一種恒溫蓄熱、多溫供熱的工民兩用儲(chǔ)熱器及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及熱能利用技術(shù)領(lǐng)域，是一種零熱污染、恒溫蓄熱、多溫供熱的工民兩用 儲(chǔ)熱器及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類消費(fèi)的全部能量的58%以上都是以熱能的形式消耗掉的，而小于100 °C的熱量消耗則占熱能消耗的35%以上。迄今為止，能源消費(fèi)仍然側(cè)重于化石燃料，僅2014 年，在全球一次能源消費(fèi)中，石油占比32.6%，天然氣占比23.7%，煤炭占比30%，為應(yīng)對(duì)全 球變暖的需要，提高可再生能源在一次能源結(jié)構(gòu)中的份額，已成為世界各國的共識(shí)。
[0003] 太陽能是可再生能源中最重要的基本能源，它"取之不盡、用之不竭"且分布廣泛、 無污染，是經(jīng)濟(jì)型的清潔能源。我國2/3以上的地區(qū)，太陽能年輻射量超過6GJ/m 2,年日照時(shí) 數(shù)2200h以上。我國每年地球表面接收的太陽輻射能約為50 X IO19KJ,相當(dāng)于1700億噸標(biāo)準(zhǔn) 煤。如此豐富的太陽能資源也為我國開發(fā)利用太陽能發(fā)電提供了良好的條件。
[0004] 風(fēng)電是目前技術(shù)最成熟、基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化且最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d可再生能源技 術(shù)。截至2014年底，我國并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量為9581萬千瓦，占全球風(fēng)電裝機(jī)的1/4。2014年， 我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量9581萬千瓦，同比增長25.6%，風(fēng)電發(fā)電量達(dá)到1533億千瓦時(shí)。2014 年我國并網(wǎng)風(fēng)電設(shè)備平均利用小時(shí)1905小時(shí)，同比減少120小時(shí)，黑龍江、吉林、遼寧以及甘 肅等地風(fēng)電平均利用小時(shí)均低于 1900小時(shí)盈虧平衡點(diǎn)，其中吉林僅為1501小時(shí)。有研究機(jī) 構(gòu)預(yù)計(jì)，2014年我國棄風(fēng)率仍將高達(dá)12%，遠(yuǎn)超過5%的合理區(qū)間。
[0005] 近年來，我國沼氣工程的推廣步伐提速。到2010年底，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有大中小 型沼氣工程7萬多處，有近4000萬戶1.5億人受益。目前，年產(chǎn)沼氣總量142.6億m 3,折合標(biāo)準(zhǔn) 煤2500萬噸，可減排二氧化碳5000多萬噸。當(dāng)前，己形成了戶用沼氣、小型聯(lián)戶沼氣、小型沼 氣工程、中型沼氣工程、大型沼氣工程和特大型沼氣工程全面發(fā)展的局面。
[0006] 目前，太陽能低溫集熱技術(shù)、生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)、中小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是三項(xiàng)成 熟的可再生能源技術(shù)，可分別滿足人們對(duì)生活熱水、生活燃?xì)夂碗娔艿男枨?。然而，由于?到能量密度低、晝夜、季節(jié)、氣候、地形等不利因素，到達(dá)地球表面的太陽輻射、風(fēng)能具有顯 著的能量密度低、間斷性和波動(dòng)性，使得它們無法獨(dú)立滿足連續(xù)穩(wěn)定供能的需求，因而導(dǎo)致 蓄電、儲(chǔ)熱兩大類儲(chǔ)能裝置成為風(fēng)、光能應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)瓶頸。
[0007] 另一個(gè)方面，我國的冶金、建材、化工等行業(yè)有大量的工業(yè)余熱。2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù) 據(jù)表明，工業(yè)余熱資源最高約占其燃料總熱量的67%，其中可回收率達(dá)60%，而我國余熱資 源的整體利用率較低，大型鋼鐵企業(yè)余熱利用率只有30%~50%左右。可見，我國工業(yè)余熱 資源利用率的提升空間很大。但工業(yè)余熱資源，也存在著間歇性和不穩(wěn)定性的問題，嚴(yán)重阻 礙了有關(guān)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
[0008] 綜上所述，隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性是可再生能源的特點(diǎn)，由此導(dǎo)致可再生能源利 用系統(tǒng)中存在著能量供應(yīng)和需求不相匹配的矛盾。為此，提高能源轉(zhuǎn)換和利用率就成為各 國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略必須優(yōu)先考慮的重大課題，而儲(chǔ)熱技術(shù)恰恰可以很好利用各種可再 生能源的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可再生能源的供給互補(bǔ)，解決可再生能源利用系統(tǒng)中存在的能量供應(yīng) 和需求不相匹配的矛盾。隨著可再生能源的發(fā)展，非并網(wǎng)利用和儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用顯得越來 越重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目標(biāo)是，提供一種長效、低損、多溫、靈活、經(jīng)濟(jì)的恒溫蓄熱、多溫供熱的 工民兩用儲(chǔ)熱器及其實(shí)現(xiàn)方法，能夠消弭風(fēng)能、光能等可再生能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇 性特點(diǎn)與用能的恒定性、穩(wěn)定性、連續(xù)性要求之間的矛盾，組合利用多種可再生能源，實(shí)現(xiàn) 可再生能源的供給互補(bǔ)，滿足連續(xù)、穩(wěn)定的為有機(jī)廢物高溫厭氧消化系統(tǒng)所需要的多種溫 度提供恒定熱源，聯(lián)產(chǎn)生物天然氣和有機(jī)肥，分散供暖(冷）、驅(qū)車的零碳排甚或負(fù)碳排的能 源綜合系統(tǒng)的需求，更經(jīng)濟(jì)、有效地充分利用能源，提高能源轉(zhuǎn)換和利用率。
[0010] 本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0011] -種恒溫蓄熱、多溫供熱的工民兩用儲(chǔ)熱器，其特征在于:它包括儲(chǔ)熱房、箱體、熱 暖氣、環(huán)形間隔壁，所述儲(chǔ)熱房包括保溫房體和保溫頂蓋，所述儲(chǔ)熱房的保溫房體分別設(shè)置 對(duì)置的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，儲(chǔ)熱房的保溫頂蓋與保溫房體密封固連;所述箱體置于儲(chǔ)熱房內(nèi) 并固連，箱體沿周與儲(chǔ)熱房之間形成環(huán)形腔隙作為熱風(fēng)通道，所述熱暖氣置于作為熱風(fēng)通 道的環(huán)形腔隙底部并固連，熱暖氣的熱水入口與多溫?zé)嵩吹臒崴疵芊膺B接，若干個(gè)均流 翅片均分別置于作為熱風(fēng)通道的環(huán)形腔隙內(nèi)、套接在箱體上并固連，風(fēng)速傳感器和溫度傳 感器均分別置于作為熱風(fēng)通道的環(huán)形腔隙內(nèi)并固連;所述N個(gè)環(huán)形間隔壁均分別置于箱體 內(nèi)、且由內(nèi)到外依次套接并分別與箱體固連，N個(gè)環(huán)形間隔壁之間形成中心水箱及N-I個(gè)環(huán) 形水箱，由此構(gòu)成多溫水箱，多溫水箱的中心水箱及N-I個(gè)環(huán)形水箱內(nèi)儲(chǔ)存的熱水溫度由內(nèi) 到外依次降低，中心水箱和每一個(gè)環(huán)形水箱的頂部和底部均分別設(shè)置保溫層、內(nèi)部設(shè)置溫 度傳感器，各保溫層的厚度相同或不同，中心水箱和每一個(gè)環(huán)形水箱上部的出口均分別與 熱負(fù)荷密封連接、下部的進(jìn)口均分別與多溫?zé)嵩疵芊膺B接;位于最外側(cè)的環(huán)形間隔壁與箱 體之間構(gòu)成環(huán)形的穩(wěn)溫水箱，穩(wěn)溫水箱的頂部和底部均分別設(shè)置保溫層，穩(wěn)溫水箱上部的 第一入口與真空栗密封連接、下部的第二入口與多溫?zé)嵩吹娘柡退吹某隹诿芊膺B接，穩(wěn) 溫水箱內(nèi)置壓力傳感器和溫度傳感器;熱風(fēng)通道內(nèi)置的風(fēng)速傳感器和溫度傳感器、多溫水 箱內(nèi)置的溫度傳感器、穩(wěn)溫水箱內(nèi)置的壓力傳感器和溫度傳感器、真空栗均分別與信息采 集與控制系統(tǒng)信號(hào)連接。
[0012] 所述穩(wěn)溫水箱的結(jié)構(gòu)是:穩(wěn)溫水箱內(nèi)置環(huán)形半透膜，環(huán)形半透膜底部與箱體固連、 頂部與箱體之間留有縫隙，環(huán)形半透膜將穩(wěn)溫水箱分隔為兩個(gè)環(huán)形空間，外側(cè)環(huán)形空間為 飽和水容水間、內(nèi)側(cè)環(huán)形空間為飽和蒸汽容汽間，若干個(gè)環(huán)形的導(dǎo)水翅片置于飽和蒸汽容 汽間、外側(cè)與環(huán)形半透膜固連，壓力傳感器和溫度傳感器均分別置于穩(wěn)溫水箱的飽和蒸汽 容汽間并固連，穩(wěn)溫水箱上部的第一入口與穩(wěn)溫水箱的飽和水容水間對(duì)應(yīng)、與真空栗密封 連接，穩(wěn)溫水箱下部的第二入口一端與環(huán)形半透膜連通、另一端與多溫?zé)嵩吹娘柡退吹?出口密封連接。
[0013] 所述多溫水箱的每一個(gè)環(huán)形水箱內(nèi)均分別設(shè)置至少一個(gè)均溫器并固連，所述均溫 器上設(shè)置若干個(gè)過流孔，均溫器置于多溫水箱高度的1/4~1/2處，以消除儲(chǔ)熱水箱的熱分 層現(xiàn)象，提高儲(chǔ)熱水箱容積利用率。
[0014] 所述每一個(gè)環(huán)形間隔壁的結(jié)構(gòu)相同，其材料和厚度相同或不同，具體結(jié)構(gòu)是：它包 括外壁、內(nèi)壁和保溫隔熱層，所述外壁和內(nèi)壁均為環(huán)形，所述外壁套接在內(nèi)壁上，保溫隔熱 層置于外壁和內(nèi)壁之間并固連。
[0015] -種恒溫蓄熱、多溫供熱的工民兩用儲(chǔ)熱器的實(shí)現(xiàn)方法，它包括設(shè)計(jì)計(jì)算方法和 運(yùn)行調(diào)整方法，其特征在于:其設(shè)計(jì)計(jì)算方法步驟如下：
[0016] 1)根據(jù)用戶對(duì)各水箱水溫和水量的需求，設(shè)定熱風(fēng)通道的結(jié)構(gòu)尺寸、環(huán)形間隔壁 的層數(shù)和多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱的結(jié)構(gòu)尺寸；
[0017] 2)優(yōu)化設(shè)計(jì)多溫水箱的中心水箱和各環(huán)形水箱以及儲(chǔ)熱房的結(jié)構(gòu)尺寸；
[0018] 3)計(jì)算確定多溫水箱的各環(huán)形間隔壁的厚度：
[0019] 4)根據(jù)溫度預(yù)報(bào)曲線和儲(chǔ)熱房外墻的結(jié)構(gòu)尺寸確定本發(fā)明恒溫蓄熱、多溫供熱的 工民兩用儲(chǔ)熱器的散熱量；
[0020] 5)檢驗(yàn)設(shè)定的熱風(fēng)通道、低溫水箱、各環(huán)形間隔壁以及儲(chǔ)熱房的外墻壁結(jié)構(gòu)尺寸 的可行性與經(jīng)濟(jì)性。
[0021] -種恒溫蓄熱、多溫供熱的工民兩用儲(chǔ)熱器的實(shí)現(xiàn)方法，它包括設(shè)計(jì)計(jì)算方法和 運(yùn)行調(diào)整方法，其運(yùn)行調(diào)整方法包括在線計(jì)算確定熱風(fēng)流過熱風(fēng)通道與多溫水箱的外側(cè)環(huán) 形水箱外壁的換熱過程、在線計(jì)算確定低溫時(shí)段的多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱向環(huán)境的散熱 過程，其特征在于:步驟如下：
[0022] 1)利用計(jì)算機(jī)在線計(jì)算確定高溫時(shí)段多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱的最大吸熱量，并 迭代確定最佳的熱風(fēng)通道和儲(chǔ)熱房外墻的厚度；
[0023] 2)在線計(jì)算確定熱風(fēng)流過熱風(fēng)通道與多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱外壁的換熱過程；
[0024] 3)在線計(jì)算確定低溫時(shí)段的多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱向環(huán)境的散熱過程；
[0025] 4)環(huán)境氣溫te高于多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱的水溫時(shí)段:打開進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口， 將環(huán)境的高溫?zé)犸L(fēng)由鼓風(fēng)機(jī)栗入進(jìn)風(fēng)口，溫度高于多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱的熱風(fēng)沿著多 溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱的外側(cè)表面對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，同時(shí)，通過信息采集與控制系 統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱的水溫和穩(wěn)溫水箱的飽和蒸汽空間的壓力，并自動(dòng)維 持穩(wěn)溫水箱的水恒為飽和狀態(tài)，以保證整個(gè)吸、放熱過程都是在最佳水溫下進(jìn)行的相變過 程，熱風(fēng)換熱降溫后經(jīng)出風(fēng)口排往環(huán)境；
[0026] 5)環(huán)境氣溫te低于多溫水箱的外側(cè)環(huán)形水箱的水溫時(shí)段:關(guān)閉進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口