一种基于钙矾石相变储能的桥梁墩柱融雪系统

摘要

本发明涉及基于钙矾石相变储能的桥梁墩柱融雪系统，包括空气加热器、水蒸气发生器、反应器和桥面埋管，所述反应器包括桥梁墩柱和桥梁墩柱内部设置的预留孔道、桥梁墩柱外侧壁包覆设置气体传输空隙层，气体传输空隙层具有空腔结构；空气加热器、水蒸气发生器分别与反应器的气体传输空隙层连通，桥梁墩柱内部的预留孔道出口与桥面埋管连接；桥梁墩柱的材质为高铝水泥基材料，所述高铝水泥基材料中含有钙矾石成分。将热能储存在桥梁墩柱中，利用桥梁墩柱储能融雪系统，实现桥面融冰化雪。缓解能量供求在时间和空间上的不协调，提高资源利用效率。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于钙矾石相变储能的桥梁墩柱融雪系统。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

冰雪天气造成路面的摩擦系数因降雪结冰而急剧降低，不仅会造成交通通行能力的下降，而且还是交通安全的重要隐患。且路面结冰由于气温原因具有短期不可修复性，桥梁经过寒冷和低温天气的冲击，非常容易出现冻融、崩裂、变形等问题，增加了道路交通拥堵和发生交通事故的概率，进而给正常通行带来较大负面影响，造成极大的安全隐患，甚至可能诱发安全事故和巨大的经济损失。且雨雪渗入路面造成冻胀，严重影响路面使用寿命。

以氯盐为主的融雪剂，对于路面结构(钢筋、混凝土、沥青等)具有高度腐蚀性，严重损害桥梁结构的耐久性，从而导致结构上的安全隐患，同时对周围环境、已有建筑和绿色植被也带来较大的危害。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于钙矾石相变储能的桥梁墩柱融雪系统。本发明提供一种通过储能材料实现能量在时间和空间上的合理分配，进而达到节约能源和减少冬季碳排放量的目的。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于钙矾石相变储能的桥梁墩柱融雪系统，包括空气加热器、水蒸气发生器、反应器和桥面埋管，所述反应器包括桥梁墩柱和桥梁墩柱内部设置的预留孔道、桥梁墩柱外侧壁包覆设置气体传输空隙层，气体传输空隙层具有空腔结构；

空气加热器、水蒸气发生器分别与反应器的气体传输空隙层连通，桥梁墩柱内部的预留孔道出口与桥面埋管连接；

桥梁墩柱的材质为高铝水泥基材料，而高铝水泥可水化生成钙矾石。

本发明通过桥梁墩柱改造成为一种储能桥梁墩柱，实现结构-功能一体化。

桥梁墩柱为钙钒石基混凝土，具有较好的力学性能，既可起到承重的作用，又具备储能作用。将热能储存在桥梁墩柱中，利用桥梁墩柱储能融雪系统，可以有效避免能量时空依赖性的问题，弥补间歇性能源的缺点，从而使能源需求匹配，具有更高的能源利用效率和环保效益，实现结构——功能一体化。

桥梁墩柱结合空气加热器、水蒸气发生器，从而实现吸热和放热。在放热的过程中，传输给预留孔道内的介质，然后介质输送到桥面埋管进行融雪。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

1)采用高铝水泥制备钙矾石基混凝土浇筑桥墩，具有较好的力学性能，既可起到承重的作用，又具备储能作用。

2)利用钙矾石基混凝土做储能材料，实现了水泥水化产物的充分利用，减少了材料成本，有效节约了工程成本，且其结构简单、使用方便、生产成本低，便于推广使用。

3)利用桥梁墩柱的结构和材质构建储能系统，储存的能量能够用于道路上有积雪的情况下，削峰填谷，缓解能量供求在时间和空间上的不协调，提高资源利用效率，缓解能源危机。

4)实现桥面融冰化雪，避免路面积雪，从而能提高道路冬季通行能力，减少交通事故的发生。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为桥梁墩柱融雪系统流程图；

图2为桥梁墩柱融雪系统立面图；

图3为桥梁墩柱融雪系统桥面埋管示意图；

图4为桥梁墩柱埋管截面图；

其中，1-桥面，2-太阳能空气集热器，3-反应器，4-桥面埋管，5-热量进口，6-热量出口，7-预留孔道，8-桥梁墩柱，9-气体传输空隙层，10-防潮隔热层，11、水蒸气发生器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1和图2所示，一种基于钙矾石相变储能的桥梁墩柱融雪系统，包括空气加热器、水蒸气发生器11、反应器3和桥面埋管4，所述反应器包括桥梁墩柱8和桥梁墩柱8内部设置的预留孔道7、桥梁墩柱8外侧壁包覆设置气体传输空隙层9，气体传输空隙层9具有空腔结构；

空气加热器、水蒸气发生器11分别与反应器3的气体传输空隙层9连通，桥梁墩柱7内部的预留孔道出口与桥面埋管4连接；

桥梁墩柱8的材质为高铝水泥基材料，所述高铝水泥基材料中含有钙矾石成分。

首先，桥梁墩柱8材质的选择，使其可以作为一种储能材料。因为钙矾石是一种水合盐相变材料，相变温度约为40-50℃，相变条件容易达成，且已有研究证明钙矾石的储能密度是有保证的，这些特点使得钙矾石成为极好的相变储能材料。

钙钒石会发生脱水和吸水的反应，从而实现吸热和放热，钙钒石在受热的条件下进行储能，当钙钒石水化反应时，释放热量。

其次，桥梁墩柱8的结构，桥梁墩柱8的外侧壁设置气体传输空隙层，气体传输空隙层具有空腔结构，桥梁墩柱与气体传输孔隙层内的气体直接接触(在制备的过程中可以采用接近桥墩外围的部位预留一部分，不浇筑高铝水泥)，用于接受气体中的热量(来自于空气加热器)和气体中的水蒸气(来自于水蒸气发生器)；

同时，桥梁墩柱8内部的预留孔道7，当钙钒石基混凝土水化反应时加热了预留孔道7内的介质，传输出去热量。

再次，桥面埋管4，所述桥面埋管4在实际的应用中可以预置在桥面1中，预留孔道内被加热的介质进入到桥面埋管4，通过热管把热量传递给桥面，实现热管升温以达到桥面融雪化冰的目的。

在本发明的一些实施方式中，空气加热器为太阳能空气集热器2。收集太阳辐射热，加热通入桥墩的介质。同时应注意太阳能空气集热器2应建在桥体空旷处或相应支架处，上方无遮挡，可充分吸收太阳辐射。

如图4所示，在本发明的一些实施方式中，所述气体传输空隙层9的横截面为圆环形结构，气体传输层9环绕包覆在桥梁墩柱的外侧壁上。气体传输空隙层9环绕桥梁墩柱，有利于桥梁墩柱整体均匀受热。

如图4所示，在本发明的一些实施方式中，桥梁墩柱8内部的预留孔道7，沿着桥梁墩柱8的竖直轴向方向设置。进一步，预留孔道7设置1-6个。预留孔道7沿着轴向设置，可以充分的与墩柱混凝土进行接触换热。设置多个预留孔道7可以提高换热的有效性。

在本发明的一些实施方式中，高铝水泥基材料的原料包括无水石膏与硫铝酸盐熟料。进一步，无水石膏与硫铝酸盐熟料的摩尔比为1-3:1；优选为2:1。如，每8kg水泥混合物使用约6.31kg硫铝酸盐水泥熟料和1.69kg无水石膏混合。

钙矾石来源较广泛，它是硫铝酸盐水泥的主要水化产物。通过调整硫铝酸盐水泥和石膏的混合比例，其水化产物中钙矾石的含量可以达到70～80g/100g，甚至更高。因此可通过硫铝酸盐水泥生成大量用于与储能的钙矾石。高能量密度和低材料成本的特性使钙矾石成为极好的相变储能材料。

在本发明的一些实施方式中，空气加热器的输送介质为空气、氮气或其它惰性气体。输送氮气或其它惰性气体，减少或避免钙矾石基混凝土与空气中的CO2发生碳化反应，降低钙矾石的碳化率。

在本发明的一些实施方式中，水蒸气发生器11的输送介质为水蒸气。为防止钙矾石进行脱水反应发生如下所示的分解反应，应将流入桥墩储能系统的热气体控制在70℃～110℃左右，热气体温度不宜超过110℃：3CaO·Al

3CaO·Al

反应器内的水蒸气气压应控制在8～533mbar，相对湿度应在10％以下。在上述控制范围内，水蒸气压越小、温度越高则储能效果越好。由于温度过高时钙矾石可能会分解，所以应根据实际情况做好温度、水蒸气压、湿度三者之间的协调。

在本发明的一些实施方式中，预留孔道7内和桥面埋管4内的传输介质为水或其它换热介质。预留孔道7内和桥面埋管4内的传输介质主要是为了换热，传输热量，可以选择不同的换热介质。

在本发明的一些实施方式中，桥面埋管4的材质为不锈钢或聚乙烯管。不锈钢管的当量换热系数较大，导热性能较好，表面温度反应灵敏，桥面温度上升的滞后性较弱的特点。

如图3所示，在本发明的一些实施方式中，桥面埋管4采用串联的热管连接组成或者并联的热管连接组成。桥面埋管的端部设置热量进口5和热量出口6。并联系统虽然管网与支管道的焊接接口较多，施工较复杂，但其管网并联阻力损失小，一个地方的堵塞不会引起整个系统的崩溃，且管道阻力损失小于串联系统。热管在结构层内敷设形式采用直列型敷设形式。

如图4所示，在本发明的一些实施方式中，还包括防潮隔热层10，所述防潮隔热层10包覆设置在气体传输空隙层9的外侧。由于钙矾石会与空气中的CO

3CaO·Al

为降低钙矾石的碳化率，保证储能密度，同时也是为了减少储能系统的热量损失、便于控制墩柱储能系统的环境温度、湿度、气压等指标，桥墩外围必须设置防潮层和隔热层，以将储能系统围护在一个相对封闭的环境中，允许受控空气流动并防止与环境的湿度交换，起到水蒸气隔绝和隔热的作用。

在本发明的一些实施方式中，桥面埋管4的出口与预留孔道连接。形成双向的连接，便于换热的进行，换热介质释放热量后返回预留孔道内。桥面埋管与预留孔道连接的管道上设置截止阀或电磁阀。

在本发明的一些实施方式中，气体传输空隙层9的出口与空气加热器连接。空气加热桥梁墩柱后返回到空气加热器中。连接的管道上设置截止阀或电磁阀。

在本发明的一些实施方式中，空气加热器、水蒸气发生器11分别与反应器的气体传输空隙层9通过管道连接，反应器的管道进口设置温度传感器和湿度传感器。进一步，管道上设置截止阀或电磁阀。温度传感器、湿度传感器，通过接收温度、湿度传感器监测的各部位参数经分析后控制所通入热空气(或热单一稳定气体)及水蒸气的风速、湿度、温度，进而控制储能、放能阶段的进行。

在本发明的一些实施方式中，还包括控制器，控制器与电磁阀、温度传感器、湿度传感器电信号连接。控制器方便监测各个参数，然后可以对整个系统进行控制和操作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。