CN108800292A - 一种利用生活用水和相变蓄能材料的跨季节冷热供给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生活用水和相变蓄能材料的跨季节冷热供给系统，它包括地下水箱、太阳能热水器、电热水器、建筑内的相变模块和管路系统，地下水箱经由第一水泵后有两个分支：一条分支经第八管路连接相变模块进水口、另一条分支经第一管路后再经第二管路和第三管路连接太阳能热水器进水端或经第六管路连通生活用水口，太阳能热水器出水端连接电热水器进水端，电热水器出水端一方面经第四管路连通相变模块进水口、另一方面经第五管路连通生活淋浴口；相变模块的出水口一方面连接生活用水口、另一方面经第七管路和第二水泵回接第二管路。本发明对居民建筑完成大量能源来自于自然界，实现了节能，还能够跨季节供冷供热，调节室温。
Description
技术领域
本发明属于新能源与传统能源结合的技术领域，具体涉及一种利用生活用水和相变蓄能材料的跨季节冷热供给系统，它使用太阳能及电加热作为冬天供热能量来源，利用地下土壤蓄存的冷量作为夏季供冷能量来源，包括太阳能集热技术、电加热技术、地下土壤换热技术和相变材料蓄热蓄冷技术。
背景技术
长期以来，为了实现房舍跨季节冷热供给和生活节能，专业人员进行了不懈努力，但都没能有效解决房舍跨季节冷热供给的问题。
中国专利文献CN104329714A公开了一种可蓄冷蓄热的相变材料温度调节系统，该专利将相变材料应用在地板中，地板下面安装有通风窗。冬季供暖时通风窗关闭，热水从管道中流过与相变材料交换热量；夏季通过通风窗的开启以及冷水与相变材料间的换热来降低室内温度。但此专利存在以下问题：1、该专利应用在地板中，冬天的时候地板散热，热空气自然对流上升能够起到提高室内温度的作用，但是夏天的时候，地板只是将靠近地板处的空气温度降低，但冷空气只会停留在地板附近，降温效果不理想，所以该技术虽然宣称能够跨季节使用，但实际使用时只能在冬季供暖时起到效果；2、该专利所应用的通风窗很明显只适用于平房等农村住宅中，对于居民楼等高层建筑该项专利并不适用。
中国专利文献CN103712255A公开了一种跨季节太阳能-相变蓄能分级释能采暖系统，该专利是在非采暖季，通过太阳能集热器将热能储存在相变材料中，在采暖季节再将储存在相变材料中的热能释放给水，由水将热量带到采暖模块进行释放。此专利存在以下问题：1、只考虑了冬季采暖的问题，并不能用于夏季制冷；2、该技术在冬季采暖季节温度并不是很低时采用太阳能集热器直接加热水进行采暖，严冬季节依靠相变材料的释能加热水来进行采暖，这里相变材料中所储存的热量是在非采暖季积蓄的，这就要求相变材料的蓄热能力足够大，温度足够高，这就提高了相变材料的使用量，且蓄热器温度长期保持的保温要求高，系统成本高，否则冬天严冬天气较长，相变材料里的蓄热很难满足采暖的需要，尤其是在北方一些冬季较为寒冷的地区，无法满足生活使用的需要量。
中国专利文献CN103277856A公开了一种太阳能跨季节冷热联供空调系统，该专利可实现一个小区或几栋建筑同时进行供冷供热的系统。它采用大型槽式太阳能集热器来搜集太阳能，制冷制热设备使用吸收式制冷机；夏季需要制冷时，槽式太阳能集热器将太阳光聚焦到集热管上，产生的高温导热油再与吸收式制冷机发生器中的热源水进行换热，通过热源水升温后驱动制冷机制冷。当导热油温度足够高时，导热油流经埋在地下的相变蓄热器将部分热量储存在相变材料中，在无太阳辐射时可利用相变材料中的热量来驱动制冷机。冬天需要制热时，同样是依靠太阳能集热器获得的能量驱动制冷机工作，将冷冻水在冷凝器和吸收器中吸收热量后在房间内进行循环放热，达到制热的目的。该专利同样是运用了相变蓄热，并且可以实现为居民楼等大型建筑供冷供热，但该技术并不是将相变材料运用在建筑墙体中，而是将相变材料埋在地下。该专利存在的问题：该系统在冬天采暖季是先用集热器采集的热量来驱动制冷机工作，再利用冷冻水在冷凝器跟吸收器中吸收的的热量来为房间供热，降低了热量的利用率；另外，该系统结构复杂，增加了施工难度、并增大了构建成本。
发明内容
针对居民建筑的冷热源供给系统存在的困难，本发明所要解决的技术问题就是提供一种利用生活用水和相变蓄能材料的跨季节冷热供给系统，它能够减少新设备的投入，从而降低构建成本，大量能源来自于自然界，实现了节能，还能够跨季节供冷供热，调节室温。
本发明的构思是：将相变模块分别安装在地板及天花板中，使用太阳能热水器和电热水器对生活用水进行加热，若居民楼中已有太阳能热水器及电热水器则不需要额外增加这两项设备。通过太阳能热水器收集太阳能作为冬季供暖的自然热源，通过地下水箱中储存的冷水作为夏季供冷的自然冷源，并利用日常用水作为与相变材料进行热量、冷量传递的媒介，提高相变模块的蓄、放热效率，达到尽量减小成本投入、降低能耗实现调节室温的目的。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括地下水箱、太阳能热水器、电热水器、建筑内的相变模块和管路系统，地下水箱经由第一水泵后有两个分支：一条分支经第八管路连接相变模块进水口、另一条分支经第一管路后有两条管道，一条管道经第二管路和第三管路连接太阳能热水器进水端、另一条管道经第六管路连通生活用水口；在第二管路和第三管路之间有第九管路连通地下水箱；太阳能热水器出水端连接电热水器进水端，电热水器出水端一方面经第四管路连通相变模块进水口、另一方面经第五管路连通生活淋浴口；相变模块的出水口一方面连接生活用水口、另一方面经第七管路和第二水泵回接第二管路；所述第一管路至第九管路各自包含有对应的阀门。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的技术效果是：
1、如果建筑中已有安装太阳能热水器及电热水器，在冬季供暖这一环节中则不需要再添加其他的设备用于加热水，在冬季太阳能充足的情况下只利用太阳能来加热水即可，在太阳能不足的情况下可利用电热水器进行辅助加热；
2、利用了土壤这一天然冷源，在夏季供冷这一环节中只需要利用从地下水箱中出来的水与相变材料进行换热即可；
3、利用用户日常用水来自动实现水在与相变材料进行换热的过程中水流动的问题，在居民用水量足够满足相变材料正常蓄、放热所需水量时不需要额外的为水在相变材料中的流动提供能量；
4、本发明可应用于冬季、夏季及过渡季节，没有条件的限制，即可应用于平房等农村住宅，更可应用于楼房建筑；
5、由于冬季经太阳能热水器和电热水器的水可达到60℃以上的温度，所以冬季，本发明可以达到很好的调节室内温度的作用，夏季地下水箱中的水温在20℃以下，在与建筑中的相变材料换热后虽不能很明显地降低室内温度，但可以作为一种辅助降温设施，在利用空调等制冷设备对室内进行降温的同时，能够降低能耗，节约了能源。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中相变模块的并联安装方式示意图；
图3为本发明中相变模块中管路图。
图中：A、地下水箱；B、太阳能热水器；C、电热水器；D、相变模块；E、管路系统；1、第一管路； 2、第二管路； 3、第三管路； 4、第四管路； 5、第五管路； 6、第六管路； 7、第七管路； 8、第八管路；9、第九管路；10、第十管路；M1、第一水泵；M2、第二水泵；
G、生活区；H、用水区；g、智能温控分水器；t、温度感应器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明包括地下水箱A、太阳能热水器B、电热水器C、建筑内的相变模块D和管路系统E，地下水箱A经由第一水泵M1后有两个分支：一条分支经第八管路8连接相变模块D进水口、另一条分支经第一管路1后有两条管道，一条管道经第二管路2和第三管路3连接太阳能热水器B进水端、另一条管道经第六管路6连通生活用水口；在第二管路2和第三管路3之间有第九管路9连通地下水箱A；太阳能热水器B出水端连接电热水器C进水端，电热水器C出水端一方面经第四管路4连通相变模块D进水口、另一方面经第五管路5连通生活淋浴口；相变模块D的出水口一方面连接生活用水口、另一方面经第七管路7 和第二水泵M2回接第二管路2；所述第一管路至第九管路各自包含有对应的阀门。
图1中，在第五管路5与生活淋浴口之间接有第十管路10连通生活用水口，由第十管路的阀门实现热水在生活淋浴口与生活用水口的转换。
所述相变模块是由相变温度在25℃左右的相变材料构成（目前可以制备出来的相变温度温度在25℃左右的相变材料有很多：如采用物理共混法以Na2SO4· 10H2O和Na2CO3· 10H2O为原料，质量比为7：3时制备的Na2SO4· 10H2O-Na2CO3 · 10H2O二元共混无机相变储能材料相变温度为25℃；利用27%十六烷+9%十八烷+64%56#石蜡也可制备相变温度在25℃左右的复合相变材料）
所述地下水箱为安放在地下的可盛放居民用水且耐腐蚀、能传热的水箱；地下水箱的水源来自于自来水管网。
所述太阳能热水器和电加热器为居民小区用普通太阳能热水器、电热水器。
相变模块D安装在地板和天花板中，冬季热水从地板中相变模块中流过，利用地板中相变模块与室内进行换热来达到冬季制热的目的；夏季冷水从天花板中相变模块中流过，利用天花板中相变模块与室内进行换热来达到夏季制冷的目的。
如图2所示，房间的布置分为生活区G和用水区H两部分，生活用水由前端流入生活区A的智能温控分水器，相变模块D采用并联的方式，本实施例的相变模块共分为四组：根据室内对温度调控的需求程度将相变模块标为①、②、③、④4组（由于厨房、卫生间等用水区面积较小且人一般在该区域停留的时间并不是很长，此处相变模块采用串联的方式，不采用并联分组），其中①组相变模块布设在室内对温度调控需求最大的区域，依次类推，第④组相变模块布设在室内对温度调控需求程度最小的区域，前端流入智能温控分水器g的生活用水,由智能温控分水器控制首先流入①组相变模块，当①组相变模块末端中的温度感应器t感应到相变材料的温度达到设计要求后将信号反馈给智能温控分水器g，控制生活用水停止流入①组相变模块,改为流入②组相变模块，依次类推直到最后一组相变模块中的温度也达到设计要求。
由于生活用水需流经相变模块，必然会导致生活用水的压头损失增大，为减少压头损失，将相变模块采取并联的方式。如图2所示，利用智能温控分水器g进行控制，智能温控分水器的温度感应器t安装在相变模块D末端，相变模块D末端是指生活用水经相变模块从室内生活区G流出的一端。由于用水区H并没有太高的温度要求，并不需严格控制用水区的温度，只要生活区G达到要求即可。图1中相变模块的进水端为图2中智能温控分水器g的进水端。
如图3所示，为进一步减少压头损失，相变模块D中的水管采用简单的弯管分布，避免多回路、毛细管分布；为增强水管与相变模块中的相变材料换热，在水管的外管壁设置有环肋。
本发明的工作过程是：
1、在冬季，白天居民正常用水时，第一水泵M1工作，第一管路的阀门、第二管路阀门、第三管路的阀门打开，储存在小区地下水箱A中的水进入太阳能热水器B，再经过电热水器C，先利用太阳光将水加热，若冬天光照充足、由太阳能热水器出来的水温度达到指定要求的情况下，电热水器不对从太阳能热水器出来的水进行再次加热；若由太阳能热水器出来的水温达不到预设温度，则在水流经电热水器的时候需要由电热水器进行辅助加热，使水温达到预设温度。
若（地板中）相变模块D中蓄存的热量未达到液态蓄热要求，则第四管路的阀门打开，从电加热器中流出的水经第四管路流入相变模块，与相变模块进行换热（通过穿过相变模块的水管的管壁及管壁外的的环肋通过导热的方式与相变模块中的相变材料进行换热），相变模块中的相变材料发生相变，由固态变为液态，使相变模块中储存足够的热量，相变模块的出水流向生活用水口；当相变模块中已储存足够多的热量，此时关闭第四管路的阀门，开启第五管路的阀门，向生活淋浴口或生活用水口供热水。
若仅由居民正常用水达不到相变模块的材料相变蓄热要求，此时关闭生活用水口、第一水泵M1、第一管路的阀门；开启第二水泵M2和第七管路、第二管路、第三管路和第四管路的阀门，利用水管、太阳能热水器及电热水器内部的水进行循环，加热后在相变模块中与相变材料进行换热，使相变模块中储存足够的热量。
2、在夏季，白天居民正常用水时第一水泵M1工作，第八管路8的阀门打开，地下水箱A中的冷水与（天花板中）相变模块D中的相变材料进行换热，使相变材料温度降低，相变材料发生相变，由液态变为固态，相变模块的出水流向生活用水口。
居民洗澡等用热水，关闭第八管路阀门，打开第一管路、第二管路、第三管路和第五管路的阀门，使小区地下水箱中的水经太阳能热水器加热后供给居民使用。
当相变材料中已储存足够多的冷量，此时只开启第一水泵M1，第一管路和第六管路的阀门打开，为居民供凉水。
若仅由居民正常用水达不到相变模块的材料相变蓄冷要求，此时关闭生活用水口，开启第一水泵M1，第八管路、第七管路、第二管路和第九管路的阀门打开，使冷水在小区地下水箱及相变模块之间进行循环，直到相变模块中储存了足够的冷量为止。（在循环过程中，第七管路有第二水泵M2，为使循环畅通，应该低功率开启第二水泵M2）
3、在过渡季节，根据当天实际情况，若天气较冷需要供暖时则按照冬季供暖时的操作方式运行；若天气较热需要供冷时则按照夏季供冷时的操作方式运行。
整个控制过程是由控制器和温度传感器来实现。
Claims (4)
1.一种利用生活用水和相变蓄能材料的跨季节冷热供给系统，其特征是：包括地下水箱、太阳能热水器、电热水器、建筑内的相变模块和管路系统，地下水箱经由第一水泵后有两个分支：一条分支经第八管路连接相变模块进水口、另一条分支经第一管路后有两条管道，一条管道经第二管路和第三管路连接太阳能热水器进水端、另一条管道经第六管路连通生活用水口；在第二管路和第三管路之间有第九管路连通地下水箱；太阳能热水器出水端连接电热水器进水端，电热水器出水端一方面经第四管路连通相变模块进水口、另一方面经第五管路连通生活淋浴口；相变模块的出水口一方面连接生活用水口、另一方面经第七管路和第二水泵回接第二管路；所述第一管路至第九管路各自包含有对应的阀门。
2.根据权利要求1所述的一种利用生活用水和相变蓄能材料的跨季节冷热供给系统，其特征是：在第五管路与生活淋浴口之间接有第十管路连通生活用水口。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用生活用水和相变蓄能材料的跨季节冷热供给系统，其特征是：所述相变模块安装在地板和天花板中。
4.根据权利要求3所述的一种利用生活用水和相变蓄能材料的跨季节冷热供给系统，其特征是：所述相变模块中的水管采用弯管分布，在水管的外管壁设置有环肋。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109307341A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-02-05 | 重庆大学 | 一种结合相变蓄能的全年毛细管网辐射空调节能系统 |
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2018
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