混合泥土储热材料、储能部件制作方法及太阳能供热系统

1.本发明涉及太阳能供热领域，尤其涉及一种混合泥土储热材料、储能部件的制作方法及太阳能供热系统。


背景技术：

2.在能源问题越来越受到重视的今天，利用太阳能直接对建筑进行供暖具有良好的应用前景与节能效益，目前的太阳能供热系统主要通过蓄热水箱来实现能量的存储与释放，但蓄热水箱存在占地体积大，成本高等缺点，且在寒冷地区，冬季温度经常低于零度时，蓄热水箱很可能因结冰而无法使用。虽然可以用乙二醇水溶液替代水，防止结冰情况的出现，但乙二醇溶液成本更高，且对管道等有较大的腐蚀性，仍具有较大的缺陷。
3.对于上述问题，现有技术中提出了在太阳能供热系统中加入显热储能材料，可以有效降低成本，且其适用温度范围更广，同时具有蓄热水箱提高太阳能利用率、降低太阳能波动性、提高采暖季节太阳能供热量等功能，节能效益良好。
4.例如，公开号为cn102898106b的专利文献提出了一种高密实蓄热混凝土及其制备方法，以硫铝酸盐水泥、钢渣和玄武岩组成的集料为主要原料，加入适量石墨、矿渣粉、水和减水剂制备而成。
5.公开号为cn106220099b的专利文献提出了一种储能组合物、其制备方法及其应用。其中，储能组合物由普通硅酸盐水泥、刚性结晶材料、导热改性剂、膨胀系数改性剂和增强剂所组成。
6.但上述专利提出的储热材料的组分繁多，且都采用了水泥为原料，需要加一定量的水进行水化作用，而在低温环境下水分会结冰，体积膨胀，对储能部件造成损坏；另外，水泥硬化后储热材料难以回收，也难以自然降解，造成环境负担。


技术实现要素：

7.针对以上问题，本发明提供了一种组分简单、能够调节冰点以及对环境友好的混合泥土储热材料、具有该混合泥土储热材料的储能部件的制作方法及太阳能供热系统。
8.本发明第一方面提供一种混合泥土储热材料，该混合泥土储热材料包括以下组分：黏土、沙、水和石墨，其中，黏土组分的质量分数范围为60％—81％，沙组分的质量分数范围为10％—20％，石墨组分为粉状石墨，质量分数范围为3％—5％，水组分的质量分数范围为0％-15％。
9.根据该技术方案，本发明提供的混合泥土储热材料成分简单，并且只需混合搅拌即得产品，制作过程简单，无论是材料成本还是人力成本均大大降低。
10.并且，本发明提供的混合泥土储热材料还加入了水和石墨，其中，当水组分的质量分数升高时，混合泥土储热材料的导热率降低、比热容升高、冰点升高，而当水组分的质量分数范围在0％-15％之间时，混合泥土储热材料能够实现较高的储热性能以及环境适应性；粉状石墨能够均匀地分布于混合泥土储热材料中，均匀导热，提高混合泥土储热材料的
导热率，而当石墨组分的质量分数升高时，混合泥土储热材料的导热率升高，冰点降低，从而可以通过分别控制水组分和石墨组分的质量分数，实现对混合泥土储热材料的导热率、比热容以及冰点的调节。
11.特别地，当水组分的质量分数低于6％时，水结冰膨胀引起的混合泥土储热材料的体积的变化小于1％，基本不会对储能部件造成影响，此时无需再考虑混合泥土储热材料的冰点，混合泥土储热材料能够适用于严寒地区。
12.最后，黏土、沙、水和石墨的混合材料易回收，旧装置中的混合泥土储热材料在经过简单的处理后即可重新在新装置中进行储热，即使废弃，混合泥土储热材料也可以迅速与当地的土壤融为一体，对环境友好。
13.作为本发明优选的技术方案，混合泥土储热材料中的沙组分为细沙，细沙组分为粒度小于0.9mm的细沙。
14.根据该技术方案，通过在黏性较高的黏土中混合细沙，能够平衡混合泥土储热材料的黏性。
15.作为本发明优选的技术方案，至少80％的黏土组分为直径小于0.01mm的土壤颗粒。
16.根据该技术方案，黏土组分选择更加细小的土壤颗粒，从而粒径较高的细沙之间可形成相互搭接的骨架结构，而粒径较小的土壤能够填充到粒径较大的细沙相互接触所形成的孔隙内，能够使得混合泥土储热材料的内部较为密实。
17.本发明第二方面提供了一种具有上述混合泥土储热材料的储能部件的制作方法，包括如下步骤：
18.储热材料制备步骤，按比例混合黏土、水、细沙和石墨粉原料，得到混合泥土储热材料；
19.充注步骤，提供储能部件的储能容器，将混合泥土储热材料充注到储能容器中，得到储能部件；
20.运输步骤，将储能容器或储能部件运输至安装地点；
21.判断步骤，判断储能部件的体积是否大于预设值，当判断结果为是，依次执行储热材料制备步骤、充注步骤以及运输步骤，当判断结果为否，依次执行运输步骤、材料制备步骤以及充注步骤。
22.根据该技术方案，对于大型储能部件采用预先充注再运输的方式，能够避免充注过程中安装地点的温度等因素使得混合泥土储热材料混合不均或者操作困难的问题；对于小型储能部件采用先运输后充注的方式，能够降低运输成本，直接在安装现场混合充注，方便快捷。
23.作为本发明优选的技术方案，储能部件的制作方法还包括：
24.储热材料比例确定步骤，在储热材料制备步骤之前，根据安装地点的气温的最低值，确定混合泥土储热材料的黏土、水、细沙和石墨粉的混合比例，使混合泥土储热材料的冰点低于安装地点的气温的最低值。
25.根据该技术方案，通过预先了解安装地点的气温情况，能够根据当地的气温确定最适合的混合泥土储热材料的组分比例，从而保证具有混合泥土储热材料的储热部件能够在安装地点持续储热。
26.本发明第三方面提供了一种具有上述储能部件的太阳能供热系统，该太阳能供热系统包括：
27.太阳能集热环路，由太阳能集热器和储能部件串联形成的环路；
28.供热循环环路，由供热装置和与储能部件进行换热的换热器串联形成的环路，
29.太阳能集热环路和供热循环环路上均设置有流量控制装置。
30.根据该技术方案，在太阳能集热环路中，太阳能集热器收集的热量通过环路进入储能部件中进行存储；在供热循环环路中，换热器吸收的储能部件的热量通过环路输送至供热装置，供热装置向外部供热，通过调节两个环路上介质的流量，能够控制两个环路中的介质温度，从而持续稳定地向外供热。
31.作为本发明优选的技术方案，供热循环环路还包括辅助热源，与储能部件和换热器串联。
32.根据该技术方案，当太阳能不足时，换热器无法由储能部件吸收到足够的热量，为了维持供热的持续稳定，可以打开供热循环环路上的辅助热源对循环介质进行加热。
33.作为本发明优选的技术方案，太阳能供热系统还包括：
34.温度检测器，检测太阳能集热器的出口温度、储能部件的温度以及供热装置的进水温度；控制器，根据温度检测器检测的温度数据，控制流量控制装置以及辅助热源的开闭。
35.根据该技术方案，本发明提供的太阳能供热系统能够实时监测太阳能集热环路和供热循环环路中的温度，并根据温度调节太阳能集热环路和供热循环环路的流量，从而实现对太阳能供热系统的供热温度进行实时控制，保证太阳能供热系统的供热稳定。
附图说明
36.图1是本发明实施方式的混合泥土储热材料的太阳能保证率随石墨组分的质量分数和水组分的质量分数(含水量)变化的3d线条图。
37.图2是本发明实施方式的混合泥土储热材料的太阳能保证率d随石墨组分的质量分数和水组分的质量分数(含水量c)变化的2d线条图。
38.图3是本发明实施方式提供的具有混合泥土储热材料的储能部件的制作方法的流程图。
39.图4是本发明实施方式提供的太阳能供热系统的结构示意图。
40.附图标记：
41.100-太阳能集热环路；200-供热循环环路；1-太阳能集热器；2-流量控制装置；21-第一流量控制装置；22-第二流量控制装置；3-储能部件；4-换热器；5-供热装置；6-辅助热源。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
43.第一实施方式
44.本发明第一实施方式中提供了一种由黏土、水和石墨混合而成的混合泥土储热材料。优选地，在本实施方式提供的混合泥土储热材料中，各组分的质量分数范围为：石墨3％—5％、沙10％—20％、黏土60％—81％，以及，水0％—15％。
45.其中，黏土组分作为混合泥土储热材料的主要组分，至少80％的黏土组分为直径小于0.01mm的土壤颗粒，从而该黏土组分可以直接由土壤通过简单的过筛处理得到，成本低、环境相容性好、并且直径小的黏土具有较高的粘性和可塑性，便于后续塑形和充注。
46.进一步地，为了平衡黏土组分的黏度，沙组分可以为粒度小于0.9mm的细沙组分，通过在黏性较高的黏土中混合细沙，能够平衡混合泥土储热材料的黏性，并且黏土组分的粒径小于细沙的粒径，从而粒径较高的细沙之间可形成相互搭接的骨架结构，而粒径较小的土壤能够填充到粒径较大的细沙相互接触所形成的孔隙内，能够使得混合泥土储热材料的内部较为密实。
47.水组分和石墨组分为混合泥土储热材料的调节组分。图1和图2是本发明实施方式的混合泥土储热材料的太阳能保证率d随石墨组分的质量分数和水组分的质量分数(含水量c)变化的3d线条图和2d线条图；表1是本发明实施方式中不同比例的石墨组分和水组分形成的混合泥土储热材料的物性参数表。
48.结合图1、图2和表1来看，当水组分的质量分数升高时，混合泥土储热材料的导热率降低、比热容升高、冰点升高，混合泥土储热材料的太阳保证率也升高；反之，当水组分的质量分数降低时，混合泥土储热材料的导热率升高、比热容降低、冰点降低，太阳能保证率也降低。
49.特别地，当水组分的质量分数低于6％时，水结冰膨胀引起的混合泥土储热材料的体积的变化小于1％，基本不会对储能部件造成影响，此时无需再考虑混合泥土储热材料的冰点，混合泥土储热材料能够适用于严寒地区。
50.石墨组分为粉状石墨，粉状石墨能够均匀地分布于混合泥土储热材料中，均匀导热。当石墨组分的质量分数升高时，混合泥土储热材料的导热率升高，冰点降低，比热容升高，太阳能保证率降低；当石墨组分的质量分数降低时，混合泥土储热材料的导热率降低，冰点升高，比热容降低，太阳能保证率升高，从而可以通过分别控制水组分和石墨组分的质量分数，实现对混合泥土储热材料的导热率、冰点、比热容及太阳能保证率进行调节。
51.表1.不同比例的石墨组分和水组分形成的混合泥土储热材料的物性参数表
52.[0053][0054]
在本实施方式中，首先，本实施方式提供的混合泥土储热材料成分简单，主要组分为土壤颗粒，成本低且易获得，组分之间也无需进行化学反应，只需简单混合搅拌即可制成，制作过程简单，无论是材料成本还是人力成本均大大降低。
[0055]
并且，本实施方式提供的混合泥土储热材料中还掺杂了少量水和石墨作为调节组分，其中，通过控制水和石墨的比例，可以调节混合泥土储热材料的导热率、冰点、比热容和太阳能保证率，从而能够适应更复杂的工作情况，例如通过控制水的比例，调节混合泥土储热材料的冰点使得混合泥土储热材料适用于寒冷环境中。
[0056]
最后，黏土、水、细沙和石墨的混合材料易回收，旧装置中的混合泥土储热材料在经过简单的处理后即可重新在新装置中进行储热，即使废弃，混合泥土储热材料中的黏土、水、细沙以及石墨都可以迅速与当地的土壤融为一体，对环境友好。
[0057]
第二实施方式
[0058]
本发明第二方面提供了一种具有第一实施方式中的混合泥土储热材料的储能部件的制作方法，图3是本发明实施方式提供的具有混合泥土储热材料的储能部件的制作方法的流程图。
[0059]
如图3所示，本实施方式提供的储能部件的制作方法包括如下步骤：储热材料制备步骤s1，按比例混合黏土、水、细沙和石墨粉原料，得到混合泥土储热材料。
[0060]
充注步骤s2，提供储能部件的储能容器，将混合泥土储热材料充注到储能容器中，得到储能部件。
[0061]
运输步骤s3，将储能容器或储能部件运输至安装地点。
[0062]
判断步骤s4，判断储能部件的体积是否大于预设值，当判断结果为是，依次执行储热材料制备步骤、充注步骤以及运输步骤，当判断结果为否，依次执行运输步骤、材料制备步骤以及充注步骤。
[0063]
其中，优选地，储能部件的制作方法还包括：储热材料比例确定步骤s0，在储热材料制备步骤之前，根据安装地点的气温的最低值，确定混合泥土储热材料的黏土、水、细沙和石墨粉的混合比例，使混合泥土储热材料的冰点低于安装地点的气温的最低值，特别地，
当水的质量分数低于6％时，无需再考虑混合泥土储热材料的冰点。
[0064]
举例而言，安装地点在温暖地区，最冷月平均温度在0—10℃之间。首先执行储热材料比例确定步骤s0，根据当地的最冷月平均温度以及表1中的数据确定石墨粉的质量分数为3％，水质量分数为13％，此时，由表1可知，混合泥土储热材料的冰点为-1.73℃，低于最冷月平均温度，并且有一定的安全余量、导热率为1.581wkg-1
k-1
、比热容为1356.69jkg-1
k-1
，太阳能保证率较高。
[0065]
在确定好各原料比例后，执行判断步骤s4，温暖地区所用储能部件一般体积较小，判断结果为否；接着执行运输步骤s3，将储能容器运输至安装地点；然后执行储热材料制备步骤s1，将各原料按比例混合在一起，搅拌均匀，得到混合泥土储热材料；最后执行充注步骤s2，将制备好的混合泥土储热材料充注到储能部件中。
[0066]
安装地点在寒冷地区，最冷月平均温度在0—-10℃之间。首先执行储热材料比例确定步骤s0，根据当地的最冷月平均温度以及表1中的数据确定石墨粉的质量分数为5％，水质量分数为6％，此时，由表1可知，混合泥土储热材料的冰点为-11.14℃，低于最冷月平均温度，并且有一定的安全余量、导热率为2.027wkg-1
k-1
、比热容为1133.95jkg-1
k-1
，太阳能保证率一般。
[0067]
在确定好各原料比例后，执行判断步骤s4，寒冷地区所用储能部件一般体积较大，判断结果为是；接着执行储热材料制备步骤s1，将各原料按比例混合在一起，搅拌均匀，得到混合泥土储热材料；然后执行充注步骤s2，将制备好的混合泥土储热材料充注到储能部件中；最后，执行运输步骤s3，将充注有混合泥土储热材料的储能部件运输至安装地点。
[0068]
在本实施方式中，对于大型储能部件采用预先充注再运输的方式，能够避免充注过程中安装地点的温度等因素导致混合泥土储热材料混合不均或者操作困难的问题；对于小型储能部件采用先运输后充注的方式，能够降低运输成本，直接在安装现场混合充注，方便快捷，并且，通过预先了解安装地点的气温情况，并根据当地的气温确定最适合的混合泥土储热材料的组分比例，从而能够保证混合泥土储热材料在安装地点的持续运行。
[0069]
第三实施方式
[0070]
本发明的第三方面提供了一种具有第二实施方式中的储能部件的太阳能供热系统，图4是本发明实施方式提供的太阳能供热系统的结构示意图。
[0071]
如图4所示，该太阳能供热系统包括太阳能集热环路100和供热循环环路200。
[0072]
其中，太阳能集热环路100是由太阳能集热器1、储能部件3以及第一流量控制装置21串联形成的环路。
[0073]
供热循环环路200是由供热装置5、与储能部件3进行换热的换热器4以及第二流量控制装置22串联形成的环路，优选地，供热循环环路200上还串联有辅助热源6。具体而言，太阳能集热器1将太阳能转换为热能，加热太阳能集热环路100中的流动介质，太阳能集热器1可以为真空管集热器、平板集热器等。被加热的流动介质进入储能部件3中，热量被混合泥土储热材料吸收，混合泥土储热材料升温。
[0074]
换热器4与储热部件3相邻设置，能够与储热部件3中的混合泥土储热材料进行换热，从而太阳能集热环路100中收集到的热量进入供热循环环路200中，换热器4为间壁式换热器，在此不做限定。
[0075]
经过换热器4后的流动介质将热量输送至供热装置5中，从而能够将太阳能转换为
热能并向外部供热。
[0076]
优选地，太阳能供热系统还包括检测太阳能集热器1的出口温度、储能部件3的温度以及供热装置5的进水温度的温度检测器(未示出)，该温度检测器可以为分别设置在太阳能集热环路100和供热循环环路200上的检测器，举例而言，温度检测器可以为设置在太阳能集热环路100中太阳能集热器1下游的第一温度检测器，设置在储能部件3内的第二温度检测器，以及，设置在供热循环环路200中供热装置5上游的第三温度检测器。
[0077]
优选地，太阳能供热系统还包括根据第一、第二、第三温度检测器检测的温度数据，分别控制第一、第二流量控制装置2以及辅助热源6的开闭的控制器(未示出)。
[0078]
具体而言，控制器能够比对第一温度检测器和第二温度检测器检测的第一温度和第二温度，当第一温度在预设的温度区间内，并且第一温度大于第二温度时，控制器控制第一流量控制装置21开启，即开启太阳能集热环路100；当第一温度在预设的温度区间内，但第一温度小于第二温度时，控制器控制第一流量控制装置21减小太阳能集热环路100的流量，直至第一温度重新大于第二温度，若第一流量控制装置21减小到预设的最低流量时，第一温度还是小于第二温度，则控制第一流量控制装置21关闭；当第一温度不在预设的温度区间内时，控制器控制第一流量控制装置21关闭，即关闭太阳能集热环路100。
[0079]
控制器还能够根据第三温度检测器检测的第三温度控制第二流量控制装置，当第三温度大于最低阈值时，控制第二流量控制装置22开启，即供热循环环路200开启；当第三温度大于最高阈值时，控制第二流量控制装置22增大供热循环环路200的流量，直至第三温度重新回到阈值内；当第三温度小于最低阈值时，控制第二流量控制装置22减小供热循环环路200的流量，若第二流量控制装置22减小到预设的最低流量时，控制器控制辅助热源6开启。
[0080]
举例而言，所用太阳能集热器1为真空管集热器，太阳能集热器1出口温度控制在40—180℃之间。当控制系统检测到太阳能集热器1出口温度高于储能部件3温度2℃且太阳能集热器1出口温度大于40℃，开启第一流量控制装置21，即开启太阳能集热环路100；而当太阳能集热器1出口温度在40—180℃之间，并且太阳能集热器1出口温度小于储能部件3温度时，控制第一流量控制装置21减小流量，直至太阳能集热器1出口温度再次大于储能部件3温度，若减小到预设的最低流量，太阳能集热器1出口温度仍小于储能部件3温度，则关闭第一流量控制装置21；当检测到太阳能集热器1出口温度不在40—180℃温度区间内，关闭第一流量控制装置21，即关闭太阳能集热环路100。
[0081]
供热装置5的进水温度保持在35—45℃，当进水温度高于45℃，控制第二流量控制装置22增大供热环路的介质流量以降低温度；当进水温度小于35℃，控制第二流量控制装置22降低供热环路的介质流量以提高温度，直至无法降低后，开启辅助热源6。
[0082]
在本实施方式中，在太阳能集热环路100中，太阳能集热器1收集的热量通过环路进入储能部件3中进行存储；在供热循环环路200中，换热器4吸收的储能部件3的热量通过环路输送至供热装置5，供热装置5向外部供热，通过调节两个环路上介质的流量，能够控制两个环路中的介质温度，从而持续稳定地向外供热，进一步地，当太阳能不足时，换热器4无法由储能部件3吸收到足够的热量，为了维持供热的持续稳定，还可以通过打开供热循环环路200上的辅助热源6对循环介质进行加热。
[0083]
以上仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神
和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。