CN110940102A - 一种相变蓄热式太阳能炕构系统 - Google Patents

Abstract

一种相变蓄热式太阳能炕构系统，包括集热系统和炕体结构，所述集热系统是将置于室外顶部的真空管太阳能集热器的热能通过置于室内顶部的集热端循环水泵输入蓄热水箱，再通过炕体水管输入置于炕体一侧的辅助冷热源水箱，后由蓄热端循环水泵输入炕体中导热水层的导热水管作为加热炕体内蓄热材料的热源，然后再循环至蓄热水箱；所述炕体结构是依次由底层的支撑体、水平及四周的保温层、相变蓄热材料层、导热水层、相变蓄热材料层和找平层设置构成；本发明用于北方农村地区的个性化采暖需求，结构简单、投资适中，满足了人体取暖舒适度的要求。

Description

一种相变蓄热式太阳能炕构系统

技术领域

本发明涉及一种预寒取暖火炕系统，具体是一种将太阳能光热利用与相变材料蓄放热相结合的太阳能炕构系统。

背景技术

在我国北方农村地区，火炕除有休息作用外，冬季兼有夜间取暖的用途，其舒适性和节能性一直以来受到广大农村人的关注，随着节能环保要求的提高，火炕面临两方面的问题：一是火炕燃料一般以化石和生物质为主，其燃烧产物是农村地区大气污染的主要源头；另一方面，火炕通常利用炊事余热取暖，取暖效果一般，温度很难控制以及炕面温度的不均匀都会影响到人体舒适性，太阳能应用技术的普及和新型蓄热放热材料的发展，使现有的采暖火炕系统具有投资较低，能源利用率高，运行费用低，环境污染小等优势，为农居用户的使用提供了有利的条件。

现有的太阳能炕采暖系统充分继承并发扬了传统炕采暖的优点，将辐射采暖与火炕相结合，利用蓄热设备将白天过剩的太阳能热量储存起来供夜间采暖使用，以达到对能源的最大利用，例如竟峰，王婧，张旭针对我国东北地区农村采用炕采暖的传统生活习惯，设计了一种太阳能炕采暖系统，将蓄热池与火炕相结合，利用太阳能采暖低温水系统蓄热供暖，夏季可以提供生活热水，冬季可以同时供热。

但现有技术大多采用大容量蓄热水箱作为储存热量的载体，在实际使用上有一定的局限性，这不仅会占用过多的建筑空间，而且以水作为蓄热载体，其储存的热量很难满足整个夜间炕体温度在设定区间内。

随着人们对储能研究的深入，逐渐认识到相变材料储能有着密度大，蓄放热过程易于控制且相变温度恒定等诸多优点，在储能系统中得到越来越广泛的应用，相变储能选择适合的相变材料，当相变材料发生物相变化时，伴有较大的能量释放或吸收，利用这种特性对能量进行存贮，可对不连续、不稳定的热量进行充分利用，以调整控制工作源或相变材料周围环境的温度，是一种提高能源利用效率的环境友好技术，如李刚，池兰等在传统火炕上加入了石蜡，石蜡盛装在镀锌钢板容器里，夜间依旧通过添加薪柴对其加热，该实验通过对传统火炕房间与相变火炕房间的相关温度进行比对，对火炕热舒适性能进行了研究，测试结果显示传统火炕表面温度变化大，最高可达80℃，而相变蓄能火炕炕面温度分布均匀，最高温差仅为5℃，相变蓄热火炕显著改善了炕面温度分布的均匀性，有效延长了供暖时间并提高了室内温度，因而有助于改善炕面及农居室内的热舒适性。

相变蓄热式太阳能炕系统，包括集蓄热系统和蓄放热设备，集热系统以太阳能作为热源，通过真空管太阳能集热器将太阳能转化为热能并存储在蓄热水箱中，并通过水箱中分流器将部分流量热水供至室内的辅助冷热源水箱中，蓄热设备是指以木质模型炕为炕体，其内布置加热供回水管和以板式不锈钢容器为载体的相变材料。

发明内容

本发明结合农居生活习惯，将太阳能作为热源与传统火炕相结合，将复合相变材料作为蓄热放热介质，提供一种相变蓄热式太阳能炕构系统，以降低化石燃料使用量，达到降低污染气体排放，克服传统火炕炕面温度不均且难以控制的问题，为农村地区冬季采暖提供一条清洁发展的新途径。

为了实现上述任务，本发明要解决的具体技术问题是如何将太阳能热源用于农居火炕中，实现节能减排，并进一步提高农居生活质量。

具体采取如下技术方案。

一种相变蓄热式太阳能炕构系统，包括集热系统和炕体结构，其特征在于：

所述集热系统是将置于室外顶部的真空管太阳能集热器的热能通过置于室内顶部的集热端循环水泵输入蓄热水箱，再通过炕体水管输入置于炕体一侧的辅助冷热源水箱，后由蓄热端循环水泵输入炕体中导热水层的导热水管作为加热炕体内蓄热材料的热源，然后再循环至蓄热水箱；所述蓄热水箱中的热水同时输出为生活用水；

所述炕体结构是依次由底层的支撑体、水平及四周的保温层、相变蓄热材料层、导热水层、相变蓄热材料层和找平层铺设构成；其中：导热水层与相变蓄热材料层、保温层、找平层、支撑体的比为1.5∶1∶1.5∶2∶3；在炕体的一侧开设有通道作为排烟道。

进一步有如下的附加技术特征方案。

一种相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述辅助冷热源水箱的热源为电加热辅助热源；冷源为地下自来水管。

一种相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述炕体的炕面温度设置为25-30℃。

一种相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述相变蓄热材料层是在导热水管的周围采用不锈钢板包裹，石蜡-膨胀石墨为相变蓄热材料的载体，石蜡-膨胀石墨的体积比为9∶1-9.5∶0.5。

一种相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述相变蓄热材料层由上下两部分组成，充分利用导热水层中的热量。

一种相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述保温层是发泡水泥或岩棉。

一种相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述支撑体是由发泡水泥浇筑而构成。

本发明上述一种相变蓄热式太阳能炕构系统，与现有技术相比，在实际使用中有如下有益效果。

一是将北方农居用户的传统火炕与太阳能相结合，有效减少了化石燃料的燃烧，对环境的保护以及新能源的利用有着实际的意义。

二是设置有太阳能集热器直接相连的蓄热水箱外，还增设有辅助冷热源水箱，针对日常家用生活余热进行利用，如烟气余热利用等，减少了太阳能集热器的热负荷。

三是.相比传统的蓄热水箱，相变材料占用空间更小、蓄热量更大、相变完成前自身温度基本不变，所以采用相变储热材料可以更好地应对夜间无太阳光照时，炕面温度不足的情况；使用石蜡-膨胀石墨为载体，利用石蜡的恒温相变和蓄放热量高，石墨的高导热来满足用户在夜间的用热需求。

四是利用生命周期分析法结合炕面温度，优化分析了炕内排管间距。

附图说明

图1是本发明相变蓄热式太阳能炕构系统结构示意图。

图2是本发明炕体内部回型热水管结构示意图。

图3是本发明炕体的内部结构示意图。

图4是本发明烟道余热利用炕体平面结构示意图。

图中：1：真空管太阳能集热器；2：集热端循环水泵；3：蓄热水箱；4：炕体水管；5：供水管；6：辅助冷热源水箱；7：蓄热端循环水泵；8：炕体；9：回水管；10：蓄热水箱供水管；11：供回水管孔；12：导热水管；13：找平层；14：相变蓄热材料层；15：导热水层；16：保温层；17：支撑体；18：聚氨酯保温套；19：烟气预热回水管；20：排烟道。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。

如附图1、附图2、附图3及附图4所示，本发明为一种相变蓄热式太阳能炕构系统，包括真空管太阳能集热器1、集热端循环水泵2、蓄热水箱3、炕体方向供水管4、生活热水供水管5、辅助冷热源水箱6、蓄热端循环水泵7、炕体8、回水管9、蓄热水箱供水管10、供回水管孔11、导热水管12、找平层13、相变蓄热材料层14、导热水层15、保温层16、支撑体17、聚氨酯保温套18、烟气预热回水管19及排烟道20。

太阳能集热器1采用真空管型并置于农居用户的屋顶，与通过供回水管和之相连的蓄热水箱3以及集热端循环水泵2构成集热部分；蓄热水箱采用内置分层技术，具体将其内部蓄热空间分成两部分，以常规太阳能蓄热水箱200L容积为例，内部160 L的内置水箱部分供给生活用热水，剩余40L作为流经辅助冷热源水箱6用于加热炕体蓄热材料的部分，即蓄热水箱通过一根热水供水管与辅助冷热源水箱连接。

本发明的目的在于使炕面温度处于人体舒适温度区间25-30℃，冬季室内热负荷并不需要炕体来供暖，所以加热炕体及其内部蓄热材料的热量要求并不高，所以设置一直接和炕体相连接的辅助冷热源水箱6，辅助冷热源水箱是以电加热为辅助热源，或以普通自来水为辅助冷源，除蓄热水箱供给其一部分热水外，辅助冷热源水箱还与自来水管相连接。

炕体8大小为普通双人床尺寸，在靠近辅助冷热源水箱的一侧布置有供回水管孔，炕内“回形”加热水管通过供热供水管和辅助冷热源水箱连接，与相变材料换热完成的热水通过回水管回流至屋顶的蓄热水箱；炕内“回形”热水管的上下两侧均设置有板式不锈钢容器，作为石蜡-膨胀石墨相变蓄热材料的载体；炕体底部布置有秸秆、挤塑板、发泡水泥和岩棉铺设而成的保温层，四周墙壁内涂抹热反射材料。

另外针对有室内灶台的农居用户，本发明还对灶台产生的烟气余热加以利用，将炕体靠墙一侧镂空适当尺寸作为排烟道20，排烟道内使用砖砌或混凝土材料，产生的烟气首先通过水平的炕体烟道到达排放点，排放点通常为炕体烟道的终点，排放点处设置普通的向上排烟管，为了使回水温度尽可能高，采用逆流换热方式，设置与烟气在排烟道内流动方向相反的烟气预热回水管19，即将在炕体内换热完成后的水通过烟道中的烟气预热回水至屋顶的蓄热水箱中，完成整个循环。

本发明使用石蜡-膨胀石墨复合相变材料蓄热，石蜡的相变温度（熔点）范围为30-35℃，通过熔融混合法将两者进行融合制备，通过实验得知其最佳配比体积为9∶1-9.5∶0.5，即在此范围内石蜡可以充分与石墨材料混合，不会出现材料的过剩。

实施例1

如附图1和附图2所示，一种相变蓄热式太阳能炕系统包括集热系统和作为蓄热设备的炕体。

集热系统部分包括真空管太阳能集热器1、集热端循环水泵2、蓄热水箱3、炕体方向供水管4、生活热水供水管5、辅助冷热源水箱6、蓄热端循环水泵7及其连接管路等等，以太阳能为热源的集热过程在屋顶完成，且除辅助冷热源水箱外其他设备均在屋顶，其中，真空管集热器1和蓄热水箱3间设置有集热端循环水泵2，位于室外的集热系统所用管路为了防止温度过低而冻裂，均要在其外表面包裹岩棉或者橡塑材料，其中，集热器面积应不少于5m²，年平均集热效率应不少于55%。

蓄热水箱3除提供日常生活热水外，还将提供部分热水用于加热炕体部分，蓄热水箱采用内置分层技术，其内部蓄热空间分成两部分，本例中太阳能蓄热水箱为200L容积，内部160 L的内置水箱部分供给生活用热水，剩余40L作为流经辅助冷热源水箱6用于加热炕体蓄热材料的部分，即蓄热水箱通过一根热水供水管与辅助冷热源水箱连接。

辅助冷热源水箱是对蓄热水箱的补充和优化，其上布置有测温器，容积为60L，辅助冷热源水箱以日用生活中电加热为辅助热源，以普通自来水为辅助冷源，若从蓄热水箱供给的热水温度不足，低于45℃，则利用电加热将其温度加热至设定值；反之若温度过高，高于65℃，则通过与之相连的自来水管添加冷水来调节供水温度，加热炕体内部相变材料的热水管路从辅助冷热源水箱，通过炕体上的预留孔洞，连接到其内部的“回形”毛细管；白天，通过导热水管12加热与之直接接触的导热水层15，再通过导热水层加热上下两层的相变蓄热材料层14，直至相变蓄热材料不断吸热到达熔点并饱和，从而为夜间的放热做足准备。

本实施例中有灶台可产生烟气余热，设置烟气-水换热装置，具体将炕体靠墙或者靠走道一侧镂空适当尺寸作为排烟道20，排烟道内使用砖砌或混凝土材料，产生的烟气首先通过水平的炕体烟道到达排放点，排放点通常为炕体烟道的终点，排放点处设置普通的向上排烟管；本实施例中烟气进气口在左侧，同时在进气口处敷设过滤层，过滤掉部分强腐蚀物质，出气口在右侧；水管的流向与之相反，自右向左，水管材质为不锈钢，水管从出口部分到蓄热水箱外包裹保温材料聚氨酯，即将在炕体内换热完成后的水通过烟道中的烟气预热回水至屋顶的蓄热水箱中，完成整个循环。

本实施例农居卧室面积为20m²，炕体8尺寸为普通双人床大小150×200cm，在靠近辅助冷热源水箱的一侧布置有两个供回水管孔，尺寸为25mm。炕体内用于加热的供回水管采用“回形”布置，并通过和内墙牢固相连的铁丝线加以固定，炕内“回形”热水管水管通过供热供水管和辅助冷热源水箱连接，炕内“回形”热水管的上下均设置有板式不锈钢容器，其内盛放石蜡-膨胀石墨相变材料，石蜡是良好的蓄热材料，但导热性极差，需添加导热性能良好而又不会和石蜡发生化学反应的膨胀石墨，热水管和两板式不锈钢容器距离均为10-15mm，有利于对流换热，炕体底部布置有秸秆、挤塑板、发泡水泥和岩棉铺设而成的保温层，四周墙壁内涂抹热反射材料。

本实例中板式不锈钢容器中的蓄热载体采用石蜡和膨胀石墨，石蜡的体积占比为95％。

Claims (7)

1.一种相变蓄热式太阳能炕构系统，包括集热系统和炕体结构，其特征在于：

所述集热系统是将置于室外顶部的真空管太阳能集热器（1）的热能通过置于室内顶部的集热端循环水泵（2）输入蓄热水箱（3），再通过炕体水管（4）输入置于炕体（8）一侧的辅助冷热源水箱（6），后由蓄热端循环水泵（7）输入炕体（8）中导热水层（15）的导热水管（12）作为加热炕体内蓄热材料的热源，然后再循环至蓄热水箱（3）；所述蓄热水箱（3）中的热水同时输出为生活用水；

所述炕体结构是依次由底层的支撑体（17）、水平及四周的保温层（16）、相变蓄热材料层（14）、导热水层（15）、相变蓄热材料层（14）和找平层（13）铺设构成；其中：导热水层（15）与相变蓄热材料层（14）、保温层（16）、找平层（13）、支撑体（17）的比为1.5∶1∶1.5∶2∶3；在炕体（8）的一侧开设有通道作为排烟道（20）。

2.如权利要求1所述的相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述辅助冷热源水箱（6）的热源为电加热辅助热源；冷源为地下自来水管。

3.如权利要求1所述的相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述炕体（8）的炕面温度设置为25-30℃。

4.如权利要求1所述的相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述相变蓄热材料层（14）是在导热水管（12）的周围采用不锈钢板包裹，石蜡-膨胀石墨为相变蓄热材料的载体，石蜡-膨胀石墨的体积比为9∶1-9.5∶0.5。

5.如权利要求1所述的相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述相变蓄热材料层（14）由上下两部分组成，充分利用导热水层中的热量。

6.如权利要求1所述的相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述保温层（16）是发泡水泥或岩棉。

7.如权利要求1所述的相变蓄热式太阳能炕构系统，其特征在于：所述支撑体（17）是由发泡水泥浇筑而构成。

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