CN113203113A - 一种跨季节蓄热供热系统及其蓄热模块 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种跨季节蓄热供热系统及其蓄热模块的结构，包括夏季蓄热、冬季放热的工艺流程，蓄热模块结构为耐腐蚀混凝土外壳、防渗层、高效保温层、耐腐蚀内胆、导流板、进出水口管路；可实现城镇面积级别、区市面积级别的夏热冬用，将夏季中央空调的废热、工业余热、污水热、热空气热及由可再生能源提供的热量等储存于布放在海底的蓄热模块中，到供热季用于供热，从而实现夏热冬用。本专利的优点是：可以减轻夏季城市的热岛效应，降低空调系统运行负荷，减少电能消耗，冬季将储存的热量释放出来用于供热，减少用于供热的化石能源的消耗，减少碳排放，是探索海洋碳汇功能的一次积极尝试，有助于我国碳达峰和碳中和目标的实现。

Description

一种跨季节蓄热供热系统及其蓄热模块

技术领域

本发明涉及一种跨季节蓄热供热系统及其蓄热模块，其跨季节蓄热放热的工艺流程可以实现热量收集、温度提高、热量储存、跨季节供热，蓄热模块具有优异的保温性能，蓄热介质为水，不会对环境产生任何影响，通过模块化设计和大规模布放实现了水作为储热介质给大面积供热，实现了热量在冬夏两季的循环利用的目标，减少了碳排放。

背景技术

我国提出二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和，2021年将出台的行动方案正是指向实现2030年前碳排放达峰的目标，可再生能源应用项目、能源循环利用项目一直是国家推广和支持，它对节约能源、改善环境，提高人民生活质量具有重大意义，是现代化城市的基础设施，是现代城市发展的必然趋势。

随着绝热材料技术的创新和突破，使跨季节蓄热成为可能，不可否认我们无法做到完全的绝热，无法使储存的蓄热介质——水在储存过程中的温降为零，因此保温结构设计的指导思想是将蓄热介质的温降控制在合理范围内，这既可以减少绝热材料的用量降低成本，又可以满足实际工程的需要。

先进的蓄热技术和较高储能密度的蓄热材料已经在许多的工程项目中得到应用，并且节能效果显著，但由于没有足够空间布置，因此设计时只能满足几栋建筑和当日的供热需求，例如夜间通过低谷电蓄热，白天放热，周而复始，部分蓄热材料虽然储能密度高，但价格较高，在生产、运输、储存、使用和回收环节中可能会对环境产生不利影响，例如乙二醇、石蜡等。

水作为天然的蓄热材料，完全环保且价格低廉，但由于水的比热容较低，如果单纯依靠水的显热来蓄热，为一个区域甚至是一座城市供热，则需要巨大的容器，占用巨大的场地，特别是在我国东部沿海城市，土地更是稀缺的资源，将跨季节蓄热模块布放在陆地上有很大难度，因此科学开发和利用好海底资源，将蓄热模块大规模布在海底，可以实现长期的、有效、环保、零碳的为沿海城市提供热量。

本专利涉及的跨季节蓄热模块具有以下优势：

1.全生命周期环保：壳体在制造过程中尽可能多的采用环保、耐久、环境友好无污染的材料，如钢筋混凝土外壳为环保材料，PC材质的内胆和管道可以达到食品级，保温材料、高分子防水层材料可以通过回收再利用的方式实现环保。

2.蓄热介质为水，环保且价格低廉。

3.高效的保温材料。采用STP(VIPB)真空绝热板，使用寿命可以达到60年，其导热系数≤0.01W/(m·K)，能有效的控制温降在合理范围内。

4.布置在海底，不占用陆地，可以大规模布放，产生规模效应，使水作为蓄热介质满足城市供热需要变为可能，同时，随着科技的不断进步，潮汐能、波浪能、海流能等被进一步开发以后，可以直接驱动蓄热模块内的蓄热介质进行流动，不但不从外界消耗电能，甚至可以借助蓄热介质将多余的机械能输送回陆地驱动发电机发电，从而成为开发海洋资源的平台和能量传输的管道。

5.模块化设计，便于大规模制作、运输、布设、扩容、维修、替换，解决了大型蓄热容器承受水压力大、蓄热介质温度场不均匀等问题。

6.以10万平米住宅供热为例，需要684个蓄热模块就可以满足整个冬季的热负荷需要。

专利内容

1.蓄热模块结构：单个蓄热模块的容积为343立方米，结构包括耐腐蚀混凝土外壳、防渗层、高效保温层、耐腐蚀内胆、蓄热介质——水、导流板、上部进水口管路、下部出水口管路，外部耐腐蚀混凝土外壳与防渗层配合，使该蓄热模块适合布置于海底，不占用陆地面积，耐腐蚀混凝土外壳寿命长，可于水底地质构造融为一体，模块化的设计便于大规模制作、运输、布设、扩容、维修、替换，解决了大型蓄热容器承受水压力大、蓄热介质温度场不均匀等问题，蓄热模块在夏季释放冷量的同时收集热量，在冬季释放热量同时收集冷量，做到了冷热量的跨季节平衡，属于零碳、可循环的热源，可以满足沿海、沿湖城市的供热的需求，助力我国碳中和、碳达峰目标的实现，蓄热介质是水对环境不产生任何污染，绝热材料采用性能优异的STP真空保温板，导热系数≤0.01W/(m·K)，寿命达到60年，减缓蓄热介质的温降，同时不会对水体产生热污染，经过计算，当采用240mm厚STP真空保温板保温时，蓄热模块内的蓄热介质温降为-1.5℃/月。

2.布放场地：根据热负荷计算出所需要布放的蓄热模块数量，将蓄热模块布放在海底、湖底等，不占用陆地资源，因此可以大规模布放，形成规模效应后，使水作为蓄热介质为大面积供热成为可能。

3.运行工艺流程：通过改造现有设备，将夏季中央空调系统中排放出的废热、工业余热(如发电厂余热)、生活污水余热、可再生能源产生的热量如太阳能集热器收集的热量以及其多余的热量进行收集，通过城市供热管网输送至热泵机组提取其中的热量，将热量输送至蓄热模块中储存，蓄热模块具有优异的保温性能，可以将蓄热模块内的蓄热介质温降控制-1.5℃/月以内，到冬季供热期，将蓄热模块中的热水通过一次提温、两次放热，实现夏季储热冬季用热的目标，该系统与现有的可再生能源供热系统配合使用可以减少供热季化石能源的使用，可最大限度的减少碳排放。

附图说明

图1，为本发明专利跨季节蓄/放热流程图。

图2，为本专利的重要部件——蓄热模块结构图，

图中：1.进水管道 2.出水管道 3.上导流板 4.下导流板 5.耐腐蚀钢筋混凝土外壳 6.防渗涂层 7.STP真空保温层。

具体实施方式

1.对现有中央空调系统的冷却水系统进行改造：设置水—水换热器将原来排放至大气的冷凝端废热收集起来，与电厂循环水、太阳能集热器收集热量一起送到热泵机组，经过热泵机组提取热量后，温度从35℃降至25℃，再送回中央空调系统、电厂凝汽器和太阳能集热器。利用热泵机组所提取的热量加热蓄热介质——水，温度从20℃提升至73.5℃，输送至海底蓄热场进行储存，过程详见附图一中的蓄热模块蓄热过程流程图。

2.布设蓄热场：模块数量是根据城镇或区域冬季供热负荷进行计算，在工厂进行制造，用船将蓄热模块运送到布放区域，向其内部注入海水使其沉入海底，用连接管道将模块进行连接，采用并联、串联的方式，形成蓄热场，第一次蓄热时，来自热泵机组的热水进入蓄热模块，将海水排出。

3.设置热泵机组：提取热用户的回水热量，使回水温度从45℃降至20℃，将提取的热量用于加热从蓄热模块输出的热水，从60℃提升至85℃，通过一级供热管网输送至二级站、中央空调系统等，经混水后供给热用户末端散热设备，末端散热设备回水(散热器系统45℃、地暖和空调系统40℃)，通过一级供热管网输送至热泵机组，降温至20℃后，送回蓄热模块，过程详见附图一中的蓄热模块放热过程流程图。

本专利的工作过程和原理如下：

1.热量收集过程：将现有中央空调冷却塔改造成为水—水换热器收集夏季空调废热，开启发电厂低真空循环水供热系统收集发电厂夏季余热，在建筑物顶部、外墙布置太阳能集热器收集热量，用热水作为热量储存和输送的介质。

2.蓄热过程、热量输送、温度提升过程：通过现有城镇集中供热管网，将热水输送至热泵机组，经过热泵机组提取热量后，温度从35℃降至25℃，再送回中央空调系统、电厂凝汽器和太阳能集热器，利用热泵机组所提取的热量加热蓄热介质，温度从20℃提升至73.5℃，输送至海底蓄热场进行储存，当所有蓄热模块中的水温达到73.5℃后蓄热过程结束。

3.热量储存过程：蓄热模块具有良好的保温性能，可以使热水温降控制在-1.5℃/月，经过8月份至第二年的4月份共9个月储热期后热水温度保持在60℃以上。

4.一次放热、二次放热：采暖季将蓄热模块中的热水通过管道输送至热泵机组，温度升高至85℃，经供热管网输送至二级站、中央空调系统，经混水后输送至热用户散热末端设备，完成一次放热，回水再通过热泵机组吸收热量加热供水，完成第二次放热，最终将回水温度降至20℃，通过管道送回蓄热模块中，放热过程结束。

5.以为10万平米住宅供热为例：住宅平均热指标取32w/m²，总热负荷为3.2MW，蓄热介质供回水温度取60/20℃，每小时的循环水量为68.6t/h，青岛供热季供热小时数为3408h(142d×24h/d)，一个供热及需要的总循环水量为234470t，蓄热模块的容积为343m³,(长×宽×高＝7m×7m×7m)，需要684个蓄热模块。

6.蓄热模块：耐腐蚀混凝土外壳可以与防渗层配合，可以防止海水进入蓄热模块，采用绝热性能优异的STP真空保温板作为保温材料，其导热系数≤0.01W/(m·K)，寿命达到60年，有效控制蓄热介质的温降，同时不会对水体产生热污染，经过计算，当采用240mm 厚STP真空保温板保温时，蓄热模块内的热水温降≤-1.5℃/月。

以上所述，仅是本专利的优选实施案例而已，并非对本专利的系统流程及其主要部件蓄热模块的结构作任何形式上的限制。凡是依据本专利的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本专利技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种跨季节蓄热供热系统及其蓄热模块的结构，其特征在于：包括蓄热模块、蓄热模块布放方式；具体特征如下：

所述蓄热模块包含耐腐蚀混凝土外壳、防渗层、高效保温层、耐腐蚀内胆、导流板、进出水口管路。

所述蓄热模块布放方式是将蓄热模块大规模布放到海底、湖底，用保温管道连接。

2.根据权利要求1所述一种跨季节蓄热供热系统及其蓄热模块，其特征在于：所述蓄热模块的结构。

3.根据权利要求1所述一种跨季节蓄热供热系统及其蓄热模块，其特征在于：所述蓄热模块布放方式。

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