CN111500263A - 一种严寒区相变储热混凝土结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑供能、节能技术领域，具体涉及一种严寒区相变储热混凝土结构。所述的结构包括相变材料封装器(12)、热盘管(11)、钢筋混凝土(13)和温度传感器；相变材料封装器(12)内密封封装有相变储热材料，相变材料封装器(12)阵列排列在地基基坑内；热盘管(11)螺旋型和/或迂回型盘绕于相变材料封装器(12)周围；热盘管(11)的一个末端连接集水器，集水器与热媒循环泵连接，另一末端与分水器连通；热盘管(11)内填充热媒；温度传感器设置于热盘管(11)和相变材料封装器(12)之间；热盘管(11)和相变材料封装器(12)浇筑钢筋混凝土(13)。本发明的优点：(1)结构稳定。(2)相变储热材料具有缓储缓释功能。(3)结构强度可控。(4)适用于公共旱厕粪池反应器的储热与供热增温。(5)应用范围广。

Description

一种严寒区相变储热混凝土结构
技术领域
本发明涉及建筑供能、节能技术领域，具体涉及一种严寒区相变储热混凝土结构。
背景技术
高原严寒农牧区环境条件特殊，年平均气温接近或低于0℃，慢长的采暖期长达6～10个月，加上高原严寒农牧区人口稀少，水电热设施配套难度大、成本高。因此，利用相变储热材料作为建筑材料或辅料有很高的经济和社会价值。
现有技术提供的相变蓄热建筑结构复杂，施工和维护复杂，难以在高原严寒农牧区推广。
另外，传统公共旱厕粪尿结冻，粪便微生物代谢所需环境温度不能保持，微生物代谢接近止息。粪便无害化天气生态动力因子(主要是气温)的影响最为显著，导致无害化中关键和有效的厌氧消化难以实现。进入非采暖期后，不能及时升温消化腐熟无害化，源自不同地区人群携带的病原体、传染病很容易蔓延，导致卫生隐患。
高原严寒农牧区人口稀少，水电热设施配套难度大、成本高，在一定时期内旱厕的使用具有必要性。采暖期粪便的温度保持、非采暖期粪便的升温消化腐熟是寒区公共旱厕面临的关键难题，如得到妥善解决，严寒区公共旱厕的应用将具有可行性。。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种相变温度适合、材料相变潜热较高、缓储缓释功能以及突出的稳定性、易得性、经济性、可操作性的相变储热混凝土结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种严寒区相变储热混凝土结构，包括相变材料封装器12、热盘管11、钢筋混凝土13和温度传感器；
所述的相变材料封装器12内密封封装有相变储热材料，相变材料封装器12阵列排列在地基基坑内；
热盘管11螺旋型和/或迂回型盘绕于相变材料封装器12周围；热盘管11的一个末端连接集水器，集水器与热媒循环泵连接，另一末端与分水器连通；热盘管11内填充热媒；
温度传感器设置于热盘管11和相变材料封装器12之间；
热盘管11和相变材料封装器12浇筑钢筋混凝土13。
进一步的，所述的混凝土结构设置于最大冻土深度以下。
进一步的，所述的相变材料封装器12内封装有相变储能材料；相变储能材料包括纯净水47.89wt％，无水氯化钙50.11wt％，成核剂硼砂1wt％，增稠剂羧甲基纤维素钠1wt％。
进一步的，所述的相变材料封装器12内还设置有多孔支撑材料；所述的多孔支撑材料为膨胀珍珠岩颗粒。
进一步的，所述的相变材料封装器12为PVC管道和/或带盖塑料桶，PVC管道端部用同种材料和胶水封堵。
进一步的，所述的热盘管11为PR-PE管材。
进一步的，所述的所述相变储能材料的相变温度为20～30℃，相变潜热≥100kJ/kg。
进一步的，所述的混凝土结构作为建筑基础垫层、建筑墙体或其他结构体跨天气周期和昼夜储热释热使用。
进一步的，所述的混凝土结构埋设于粪池反应器一室、粪池反应器二室下部，冬季可保持粪便微生物活性不结冻，春夏秋季升温腐熟无害化后清掏施用。
本发明还提供一种严寒区相变储热混凝土结构中的相变储能材料的制备封装方法。
相变储能材料的制备封装方法包括以下步骤：
S1按配方将纯净水加热至40～50℃，缓慢加入无水氯化钙并搅拌至完全溶解；
S2按配方称取硼砂，缓慢加入至S1步骤所得的溶液中并搅拌至完全溶解；
S3按配方称取羧甲基纤维素钠，缓慢撒入至S2所得混合液中搅拌至羧甲基纤维素钠完全溶解，制得糊状胶液；
S4上述糊状胶液在40～50℃条件下，缓慢加入膨胀珍珠岩颗粒，持续搅拌至相变储热材料充分融入膨胀珍珠岩颗粒孔隙；
S5将S4步骤制得的混合物封装入封底的PVC管道或塑料桶后，密封。
本发明提供的严寒区相变储热混凝土结构，相变储热材料属无机水合盐类复合材料，主要由六水氯化钙、成核剂、增稠剂等组成，所述多孔支撑(基体)材料为膨胀珍珠岩颗粒，具有孔隙和缓储缓释功能；相变材料封装器为具有良好的密封耐腐功能PVC管桶，所述热盘管为PR-PE管材；温度传感器(防爆)及线管可实现温度远程显示控制；钢筋混凝土可依据建筑结构设计。
本发明提供的相变储热材料比热容较高，相变潜热可稳定在100kJ/kg以上，约是水的相变潜热的25倍以上，分散布置、缓储缓释，在混凝土结构中体积分数占用较小，结构强度可控。
相变储热材料及其结构性能稳定，价格低廉，现场制备简便安全，选择热惰性、多孔材料为支撑(基体)材料，如膨胀珍珠岩颗粒、膨胀珍珠岩粉末按一定比例与相变储热材料混合搅拌，形成缓储缓释相变储热材料，孔隙率高、惰性强、弹塑性好、缓储缓释；采用PVC管桶封装稳定耐久、操作便捷、密封性强；采用PR-PE热盘管低温热媒供热，材料温变时结构耐久性有保障。
相变储热材料及其结构在严寒区极端天气下，建筑物、构筑物的集、供热***负荷出现供不应求现象，埋设相变储热混凝土结构在粪池反应器最大冻土深度以下，跨天气周期、跨昼夜储热调峰、缓慢释热，明显削减极端天气集、供热***规模和负荷，利用可再生能源辅助提升供热安全。
本发明提供的严寒区相变储热混凝土结构应用于公共卫生厕所时，相变储热混凝土结构埋设于粪池反应器一室(生料收集室)、粪池反应器二室(熟料消化室)下部，冬季可保持粪便微生物活性不结冻，春夏秋季升温腐熟无害化后清掏施用。粪池反应器一室和粪池反应器二室下部的相变储热混凝土结构和外部的保温结构的设置依热平衡计算确定。本发明提供的相变储热材料相变温度介于20～30℃，接近微生物厌氧消化所需的适宜环境温度，适用于公共旱厕粪池反应器的储热与供热增温。
本发明提供的严寒区相变储热混凝土结构，选取人体、植物、微生物等相对舒适的20～30℃温度范围的相变储热材料，装填浇筑其中，集供热负荷低时储存一定相变潜热，在超过计算温度的极端天气下释放相变潜热，优化配置集供热***负荷，补充***集供热不足的缺陷，提高供热保障率、稳定度。
在严谨计算、设计实验、制备施工基础上，本发明提供的严寒区相变储热混凝土结构，可作为建筑基础垫层、建筑墙体或其他结构体跨天气周期和昼夜储热释热。如：粪池反应器底部与下部垫层储热供热实现粪便无害化；严寒区具有集供热条件的民用与公共建筑地暖；严寒区温室大棚地暖、墙暖；等等。
与现有技术相比，本发明提供的严寒区相变储热混凝土结构的优点：
(1)结构稳定。
(2)相变储热材料具有缓储缓释功能。
(3)相变储热材料在混凝土结构中体积分数占用较小，结构强度可控。
(4)适用于公共旱厕粪池反应器的储热与供热增温。
(5)应用范围广。
附图说明
图1是本发明提供的严寒区相变储热混凝土结构的I-I剖面图。
图2是本发明提供的严寒区相变储热混凝土结构的热盘管、封装器平面布置图。
图3是本发明提供的严寒区相变储热混凝土结构的应用于公共卫生间时的粪池反应器平面图
图中，1为墙体、2为粪池反应器一室、3为粪池反应器二室、4为检查井一、5为检查井二、6为检查井三、7为过粪口、8为室间闸板、9为集水器、10为分水器、11为热盘管、12为相变材料封装器、13为钢筋混凝土。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，以下实施例对本发明的作进一步详细描述，以下实施例仅用于说明发明，但不用来限制本发明的范围。
一种严寒区相变储热混凝土结构，包括相变材料封装器12、热盘管11、钢筋混凝土13和温度传感器；
所述的相变材料封装器12内密封封装有相变储热材料，相变材料封装器12阵列排列在地基基坑内；
热盘管11螺旋型和/或迂回型盘绕于相变材料封装器12周围；热盘管11的一个末端连接集水器，集水器与热媒循环泵连接，另一末端与分水器连通；热盘管11内填充热媒；
温度传感器设置于热盘管11和相变材料封装器12之间；
热盘管11和相变材料封装器12浇筑钢筋混凝土13。
进一步的，所述的混凝土结构设置于最大冻土深度以下。
进一步的，所述的相变材料封装器12内封装有相变储能材料；相变储能材料包括纯净水47.89wt％，无水氯化钙50.11wt％，成核剂硼砂1wt％，增稠剂羧甲基纤维素钠1wt％。
进一步的，所述的相变材料封装器12内还设置有多孔支撑材料；所述的多孔支撑材料为膨胀珍珠岩颗粒。
进一步的，所述的相变材料封装器12为PVC管道和/或带盖塑料桶，PVC管道端部用同种材料和胶水封堵。
进一步的，所述的热盘管11为PR-PE管材。
进一步的，所述的所述相变储能材料的相变温度为20～30℃，相变潜热≥100kJ/kg。
进一步的，所述的混凝土结构作为建筑基础垫层、建筑墙体或其他结构体跨天气周期和昼夜储热释热使用。
进一步的，所述的混凝土结构埋设于粪池反应器一室、粪池反应器二室下部，冬季可保持粪便微生物活性不结冻，春夏秋季升温腐熟无害化后清掏施用。
本发明还提供一种严寒区相变储热混凝土结构中的相变储能材料的制备封装方法。
相变储能材料的制备封装方法包括以下步骤：
S1按配方将纯净水加热至40～50℃，缓慢加入无水氯化钙并搅拌至完全溶解；
S2按配方称取硼砂，缓慢加入至S1步骤所得的溶液中并搅拌至完全溶解；
S3按配方称取羧甲基纤维素钠，缓慢撒入至S2所得混合液中搅拌至羧甲基纤维素钠完全溶解，制得糊状胶液；
S4上述糊状胶液在40～50℃条件下，缓慢加入膨胀珍珠岩颗粒，持续搅拌至相变储热材料充分融入膨胀珍珠岩颗粒孔隙；
S5将S4步骤制得的混合物封装入封底的PVC管道或塑料桶后，密封。
实施例1
结合图1～2所示，一种严寒区相变储热混凝土结构，包括相变材料封装器12、热盘管11、钢筋混凝土13和温度传感器；所述的相变材料封装器12内密封封装有相变储热材料，相变材料封装器12阵列排列在地基基坑内；热盘管11螺旋型和/或迂回型盘绕于相变材料封装器12周围；热盘管11的一个末端连接集水器，集水器与热媒循环泵连接，另一末端与分水器连通；热盘管11内填充热媒；温度传感器设置于热盘管11和相变材料封装器12之间；热盘管11和相变材料封装器12浇筑钢筋混凝土13。
所述的混凝土结构设置于最大冻土深度以下。
所述的相变材料封装器12内封装有相变储能材料；相变储能材料包括纯净水47.89wt％，无水氯化钙50.11wt％，成核剂硼砂1wt％，增稠剂羧甲基纤维素钠1wt％。
所述的相变材料封装器12内还设置有多孔支撑材料；所述的多孔支撑材料为膨胀珍珠岩颗粒。
所述的相变材料封装器12为PVC管道，PVC管道端部用同种材料和胶水封堵。
所述的热盘管11为PR-PE管材。
所述的所述相变储能材料的相变温度为20～30℃，相变潜热100kJ/kg。
所述的混凝土结构作为建筑基础垫层使用。
实施例2
结合图1～3所示，一种严寒区相变储热混凝土结构，包括相变材料封装器12、热盘管11、钢筋混凝土13和温度传感器；所述的相变材料封装器12内密封封装有相变储热材料，相变材料封装器12阵列排列在地基基坑内；热盘管11螺旋型和/或迂回型盘绕于相变材料封装器12周围；热盘管11的一个末端连接集水器，集水器与热媒循环泵连接，另一末端与分水器连通；热盘管11内填充热媒；温度传感器设置于热盘管11和相变材料封装器12之间；热盘管11和相变材料封装器12浇筑钢筋混凝土13。
所述的混凝土结构设置于最大冻土深度以下。
所述的相变材料封装器12内封装有相变储能材料；相变储能材料包括纯净水47.89wt％，无水氯化钙50.11wt％，成核剂硼砂1wt％，增稠剂羧甲基纤维素钠1wt％。
所述的相变材料封装器12内还设置有多孔支撑材料；所述的多孔支撑材料为膨胀珍珠岩颗粒。
所述的相变材料封装器12为带盖塑料桶。
所述的热盘管11为PR-PE管材。
所述的所述相变储能材料的相变温度为20～30℃，相变潜热100kJ/kg。
所述的混凝土结构埋设于粪池反应器一室、粪池反应器二室下部，冬季可保持粪便微生物活性不结冻，春夏秋季升温腐熟无害化后清掏施用。
实施例3
一种严寒区相变储热混凝土结构中的相变储能材料的制备封装方法。
相变储能材料的制备封装方法包括以下步骤：
S1按配方将纯净水加热至45℃，缓慢加入无水氯化钙并搅拌至完全溶解；
S2按配方称取硼砂，缓慢加入至S1步骤所得的溶液中并搅拌至完全溶解；
S3按配方称取羧甲基纤维素钠，缓慢撒入至S2所得混合液中搅拌至羧甲基纤维素钠完全溶解，制得糊状胶液；
S4上述糊状胶液在45℃条件下，缓慢加入膨胀珍珠岩颗粒，持续搅拌至相变储热材料充分融入膨胀珍珠岩颗粒孔隙；
S5将S4步骤制得的混合物封装入封底的PVC管道或塑料桶后，密封。
实施例4
相变储热材料包括纯净水47.89％，无水氯化钙50.11％，成核(抑制)剂硼砂(Na2B4O7·10H2O)1％，增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)1％。多孔支撑(基体)材料为膨胀珍珠岩颗粒。封装容器为PVC管道DN200，端部用同种材料封堵，或合适尺寸的加盖塑料桶。传热增温介质包括PR-PE热盘管DN20，充填热媒，集分水器，热媒循环泵等。结构材料为(钢筋)混凝土，结构强度、性能、尺度等，依据设计相关规定要求确定。
相变储热材料制备：以100千克为例。取200升配料桶，倒入纯净水47.89kg，水浴加温至45℃并保持。取无水氯化钙50.11kg，缓慢加入并搅拌，至完全溶化。取硼砂粉末1kg，缓慢加入，均匀搅拌，至完全溶化。取羧甲基纤维素钠(CMC)1kg，持续搅拌，缓慢均匀地撒到配料桶内，待CMC和混合液充分溶化、融合后，配制成糊状胶液，即六水氯化钙相变储热材料。
封装与砌筑浇筑：在前述糊状胶液中缓慢加入膨胀珍珠岩颗粒，水浴温度保持45℃，均匀搅拌，至相变储热材料充分融入孔隙，取封底PVC管道或塑料桶，装填、密封，按预先设计的阵列砌筑浇筑，敷设PR-PE热盘管，埋设温度传感器及线管，养护，形成缓储缓释相变储热混凝土结构。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种变换，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和步骤，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的结构包括相变材料封装器(12)、热盘管(11)、钢筋混凝土(13)和温度传感器；
所述的相变材料封装器(12)内密封封装有相变储热材料，相变材料封装器(12)阵列排列在地基基坑内；
热盘管(11)螺旋型和/或迂回型盘绕于相变材料封装器(12)周围；热盘管(11)的一个末端连接集水器，集水器与热媒循环泵连接，另一末端与分水器连通；热盘管(11)内填充热媒；
温度传感器设置于热盘管(11)和相变材料封装器(12)之间；
热盘管(11)和相变材料封装器(12)浇筑钢筋混凝土(13)。
2.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的混凝土结构设置于最大冻土深度以下。
3.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的相变材料封装器(12)内封装有相变储能材料；相变储能材料包括纯净水47.89wt％，无水氯化钙50.11wt％，成核剂硼砂1wt％，增稠剂羧甲基纤维素钠1wt％。
4.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的相变材料封装器(12)内还设置有多孔支撑材料；所述的多孔支撑材料为膨胀珍珠岩颗粒。
5.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的相变材料封装器(12)为PVC管道和/或带盖塑料桶，PVC管道端部用同种材料和胶水封堵。
6.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的热盘管(11)为PR-PE管材。
7.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的所述相变储能材料的相变温度为20～30℃，相变潜热≥100kJ/kg。
8.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的混凝土结构作为建筑基础垫层、建筑墙体或其他结构体跨天气周期和昼夜储热释热使用。
9.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于：所述的混凝土结构埋设于粪池反应器一室、粪池反应器二室下部，冬季可保持粪便微生物活性不结冻，春夏秋季升温腐熟无害化后清掏施用。
10.根据权利要求1所述的一种严寒区相变储热混凝土结构，其特征在于，所述的相变储能材料的制备封装方法包括以下步骤：
S1按配方将纯净水加热至40～50℃，缓慢加入无水氯化钙并搅拌至完全溶解；
S2按配方称取硼砂，缓慢加入至S1步骤所得的溶液中并搅拌至完全溶解；
S3按配方称取羧甲基纤维素钠，缓慢撒入至S2所得混合液中搅拌至羧甲基纤维素钠完全溶解，制得糊状胶液；
S4上述糊状胶液在40～50℃条件下，缓慢加入膨胀珍珠岩颗粒，持续搅拌至相变储热材料充分融入膨胀珍珠岩颗粒孔隙；
S5将S4步骤制得的混合物封装入封底的PVC管道或塑料桶后，密封。
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