一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖及其制造方法

1.本发明涉及一种榫接式保温承重型储热水体顶盖及其制造方法，属于跨季节储热/供热设计建造领域。


背景技术：

2.建筑耗能己与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。《中国建筑节能年度发展研究报告2020》中指出：2018年我国建筑建造和运行用能占全社会总能耗的37％，较2014年增幅高达85％，而2018年北方城镇供暖能耗占全国建筑总能耗的21％。2020年我国提出：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。建筑能源低碳化是助力双碳目标的重要途径。在众多跨季节储热技术中，大量科学研究和工程经验均表明水体型太阳能跨季节储热/供热技术是目前最可靠、应用最广泛的技术。
3.目前国内外的储热水体大多采用一体式、柔性保温顶盖。一体式顶盖一旦出现破损就会迅速影响到整个顶盖，导致顶盖保温失效，甚至出现严重安全事故。柔性保温顶盖承重之后会发生严重的形变，导致保温性能下降甚至出现严重安全事故。大型储热水体占地面积大，土地政策也会影响项目实施，因此承重型顶盖可以不改变土地性质以促进项目实施，是迫切的应用需求。
4.中国专利cn201610297489提出了基于基于跨季节水体储热的太阳能供热系统，太阳能集热系统与跨季节储热水体相连，将非采暖季丰富的太阳能资源转化成热能储存在储热水体中，在采暖季通过水体放热向用户供热，有效解决了太阳能冬夏冷热不平衡问题，实现了太阳能全年高效利用。但未能清楚描述跨季节储热水体的结构。
5.中国专利cn202121425436提出了一种跨季节土壤蓄热体的全方位立体保温装置，其蓄热体从本质上来讲是地埋储热水箱，采用的是一体式保温顶盖。水箱原理的储热结构，例如中国专利cn202110718434.5、中国专利cn202010901835.x的结构无法拓展到万立方米甚至数十万立方米的大型储热水体上，也无法承重。此外，全方位立体保温虽然保温效果好但经济性差，难以推广应用。
6.中国专利cn201611050459提出了一种应用于储热水体的低热损储热水体柔性顶盖，从本质上来讲是一体式保温顶盖，依靠水的浮力支撑储热水体顶部结构。其结构是上层蜂窝状柔性膜层和下层与水体直接接触的耐高温柔性膜层中间布置保温材料，这样的结构无法承重，破损或者进水之后难以排出导致顶盖保温失效甚至出现严重安全事故。中国专利cn201810218257.2提出了一种水体土壤耦合蓄热体及其使用方法，蓄热水体顶部设置漂浮保温盖，也存在上述问题。
7.国外相关的科学研究和工程案例中，德国专利de2949584(a1)(《underground heat store with ground heat collector-comprises concrete tank containing sand or water covered over with soil for landscaping》，用于景观美化的带有地面集热器
的地下储热器-上表面覆土且装有沙子或水的混凝土罐)与日本专利jp2007178071a(《underground thermal storage system and its construction method》，地下蓄热系统及其施工方法)类似，前者提出来在地下建造混凝土罐作为蓄热体，顶部也覆土，一方面用于保温，另一方面用于景观美化。后者主要的主要区别是结构形式和储热介质不同，并针对不同场景设计了八种方案。但是两者的结构难以应用在在万立方米或者数十万立方米级别的大型储热水体中，成本也极高，影响工程经济性。
8.美国专利us4456056a(《modified annual cycle energy system》，改进的年循环能源系统)和美国专利us3313443a(《floating cover for a liquid storage reservoir》，一种液体贮存器的浮动盖)都采用的是一体式柔性保温浮顶，都无法承重。
9.international energy agency solar heating and cooling(iea-shc)(国际能源署-太阳能供暖和制冷讨论)的报告《iea-shc t45.b.3.2 tech seasonal storages-water pit guidelines》(t45.b.3.2-技术进展：季节性储热-水体导论)中详细介绍了三种大型储热水体的顶盖，大都是一体式结构，均存在保温性能差、排水困难、无法承重的问题。


技术实现要素：

10.为了解决上述技术问题，本发明提出一种榫接式保温承重型储热水体顶盖及其实施方法，应用于具有上开口的大型、长周期太阳能跨季节储热水体。本发明的目的在于解决现有顶盖保温效果差、无法承重、施工复杂、维护困难等问题，提出顶盖模块化并采用榫接的结合方式。
11.本发明是通过以下技术方案实现的：
12.一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖，包括顶盖模块、排气管、单向阀、检修盖、上层保护膜、锚固沟；所述的榫接式保温承重型储热水体顶盖设置在具有上开口的大型、长周期太阳能跨季节储热水体上；长周期太阳能跨季节储热水体建设在土壤中；所述的榫接式保温承重型储热水体顶盖自上而下依次是上层保护膜、顶盖模块、长周期太阳能跨季节储热水体；所述顶盖模块将不同结构的多个模块按照规定的顺序通过榫接的方式结合形成整体；所述上层保护膜垂直穿过所述排气管，直接铺设在所述顶盖模块上表面，四周预留一定的活动尺寸后延伸至所述锚固沟中，用土壤填埋；所述单向阀安装于所述排气管顶端；所述排气管贯穿所述顶盖模块并固定在所述顶盖模块中；所述检修盖是由顶盖模块的一个模块形式，该模块是组成顶盖模块的结构之一；所述顶盖模块漂浮在长周期太阳能跨季节储热水体上表面。
13.所述上层保护膜也被排气管贯穿，覆盖于顶盖模块之上，四个边缘在锚固沟中被土掩埋；所述锚固沟用于固定上层保护膜。需要注意的是上层保护膜穿过排气管之后要封闭裂口，保证使得上层保护膜无破损，避免雨雪进入顶盖。
14.进一步地，所述的顶盖模块由硬质保温材料在相应位置加工出榫头、榫眼以及配合孔位形成，表面包覆耐温防水膜。
15.进一步地，所述硬质保温材料的材料种类及厚度应根据顶盖的设计和成本要求选择。
16.进一步地，所述的顶盖模块共有八种结构形式，分别是模块a、模块b、模块c、模块d、模块e、模块f、模块g、模块h，这八种结构形式的模块的区别在于榫头和榫眼的位置不同。
17.进一步地，所述的顶盖模块的最大外形尺寸及数量根据长周期太阳能跨季节储热水体开口尺寸计算得到。
18.进一步地，所述的检修盖由模块g改变结构后充当，数量至少为2个，位置选择在靠近长周期太阳能跨季节储热水体四周的位置以便于施工。
19.进一步地，该顶盖具有承重的功能，具体可承载的重量按照浮重比计算方法求解。
20.进一步地，顶盖模块要求施工完毕后刚好紧贴水体四周。
21.进一步地，硬质保温材料为高密度聚苯乙烯泡沫板，在相应位置加工出榫头、榫眼以及配合孔位，然后在其表面包覆耐温防水膜制成。
22.进一步地，硬质保温材料的种类及厚度应根据顶盖设计和成本要求选择，耐温防水膜应根据水体设计温度要求选择。
23.进一步地，不同数量的八种结构形式的顶盖模块通过特定的组合方式，采用榫接的接合方式拼接形成顶盖整体。在水平方向上：第一行组合方式，从左至右为“模块a-模块b-模块c-模块b-模块c-······-模块b-模块c-模块b-模块a”；第二行组合方式，从左至右为“模块d-模块e-模块f-模块e-模块f-······-模块e-模块f-模块e-模块d”；第三行组合方式，从左至右为“模块c-模块g-模块h-模块g-模块h-······-模块g-模块h-模块g-模块c”。在竖直方向上：按照“第一行-第二行-第三行-第二行-第三行-······-第二行-第三行-第二行-第一行”的组合规律进行安装。
24.进一步地，排气管直接参与到对应顶盖模块的加工制作过程，排气管贯穿相应的顶盖模块，与其形成整体。排气管的主要作用是排气管尽量沿顶盖对角线布置，数量不宜过多但至少有1个。排气管的内径一般在10～30cm，高度一般高出顶盖模块30～60cm。
25.进一步地，单向阀安装在排气管顶端。水体中的水蒸汽沿排气管通过单向阀直接排到环境中，同时保证长周期太阳能跨季节储热水体内外都处于环境大气压下。
26.进一步地，所述的检修盖由模块g去掉榫头，上表面增加把手后充当，数量至少为2个，位置依据需求灵活选择，一般选择在靠近水体四周的位置以便于施工。
27.进一步地，锚固沟位于水体四周，宽度一般不小于50cm，深度不小于100cm。
28.本发明的制造方法如下：
29.[1]、根据长周期太阳能跨季节储热水体的开口尺寸确定顶盖模块的最大外形尺寸，以及顶盖模块的八种结构形式分别所需的数量；
[0030]
[2]、根据设计要求和成本要求确定硬质保温材料的材料种类及厚度；
[0031]
[3]、根据设计要求确定排气管的位置及数量，根据排气管的数量同时确定单向阀的数量；
[0032]
[4]、根据设计要求和实际情况确定检修盖的位置及数量；
[0033]
[5]、根据长周期太阳能跨季节储热水体确定锚固沟的位置及尺寸；
[0034]
[6]、根据长周期太阳能跨季节储热水体及锚固沟确定上层保护膜的尺寸；
[0035]
[7]、根据步骤[1]、[2]、[3]、[4]分别加工顶盖模块；
[0036]
[8]、现场安装顶盖模块；
[0037]
[9]、现场安装上层保护膜；
[0038]
[10]、测试验收。
[0039]
其中，设计过程主要针对顶盖模块进行，首先，根据长周期太阳能跨季节储热水体
开口尺寸确定顶盖模块的最大外形尺寸，要求施工完毕后刚好紧贴长周期太阳能跨季节储热水体四周。其次，根据顶盖模块的最大外形尺寸确定榫头尺寸以及数量，榫头采用燕尾榫，数量不少于2个。榫厚为硬质保温材料厚度的一半，榫头长度为顶盖模块最大外形尺寸的1/10，尾榫与榫头比例为2:1，榫深与榫头的比例为3:4。需要注意的是所有尺寸并不是一成不变的，应根据实际情况灵活调整。然后确定8种结构的顶盖模块数量。最后，确定安装排气管和充当检修盖的顶盖模块位置及数量。
[0040]
其中，加工过程为按照设计好的顶盖模块进行制作即可，特别注意包覆耐温保护膜应保证完好无破损，排气管与顶盖模块连接处应做好密封保护。
[0041]
其中，施工过程为将加工好的顶盖模块按照如前所述的连接方式进行组装，在覆盖上层保护膜之前应对已经连接好的顶盖模块进行初步检查，保证连接完好、排气管正常工作。待上层保护膜覆盖之后应对顶盖的整体进行检查验收。
[0042]
本发明的优点在于：
[0043]
1、本发明的顶盖模块采用榫接的接合方式，可有效地限制顶盖模块之间向各个方向的扭动，使得顶盖模块有效形成一个整体。此外，还可以有效避免热对流引起的顶盖热损失，进一步提升水体储热效率。
[0044]
2、本发明的顶盖可以承重(设计范围内)，这对节约土地、进一步拓宽储热水体应用场景有积极作用。
[0045]
3、本发明拓宽了顶盖保温材料的使用范围，可以使用保温性能更好的硬质聚苯乙烯泡沫板等材料，进一步降低了储热水体热损失，提升了储热水体的储热效率。
[0046]
4、本发明的模块化的顶盖设计使得顶盖加工制作以及施工过程更加简单、方便、自由。目前一体式的顶盖施工顺序冗杂，所有环节必须在现场施工而且必须保证在施工期间无雨雪天气以避免保温材料受潮导致保温性能下降甚至失效。模块化的顶盖则可以有效避免上述问题，顶盖模块可以在工厂车间制作好之后运送至施工现场，可以从顶盖四周同时开始施工，对施工环境无特殊要求，极大程度上提升了顶盖施工的效率。
[0047]
5、本发明的模块化的顶盖使得顶盖设计更加自由。顶盖模块的尺寸可以根据水体开口尺寸灵活调整，以适应多种尺寸、形状的储热水体。本发明几乎可以适配所有的规则形状的上开口储热水体。
附图说明
[0048]
图1是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体的结构示意图；
[0049]
图中：1顶盖模块、2排气管、3单向阀、4检修盖、5上层保护膜、6锚固沟、7长周期太阳能跨季节储热水体、8土壤；
[0050]
图2是本发明的一种榫接式保温承重型储热长周期太阳能跨季节水体的顶盖模块1的结构示意图；
[0051]
图中：9硬质保温材料、10榫头、11榫眼、12配合孔位、13耐温防水膜；
[0052]
图3是本发明的一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖上表面的结构示意图，图4是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖下表面的结构示意图；
[0053]
图中：14模块a、15模块b、16模块c、17模块d、18模块e、19模块f、20模块g、21模块h；
[0054]
图5是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖模块a轴侧结构示意图；
[0055]
图6是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖模块b轴侧结构示意图；
[0056]
图7是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖模块c轴侧结构示意图；
[0057]
图8是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖模块d轴侧结构示意图；
[0058]
图9是本发明一种榫接式保温承重型储热水体顶盖模块e轴侧结构示意图；
[0059]
图10是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖模块f轴侧结构示意图；
[0060]
图11是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖模块g轴侧结构示意图；
[0061]
图12是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖模块h轴侧结构示意图；
[0062]
图13是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体检修盖4下表面轴侧结构示意图；图中：22把手；
[0063]
图14是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体检修盖4上表面轴侧结构示意图；图中：22把手；
[0064]
图15是本发明一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖实施方法流程图。
具体实施方式
[0065]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0066]
本发明的一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖及其实施方法，适用于具有上开口的大型太阳能跨季节储热水体，在保证最基本的保温要求之上，既能承重又能大大简化施工过程。具体实施方式如下。
[0067]
如图1所示，一种榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖，主要包括顶盖模块1、排气管2、单向阀3、检修盖4、上层保护膜5、锚固沟6、长周期太阳能跨季节储热水体7。所述的榫接式保温承重型储热水体顶盖设置在具有上开口的大型、长周期太阳能跨季节储热水体7上，所述长周期太阳能跨季节储热水体7建设在土壤8中；所述的榫接式保温承重型长周期太阳能跨季节储热水体顶盖自上而下依次是上层保护膜5、顶盖模块1、长周期太阳能跨季节储热水体7；所述顶盖模块将不同结构的多个模块按照规定的顺序通过榫接的方式结合形成整体；所述上层保护膜5垂直穿过所述排气管2，直接铺设在所述顶盖模块1上表面，四周预留一定的活动尺寸后延伸至所述锚固沟6中，用土壤8填埋；所述单向阀3
安装于所述排气管2顶端；所述排气管2贯穿所述顶盖模块1并固定在所述顶盖模块1中；所述检修盖4是由顶盖模块1的一个模块形式，该模块是组成顶盖模块1的结构之一；所述顶盖模块漂浮在长周期太阳能跨季节储热水体7上表面。所述锚固沟6用于固定上层保护膜5。需要注意的是上层保护膜5穿过排气管之后要封闭裂口，保证使得上层保护膜5无破损，避免雨雪进入顶盖。该顶盖具有承重的功能，具体可承载的重量按照浮重比计算方法求解。所述排气管尽量沿顶盖对角线布置，数量不宜过多但至少有1个。所述排气管2的内径一般在10～30cm，高度一般高出顶盖模块30～60cm。所所述单向阀3安装在排气管2顶端。长周期太阳能跨季节储热水体7中的水蒸汽沿排气管2通过单向阀3直接排到环境中，同时保证长周期太阳能跨季节储热水体7内外都处于环境大气压下。所述锚固沟位于长周期太阳能跨季节储热水体7四周，宽度一般不小于50cm，深度不小于100cm。
[0068]
如图2所示，所述的顶盖模块1由硬质保温材料9在相应位置加工出榫头10、榫眼11以及配合孔位12形成，表面包覆耐温防水膜13。所述硬质保温材料9的材料种类及厚度应根据顶盖的设计和成本要求选择。优选的，所述硬质保温材料9为高密度聚苯乙烯泡沫板。优选的，所述耐温防水膜应根据长周期太阳能跨季节储热水体设计温度要求选择。
[0069]
如图13-14所示，所述的检修盖4由模块g20改变结构后充当，数量至少为2个，位置选择在靠近长周期太阳能跨季节储热水体7四周的位置以便于施工。
[0070]
如图3所示，顶盖模块1共有八种不同形式结构，分别是模块a14、模块b15、模块c16、模块d17、模块e18、模块f19、模块g20、模块h21，如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示。这八种顶盖模块的主要区别在于榫头10、榫眼11以及配合孔位12不同，所述的顶盖模块1的最大外形尺寸及数量根据长周期太阳能跨季节储热水体7开口尺寸计算得到。各个模块按照如下组合方式进行安装：
[0071]
不同数量的八种结构形式的顶盖模块——模块a14、模块b15、模块c16、模块d17、模块e18、模块f19、模块g20、模块h21通过特定的组合方式，采用榫接的接合方式拼接形成顶盖整体。在水平方向上：第一行组合方式，从左至右为“模块a-模块b-模块c-模块b-模块c-······-模块b-模块c-模块b-模块a”；第二行组合方式，从左至右为“模块d-模块e-模块f-模块e-模块f-······-模块e-模块f-模块e-模块d”；第三行组合方式，从左至右为“模块c-模块g-模块h-模块g-模块h-······-模块g-模块h-模块g-模块c”。在竖直方向上：按照“第一行-第二行-第三行-第二行-第三行-······-第二行-第三行-第二行-第一行”的组合规律进行安装。
[0072]
具体的，长周期太阳能跨季节储热水体7的开口为15.9*15.9m的矩形，确定顶盖模块1的最大外形尺寸为1.9*1.9*0.2m的立方体，则可确定八种不同形式结构的顶盖模块共需81块。根据上述的顶盖模块1的组合方式，共需要模块a4块、模块b8块、模块c12块、模块d8块、模块e16块、模块f12块、模块g12块、模块h9块。如图3、图4所示，组合安装好的顶盖模块形成长周期太阳能跨季节储热水体7的顶盖。
[0073]
具体的，所述顶盖模块1采用的是燕尾榫，如图2所示，以模块a14为例进行说明。榫头长0.2m，榫尾长0.4m，榫厚为0.1m，榫深为0.15m。
[0074]
具体的，如图13、图14所示，检修盖4共2个，由模块g去掉榫头，上表面增加把手22后充当。在图3中，第一个检修盖位于第三行第八列，第二个检修盖位于第七行第二列。
[0075]
具体的，所述的排气管2，内径为0.1m，外径为0.12m，共有7个，在图3中，分别位于
第二行第二列、第三行第三列、第四行第四列、第五行第五列、第六行第六列、第七行第七列。由此可以确定适配排气管2的单向阀3共有7个。
[0076]
具体的，所述锚固沟6长16.1m，宽0.5m，深1m。
[0077]
本发明的榫接式保温承重型储热水体顶盖的制造方法中，先确定相关部件的尺寸及数量，然后加工相关部件，最后在现场按照接合方式组装相关部件，包括以下个步骤：
[0078]
[1]、根据长周期太阳能跨季节储热水体7的开口尺寸确定顶盖模块1的最大外形尺寸，以及顶盖模块1的八种结构形式分别所需的数量；
[0079]
[2]、根据设计要求和成本要求确定硬质保温材料9的材料种类及厚度；
[0080]
[3]、根据设计要求确定排气管2的位置及数量，根据排气管2的数量同时确定单向阀3的数量；
[0081]
[4]、根据设计要求和实际情况确定检修盖4的位置及数量；
[0082]
[5]、根据长周期太阳能跨季节储热水体7的尺寸确定锚固沟6的位置及尺寸；
[0083]
[6]、根据长周期太阳能跨季节储热水体及锚固沟6确定上层保护膜5的尺寸；
[0084]
[7]、根据步骤[1]、[2]、[3]、[4]分别加工顶盖模块1；
[0085]
[8]、现场安装顶盖模块1；
[0086]
[9]、现场安装上层保护膜5；
[0087]
[10]、测试验收。
[0088]
设计过程主要针对顶盖模块1进行，首先，根据长周期太阳能跨季节储热水体7开口尺寸确定顶盖模块1的最大外形尺寸，要求施工完毕后刚好紧贴长周期太阳能跨季节储热水体7四周。其次，根据顶盖模块1的最大外形尺寸确定榫头尺寸以及数量，榫头采用燕尾榫，数量不少于2个。榫厚为硬质保温材料厚度的一半，榫头长度为顶盖模块1最大外形尺寸的1/10，尾榫与榫头比例为2:1，榫深与榫头的比例为3:4。需要注意的是所有尺寸并不是一成不变的，应根据实际情况灵活调整。然后确定8种结构的顶盖模块1的数量。最后，确定安装排气管2和充当检修盖4的顶盖模块的位置及数量。
[0089]
其中，加工过程为按照设计好的顶盖模块1进行制作即可，特别注意包覆耐温防水膜13应保证完好无破损，排气管2与顶盖模块1连接处应做好密封保护。
[0090]
其中，施工过程为将加工好的顶盖模块1按照如前所述的连接方式进行组装，在覆盖上层保护膜5之前应对已经连接好的顶盖模块1进行初步检查，保证连接完好、排气管2正常工作。顶盖模块1要求施工完毕后刚好紧贴长周期太阳能跨季节储热水体7四周漂浮。待上层保护膜5覆盖之后应对顶盖的整体进行检查验收。
[0091]
实施案例严格按照发明内容所述的实施方法进行，切实可行。
[0092]
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0093]
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。