CN109163396A - 太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，包括有相变材料、太阳能集热器、风道、水管和控制器，其中相变材料均布在建筑物围护结构对应建筑物的室内一侧的容器内，风道和水管交替设置在相变材料内，风道的出风口设在建筑物的室内，太阳能集热器设在建筑物的室外，相变材料内所布设水管的一端与太阳能集热器相连通，太阳能集热器还连接有蓄热水箱，相变材料内所布设水管的另一端与蓄热水箱相连通，蓄热水箱的内腔与建筑物的室内之间设有换热装置用于热量的传递，换热装置与控制器连接并由控制器控制工作。有益效果：太阳能及房间夏季余热均通过本系统存储在相变材料当中，实现了室温调控的零碳排放或近零碳排放。

Description

太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统

技术领域

本发明涉及一种室温自动调控系统，特别涉及一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统。

背景技术

目前，建筑的冬季采暖和夏季降温，一般依靠传统不可再生能源，如燃煤、燃气和电能。传统能源使用过程中会对环境造成污染，也会增加使用者的经济成本。能否依靠清洁的可再生能源实现建筑的冬季采暖和夏季降温，实现建筑室温调控的零碳排放，低成本运行是广大科技者亟待解决问题。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决现有建筑室温调控是以电能、燃煤等矿物质燃料为主的现状，实现室温调控的零碳或近零碳的目标；

本发明的另一个目的是为了解决房间环境温度波动大，人体舒适度差的问题；

本发明为了达到上述目的，解决上述问题而提供的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统。

本发明提供的太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统包括有相变材料、太阳能集热器、风道、水管和控制器，其中相变材料均布在建筑物围护结构对应建筑物的室内一侧的容器内，风道和水管交替设置在相变材料内，风道的出风口设在建筑物的室内，太阳能集热器设在建筑物的室外，相变材料内所布设水管的一端与太阳能集热器相连通，太阳能集热器还连接有蓄热水箱，相变材料内所布设水管的另一端与蓄热水箱相连通，蓄热水箱的内腔与建筑物的室内之间设有换热装置用于热量的传递，换热装置与控制器连接并由控制器控制工作。

相变材料内所布设的风道和水管均裹设有换热器，换热器为肋片式或由泡沫金属制成，风道上装配有第一风机，第一风机设在建筑物的室内，第一风机与控制器连接并由控制器控制工作。

水管与太阳能集热器之间设有第一输水管进行连通，第一输水管上装配有第一阀门，水管与蓄热水箱之间设有第二输水管进行连通，第二输水管上装配有循环水泵，太阳能集热器与蓄热水箱之间设有第一管路、第二管路和第三管路进行连通，其中第一管路上设有第二阀门和第三阀门，第一管路还与第一输水管进行连通，连通管路上设有第四阀门，第二管路上设有第五阀门，第三管路上设有第六阀门，第二管路的一端与第一管路相连通，第二管路的另一端与第二输水管相连通，第三管路的一端与第一输水管相连通，第三管路的另一端与第二输水管相连通，第二管路与第三管路之间的第二输水管上设有第七阀门，前述的第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门和循环水泵均与控制器相连接并由控制器控制工作。

建筑物围护结构的周圈外表面和蓄热水箱的周圈外表面均裹设有绝热层。

换热装置是由水箱换热器、室内换热器和热泵工作机构组成，其中水箱换热器设在蓄热水箱内，室内换热器设在建筑物的室内，室内换热器的一侧还设置有第二风机，水箱换热器与室内换热器之间通过管路连通，热泵工作机构装配在连接管路上，热泵工作机构是由压缩机、四通阀和毛细管组成，其中室内换热器一端与四通阀连接，另一端与毛细管连接，水箱换热器一端与四通阀连接，另一端与毛细管相连，压缩机的两根连接管分别与四通阀相连，第二风机、压缩机和四通阀均与控制器连接并由控制器控制工作。

控制器设在建筑物的室内，建筑物的室内还设置有第一温度传感器，相变材料内设置有第二温度传感器，太阳能集热器内设置有第三温度传感器，第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器均与控制器相连接，第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器能够把接收到的数据及时传送到控制器内。

控制器由STM32F103单片机、输入调理模块和驱动模块组成，其中输入调理模块和驱动模块均与STM32F103单片机相连接，输入调理模块通过线路与第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器相连接，驱动模块通过线路与第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、压缩机、四通阀、第一风机、第二风机和循环水泵相连。

相变材料为无机相变材料或有机相变材料，相变材料的相变温度为25摄氏度。

太阳能集热器和蓄热水箱中填充有工作介质，工作介质为乙二醇防冻液，工作介质冰点低于当地最低气温10摄氏度。

上述的太阳能集热器、换热器、第一风机、第二风机、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、循环水泵、水箱换热器、室内换热器、压缩机、四通阀、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、输入调理模块和驱动模块均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理：

本发明提供的太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统一年四季太阳能收集的热量以及房间产生的余热均会存储在相变材料当中，具体工作原理如下：

冬季时：室温低于25摄氏度时，存储在相变材料中的热量以自然对流和辐射的形式向室内散热，维持室温稳定，当室温低于22度时，控制器启动风道上的第一风机，第一风机抽取室内冷空气进入风道，相变材料放出储存在其中的热量，经裹设在风道外周圈的换热器加热风道内的空气，空气吸收热量后被加热到与相变材料接近的温度后经出风口送至室内，达到供暖效果,当室温低于18摄氏度时，启动热泵供热模式，水箱换热器吸收热量，在室内换热器端放热，此时，室内换热器附近的第二风机工作，室内空气经第二风机加压在室内换热器内部吸热，送至室内，室温超过18摄氏度后，关闭热泵单元，室温超过22摄氏度后，关闭第一风机的循环风系统单元。

夏季时：当室温高于25度时，室内热量以自然对流和辐射的形式传给围护结构中的相变材料，当室温高于28度时，控制器启动第一风机，第一风机抽取室内热空气进入风道，室内空气放出热量经风道外周圈的换热器储存在相变材料当中，室内热空气释放热量后，温度降低至与相变材料接近的温度后，经出风口送至室内，达到降温的效果，当室内温度超过30摄氏度时，启动热泵制冷模式，控制器启动第二风机，室内热空气经第二风机加压送至室内换热器，室内换热器吸收热量后，送出冷空气，热量经水箱换热器端放出，加热蓄热水箱中的工作介质，室温低于30摄氏度后，控制器关闭制冷模式，室温低于28摄氏度后，控制器关闭第二风机停止工作。

太阳能集热单元和循环水系统单元全年运行，当太阳能集热器出口工作介质温度超过35度时，控制器启动循环水泵，太阳能集热及房间余热经水管外周圈的换热器释放给相变材料，当太阳能集热器出口工作介质温度低于30度时，循环水系统单元停止运行，当相变材料温度超过27度时，强制关闭循环水系统单元和循环风系统单元。

控制器启动热泵供热模式时，水箱换热器相当于蒸发器，室内换热器相当于冷凝器，液态的制冷剂在水箱换热器内部吸热蒸发，经四通阀进入压缩机，在压缩机内部完成压缩过程，高压的气态制冷剂经四通阀进入室内换热器，在室内换热器放出热量完成冷凝过程变成液态制冷剂，高压的液态制冷剂经毛细管节流降压后变为低压液态制冷剂，再次进入水箱换热器吸热；当启动热泵制冷模式时，水箱换热器相当于冷凝器，室内换热器相当于蒸发器，液态的制冷剂在室内换热器内部吸热蒸发，经四通阀进入压缩机，在压缩机内部完成压缩过程，高压的气态制冷剂经四通阀进入水箱换热器，在水箱换热器放出热量完成冷凝过程变成液态制冷剂，高压的液态制冷剂经毛细管节流降压后变为低压液态制冷剂，再次进入室内换热器吸热；制冷模式和供热模式通过四通阀进行切换。

室内温度低于30摄氏度时，控制器控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和第七阀门开启，控制器控制第四阀门、第五阀门和第六阀门关闭，低温工作介质先进入太阳能集热器，工作介质被太阳能加热后温度提升进入蓄热水箱，以保证热泵供热模式工作时水箱换热器处获得最大的换热温差，吸收更多的热量，当室内温度高于30摄氏度时，控制器启动热泵制冷模式，控制器控制第一阀门、第二阀门和第七阀门关闭，控制器控制第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门开启，低温工作介质先进入蓄热水箱，再进入太阳能集热器，以保证水箱换热器温度高于工作介质的温度，制冷剂能够加热工作介质。

相变材料的相变温度为25℃，相变材料可以使用25号相变石蜡或者相变点为25℃其它无机相变材料或有机相变材料。

本发明的有益效果：

本发明提供的太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统采用多种换热手段实现室内温度的自动调节，太阳能及房间夏季余热均通过本系统存储在相变材料当中，当室温低于相变点时，再释放到室内，实现了室温调控的零碳排放或近零碳排放。

附图说明

图1为本发明所述调控系统整体结构示意图。

图2为本发明所述热泵工作机构结构示意图。

图3为本发明所述控制器结构示意图。

图4为本发明所述控制器连接关系结构框图。

1、相变材料 2、太阳能集热器 3、风道 4、水管 5、控制器 6、建筑物围护结构 7、出风口 8、蓄热水箱 9、换热装置 10、换热器 11、第一风机 12、第一输水管 13、第一阀门14、第二输水管 15、循环水泵 16、第一管路 17、第二管路 18、第三管路 19、第二阀门 20、第三阀门 21、第四阀门 22、第五阀门 23、第六阀门 24、第七阀门 25、绝热层 26、水箱换热器 27、室内换热器 28、热泵工作机构 29、第二风机 30、压缩机 31、四通阀 32、毛细管33、第一温度传感器 34、第二温度传感器 35、第三温度传感器 36、STM32F103单片机 37、输入调理模块 38、驱动模块。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示：

本发明提供的太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统包括有相变材料1、太阳能集热器2、风道3、水管4和控制器5，其中相变材料1均布在建筑物围护结构6对应建筑物的室内一侧的容器内，风道3和水管4交替设置在相变材料1内，风道3的出风口7设在建筑物的室内，太阳能集热器2设在建筑物的室外，相变材料1内所布设水管4的一端与太阳能集热器2相连通，太阳能集热器2还连接有蓄热水箱8，相变材料1内所布设水管4的另一端与蓄热水箱8相连通，蓄热水箱8的内腔与建筑物的室内之间设有换热装置9用于热量的传递，换热装置9与控制器5连接并由控制器5控制工作。

相变材料1内所布设的风道3和水管4均裹设有换热器10，换热器10为肋片式或由泡沫金属制成，风道3上装配有第一风机11，第一风机11设在建筑物的室内，第一风机11与控制器5连接并由控制器5控制工作。

水管4与太阳能集热器2之间设有第一输水管12进行连通，第一输水管12上装配有第一阀门13，水管4与蓄热水箱8之间设有第二输水管14进行连通，第二输水管14上装配有循环水泵15，太阳能集热器2与蓄热水箱8之间设有第一管路16、第二管路17和第三管路18进行连通，其中第一管路16上设有第二阀门19和第三阀门20，第一管路16还与第一输水管12进行连通，连通管路上设有第四阀门21，第二管路17上设有第五阀门22，第三管路18上设有第六阀门23，第二管路17的一端与第一管路16相连通，第二管路17的另一端与第二输水管14相连通，第三管路18的一端与第一输水管12相连通，第三管路18的另一端与第二输水管14相连通，第二管路17与第三管路18之间的第二输水管14上设有第七阀门24，前述的第一阀门13、第二阀门19、第三阀门20、第四阀门21、第五阀门22、第六阀门23、第七阀门24和循环水泵15均与控制器5相连接并由控制器5控制工作。

建筑物围护结构6的周圈外表面和蓄热水箱8的周圈外表面均裹设有绝热层25。

换热装置9是由水箱换热器26、室内换热器27和热泵工作机构28组成，其中水箱换热器26设在蓄热水箱8内，室内换热器27设在建筑物的室内，室内换热器27的一侧还设置有第二风机29，水箱换热器26与室内换热器27之间通过管路连通，热泵工作机构28装配在连接管路上，热泵工作机构28是由压缩机30、四通阀31和毛细管32组成，其中室内换热器27一端与四通阀31连接，另一端与毛细管32连接，水箱换热器26一端与四通阀31连接，另一端与毛细管32相连，压缩机30的两根连接管分别与四通阀31相连，第二风机29、压缩机30和四通阀31均与控制器5连接并由控制器5控制工作。

控制器5设在建筑物的室内，建筑物的室内还设置有第一温度传感器33，相变材料1内设置有第二温度传感器34，太阳能集热器2内设置有第三温度传感器35，第一温度传感器33、第二温度传感器34和第三温度传感器35均与控制器5相连接，第一温度传感器33、第二温度传感器34和第三温度传感器35能够把接收到的数据及时传送到控制器5内。

控制器5由STM32F103单片机36、输入调理模块37和驱动模块38组成，其中输入调理模块37和驱动模块38均与STM32F103单片机36相连接，输入调理模块37通过线路与第一温度传感器33、第二温度传感器34和第三温度传感器35相连接，驱动模块38通过线路与第一阀门13、第二阀门19、第三阀门20、第四阀门21、第五阀门22、第六阀门23、第七阀门24、压缩机30、四通阀31、第一风机11、第二风机29和循环水泵15相连。

相变材料1为无机相变材料或有机相变材料，相变材料1的相变温度为25摄氏度。

太阳能集热器2和蓄热水箱8中填充有工作介质，工作介质为乙二醇防冻液，工作介质冰点低于当地最低气温10摄氏度。

上述的太阳能集热器2、换热器10、第一风机11、第二风机29、第一阀门13、第二阀门19、第三阀门20、第四阀门21、第五阀门22、第六阀门23、第七阀门24、循环水泵15、水箱换热器26、室内换热器27、压缩机30、四通阀31、第一温度传感器33、第二温度传感器34、第三温度传感器35、输入调理模块37和驱动模块38均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理：

本发明提供的太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统一年四季太阳能收集的热量以及房间产生的余热均会存储在相变材料1当中，具体工作原理如下：

冬季时：室温低于25摄氏度时，存储在相变材料1中的热量以自然对流和辐射的形式向室内散热，维持室温稳定，当室温低于22度时，控制器5启动风道3上的第一风机11，第一风机11抽取室内冷空气进入风道3，相变材料1放出储存在其中的热量，经裹设在风道3外周圈的换热器10加热风道3内的空气，空气吸收热量后被加热到与相变材料1接近的温度后经出风口7送至室内，达到供暖效果,当室温低于18摄氏度时，启动热泵供热模式，水箱换热器26吸收热量，在室内换热器27端放热，此时，室内换热器27附近的第二风机29工作，室内空气经第二风机29加压在室内换热器27内部吸热，送至室内，室温超过18摄氏度后，关闭热泵单元，室温超过22摄氏度后，关闭第一风机11的循环风系统单元。

夏季时：当室温高于25度时，室内热量以自然对流和辐射的形式传给建筑物围护结构6中的相变材料1，当室温高于28度时，控制器5启动第一风机11，第一风机11抽取室内热空气进入风道3，室内空气放出热量经风道3外周圈的换热器10储存在相变材料1当中，室内热空气释放热量后，温度降低至与相变材料1接近的温度后，经出风口7送至室内，达到降温的效果，当室内温度超过30摄氏度时，启动热泵制冷模式，控制器5启动第二风机29，室内热空气经第二风机29加压送至室内换热器27，室内换热器27吸收热量后，送出冷空气，热量经水箱换热器26端放出，加热蓄热水箱8中的工作介质，室温低于30摄氏度后，控制器5关闭制冷模式，室温低于28摄氏度后，控制器5关闭第二风机29停止工作。

太阳能集热单元和循环水系统单元全年运行，当太阳能集热器2出口工作介质温度超过35度时，控制器5启动循环水泵15，太阳能集热及房间余热经水管4外周圈的换热器10释放给相变材料1，当太阳能集热器2出口工作介质温度低于30度时，循环水系统单元停止运行，当相变材料1温度超过27度时，强制关闭循环水系统单元和循环风系统单元。

控制器5启动热泵供热模式时，水箱换热器26相当于蒸发器，室内换热器27相当于冷凝器，液态的制冷剂在水箱换热器26内部吸热蒸发，经四通阀31进入压缩机30，在压缩机30内部完成压缩过程，高压的气态制冷剂经四通阀31进入室内换热器27，在室内换热器27放出热量完成冷凝过程变成液态制冷剂，高压的液态制冷剂经毛细管32节流降压后变为低压液态制冷剂，再次进入水箱换热器26吸热；当启动热泵制冷模式时，水箱换热器26相当于冷凝器，室内换热器27相当于蒸发器，液态的制冷剂在室内换热器27内部吸热蒸发，经四通阀31进入压缩机30，在压缩机30内部完成压缩过程，高压的气态制冷剂经四通阀31进入水箱换热器26，在水箱换热器26放出热量完成冷凝过程变成液态制冷剂，高压的液态制冷剂经毛细管32节流降压后变为低压液态制冷剂，再次进入室内换热器27吸热；制冷模式和供热模式通过四通阀31进行切换。

室内温度低于30摄氏度时，控制器5控制第一阀门13、第二阀门19、第三阀门20和第七阀门24开启，控制器5控制第四阀门21、第五阀门22和第六阀门23关闭，低温工作介质先进入太阳能集热器2，工作介质被太阳能加热后温度提升进入蓄热水箱8，以保证热泵供热模式工作时水箱换热器26处获得最大的换热温差，吸收更多的热量，当室内温度高于30摄氏度时，控制器5启动热泵制冷模式，控制器5控制第一阀门13、第二阀门19和第七阀门24关闭，控制器5控制第三阀门20、第四阀门21、第五阀门22和第六阀门23开启，低温工作介质先进入蓄热水箱8，再进入太阳能集热器2，以保证水箱换热器26温度高于工作介质的温度，制冷剂能够加热工作介质。

相变材料1的相变温度为25℃，相变材料1可以使用25号相变石蜡或者相变点为25℃其它无机相变材料或有机相变材料。

Claims (9)

1.一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：包括有相变材料、太阳能集热器、风道、水管和控制器，其中相变材料均布在建筑物围护结构对应建筑物的室内一侧的容器内，风道和水管交替设置在相变材料内，风道的出风口设在建筑物的室内，太阳能集热器设在建筑物的室外，相变材料内所布设水管的一端与太阳能集热器相连通，太阳能集热器还连接有蓄热水箱，相变材料内所布设水管的另一端与蓄热水箱相连通，蓄热水箱的内腔与建筑物的室内之间设有换热装置用于热量的传递，换热装置与控制器连接并由控制器控制工作。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：所述的相变材料内所布设的风道和水管均裹设有换热器，换热器为肋片式或由泡沫金属制成，风道上装配有第一风机，第一风机设在建筑物的室内，第一风机与控制器连接并由控制器控制工作。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：所述的水管与太阳能集热器之间设有第一输水管进行连通，第一输水管上装配有第一阀门，水管与蓄热水箱之间设有第二输水管进行连通，第二输水管上装配有循环水泵，太阳能集热器与蓄热水箱之间设有第一管路、第二管路和第三管路进行连通，其中第一管路上设有第二阀门和第三阀门，第一管路还与第一输水管进行连通，连通管路上设有第四阀门，第二管路上设有第五阀门，第三管路上设有第六阀门，第二管路的一端与第一管路相连通，第二管路的另一端与第二输水管相连通，第三管路的一端与第一输水管相连通，第三管路的另一端与第二输水管相连通，第二管路与第三管路之间的第二输水管上设有第七阀门，前述的第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门和循环水泵均与控制器相连接并由控制器控制工作。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：所述的建筑物围护结构的周圈外表面和蓄热水箱的周圈外表面均裹设有绝热层。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：所述的换热装置是由水箱换热器、室内换热器和热泵工作机构组成，其中水箱换热器设在蓄热水箱内，室内换热器设在建筑物的室内，室内换热器的一侧还设置有第二风机，水箱换热器与室内换热器之间通过管路连通，热泵工作机构装配在连接管路上，热泵工作机构是由压缩机、四通阀和毛细管组成，其中室内换热器一端与四通阀连接，另一端与毛细管连接，水箱换热器一端与四通阀连接，另一端与毛细管相连，压缩机的两根连接管分别与四通阀相连，第二风机、压缩机和四通阀均与控制器连接并由控制器控制工作。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：所述的控制器设在建筑物的室内，建筑物的室内还设置有第一温度传感器，相变材料内设置有第二温度传感器，太阳能集热器内设置有第三温度传感器，第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器均与控制器相连接，第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器能够把接收到的数据及时传送到控制器内。

7.根据权利要求3或6所述的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：所述的控制器由STM32F103单片机、输入调理模块和驱动模块组成，其中输入调理模块和驱动模块均与STM32F103单片机相连接，输入调理模块通过线路与第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器相连接，驱动模块通过线路与第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、压缩机、四通阀、第一风机、第二风机和循环水泵相连。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：所述的相变材料为无机相变材料或有机相变材料，相变材料的相变温度为25摄氏度。

9.根据权利要求1所述的一种太阳能季节性相变蓄能室温自动调控系统，其特征在于：所述的太阳能集热器和蓄热水箱中填充有工作介质，工作介质为乙二醇防冻液，工作介质冰点低于当地最低气温10摄氏度。