CN102116587B - 一种相变材料综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变材料综合利用系统，在容器内设有气液相变材料，容器置于建筑物围护结构内侧；在建筑物围护结构外侧设有热利用装置，热利用装置上设有相变材料进口和相变材料出口；相变材料进口和相变材料出口均高于容器进口和容器出口，容器出口通过管道与热利用装置上相变材料进口连通，热利用装置上相变材料出口通过管道与容器进口连通。本发明在供冷季节，不仅可以吸收室内的余热，减少室内温度的波动和保证室内热舒适，节约能源；而且还可以充分利用相变材料所吸收的热量，达到回收低品位热量、节约能源的目的。本发明结构简单、易于安装、成本低，便于现有建筑改造。

Description

一种相变材料综合利用系统

技术领域

本发明涉及一种相变材料综合利用系统，具体涉及利用相变材料消除室内余热及对室内低品位热量的回收利用的系统。

背景技术

在我国，现有城乡建筑面积400多亿平方米，95%左右都是高耗能建筑。随着人们生活水平的提高，人们对室内环境的舒适度要求也愈来愈高，空调普及程度逐渐提高，建筑能耗的比重将进一步增加。因此，建筑节能技术的开发与运用已成为当前的热点问题之一。

而相变材料，作为其中的代表，近年来越来越多的被研究与运用。由于相变材料具有独特的潜热性能，可以对空调和采暖的负荷进行削峰和移峰，减少空调负荷，减少空调装机容量；降低夏季室内最高温度，减少室内温度的波动范围，提高人体舒适度，从而可以缓解电力供应紧张，降低建筑能耗，同时减少其对环境所带来的负面效应，因而具有广阔的应用前景。

目前，相变材料在建筑中的应用只限于储能，而没有考虑回收利用相变材料所吸收热量的问题。比如发明专利“一种轻质相变保温墙体砌块”（申请号：200710160900.2），其仅仅是利用墙体中的相变材料来对室内环境进行隔热、保温以及调解温度，但并没有进一步利用相变材料所吸收的热量。这样就限制了相变材料的作用，没有达到更加节能的目的。另外，现有的相变墙体在缓减和减弱夏季室内温度和热量的程度有限，还需要用空调来提供较多冷量以维持室内热舒适度。比如名称为 “储能墙”（申请号：200520093050.5）的实用新型专利，其仅仅是通过相变材料把它吸收的室内环境的热量储存起来达到延迟室内温度最高值的时间和减弱室内温度最高值的度数，但其延迟和减弱的程度较小，还需要空调在一天大部分时间提供较多冷量，保证室内热环境和维持室内热舒适。另外，目前相变墙体所使用的相变材料均为固-固相变材料或固-液相变材料，但这两种相变材料的相变潜热较小，使用时吸收的热量较少，这样就大大限制了相变墙体的作用。比如实用新型专利“一种含相变材料的保温墙体材料”（申请号为200520047532.7）以及上述“储能墙”专利，均是采用固-固相变材料或固-液相变材料,由于它们的相变潜热较小，吸收的热量较少，从而造成相变墙体在实际的作用受到一定的限制。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种可在供冷季节吸收室内余热以维持室内热舒适并可对这部分余热回收利用的以相变材料为基础的综合利用系统。

本发明的技术方案是这样实现的：一种相变材料综合利用系统，它包括一个容器，在容器内设有相变材料，所述相变材料为气液相变材料，容器置于建筑物围护结构内侧；在建筑物围护结构外侧设有热利用装置，热利用装置上设有相变材料进口和相变材料出口；相变材料进口和相变材料出口均高于容器进口和容器出口，容器出口通过管道与热利用装置上相变材料进口连通，热利用装置上相变材料出口通过管道与容器进口连通。

所述容器底部设有排污管，排污管上设有截止阀；在容器出口与热利用装置相变材料进口之间的管道上设有单向阀。

所述热利用装置主要由第一换热器、高温热泵和热水型溴化锂吸收式制冷系统构成，相变材料进口和相变材料出口设于第一换热器上，第一换热器的介质进出口通过管道与高温热泵连接；高温热泵与热水型溴化锂吸收式制冷系统连接；热水型溴化锂吸收式制冷系统冷量出口与供冷末端连接；热水型溴化锂吸收式制冷系统热量出口与第二换热器连接用于加热换热介质。

所述热利用装置还包括辅助热源，辅助热源与热水型溴化锂吸收式制冷系统连接，用于向热水型溴化锂吸收式制冷系统提供热源。

所述热利用装置还包括第三换热器，热水型溴化锂吸收式制冷系统冷量出口同时与第三换热器连接，第一换热器上相变材料出口与第三换热器上相变材料进口连接，第三换热器上相变材料出口通过管道连接容器进口。

所述热利用装置为冷却设备，冷却设备与冷源连接。冷源可以是自然水、冷却塔或者其他天然的低品位的冷源。

本发明在建筑物围护结构的内侧设置含气液相变材料的容器，然后用管道使相变材料与热利用装置相连，形成一个由容器和热利用装置组成的环路。在供冷季节，当室内有余热时，此时容器中液态相变材料开始与室内环境换热，吸收室内环境的余热，维持室内环境的热舒适。液态相变材料吸热汽化变成气态；然后气态相变材料经管道通向热利用装置，与热利用装置进行换热。气态的相变材料释放热量直到冷凝变成液态，然后由于重力作用，液态的相变材料再经管道流回容器，进行下次循环。在这个过程中，通过与气态相变材料换热，热利用装置吸收相变材料放出的热量，冷凝气态相变材料或回收这部分低品位的热量。比如利用高温热泵把这部分热量的品味提升用来驱动溴化锂制冷系统进行制冷，同时也可以利用一些天然冷源吸收这部分热量进而对气态相变材料进行冷凝等。这样，就构成一个相变材料由液态——气态——液态的循环。通过这个循环，在供冷季节，室内环境的余热就以相变材料为载体不断的传给热利用装置，从而很好的消除室内的余热，并可以充分利用该部分低品位热量。这样，本系统在保证在供冷季节里室内热舒适性的前提下，充分节约能源。

本发明利用在建筑物围护结构内侧设置含气液相变材料的容器，在供冷季节，不仅可以吸收室内的余热，减少室内温度的波动和保证室内热舒适，节约能源；而且还可以充分利用相变材料所吸收的热量，达到回收低品位热量的目的。本发明不仅技术可行、结构简单、易于安装、成本低，而且还具有回收利用低品位热量、节约能源、便于现有建筑改造等优点。

附图说明

图1-本发明结构示意图。

图2-本发明实施例1结构示意图。

图3-本发明实施例2结构示意图。

图中，1-相变材料；2-容器；3-热利用装置；4-单向阀；5-截止阀；6-排污管；7-储液箱；8-管道；9-第二换热器；10-房间；11-第一换热器；12-高温热泵；13-热水型溴化锂吸收式制冷系统；14-辅助热源；15-生活热水；16-供冷末端；17-冷却设备；18-自然水；19-冷却塔；20-其他天然的低品位的冷源；21-第三换热器。

图中，箭头a表示热量的传递方向；箭头b表示相变材料的传递方向；箭头c表示冷量的传递方向；箭头d表示水的传递方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明利用气液相变材料在一定压力范围内，一方面相变温度具有稳定性，可以吸收供冷季节里室内的余热；另一方面相变材料本身的流动性，可以对这部分低品位热量回收利用。

具体结构参见图1，本发明相变材料综合利用系统，包括一个容器2，在容器2内设有相变材料1，所述相变材料1为气液相变材料，容器2置于建筑物围护结构内侧。这里的围护结构包括墙体和屋顶。本系统容器2应具有气密性好、导热性能好、耐腐蚀、易于安装等特点，而气液相变材料的选择应保证其相变压力接近大气压力时，其相变潜热大，相变温度在人体舒适温度范围内。在建筑物围护结构外侧设有热利用装置3，热利用装置3上设有相变材料进口和相变材料出口。热利用装置3设有储液器7，储液器7的作用是使相变材料气液分离，同时也起缓冲作用。所述相变材料出口设于储液器7上；相变材料进口和相变材料出口均高于容器进口和容器出口，容器出口通过管道8与热利用装置上相变材料进口连通，热利用装置上相变材料出口通过管道8与容器进口连通，从而在容器2和热利用装置3之间形成相变材料的循环往复。

所述容器2底部最低处设有排污管6，排污管6上设有截止阀5，打开截止阀5可以定期或不定期排污，以保证相变材料1的潜热性能不受影响。当然，可以在容器2上设置加料口，以补充排放的相变材料1。容器2底部应有坡向排污管6的坡度，便于容器2排污与检修。在容器出口与热利用装置相变材料进口之间的管道8上设有单向阀4，同时这段管道中横向管设有坡向热利用装置的坡度，防止倒流产生汽蚀。

在需要供冷的地区和季节里，可以采用图2所示的实施例，所述热利用装置主要由第一换热器11、高温热泵12和热水型溴化锂吸收式制冷系统13构成，相变材料进口和相变材料出口设于第一换热器11上，第一换热器11的介质进出口通过管道与高温热泵12连接；高温热泵12与热水型溴化锂吸收式制冷系统13连接；热水型溴化锂吸收式制冷系统13冷量出口与供冷末端16连接；热水型溴化锂吸收式制冷系统13热量出口与第二换热器9连接用于加热换热介质。同时，所述热利用装置还包括辅助热源14，辅助热源14与热水型溴化锂吸收式制冷系统13连接，用于在高温热泵12热量不足时向热水型溴化锂吸收式制冷系统13提供热源。

为了确保气态相变材料冷凝为液态相变材料，所述热利用装置还包括第三换热器21，热水型溴化锂吸收式制冷系统13冷量出口同时与第三换热器21连接，第一换热器11上相变材料出口与第三换热器21上相变材料进口连接，第三换热器21上相变材料出口通过管道连接容器2进口。第一换热器11上相变材料出口出来的相变材料即使还是气态，在热水型溴化锂吸收式制冷系统13向第三换热器21提供冷介质时，冷介质会在第三换热器21内与相变材料进行热交换，吸收相变材料热量从而使其冷凝为液态。

实施例1工作原理：在供冷季节，房间10内有余热，此时，容器2中的液态相变材料1与房间10换热，吸收房间10内的余热，维持房间10的热环境和热舒适。液态相变材料1吸收热量直到汽化为气态，由于气态的相变材料1的流动性，热量伴随着气态相变材料1经管道8引出通向热利用装置3，在热利用装置3中通过第一换热器11与高温热泵12进行换热，把热量传给高温热泵12，高温热泵12吸收气态相变材料1的热量并进一步把热量品味提升制取温度高于70℃的热水，作为热水型溴化锂吸收式制冷系统13的动力，驱动其制取冷量。当高温热泵12由于相变材料1吸收热量变化的原因制取温度高于70℃热水的水量不足时，此时，运用辅助热源14补充热量。辅助热源14可以是生活废热、太阳能等一些天然的低品位热量。热水型溴化锂吸收式制冷系统13制取的冷量大部分供给供冷末端16，供需要冷量的区域使用。而小部分冷量通过第三换热器21用来进一步冷却相变材料1，使其充分冷凝为液态甚至达到过冷状态；另一方面从热水型溴化锂吸收式制冷系统13出来的冷却水可以做为生活热水15的热源，通过第二换热器9制取生活热水15。

气态相变材料1通过第一换热器11把热量传给高温热泵12后并通过热水型溴化锂吸收式制冷系统13制取冷量中的一小部分进一步冷凝，完全变为液态或甚至达到过冷状态，然后液态的相变材料1进入储液箱7，储液箱7中的液态相变材料1由于重力作用，再次通过管道8进入置于建筑物围护结构内侧的容器2中进行下一次循环。这样，就可以通过相变材料1的不断循环，不仅可以维持室内热舒适，而且还可以回收低品位能量。

作为另一个实施例，本发明称之为实施例2，所述热利用装置也可以是普通冷却设备17，冷却设备17所需冷源可以是自然水18、冷却塔19或者其他天然的低品位的冷源20，见图3。在冷却设备17中，冷源使相变材料冷凝为液态，再回到容器中进行循环。

实施例2运用冷却设备17直接冷却气态相变材料1，吸收相变材料1的热量，使其冷凝为液态或甚至达到过冷状态。其工作原理为：在供冷季节，房间10内有余热，此时，置于建筑围护结构内侧的容器2中的液态相变材料1与房间10换热，吸收房间10中余热，维持房间的热平衡和热舒适。这样液态相变材料1由于吸热直到汽化为气态，同样因为气态相变材料1的流动性，热量伴随着气态相变材料1经管道引出通向冷却设备17并与其进行换热，此时气态相变材料1放出热量直到冷却为液态甚至达到过冷状态，然后液态的相变材料1进入储液箱7，储液箱7中的相变材料1由于重力作用，再次经管道进入置于建筑物围护结构内侧的容器2内，进行下一次循环。实施例2中，冷却设备17需一些天然的低品位冷源，比如在供冷季节里自然水18温度低于相变材料1相变温度的地区，可以用自然水18进行冷却；在供冷季节空气湿球温度低于相变材料1相变温度的地区，可以用冷却塔19进行冷却；或利用其他天然低品位冷源20。这样，就可以通过相变材料1的不断循环，在供冷季节里维持室内热舒适的前提下减少空调的使用，节约能源。

系统中储液器7的坡度坡向其液体流出的方向，便于相变材料1的流动。系统中各设备的承压能力应大于相变材料1的相变压力。

Claims (6)

1.一种相变材料综合利用系统，它包括一个容器（2），在容器（2）内设有相变材料（1），其特征在于：所述相变材料（1）为气液相变材料，容器（2）置于建筑物围护结构内侧；在建筑物围护结构外侧设有热利用装置（3），热利用装置上设有相变材料进口和相变材料出口；相变材料进口和相变材料出口均高于容器进口和容器出口，容器出口通过管道（8）与热利用装置上相变材料进口连通，热利用装置上相变材料出口通过管道（8）与容器进口连通。

2.根据权利要求1所述的相变材料综合利用系统，其特征在于：所述热利用装置（3）主要由第一换热器（11）、高温热泵（12）和热水型溴化锂吸收式制冷系统（13）构成，相变材料进口和相变材料出口设于第一换热器（11）上，第一换热器（11）的介质进出口通过管道与高温热泵（12）连接；高温热泵（12）与热水型溴化锂吸收式制冷系统（13）连接；热水型溴化锂吸收式制冷系统（13）冷量出口与供冷末端（16）连接；热水型溴化锂吸收式制冷系统（13）热量出口与第二换热器（9）连接用于加热换热介质。

3.根据权利要求2所述的相变材料综合利用系统，其特征在于：所述热利用装置（3）还包括辅助热源（14），辅助热源（14）与热水型溴化锂吸收式制冷系统（13）连接，用于向热水型溴化锂吸收式制冷系统提供热源。

4.根据权利要求2或3所述的相变材料综合利用系统，其特征在于：所述热利用装置（3）还包括第三换热器（21），热水型溴化锂吸收式制冷系统（13）冷量出口同时与第三换热器（21）连接，第一换热器上相变材料出口与第三换热器上相变材料进口连接，第三换热器上相变材料出口通过管道连接容器进口。

5.根据权利要求1所述的相变材料综合利用系统，其特征在于：所述容器（2）底部设有排污管（6），排污管（6）上设有截止阀（5）；在容器出口与热利用装置相变材料进口之间的管道上设有单向阀（4）。

6.根据权利要求1所述的相变材料综合利用系统，其特征在于：所述热利用装置（3）为冷却设备（17），冷却设备与冷源连接。

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