CN109307312A - 一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统及方法 - Google Patents

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刘衍
刘江
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Abstract

本发明公开了一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统及方法，包括太阳能集热器、相变蓄热换热器、板式换热器和采暖模块，相变蓄热换热器与板式换热器并联，太阳能集热器分别与相变蓄热换热器和板式换热器连接构成不同的集热循环回路；采暖模块分别与相变蓄热换热器和板式换热器连接构成不同的供热循环回路；可依据太阳能集热器供水温度的高低进行分级蓄热，可依据向室内供水温度的高低进行分级供热。通过电磁阀的启闭，实现不同采暖方式的调节。本发明系统具有蓄热量大、供热温度稳定、分级调节等特点，在被动式太阳能采暖地区应用潜力巨大。

Description

一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统及方法
技术领域
本发明属于建筑节能技术领域，涉及一种采用不同相变温度的相变材料进行分级采暖的太阳能热水采暖系统及方法。
背景技术
我国北方地区较为寒冷，是采暖的主要区域，其中北方城镇采暖能耗为1.84亿tce，占建筑能耗的21％，减少建筑采暖能耗对于建筑节能具有重大意义。我国北方地区太阳能资源丰富，高效利用太阳能进行采暖可有效改善室内热环境，减少冬季采暖能耗。太阳能采暖分为被动式太阳能采暖和主动式太阳能采暖，太阳能热水采暖是一种应用较为普遍的主动式太阳能采暖方式。
由于室外空气温度及太阳辐射的动态变化，室内热负荷也呈现动态变化的特征。太阳辐射强度较大，室外空气温度较高时，室内热负荷较小；无太阳辐射，室外空气温度较低时，室内热负荷较大。传统的太阳能热水采暖受室外天气状况影响较大，向室内的供热量与热负荷的需求不匹配，易出现供热过量或不足等现象。采用保温水箱进行蓄热，蓄热能力有限，很难满足夜间或阴雨天的采暖需求。仅采用一种采暖方式，供热不稳定，室内热环境调节能力有限，易引起室内的不舒适。
具体来说，传统太阳能热水采暖存在以下一些问题：
(1)受室外天气状况的影响较大，易出现供热过量或不足。
冬季晴天时，太阳辐射较强，室外空气温度较高，太阳能热水温度较高，而室内热负荷较小，易出现供热过量，浪费能源，阴雨天时，太阳辐射较弱，室外空气温度较低，太阳能热水温度较低，而室内热负荷较大，易出现供热不足；一天当中，正午太阳辐射强度较大，室外空气温度较高，易出现供热过量，夜间无太阳辐射，室外空气温度较低，易出现供热不足。
(2)蓄热能力有限，很难满足夜间或阴雨天的采暖需求。
传统太阳能热水采暖采用水作为蓄热介质，而水为显热蓄热，蓄热能力有限，不能充分蓄存白天收集的太阳辐射热，很难满足夜间全时段的采暖需求，更难满足阴雨天的采暖需求。
(3)采暖方式单一，供热不稳定，室内热环境调节能力有限。
传统的太阳能热水采暖采用单一介质水进行蓄热，供热热水温度仅有一种，仅通过调节水阀控制供水量的大小来调节供热量，采暖方式单一，且水阀调节精度不高，供热不稳定，室内热环境调节能力有限。
基于以上原因，本发明提出了一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，针对室外天气及室内负荷的动态变化，采用相变材料进行分级蓄热、供热，并采用特殊构造强化蓄热放热，从而大大提高了采暖系统的稳定性和效率。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于克服太阳能热水采暖的局限性，提出了一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统。采用不同相变温度的相变材料进行分级蓄热放热，采用特殊构造强化蓄热放热，并依据室内热负荷的动态变化进行分级供热，实现采暖系统稳定、高效调节室内热环境。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，包括太阳能集热器、相变蓄热换热器、板式换热器和采暖模块，所述相变蓄热换热器与所述板式换热器并联，所述太阳能集热器分别与相变蓄热换热器和板式换热器连接构成不同的集热循环回路；所述采暖模块分别与相变蓄热换热器和板式换热器连接构成不同的供热循环回路；
可依据太阳能集热器供水温度的高低进行分级蓄热，可依据向室内供水温度的高低进行分级供热。
优选的，所述太阳能集热器出口与板式换热器进水管入口连接，所述板式换热器进水管出口与太阳能集热器入口连接，形成第一集热循环回路；
所述板式换热器出水管出口与采暖模块进水口连接，所述采暖模块出水口与板式换热器出水管入口连接，形成第一供热循环回路；
由所述第一集热循环回路和第一供热循环回路构成第一采暖循环回路。
优选的，所述板式换热器进水管入口上设有板式换热进水管电磁阀；所述板式换热器出水管入口上设有板式换热出水管电磁阀。
优选的，所述太阳能集热器出口与相变蓄热换热器进水管入口连接，所述相变蓄热换热器进水管出口通过集热循环泵与太阳能集热器入口连接，形成第二集热循环回路；
所述相变蓄热换热器出水管出口通过供热循环泵与采暖模块进水口连接，所述采暖模块出水口与相变蓄热换热器出水管入口连接，形成第二供热循环回路；
由所述第二集热循环回路和第二供热循环回路构成第二采暖循环回路。
优选的，所述相变蓄热换热器为由同心的内外筒构成的圆柱形罐，内筒中分别设有内侧集热换热管和内侧供热换热管，环绕内筒外分布有双螺旋结构的外侧集热换热管和外侧供热换热管。
优选的，所述内、外侧集热换热管上分别连通内侧集热电磁阀和外侧集热电磁阀；内、外侧供热换热管上分别连通内侧供热电磁阀和外侧供热电磁阀。
优选的，所述内侧集热换热管和内侧供热换热管外侧附有螺旋型金属翅片。
优选的，所述相变蓄热换热器外侧被保温材料包裹，内筒和外筒中分别填充有两种不同相变温度的相变材料。
本发明相应地给出了一种所述系统的基于相变蓄热的太阳能热水分级蓄热方法，包括如下步骤：
1)当太阳能集热器供水温度低于内筒和外筒中两种相变材料的相变温度时，板式换热进水管电磁阀开启，外侧集热电磁阀、内侧集热电磁阀关闭，集热循环泵开启，太阳能集热器热水流向板式换热器供水换热管；
2)当太阳能集热器供水温度介于两种相变材料的相变温度之间时，内侧集热电磁阀开启，外侧集热电磁阀、板式换热进水管电磁阀关闭，集热循环泵开启，太阳能集热器热水流向相变蓄热换热器内侧集热换热管；
3)当太阳能集热器供水温度高于外侧相变材料的相变温度时，外侧集热电磁阀开启，内侧集热电磁阀、板式换热进水管电磁阀关闭，集热循环泵开启，太阳能集热器热水流向相变蓄热换热器外侧集热换热管。
本发明还进一步给出了所述系统的基于相变蓄热的太阳能热水分级供热方法，包括如下步骤：
1)板式换热出水管电磁阀开启，内侧供热电磁阀、外侧供热电磁阀关闭，供热循环泵开启，经板式换热器加热的水经过采暖模块向室内供热；
2)内侧供热电磁阀、板式换热出水管电磁阀开启，外侧供热电磁阀关闭，供热循环泵开启，经相变蓄热换热器及板式换热器加热的水经过采暖模块向室内供热；
3)内侧供热电磁阀开启，外侧供热电磁阀、板式换热出水管电磁阀关闭，供热循环泵开启，经相变蓄热换热器加热的水经过采暖模块向室内供热；
4)内侧供热电磁阀、外侧供热电磁阀开启，板式换热出水管电磁阀关闭，供热循环泵开启，经相变蓄热换热器加热的水经过采暖模块向室内供热；
5)外侧供热电磁阀开启，内侧供热电磁阀、板式换热出水管电磁阀关闭，供热循环泵开启，经相变蓄热换热器加热的水经过采暖模块向室内供热。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
(1)本发明采用相变材料蓄热，大大提高了蓄热量，采用不同相变温度的相变材料，实现分级蓄热。
(2)本发明外侧相变材料内换热管为双螺旋结构，内侧相变材料换热管外壁面附有螺旋型金属翅片，强化换热，提高相变材料蓄放热速率。
(3)本发明可依据室外天气情况实现分级蓄热，可依据室内热负荷的大小实现分级供热，并可定量调节蓄热量及供热量的大小。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统示意图；
图2为相变蓄热换热器纵向剖视图；
图3为相变蓄热换热器横向剖视图。
其中，1-太阳能集热器；2-相变蓄热换热器；3-板式换热器；4-采暖模块；5-供热循环泵；6-集热循环泵；7-保温材料；8-外筒；9-外侧相变材料；10-内侧集热换热管；11-内筒；12-内侧相变材料；13-内侧供热换热管；14-外侧集热换热管；15-外侧供热换热管；16-外侧集热电磁阀；17-内侧集热电磁阀；18-内侧供热电磁阀；19-外侧供热电磁阀；20-板式换热进水管电磁阀；21-板式换热出水管电磁阀。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1所示，本发明提出一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，系统包括太阳能集热器1、相变蓄热换热器2、板式换热器3和采暖模块4，采暖模块分为集热循环回路和供热循环回路。其中，太阳能集热器1出口与板式换热器3进水管入口连接，板式换热器3进水管出口与太阳能集热器1入口连接，形成第一集热循环回路；板式换热器3出水管出口与采暖模块4进水口连接，采暖模块4出水口与板式换热器3出水管入口连接，出水管入口上设有板式换热出水管电磁阀21，形成第一供热循环回路；由第一集热循环回路和第一供热循环回路构成第一采暖循环回路。
太阳能集热器1出口与相变蓄热换热器2进水管入口连接，相变蓄热换热器2进水管出口通过集热循环泵6与太阳能集热器1入口连接，形成第二集热循环回路；相变蓄热换热器2出水管出口通过供热循环泵5与采暖模块4进水口连接，采暖模块4出水口与相变蓄热换热器2出水管入口连接，形成第二供热循环回路；由第二集热循环回路和第二供热循环回路构成第二采暖循环回路。
板式换热器3进水管入口上设有板式换热进水管电磁阀20；板式换热器3出水管入口上设有板式换热出水管电磁阀21。
参照图2和图3所示，相变蓄热换热器2为由同心的内外筒构成的圆柱形罐，外侧被保温材料包裹，内外筒中分别填充两种不同相变温度的相变材料，外筒8中填充为相变温度较高的外侧相变材料9，内筒11中填充为相变温度较低的内侧相变材料12。内筒11中分别设有内侧集热换热管10和内侧供热换热管13，环绕内筒11外分布有双螺旋结构的外侧集热换热管14和外侧供热换热管15。外侧相变材料9内换热管为双螺旋结构，内侧集热换热管10和内侧供热换热管13外侧附有螺旋型金属翅片，可强化相变材料蓄放热速率。
内、外侧集热换热管10、14上分别连通内侧集热电磁阀17和外侧集热电磁阀16；内、外侧供热换热管13、15上分别连通内侧供热电磁阀18和外侧供热电磁阀19。板式换热器3进水管入口上设有板式换热进水管电磁阀20；板式换热器3出水管入口上设有板式换热出水管电磁阀21，根据室外天气条件和室内热负荷需求，通过调节电磁阀实现分级蓄热和供热。
太阳能集热器1通过并联的外侧集热电磁阀16、内侧集热电磁阀17连通相变蓄热换热器2，通过板式换热进水管电磁阀20连通板式换热器3，形成不同的集热循环回路；采暖模块4通过并联的内侧供热电磁阀18、外侧供热电磁阀19连通相变蓄热换热器2，通过板式换热出水管电磁阀21连通板式换热器3，形成不同的供热循环回路；集热循环回路和供热循环回路相互连通；通过电磁阀调节，形成两种采暖循环回路，多种采暖方式。
板式换热器为太阳能集热器热水与采暖供热水的换热装置，换热效率高，可为多种类型。采暖模块为室内采暖末端，向室内供给一定的热量，可为辐射采暖毛细管网，也可为散热器等。
太阳能集热器收集吸收太阳辐射，并将其转化为热能传递给热水。太阳能集热器的安装可根据地点的不同调整安装角度，可为真空管型、平板型等。
其中，分级蓄热换热依据太阳能集热器供水温度的高低主要通过以下方式实现：
当太阳能集热器供水温度低于相变蓄热换热器2中两种相变材料的相变温度时，板式换热进水管电磁阀20开启，外侧集热电磁阀16、内侧集热电磁阀17关闭，集热循环泵6开启，太阳能集热器1热水流向板式换热器3供水管；
当太阳能集热器供水温度介于相变蓄热换热器2中两种相变材料的相变温度之间时，内侧集热电磁阀17开启，外侧集热电磁阀16、板式换热进水管电磁阀20关闭，集热循环泵6开启，太阳能集热器1热水流向相变蓄热换热器内侧集热换热管10；
当太阳能集热器供水温度高于外侧相变材料9的相变温度时，外侧集热电磁阀16开启，内侧集热电磁阀17、板式换热进水管电磁阀20关闭，集热循环泵6开启，太阳能集热器1热水流向相变蓄热换热器外侧集热换热管14。
分级供热依据向室内供水温度的高低主要通过以下方式实现：
板式换热出水管电磁阀21开启，内侧供热电磁阀18、外侧供热电磁阀19关闭，供热循环泵5开启，经板式换热器3加热的水经过采暖模块4向室内供热；内侧供热电磁阀18、板式换热出水管电磁阀21开启，外侧供热电磁阀19关闭，供热循环泵5开启，经相变蓄热换热器2及板式换热器3加热的水经过采暖模块4向室内供热；内侧供热电磁阀18开启，外侧供热电磁阀19、板式换热出水管电磁阀21关闭，供热循环泵5开启，经相变蓄热换热器2加热的水经过采暖模块4向室内供热；内侧供热电磁阀18、外侧供热电磁阀19开启，板式换热出水管电磁阀21关闭，供热循环泵5开启，经相变蓄热换热器2加热的水经过采暖模块4向室内供热；外侧供热电磁阀19开启，内侧供热电磁阀18、板式换热出水管电磁阀21关闭，供热循环泵5开启，经相变蓄热换热器2加热的水经过采暖模块4向室内供热。该系统可依据室外天气情况进行分级蓄热，可依据室内热负荷的大小进行分级供热，同时可在一定范围内通过调节电磁阀的开度调节蓄热及供热量的大小。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，其特征在于，包括太阳能集热器(1)、相变蓄热换热器(2)、板式换热器(3)和采暖模块(4)，所述相变蓄热换热器(2)与所述板式换热器(3)并联，所述太阳能集热器(1)分别与相变蓄热换热器(2)和板式换热器(3)连接构成不同的集热循环回路；所述采暖模块(4)分别与相变蓄热换热器(2)和板式换热器(3)连接构成不同的供热循环回路；
可依据太阳能集热器(1)供水温度的高低进行分级蓄热，可依据向室内供水温度的高低进行分级供热。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，其特征在于，所述太阳能集热器(1)出口与板式换热器(3)进水管入口连接，所述板式换热器(3)进水管出口通过集热循环泵(6)与太阳能集热器(1)入口连接，形成第一集热循环回路；
所述板式换热器(3)出水管出口与采暖模块(4)进水口连接，所述采暖模块(4)出水口与板式换热器(3)出水管入口连接，形成第一供热循环回路；
由所述第一集热循环回路和第一供热循环回路构成第一采暖循环回路。
3.根据权利要求2所述的一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，其特征在于，所述板式换热器(3)进水管入口上设有板式换热进水管电磁阀(20)；所述板式换热器(3)出水管入口上设有板式换热出水管电磁阀(21)。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，其特征在于，所述太阳能集热器(1)出口与相变蓄热换热器(2)进水管入口连接，所述相变蓄热换热器(2)进水管出口通过集热循环泵(6)与太阳能集热器(1)入口连接，形成第二集热循环回路；
所述相变蓄热换热器(2)出水管出口通过供热循环泵(5)与采暖模块(4)进水口连接，所述采暖模块(4)出水口与相变蓄热换热器(2)出水管入口连接，形成第二供热循环回路；
由所述第二集热循环回路和第二供热循环回路构成第二采暖循环回路。
5.根据权利要求1所述的一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，其特征在于，所述相变蓄热换热器(2)为由同心的内外筒构成的圆柱形罐，内筒(11)中分别设有内侧集热换热管(10)和内侧供热换热管(13)，环绕内筒(11)外分布有双螺旋结构的外侧集热换热管(14)和外侧供热换热管(15)。
6.根据权利要求5所述的一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，其特征在于，所述内、外侧集热换热管(10、14)上分别连通内侧集热电磁阀(17)和外侧集热电磁阀(16)；内、外侧供热换热管(13、15)上分别连通内侧供热电磁阀(18)和外侧供热电磁阀(19)。
7.根据权利要求5所述的一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，其特征在于，所述内侧集热换热管(10)和内侧供热换热管(13)外侧附有螺旋型金属翅片。
8.根据权利要求5所述的一种基于相变蓄热的太阳能热水分级采暖系统，其特征在于，所述相变蓄热换热器(2)外侧被保温材料包裹，内筒(11)和外筒(8)中分别填充有两种不同相变温度的相变材料。
9.一种权利要求1-8任一项所述系统的基于相变蓄热的太阳能热水分级蓄热方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)当太阳能集热器供水温度低于内筒(11)和外筒(8)中两种相变材料的相变温度时，板式换热进水管电磁阀(20)开启，外侧集热电磁阀(16)、内侧集热电磁阀(17)关闭，集热循环泵(6)开启，太阳能集热器(1)热水流向板式换热器(3)供水换热管；
2)当太阳能集热器供水温度介于两种相变材料的相变温度之间时，内侧集热电磁阀(17)开启，外侧集热电磁阀(16)、板式换热进水管电磁阀(20)关闭，集热循环泵(6)开启，太阳能集热器(1)热水流向相变蓄热换热器内侧集热换热管(10)；
3)当太阳能集热器供水温度高于外侧相变材料(9)的相变温度时，外侧集热电磁阀(16)开启，内侧集热电磁阀(17)、板式换热进水管电磁阀(20)关闭，集热循环泵(6)开启，太阳能集热器(1)热水流向相变蓄热换热器外侧集热换热管(14)。
10.一种权利要求1-8任一项所述系统的基于相变蓄热的太阳能热水分级供热方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)板式换热出水管电磁阀(21)开启，内侧供热电磁阀(18)、外侧供热电磁阀(19)关闭，供热循环泵(5)开启，经板式换热器(3)加热的水经过采暖模块(4)向室内供热；
2)内侧供热电磁阀(18)、板式换热出水管电磁阀(21)开启，外侧供热电磁阀(19)关闭，供热循环泵(5)开启，经相变蓄热换热器(2)及板式换热器(3)加热的水经过采暖模块(4)向室内供热；
3)内侧供热电磁阀(18)开启，外侧供热电磁阀(19)、板式换热出水管电磁阀(21)关闭，供热循环泵(5)开启，经相变蓄热换热器(2)加热的水经过采暖模块(4)向室内供热；
4)内侧供热电磁阀(18)、外侧供热电磁阀(19)开启，板式换热出水管电磁阀(21)关闭，供热循环泵(5)开启，经相变蓄热换热器(2)加热的水经过采暖模块(4)向室内供热；
5)外侧供热电磁阀(19)开启，内侧供热电磁阀(18)、板式换热出水管电磁阀(21)关闭，供热循环泵(5)开启，经相变蓄热换热器(2)加热的水经过采暖模块(4)向室内供热。
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