一种梯级储热系统充热方法和装置技术领域
本发明涉及能量控制领域，具体涉及一种梯级储热系统充热方法和装置。
背景技术
相变材料(PCM-Phase Change Material)是指随温度变化而改变物质状态并能提
供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜
热。这种材料一旦在人类生活被广泛应用，将成为节能环保的最佳绿色环保载体，在我国已
经列为国家级研发利用序列。随着能源、环境等问题的日益加剧，相变储热技术也将在各个
领域不断的发展。
在相变储热过程中，涉及到复杂的固液两相流、非平衡相变传热和传质的问题，同
时相变材料和换热工质的工作特性也在动态变化，控制策略需要保证热量能有序存储。为
了提高能量利用率，梯级相变储热是将加热器提供的能量按照“梯级利用”的原则进行能量
存储的，比如，按照储热装置中相变材料的相变温度的不同，可以将储热装置分为高、中、低
三种储热装置，放热流体从高到低依次流经三种储热装置，在相变材料的储热过程中，放热
流体的温度沿流动方向在减少，而相变材料的相变温度也在逐渐降低。梯级相变储热系统
使放热流体与相变材料之间的传热温差尽可能保持不变，因此能保持较恒定的热流使相变
材料吸热熔化，整体上提高了材料的吸热速率。而在相变材料的放热过程，吸热流体逆流进
入梯级相变储热装置，吸热流体持续吸热而使其温度在不断升高，而相变材料的熔点温度
也阶梯升高，这使相变蓄热材料与吸热流体之间的传热温差也尽可能保持不变，因此也能
保持恒定的热流使材料放热凝固，整体上也提高了材料的放热速率。因此梯级储热的思想
将得到更为广泛的应用。
但是，在实际应用中，无论是储热装置是否为相储热装置，梯级储热系统的各个级
储热装置往往不能如愿的同时完成充热过程，由于各种环境与器件等的原因，总是出现某
一级储热装置已经充满，其他的储热装置还未充满的现象，而对于已经充满的储热装置来
说如果还是保持原有加热热量不改变的话，就会有很大一部分能量被浪费，造成梯级储热
系统的能量利用率很低，另外，不同级别的储热装置由于储热温度不同，为了节约成本，在
生产时往往使用不同的材料，不同的材料对于温度的承受能力是不同的，因此一旦出现较
高温储热装置先充满，加热温度不变的话会对较低温度储热装置造成损害，缩短了储热装
置的使用寿命，上述缺陷都阻碍了梯级储热系统的发展。
因此，如何提高梯级储热系统的能量利用率、延长储热装置的使用寿命，成为一个
亟待解决的技术问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中梯级储热系统的能量利用率较
低、储热装置使用寿命短。从而提供一种梯级储热系统充热方法和装置。
有鉴于此，本发明实施例的第一方面提供了一种梯级储热系统充热方法，所述梯
级储热系统至少包括加热器、和与所述加热器依次连接的第一储热装置和第二储热装置，
所述第一储热装置的储热温度大于所述第二储热装置的储热温度，每个所述储热装置分别
并联设置有旁路通道，用于将充热热能从储热装置断开，所述方法包括：获取所述第一储热
装置的充热状态；判断所述第一储热装置是否完成充热；若所述第一储热装置完成充热，则
控制所述第一储热装置对应的旁路通道打开将所述第一储热装置旁路；获取所述第二储热
装置的充热状态；判断所述第二储热装置是否完成充热；若所述第二储热装置未完成充热，
则将所述加热器的出口温度调节至与所述第二储热装置对应的第一预设温度阈值。
优选地，还包括：在所述梯级储热系统包括至少一个第三储热装置，所述第三储热
装置的储热温度小于所述第二储热装置的储热温度时，获取所述第三储热装置的充热状
态。
优选地，还包括：若所述第一储热装置完成充热，并且所述第二储热装置完成充
热，则控制所述第二储热装置对应的旁路通道打开将所述第二储热装置旁路；判断所述第
三储热装置是否完成充热；若所述第三储热装置未完成充热，则将所述加热器的出口温度
调节至与所述第三储热装置对应的第二预设温度阈值。
优选地，还包括：若所述第一储热装置未完成充热，并且所述第二储热装置完成充
热，则控制所述第二储热装置对应的旁路通道打开将所述第二储热装置旁路；判断所述第
三储热装置是否完成充热；若所述第三储热装置未完成充热，则将第一储热装置的出口温
度调节至与所述第三储热装置对应的所述第二预设温度阈值。
优选地，还包括：判断所述第三储热装置是否完成充热；若所述第三储热装置未完
成充热，则判断所述第一储热装置是否完成充热；若所述第一储热装置完成充热，则控制所
述第一储热装置对应的旁路通道打开将所述第一储热装置旁路，同时将加热器的出口温度
调节至与所述第三储热装置对应的所述第二预设温度阈值。
本发明实施例的第二方面提供了一种梯级储热系统充热装置，所述梯级储热系统
至少包括加热器、和与所述加热器依次连接的第一储热装置和第二储热装置，所述第一储
热装置的储热温度大于所述第二储热装置的储热温度，每个所述储热装置分别并联设置有
旁路通道，用于将充热热能从储热装置断开，所述装置包括：第一获取模块，用于获取所述
第一储热装置的充热状态；第一判断模块，用于判断所述第一储热装置是否完成充热；第一
控制模块，用于若所述第一储热装置完成充热，则控制所述第一储热装置对应的旁路通道
打开将所述第一储热装置旁路；第二获取模块，用于获取所述第二储热装置的充热状态；第
二判断模块，用于判断所述第二储热装置是否完成充热；第一调节模块，用于若所述第二储
热装置未完成充热，则将所述加热器的出口温度调节至与所述第二储热装置对应的第一预
设温度阈值。
优选地，还包括：第三获取模块，用于在所述梯级储热系统包括至少一个第三储热
装置，所述第三储热装置的储热温度小于所述第二储热装置的储热温度时，获取所述第三
储热装置的充热状态。
优选地，还包括：第二控制模块，用于若所述第一储热装置完成充热，并且所述第
二储热装置完成充热，则控制所述第二储热装置对应的旁路通道打开将所述第二储热装置
旁路；第三判断模块，用于判断所述第三储热装置是否完成充热；第二调节模块，用于若所
述第三储热装置未完成充热，则将所述加热器的出口温度调节至与所述第三储热装置对应
的第二预设温度阈值。
优选地，还包括：第三控制模块，用于若所述第一储热装置未完成充热，并且所述
第二储热装置完成充热，则控制所述第二储热装置对应的旁路通道打开将所述第二储热装
置旁路；第四判断模块，用于判断所述第三储热装置是否完成充热；第三调节模块，用于若
所述第三储热装置未完成充热，则将第一储热装置的出口温度调节至与所述第三储热装置
对应的所述第二预设温度阈值。
优选地，还包括：第五判断模块，用于判断所述第三储热装置是否完成充热；第六
判断模块，用于若所述第三储热装置未完成充热，则判断所述第一储热装置是否完成充热；
第四控制模块，用于若所述第一储热装置完成充热，则控制所述第一储热装置对应的旁路
通道打开将所述第一储热装置旁路，同时将加热器的出口温度调节至与所述第三储热装置
对应的所述第二预设温度阈值。
本发明的技术方案具有以下优点：
本发明实施例提供的梯级储热系统充热方法和装置，通过实时获取第一、二、三储
热装置的充热状态，以获取最先完成充热的目标储热装置，然后将目标储热装置旁路，并对
未完成充热的储热装置的上一级的出口温度进行调节，以使未完成充热的储热装置进口温
度在对应的预设温度阈值内，使未完成充热的储热装置继续正常完成充热过程，如此实现
了对每一级储热装置充热过程的控制，不仅保证了加热能量的合理利用，提高了梯级储热
系统的能量利用率，而且降低了对储热装置的损害，在不改变生产成本的情况下延长了储
热装置的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的
附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前
提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的梯级储热系统充热方法的一个流程图；
图2为本发明实施例1的梯级储热系统的一个原理框图。
图3为本发明实施例2的梯级储热系统充热方法装置的一个框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施
例是本发明一部分实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能
理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种梯级储热系统充热方法，可应用于如图2所示的梯级储热系统，
梯级储热系统包括：风机21、加热器22、旁路通道23和储热温度依次降低的第一储热装置
24、第二储热装置25和第三储热装置26，第一储热装置24的储热温度大于第二储热装置25
的储热温度，每个储热装置分别并联设置有旁路通道23，用于将充热热能从储热装置断开，
下面以图2所示的梯级储热系统为例来详细说明本实施例的技术方案，如图1所示，该梯级
储热系统充热方法包括如下步骤：
S11：获取第一储热装置24的充热状态，此处充热状态包含但不限于：预设充热温
度阈值和当前充热温度，每个储热装置分别对应各自的预设充热温度阈值和当前充热温
度，比如可以通过实时检测第一储热装置24的出口处的温度来确定第一储热装置24的当前
充热温度。
S12：判断第一储热装置24是否完成充热，比如可以将步骤S11中检测到的第一储
热装置24的当前充热温度与对应的预设充热温度阈值进行比较，如果当前充热温度达到对
应的预设充热温度阈值，则进入步骤S13，否则返回步骤S11。
S13：若第一储热装置24完成充热，则控制第一储热装置24对应的旁路通道打开将
第一储热装置24旁路，由于该第一储热装置24已经充满，不需要再为期继续提供充热热量，
因此可以控制相关旁路通道23打开将其旁路掉，从而实现合理利用充热能量。
S14：获取第二储热装置25的充热状态，此处同理于步骤S11中对第一储热装置24
充热状态的获取，具体可参见步骤S11中的相关描述。
S15：判断第二储热装置25是否完成充热，同样地，也可以根据第二储热装置25的
当前充热温度与对应的预设充热温度阈值进行比较，如果当前充热温度达到对应的预设充
热温度阈值，说明第二储热装置25也完成充热，则根据该梯级储热系统的工作原理，可以适
时地关闭该梯级储热系统，否则，说明第二储热装置25为未充满，则进入步骤S16。
S16：若第二储热装置25未完成充热，由于第一储热装置24已经被旁路，加热器22
中的充热热能将直接进入第二储热装置25，而此加热器22的出口温度相对于第二储热装置
25来说比较高，则将加热器22的出口温度调节至与第二储热装置对应的第一预设温度阈
值，不仅避免进口温度过高对第二储热装置25造成损害，同时提高能量利用率。此处第一预
设温度阈值由第二储热装置25的储热功能及其生产工艺决定，也可以是根据实际需要预先
设定的一个温度范围。具体地，如图2所示，如果第一储热装置24先充满，则由步骤S13将第
一储热装置24旁路后，可以降低加热器22的加热功率，避免能量浪费，另外，根据梯级储热
系统的工作原理，用于充热的放热流将从加热器22中流出，流经旁路通道23后首先进入第
二储热装置25，而此时加热器22出口的温度T2较高，会使第二储热装置25的进口温度T7升
高，则可以通过增大风机21的流量来降低T2，还可以打开冷空气旁路，进而降低第二储热装
置25进口处的温度T7，使T7在第一预设温度阈值内，比如本实施例中将第一预设温度阈值
为(300℃～350℃)，则此时需要确保300℃<T7<350℃，以保证第二储热装置25可以继续正
常充热过程。
上述梯级储热系统充热方法，通过实时获取第一、二、三储热装置的充热状态，以
获取最先完成充热的目标储热装置，然后将目标储热装置旁路，并对未完成充热的储热装
置的上一级的出口温度进行调节，以使未完成充热的储热装置进口温度在对应的预设温度
阈值内，使未完成充热的储热装置继续正常完成充热过程，如此实现了对每一级储热装置
充热过程的控制，不仅保证了加热能量的合理利用，提高了梯级储热系统的能量利用率，而
且降低了对储热装置的损害，在不改变生产成本的情况下延长了储热装置的使用寿命。
作为一种优选方案，还包括：在梯级储热系统包括至少一个第三储热装置26，第三
储热装置26的储热温度小于第二储热装置25的储热温度时，获取第三储热装置26的充热状
态。还包括：若第一储热装置24完成充热，并且第二储热装置25完成充热，则控制第二储热
装置25对应的旁路通道打开将第二储热装置25旁路；判断第三储热装置26是否完成充热；
若第三储热装置26未完成充热，则将加热器22的出口温度调节至与第三储热装置26对应的
第二预设温度阈值。此处第二预设温度阈值由第二储热装置25的储热功能及其生产工艺决
定，也可以是根据实际需要预先设定的一个温度范围。具体地，如图2所示，如果第一储热装
置24先充满，然后继续判断第二储热装置25和第三储热装置26谁先完成充热，判断结果分
如下两种：1、如果第二储热装置25先充满，说明还剩下第三储热装置26未完成充热，此时为
避免能量浪费可以适当降低加热器22的加热功率，同时，由于加热器22出口空气温度T2较
高，会使第三储热装置26进口温度T9升高，可以通过增大风机21的流量来继续降低T2，并打
开冷空气旁路，进而降低第三储热装置26进口温度T9，使T9在第二预设温度阈值内，比如本
实施例中第二预设温度阈值为(150℃～250℃)，则此时需要确保150℃<T9<250℃，以保证
第三储热装置26可以继续正常充热过程；2、如果第三储热装置26先充满，则可以直接等待
第二储热装置25继续充热直至充满。根据梯级储热系统的工作原理，以上在三个储热装置
均完成充热过程后，关闭加热器22，要在T2<50℃后，再关闭风机21。
作为一种优选方案，还包括：若第一储热装置24未完成充热，并且第二储热装置25
完成充热，则控制第二储热装置25对应的旁路通道打开将第二储热装置25旁路；判断第三
储热装置26是否完成充热；若第三储热装置26未完成充热，则将第一储热装置24的出口温
度调节至与第三储热装置26对应的第二预设温度阈值。具体地，如图2所示，如果第二储热
装置25先充满，说明还剩余第一储热装置24和第三储热装置26未完成充热，则将第二储热
装置25旁路后，可以适当降低加热器22的加热功率，避免能量浪费，另外，根据梯级储热系
统的工作原理，用于充热的放热流将从加热器22中流出，流经旁路通道23后依次进入第一
储热装置24和第三储热装置26，而此时第一储热装置24出口的温度T4对于第三储热装置26
来说较高，会使第三储热装置26的进口温度T9升高，则可以打开冷空气旁路来降低第三储
热装置26进口处的温度T9，使T9在第二预设温度阈值内，比如本实施例中将第二预设温度
阈值为(150℃～250℃)，则此时需要确保150℃<T9<250℃，以保证第三储热装置26可以继
续正常充热过程。
作为一种优选方案，还包括：判断第三储热装置26是否完成充热；若第三储热装置
26未完成充热，则判断第一储热装置24是否完成充热；若第一储热装置24完成充热，则控制
第一储热装置24对应的旁路通道打开将第一储热装置24旁路，同时将加热器的出口温度调
节至与第三储热装置26对应的第二预设温度阈值。具体地，如图2所示，在第二储热装置25
充满后，对剩余的第一储热装置24和第三储热装置26继续判断谁先完成充热，判断结果分
如下两种：1、如果第一储热装置24先充满，说明还剩下第三储热装置26未完成充热，则将第
一储热装置24旁路，此时为避免能量浪费可以适当降低加热器22的加热功率，同时，根据梯
级储热系统的工作原理，用于充热的放热流将从加热器22中流出，流经旁路通道23后直接
进入第三储热装置26，而由于此时加热器22出口空气温度T2较高，会使第三储热装置26进
口温度T9升高，可以通过增大风机21的流量来降低T2，并打开冷空气旁路，进而降低第三储
热装置26进口温度T9，使T9在第二预设温度阈值内，比如本实施例中第二预设温度阈值为
(150℃～250℃)，则此时需要确保150℃<T9<250℃，以保证第三储热装置26可以继续正常
充热过程；2、如果第三储热装置26先充满，则可以直接等待第一储热装置24继续充热直至
充满。根据梯级储热系统的工作原理，以上在三个储热装置均完成充热过程后，关闭加热器
22，要在T2<50℃后，再关闭风机21。
需要说明的是，如果三个储热装置中，第三储热装置26先充满，说明还剩余第一储
热装置24和第二储热装置25未完成充热，则将第三储热装置26旁路后，可以适当降低加热
器22的加热功率，避免能量浪费，另外，根据梯级储热系统的工作原理，用于充热的放热流
将从加热器22中流出，会继续依次进入第一储热装置24和第二储热装置25进行充热；然后
继续判断第一储热装置24和第二储热装置25谁先完成充热，判断结果参见步骤S11-S16。根
据梯级储热系统的工作原理，以上在三个储热装置均完成充热过程后，关闭加热器22，要在
T2<50℃后，再关闭风机21。
实施例2
本实施例供了一种梯级储热系统充热装置，可应用于如图2所示的梯级储热系统，
梯级储热系统包括：风机21、加热器22、旁路通道23和储热温度依次降低的第一储热装置
24、第二储热装置25和第三储热装置26，第一储热装置24的储热温度大于第二储热装置25
的储热温度，每个储热装置分别并联设置有旁路通道23，用于将充热热能从储热装置断开，
下面以图2所示的梯级储热系统为例来详细说明本实施例的技术方案，如图3所示，该梯级
储热系统充热装置包括：第一、二、三获取模块、第一、二、三、四、五、六判断模块、第一、二、
三、四控制模块以及第一、二、三调节模块，各模块主要功能如下：
第一获取模块301，用于获取第一储热装置24的充热状态；具体参见实施例1中对
步骤S11的详细描述。
第一判断模块302，用于判断第一储热装置24是否完成充热；具体参见实施例1中
对步骤S12的详细描述。
第一控制模块303，用于若第一储热装置24完成充热，则控制第一储热装置24对应
的旁路通道打开将第一储热装置24旁路；具体参见实施例1中对步骤S13的详细描述。
第二获取模块304，用于获取第二储热装置25的充热状态；具体参见实施例1中对
步骤S14的详细描述。
第二判断模块305，用于判断第二储热装置25是否完成充热；具体参见实施例1中
对步骤S15的详细描述。
第一调节模块306，用于若第二储热装置25未完成充热，则将加热器的出口温度调
节至与第二储热装置25对应的第一预设温度阈值。具体参见实施例1中对步骤S16的详细描
述。
作为一种优选方案，还包括：第三获取模块307，用于在梯级储热系统包括至少一
个第三储热装置26，第三储热装置26的储热温度小于第二储热装置25的储热温度时，获取
第三储热装置26的充热状态。还包括：第二控制模块308，用于若第一储热装置24完成充热，
并且第二储热装置25完成充热，则控制第二储热装置25对应的旁路通道打开将第二储热装
置25旁路；第三判断模块309，用于判断第三储热装置26是否完成充热；第二调节模块310，
用于若第三储热装置26未完成充热，则将加热器的出口温度调节至与第三储热装置26对应
的第二预设温度阈值。具体参见实施例1中的相关详细描述。
作为一种优选方案，还包括：第三控制模块311，用于若第一储热装置24未完成充
热，并且第二储热装置25完成充热，则控制第二储热装置25对应的旁路通道打开将第二储
热装置25旁路；第四判断模块312，用于判断第三储热装置26是否完成充热；第三调节模块
313，用于若第三储热装置26未完成充热，则将第一储热装置24的出口温度调节至与第三储
热装置26对应的第二预设温度阈值。具体参见实施例1中的相关详细描述。
作为一种优选方案，还包括：第五判断模块314，用于判断第三储热装置26是否完
成充热；第六判断模块315，用于若第三储热装置26未完成充热，则判断第一储热装置24是
否完成充热；第四控制模块316，用于若第一储热装置24完成充热，则控制第一储热装置24
对应的旁路通道打开将第一储热装置24旁路，同时将加热器的出口温度调节至与第三储热
装置26对应的第二预设温度阈值。具体参见实施例1中的相关详细描述。
本实施例提供的梯级储热系统充热装置，通过实时获取第一、二、三储热装置的充
热状态，以获取最先完成充热的目标储热装置，然后将目标储热装置旁路，并对未完成充热
的储热装置的上一级的出口温度进行调节，以使未完成充热的储热装置进口温度在对应的
预设温度阈值内，使未完成充热的储热装置继续正常完成充热过程，如此实现了对每一级
储热装置充热过程的控制，不仅保证了加热能量的合理利用，提高了梯级储热系统的能量
利用率，而且降低了对储热装置的损害，在不改变生产成本的情况下延长了储热装置的使
用寿命。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对
于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或
变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或
变动仍处于本发明创造的保护范围之中。