CN107702576A - 开式模块化相变箱及其构成的相变蓄能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了开式模块化相变箱及其构成的相变蓄能系统，解决了现有平板相变蓄热箱无法同时实现储热和末端供热的问题。本发明包括水箱，设置在水箱上的进水管、出水管；所述水箱内设置有用于将水箱分隔成多个独立腔体的可拆卸隔板；每个独立腔体的侧壁上均设置有一个进水管和一个出水管；所述独立腔体内设置有一个以上的相变蓄能板，该相变蓄能板在独立腔体内交错放置后形成流体通道，进水管位于流体通道首端位置处的水箱侧壁上，出水管位于流体通道尾端位置处的水箱侧壁上；且其中一个独立腔体的流体通道首端通过可拆卸隔板与另一个与其相邻的独立腔体的流体通道尾端隔开。本发明具有最大化利用太阳能资源、降低辅助热源能耗等优点。

Description

开式模块化相变箱及其构成的相变蓄能系统

技术领域

本发明涉及相变蓄能供能技术领域，具体涉及开式模块化相变箱及其构成的相变蓄能系统。

背景技术

太阳能作为典型的可再生能源，其使用率日益攀升，太阳能在建筑领域的使用对缓解建筑能耗过大、调节能源结构、围护生态平衡具有非常重要的作用。太阳能供暖是一种典型的太阳能利用方式，但由于太阳能具有间断性与能量密度低的特点，不能连续稳定的提供热量，限制了太阳能的大面积使用。

相变材料具有蓄能密度高、体积小、能实现能量的转移利用且易控制的优点，随着相变材料研究的不断深化，使其成为日益受到重视的新型储能材料。将相变材料置于普通蓄热水箱之中，用相变材料的潜热交换部分替代常规水箱的显热交换，能弥补太阳能间歇性的缺点，从而维持供热温度，并且提高太阳能利用率。

专利CN103062828A公开了一种闭式平板相变蓄热箱供热系统，该发明是在蓄热水箱内布置若干相变蓄热板，利用水流与相变蓄热版的接触进行换热，该方式解决了普通水箱蓄热体积大以及部分蓄热箱蓄热材料不可灵活拆卸的问题，但此专利的平板相变蓄热箱的水流在进行储热的时无法为末端进行供热，在对末端进行供热时则无法进行储热的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有平板相变蓄热箱无法同时实现储热和末端供热的问题，目的在于提供了一种开式模块化相变箱及其构成的相变蓄能系统，其通过多个独立腔体的设置能有效同时实现储热和末端供热的目的，同时，在达到同样存储热量的情况下能减小传统蓄热水箱体积，同时还能增大蓄热水箱运行时长，减少辅助能源设备能耗；并且，适用于更宽容积运行范围的调节。

本发明通过下述技术方案实现：

开式模块化相变箱，包括水箱，设置在水箱上的进水管、出水管；所述水箱内设置有用于将水箱分隔成多个独立腔体的可拆卸隔板；每个独立腔体的侧壁上均设置有一个进水管和一个出水管；

所述独立腔体内设置有一个以上的相变蓄能板，该相变蓄能板在独立腔体内交错放置后形成流体通道，进水管位于流体通道首端位置处的水箱侧壁上，出水管位于流体通道尾端位置处的水箱侧壁上；

且其中一个独立腔体的流体通道首端通过可拆卸隔板与另一个与其相邻的独立腔体的流体通道尾端隔开。

本发明利用相变材料相变潜热大，在相变温度附近蓄放热温度稳定的特点，封装成板片形式放置于普通蓄热水箱之中，将时间和空间上分布不均不稳定的太阳能转化为稳定的热能储存在相变材料中，可以增大太阳能资源的利用率，减少传统一次能源使用量，进而降低系统能耗。

本发明中采用多个独立腔体组合构成，在其中一个独立腔体进行储热时，另一个独立腔体则可以实现末端供热，分别承担本发明的蓄放热功能，互不影响；因而，通过多个独立腔体组合的方式能同时实现储热和末端供热的功能，以此最大化利用太阳能资源。并且，由于采用可拆卸隔板将相邻两个独立腔体分隔开来，因而，多个独立腔体之间既可以独立运行，也能协同运行。当独立运行时，多个独立腔体可以交替循环使用，实现同时储热和末端供热的功能，最大化利用太阳能资源，进而增大蓄热水箱运行时长，减少辅助能源设备能耗；而在协同运行的情况下时，只需将可拆卸隔板取下，即可有效实现在更宽的容积运行范围内进行调节，进而各独立腔体之间能通过独立与协同运行实现多工况模式，使系统整体变得更加灵活。

本发明通过交错放置的相变蓄能板，能有效增长流体通道，增加换热面积，在达到同样存储热量的情况下能减小传统蓄热水箱体积；并且该结构的设置能更加适用于可拆卸隔板的拆卸安装，进而便于在独立运行和协同运行之间进行调节。

进一步，所述相变蓄能板通过可拆卸式支撑架固定在水箱内。通过该方式的设置，通过可拆卸式支撑架的设置，方便调节相邻相变蓄能板之间的距离，进而有效调节流体通道的宽度；同时方便相变蓄能板的灵活拆卸，根据末端负荷要求更改不同相变材料填充量的相变蓄能板，从而提高供热效率。

更进一步，所述可拆卸式支撑架由可拆卸底座以及设置在可拆卸底座上端面的卡接凹槽组成。优选地，所述卡接凹槽的纵向截面呈相互对称的阶梯状结构。通过上述结构的设置，能有效适用于不同厚度的相变蓄能板的安装，安装更加灵活多变。

为固定更加稳定，在相变蓄能板上部和下部均采用同样规格的可拆卸式支撑架固定。

作为其中一种具体的流体通道的形成方式，所述相变蓄能板的高度与水箱高度相同，所述相变蓄能板一侧固定在独立腔体的侧壁上，该相变蓄能板的另一侧则与固定有该相变蓄能板一侧相对的侧壁之间形成水流间隙；当独立腔体内相变蓄能板的数量为两个以上时，相邻两个相变蓄能板的水流间隙交错设置。

即，本发明采用多个相变蓄能板与独立腔体的侧壁之间形成“Z”字形的流体通道，采用折流形式增加流体在水箱中的流动路程，即可有效增加水体与相变蓄能板之间的换热时间，提高热吸收率。同时，水箱外部设置保温层，防止热量过多损失。

进一步，所述可拆卸式支撑架的厚度为10mm～100mm，所述相变蓄能板的厚度为10mm～1000mm。

为了便于排水、加水，所述水箱上还设置有补水管和泄水管。

进一步，所述相变蓄能板由不锈钢板或者塑料板进行封装的壳体，以及填充在壳体内相变温度为-20～100℃的相变材料构成。为弥补常规相变材料导热性不足的缺点，所述相变材料中还添加有金属粉末或/和金属骨架；或采用石墨吸附等形式提高传热效率。

相变蓄能系统，包括开式模块化相变箱，与开式模块化相变箱形成第一循环回路的太阳能集热板；与开式模块化相变箱形成第二循环回路的末端换热设备，以及设置在第二循环回路上且位于开式模块化相变箱的出水管与末端换热设备之间的热泵。

进一步，所述开式模块化相变箱的出水管与热泵之间，以及开式模块化相变箱的出水管与太阳能集热板之间均设置有水泵。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明利用相变材料相变潜热大，在相变温度附近蓄放热温度稳定的特点，封装成板片形式放置于普通蓄热水箱之中，将时间和空间上不稳定的太阳能转化为稳定的热能储存在相变材料中，可以增大太阳能资源的利用率，减少传统一次能源使用量；

2、本发明采用相变材料相变潜热大的特点，并且通过结构的优化，可有效减小传统蓄热水箱体积，减少占地空间；

3、本发明可根据末端负荷要求更改箱体内相变蓄能板，根据相变蓄能板内相变材料填充量的改变，并根据流量要求更改变蓄能板的板间距离，从而能有效提高供热效率；

4、本发明多个独立腔体之间既可以独立运行，也能协同运行；在实现同时储热和末端供热的功能的同时，还可实现在更宽的容积运行范围内进行调节；

5、本发明适用于任意需要蓄能的供能系统，特别是建筑供热系统，应用范围广。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明中相变蓄能系统的整体结构示意图。

图2为本发明中开式模块化相变箱主视方向的内部结构示意图。

图3为本发明中开式模块化相变箱左视方向的内部结构示意图。

图4为本发明中开式模块化相变箱俯视方向的内部结构示意图。

图5为可拆卸式支撑架的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-可拆卸式支撑架，2-相变蓄能板，3-保温层，4-进水管，5-出水管，6-泄水管，7-补水管，8-可拆卸隔板，9-水箱，10-太阳能集热板，11-水泵，12-热泵，13-末端换热设备。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

开式模块化相变箱，包括水箱9，设置在水箱9上的进水管4、出水管5。

所述水箱9内设置有用于将水箱9分隔成多个独立腔体的可拆卸隔板8；每个独立腔体的侧壁上均设置有一个进水管4和一个出水管5；所述独立腔体内设置有一个以上的相变蓄能板2，该相变蓄能板2在独立腔体内交错放置后形成流体通道，进水管4位于流体通道首端位置处的水箱9侧壁上，出水管5位于流体通道尾端位置处的水箱9侧壁上；且其中一个独立腔体的流体通道首端通过可拆卸隔板8与另一个与其相邻的独立腔体的流体通道尾端隔开，如图2-图4所示。本实施例中的水箱9为开式非承压式水箱。

本实施例中可拆卸隔板8的数量设置为一个，将水箱9分隔成两个独立腔体，如图3和图4所示，两个独立腔体可以单独使用，也可协同使用，其运行模式可有以下几种：

一、以供热系统为例，当建筑负荷较小时，水箱9内部设置可拆卸隔板8，仅使用部分水箱容积，在一侧水箱内按照设计要求放置相变蓄能板2，其余水箱容积闲置，系统运行时仅水箱内部分容积参与运行；

二、以供热系统为例，当热负荷大时，不安装可拆卸隔板8，处于最大容积运行状态，根据设计要求放置相变蓄能板2，并设定合适的板间距，全水箱参与系统运行；

三、以供热系统为例，中部安装可拆卸隔板8将水箱9分为等容积两部分，可拆卸隔板8两侧均放置相变蓄能板2，此时采用协同运行模式，当一侧箱体处于蓄热工况时另一侧处于放热工况，反之亦然，两侧协同工作保证水箱供热时间延长，缩短辅助热源供热时间，降低辅助热源能耗；

四、以供热系统为例，当热负荷大时，中部安装可拆卸隔板8将水箱9分为两部分，系统采用分区供热，两侧容积独立运行，分别承担两个系统的蓄放热功能，互不影响。

上述模式均以供热模式为例，当该蓄能箱用于蓄能工况时以此类推，同样拥有以上运行模式。

本发明可适用于任意需要蓄能的供能系统，特别是建筑供热系统，例如建筑供热水、设备供热水等其他需提供稳定热水的场合，蓄能板灵活可拆卸，相变蓄能箱的模块化特性使系统自控形式多种多样，具有节能环保意义。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中优化了水箱9内相变蓄能板2的设置方式，即采用可拆卸式支撑架1将相变蓄能板2固定在水箱9内，具体如下：

在水箱9内放入多个与水箱9的宽度相同的可拆卸式支撑架1，如图2所示，再将相变蓄能板2的底端安装在可拆卸式支撑架1上，然后盖上水箱9的盖体即可。通过该方式可以便于相变蓄能板2的更换调节。为了达到最佳的稳定性能，有效固定相变蓄能板2的相对位置，在相变蓄能板2的顶端也安装可拆卸式支撑架1。

进一步，为了适用于不同厚度相变蓄能板2的安装，所述可拆卸式支撑架1由可拆卸底座以及设置在可拆卸底座上端面的卡接凹槽组成，如图5所示，所述卡接凹槽的纵向截面呈相互对称的阶梯状结构。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中优化了相变蓄能板2的结构，具体如下：

所述相变蓄能板2的高度与水箱9高度相同，所述相变蓄能板2一侧固定在独立腔体的侧壁上，该相变蓄能板2的另一侧则与固定有该相变蓄能板2一侧相对的侧壁之间形成水流间隙；当独立腔体内相变蓄能板2的数量为两个以上时，相邻两个相变蓄能板2的水流间隙交错设置。通过水流间隙与相邻两个相变蓄能板2形成的通道结合后即为本发明中的流体通道，流体通道呈现“Z”字形，增加流道长度，如图2-图4所示。

本发明中，相变蓄能板可采用不锈钢板或者塑料板等进行封装，相变材料可采用相变温度为-20～100℃的任意材料，并可在相变材料中添加金属粉末、金属骨架等提高传热效率，或者采用石墨吸附形成复合相变材料强化传热。本实施例中，该相变蓄能板2可根据系统大小选择传热性能优、相变时长合理的厚度，本实施例中给出了优选的厚度范围值，即10mm～1000mm。该可拆卸式支撑架1也可根据不同场合使用不同厚度，从而改变流体通道宽度，本实施例中给出了可拆卸式支撑架1的厚度设置为10mm～500mm，优选地，可拆卸式支撑架1的厚度为10mm～100mm。

所述相变蓄能板选用不同的相变温度的材料可用于蓄热也可用于蓄冷；因而，本发明中的开式模块化相变箱不仅仅能适用于供热系统也可用于制冷系统。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中优化了水箱9的其他结构，具体设置如下：

所述水箱9上还设置有补水管7和泄水管6。本实施例中优选为，在每个独立腔体上均设置有一个补水管7和泄水管6。并且，本实施例中水箱9外部设置保温层3，防止热量过多损失。

实施例5

本实施例中公开一种相变蓄能系统，该相变蓄能系统主要由实施例1-4中任意的开式模块化相变箱与太阳能集热板10和末端换热设备13组成，具体设置如下：

开式模块化相变箱与太阳能集热板10形成第一循环回路；开式模块化相变箱与末端换热设备13形成第二循环回路，在第二循环回路上且位于开式模块化相变箱的出水管5与末端换热设备13之间的位置处设置热泵12。在开式模块化相变箱的出水管5与热泵12之间，以及开式模块化相变箱的出水管5与太阳能集热板10之间分别设置一个水泵11。如图1所示。

本实施例中该开式模块化相变箱连接的热泵12可为开式也可为闭式，连接的末端换热设备13可为开式也可为闭式。该热泵12可为风冷热泵、水源热泵等任意形式的热泵，其作为辅助热源应具备独立承担建筑冷、热负荷的能力。本实施例中太阳能集热板10可以为串联形式也可以为并联形式，其板块数量由建筑物热负荷与太阳能设计保证率决定。

为了能达到更加安全稳定的效果，所述第二循环回路上的水泵11出水口端还通过联通管道与开式模块化相变箱的进水管4连通。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.开式模块化相变箱，包括水箱(9)，设置在水箱(9)上的进水管(4)、出水管(5)；其特征在于，所述水箱(9)内设置有用于将水箱(9)分隔成多个独立腔体的可拆卸隔板(8)；每个独立腔体的侧壁上均设置有一个进水管(4)和一个出水管(5)；

所述独立腔体内设置有一个以上的相变蓄能板(2)，该相变蓄能板(2)在独立腔体内交错放置后形成流体通道，进水管(4)位于流体通道首端位置处的水箱(9)侧壁上，出水管(5)位于流体通道尾端位置处的水箱(9)侧壁上；

且其中一个独立腔体的流体通道首端通过可拆卸隔板(8)与另一个与其相邻的独立腔体的流体通道尾端隔开。

2.根据权利要求1所述的开式模块化相变箱，其特征在于，所述相变蓄能板(2)通过可拆卸式支撑架(1)固定在水箱(9)内。

3.根据权利要求2所述的开式模块化相变箱，其特征在于，所述可拆卸式支撑架(1)由可拆卸底座以及设置在可拆卸底座上端面的卡接凹槽组成。

4.根据权利要求3所述的开式模块化相变箱，其特征在于，所述卡接凹槽的纵向截面呈相互对称的阶梯状结构。

5.根据权利要求1所述的开式模块化相变箱，其特征在于，所述相变蓄能板(2)的高度与水箱(9)高度相同，所述相变蓄能板(2)一侧固定在独立腔体的侧壁上，该相变蓄能板(2)的另一侧则与固定有该相变蓄能板(2)一侧相对的侧壁之间形成水流间隙；

当独立腔体内相变蓄能板(2)的数量为两个以上时，相邻两个相变蓄能板(2)的水流间隙交错设置。

6.根据权利要求1所述的开式模块化相变箱，其特征在于，所述可拆卸式支撑架(1)的厚度为10mm～100mm，所述相变蓄能板(2)的厚度为10mm～1000mm。

7.根据权利要求1所述的开式模块化相变箱，其特征在于，所述相变蓄能板(2)由不锈钢板或者塑料板进行封装的壳体，以及填充在壳体内相变温度为-20～100℃的相变材料构成；所述相变材料中还添加有金属粉末或/和金属骨架。

8.根据权利要求1所述的开式模块化相变箱，其特征在于，所述水箱(9)上还设置有补水管(7)和泄水管(6)。

9.采用权利要求1～8任一项所述的开式模块化相变箱构成的相变蓄能系统，其特征在于，包括开式模块化相变箱，与开式模块化相变箱形成第一循环回路的太阳能集热板(10)；与开式模块化相变箱形成第二循环回路的末端换热设备(13)，以及设置在第二循环回路上且位于开式模块化相变箱的出水管(5)与末端换热设备(13)之间的热泵(12)。

10.根据权利要求9所述的相变蓄能系统，其特征在于，所述开式模块化相变箱的出水管(5)与热泵(12)之间，以及开式模块化相变箱的出水管(5)与太阳能集热板(10)之间均设置有水泵(11)。