CN109028268A - 一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板 - Google Patents

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Abstract

一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，它属于建筑供暖技术领域。它包括由上至下依次铺设的地板层、相变储能材料层、保温隔热层和结构基础层；相变储能材料层内布置有由外界控制的电加热元件、导热通风管道和静压箱；静压箱与导热通风管道连通。本发明能够实现热能的灵活储存和释放，方便用户对热环境进行快速调节和控制，热量损失少。

Description

一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板
技术领域
本发明涉及一种一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，属于建筑供暖技术领 域。
背景技术
作为一种清洁可靠的供暖方式，电供暖已经成为了清洁供暖改革的重点并且在我国北 方城市的清洁供暖改革中得到了大量应用。相比于传统的热水供暖系统，电供暖系统具有 如下的优势：安装简单，无需额外的介质输送管道；热电转化效率高；便于分户调节与计 量等。此外电供暖系统还可以利用建筑蓄热性实现弃风弃光的消纳，从而提高可再生能源 的利用效率。然而目前的电供暖装置存在如下的问题：(1)目前常见的电供暖设备主要有 电蓄热锅炉和电供暖器等。电蓄热锅炉由于受到存储容量和相对固定的用热时间的限制， 其风电消纳量较为有限；分布式电供暖末端调节性较好，可以较快的提升室内温度，但是 对室内环境的维持能力较弱，而且容易造成房间整体冷热不均，从而导致热不舒适。公告 号CN204704913 U的专利提出了一种电供暖相变储能装置，利用相变材料实现热能的存储 并且可以较好的维持室内热环境，但是该装置无法灵活释放其储存的热量，因此不利于用 户热环境的自主调节。类似的电供暖装置也存在这种问题，(2)传统的电供暖储能装置的 储能材料大多为石蜡，并且基本采用石蜡充注于密闭空间的方式封装相变材料。但是这种 方式容易导致液态石蜡的渗漏，从而使储能效果下降并且影响用户的正常使用。(3)传统 相变储能材料的导热系数比较小，地板内部热量传递过程通常较为缓慢。而且其主要通过 地板表面与室内的对流和辐射作用来加热室内空气和墙体，相比于传统的散热器而言其热 环境控制与调节效果需要改进和提升。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种能够自由调节同时能够实现热能的灵活储存 和释放的内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板。该地板实现室内环境的快速调节与控 制。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，它包括由上至下依次铺设的地板层、 相变储能材料层、保温隔热层和结构基础层；
相变储能材料层内布置有由外界控制的电加热元件、导热通风管道和静压箱；静压箱 与导热通风管道连通。
进一步地，所述相变储能材料层的材料主要为混凝土，混凝土内均混有一定量的封装 有相变储能材料的囊粒。
更进一步地，所述相变储能材料的重量占混凝土重量的10％-20％。
更进一步地，相变储能材料层的厚度为8-10cm。
进一步地，所述相变储能材料为石蜡。
进一步地，一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板还包括锡箔层，锡箔层布置 在地板层和相变储能材料层之间。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明的内嵌有风管的电加热式相变储能地板，从能量转移和转化的角度，它利用相变 材料实现热量的存储。若电力系统中为电供暖预留的电量超过该时段的电供暖需求电量， 则利用地板中的相变储能材料将多余的电能转化为热能进行存储，充分提高用户侧对弃风 弃光的消纳能力，在区域层面上可以提高50％-70％的风电与光电消纳能力。这部分储存的 热量可以在夜晚或者低温时段释放，从而降低这些时段供暖用电需求；当为电供暖预留的 风电接入量不足以满足电供暖需求时，首先释放地板储能材料层中储存的热量并维持室内 热环境稳定，若相变材料层能量释放完全但仍旧不能满足供暖需要，则利用市电进行供暖。
从热环境调节的角度，该装置利用通风导热管道内空气的对流换热作用强化相变储能材 料与室内空气的换热，可以快速提高室内温度。
内嵌有通风导热管道的电加热式相变储能地板相比于普通的电供暖系统，其优越性效果 可以归纳为：
地板可以同时实现辐射供热和对流供热，方便用户对热环境进行快速调节。
保温隔热层可以减少相变储能材料层热量向周围环境散失，并减少户间传热。
锡箔层可以强化相变储能材料层与地板层之间的导热。
利用相变材料，在电能充足时可以储能，从而利用电供暖系统实现分布式储能。
对相变储能材料层内温度以及室内空气温度进行监测，既保证使用者的热舒适性，又提 高系统运行经济性。
在供暖季通过控制电供暖系统运行实现风电的消纳，促进风电等清洁能源的利用，并且 利用建筑供热负荷的灵活性提高电力系统的调节性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的A-A向视图；
图3为图1的B-B向视图；
图4为图1的C-C向视图；
图5为实施例的静压箱的整体结构示意图；
图6为实施例的静压箱的剖视图；
图7为图5的E-E剖视图；
图8为管道风机与静压箱扦插示意图；
图9为实施例中静压箱的分流叶片与挡风板结构示意图；
图10为管道风机出口布置的挡板示意图；
图11为储能地板中加热电缆的运行方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参见图1-图4所示，一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，它包括由上至下 依次铺设的地板层1、相变储能材料层3、保温隔热层5和结构基础层6；
相变储能材料层3内布置有由外界控制的电加热元件4、通风导热管道7和静压箱10； 静压箱10与通风导热管道7连通。
上述实施方式中，结构基础层5即普通建筑结构中的混凝土结构层。静压箱10与通风 导热管道7通过软管连接。
所述相变储能材料层3的材料主要为混凝土，混凝土内均混有一定量的封装有相变储 能材料的囊粒。
本实施方式中所述囊粒为主要指内部封装有相变储能材料为石蜡的胶囊状颗粒，其均 匀的散布于相变储能材料层3中，相变储能材料层3的主体材料为混凝土。胶囊封装材料 具有强化相变材料传热、防止液态相变材料渗漏的作用。所述相变储能材料的重量占混凝 土重量的10％-20％。
石蜡具有相变潜热量大、价格低、无毒无害的特点，是目前常用的有机相变储能材料 之一，而且封装后液态石蜡不容易泄露，导热系数也得到了增强。这里石蜡的熔点为25-30℃， 相变储能材料层3的厚度控制在10cm以下，优选采用8-10cm，这样可以防止整体厚度过 高，并且不至于使相变层的传热速度过慢。
保温隔热层5布置于相变储能材料层3的下方及四周，用于减少户间传热以及通过外墙 的热损失。保温隔热层5的材料采用发泡混凝土、发泡塑料、挤塑板或保温岩棉，但是并 不仅限于以上几种，其功能主要是减少相变储能层向地板下方以及四周传递热量，有效减 少户间传热，并且提高相变储能层的储热稳定性。
制作相变储能材料层3时，将加热电缆、通风导热管道7和静压箱10按从下到上的次 序布置于混合有相变储能胶囊的浆状混凝土中即可，其中通风导热管道7和静压箱10需要 预先拼装好，以免混凝土桨流入管道。
参见图1所示，本实施方式的地板还设置了锡箔层2，锡箔层2布置在地板层1和相变 储能材料层3之间。锡箔层2用于增强相变储能材料层3向室内的导热。锡箔层2材料选用厚度18-20μm的锡箔纸，其主要目的是强化相变储能层与地板层之间的导热，减小两者之间的温度梯度，提高地板层的温度。
作为一种可实施方式，通风导热管道7内置于相变储能材料层3中，通风导热管道7的 外表面固接有沿轴向布置的多个环形肋片7-1。用于强化空气与相变储能层之间的换热。相 邻两个肋片7-1等间距布置，通风导热管道7采用DN20的铁管或者铜管，相邻两个通风导 热管道7的间距控制在20-30cm之间。同一个通风导热管道7上的相邻两个肋片7-1的间 距控制在10-20cm之间，肋片7-1的高度取1-2cm。
上述实施方式中通风导热管道7通过静压箱10与管道风机15连接，静压箱10开有与通风导热管道7个数相同的等面积的出风口，可以保证各个通风导热管道7中气体流量相同，防止地板表面出现冷热不均的现象。
参见图5-图10所示，本实施方式中静压箱10中的每个出风口的风量相同，而且尽量 减少局部阻力损失。以五边形结构对静压箱10的具体结构作一说明：它包括分流叶片10-1、 挡风板10-2和空心风箱10-3；5个挡风板10-2以五边形布置，在五边形内腔中以中心到五 个顶点分别布置一个分流叶片10-1，挡风板10-2和相邻两个分流叶片10-1构成一个分流的 通风腔，分流叶片10-1和挡风板10-2连接结构布置在中心开口的空心风箱10-3内，制作 相变储能材料层3时，将加热电缆、通风导热管道7和静压箱10按从下到上的次序布置于 混合有相变储能胶囊的浆状混凝土中即可，其中通风导热管道7和静压箱10需要预先拼装 好，以免混凝土桨流入管道，这里的拼装是在上述静压箱10的每个挡风板10-2上开设与外 部的软管16相连接的风孔，软管16伸出空心风箱10-3与对应的通风导热管道7连接。参见图8所示，管道风机9通过其出口处与挡风板10-2相配合的截面为五边形的挡板14以相扦插的方式密封连接在一起，这样管道风机9启动，管道风机9出风经上述通风腔，并经 软管16送入相应的通风导热管道7内，实现与相变储能材料的热量交换,软管16与镶嵌 于相变储能材料层3中的通风导热管道7连接。通风导热管道7内的进风温度和室内空气 温度相近，经过与相变储能层的换热，通风导热管道7的出风温度会比进风口温度高2-3℃。
本实施方式中的电加热元件4为加热电缆，它布置于相变储能材料层3的下部，其开启 受温控装置的控制。但是本实施方式中的加热元件4并不局限于加热电缆，其他的电加热 元件例如电热膜等均可以替代。
所述的温度传感器8布置于室内空间和相变储能材料层3中，用于检测室内空气和相 变储能材料层3内温度的变化。相变储能材料层中的温度信号被传送到室内的温度控制装 置，用于对相变储能层的状态进行分析，从而实现该系统的反馈控制。温度传感器可以在 热电偶、铂热电阻或热敏电阻等常见的温度传感器中进行选择，而且不限于以上几种，可 以根据实际情况具体选择。
本实施方式中控制装置的控制对象为加热电缆启停开关、管道风机启停开关以及管道风 机变频器，其控制范畴包括加热电缆的启停、管道风机的启停以及管道风机运行频率。所 述启停开关用于对加热电缆和管道风机进行启停控制，从而实现加热与停止加热、通风与 停止通风这几种运行模式之间的切换。所述变频器用于对管道风机的运行频率进行控制， 实现管道风机的变频运行，从而改变通风管道内空气的流动速度，进而改变室内空气与储 能体之间的换热速度。
在使用时，该相变储能地板可以有多种运行模式：1)仅开启加热电缆。这时加热电缆 直接加热储能体，再由储能体向室内环境持续稳定的散热，保证对室内物体均匀加热；2) 仅开启管道风机，这时利用通风管道与储能体之间的对流换热作用将储能体中的能量释放 到室内环境中，风机的运行频率可由使用者根据需求手动控制；3)同时开启加热电缆与管 道风机，这种模式用于室内供暖刚刚开始或者室外环境较低的情况，这时加热电缆持续加 热储能体，同时管道风机又可以通过对流作用对室内热环境进行快速调节。
本方案中控制装置以相变储能材料层温度Tfloor和室内空气温度Tair为依据判定加热电缆 的运行状态。其中Tair来自于置于室内的温度传感器，Tfloor来自于置于相变储能材料层3 内的温度传感器。两个传感器的数据采样周期为30min。
图11给出了该储能地板的运行方案。控制装置首先判断室内温度所处区间，当室内温 度小于18℃时，无论相变储能材料层3处于什么温度区间均开启加热电缆，以保证室内空 气温度满足供暖要求；当室内空气温度大于18℃而小于24℃时，这时再依据相变储能材料 层3的温度判定加热电缆的运行状态：当相变储能材料层3的温度小于18℃时，此时储能 地板已经不能维持设定的供暖室内空气设定温度，无论是否处于谷电价时段均需要启动加 热电缆；当相变储能材料层3的温度处于18℃与25℃之间时，储能地板基本可以满足室内 供暖的要求，无需开启加热电缆；特别的，当储能层温度处于25℃与30℃之间时，由于此 时相变材料处于两相区，因此加热电缆的运行基本不会改变地板表面温度，此时是否开启 加热电缆取决于运行的经济性，即电价。若此时处于谷电价状态，则可以开启加热电缆进 行储能；反之不必开启加热电缆；当相变储能材料层3的温度高于30℃时，相变材料已经基本完全变成液态，此时关闭加热电缆，防止地板表面温度过高而造成不适。当室内空气温度大于24℃时，无论相变储能材料层3处于什么温度区间均关闭加热电缆，以防止室内空气温度过高。
管道风机9的启停和运行频率控制由用户自主决定，不设自动控制。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术 人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许 的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据 本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明 技术方案范围。

Claims (10)

1.一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：它包括由上至下依次铺设的地板层(1)、相变储能材料层(3)、保温隔热层(5)和结构基础层(6)；
相变储能材料层(3)内布置有电加热元件(4)、通风导热管道(7)和静压箱(10)；静压箱(10)与通风导热管道(7)连通。
2.根据权利要求1所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：所述相变储能材料层(3)的材料主要为混凝土，混凝土内均混有一定量的封装有相变储能材料的囊粒。
3.根据权利要求2所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：所述相变储能材料的重量占混凝土重量的10％-20％。
4.根据权利要求3所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：相变储能材料层(3)的厚度为8-10cm。
5.根据权利要求3所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：所述相变储能材料为石蜡。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：所述通风导热管道(7)的外表面固接有沿轴向布置的多个环形肋片(7-1)。
7.根据权利要求6所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板还包括锡箔层(2)，锡箔层(2)布置在地板层(1)和相变储能材料层(3)之间。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：所述电加热元件(4)为加热电缆或电热膜。
9.根据权利要求8所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：所述保温隔热层(5)的材料采用发泡混凝土、发泡塑料、挤塑板或保温岩棉。
10.根据权利要求9所述一种内嵌有通风管道的电加热式相变储能地板，其特征在于：相变储能材料层(3)内还布置有温度传感器(8)。
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