bjerggrund, såsom granit. For at 15 optimere således, at den i varmeoplagringsprocessen ar bejdende jordmasse er bedst mulig tilgængelig for varmeenergi, tilpasses kanalernes totalt tilgængelige areal ved at tilpasse de effektive rørlængder og rørdiametre.

Opfindelsen vil blive nærmere forklaret ved den følgende 20 beskrivelse af nogle udførelsesformer, idet der henvises til tegningen, hvor fig. 1 viser en udførelsesform for en enkelt ledningsbane i form af et borehul, fig. 2 viser et eksempel på en i varmeoplagringsprocessen 25 deltagende jordskorpedel under et hus, fig. 3a og 3b viser en jordskorpedel i to projektioner, medens 7 150249 fig. 3c viser området for temperaturens variationer i et snit gennem jordskorpedelen.

(2s^ = 6 m). Borehullerne behøver naturligvis ikke at være lodrette,men kan også være skrå. Jordskorpeområdet 5 (granit) som strækker sig ca. 3 m ud fra to rækker med borehuller og ligeledes til siderne og nedad (samt endvidere opad, hvis borehullernes øvre dele er isolerede) og omfatter således et rumfang, som er større end 2300 m^.

Fig. 3a viser et lodret snit gennem en jordskorpedel 12, 10 hvor der findes fire rækker af lodrette kanaler eller ledningsbaner 2. En begrænsningsflade omslutter kanalerne 2 og gennem de yderst beliggende kanaler samt disses ender. Afstanden mellem kanalerne er højst lig med strækningen s^, og den af begrænsningsfladne indesluttede zone be- 15 tegnes med Z^.

Rundt om zonen strækker sig en zone 2som har en udstrækning s^ ud til en begrænsningsflade YDisse zoner og begrænsningsflader er i fig. 3b vist fra oven.

Fig. 3c viser temperaturfordelingen igennem jordskorpe-25 delens udstrækning 12' i et vandret plan og viser temperaturudsvinget med størrelsen 2&g med henholdsvis tilfø-ring og udtagning af varmeenergi til og fra jordskorpen. Beliggenheden af de i fig. 3a og b viste begrænsnings-fladers Y^ og Y2 er markeret i fig. 3c tillige med tempe-30 ratur fordelingen udenfor den ydre begrænsningsflade Y^.

For at hæve jordskorpens temperatur ifølge opfindelsen eksempelvis til 25 °C og 30 °C kræves i en begyndelses-periode en relativ stor energimængde, som kan opnås f. eks. ved hjælp af midlertidig opstillede solfangere på 35 byggepladsen. Andre midlertidige varmekilder kan også tæn kes. Prisen for denne begyndelsesopvarmning af jordskorpen kan betragtes som en investering.

150249 8 På lignende måde som for et enfamiliehus kan et flerfami-liehus forsynes med f.eks. solfangere og samvirke med en jordskorpedel, hvor flerfamiliehusets varmesystem kan være af lavtemperaturtype. Ved på denne måde at dække varme-5 behovet til et flerfamiliehus udelukkende ved hjælp af solvarme kan der givetvis opnås store økonomiske fordele.

Fig. 1 viser en i en jordskorpedel 1 anbragt kanal eller lednignsbane som foruden en varmeisoleret tilledning på 3 meters længde omfatter et f.eks. 10 meter dybt hul 2 10 med en diameter på f.eks. 2,5 cm, hvilket borehul er foret med en strømpe 3 fortrinsvis af aluminiumfolie. I hullet findes et koncentrisk tilledningsrør 4. Foringen eller strømpen 3, som kan være presset ned til anlæg mod borehullets 2 vægge er på tæt måde forbundet til et tilslut-15 ningsrør 5, som i lighed med røret 4 er forbundet til en rørledning 6, over hvilken rørene 3, 4 tilsammen med et aggregat 8, hvor varmen afgives f.eks. fra radiatorer, danner en lukket kreds for et strømmende fluidum såsom vand.

For at temperaturen i jordoverfladen ikke skal påvirkes 20 nævneværdigt, er den øvre del af røret isoleret over en strækning S2·

Oer findes flere borehuller 2, som er anbragt med indbyrdes mellemrum af en størrelsesorden på højst 2 s, hvis værdi afhænger af jordtypen som nedenfor angivet. 1

Jordart Afstand 2 s^ (cyklus = 1 år) 2 S2

Granit 6,4 m

Sand 4,6 m

Moræne 5,4 m ler 3,5 m

Dynd 2,0 m

Vand 1,8 m 9 150249

Fig. 2 viser et sædvanligt hus 10 på 15 x 8 m, hvilket hus er bygget på bjerggrund og har et årsenergibehov på 26000 kWt. Huset er endvidere forsynet med en i det væsent- 2 lige vandret solfanger 11 på 40 m , der kan tænkes indbyg-5 get i taget. Heraf kan regnes ud, at der for at dække ener gibehovet udelukkende med solenergi kræves et jordskorpe-område 12 ifølge opfindelsen med et volumen på 2300 m^.

Dette opnås lettest ved hjælp af to rækker borehuller med en dybde på 10 m og indbyrdes mellemrum på ca. 6 m.

10 I mange tilfælde og navnlig i lande med en jordskorpetemperatur på op mod 20 °C kan det være hensigtsmæssigt at anvende samme princip til tilvejebringelse af en kølende jordskorpedel med temperaturer på 10-13 °C til afkøling af et lokale, som er udsat for en langvarig, ikke-ønsket 15 tilførsel af varme.

Metoden ifølge opfindelsen til oplagring af energi i jordskorpen kan naturligvis også udnyttes til temperering af svømmebassiner.

Opfindelsen er generelt anvendelig, hvor der tilføres var-20 meenergi med varierende effekt, som f.eks. kan fås fra solfangere, vindmøller (el-varme eller vandbremsevarme), spildvarme og varierende eller konstant udtag af thermisk energi og ved konstant tilførsel af thermisk energi og varierende udtag, som til tider kan være større end den 25 tilførte energi.

Dimensionering af jordskorpedelen og kanalernes fordeling kan i visse tilfælde kræve komplicerede beregninger, som i hovedsagen behandles i en datamaskine.

Som tidligere nævnt skal de varmeafgivende aggregater 30

Claims (3)

150249 ίο have en store varmeafgivende overflade med lav overfladetemperatur. Et sådant aggregat kan findes i forbindelse med en eller flere vægflader og/eller loftflader i et rum. Den varmeafgivende flade kan f.eks. være et 5 tyndt træfiberpanel, bag hvilket der strømmer luft med en temperatur på ca. 25 °C, hvor luften er opvarmet af rør, som er anbragt på tværs af luftstrømmen i et rum bag panelet. I rørene strømmer det cirkulerende fluidum, som kan have en temperatur på ca. 27 QC. En del af den strøm-10 roende luft kan udgøres af frisk luft, der indblæses ved hjælp af en lille ventilator. De varmeoptagende aggregater kan være udformet på samme enkle måde, hvor der kan anvendes et mere vejrbestandigt panel såsom aluminiumsplade.

15 Patentkrav:

1. Fremgangsmåde til oplagring af varmeenergi i en jordskorpedel (12), som står i direkte varmeledende forbindelse med det omgivende terræn, hvilken varmeenergi hidrører fra varmeoptagende aggregatger (7), såsom solfange-20 re og tilføres jordskorpen via et antal i denne anbragte hovedsageligt parallelle kanaler (2), hvori der strømmer et cirkulerende fluidum i et kredsløb indbefattende kanalerne (2) og de varmeoptagende aggregater (7), hvilket fluidum endvidere udnyttes til at udhente den oplagrede 25 varmeenergi i jordskorpen (12) til temperering af et objekt, f.eks. en bygning (10), ved, at fluidet cirkuleres gennem et kredsløb, som indbefatter kanalerne (2) og var-meafgivende aggregater (8), kendetegnet ved, at kanalerne indskydes parallelt med en største indbyrdes 30 afstand på 2.s og i et sådant antal og med en sådan dimensionering og fordeling i afhængighed af beregnet tilførsel og udhentning af varmeenergi under en fortrinsvis lang tidsperiode på f.eks. et år, at en afgrænsningsflade