CN108458617A - 用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，包括设置在蓄热水体侧面的侧面柔性阻隔层和设置在蓄热水体表面的顶部柔性阻隔层，侧面柔性阻隔层和顶部柔性阻隔层的侧边缘外伸到蓄热水池的围堰上然后向下外翻分别形成底部凹槽和上部凹槽，上部凹槽位于底部凹槽的上方，上方凹槽和底部凹槽之间的空间中填充多孔介质材料，形成有微通道，蓄热水体内形成的气体或溢流出来的水通过微通道被排出，该装置解决了蓄热水体内气体无法排除造成的保温盖变形，错位等问题。

Description

用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置

技术领域

本发明涉及一种蓄热水池的排气排水装置。

背景技术

蓄能技术是太阳能、风能等可再生能源高效利用的关键，其中蓄热储能技术是一种重要的蓄能方式。经过多年的发展，已经形成不同的技术领域。蓄热技术的研究过去主要集中在人造水箱（罐）蓄热、水体砾石蓄热、土壤蓄热及地下含水层蓄热等方面。目前国内太阳能热利用系统多采用人造水箱短期储热（约2-3天）技术，仅能满足生活热水需要，无法达到热能跨夏冬两季的长期储存和利用，不能满足建筑采暖的广泛需求。大型人造水箱（罐）、水体或砾石蓄热具有高热容，良好的蓄/释热性能，性能稳定、无环境污染等优点，但大型人造水箱（罐）保温工程困难，造价高昂。土壤蓄热系统通常采用地埋管将热能存储到地下土壤中，该技术的优点是无需人造蓄热设备，造价相对低，但系统热损失高，所需蓄热容积大，对周围生态环境有影响，且对地质结构具有选择性，仅适用于岩石和饱和水土壤环境。利用地下天然含水层作为蓄热水箱，具有造价低的优点，但对地质环境要求苛刻，系统运行易出现塞井、腐蚀及霉菌等现象。大容积水池蓄热技术是一种通过提高人工水池中水体温度实现储能目的的显热储热技术，具有造价低、蓄热放热速率快、热损系数低、能跨季热能存储的优势，可结合太阳能集热器、风电、光电、热泵、热电联产机组等多种可再生能源技术，充分提高能源利用率和可再生能源的占比，实现清洁能源区域供热的目标，得到了国际上的重视。

蓄热技术的一个研究重点和难点是蓄热体的热损失。为了降低蓄热体的热损失，一方面可通过改进保温材料保温性能、设计无冷桥保温盖结构等方法，另一方面是提高蓄热体容量，建设大容积的蓄热体。通过大容积的蓄热体，可以在保温性能保持不变的情况下，大幅度降低蓄热体的热损系数，以实现将热量长期甚至跨季节存储的目的。单位蓄热体的散热表面积随着蓄热体体积的增大而迅速降低，当蓄热水体的体积从100 立方米增大到100,000 立方米时，单位立方蓄热水体的散热比表面积从1.2 平方米降低到0.1 平方米，在单位散热表面积保温性能不变的前提下，单位蓄热水体的热损失率将降至1/12。大容积水池蓄热技术正是利用上述技术特性，一方面通过周边土壤和顶部漂浮保温盖进行保温，尽量减低热损；另一方面利用大容积的低热损特性，降低造价、提高蓄热效率，真正实现热量的跨季节存储。大容积水池蓄热技术源于北欧丹麦，早在1983年丹麦科技大学（Technical University of Denmark）建设了世界上第一个500 立方米蓄热水池，取得了宝贵的第一手实验数据。近年来，大容量水池蓄热技术逐步走向成熟，在丹麦陆续建成了5座大规模的蓄热水池，并已经商业化运行，蓄热体容积在60,000-200,000 立方米之间（樊建华, Junpeng Huang, Ola Lie Andersen, Simon Furbo, Thermal performanceanalysis of a solar heating plant，Proceedings of Solar World Congress, 2017,Abu Dhabi, UAE）。

通过对蓄热水池长期运行数据的监测和分析也暴露了一些问题，如目前的顶部漂浮保温盖设计，水体内的气体不易排出，极易滞留在蓄热水池顶部漂浮保温盖与水体液面之间，造成顶部保温盖的鼓起变形，而顶部保温盖的变形极易造成保温材料错位、雨水囤积等问题；保温盖上的雨水常囤积成小湖，对顶部保温盖产生压力，进一步恶化加重顶部保温盖的变形，造成恶性循环，彻底破坏顶部保温层，大大降低保温盖的保温效果。本专利旨在提供一种用于大容积蓄热水池的微通道排气、排水装置和方法。

大容积水体蓄热技术的关键是水体的液面覆盖、防渗防漏、保温和排水排气处理。作为一种季节蓄热技术，人工水体体量较大，一般不低于5000立方米。较大的水体尺寸增加了水体液面的覆盖、保温的难度。国际上大尺寸人工水体在工业、农业和市政等多个领域均有应用，典型的应用方式是池塘、人工水池等形式，用途包括蓄水储液、蓄热储能、太阳池等。尽管应用形式不同，水体的液面都需要一定程度的覆盖、密闭或者保温。

目前，国内外已经有专利公开了不同的液面覆盖膜层设计方案以达到封闭、保护液面的目的。国内专利中，专利CN99233384.9 （申请人杨诗模）公开了一种漂浮柔性膜层，由上压环、下压环、浮环和密闭环组成；专利CN200520096791.9（申请人田继红）公开了一种单层膜式柔性浮顶，四周设置密封带；专利CN200720062227.4（申请人杨诗模）公开了一种柔性膜层浮顶，并给出了浮顶外缘与容器结合部各种配合方式以及位于膜层中心的排水装置。上述专利都没有涉及到膜层下方气体的排出问题。

国外专利中，如专利US3980199 （申请人W.B. Kays）公开了一种排气装置，用于排除膜层与液面间的气体；专利US3991900 （申请人N. R. Burke等）公布了一种带凹槽的顶部覆膜，具有液面覆盖和雨水收集功能；专利US4446983 （申请人D. H. Gerber）和专利US4476992 （申请人D. H. Gerber）、US4603790（申请人D. H. Gerber）分别公开了不同的柔性膜层设计方案，具有将雨水从中心引导至特定凹槽并排出的功能；专利US4672691 （申请人C. J. DeGarie等）公开了一种膜层下气体收集、排出的装置；专利US6338169 （申请人C. J. DeGarie）和专利US6357964 （申请人C. J. DeGarie）、US6497533（申请人C. J.DeGarie等）分别公开了不同的发酵池柔性覆膜层的排水、排气设计方案，不同的是前者采用漂浮物组成方形结构置于膜层和水面之间，而后两者采用了在覆膜上配置重力管的形式。专利US5505848 （申请人R. Landine等）和专利US5587080 （申请人R. Landine等）公布了一种气体收集、气水分离装置，置于气体阻隔层下方，用于收集废水池发酵产生的气体。上述专利给出了收集气、水的不同设计方案，但并没有给出如何将气体从膜层下排出的具体方案。

专利US6361249 （申请人D. G. Hodgkinson等）公开了一种负压式抽气装置，用于排出泄湖、化粪池、废水池或者其他水体内的气体。专利US4503988 （申请人D. H. Gerber）公布了一种特定装置可在柔性覆膜层上形成不同的凹槽，同时在水体周边设置导气管，以排出收集的气体，形成负压排气。

上述专利公开的装置都属于主动式排气装置，应用时需结合抽吸泵、真空泵等装置在水体表面和膜层之间形成轻微的真空，将气体吸出，适合于产气量大的水体如发酵池、废水池等。但是膜层和水面之间的真空使得膜层外表面形成一定的正压力，致使膜层局部变形凹陷。降雨发生时，局部凹陷囤积雨水，而囤积的雨水又对膜层产生更大的水压，进一步恶化变形情况。专利US20050242023（申请人C. J. DeGarie）为了解决上述问题，公开了一种解决措施，包括瞬时地有目的地增加集气空间的压力至等于或者略大于空气泡内压力或采用粗糙膜层表面等方式破坏负压造成的吸附现象，但该方案要求的压力控制方法实际操作性不强，压力大小难以准确把握，影响了其具体实施效果。专利CN206231899（申请人中国科学院电工研究所）公开了一种低热损储热水体柔性浮顶，在膜层和液面之间布置了若干气体收集，排出装置。

上述公开的排气装置需要在膜层与水面之间放置不同的装置，增加了施工难度，提高了系统造价。同时蓄热水体具有较大的运行温度区间10-95ᵒC，在此温度区间内水的体积膨胀率最大为3.8%。因为水体容积大，顶部漂浮保温盖的跨度大，水体的热胀冷缩将使顶部柔性阻隔层材料收到拉伸变形，严重时将破坏阻隔层。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，该装置能够将蓄热水体产生的气体或溢流的水排出。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，包括设置在蓄热水体侧面的侧面柔性阻隔层和设置在蓄热水体表面的顶部柔性阻隔层，侧面柔性阻隔层和顶部柔性阻隔层的侧边缘外伸到蓄热水池的围堰上然后向下外翻分别形成底部凹槽和上部凹槽，上部凹槽位于底部凹槽的上方，上部凹槽和底部凹槽之间的空间中形成有微通道。

所述底部凹槽沿着长度方向倾斜，在底部凹槽长度方向的最低点设置有集水通气装置，集水通气装置连通大气并与排水设施相连。

所述微通道由多孔介质或者阻隔层材料间形成的微小通道形成。

底部凹槽和上部凹槽之间填充有多孔介质材料。

顶部柔性阻隔层的上方设置有保温层，保温层上方设置有外部柔性阻隔层，顶部柔性阻隔层、保温层和外部柔性阻隔层组成蓄热水池的保温盖。

顶部柔性阻隔层和外部柔性阻隔层上分别布置配重装置，配重装置沿保温盖中心点的径向方向布置，使得保温盖的高度从四周到中心逐渐降低。

蓄热水体为方形、圆形或其他不规则形状。

蓄热水体形状为倒置的去除顶部的金字塔形状。

本发明具有的技术效果：

1）解决排气问题：水体内形成的气体将上升到漂浮保温盖的顶部柔性阻隔层下方，沿顶部柔性阻隔层往蓄热水体的周边流动并聚集到蓄热水体周边，在微小压力的作用下，气体离开蓄热水体，进入底部凹槽，并通过底部凹槽形成的微流道，流到集水通气装置并排放到大气中；

2）具有呼吸功能：当阻隔层与水体间形成一定的正压时，蓄热水体周边的气体将被排出；当阻隔层与水体间形成一定的负压时，外界的气体将通过微流道结构流入蓄热水体，并停留在水体周边阻隔层与水体形成的空间内，避免了蓄热水体内部过大压力变化对漂浮保温盖造成的破坏变形；

3)具有溢流保护作用：当蓄热水体内的水位过高，溢流过围堰高度时，溢流的水将通过多孔介质的透过作用流入底部凹槽，并顺着底部凹槽流入集水通气装置。既保护了水体，又可以起到溢流报警作用；

4）上部凹槽可收集雨水并将雨水汇流入集水通气装置。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为带微流道排气排水装置的蓄热水池的截面示意图；

图2为图1中A节点详图；

图3为图1中上部凹槽13和底部凹槽12延长度方向截面示意图。

图中1.侧面柔性阻隔层、2.顶部柔性阻隔层、3.保温层、4.外部柔性阻隔层、5.蓄热水体、6.围堰、7.高孔隙率多孔介质、8.低孔隙率多孔介质、9. 人孔、10.保温盖中心点、11.土壤或其他支撑材料、12.底部凹槽、13.上部凹槽、14.集水通气装置。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1

如图1-2所示，一种大容积蓄热水池，包括蓄热水体5，蓄热水体5液面低于周边围堰6所在水平面，蓄热水体5侧面与土壤或者其他支撑材料11之间布置侧面柔性阻隔层1，侧面柔性阻隔层1伸出水体5，达到或接近围堰6高度然后下行，在围堰6下方形成底部凹槽12，底部凹槽12内的底部填充高孔隙率多孔介质7，如但不限于砾石；底部凹槽12的顶部填充低孔隙率多孔介质8，如微小的石粒或沙子。蓄热水体5液面与顶部漂浮保温层3之间布置顶部柔性阻隔层2，顶部柔性阻隔层2伸出水体5，达到或接近围堰6高度然后下行，在围堰下方形成上部凹槽13，上部凹槽13内填充高孔隙率的多孔介质7，上部凹槽13位于底部凹槽12上方，凹槽12和13之间填充低孔隙率、通气性多孔介质8，如微小的石粒或沙子。侧面柔性阻隔层1和顶部柔性阻隔层2之间形成微小的空气流通通道。空气流通通道可由多孔介质形成，也可通过优选的阻隔层材料间形成的微小通道形成。

上部凹槽13和底部凹槽12位于围堰6下方，并至少占据蓄热水体的局部边沿，如图3所示。上部凹槽13和底部凹槽12沿着长度方向具有一定的倾斜度，如但不限于高度与水平距离比值范围为2-10:1000，上部凹槽13和底部凹槽12的最低点设置集水通气装置14。集水通气装置14连通大气且与排水设施连接。

保温层3上铺设外部柔性阻隔层4。外部柔性阻隔层4由耐候性强的柔性材料加工而成，具有抗紫外线老化、抗高温、低温的特性。顶部柔性阻隔层2、保温层3和外部柔性阻隔层4上至少有一个开孔，形成人孔9。人孔9是水体内部检修通道，由可拆卸的保温材料和上盖板组成。人孔9的形状可根据实际情况优化设计，一种优选的形状为圆形。

顶部柔性阻隔层2和外部柔性阻隔层4上分别布置配重装置，配重装置沿保温盖中心点的径向方向布置，配重装置的重量从外往里逐渐增加。配重装置的配置形式多样，但必须达到的目标是：在配置装置的作用下，漂浮保温盖的高度自蓄热水体周边到保温盖中心点10逐渐降低。一个可用的方案是每往保温盖中心点位置方向前进1米漂浮保温盖的高度降低2-10 mm。

该技术方案的作用是通过配重装置使漂浮保温盖形成一定的坡度，水体内形成的气体将上升到漂浮保温盖的顶部柔性阻隔层2下方，沿顶部柔性阻隔层2往蓄热水体的周边流动并聚集到蓄热水体周边。通过侧面柔性阻隔层1和顶部柔性阻隔层2之间形成的微流道，在微小压力的作用下，气体离开蓄热水体5，进入底部凹槽12，并通过底部凹槽12形成的微流道，流到集水通气装置14并排放到大气中。

该技术方案的另外一个作用是其呼吸功能。当水体因热胀冷缩造成大幅体积变化时，在侧面柔性阻隔层1和顶部柔性阻隔层2和蓄热水体5间将形成一定的正压或者负压。当阻隔层与水体间形成一定的正压时，蓄热水体5周边的气体将通过微流道结构被排出；当阻隔层与水体间形成一定的负压时，外界的气体将通过微流道结构流入蓄热水体，并停留在阻隔层与水体形成的空间内，避免了蓄热水体内部过大压力变化对漂浮保温盖造成的破坏变形。

该技术的另外一个作用是溢流保护功能。当蓄热水体5内的水位过高，溢流过围堰6高度时，溢流的水将通过多孔介质的透过作用流入底部凹槽12，并顺着底部凹槽12流入集水通气装置14。既保护了水体，又可以起到溢流报警作用。

该技术的另外一个作用是上部凹槽可收集雨水并将雨水汇流入集水通气装置14。

该蓄热水体5可为方形、圆形或其他不规则形状。在综合考虑建设难度、造价等因素下，优选蓄热水体形状。一种优选的蓄热水体形状为倒置的去除顶部的金字塔形状。

本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的保护范围的前提下，可以对上述实施方式进行各种修改、变化和组合，并且认为这种修改、变化和组合是在独创性思想的范围之内的。

Claims (8)

1.一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，包括设置在蓄热水体侧面的侧面柔性阻隔层和设置在蓄热水体表面的顶部柔性阻隔层，其特征在于，侧面柔性阻隔层和顶部柔性阻隔层的侧边缘外伸到蓄热水池的围堰上然后向下外翻分别形成底部凹槽和上部凹槽，上部凹槽位于底部凹槽的上方，上部凹槽和底部凹槽之间的空间中形成有微通道。

2.如权利要求1所述的一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，其特征在于，所述底部凹槽沿着长度方向倾斜，在底部凹槽长度方向的最低点设置有集水通气装置，集水通气装置连通大气并与排水设施相连。

3.如权利要求2所述的一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，其特征在于，所述微通道由多孔介质或者阻隔层材料间形成的微小通道形成。

4.如权利要求3所述的一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，其特征在于，底部凹槽和上部凹槽之间填充有多孔介质材料。

5.如权利要求3所述的一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，其特征在于，顶部柔性阻隔层的上方设置有保温层，保温层上方设置有外部柔性阻隔层，顶部柔性阻隔层、保温层和外部柔性阻隔层组成蓄热水池的保温盖。

6.如权利要求5所述的一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，其特征在于，顶部柔性阻隔层和外部柔性阻隔层上分别布置配重装置，配重装置沿保温盖中心点的径向方向布置，使得保温盖的高度从四周到中心逐渐降低。

7.如权利要求1所述的一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，其特征在于，蓄热水体为方形、圆形或其他不规则形状。

8.如权利要求7所述的一种用于大容积蓄热水池的微通道排气排水装置，其特征在于，蓄热水体形状为倒置的去除顶部的金字塔形状。