CN107128153A - 电动汽车带余热回收的热储能制热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电动汽车带余热回收的热储能制热系统,用于利用发动机的废热和将电能转化后并储蓄的热能对乘员舱进行加热,其特征在于,具有:热储能制热部,包括用于将电能转化成热能并进行存储的热储能制热装置以及用于传递热能的热储能冷却液管路,热储能制热装置内具有PCM蓄热相变材料、用于加热该PCM蓄热相变材料的加热板以及设置在PCM蓄热相变材料之间的PCM换热器;余热回收部,包括电加热器以及与该电加热器连通的余热回收冷却液管路;换热部,包括与热储能冷却液管路连通的第一室内换热器、与余热回收冷却液管路连通的第二室内换热器以及鼓风机风扇;以及控制部,包括热储能控制阀单元、余热回收控制阀单元、温度传感器以及控制单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种热储能制热系统,尤其涉及一种电动汽车带余热回收的热储能制热系统。
背景技术
电动汽车相对于传统的汽车而言,在冬天制热时没有多余的废热来供给乘员舱的制热使用,则电动汽车必须消耗电池的电能来满足乘员舱的舒适性要求。在非常寒冷的天气条件下,供乘员舱加热的电能与动力推进系统所需要的电能几乎是同等大小的,此时电动汽车电池的负载大大增加,对汽车的续航里程大大的减少,这就导致能源消耗必须得到优化。在现有的制热技术中,主要是采用热泵系统制热和PTC加热。
热泵系统制热在环境温度较低时会存在结霜结冰/除霜除冰等一系列的问题,这些问题不但会影响系统的性能,还会使影响驾驶员的安全。利用PTC加热也存在问题,根据热力学第二定律,PTC制热的cop在1左右,使电池的负载增大,削减电动汽车的续航里程。
发明内容
为解决上述问题,本发明采用了如下技术方案:
本发明提供了一种电动汽车带余热回收的热储能制热系统,用于利用发动机的废热和将电能转化后并储蓄的热能对乘员舱进行加热,其特征在于,具有:热储能制热部,包括用于将电能转化成热能并进行存储的热储能制热装置以及用于传递热能的热储能冷却液管路,热储能制热装置内具有PCM蓄热相变材料、用于加热该PCM蓄热相变材料的加热板以及设置在PCM蓄热相变材料之间的PCM换热器,该PCM换热器具有分别与热储能冷却液管路连通的输入端和输出端;余热回收部,包括电加热器以及与该电加热器连通的余热回收冷却液管路;换热部,包括与热储能冷却液管路连通的第一室内换热器、与余热回收冷却液管路连通的第二室内换热器以及鼓风机风扇,第一室内换热器与第二室内换热器并排设置,鼓风机风扇设置在第一室内换热器与第二室内换热器的一侧并且其出风口朝向乘员舱;以及控制部,包括热储能控制阀单元、余热回收控制阀单元、安装在乘员舱的出风口处的温度传感器以及控制单元,其中,第一室内换热器与第二换热器均具有一个输入端和一个输出端,热储能控制阀单元包括分别安装在第一室内换热器的输入端和输出端上的第一控制阀以及第二控制阀,用于通过控制单元控制热储能冷却液管路与第一室内换热器的通断,从而控制热储能制热部对乘员舱进行加热,余热回收控制阀单元包括分别安装在第二室内换热器的输入端和输出端上的第三控制阀以及第四控制阀,用于通过控制单元控制余热回收冷却液管路与第二室内换热器的通断,从而控制余热回收部对乘员舱进行加热。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,热储能制热装置还具有包覆PCM蓄热变相材料的保温材料、包覆该保温材料的铝壳、与加热板连接的电源线以及设置在该电源线上的用于关断电源的电磁阀。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,电源线与电动汽车的内置电源的充电线连接。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,保温材料为无机纤维。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,PCM换热器为扁长方体形双程矩形翅片式换热器。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,热储能冷却液管路包括冷却液、用于储放该冷却液的第一储液器、用于输送冷却液的冷却液管、用于泵送冷却液的第一泵、第一三通管件、第二三通管件、第一流量阀、第二流量阀、第一单向阀以及第二单向阀,第一三通管件和第二三通管件均具有两个输入端和一个输出端,第一三通管件的一个输入端通过冷却液管与第一储液器以及第二控制阀连通,第一泵具有一个输入端和一个输出端,第一水泵的输入端通过冷却液管与第一三通管件的输出端连通,第一流量阀和第二流量阀均具有一个输入端和两个输出端,第一流量阀的输入端通过冷却液管与第一泵的输出端连通,第一单向阀和第二单向阀均具有一个输入端和一个输出端,第一单向阀的输入端通过冷却液管与第一流量阀的一个输出端连通,第一单向阀的输出端通过冷却液管与PCM换热器的输入端连通,第二单向阀的输入端通过冷却液管与PCM换热器的输出端连通,第二流量阀的输入端通过冷却液管与第二单向阀的输出端连通,第二三通管件的一个输入端通过冷却液管与第二流量阀的一个输出端连通,第二三通管件的输出端通过冷却液管与第一控制阀连通,第一三通管件的另一个输入端通过冷却液管与第二流量阀的另一个输出端连通,第一流量阀的另一个输出端通过冷却液管与第二三通管件的另一个输入端连通。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,冷却液为乙二醇。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,余热回收冷却液管路包括用于储放冷却液的第二储液器、用于泵送冷却液的第二泵、第三流量阀、第四流量阀以及第三三通管件,第二泵具有一个输入端和一个输出端,第二泵的输入端通过冷却液管与第二储液器以及第四控制阀连通,第三流量阀和第四流量阀均具有一个输入端和两个输出端,第三流量阀的输入端通过冷却液管与第二泵的输出端连通,第四流量阀的输入端通过冷却液管与第三流量阀的一个输出端连通,第四流量阀的输入端还通过冷却液管以及发动机与第三流量阀的另一个输出端连通,第三三通管件具有两个输入端和一个输出端,第三三通管件的一个输入端通过冷却液管和电加热器与第四流量阀的一个输出端连通,第三三通管件的另一个输入端通过冷却液管与第四流量阀的另一个输出端连通,第三三通管件的输出端通过冷却液管与第三控制阀连通。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,PCM蓄热相变材料采用无机盐系类蓄热相变材料。
根据本发明提供的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,还可以具有这样的特征:其中,电加热器为PTC加热器。
发明作用与效果
根据本发明的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,由于采用热储能制热部,使得本发明系统优先使用热储能制热部的热能,可以满足乘员舱的舒适度要求的同时不会影响系统的性能,安全有效,又可以不消耗电池负载,增加了电动汽车的续航里程;由于采用了余热回收部,利用发动机的废热来辅助加热乘员舱,废物回收再利用,减少了能源的浪费。
附图说明
图1是本发明实施例的电动汽车带余热回收的热储能制热系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例来说明本发明的具体实施方式。
<实施例>
图1是本发明实施例的电动汽车带余热回收的热储能制热系统的结构示意图。
如图1所示,本实施例的电动汽车带余热回收的热储能制热系统100包括热储能制热部10、余热回收部20、换热部30以及控制部40。
热储能制热部10包括热储能制热装置11以及热储能冷却液管路12。
热储能制热装置11用于将电能转化成热能并进行存储,包括PCM蓄热相变材料111、加热板112、PCM换热器113、保温材料114、铝壳115、电源线116以及电源开关117。
本实施例中,PCM蓄热相变材料111采用无机盐系类,设置在热储能制热装置11中。
PCM换热器113设置在PCM蓄热相变材料111之间,具有输入端和输出端。
加热板112设置于PCM换热器113的两端,用于加热PCM蓄热相变材料111。
本实施例中,PCM换热器113采用扁长方体型,并采用双程矩形翅片式,PCM换热器113内部的双程式回路通过矩形翅片叠加起来,在矩形翅片之间充满PCM蓄热相变材料111,在每个流体通道的流道的进出口处存在液体头部,每个双程式回路的进出口分别与流道的进出口的液体头部连接,这样有利于分流,每个回路的液体能够均匀,扁长型的设计有利于PCM加热器113给PCM蓄热相变材料均匀加热,中心与周围的温度保持较大统一,翅片能够强化传热,提高换热效率,扩大能源利用率。
保温材料114包裹在PCM换热器113的外部,本实施例中,保温材料114采用低导热系数的无机纤维,保温时间长达8小时(温降在10%),保证上班族在上下班之间即使不充电也能满足需求。
铝壳115包裹在保温材料114的外部,起保护作用。
电源线116与加热板112连接,用于关断电源的电磁阀117设置在该电源线116上。本实施例中,电源线116连接在电动汽车的充电插头上,当热储能制热装置11热量储存完毕时,电磁阀117自动断开,保证安全,且减小能源消耗。
当室外温度在-10℃,乘员舱(图中未示)内的温度维持在24℃,所需要的制热量在3.2~6.5KW之间,因此热储能制热装置11要提供1小时热能即在11520kJ~23400kJ范围之内,前10min是6.5KW到3.2KW的过渡,后50min是基本维持在3.2KW。按照加权平均数计算13500kJ左右的热能即可满足1小时的制热需求。PCM蓄热相变材料111采用无机盐系类,若PCM蓄热相变材料111的潜热为350J/g,显热为70J/g,PCM蓄热相变材料111在温度达到130℃时能充分利用潜热,温度降到60℃时充分利用显热,则计算可得只要21kg的PCM蓄热相变材料111。将PCM换热器113、保温材料114以及其他的部件组合起来预估整个热储能制热装置10提供1小时的热能时的重量在30kg左右。
如图1所示,热储能冷却液管路12用于利用冷却液管输送冷却液进行传递热能,包括第一储液器121、第一泵122、第一三通管件123、第二三通管件124、第一流量阀125、第二流量阀126、第一单向阀127以及第二单向阀128。
第一储液器121用于储放冷却液,第一三通管件123和第二三通管件124均具有两个输入端和一个输出端,第一三通管件123的一个输入端通过冷却液管与第一储液器121连通。
第一泵122用于泵送冷却液,具有一个输入端和一个输出端,该第一水泵122的输入端通过冷却液管与第一三通管件123的输出端连通。
第一流量阀125和第二流量阀126均具有一个输入端和两个输出端,第一流量阀125的输入端通过冷却液管与第一泵122的输出端连通。
第一单向阀127和第二单向阀128均具有一个输入端和一个输出端,第一单向阀127的输入端通过冷却液管与第一流量阀125的一个输出端连通,第一单向阀127的输出端通过冷却液管与PCM换热器113的输入端连通。
第二单向阀128的输入端通过冷却液管与PCM换热器113的输出端连通,第二流量阀126的输入端通过冷却液管与第二单向阀128的输出端连通。
第二三通管件124的一个输入端通过冷却液管与第二流量阀126的一个输出端连通。
第一三通管件123的另一个输入端通过冷却液管与第二流量阀126的另一个输出端连通。
第一流量阀125的另一个输出端通过冷却液管与第二三通124管件的另一个输入端连通。
本实施例中,冷却液为乙二醇。
如图1所示,余热回收部20包括电加热器21以及与该电加热器21连通的余热回收冷却液管路22。
本实施例中,电加热器21为PTC加热器。
余热回收冷却液管路22包括第二储液器221、第二泵222、第三流量阀223、第四流量阀224以及第三三通管件225。
第二储液器221用于储放冷却液。
第二泵222用于泵送冷却液,具有一个输入端和一个输出端,该第二泵222的输入端通过冷却液管与第二储液器221连通。
第三流量阀223和第四流量阀224均具有一个输入端和两个输出端,第三流量阀223的输入端通过冷却液管与第二泵222的输出端连通。
第四流量阀224的输入端通过冷却液管与第三流量阀223的一个输出端连通,第四流量阀224的输入端还通过冷却液管以及发动机与第三流量阀223的另一个输出端连通。
第三三通管件225具有两个输入端和一个输出端,第三三通管件225的一个输入端通过冷却液管和电加热器21与第四流量阀224的一个输出端连通,第三三通管件225的另一个输入端通过冷却液管与第四流量阀224的另一个输出端连通。
如图1所示,换热部30包括第一室内换热器31、第二室内换热器32以及鼓风机风扇33。
第一室内换热器31与第二室内换热器32并排设置,鼓风机风扇33设置在第一室内换热器31与第二室内换热器32的一侧并且其出风口朝向乘员舱。
如图1所示,控制部40包括热储能控制阀单元41、余热回收控制阀单元42、温度传感器以及控制单元(图中未示)。
热储能控制阀单元41包括第一控制阀411以及第二控制阀412。
第一室内换热器31与第二换热器32均具有一个输入端和一个输出端,第一控制阀411以及第二控制阀412均具有一个输入端和一个输出端。
第一控制阀411的输入端通过冷却液管与第二三通管件124的输出端连通,该第一控制阀411的输出端通过冷却液管与第一室内换热器31的输入端连通。第二控制阀412的输入端通过冷却液管与第一室内换热器31的输出端连通,该第二控制阀412的输出端通过冷却液管与第一三通管件123的一个输入端连通,用于控制热储能冷却液管路12与第一室内换热器31的通断,从而控制热储能制热部10对乘员舱进行加热。
余热回收控制阀单元42包括第三控制阀421以及第四控制阀422。
第三控制阀421以及第四控制阀422均具有一个输入端和一个输出端。第三控制阀421的输入端通过冷却液管与第三三通管件225的输出端连通,该第三控制阀421的输出端通过冷却液管与第二室内换热器32的输入端连通。第四控制阀422的输入端通过冷却液管与第二室内换热器32的输出端连通,该第四控制阀422的输出端通过冷却液管与第二泵222的输入端连通,用于控制余热回收冷却液管路22与第二室内换热器32的通断,从而控制余热回收部20对乘员舱进行加热。
温度传感器安装在乘员舱的出风口处,用于检测乘员舱内的温度。
控制单元用于对上述各个流量阀、控制阀、第一泵以及第二泵的打开或关闭进行控制,从而对相应的冷却液管路内的通断进行控制。
当应用在纯电动汽车(不包含燃油动力系统,仅以电力作为动力的汽车)时,本实施例的电动汽车带余热回收的热储能制热系统100的工作流程如下:
在充电模式中,热储能制热部10的第一流量阀125和第二流量阀126同时打开,此时冷却液在第二单向阀128、第二流量阀126、第一三通管件123、第一泵122、第一流量阀125、第一单向阀127、PCM换热器113之间形成循环,加热板112在给PCM蓄热相变材料111加热,不断循环流动的冷却液能使PCM蓄热相变材料111蓄热更加均匀,中心与周围的温度更加统一,此时热储能控制阀单元41切断第一储液器221与第一室内换热器31之间的通路,确保冷却液经第一三通管件123时不会回流到第一室内换热器31而浪费热能。
在放热模式中,优先开启热储能制热部10。当温度传感器监测到乘员舱内的温度超过舒适性要求时,第一流量阀125将一部分冷却液直接流入第二三通管件124,一部分经第一单向阀127流入PCM 换热器113内进行换热,再流经第二单向阀128、第二流量阀126在第二三通管件124处汇合,最终去第一室内换热器31进行换热,对乘员舱进行加热,减少能源的浪费,又充分满足舒适性要求。其他情况第一流量阀125将全部的冷却液去PCM换热器113内进行换热。
当温度传感器检测的到乘员舱内的温度较低,不足以满足乘员舱的舒适性要求,热储能控制阀单元41、余热回收控制阀单元42同时对热储能制热部10和余热回收部20同时开启,此时热储能制热部10可以看作为余热回收模式,对乘员舱进行加热。
此时,第三流量阀223为直通模式,控制冷却液经过电加热器21进行加热,再通过第三三通管件225到第二室内换热器32与室内冷空气进行换热。
上述过程中,各个流量阀、控制阀、第一泵以及第二泵的打开或关闭以及热储能制热部的开启或停止均通过控制单元来控制。
本实施例的电动汽车带余热回收的热储能制热系统100也可以应用于插电式混合动力汽车和增程式混合动力汽车,其工作流程与纯电动汽车基本相同。但是,在放热模式中,当燃油发动机启动时,热储能制热部10和余热回收部20同时开启,充分回收利用发动机的余热。并且,第三流量阀223为旁通模式,控制冷却液先经过发动机进行余热回收,若热量不足,再经过电加热器21进行加热,再通过第三三通管件225到第二室内换热器32与室内冷空气进行换热。
若温度传感器监测到乘员舱内的温度超过舒适性要求时,根据燃油发动机的余热情况,采用以下两种换热方案中的一种:
(1)当发动机余热足够满足制热要求时,冷却液从发动机余热回收之后,由第四流量阀224控制不经电加热器21直接到第三三通管件225,再到第二室内换热器32与室内冷空气进行换热。余热的直接回收利用,减小能耗损失,能源利用得到优化。
(2)当发动机余热不足够满足制热要求时,先在第四流量阀224的控制下,经过发动机的冷却液一部分通到第三三通管件225,另一部通过电加热器21加热,再在第三三通管件225处汇合,再到第二室内换热器32与室内冷空气进行换热。根据PTC的特性,当通过的流量减小时,功率减小,即消耗的电能减小,对电池包的负载减小,使续航里程得到增加。
实施例作用与效果
根据本实施例的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,由于采用热储能制热部,使得本实施例系统优先使用热储能制热部的热能,可以满足乘员舱的舒适度要求的同时不会影响系统的性能,安全有效,又可以不消耗电池负载,增加了电动汽车的续航里程;由于采用了余热回收部,利用发动机的废热来辅助加热乘员舱,废物回收再利用,减少了能源的浪费。
采用PCM蓄热相变材料,能保证达到制热效果,又能保证制热效率。
双程矩形翅片式PCM换热器能够强化传热,提高换热效率,扩大能源利用率。
低导热系数的无机纤维保温材料,可以保温时间长达8小时(温降在10%),保证上班族在上下班之间即使不充电也能满足需求。
PTC电加热器和流量阀配置,当通过的流量减小时,功率减小,即消耗的电能减小,对电池包的的负载减小,使续航里程得到增加。
Claims (10)
1.一种电动汽车带余热回收的热储能制热系统,用于利用发动机的废热和将电能转化后并储蓄的热能对乘员舱进行加热,其特征在于,具有:
热储能制热部,包括用于将所述电能转化成所述热能并进行存储的热储能制热装置以及用于传递所述热能的热储能冷却液管路,所述热储能制热装置内具有PCM蓄热相变材料、用于加热该PCM蓄热相变材料的加热板以及设置在所述PCM蓄热相变材料之间的PCM换热器,该PCM换热器具有分别与所述热储能冷却液管路连通的输入端和输出端;
余热回收部,包括电加热器以及与该电加热器连通的余热回收冷却液管路;
换热部,包括与所述热储能冷却液管路连通的第一室内换热器、与所述余热回收冷却液管路连通的第二室内换热器以及鼓风机风扇,所述第一室内换热器与所述第二室内换热器并排设置,所述鼓风机风扇设置在所述第一室内换热器与所述第二室内换热器的一侧并且其出风口朝向所述乘员舱;以及
控制部,包括热储能控制阀单元、余热回收控制阀单元、安装在所述乘员舱的出风口处的温度传感器以及控制单元,
其中,所述第一室内换热器与所述第二换热器均具有一个输入端和一个输出端,
所述热储能控制阀单元包括分别安装在所述第一室内换热器的输入端和输出端上的第一控制阀以及第二控制阀,用于通过所述控制单元控制所述热储能冷却液管路与所述第一室内换热器的通断,从而控制所述热储能制热部对所述乘员舱进行加热,
所述余热回收控制阀单元包括分别安装在所述第二室内换热器的输入端和输出端上的第三控制阀以及第四控制阀,用于通过所述控制单元控制所述余热回收冷却液管路与所述第二室内换热器的通断,从而控制所述余热回收部对所述乘员舱进行加热。
2.根据权利要求1所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述热储能制热装置还具有包覆所述PCM蓄热变相材料的保温材料、包覆该保温材料的铝壳、与所述加热板连接的电源线以及设置在该电源线上的用于关断电源的电磁阀。
3.根据权利要求2所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述电源线与所述电动汽车的内置电源的充电线连接。
4.根据权利要求2所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述保温材料为无机纤维。
5.根据权利要求1所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述PCM换热器为扁长方体形双程矩形翅片式换热器。
6.根据权利要求1所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述热储能冷却液管路包括冷却液、用于储放该冷却液的第一储液器、用于输送所述冷却液的冷却液管、用于泵送所述冷却液的第一泵、第一三通管件、第二三通管件、第一流量阀、第二流量阀、第一单向阀以及第二单向阀,
所述第一三通管件和所述第二三通管件均具有两个输入端和一个输出端,所述第一三通管件的一个输入端通过所述冷却液管与所述第一储液器以及所述第二控制阀连通,
所述第一泵具有一个输入端和一个输出端,所述第一水泵的输入端通过所述冷却液管与所述第一三通管件的输出端连通,
所述第一流量阀和所述第二流量阀均具有一个输入端和两个输出端,所述第一流量阀的输入端通过所述冷却液管与所述第一泵的输出端连通,
所述第一单向阀和所述第二单向阀均具有一个输入端和一个输出端,所述第一单向阀的输入端通过所述冷却液管与所述第一流量阀的一个输出端连通,所述第一单向阀的输出端通过所述冷却液管与所述PCM换热器的输入端连通,
所述第二单向阀的输入端通过所述冷却液管与所述PCM换热器的输出端连通,
所述第二流量阀的输入端通过所述冷却液管与所述第二单向阀的输出端连通,
所述第二三通管件的一个输入端通过所述冷却液管与所述第二流量阀的一个输出端连通,所述第二三通管件的输出端通过所述冷却液管与所述第一控制阀连通,
所述第一三通管件的另一个输入端通过所述冷却液管与所述第二流量阀的另一个输出端连通,
所述第一流量阀的另一个输出端通过所述冷却液管与所述第二三通管件的另一个输入端连通。
7.根据权利要求6所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述冷却液为乙二醇。
8.根据权利要求1所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述余热回收冷却液管路包括用于储放所述冷却液的第二储液器、用于泵送所述冷却液的第二泵、第三流量阀、第四流量阀以及第三三通管件,
所述第二泵具有一个输入端和一个输出端,所述第二泵的输入端通过所述冷却液管与所述第二储液器以及所述第四控制阀连通,
所述第三流量阀和所述第四流量阀均具有一个输入端和两个输出端,所述第三流量阀的输入端通过所述冷却液管与所述第二泵的输出端连通,
所述第四流量阀的输入端通过所述冷却液管与所述第三流量阀的一个输出端连通,所述第四流量阀的输入端还通过所述冷却液管以及所述发动机与所述第三流量阀的另一个输出端连通,
所述第三三通管件具有两个输入端和一个输出端,所述第三三通管件的一个输入端通过所述冷却液管和所述电加热器与所述第四流量阀的一个输出端连通,所述第三三通管件的另一个输入端通过所述冷却液管与所述第四流量阀的另一个输出端连通,所述第三三通管件的输出端通过所述冷却液管与所述第三控制阀连通。
9.根据权利要求1所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述PCM蓄热相变材料采用无机盐系类蓄热相变材料。
10.根据权利要求1所述的电动汽车带余热回收的热储能制热系统,其特征在于:
其中,所述电加热器为PTC加热器。
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