一种基于相变材料的跨季节储热池

摘要

一种基于相变材料的跨季节储热池。所述的储热池是由底部，边壁和顶部组成的围合空间，围合空间内填充由相变材料组成的储热堆积床。储热池内设置有热水井和冷水井。热水井通过管路与热水缓冲罐连接，冷水井通过管路与冷水缓冲罐连接。热水井位于储热池中央部分，冷水井位于储热池靠近储热池侧壁的区域。热水井管路位于热水井内偏上的位置，冷水井管路位于冷水井内偏下的位置。冷水缓冲罐、热源、热水缓冲罐及管路组成热源循环系统，冷水缓冲罐、热汇、热水缓冲罐及管路组成供热循环系统。

权利要求

1.一种基于相变材料的跨季节储热池，其特征在于：所述的储热池包括：边壁(1)、顶部(2)、底部(3)、相变材料堆积床(4)、热水井(5)、冷水井(6)、热源(7)、冷水缓冲罐(8)、热水缓冲罐(9)、热汇(10)，以及管路(11)；所述的储热池为由边壁(1)，顶部(2)和底部(3)组成的围合空间，围合空间内填充相变材料堆积床(4)；储热池内设置有热水井(5)和冷水井(6)，热水井(5)位于围合空间的中央区域，冷水井(6)位于围合空间内靠近边壁(1)的区域；

热水井管路(13)位于热水井(5)内偏上的位置，冷水井管路(14)位于冷水井内(6)偏下的位置；热源(7)、冷水缓冲罐(8)、热水缓冲罐(9)及管路(11)组成热源侧循环系统；热源(7)的入口与冷水缓冲罐(8)相连，热源(7)的出口与热水缓冲罐(9)相连；冷水缓冲罐(8)、热水缓冲罐(9)、热汇(10)及管路(11)组成供热侧循环系统；热汇(10)的入口与热水缓冲罐(9)相连，热汇(10)的出口与冷水缓冲罐(8)相连。

2.按照权利要求1所述的基于相变材料的跨季节储热池，其特征在于：所述的相变材料堆积床(4)由相变温度在40-80℃之间的相变材料封装颗粒组成；相变材料封装颗粒具有承重能力；相变材料堆积床(4)为多孔结构，孔缝隙之间填充液体。

3.按照权利要求2所述的基于相变材料的跨季节储热池，其特征在于：相变材料堆积床(4)下层的相变材料的相变温度低于相变材料堆积床(4)上层材料的相变温度。

4.按照权利要求3所述的基于相变材料的跨季节 储热池，相变材料堆积床(4)的多孔缝隙之间的填充液体中添加有抑菌剂及除垢剂。

5.按照权利要求1所述的基于相变材料的跨季节储热池，其特征在于：热水井(5)和冷水井(6)侧壁开有透水孔(12)。

6.按照权利要求1所述的基于相变材料的跨季节储热池，其特征在于：顶部(2)使用漂浮承重结构，顶部(2)上部覆土后实现土地再利用。

说明书

一种基于相变材料的跨季节储热池

技术领域

[0001] 本发明涉及一种太阳能储热系统。

背景技术

[0002] 太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。太阳能供热是降低我国北方建筑供热煤耗的有效途径之一。对于城镇居住建筑来说，由于建筑体形系数较小，建筑本体放置太阳能集热器的面积较小，无法像村镇单体建筑一样，实现太阳能建筑一体化。根据相关研究，集中型太阳能供热系统则是更加适用于城镇建筑的低碳化供热系统之一。集中型太阳能供热系统包括：集热系统、储热系统、末端供热系统、辅助热源系统和控制系统。其中，由于集中型热站多针对1000平米以上的建筑供热，因此储热系统的储热容量较大，可以实现长周期储热，即跨季节储热。根据储热介质的不同，跨季节储热系统可以分为：水体储热、土壤储热、岩体储热、含水层储热等形式。其中，水的比较和密度较大，单位体积的储热容量大，换热强度便于控制等优点，水体储热是未来具有发展前景的跨季节储热形式之一。

[0003] 我国目前还尚未建设万立方米级别以上的水体储热应用案例。在国际上，丹麦是太阳能区域供热商业化推广规模最大的国家，水体储热是主要的应用形式。丹麦所采用的水体储热顶部为浮顶结构，依靠水的浮力支撑储热池顶部结构。但是，由于这种结构承重能力小，上层无法再种植植被，或建设任何的建筑物或构筑物。因此，这种储热结构占地面积过大。一个十万立方米的太阳能跨季节储热水体占地约30亩，在北京购买这些土地就需上亿元，这对在城镇周边推广该技术带来很大难度。欧美国家的土地更加紧张，做该技术更需要节地。因此在储热热性能不下降的情况下减少土地的占用是该技术能得以大面积推广的重要前提。

[0004] 专利CN103175275B《跨季储能池》提出了一种利用建筑地下结构，通过冬夏季空调的排热和太阳能集热器结合加热储热池中的水，用于冬季采暖，但该专利没有描述储热池的结构。也没有涉及到节地储热的技术。

[0005] 专利CN205316442U《基于跨季节蓄热的光伏光热供暖系统》提出了利用太阳能热水器和太阳能光伏发电加热跨季节储热池中的水，并对提出了储热池应带有保温。该种技术并没有涉及水温在池分布的控制。

[0006] 专利CN102494437B《跨季蓄能供冷供热系统》公开一种跨季蓄能供冷供热系统，包括有蓄能装置、太阳能集热装置、制冷装置、以及与用户终端闭环连接的供水装置，所述蓄能装置至少包括有一热源蓄能水池和一冷源蓄能水池。热水供水池夏季作为吸收式制冷装置的热源，并没有涉及到储热过程温度分布的控制和节地问题。

[0007] 专利CN101922754B《太阳能跨季节蓄热采暖系统》公开了一种太阳能跨季节蓄热采暖系统，包括太阳能集热器、供暖末端、分层水箱、地下蓄热区和辅助热源，集热器供水管通过第一电磁阀与分层水箱高温区相连，集热器回水管上设有第一循环水泵并与分层水箱低温区相连；分层水箱低温区通过第二循环泵与地下蓄能区相连，集热器供水管与分层水箱低温区设连通管并装有第二电磁阀；供暖末端供水管通过第三循环水泵与第一电磁阀、分层水箱高温区和地下蓄能区相连，供暖末端回水管与分层水箱低温区相连；辅助热源供水管通过第四循环水泵与分层水箱高温区、辅助热源回水管构成采暖季低谷电蓄热系统。所述的地下蓄能区由埋管换热器、填充在埋管换热器周围的蓄热材料组成。分层水箱位于地下，是一个容积较小的水箱。跨季节储热没有涉及到地下储水的问题以及节约储水土地的问题。

[0008] 专利CN103712255A《一种跨季节太阳能-相变蓄能分级释能采暖系统及方法》涉及一种跨季节太阳能-相变蓄能分级释能采暖系统及方法。该系统主要包括太阳能集热器、相变蓄换热器、采暖模块、换热器，各部件通过管路、阀门、循环泵连接在一起。系统在非采暖季将太阳热能储存在可实现稳定过冷的不同温位相变材料中。

[0009] CN204705063U《跨季节地下储能及释放系统》所述的储热物质为土壤、砾石、岩石、泥沙或水。其特征在于：所述换热装置包括U型换热管，所述U型换热管由U型换热管输入管、U型换热管输出管和可用于沉淀杂质的U型换热管接头连接而成。该专利没有涉及到保持温度分层以及节地的跨季节储热方法。

[0010] 专利CN103423799A《太阳能地埋跨季储热供暖系统》公开了一种太阳能地埋跨季储热供暖系统。地埋蓄热库由保温壳、实心蓄热体和换热器构成且设置于在大地表面掘出的基坑内且位于地表冻土层之下，实心蓄热体由保温壳包裹封起，在实心蓄热体内埋置有换热器和换热工质输送管道，换热工质输送管道由换热工质输入管道和换热工质输出管道构成。地埋换热机组其最末端换热工质出口通过换热工质输出管道对应连通太阳能供暖机组的换热工质进口。太阳能地埋跨季储热供暖系统特征是：换热器为热管换热器。属于使用土壤储热的技术

[0011] 专利CN105841222A《一种基于跨季节水体储热的太阳能供热系统》提出了一种基于跨季节水体储热加辅助热源的太阳能混合能源供热系统。主要包括：太阳能集热系统，跨季节储热水体，热泵，缓冲水箱，热用户，辅助热源，换热器和控制系统。在该系统中，蓄热体内储存有显热型和潜热型两种蓄热材料，分别为水和固液相变材料石蜡。该发明结合了显热型和潜热型两种蓄热系统的优点，具有换热性能好、蓄热密度高、蓄热容积小、温度恒定、热损耗小、维护简单等特点。

[0012] 专利201610296889.1《一种基于跨季节水体储热的太阳能中温供热系统》提出的一种太阳能大容量跨季节储热与冬季供暖装置，由集热器、跟踪器、水箱、储热室、地暖盘管、管路、电磁阀、泵及温感探头组成，其特征在于：并联的集热器单元左侧管路通过电磁阀与地下储热室的储热盘管连通，盘管在砂石中穿过，另一端与集热器右侧管路连通。其储热介质为沙土。

[0013] 专利CN104653418A《太阳能采集蓄热系统》提供一种太阳能采集蓄热系统，将太阳能采集后的热能与蓄热器进行交换，再将其进行利用。该发明采用流体换热形式，由太阳能真空管或平板采集器件、换热器件、蓄热材料及壳体组成，蓄热材料装入到壳体内，采集器件设置在壳体外部，换热器件设置在采集器件与装有蓄热材料的壳体之间进行换热，将太阳能采集的热能直接的通过换热器进行储存，储热介质为固体土壤或沙石。

[0014] 专利CN201610926035.7《一种节地型太阳能跨季节储热池》提出以鹅卵石等固体储热堆积床和水的复合型跨季节储热池结构。所述的储热池是由底部，边壁和顶部组成的围合空间，围合空间内填充储热固体堆积床。储热池内设置有热水井和冷水井。热水井内设置有用热侧潜水泵和热源侧潜水泵。用热侧潜水泵与用热侧，即用热用户、用热侧取水管及用热侧回水管组成用热侧循环系统。用热侧取水管与热水井中的用热侧潜水泵和和用热侧相连，用热侧回水管与用热侧和冷水井相连。热源侧潜水泵与热源侧，即太阳能集热器或者其他供热热源、热源侧取水管和热源侧回水管组成热源侧循环系统。热源侧取水管与冷水井和热源侧相连，热源侧回水管与热源侧和热水井中的热源侧潜水泵相连。储热池结构中不包括相变材料的使用，且储热取热方式与本申请专利明显不同。

发明内容

[0015] 本发明的目的是克服现有太阳能跨季节储热体占地过大，同时太阳能供热系统存在的冬夏冷热不平衡的缺点，基于跨季节储热水体特点，提出一种基于相变材料的跨季节储热池，以降低用于我国北方城镇地区冬季供热的传统能源消耗。

[0016] 本发明能够大幅度提高储热水体的土地利用率，同时确保稳定供热。本发明采用相变材料/水组成混合储热介质，并且，储热池中的水还可以作为热源循环系统传热介质，也可以是建筑采暖传热介质。

[0017] 本发明的技术方案如下：

[0018] 本发明基于相变材料的跨季节储热池主要包括：边壁、顶部、底部、相变材料堆积床、热水井、冷水井、热源、冷水缓冲罐、热水缓冲罐、热汇，以及管路。所述的储热池为由边壁，顶部和底部组成的围合空间，围合空间内填充相变材料堆积床。储热池内设置有热水井和冷水井；热水井位于围合空间的中央区域，冷水井位于围合空间内靠近边壁的区域；热水井管路位于热水井内偏上的位置，冷水井管路位于冷水井内偏下的位置。热源、冷水缓冲罐、热水缓冲罐及管路组成热源侧循环系统，热源的入口与冷水缓冲罐相连，热源的出口与热水缓冲罐相连。冷水缓冲罐、热水缓冲罐、热汇及管路组成供热侧循环系统，热汇的入口与热水缓冲罐相连，热汇的出口与冷水缓冲罐相连。

[0019] 所述的相变材料堆积床由相变温度在40-80℃之间的相变材料封装颗粒组成；相变材料封装颗粒具有一定的承重能力；相变材料堆积床为多孔结构，孔缝隙之间填充液体。

[0020] 相变材料堆积床下层相变材料的相变温度低于相变材料堆积床上层材料的相变温度。

[0021] 相变材料堆积床的多孔缝隙之间的填充液体中添加有抑菌剂及除垢剂。

[0022] 热水井和冷水井侧壁开有透水孔。

[0023] 顶部可以使用漂浮承重结构，顶部上部覆土后实现土地再利用。

[0024] 本发明工作过程如下：

[0025] 在非供热季节，热源将收集的热量储存至跨季节储热池中，即通过热源侧循环系统将热量存储于跨季节储热池中，其储热过程如下：热源加热流经其中的水，并将热水储存于热水缓冲罐中，通过热水井管路将热水送入热水井中，热水通过热水井侧壁的透水孔，逐步加热相变材料堆积床相变材料封装颗粒周围的液体，并通过对流方式，逐步加热相变材料封装颗粒的外表面，通过导热的方式，加热相变材料封装颗粒中的相变材料，达到相变材料的相变温度时，相变材料由固相变为液相，储存热量。因为相变材料的热容大于水，所以与单纯使用水，或与水/固体堆积床作为储热介质的储热池相比，本发明的储热池单位体积储热容量下的储热池能够存储更多的热量，即当存储相同的热量时，本发明储热池具有更小的体积，从而实现节地目的。当储热体体积减少时，单位储热体积对应的散热面积增大，由此容易导致储热体热损量增大，储热效率降低。本发明将热水井置于储热池中央区域，冷水井置于储热池靠近边壁区域，形成“中间热、四周冷”的温度分布，有利于降低边壁区域内储热池储热介质温度与土壤温度温差，进而减少储热热损量。另外，依据储热池内斜温层温度分布情况分析，储热池西部温度最低，顶部温度最高，即沿着高度方向，储热介质温度逐步提升，因此储热池中下部的储热材料为相变温度点40℃左右的相变材料，上部的储热材料相变温度点为70-80℃的相变材料。

[0026] 在供热季节，热源将热量储存至热水缓冲罐中，即通过供热侧循环系统实现供热，当热量不足以满足建筑供热要求时，提取储热池中的热量，用以满足供热要求，其工作过程如下：热源加热流经其中的传热介质，并将热量存储于热水缓冲罐中，经由管道将热量送至热汇，如建筑，随后冷水回到冷水缓冲罐。当单纯依靠热源无法满足热汇的供热需求时，通过热水井水管将热水送至热水缓冲罐中，放热后冷水通过冷水井管道回到冷水井中，由此循环实现储热池供热季放热。

[0027] 在供热季结束后，储热池整体储热介质温度降低，开启非供热季储热模式。如此，周而复始实现跨季节储热池的蓄热以及放热。

[0028] 本发明的跨季节储热池利用相变储热材料组成的堆积床，利用相变材料的热容，减少储热池体积，同时利用具有不同相变温度点的相变材料，维持储热池内合理的温度分布。此外，利用热水井和冷水井的有序排布，减少储热池在储热模式下的热损量。本发明在我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区具有广泛的适用性。

[0029] 和现有显热跨季节储热技术比较，本发明主要以相变材料作为储热介质，同时利用水的流动性，强化储热材料之间的传热。

附图说明

[0030] 图1是本发明基于相变材料的跨季节储热池的结构示意图；

[0031] 图2是冷热水井排布结构示意图；

[0032] 图3是冷/热水井透水结构示意图；

[0033] 图中：1边壁，2顶部，3底部，4相变材料堆积床，5热水井，6冷水井，7热源，8冷水缓冲罐，9热水缓冲罐，10热汇，11管路，12透水孔，13热水井管路，14冷水井管路。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

[0035] 如图1和图3所示，本发明节地型跨季储热池主要包括：边壁1、顶部2、底部3、相变材料堆积床4、热水井5、冷水井6、热源7、冷水缓冲罐8、热水缓冲罐9、热汇10，以及管路11。所述的储热池为由边壁1，顶部2和底部3组成的围合空间，围合空间内填充相变材料堆积床
4；储热池内设置有热水井5和冷水井6；热水井5位于围合空间的中央区域，冷水井6位于围合空间内靠近边壁1的区域；热水井管路13位于热水井5内偏上的位置，冷水井管路14位于冷水井内6偏下的位置。热源7、冷水缓冲罐8、热水缓冲罐9及管路11组成热源侧循环系统。
热源7的入口与冷水缓冲罐8相连，热源7的出口与热水缓冲罐9相连；冷水缓冲罐8、热水缓冲罐9、热汇10及管路11组成供热侧循环系统。热汇10的入口与热水缓冲罐9相连，热汇10的出口与冷水缓冲罐8相连。

[0036] 所述的相变材料堆积床4由相变温度在40-80℃之间的相变材料封装颗粒组成；相变材料封装颗粒具有一定的承重能力；相变材料堆积床4为多孔结构，孔缝隙之间填充液体。

[0037] 相变材料堆积床4下层的相变材料相变温度低于相变材料堆积床4上层材料相变温度。

[0038] 相变材料堆积床4的多孔缝隙之间的填充液体中添加有抑菌剂及除垢剂。

[0039] 如图2所示，热水井5和冷水井6侧壁开有透水孔12。

[0040] 顶部2可以使用漂浮承重结构，顶部2上部覆土后实现土地再利用。

[0041] 本发明工作原理和工作过程为：

[0042] 在非供热季节，热源将收集的热量储存至跨季节储热池中，即通过热源侧循环系统将热量存储于跨季节储热池中，其储热过程如下：热源加热流经其中的水，并将热水储存与热水缓冲罐9中，通过热水井管路13将热水送入热水井5中，热水通过透水孔12，逐步加热相变材料堆积床4中相变材料封装颗粒周围的液体，并通过对流方式，逐步加热相变材料封装颗粒的外表面，通过导热的方式，加热相变材料封装颗粒中的相变材料，达到相变材料的相变温度时，相变材料由固相变为液相，储存热量。因为相变材料的热容大于水，所以与单纯使用水，或与水/固体堆积床作为储热介质的储热池相比，本发明储热池单位体积储热容量下的储热池能够存储更多的热量，即当存储相同的热量时，本发明储热池具有更小的体积，从而实现节地目的。当储热体体积减少时，单位储热体积对应的散热面积增大，由此导致容易导致储热体热损量增大，储热效率降低。本发明将热水井5置于储热池中央区域，冷水井6置于储热池靠近边壁区域，形成“中间热、四周冷”的温度分布，有利于降低边壁区域内储热池储热介质温度与土壤温度温差，进而减少储热热损量。另外，依据储热池内斜温层温度分布情况分析，储热池西部温度最低，顶部温度最高，即沿着高度方向，储热介质温度逐步提升，因此储热池中下部的储热材料为相变温度点40℃左右的相变材料，上部的储热材料相变温度点为70-80℃的相变材料。

[0043] 在供热季节，热源将热量储存至热水缓冲罐中，通过供热侧循环系统实现供热，当热量不足以满足建筑供热要求时，提取储热池中的热量，用以满足供热要求，其工作过程如下：热源加热流经其中的传热介质，并将热量存储于热水缓冲罐9中，经由管道将热量送至热汇10，如建筑，随后冷水回到冷水缓冲罐8。当单纯依靠热源无法满足热汇10的供热需求时，通过热水井水管13将热水送至热水缓冲罐9中，放热后冷水通过冷水井管路14回到冷水井6中，由此循环实现储热池供热季放热。

[0044] 供热季结束后，储热池整体储热介质温度降低，开启非供热季储热模式。如此，周而复始实现跨季节储热池的蓄热以及放热。

[0045] 本发明的优点在于：

[0046] 本发明的跨季节储热池利用相变储热材料组成的堆积床，利用相变材料的热容，减少储热池体积，同时利用具有不同相变温度点的相变材料，维持储热池内合理的温度分布。此外，利用热水井和冷水井的有序排布，减少储热池在储热模式下的热损量。本发明在我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区具有广泛的适用性。