一种恒温蓄热、多温供热的工民两用储热器及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及热能利用技术领域，是一种零热污染、恒温蓄热、多温供热的工民两用 储热器及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 据统计，人类消费的全部能量的58%以上都是以热能的形式消耗掉的，而小于100 °C的热量消耗则占热能消耗的35%以上。迄今为止，能源消费仍然侧重于化石燃料，仅2014 年，在全球一次能源消费中，石油占比32.6%，天然气占比23.7%，煤炭占比30%，为应对全 球变暖的需要，提高可再生能源在一次能源结构中的份额，已成为世界各国的共识。
[0003] 太阳能是可再生能源中最重要的基本能源，它"取之不尽、用之不竭"且分布广泛、 无污染，是经济型的清洁能源。我国2/3以上的地区，太阳能年辐射量超过6GJ/m 2,年日照时 数2200h以上。我国每年地球表面接收的太阳辐射能约为50 X IO19KJ,相当于1700亿吨标准 煤。如此丰富的太阳能资源也为我国开发利用太阳能发电提供了良好的条件。
[0004] 风电是目前技术最成熟、基本实现商业化且最具发展潜力的新兴可再生能源技 术。截至2014年底，我国并网风电装机容量为9581万千瓦，占全球风电装机的1/4。2014年， 我国风电并网装机容量9581万千瓦，同比增长25.6%，风电发电量达到1533亿千瓦时。2014 年我国并网风电设备平均利用小时1905小时，同比减少120小时，黑龙江、吉林、辽宁以及甘 肃等地风电平均利用小时均低于 1900小时盈亏平衡点，其中吉林仅为1501小时。有研究机 构预计，2014年我国弃风率仍将高达12%，远超过5%的合理区间。
[0005] 近年来，我国沼气工程的推广步伐提速。到2010年底，据不完全统计，已有大中小 型沼气工程7万多处，有近4000万户1.5亿人受益。目前，年产沼气总量142.6亿m 3,折合标准 煤2500万吨，可减排二氧化碳5000多万吨。当前，己形成了户用沼气、小型联户沼气、小型沼 气工程、中型沼气工程、大型沼气工程和特大型沼气工程全面发展的局面。
[0006] 目前，太阳能低温集热技术、生物质厌氧消化技术、中小型风力发电技术是三项成 熟的可再生能源技术，可分别满足人们对生活热水、生活燃气和电能的需求。然而，由于受 到能量密度低、昼夜、季节、气候、地形等不利因素，到达地球表面的太阳辐射、风能具有显 著的能量密度低、间断性和波动性，使得它们无法独立满足连续稳定供能的需求，因而导致 蓄电、储热两大类储能装置成为风、光能应用开发的技术瓶颈。
[0007] 另一个方面，我国的冶金、建材、化工等行业有大量的工业余热。2010年的统计数 据表明，工业余热资源最高约占其燃料总热量的67%，其中可回收率达60%，而我国余热资 源的整体利用率较低，大型钢铁企业余热利用率只有30%~50%左右。可见，我国工业余热 资源利用率的提升空间很大。但工业余热资源，也存在着间歇性和不稳定性的问题，严重阻 碍了有关技术的推广和应用。
[0008] 综上所述，随机性、波动性、间歇性是可再生能源的特点，由此导致可再生能源利 用系统中存在着能量供应和需求不相匹配的矛盾。为此，提高能源转换和利用率就成为各 国实施可持续发展战略必须优先考虑的重大课题，而储热技术恰恰可以很好利用各种可再 生能源的特点，实现可再生能源的供给互补，解决可再生能源利用系统中存在的能量供应 和需求不相匹配的矛盾。随着可再生能源的发展，非并网利用和储热技术的应用显得越来 越重要。
【发明内容】
[0009] 本发明的目标是，提供一种长效、低损、多温、灵活、经济的恒温蓄热、多温供热的 工民两用储热器及其实现方法，能够消弭风能、光能等可再生能源的随机性、波动性、间歇 性特点与用能的恒定性、稳定性、连续性要求之间的矛盾，组合利用多种可再生能源，实现 可再生能源的供给互补，满足连续、稳定的为有机废物高温厌氧消化系统所需要的多种温 度提供恒定热源，联产生物天然气和有机肥，分散供暖(冷）、驱车的零碳排甚或负碳排的能 源综合系统的需求，更经济、有效地充分利用能源，提高能源转换和利用率。
[0010] 本发明的目的是由以下技术方案来实现的：
[0011] -种恒温蓄热、多温供热的工民两用储热器，其特征在于:它包括储热房、箱体、热 暖气、环形间隔壁，所述储热房包括保温房体和保温顶盖，所述储热房的保温房体分别设置 对置的进风口和出风口，储热房的保温顶盖与保温房体密封固连;所述箱体置于储热房内 并固连，箱体沿周与储热房之间形成环形腔隙作为热风通道，所述热暖气置于作为热风通 道的环形腔隙底部并固连，热暖气的热水入口与多温热源的热水源密封连接，若干个均流 翅片均分别置于作为热风通道的环形腔隙内、套接在箱体上并固连，风速传感器和温度传 感器均分别置于作为热风通道的环形腔隙内并固连;所述N个环形间隔壁均分别置于箱体 内、且由内到外依次套接并分别与箱体固连，N个环形间隔壁之间形成中心水箱及N-I个环 形水箱，由此构成多温水箱，多温水箱的中心水箱及N-I个环形水箱内储存的热水温度由内 到外依次降低，中心水箱和每一个环形水箱的顶部和底部均分别设置保温层、内部设置温 度传感器，各保温层的厚度相同或不同，中心水箱和每一个环形水箱上部的出口均分别与 热负荷密封连接、下部的进口均分别与多温热源密封连接;位于最外侧的环形间隔壁与箱 体之间构成环形的稳温水箱，稳温水箱的顶部和底部均分别设置保温层，稳温水箱上部的 第一入口与真空栗密封连接、下部的第二入口与多温热源的饱和水源的出口密封连接，稳 温水箱内置压力传感器和温度传感器;热风通道内置的风速传感器和温度传感器、多温水 箱内置的温度传感器、稳温水箱内置的压力传感器和温度传感器、真空栗均分别与信息采 集与控制系统信号连接。
[0012] 所述稳温水箱的结构是:稳温水箱内置环形半透膜，环形半透膜底部与箱体固连、 顶部与箱体之间留有缝隙，环形半透膜将稳温水箱分隔为两个环形空间，外侧环形空间为 饱和水容水间、内侧环形空间为饱和蒸汽容汽间，若干个环形的导水翅片置于饱和蒸汽容 汽间、外侧与环形半透膜固连，压力传感器和温度传感器均分别置于稳温水箱的饱和蒸汽 容汽间并固连，稳温水箱上部的第一入口与稳温水箱的饱和水容水间对应、与真空栗密封 连接，稳温水箱下部的第二入口一端与环形半透膜连通、另一端与多温热源的饱和水源的 出口密封连接。
[0013] 所述多温水箱的每一个环形水箱内均分别设置至少一个均温器并固连，所述均温 器上设置若干个过流孔，均温器置于多温水箱高度的1/4~1/2处，以消除储热水箱的热分 层现象，提高储热水箱容积利用率。
[0014] 所述每一个环形间隔壁的结构相同，其材料和厚度相同或不同，具体结构是：它包 括外壁、内壁和保温隔热层，所述外壁和内壁均为环形，所述外壁套接在内壁上，保温隔热 层置于外壁和内壁之间并固连。
[0015] -种恒温蓄热、多温供热的工民两用储热器的实现方法，它包括设计计算方法和 运行调整方法，其特征在于:其设计计算方法步骤如下：
[0016] 1)根据用户对各水箱水温和水量的需求，设定热风通道的结构尺寸、环形间隔壁 的层数和多温水箱的外侧环形水箱的结构尺寸；
[0017] 2)优化设计多温水箱的中心水箱和各环形水箱以及储热房的结构尺寸；
[0018] 3)计算确定多温水箱的各环形间隔壁的厚度：
[0019] 4)根据温度预报曲线和储热房外墙的结构尺寸确定本发明恒温蓄热、多温供热的 工民两用储热器的散热量；
[0020] 5)检验设定的热风通道、低温水箱、各环形间隔壁以及储热房的外墙壁结构尺寸 的可行性与经济性。
[0021] -种恒温蓄热、多温供热的工民两用储热器的实现方法，它包括设计计算方法和 运行调整方法，其运行调整方法包括在线计算确定热风流过热风通道与多温水箱的外侧环 形水箱外壁的换热过程、在线计算确定低温时段的多温水箱的外侧环形水箱向环境的散热 过程，其特征在于:步骤如下：
[0022] 1)利用计算机在线计算确定高温时段多温水箱的外侧环形水箱的最大吸热量，并 迭代确定最佳的热风通道和储热房外墙的厚度；
[0023] 2)在线计算确定热风流过热风通道与多温水箱的外侧环形水箱外壁的换热过程；
[0024] 3)在线计算确定低温时段的多温水箱的外侧环形水箱向环境的散热过程；
[0025] 4)环境气温te高于多温水箱的外侧环形水箱的水温时段:打开进风口和出风口， 将环境的高温热风由鼓风机栗入进风口，温度高于多温水箱的外侧环形水箱的热风沿着多 温水箱的外侧环形水箱的外侧表面对其进行强制对流换热，同时，通过信息采集与控制系 统连续监测多温水箱的外侧环形水箱的水温和稳温水箱的饱和蒸汽空间的压力，并自动维 持稳温水箱的水恒为饱和状态，以保证整个吸、放热过程都是在最佳水温下进行的相变过 程，热风换热降温后经出风口排往环境；
[0026] 5)环境气温te低于多温水箱的外侧环形水箱的水温时段:关闭进风口和出风口