CN110068037A - 分散式太阳能辅助相变储热供暖系统 - Google Patents

分散式太阳能辅助相变储热供暖系统 Download PDF

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Abstract

分散式太阳能辅助相变储热供暖系统，所述分散式太阳能辅助相变储热供暖系统包括储热箱、液体管道加热器、太阳能集热器、散热片及控制系统，散热片换热水进口与储热箱换热水出口之间的管路上设置有供热泵；太阳能集热器与储热箱之间的管路上设置有太阳能换热水循环泵；储热箱的换热水进口通过管路与液体管道加热器连接，散热片换热水出口通过管路与液体管道加热器连接，液体管道加热器与散热片换热水出口之间的管路上设置有回流泵；所述盐柱内部设置有多根热虹吸管。本发明提供了一种能源消耗低、热效率高、水电分离、工作可靠、维修方便的分散式太阳能辅助相变储热供暖系统。

Description

分散式太阳能辅助相变储热供暖系统
技术领域
本发明提供了一种供热系统，特别是一种分散式太阳能辅助相变储热供暖系统，属于供暖设备技术领域。
背景技术
相变蓄热供暖是利用材料在相态固-液或液-气变化时，能够吸收或放出大量潜热的特征而进行的热量储存或释放，相比传统的变温储热过程，相变过程中材料的温度几乎保持不变，在供暖工程中可以在能源充足时利用中低温相变材料将热水中的热量储存在相变材料中，在能源紧缺时利用相变材料的相变放热进行热量供给，目前被大量应用于谷电储存供热中，即夜间将谷电储存在相变材料中，白天用于供暖的蓄热式供热过程中。目前常用的谷电相变蓄热供暖的基本构成包括回流泵、电加热装置、换热箱、供暖换热片及控制装置，换热箱内设置盐柱，盐柱内充有相变蓄热材料，夜间使用谷电通过电加热装置将水加热使换热箱内温度达到相变蓄热材料的相变温度后相变蓄热材料由固态相变为液态，其间吸收热量，白天则停止电加热，利用相变蓄热材料中蓄存的热量加热换热箱中的水进行供暖。目前单户使用的分散式相变蓄热供热系统采用的是在换热箱内插入数根不同功率的电加热管，根据天气变化情况启动不同的加热管将换热箱内的水加热，这种设置的缺点在于，当电压不稳定升高时或长时间使用易烧毁加热管，而且更换加热管需拆开换热箱，取出盐柱，维修过程费时费力，使用成本也高；同时由于供热全部采用电加热，尽管采用了谷电蓄热的方式，能源消耗量也居高不下，而且目前相变蓄热箱内所用盐柱内部填充的相变材料的热传导率很低，在工作时盐柱靠近中心的相变材料需要很长时间才能达到工作温度，而且盐柱由于常时间工作于高温状态下，相变材料在相变时体积也会发生变化，如果盐柱封盖不严或盐柱本体因热水或相变材料腐蚀发生泄露，整体处于密封状态的系统无法及时发现盐柱泄露，而相变材料多是无机盐类或有机盐，其中很多种类都会对相变蓄热系统内的管路及泵等设备造成腐蚀，盐柱泄露将对整个系统的使用寿命造成很大影响。现有技术中换热箱及盐柱的结构影响了换热箱的整体换热效率，增加了换热水的循环次数，并且盐柱泄露时不易及时发现，由于现有技术中这些问题的存在，导致目前的相变蓄热供暖系统的能耗高、维护难度大，影响了相变蓄热供暖系统的在民用供暖领域的推广。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明的目的在于：提供一种能源消耗低、热效率高、水电分离、工作可靠、维修方便的分散式太阳能辅助相变储热供暖系统。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：分散式太阳能辅助相变储热供暖系统，所述分散式太阳能辅助相变储热供暖系统包括储热箱、液体管道加热器、太阳能集热器、散热片及控制系统，所述储热箱包括箱体、箱盖，储热箱箱体上设置有换热水进口、换热水出口、太阳能换热水进口及太阳能换热水出口，所述散热片上设置有散热片换热水进口及散热片换热水出口，散热片换热水进口通过管路与储热箱的换热水出口连接，散热片换热水进口与储热箱换热水出口之间的管路上设置有供热泵；太阳能换热水进口及太阳能换热水出口通过管路分别与太阳能集热器连接，太阳能集热器与储热箱之间的管路上设置有太阳能换热水循环泵；储热箱的换热水进口通过管路与液体管道加热器连接，散热片换热水出口通过管路与液体管道加热器连接，液体管道加热器与散热片换热水出口之间的管路上设置有回流泵；供热泵与换热水出口之间的管路上设置有三通球阀，三通球阀的进口与换热水出口连接，三通球阀的出口与供热泵连接，三通球阀上设置有支路管道，支路管道与散热片换热水出口及回流泵之间的管路连接；所述储热箱内部设置有多根盐柱，盐柱包括盐柱侧壁、下壁及顶盖，盐柱内部充设有相变蓄热材料，所述盐柱内部设置有多根热虹吸管，多根热虹吸管竖直设置并且穿设在相变蓄热材料内部，多根热虹吸管的下端伸出盐柱的下壁，多根热虹吸管下端伸出盐柱的部份相互连接为一体，构成液态工质储存室，液态工质储存室内部充设有液态工质，热虹吸管及液态工质储存室内部为真空状态； 进一步的，所述储热箱的箱盖上设置有观察口，所述盐柱的顶盖设置有贯通顶盖的导柱孔，盐柱内部滑动设置有挡板，挡板与盐柱侧壁之间设置有滑动密封件，挡板上设置有竖直向上的导柱，导柱上端穿过导柱孔穿设到盐柱外部，所述挡板与盐柱顶盖之间设置有压力弹簧，所述压力弹簧套设在导柱上，压力弹簧的上端压设在盐柱顶盖上，压力弹簧的下端压设在挡板上，盐柱侧壁上开设有相变蓄热材料充装口，相变蓄热材料充装口位于挡板的下方；进一步的，换热水出口与三通球阀进口之间的管路上设置有出水温度传感器，太阳能换集热器内设置有太阳能温度传感器，散热片换热水进口与供热泵之间的管路上设置有入户温度传感器，出水温度传感器、太阳能温度传感器、入户温度传感器、供热泵及太阳能换热水循环泵与控制系统连接；进一步的，所述回流泵与供热泵均为屏蔽式循环水泵，所述液体管道加热器为PTC水电分离式液体管道加热器。
本发明的积极有益技术效果在于：本发明利用太阳能集热器配合相变储热装置进行供暖，起到了多种能源能优势互补的作用，有效降低了运行费用，保障了供暖的持续性、经济性和可靠性，特别适用于日照系数大，光照比较充足的地区，并且采用水电分离电加热设备，提高了系统的安全性，降低了系统的故障率；本发明的盐柱内部设置了热虹吸管，通过热虹吸管内部的液态工质将热量带至盐柱内部，实现了盐柱内部相变蓄热材料的均匀加热，加速了热量循环的速度，提高了换热效率，在盐柱顶端设置活动的导柱，盐柱发生泄露时导柱回缩至盐柱内，可以直观的发现泄露的盐柱，本发明由于增强了盐柱内换热效率，并且通过改变换热箱结构增加了整个系统的换热效率，因此可以有效降低水的循环次数，降低了能耗，并且通过盐柱泄露检查装置提高了整个系统的运行可靠性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的系统示意图。
图2为本发明一个实施例储热箱的结构示意图。
图3为本发明一个实施例盐柱的整体结构示意图。
图4为本发明一个实施例盐柱的密封结构示意图。
具体实施方式
为了更充分的解释本发明的实施，以下提供本发明的实施实例，这些实施实例仅仅是对本发明的阐述，不限制本发明的范围。
结合附图对本发明进一步详细的解释，附图中标记为：1. 储热箱；2. 换热水出口；3. 换热水进口；4. PTC水电分离式液体管道加热器；5. 散热片；6. 三通球阀；7. 回流泵；8. 供热泵；9. 散热片换热水进口；10. 散热片换热水出口；11. 出水温度传感器；12.入户温度传感器；13. 太阳能换热水循环泵；14. 太阳能集热器；15. 太阳能换热水出口；16. 太阳能换热水进口；2-1. 储热箱箱体；2-2. 盐柱； 2-4. 固定孔板；2-8. 液态工质储存室；2-9. 导柱；2-10. 观察口；4-1. 盐柱顶盖；4-2. 挡板；4-3. 相变蓄热材料充装口；4-4. 热虹吸管；4-5. 相变材料充装室；5-1. 压力弹簧。
如图所示：分散式太阳能辅助相变储热供暖系统，包括储热箱1、PTC水电分离式液体管道加热器4、太阳能集热器14及散热片5，PTC水电分离式液体管道加热器的基本结构为：加热器内部是水路，在加热器外壁上紧配合PTC加热条，在加热过程中，快速流动的液体带走了PTC加热条紧贴加热器外壁的发热面的热量，实现真正的水电分离，目前市场上有多种PTC水电分离式管道加热器成品在售。储热箱的箱体上设置有换热水进口3、换热水出口2、太阳能换热水进口16及太阳能换热水出口15，散热片上设置有散热片换热水进口9及散热片换热水出口10，散热片换热水进口通过管路与储热箱的换热水出口2连接，散热片换热水进口与储热箱换热水出口之间的管路上设置有供热泵8；太阳能换热水进口及太阳能换热水出口通过管路分别与太阳能集热器连接，太阳能集热器与储热箱之间的管路上设置有太阳能换热水循环泵13；储热箱的换热水进口通过管路与液体管道加热器连接，散热片换热水出口通过管路与PTC液体管道加热器连接，PTC水电分离式液体管道加热器与散热片换热水出口之间的管路上设置有回流泵7；供热泵与换热水出口之间的管路上设置有三通球阀6，三通球阀的进口与换热水出口连接，三通球阀的出口与供热泵连接，三通球阀上设置有支路管道，支路管道与散热片换热水出口及回流泵之间的管路连接，三通球阀在这里起到切换水路的作用； 换热水出口与三通球阀进口之间的管路上设置有出水温度传感器11，太阳能换集热器内设置有太阳能温度传感器，散热片换热水进口与供热泵之间的管路上设置有入户温度传感器12，出水温度传感器、太阳能温度传感器、入户温度传感器、供热泵及太阳能换热水循环泵均与控制系统连接，控制系统为PLC控制系统，PLC控制系统控制供热泵及太阳能换热水循环泵的运行，当PLC检测到太阳能温度传感器的温度高于出水温度3度以上时，启动太阳能热水循环泵，太阳能热水开始循环供暖，本实施例中相变储能水箱熔盐相变温度50-65℃，太阳能集热器经过白天太阳光照水温可达75℃，在对用户进行供热的同时，可对盐棒进行二次储能；在阴雨天气或其它光照条件较差的时候，太阳能集热器中的热水温度低于水箱中的水温，仅使用相变储能装置进行供暖；本发明中相变蓄热水箱的结构如图2所示，储热箱的箱体2-1内设置有多根盐柱2-2，储热箱的箱体上设置有换热水进口3、换热水出口2、太阳能换热水进口16及太阳能换热水出口15，箱体内的盐柱由固定孔板2-4固定在箱体内，固定孔板上设置有多个供水流通过的水孔，本实施例中换热箱的箱盖上设置有观察口2-10，观察口上设置有观察玻璃，可以通过观察口直接观察换热箱体内的盐柱情况，如图4所示，在盐柱顶盖4-1上设置有贯通顶盖的导柱孔，盐柱内部设置有挡板4-2，挡板与盐柱侧壁之间设置有滑动密封件，滑动密封件可以采用橡胶型环或其它形式的弹性体，在其内外径上加聚四氟乙烯填料的园形带，或者采用市售的唇形密封圈等滑动密封件，在挡板上侧设置有竖直的导柱2-9，导柱上端穿过导柱孔穿设到盐柱外部，在盐柱的侧壁上挡板的下方开设有相变蓄热材料充装口4-3，在导柱上套设有压力弹簧5-1，压力弹簧的上端压设在盐柱顶板上，下端压设在挡板上，在挡板上侧设置有竖直的导杆2-9，导杆上端穿过导杆孔穿设到盐柱外部，在盐柱的侧壁上挡板的下方开设有相变蓄热材料充装口4-3，在导杆上套设有压力弹簧5-1，压力弹簧的上端压设在盐柱顶板上，下端压设在挡板上，挡板下部的盐柱内部空间为相变材料充装室4-5，本发明中相变材料充装室内部填充的相变储热材料可采用所有相变温度在40-90度之间的相变储热材料，如醋酸钠、磷酸钠或其它相变材料，相变材料通过相变材料充装口4-3充设至相变材料充装室内，随后使相变材料充装室内部保持正压状态后密封相变材料充装口，挡板在盐柱内部的压力推动下向上方移动，导杆伸出盐柱上方，在盐柱不泄露的情况下，导杆保持伸出在盐柱外部，当盐柱发生泄露时，盐柱内正压泄露，导杆在自重及弹簧的作用下向下运动，缩至盐柱内部，通过观察口观察换热箱内部盐柱顶部的导杆情况，即可确定盐柱是否发生泄露，并且可以直接确定是哪一根发生泄露，操作极为简便；本实施例中盐柱的内部设置有多根热虹吸管4-4，多根热虹吸管布设在相变材料充装室内，各个虹吸管之间相互平行竖直设置，多根热虹吸管的下端伸出盐柱的下壁，多根热虹吸管下端伸出盐柱的部份相互连接为一体，构成液态工质储存室2-8，液态工质储存室内部充设有液态工质，热虹吸管及液态工质储存室内部为真空状态；在换热箱储能工作时，加热后的换热水通过换热水进口进入换热箱内，液态工质储存室内的液体在达到蒸发温度后受热气化，由于管中始终保持真空状态，蒸气上升到热虹吸管上层，途中热量陆续被释放，蒸气重新凝结成液滴，其间释放的热量加热热虹吸管周围的相变蓄热材料，蒸气凝结成的液滴由于受到重力作用重新回到液态工质储存室内，继续被蒸发，然后被冷却，形成一个周而复始的循环，达到加热相变蓄热材料内部的目的。
本发明利用太阳能集热器配合相变储热装置进行供暖，起到了多种能源能优势互补的作用，有效降低了运行费用，保障了供暖的持续性、经济性和可靠性，将加热装置放置在储热箱外，减小了故障率及维修难度，将加热装置放置在储热箱外后，也使采用PTC水电分离式液体管道加热器成为了可能，使用PTC水电分离式液体管道加热器做到了完全的水电分离，提高了整个系统的安全性，更加利于推广民用，并且采用热虹吸管增强了盐柱内换热效率，降低了能耗，保证了供热量，通过盐柱泄露检查装置提高了整个系统的运行可靠性，不需要专业人员定期维护，利于在民用供暖系统中大面积推广，特别适合特别适用于日照系数大，光照比较充足的地区的民用取暖系统，可以有效保证供暖效果。
在详细说明本发明的实施方式之后，熟悉该项技术的人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围，且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。

Claims (4)

1.分散式太阳能辅助相变储热供暖系统，其特征在于：所述分散式太阳能辅助相变储热供暖系统包括储热箱、液体管道加热器、太阳能集热器、散热片及控制系统，所述储热箱包括箱体、箱盖，储热箱箱体上设置有换热水进口、换热水出口、太阳能换热水进口及太阳能换热水出口，所述散热片上设置有散热片换热水进口及散热片换热水出口，散热片换热水进口通过管路与储热箱的换热水出口连接，散热片换热水进口与储热箱换热水出口之间的管路上设置有供热泵；太阳能换热水进口及太阳能换热水出口通过管路分别与太阳能集热器连接，太阳能集热器与储热箱之间的管路上设置有太阳能换热水循环泵；储热箱的换热水进口通过管路与液体管道加热器连接，散热片换热水出口通过管路与液体管道加热器连接，液体管道加热器与散热片换热水出口之间的管路上设置有回流泵；供热泵与换热水出口之间的管路上设置有三通球阀，三通球阀的进口与换热水出口连接，三通球阀的出口与供热泵连接，三通球阀上设置有支路管道，支路管道与散热片换热水出口及回流泵之间的管路连接；所述储热箱内部设置有多根盐柱，盐柱包括盐柱侧壁、下壁及顶盖，盐柱内部充设有相变蓄热材料，所述盐柱内部设置有多根热虹吸管，多根热虹吸管竖直设置并且穿设在相变蓄热材料内部，多根热虹吸管的下端伸出盐柱的下壁，多根热虹吸管下端伸出盐柱的部份相互连接为一体，构成液态工质储存室，液态工质储存室内部充设有液态工质，热虹吸管及液态工质储存室内部为真空状态。
2.根据权利要求1所述的分散式太阳能辅助相变储热供暖系统，其特征在于：所述储热箱的箱盖上设置有观察口，所述盐柱的顶盖设置有贯通顶盖的导柱孔，盐柱内部滑动设置有挡板，挡板与盐柱侧壁之间设置有滑动密封件，挡板上设置有竖直向上的导柱，导柱上端穿过导柱孔穿设到盐柱外部，所述挡板与盐柱顶盖之间设置有压力弹簧，所述压力弹簧套设在导柱上，压力弹簧的上端压设在盐柱顶盖上，压力弹簧的下端压设在挡板上，盐柱侧壁上开设有相变蓄热材料充装口，相变蓄热材料充装口位于挡板的下方。
3.根据权利要求1所述的分散式太阳能辅助相变储热供暖系统，其特征在于：换热水出口与三通球阀进口之间的管路上设置有出水温度传感器，太阳能换集热器内设置有太阳能温度传感器，散热片换热水进口与供热泵之间的管路上设置有入户温度传感器，出水温度传感器、太阳能温度传感器、入户温度传感器、供热泵及太阳能换热水循环泵与控制系统连接。
4.根据权利要求1所述的分散式太阳能辅助相变储热供暖系统，其特征在于：所述回流泵与供热泵均为屏蔽式循环水泵，所述液体管道加热器为PTC水电分离式液体管道加热器。
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CN110296452A (zh) * 2019-08-02 2019-10-01 河南理工大学 一种多级相变储热式太阳能供暖、供热水系统

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