一种基于钙矾石的民用储能蓄热系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于钙矾石的民用储能蓄热系统及方法，其属于相变蓄热技术领域，包括多个储能室，每一储能室均与热循环系统、气循环系统连接，各储能室的热循环系统、气循环系统均相互独立；所述储能室设有多个储能组，每个储能组叠加设置多个储能单元，所述储能单元包括管片，管片两侧均与储能片连接，储能片以钙矾石作为储能材料。

说明书

技术领域

本发明涉及相变蓄热技术领域，特别是涉及一种基于钙矾石的民用储能蓄热系统及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

季节更替和昼夜变化常常会带来热量的时间分配不均匀，北方地区冬季温度普遍较低，而夏季却很炎热；一天中白天温度或许很高，而晚上却需要额外的热量供暖、洗浴等。如果通过储能材料将热量富余时段的热量储存下来，留在需要供热的时段使用，则实现了能量的合理分配，从而达到节约能源和减少碳排放量的目的。

作为储能材料，一般认为需要具备以下两个特点之一：1)材料本身有比较大的热容，可以将能量以显热的形式储存起来；2)材料的相变条件比较容易达成，通过材料相变以潜热的形式实现能量的储存和释放。

发明人发现，现有的蓄热系统因成本问题导致其储能材料并不具有较大的热容或是相变条件比较苛刻，从而导致蓄热系统并不能很好的进行热量的储存及释放；另一方面，现有蓄热系统中的储能单元易受周围环境的影响，导致其蓄热/放热效率低，严重者会导致储能单元的损坏，从而降低热量的跨季节调配效果。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于钙矾石的民用储能蓄热系统及方法，采用钙矾石作为储能材料，相变条件容易达成，降低了使用成本的同时保证了热容，并设置了三个独立的循环系统以控制储能室内的相变环境，解决了现有蓄热系统储能单元成本高、蓄热/放热效果差、易受外界影响的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提出一种基于钙矾石的民用储能蓄热系统，包括多个储能室，每一储能室均与热循环系统、气循环系统连接，各储能室的热循环系统、气循环系统均相互独立；所述储能室设有多个储能组，每个储能组叠加设置多个储能单元，所述储能单元包括管片，管片两侧均与储能片连接，储能片以钙矾石作为储能材料。

作为进一步的技术方案，所述储能片顶部具有多个凹槽，上下相对的储能片对接，且管片安装于对接储能片的凹槽中。

作为进一步的技术方案，所述储能片还设有蒸汽通道，蒸汽通道贯穿储能片设置，且蒸汽通道设置于凹槽之间。

作为进一步的技术方案，所述管片包括多个并列的铜管，多个铜管首端、尾端均连通，储能单元的铜管首尾端依次连通。

作为进一步的技术方案，所述储能片由硫铝酸盐水泥和石膏制成，硫铝酸盐水泥与石膏的混合比例在8：2～7：3之间。

作为进一步的技术方案，所述储能片中设置泡沫单元，储能室内壁设置保温层和水蒸气隔绝层，且储能室内设有水蒸气发生器以提供钙矾石再度吸水的水源。

作为进一步的技术方案，所述热循环系统的进水管路、出水管路均与储能室内的储能组连接；气循环系统的进气管路、出气管路均与储能室内的储能组连接。

作为进一步的技术方案，所述热循环系统还与水循环系统连接，水循环系统包括储热水箱，储热水箱与太阳能热水器连接成循环回路。

作为进一步的技术方案，所述储热水箱和储能室连接成循环回路，储热水箱和储能室的循环回路设置温度计，由储热水箱向储能室送水的进水管路设置补充热源；所述气循环系统包括交叉流热交换器，交叉流热交换器和储能室连接成循环回路，交叉流热交换器和储能室的循环回路设置温湿度计，由交叉流热交换器向储能室送气的进气管路设置补充干燥源。

第二方面，本发明提出一种如上所述的基于钙矾石的民用储能蓄热系统的工作方法，包括以下步骤：

进行热量加载时，先通过气循环系统向储能室中充入外界较热空气使储能块预热；

开启水循环系统使储热水箱里的水升温，同步开启热循环系统；控制流入储能组热水的温度在77℃～117℃之间；开启气循环系统，以控制储能室的湿度；

进行热量卸载时，储能单元预热，通过控制水蒸气流速使其均匀充入储能组，逐级升温，逐级增加充入储能组中水蒸气的量。

上述本发明的有益效果如下：

本发明设置了水循环系统、热循环系统以及气循环系统，利用热水、空气和水蒸气在储能结构中循环使储能结构的钙矾石发生脱水和吸水的反应，从而达到吸热放热的目的，可以将一年或一天中某个时段里多余的、不能合理利用的热量转移到需要热量的时段使用，实现能量的充分利用，减少了能量浪费，减少了冬季取暖的碳排放量。

本发明储能单元采用钙矾石制成，钙矾石作为储能材料，相变条件容易达成，降低了使用成本的同时保证了热容。

本发明水循环系统、热循环系统以及气循环系统独立控制，利用三个独立的循环系统以控制储能室内的相变环境，能够避免了周围环境对储能单元的影响，保证了蓄热、放热效果。

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发明的进一步理解，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是本发明根据一个或多个实施方式的基于钙矾石的相变蓄热系统的整体结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的储能片的主视结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的储能片的俯视结构示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的储能片的侧视结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的铜管片的结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的储能室的结构示意图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的热卸载流程示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、储能室；2、储能单元；3、储能片；4、凹槽；5、蒸汽通道；6、铜管片；7、储热水箱；8、太阳能热水器；9、第一泵机；17、备用补充热源；11、第二泵机；12、第一温度计；13、第二温度计；14、第三泵机；15、备用补充干燥源；16、交叉流热交换器；17、第一温湿度计；18、第二温湿度计；19第三温度计；27、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，本发明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。

正如背景技术所介绍的，现有的蓄热系统因成本问题导致其储能材料并不具有较大的热容或是相变条件比较苛刻；且现有蓄热系统中的储能单元易受周围环境或是邻近储能单元的影响，导致其蓄热/放热效率低，严重者会导致储能单元的损坏，从而降低热量的跨季节调配效果的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于钙矾石的民用储能蓄热系统及使用方法。

钙矾石是一种水合盐相变材料，相变温度大概为47-57℃，由于相变条件容易达成且钙矾石的储能密度是有保证的，这些特点使钙矾石成为极好的相变储能材料。与此同时，钙矾石的来源比较广泛，它是硫铝酸盐水泥的主要水化产物。硫铝酸盐水泥的主要成分是硫铝酸钙(4CaO·3Al2O3·SO3)另外混以一定比例的石膏(主要成分为硫酸钙)，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77～87g/177g，甚至更高。因此可以通过硫铝酸盐水泥生成大量用于与储能的钙矾石。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图6所示，提出一种基于钙矾石的民用储能蓄热系统，包括，储能室1、水循环系统、热循环系统以及气循环系统。

三个循环系统独立存在，储能室1分别通过管道与热循环系统和气循环系统连接，水循环系统与热循环系统管道连接。

其中，储能室1设有多个，每个储能室1对应设有一个热循环系统和一个气循环系统，多个储能室1之间的热循环系统和气循环系统互不影响，即：同一个储能站内的各储能室1的热循环系统和气循环系统应相互独立，不存在上下游流动的关系，流入一个储能室1的加热用水只在该储能室1内循环流动，不会流入下一个储能室1；流入一个储能室1的空气只在该储能室1内循环流动，不会流入下一个储能室1，从而便于各储能室1内气压等参数的控制。

可以理解的是，由于水循环系统与热循环系统对应设置并相互连接，每个储能室1相应设置对应的水循环系统。

储能室1中设有若干储能单元2，如图6所示，本实施例中8个储能单元2构成1个储能组，每个储能组中的储能单元2叠加放置，每个储能室1都包含4-5个储能组，构成储能室的储能反应器，在完全干燥的状态下，钙矾石储能密度约为377kW·h/m

可以理解的是，在其他实施例中，储能室1内储能单元的层数也可以为其他数量，具体层数根据储能室1的高度进行确定，这里不做过多的限制。

为了尽可能地做到储能单元2同时流入加热用水，每层储能单元2都各有一个入水口和一个出水口，即加热用水不存在层与层之间的流动，相同层的储能单元2之间通过管道连接。

每个储能单元2均由两个储能片3和一个铜管片6构成，铜管片6设置在两个储能片3之间，每个储能单元的体积大致为1×1×7.25m

储能片3制作材料为硫铝酸盐水泥和石膏的二元混合物，硫铝酸盐水泥与石膏的混合比例应控制在8：2～7：3之间(最佳摩尔比约为2：1)，拌和前，两种材料应当充分混合，保证水化时能充分接触，水灰比需控制在7.4～7.7之间，水化时发生的反应为：

4CaO·3Al

3CaO·Al

其中x＝7，7.5或2，为保证水化反应充分，确保得到足够量的钙矾石，拌和时应先加水(脱矿脱盐的纯水)再加入硫铝酸盐水泥与石膏的混合物，并充分搅拌得到水泥浆。

为防止储能片在热加载和热卸载的过程中因温度梯度而出现开裂，采用发泡法制备泡沫单元使储能片存在孔隙，从而减小温度梯度引起的内应力，方法如下：

将发泡剂加水稀释后加入稳泡剂搅拌、混合获得发泡溶液，稳泡剂与发泡剂稀释液的质量掺比为7.17％-7.37％，将制得的发泡溶液进行发泡获得泡沫，最后将水泥浆和泡沫混合均匀。

制备完成后需要进行储能片的成型与养护，将发泡处理过的水泥浆倒入已经涂好脱模剂的专用模具中，并振捣均匀，水泥硬化后通过覆盖塑料膜、洒水等手段保持其表面湿润，等待24小时以上拆除侧模，一星期以上拆除底模，脱模后继续养护至28天龄期，养护相对湿度为97％，温度为27℃。

如图2-图4所示，储能片3为四边形结构，其中，储能片3的底部平面为水平面结构，上部具有若干凹槽4结构，凹槽4沿储能片3的长度方向并列设置。

两个储能片3具有凹槽4的面相互对接，保证两个储能片3上的凹槽4可以相互对接，从而使得对接后的凹槽4组成铜管片6的安装槽。

如图5所示，本实施例中铜管片6具有三根竖向铜管，三根竖向铜管的首端相互连通并汇集成一根管道，三根竖向铜管的尾端同样相互连通并汇集成一根管道，储能室1内同一层的相邻铜管片6的首尾端管道依次连通。

可以理解的是，储能片3上凹槽4的数量、凹槽4之间的间距以及凹槽4的直径均与铜管片6相同，具体设置根据铜管片6的结构进行确定，这里不做过多限制。

储能片3上还设有若干蒸汽通道5，若干蒸汽通道5设置在两相邻凹槽4之间，同一列的若干蒸汽通道5按照一定间距均匀设置并贯穿储能片3。

在进行储能片3的对接时，应保证两个储能片3的蒸汽通道5一一对应且相互贯通，同理，同一列的储能单元2与储能单元2之间也应保证蒸汽通道5的一一对应及相互贯通，使得水蒸气能在储能反应器中畅通循环。

由于钙矾石会与空气中的CO

3CaO·Al

3CaCO

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、便于控制储能组所在的环境温度、湿度、气压等指标，储能单元2连接完毕后，需在其外围做好隔绝水蒸气和隔热处理，即将储能反应器围护在一个相对封闭的环境中。

储能室1内壁上需要设置保温层和水蒸气隔绝层，当储能室1建立完毕后，是一个相对密封的小室，主要有四个出入口：热循环进水口、热循环出水口、气循环进气口、气循环出气口，安装好的储能室1置于小区的供热站内，为保证热量供给，每个供热站应包含多个储能室1，同时应注意储能站建在夏季能充分接受太阳辐射的地方。

储能室1内还设有可控流速的水蒸气发生器27，主要作用是提供钙矾石再度吸水的水源。

如图1所示，水循环系统通过管路与热循环系统连接，热循环系统以及气循环系统分别通过管路与储能室1连通，其中，热循环系统的进、出水管路分别通过热循环进水口和热循环出水口与储能室1内的储能组连接；气循环的进、出气管路分别通过气循环进气孔和气循环出气孔与储能室1内的储能组连接。

基本工作原理是利用热水、空气和水蒸气在储能结构中循环使储能结构的钙矾石发生脱水和吸水的反应，从而达到吸热放热的目的。

其中，水循环系统构件主要有储热水箱7，功能是暂时储存热水；太阳能热水器8，功能是加热储热水箱7中的水；第一泵机9，功能是提供循环的动力。

水循环系统从上游到下游依次串联第一泵机9、太阳能热水器8、储热水箱7，储热水箱7上安装有第三温度计19用来指示箱内水温，水循环系统的作用是储存捕捉到的太阳辐射热，提供供暖、供热用水。

热循环系统由备用补充热源17、第二泵机11、第一温度计12、第二温度计13组成，其中备用补充热源17的功能是防止从储热水箱7流入储能组的热水温度达不到脱水要求。

热循环系统从上游到下游依次串联储热水箱7、第二泵机11、备用补充热源17、第一温度计12、储能室1、第二温度计13，其中，储热水箱7通过进、出水管路与储能室连接形成循环，第二泵机11、备用补充热源17、第一温度计12设置在进水管路上，第二温度计13设置在出水管路上。

备用补充热源17可以采用电热等现有方式实现。

热循环系统的作用如下：热量加载时(即吸收余热的过程)储热水箱7中的热水通过铜管流经储能组，为钙矾石的脱水提供所需温度。热量卸载时(即释放余热的过程)吸收钙矾石重新吸水后释放的热量，为储热水箱7里的水加热。

其中，第一温度计12设置在进水管路上用于监测进入储能室1热水的温度，第二温度计13设置在出水管路上用于监测从储能室1排出的热水的温度。

气循环系统的主要构件有第三泵机14、备用补充干燥源15、交叉流热交换器16、第一温湿度计17以及第二温湿度计18。

备用补充干燥源15是具有干燥空气作用的设备，备用补充干燥源15和交叉流热交换器16均采用现有技术，在此不再赘述。

气循环系统从上游到下游依次串联交叉流热交换器16、第三泵机14、备用补充干燥源15、第一温湿度计17、储能室1、第二温湿度计18。

其中，交叉流热交换器16分别通过进、出气管路与储能室1连通，第三泵机14、备用补充干燥源15、第一温湿度计17设置在进气管路上，第二温湿度计18设置在出气管路上。

气循环系统的作用是实现外界空气与储能室1内空气的循环，控制钙矾石脱水过程中的相对湿度和水蒸气压，其中，交叉流热交换器16是利用冷热空气的对流来回收排出气体的热量的装置，同时对充入储能室1的气体有一定的干燥作用，备用补充干燥源15的功能是防止流入储能室1的空气干燥程度不够，第一温湿度计17和第二温湿度计18分别用于检测储能室1进气及排气的温度及干湿度。

可以理解的是，为了便于对水循环系统、热循环系统和气循环系统的控制，在水循环系统、热循环系统和气循环系统中还分别设有循环开关，可结合安装的温度计、温湿度计所示参数，通过循环开关进行气体流速、温度、气压和相对湿度等控制。

该系统通过将太阳辐射充足时段的多余热量储存在钙矾石中，并在需要热量的时段将其重新释放这一过程，将热量进行跨时、空调配，解决了热量分配不均匀和取暖碳排量高等问题。

实施例2

本申请的另一典型实施例中，提供如实施例1所述的一种基于钙矾石的民用储能蓄热系统的使用方法，具体如下：

1)制备、组装并检查装置；

首先制备储能片3，储能片3制作材料为硫铝酸盐水泥和石膏的二元混合物，硫铝酸盐水泥与石膏的混合比例应控制在8：2～7：3之间，拌和前，两种材料应当充分混合，保证水化时能充分接触，水灰比需控制在7.4～7.7之间，为保证水化反应充分，确保得到足够量的钙矾石，拌和时应先加水(脱矿脱盐的纯水)再加入硫铝酸盐水泥与石膏的混合物，并充分搅拌得到水泥浆。

为防止储能片在热加载和热卸载的过程中因温度梯度而出现开裂，采用发泡法制备泡沫单元使储能片存在孔隙，从而减小温度梯度引起的内应力，方法如下：

将发泡剂加水稀释后加入稳泡剂搅拌、混合获得发泡溶液，稳泡剂与发泡剂稀释液的质量掺比为7.17％-7.37％，将制得的发泡溶液进行发泡获得泡沫，最后将水泥浆和泡沫混合均匀；

制备完成后需要进行储能片的成型与养护，将发泡处理过的水泥浆倒入已经涂好脱模剂的专用模具中，并振捣均匀，水泥硬化后通过覆盖塑料膜、洒水等手段保持其表面湿润，等待24小时以上拆除侧模，一星期以上拆除底模，脱模后继续养护至28天龄期，养护相对湿度为97％，温度为27℃；

然后组装储能单元2，将铜管片6放置在两个储能片3之间，组装好的储能单元2叠放设置形成储能组，在储能室1内并排设置若干储能组；

将储能室1中的储能组与水循环系统、热循环系统以及气循环系统连接；

使用前分别检查水循环系统、热循环系统以及气循环系统的完整性，保证三个系统各部件无损坏，能正常工作。

2)热量加载；

热量加载的原理为：

3CaO·Al

该过程在太阳辐射充足的条件下(一般是夏季晴朗的白天，或任何有太阳辐射的时间段)完成，目的是使储能单元2吸收热量，充分脱水。

具体过程为：

a.正式热量加载前先通过气循环系统向储能室1中充入外界较热空气使储能块预热；

b.开启水循环系统使储热水箱7里的水升温，此阶段应同步开启热循环系统，目的是使储能组的升温是一个渐进的过程，不至于温度变化过快而使储能单元2承受较大的温度应力；

c.正式加载，此时应控制流入储能组热水的温度在77℃～117℃之间，不宜超过117℃，防止钙矾石发生分解反应：

3CaO·Al

及：

3CaO·Al

当热循环系统上游及下游的温度都达到控制温度或其中一个达到控制温度且另外一个与之温度相差不大时，方可认为储能室1内的温度达到控制温度；

d.开启气循环系统，脱水时储能室1内的水蒸气压应控制在8～533mbar，相对湿度应在17％以下，与温度控制类似，当气循环系统上游及下游的湿度(水蒸气压)都达到控制湿度(水蒸气压)或其中一个达到控制湿度(水蒸气压)且另外一个与之湿度(水蒸气压)相差不大时，方可认为储能室内的湿度(水蒸气压)达到控制湿度(水蒸气压)。

在上述控制范围内，水蒸气压越小、温度越高则脱水效果越好，即能量加载地越充分，但应注意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。

3)热量卸载；

热量卸载的原理为：

3CaO·Al

该过程在需要热量的情境下进行(如冬季房间供暖、晚上洗澡的热水器热源)，目的是使钙矾石再度吸水，将热量加载阶段吸收的能量重新释放出来。

为避免热量卸载过程中温度变化过快使储能单元2承受较大的温度应力，卸载阶段应注意逐级进行能量卸载，具体操作如下(如图7所示)：

(1)储能单元2预热，通过控制水蒸气流速使之缓慢均匀地充入储能组，待热循环系统上下游的温度计度数差值在3～5℃且比较稳定后方可进行下一阶段；

(2)逐级升温，逐级增加充入储能组中水蒸气的量，使每级卸载后，热循环系统上下游温度计读数差值相比上次卸载提高5～17℃左右。

通过上述操作，可以将夏季多余的、不能合理利用的热量转移到冬季使用，实现能量的充分利用，减少了能量浪费，减少了冬季取暖的碳排放量。

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。