两段式承重型保温浮顶及制作方法

技术领域

本发明属于跨季节储热/供热设计及建造领域，具体涉及一种两段式承重型保温浮顶及制作方法。

背景技术

目前，我国采暖地区的建筑供热能源结构仍然以燃煤为主(占比超过70％)，目前北方城镇供热的碳排放达到5.5亿吨，占建筑运行相关碳排放的25％。因此，在我国建筑供热领域实现全面碳中和将是一个巨大的挑战。在这样的背景下，充分利用太阳能等可再生能源进行清洁供热显得非常迫切和重要。在众多清洁供热技术中，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被认为是最为可靠的技术，国内外已经有大容量储热水体投入使用。目前，我国已经在北京、河北、西藏等地建设了多个不同容积的储热水体并得以应用。

储热水体是水体型太阳能跨季节储热供热系统中的核心子系统，也是整个水体型太阳能跨季节储热供热系统中造价最高的子系统。储热水体一般从地面向下挖出设计的形状，处理好基础之后铺设防渗层，然后以水为工质进行储热。储热水体容积一般从几百立方米至几十万立方米不等。在储热水体上方有保温顶盖，保温顶盖是整个储热水体的关键部件，直接决定储热水体的储热效率。同时，保温顶盖也是整个储热水体造价最高的部分，约占到储热水体整体造价的50％。此外，由于大型储热水体占地，面积一般从几千至几万、甚至几十万平方米不等，因此也限制了水体型太阳能跨季节储热供热技术的应用场景和应用范围。因此设计结构合理、保温性能优秀、可承重的顶盖是进一步拓宽水体型太阳能跨季节储热供热技术的关键点。

中国发明专利申请CN202111645337.4提出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，采用耐温防水膜包覆高密度聚苯乙烯泡沫板等硬质保温材料的主体结构，在主体结构上设计有不同形式的榫头和榫眼，通过榫接的形式将八种结构形式的顶盖模块连接成整体。该方案存在以下几点问题：(1)在耐温防水膜包覆硬质保温材料后不可避免的要对耐温防水膜进行焊接，增加了顶盖渗漏的风险，同时消耗人工和大量加工时间造成顶盖成本较高。(2)不具备承重能力调节功能，保温功能和承重功能都来自于顶盖模块，且承重能力依托于保温材料的体积。

中国发明专利申请CN201611050459.8《一种低热损储热水体柔性浮顶》、中国发明专利申请CN201810218257.2《一种水体土壤耦合蓄热体及其使用方法》、美国专利US14975890《Seasonalheat-coldenergystorageandsupplypoolandseasonalheat-coldenergystorageand supplysystemcomprisingthesame》中都采用的提出了一种柔性浮顶，此种类型的浮顶无法同时实现承重和保温，施工复杂且运行维护成本高。

中国发明专利申请CN202011645541.1提出一种新型跨季蓄热系统，使用了漂浮式保温顶盖，并在顶盖上放置集热器，对顶盖提出了承重需求，但未能给出明确的承重原理及承重方式。此外，顶盖边缘设计有拱桥，结构复杂且造价高。

荷兰专利NL7810057A《Seasonalheatstoragesystem-withhorizontalpipesinwetsoil enclosedinheat-insulatinglayer》提出用硬质、防水的泡沫塑料板作为保温隔热层，但是没有详细描述其连结方式和可承载重量。

美国专利US3313443A《Floatingcoverforaliquidstoragereservoir》提出了一种液体贮存器的浮动盖，尽管采用了一些支撑结构使得顶盖具备一定的承重能力，但其本质上还是一体式柔性保温浮顶，而且增加的支撑结构大多为金属材料，即热的良导体，在顶盖中形成热桥，降低了顶盖的保温性能。

在上述背景中，可以看出国内外都在积极探索适用于跨季节储热水体的承重型保温顶盖，以进一步拓宽跨季节储热水体的应用范围和应用场景，本发明针对这一关键问题提出一种结构简单、性能可靠的适用于跨季节储热水体的两段式承重型保温浮顶。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种两段式承重型保温浮顶及制作方法，应用于跨季节储热/供热设计及建造领域。其为结构简单、稳定可靠、维护便捷、相对低成本、同时满足保温和承重两项功能的浮顶。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种两段式承重型保温浮顶，包括2类、共计12种不同结构的单元模块，一类是主体单元模块：单元模块A、单元模块B、单元模块C、单元模块D；另一类是边缘单元模块：单元模块U、单元模块U-L、单元模块U-R、单元模块L、单元模块R、单元模块D、单元模块D-L、单元模块D-R；所述12种单元模块按照边缘单元模块包围主体单元模块的形式进行排列组装，并使用连接销钉与挂耳的配合进行固定；各所述单元模块的壳体内自上而下均分别设置保温层、垫板、支架和垫板。

进一步地，各所述单元模块的挂耳位置高度不同。

进一步地，按照固定的顺序排列组合相应的单元模块，各个单元模块的挂耳正好呈错位分布。

进一步地，根据储热水体现场情况确定参考方向后，按照单元模块上的箭头提示或者字符提示组装和固定顶盖模块。第一行按照“单元模块U-L+单元模块U+单元模块U+······+单元模块U+单元模块U+单元模块U-R”的顺序进行排列和固定；第二行按照“单元模块L+单元模块A+单元模块B+单元模块A+单元模块B+······+单元模块A+单元模块B+单元模块A+单元模块B+单元模块R”的顺序进行排列和固定；第三行按照“单元模块L+单元模块D+单元模块C+单元模块D+单元模块C+······+单元模块D+单元模块C+单元模块D+单元模块C+单元模块R”的顺序进行排列和固定；然后根据实际需求重复第二行第三行即可；最后一行按照“单元模块D-L+单元模块D+单元模块D+······+单元模块D+单元模块D+单元模块D-R”的顺序进行排列和固定。

进一步地，将连接销钉按照提示箭头先将逆时针旋转45°后再插入单元模块的挂耳中，用销钉扳手顺时针拧45°，听到“咯噔”声音，证明连接销钉的固定凸点完全进入单元模块的固定凹点。

进一步地，需要根据跨季节储热水体水面开口尺寸并结合所述12种单元模块的尺寸确定具体数量。此外，应根据实际情况备有相应的单元模块供特殊情况下使用。

进一步地，需要根据单元模块的使用数量确定销钉的具体数量。此外，应根据实际情况备有相应的销钉供特殊情况下使用。

进一步地，铺设、组装单元模块后形成浮顶，在浮顶之上铺设保护层，保护层一直延伸到锚固沟中，覆土填埋进行锚固。

进一步地，在保护层上可根据实际需求覆土综合利用跨季节储热水体浮顶。

进一步地，所述两段式承重型保温浮顶，其单元模块的极限载荷计算公式如下：

式中：

G

ρ是水的密度，kg/m

V是单元模块的体积，m

m是单元模块自身的质量，kg；

A是单元模块的上表面积，m

进一步地，所述两段式承重型保温浮顶，其单元模块的建议载荷计算公式如下：

G

式中：

G

G

进一步地，所述两段式承重型保温浮顶，其单元模块的建议覆土厚度公式如下：

式中：

h

ρ是水的密度，kg/m

V是单元模块的体积，m

m是单元模块自身的质量，kg；

ρ

A是单元模块的上表面积，m

进一步地，所述两段式承重型保温浮顶，为简化评价和计算体系，忽略支架的传热作用，考虑到单元模块主要以导热形式向外散热，采用综合导热系数评价单元模块的热工性能，计算公式如下：

/>

式中：

k是单元模块的综合传热系数，W/(m

h

δ

λ

δ

λ

δ

λ

h

本发明还提供一种两段式承重型保温浮顶的制作方法，包括如下步骤：

步骤1、按照设计加工出适配单元模块的垫板、支架、保温层，并按照自上而下分别是保温层、垫板、支架、垫板的顺序组合成整体形成单元模块的内层结构；

步骤2、按照设计将步骤1中的单元模块内层结构通过自动化生产线在加工单元模块的壳体的时候放入壳体中，壳体一次成型过程中将单元模块完全包裹形成整体；

步骤3、根据储热水体现场情况确定参考方向后，按照单元模块上的箭头提示或者字符提示组装和固定：第一行按照“单元模块U-L+单元模块U+单元模块U+······+单元模块U+单元模块U+单元模块U-R”的顺序进行排列和固定；第二行按照“单元模块L+单元模块A+单元模块B+单元模块A+单元模块B+······+单元模块A+单元模块B+单元模块A+单元模块B+单元模块R”的顺序进行排列和固定；第三行按照“单元模块L+单元模块D+单元模块C+单元模块D+单元模块C+······+单元模块D+单元模块C+单元模块D+单元模块C+单元模块R”的顺序进行排列和固定；然后根据实际需求重复第二行第三行即可；最后一行按照“单元模块D-L+单元模块D+单元模块D+······+单元模块D+单元模块D+单元模块D-R”的顺序进行排列和固定；

步骤4、将销钉按照提示箭头先逆时针旋转45°后再插入单元模块的挂耳中，用销钉扳手顺时针拧45°，听到“咯噔”声音，证明销钉的固定凸点完全进入单元模块的固定凹点；

步骤5、铺设、组装单元模块后形成浮顶，在浮顶之上铺设保护层，保护层一直延伸到锚固沟中，覆土填埋进行锚固；

步骤6、在保护层上根据实际需求覆土综合利用跨季节储热水体浮顶。

本发明的优点在于：

1、本发明的优点在于，设计了两段式的单元模块内层结构，将保温区和承重区分开，优化了结构的同时极大程度上节约保温材料的用量。

2、本发明的优点在于，可以根据实际需求灵活调整设计结构，进而调整单元模块的承重和保温性能。

3、本发明的优点在于，单元模块采用高密度聚乙烯材料一体化成型，极大程度上保证了单元模块的防渗性能。

4、本发明的优点在于，单元模块边缘采用波浪式凹凸嵌合结构，提升了单元模块之间的连接稳定性，也提升了单元模块径向稳定性。

5、本发明的优点在于，各个单元模块的挂耳错位排布，通过销钉连接，连接简单可靠，极大程度上降低了施工难度，节约了施工成本。

6、本发明的优点在于，单元模块正常使用情况下无需维护，极大程度上节约了浮顶的运维成本。

7、本发明的优点在于，拓宽了水体型太阳能跨季节储热供热技术的应用场景和应用范围。

附图说明

图1是本发明两段式承重型保温浮顶结构示意图；

图中：1单元模块A、2单元模块B、3单元模块C、4单元模块D、5单元模块U、6单元模块U-L、7单元模块U-R、8单元模块L、9单元模块R、10单元模块G、11单元模块G-L、12单元模块G-R、13连接销钉、14销钉扳手、15提示箭头、16固定凸点。

图2是本发明两段式承重型保温浮顶单元模块A1结构示意图；

图中：17挂耳、18固定凹点、19壳体。

图3是本发明两段式承重型保温浮顶单元模块A1剖面结构示意图；

图中：17挂耳、19壳体、20垫板、21支架、22保温层。

图4是本发明两段式承重型保温浮顶的垫板结构示意图；

图5是本发明两段式承重型保温浮顶的支架结构示意图；

图6是本发明两段式承重型保温浮顶的保温层结构示意图；

图7是本发明两段式承重型保温浮顶俯视示意图；

图中：23保护层、24锚固沟。

具体实施方式

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。

如图1-图7所示，本发明的两段式承重型保温浮顶，主要包括2类12种单元模块，一类是主体单元模块，包括：单元模块A1、单元模块B2、单元模块C3、单元模块D4；另一类是边缘单元模块，包括：单元模块U5、单元模块U-L6、单元模块U-R7、单元模块L8、单元模块R9、单元模块G10、单元模块G-L11、单元模块G-R12；此外还包括连接销钉13、销钉扳手14。

所述的2类12种单元模块是本发明的核心，整体结构保持一致，区别在于各个单元模块的挂耳17位置高度不同。以单元模块A1为例对各个单元模块的整体结构进行详细阐述，所述单元模块A1由壳体19、垫板20、支架21、保温层22组成。

主体单元模块的单元模块A1、单元模块B2、单元模块C3、单元模块D4的挂耳17位置高度成等差分布；边缘单元模块的单元模块U5、单元模块U-L6、单元模块U-R7、单元模块L8、单元模块R9、单元模块G10、单元模块G-L11、单元模块G-R12的挂耳17位置高度成错位分布。

实施案例中的2类12种单元模块、垫板、支架均由高密度聚乙烯采用吹塑冲压的方法制成，主体单元模块覆盖面积为1m

实施案例中以北为参考方向，第一行按照“单元模块U-L+单元模块U+单元模块U+······+单元模块U+单元模块U+单元模块U-R”的顺序进行排列和固定；第二行按照“单元模块L+单元模块A+单元模块B+单元模块A+单元模块B+······+单元模块A+单元模块B+单元模块A+单元模块B+单元模块R”的顺序进行排列和固定；第三行按照“单元模块L+单元模块D+单元模块C+单元模块D+单元模块C+······+单元模块D+单元模块C+单元模块D+单元模块C+单元模块R”的顺序进行排列和固定；然后根据实际需求重复第二行第三行即可；最后一行按照“单元模块G-L+单元模块G+单元模块G+······+单元模块G+单元模块G+单元模块G-R”的顺序进行排列和固定。

将连接销钉13按照提示箭头15逆时针旋转45°后插入单元模块的挂耳17中，用销钉扳手14顺时针拧45°，听到“咯噔”声音，证明连接销钉13的固定凸点16完全进入单元模块的固定凹点18。

实施案例中的储热水体开口尺寸为21×21m，则需要单元模块A、单元模块B、单元模块C、单元模块D各25个，单元模块U-L、单元模块U-R、单元模块G-L、单元模块G-R各1个，单元模块U、单元模块G各18个，单元模块L、单元模块R各20个，连接销钉441个。销钉扳手根据现场施工情况需要2个。

铺设、组装单元模块后形成浮顶，在浮顶之上铺设低密度聚乙烯保护层，保护层23一直延伸到锚固沟24中，覆土填埋进行锚固。

实施案例中浮顶极限载荷为490kg/m

所述两段式承重型保温浮顶，其单元模块的极限载荷计算公式如下：

式中：

G

ρ是水的密度，kg/m

V是单元模块的体积，m

m是单元模块自身的质量，kg；

A是单元模块的上表面积，m

进一步地，所述两段式承重型保温浮顶，其单元模块的建议载荷计算公式如下：

G

式中：

G

G

进一步地，所述两段式承重型保温浮顶，其单元模块的建议覆土厚度公式如下：

式中：

h

ρ是水的密度，kg/m

V是单元模块的体积，m

m是单元模块自身的质量，kg；

ρ

A是单元模块的上表面积，m

进一步地，所述两段式承重型保温浮顶，为简化评价和计算体系，忽略支架的传热作用，考虑到单元模块主要以导热形式向外散热，采用综合导热系数评价单元模块的热工性能，计算公式如下：

式中：

k是单元模块的综合传热系数，W/(m

h

δ

λ

δ

λ

δ

λ

h

本发明的实施方法包括如下步骤：

步骤1、按照设计加工出适配单元模块的垫板、支架、保温层，并按照自上而下分别是保温层、垫板、支架、垫板的顺序组合成整体形成单元模块的内层结构。

步骤2、按照设计将步骤1中的单元模块内层结构通过自动化生产线在加工单元模块壳体的时候放入壳体中，壳体一次成型过程中将单元模块完全包裹形成整体。

步骤3、根据储热水体现场情况确定参考方向后，按照单元模块上的箭头提示或者字符提示组装和固定：第一行按照“单元模块U-L+单元模块U+单元模块U+······+单元模块U+单元模块U+单元模块U-R”的顺序进行排列和固定；第二行按照“单元模块L+单元模块A+单元模块B+单元模块A+单元模块B+······+单元模块A+单元模块B+单元模块A+单元模块B+单元模块R”的顺序进行排列和固定；第三行按照“单元模块L+单元模块D+单元模块C+单元模块D+单元模块C+······+单元模块D+单元模块C+单元模块D+单元模块C+单元模块R”的顺序进行排列和固定；然后根据实际需求重复第二行第三行即可；最后一行按照“单元模块D-L+单元模块D+单元模块D+······+单元模块D+单元模块D+单元模块D-R”的顺序进行排列和固定。

步骤4、将销钉按照提示箭头先逆时针旋转45°后再插入单元模块的挂耳中，用销钉扳手顺时针拧45°，听到“咯噔”声音，证明销钉的固定凸点完全进入单元模块的固定凹点。

步骤5、铺设、组装单元模块后形成浮顶，在浮顶之上铺设保护层，保护层一直延伸到锚固沟中，覆土填埋进行锚固。

步骤6、在保护层上可根据实际需求覆土综合利用跨季节储热水体浮顶。

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。

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。

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。