CN110145954A - 相变储热装置及应用该装置的太阳能与热泵联合供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变储热装置及应用该装置的太阳能与热泵联合供热系统。该装置利用相变储热技术将太阳能以及热泵冷凝热直接存储起来用于建筑供热，可解决太阳能不连续、不稳定、受环境气候影响大，且空气源热泵在高寒地区冬季夜间无法使用的问题。该装置由箱体、箱盖、制冷剂换热通道、循环水换热通道、相变蓄热材料等构成。其创新点在于：制冷剂换热通道为管翅式结构，内部封装相变蓄热材料；上下两侧循环水换热通道为板翅式结构；前后两侧循环水导流板以及制冷剂换热通道的串并联可实现多级相变储热，提高储热效率。本发明结构简单、设计合理、具有易于生产制造、传热效果良好、供热均匀温度、蓄放热时间短等优点。

Description

相变储热装置及应用该装置的太阳能与热泵联合供热系统

技术领域

本发明涉及蓄热技术领域，尤其涉及一种相变储热装置及应用该装置的太阳能与热泵联合供热系统。

背景技术

目前我国北方许多城市已开始推广“煤改电”政策，对太阳能与空气源热泵联合供热方式进行了初步尝试，具有良好的供热效果和节能效果。但高寒地区冬季环境温度极低，空气源热泵往往会因室外蒸发器吸热不足而影响制热性能，有时甚至产生压缩机液击事故。因此针对空气源热泵在苛刻环境条件下无法使用，且太阳能不连续、不稳定、受环境气候影响大的应用缺陷，亟需采用高效储热技术对热量进行存储和转换。目前太阳能与热泵联合供热系统主要采用储热水箱对系统热量进行存储和释放，系统整体占地面积大，储热密度低且热损失大，到末端的供水量和供水温度不够稳定，严重影响系统在高寒地区应用的整体性能。作为储热技术的重要组成之一，相变储热技术可以有效解决供能端与用户端在时间和空间上的不匹配问题，是提高能源利用效率的有效手段。将相变储热技术用于高寒地区太阳能与热泵联合供热系统中，有望使该系统性能得到显著提升，从而实现系统的高效稳定运行。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于高寒地区太阳能与热泵联合供热系统中的新型相变储热装置，旨在解决高寒地区冬季供热时太阳能不连续、不稳定、受环境气候影响大，且空气源热泵在苛刻环境条件下无法使用的问题。

本发明拟用如下技术方案实现本发明的目的：

一种相变储热装置，该装置用于作为高寒地区太阳能与热泵联合供热系统中的冷凝蓄热器，它包括箱体、箱盖、制冷剂换热通道和循环水换热通道；箱体和箱盖构成相变储热装置的外壳，外壳内部沿水平方向分隔成第一连通腔室、换热腔室、第二连通腔室三部分，且第一连通腔室、第二连通腔室分别位于换热腔室的两侧；所述的制冷剂换热通道为管翅式结构，所述的循环水换热通道为板翅式结构；所述的换热腔室中沿高度方向设有若干个填充有相变蓄热材料的密闭腔体，且上下相邻的两个密闭腔体之间均设有一条循环水换热通道，循环水换热通道与密闭腔体相互接触使相变蓄热材料与循环水构成热交换；每条循环水换热通道的两端分别连通第一连通腔室和第二连通腔室；所述的第二连通腔室上下贯通，所述的第一连通腔室中设有一块循环水导流板，循环水导流板将第一连通腔室分隔成不直接连通的上腔室和下腔室，所述的下腔室上设有循环水入口，所述的上腔室上设有循环水出口；所述的制冷剂换热通道一端连接制冷剂入口，另一端穿过循环水导流板上方的密闭腔体后，再穿过循环水导流板下方的密闭腔体，最后连接制冷剂出口；每个密闭腔体中的相变蓄热材料均包裹填充于制冷剂换热通道外部，使相变蓄热材料与制冷剂构成热交换。

作为优选，所述的制冷剂换热通道在每个密闭腔体中呈蛇形布置。

作为优选，所述的制冷剂换热通道以并联方式分多条支路穿过循环水导流板上方的所有密闭腔体，然后汇流后再次以并联方式分多条支路穿过循环水导流板下方的所有密闭腔体，实现多级相变储能。

作为优选，所述的制冷剂换热通道管道材料为铜管，翅片材料为铝翅片。

作为优选，所述的循环水换热通道的材料为铝板。

作为优选，所述的相变蓄热材料为石蜡。

作为优选，所述的箱体、箱盖以及循环水导流板的材料均为铝材。

本发明的另一目的在于提供一种高寒地区太阳能与热泵联合供热系统，其特征在于：采用上述任一方案所述的相变储热装置作为冷凝蓄热器，实现对太阳能以及热泵冷凝热的存储与释放：当太阳能充足时，利用循环水换热通道将太阳能存储于冷凝蓄热器中；当热泵系统开启时，利用制冷剂换热通道将热泵冷凝热存储于冷凝蓄热器中；当太阳能与热泵系统均无法正常运行时，利用循环水换热通道通过释放存储在冷凝蓄热器中的相变蓄热材料中的热量，为供热末端提供采暖及生活热水。

进一步的，该高寒地区的太阳能与热泵联合供热系统的一种实现方式为：供热系统包括太阳能集热器、热泵压缩机、冷凝蓄热器(即上述任一方案所述的相变储热装置)、辅助冷凝器、回热器、蒸发器、供热末端、第一循环水泵、第二循环水泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀、第五三通阀、第六三通阀、循环水管路和制冷剂管路；所述的太阳能集热器的出水口通过循环水管路依次连接第一循环水泵、第一三通阀的第一阀口、第一三通阀的第二阀口、第二三通阀的第一阀口、第二三通阀的第二阀口、供热末端、第三三通阀的第二阀口、第三三通阀的第一阀口和太阳能集热器的进水口；第一三通阀的第三阀口通过循环水管路依次连接第六三通阀的第一阀口、第六三通阀的第二阀口、冷凝蓄热器的循环水入口、冷凝蓄热器的循环水出口和第三三通阀的第三阀口；所述第六三通阀的第三阀口通过循环水管路依次连接第二循环水泵和第二三通阀的第三阀口；所述的热泵压缩机出口通过制冷剂管路依次连接第四三通阀的第一阀口、第四三通阀的第二阀口、冷凝蓄热器的制冷剂入口、冷凝蓄热器的制冷剂出口、第五三通阀的第三阀口、第五三通阀的第二阀口、辅助冷凝器、回热器、节流阀、蒸发器、回热器和热泵压缩机入口；第四三通阀的第三阀口通过制冷剂管路依次连接供热末端和第五三通阀的第一阀口。

本发明相比现有技术的有益效果是：为了在太阳能与热泵联合供热系统中采用相变储热技术，本发明提出了一种新型相变储热装置——冷凝蓄热器，为该系统在高寒地区稳定高效运行提供基础。该系统在储热过程中将太阳能与热泵冷凝热直接存储于冷凝蓄热器中用于供热，与传统的采用中间流体输配能量的方式比，提高了能量利用效率。本发明的相变储热装置，通过特殊的结构设计，可实现多级相变储能，进一步提高了能量储存密度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明相变储热装置的正视图；

图2是本发明相变储热装置的左视图；

图3是本发明相变储热装置的俯视图；

图4是图1的A-A剖面图；

图5是图2的B-B剖面图；

图6是图2的C-C剖面图；

图7是图3的D-D剖面图；

图8是图2的E-E剖面图；

图9是本发明相变储热装置的立体图(隐去部分组件以显示内部结构)；

图10是本发明相变储热装置的下部视角下的立体图；

图11是本发明相变储热装置的分解示意图；

图12是高寒地区太阳能与热泵联合供热系统的结构示意图。

图中：箱体301、箱盖302、制冷剂换热通道303、循环水换热通道304、相变蓄热材料305、循环水导流板306、制冷剂入口307、制冷剂出口308、循环水入口309、循环水出口310、第一连通腔室311、第二连通腔室312、换热腔室313、太阳能集热器1、热泵压缩机2、冷凝蓄热器3、辅助冷凝器4、回热器5、节流阀6、蒸发器7、供热末端8、第一循环水泵9、第二循环水泵10、第一三通阀11、第二三通阀12、第三三通阀13、第四三通阀14、第五三通阀15、第六三通阀16、循环水管路17、制冷剂管路18。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明提供了一种新型相变储热装置，该装置可应用于高寒地区太阳能与热泵联合供热系统中作为冷凝蓄热器。参见图1～11所示，相变储热装置的主要部件包括箱体301、箱盖302、制冷剂换热通道303、循环水换热通道304。

箱体301和箱盖302构成相变储热装置的外壳，箱盖302可打开，用于对内部结构进行安装、检修。外壳内部沿水平方向分隔成第一连通腔室311、换热腔室313、第二连通腔室312三部分，且第一连通腔室311、第二连通腔室312分别位于换热腔室313的两侧。制冷剂换热通道303为管翅式结构。循环水换热通道304为板翅式结构。

换热腔室313中沿高度方向设有若干个填充有相变蓄热材料305的密闭腔体，密闭腔体的数量根据需要进行调整，本实施例中设为4个。且上下相邻的两个密闭腔体之间均设有一条循环水换热通道304，由于循环水换热通道304为板翅式结构，因此其平铺于两个密闭腔体之间，且尽量铺满整个横截面。循环水换热通道304需要与密闭腔体相互接触，使相变蓄热材料305与循环水构成热交换。在实际安装时，可以利用循环水换热通道304的上下板面作为密闭腔体的底部或者顶部密封板，以提高换热效率。同时在本实施例中，最上方的密闭腔体顶部以及最下方的密闭腔体底部也可以铺设循环水换热通道304，以增强换热。每条循环水换热通道304的两端分别连通第一连通腔室311和第二连通腔室312。其中，第二连通腔室312上下贯通，而第一连通腔室311中部设有一块循环水导流板306，循环水导流板306是一块与第一连通腔室311的横截面面积相同的横隔板。循环水导流板306固定于从上往下第二个密闭腔体的底面高度处，循环水导流板306将第一连通腔室311分隔成不直接连通的上腔室和下腔室。下腔室上设有循环水入口309，上腔室上设有循环水出口310。循环水从循环水入口309流入下腔室，由于循环水导流板306的存在不能直接进入上腔室，因会沿着下方的三条循环水换热通道304流入第二连通腔室312中，然后再从上方的两条循环水换热通道304流入上腔室，最后从循环水出口310排出。由此，与循环水换热通道304上下两侧的密闭腔体中的相变蓄热材料305产生换热。

另外，本装置中还设有制冷剂换热通道303，制冷剂换热通道303一端连接制冷剂入口307，另一端穿过循环水导流板306上方的密闭腔体后，再穿过循环水导流板306下方的密闭腔体，最后连接制冷剂出口308。每个密闭腔体中的相变蓄热材料305均包裹填充于制冷剂换热通道303外部，使相变蓄热材料305与制冷剂构成热交换。为了延长换热时间，制冷剂换热通道303在每个密闭腔体中呈蛇形布置。在本实施例中，制冷剂入口307后方的制冷剂换热通道303分为两条支路，以并联方式分别穿过循环水导流板306上方的两个密闭腔体，两条支路后伸出外壳后汇流并向下延伸至循环水导流板306高度以下，然后再次分成两条支路，以并联方式各自穿过循环水导流板306下方的两个密闭腔体，最终连接到制冷剂出口308。

制冷剂换热通道303在相变储热装置中可通过串联和并联的方式实现多级相变储能，提高储能效率。循环水导流板306在相变储热装置中为循环水换热通道304实现多级相变储能，提高储能效率。相变蓄热材料305的相变温度可以随着每一级依次递减，达到能量梯级利用的目的。

在本实施例中，装置内的制冷剂换热通道303为管翅式结构，管道材料为铜管，翅片材料为铝翅片；循环水换热通道304为板翅式结构，材料为铝板；相变蓄热材料305为石蜡；箱体301、箱盖302以及循环水导流板306均选用铝材。

另外需要注意的是，在本发明中，制冷剂换热通道303在相变储热装置中为储热管路；而循环水换热通道304在相变储热装置中既为储热管路，又为供热管路，且循环水换热通道304在分别储热和供热时循环水流动方向相反。因此，循环水入口309和循环水出口310的进出水是根据实际情况变动的，并非固定不变。

该相变储热装置可以用于高寒地区太阳能与热泵联合供热系统中，该供热系统中通过太阳能和热泵对供热末端进行联合供热，而该相变储热装置可以作为冷凝蓄热器实现对太阳能以及热泵冷凝热的存储与释放：当太阳能充足时，利用循环水换热通道304将太阳能存储于相变储热装置中；当热泵系统开启时，利用制冷剂换热通道303将热泵冷凝热存储于相变储热装置中；当太阳能与热泵系统均无法正常运行时，利用循环水换热通道304通过释放此前存储在相变储热装置中的热量为供热末端提供采暖及生活热水。

下面提供该相变储热装置在高寒地区太阳能与热泵联合供热系统中的一种实现方式。该相变储热装置在该系统中作为冷凝蓄热器3进行使用。

参见图12，为另一实施例中的一种高寒地区太阳能与热泵联合供热系统，其包括太阳能集热器1、热泵压缩机2、冷凝蓄热器3、辅助冷凝器4、回热器5、蒸发器7、供热末端8、第一循环水泵9、第二循环水泵10、第一三通阀11、第二三通阀12、第三三通阀13、第四三通阀14、第五三通阀15、第六三通阀16、循环水管路17和制冷剂管路18。第一三通阀11、第二三通阀12、第三三通阀13、第四三通阀14、第五三通阀15、第六三通阀16均具有三个阀口，可调节每个三通阀中的阀口连通方式，进而改变整个系统的管路连接方式。每个三通阀的三个阀口分别记为第一阀口、第二阀口和第三阀口。以图1中所示的状态为准，第一三通阀11、第二三通阀12、第三三通阀13的左侧为第一阀口，右侧为第二阀口，下方为第三阀口；第四三通阀14的左侧为第一阀口，右侧为第二阀口，上方为第三阀口；第五三通阀15、第六三通阀16的上方为第一阀口，下方为第二阀口，右侧为第三阀口。整个供热系统主要由循环水管路17和制冷剂管路18进行连接，下面分别对其具体连接方式进行详述。

太阳能集热器1的出水口通过循环水管路17依次连接第一循环水泵9、第一三通阀11的第一阀口、第一三通阀11的第二阀口、第二三通阀12的第一阀口、第二三通阀12的第二阀口、供热末端8、第三三通阀13的第二阀口、第三三通阀13的第一阀口和太阳能集热器1的进水口；第一三通阀11的第三阀口通过循环水管路17依次连接第六三通阀16的第一阀口、第六三通阀16的第二阀口、冷凝蓄热器3的循环水入口309、冷凝蓄热器3的循环水出口310和第三三通阀13的第三阀口；第六三通阀16的第三阀口通过循环水管路17依次连接第二循环水泵10和第二三通阀12的第三阀口。

热泵压缩机2出口通过制冷剂管路18依次连接第四三通阀14的第一阀口、第四三通阀14的第二阀口、冷凝蓄热器3的制冷剂入口307、冷凝蓄热器3的制冷剂出口308、第五三通阀15的第三阀口、第五三通阀15的第二阀口、辅助冷凝器4、回热器5、节流阀6、蒸发器7、回热器5和热泵压缩机2入口；第四三通阀14的第三阀口通过制冷剂管路18依次连接供热末端8和第五三通阀15的第一阀口。

基于上述装置，本发明还可以提供一种高寒地区太阳能与热泵联合供热方法。在该方法中，首先需要对供热系统，通过切换第一三通阀11、第二三通阀12、第三三通阀13、第四三通阀14、第五三通阀15和第六三通阀16，使整个系统的管路连接发生变化，进而可实现太阳能储热、太阳能供热、热泵储热、热泵供热与冷凝蓄热器供热。

对于太阳能储热，通过循环水管路17将太阳能集热器1、第一循环水泵9、第一三通阀11、第六三通阀16、冷凝蓄热器3、第三三通阀13顺次首尾相连，从而构成太阳能储热循环；

对于太阳能供热，通过循环水管路17将太阳能集热器1、第一循环水泵9、第一三通阀11、第二三通阀12、供热末端8、第三三通阀13顺次首尾相连，从而构成太阳能供热循环；

对于热泵储热，通过制冷剂管路18将热泵压缩机2、第四三通阀14、冷凝蓄热器3、第五三通阀15、辅助冷凝器4、回热器5、节流阀6、蒸发器7顺次首尾相连，从而构成热泵储热循环；

对于热泵供热，通过制冷剂管路18将热泵压缩机2、第四三通阀14、供热末端8、第五三通阀15、辅助冷凝器4、回热器5、节流阀6、蒸发器7顺次首尾相连，从而构成热泵供热循环；

对于冷凝蓄热器供热，通过循环水管路17将冷凝蓄热器3、第六三通阀16、第二循环水泵10、第二三通阀12、供热末端8、第三三通阀13顺次首尾相连，从而构成冷凝蓄热器供热循环；

而本发明的联合供热方法是基于这些不同的循环来实现的，根据高寒地区冬季环境变化特性，供热方法具体包括太阳能单独供热模式、太阳能与热泵联合供热模式、热泵单独供热模式和冷凝蓄热器供热模式，各模式具体运行步骤如下：

1)太阳能单独供热模式中，在太阳能充足时，开启太阳能集热器1和第一循环水泵9，将太阳能集热器1收集到的能量通过循环水管路17进行输运，一部分按照所述太阳能供热循环为供热末端8提供采暖及生活用水，另一部分按照所述太阳能储热循环进入冷凝蓄热器3进行储存；

2)太阳能与热泵联合供热模式中，在太阳能不足时，开启太阳能集热器1、第一循环水泵9、热泵压缩机2和节流阀6，将太阳能集热器1收集到的热量通过循环水管路17进行输运，按照所述太阳能供热循环为供热末端8提供一部分采暖及生活用水，将热泵压缩机2运行时产生的冷凝热通过制冷剂管路18进行输运，一部分按照所述热泵供热循环为供热末端8补足采暖及生活用水需求，另一部分按照所述热泵储热循环进入冷凝蓄热器3进行储存；

3)热泵单独供热模式中，在无太阳能时，开启热泵压缩机2、节流阀6，将热泵压缩机2运行时产生的冷凝热通过制冷剂管路18进行输运，一部分按照所述热泵供热循环为供热末端8提供采暖和生活用水，另一部分按照所述热泵储热循环进入冷凝蓄热器3进行储存；

4)冷凝蓄热器供热模式中，在太阳能与热泵系统都无法正常运行时，开启第二循环水泵10，将冷凝蓄热器3中存储的热量通过循环水管路17进行输运，按照所述冷凝蓄热器供热循环用于为供热末端8提供采暖及生活用水。

综上所述，该系统将太阳能集热技术、空气源热泵技术以及相变储热技术有机结合起来，旨在解决高寒地区冬季供热问题。根据高寒地区冬季环境变化特性，系统可分别采用太阳能单独供热模式、太阳能与热泵联合供热模式、热泵单独供热模式、冷凝蓄热器供热模式对建筑进行连续不间断供热。系统中冷凝蓄热器装置利用相变储热技术将太阳能以及热泵冷凝热直接存储起来用于建筑供热，可解决太阳能不连续、不稳定、受环境气候影响大，且空气源热泵在高寒地区冬季夜间无法使用的问题；装置内循环水导流板以及制冷剂管路的串并联可实现多级相变储热，提高储热效率。本发明中太阳能与热泵联合供热系统综合利用太阳能与空气能对建筑进行稳定供热，高效节能，尤其适用于大气环境严格的高寒地区；本发明中新型相变储热装置结构简单、设计合理、具有易于生产制造、传热效果良好、供热均匀温度、蓄放热时间短等优点。

Claims (8)

1.一种相变储热装置，用于作为高寒地区太阳能与热泵联合供热系统中的冷凝蓄热器，其特征在于：包括箱体(301)、箱盖(302)、制冷剂换热通道(303)、循环水换热通道(304)；箱体(301)和箱盖(302)构成相变储热装置的外壳，外壳内部沿水平方向分隔成第一连通腔室(311)、换热腔室(313)、第二连通腔室(312)三部分，且第一连通腔室(311)、第二连通腔室(312)分别位于换热腔室(313)的两侧；所述的制冷剂换热通道(303)为管翅式结构，所述的循环水换热通道(304)为板翅式结构；

所述的换热腔室(313)中沿高度方向设有若干个填充有相变蓄热材料(305)的密闭腔体，且上下相邻的两个密闭腔体之间均设有一条循环水换热通道(304)，循环水换热通道(304)与密闭腔体相互接触使相变蓄热材料(305)与循环水构成热交换；每条循环水换热通道(304)的两端分别连通第一连通腔室(311)和第二连通腔室(312)；所述的第二连通腔室(312)上下贯通，所述的第一连通腔室(311)中设有一块循环水导流板(306)，循环水导流板(306)将第一连通腔室(311)分隔成不直接连通的上腔室和下腔室，所述的下腔室上设有循环水入口(309)，所述的上腔室上设有循环水出口(310)；

所述的制冷剂换热通道(303)一端连接制冷剂入口(307)，另一端穿过循环水导流板(306)上方的密闭腔体后，再穿过循环水导流板(306)下方的密闭腔体，最后连接制冷剂出口(308)；每个密闭腔体中的相变蓄热材料(305)均包裹填充于制冷剂换热通道(303)外部，使相变蓄热材料(305)与制冷剂构成热交换。

2.如权利要求1所述的相变储热装置，其特征在于，所述的制冷剂换热通道(303)在每个密闭腔体中呈蛇形布置。

3.如权利要求1所述的相变储热装置，其特征在于，所述的制冷剂换热通道(303)以并联方式分多条支路穿过循环水导流板(306)上方的所有密闭腔体，然后汇流后再次以并联方式分多条支路穿过循环水导流板(306)下方的所有密闭腔体，实现多级相变储能。

4.如权利要求1所述的相变储热装置，其特征在于，所述的制冷剂换热通道(303)管道材料为铜管，翅片材料为铝翅片。

5.如权利要求1所述的相变储热装置，其特征在于，所述的循环水换热通道(304)的材料为铝板。

6.如权利要求1所述的相变储热装置，其特征在于，所述的相变蓄热材料(305)为石蜡。

7.如权利要求1所述的相变储热装置，其特征在于，所述的箱体(301)、箱盖(302)以及循环水导流板(306)的材料均为铝材。

8.一种高寒地区太阳能与热泵联合供热系统，其特征在于：采用如权利要求1～7任一所述的相变储热装置作为冷凝蓄热器，实现对太阳能以及热泵冷凝热的存储与释放：当太阳能充足时，利用循环水换热通道(304)将太阳能存储于冷凝蓄热器中；当热泵系统开启时，利用制冷剂换热通道(303)将热泵冷凝热存储于冷凝蓄热器中；当太阳能与热泵系统均无法正常运行时，利用循环水换热通道(304)通过释放存储在冷凝蓄热器中的相变蓄热材料中的热量，为供热末端提供采暖及生活热水。