CN111649416B - 一种冷热预处理相变储能新风系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷热预处理相变储能新风系统，包括蓄能模块、水循环模块和自动控制模块、监测模块；所述蓄能模块由保温外壳、换热盘管、相变储能管阵列结构、风机组成；所述水循环模块包括闭式冷却塔、太阳能集热板、循环水泵、循环管路、三通阀组；监测模块用于监测冷却塔的出水温度、太阳能集热板出水温度、相变储能管中相变材料的温度；监控装置根据监测温度控制冷却塔、太阳能集热板与蓄能模块的通断；本发明可实现冬夏季两用和相变材料的高效利用，起到节能的效果，实现了冬夏两季新风预冷和预热的需要。

Description

一种冷热预处理相变储能新风系统
技术领域
本发明属于空调新风系统技术领域，特别是一种冷热预处理相变储能新风系统。
背景技术
新风系统是利用新风机组将室外空气送入室内，在室内形成新风流动场，从而满足室内新风换气的需要，改善室内的空气品质。目前对于国内的大多数空调建筑，新风负荷已占到暖通空调总负荷的20％～30％，因而如何能够使得新风系统具有建筑节能的特性，实现可再生能源的有效利用，对于建筑新风系统的发展来说，具有十分重要的意义。
相变材料是一种具有储能功能的材料，其中有机相变材料具有储能密度高、存储容量大、化学性质稳定等优点，利用国家目前的峰谷电价政策和夜间通风的自然冷源，将其运用于新风机组进行冬季日间蓄热和夏季夜间蓄冷，再进行合理地能源调配对新风预热(冷)，可以有效缓解建筑能源供求在时间、空间和强度上不匹配的矛盾。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN 109458654 A记载了一种相变储能式太阳能新风供暖系统，该系统将太阳能新风供暖系统和蓄热系统结合，可以为建筑提供采暖和用水需求，但该系统无法适用于夏季新风预冷的工况，使节能效果受到限制，且相变储能与新风结合的换热效率较低，预期实施效果较差；专利文献号CN 102914010 A记载了一种基于太阳能的相变储能新风高效换热系统，将太阳能集热板、相变储能、热管和新风集成一个系统，用以提高冬季送风温度，其中热管的使用可提高新风与相变材料之间的换热效率，但该系统同样无法适用于夏季新风预冷的工况，且投资较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷热预处理相变储能新风系统，利用太阳能和昼夜峰谷电价为能量输入，用相变材料来缓解一天中不同时刻能量供求矛盾，起到节能的效果，以实现冬夏两季新风预冷和预热的需要。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种冷热预处理相变储能新风系统，包括蓄能模块、水循环模块和自动控制模块、监测模块；
所述蓄能模块包括蓄能壳体、依次设置在蓄能壳体内的初效过滤器、换热盘管、相变储能管、风机；所述初效过滤器设置在蓄能壳体的新风入口端，所述风机作为新风的动力提供；所述蓄能壳体内设置多排相变储能管组，每排相变储能管组设置多个相变储能管；所述相变储能管包括换热内管、套接在换热内管外的换热外管、填充在换热内管与换热外管之间的相变材料；所述蓄能壳体外部设有进水总管和回水总管；所述进水总管用于连接水循环模块的出水口，回水总管用于连接水循环模块的回水口；所述水循环模块作为本系统的冷源装置和热源装置；所述冷源装置出水管、热源装置出水管与进水总管之间通过第一三通阀连接；所述冷源装置回水管、热源装置回水管与回水总管之间通过第二三通阀连接；所述进水总管、换热盘管、相变储能管组之间设有第三三通阀；
所述监测模块包括第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器；所述第一温度传感器设置在闭式冷却塔出水管上，用于监测冷却塔的出水温度，所述第二温度传感器设置于太阳能集热板出水管上，用于监测太阳能集热板出水温度，所述第三温度传感器设置于相变材料内，用于监测相变储能管中相变材料的温度；
所述自动控制模块包括控制器、循环水泵；所述循环水泵设置在进水总管上；所述控制器与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一三通阀、第二三通阀、循环水泵、第三三通阀和风机电连接；根据监测温度控制第一三通阀、第二三通阀、循环水泵、第三三通阀和风机的启闭。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明实现夏季新风预冷和冬季新风预热双工况运行，利用相变材料储释能特性缓解空调系统不同时刻能量供求矛盾，实现节能效果。
(2)蓄能模块设置换热盘管和相变储能管阵列，通过电动三通阀控制，根据不同室外条件决定新风直接与盘管换热或蓄能后再换热，运行灵活高效。
(3)相变储能管的套管双层翅片，增强了相变材料与循环水换热，克服相变材料导热系数小的缺点，相变效果好，错列设置的储能管与新风进行层层热交换，预温效果充分、高效。
(4)本发明将太阳辐射作为系统热量来源，清洁环保，以冷却塔作为新风系统冷量来源，利用夜间低谷电价和相变材料储释能特性，大大减少新风负荷，降低建筑空调运行费用。
附图说明
图1为本发明的系统总体图。
图2为蓄能模块的外观示意图。
图3为蓄能模块的内部结构俯视图。
图4为单排相变储能管的连接示意图。
图5为相变储能管的轴向剖视图。
图6为相变储能管的径向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图6，本发明的一种冷热预处理相变储能新风系统，包括蓄能模块、水循环模块和自动控制模块、监测模块；
所述蓄能模块包括蓄能壳体、依次设置在蓄能壳体内的初效过滤器11、换热盘管13、相变储能管15、风机19；所述初效过滤器11设置在蓄能壳体的新风入口10端，初效过滤器11的设置能够基本保证新风系统空气的质量，当有更高空气洁净需求时，可安装高效过滤器。所述风机19设置在蓄能壳体的新风出口18端(也可设置在初效过滤器11与换热盘管13之间)，作为新风的动力提供；所述换热盘管13为金属翅片管。所述蓄能壳体内设置多排相变储能管组，每排相变储能管组设置多个相变储能管15；每排相变储能管组之间的相变储能管15错列布置(如图3所示)；所述相变储能管15包括换热内管15d、套接在换热内管15d外的换热外管15f、填充在换热内管15d与换热外管15f之间的相变材料15b；所述换热内管15d外壁沿轴向固定有多个内翅片15c，所述换热外管15f外壁沿轴向固定有多个外翅片15e；所述蓄能壳体外部设有进水总管16和回水总管12；所述进水总管16用于连接水循环模块的出水口，回水总管12用于连接水循环模块的回水口；所述进水总管16通过多个进水支管17分别与每排相变储能管组的相变储能管15的换热内管15d连接、以及与换热盘管13进水口连接；回水总管12通过多个回水总管12与每排相变储能管组的相变储能管15的换热内管15d连接、以及与换热盘管13出水口连接。
所述水循环模块包括闭式冷却塔1、第一三通阀2、太阳能集热板6、循环水泵8、第二三通阀7、第三三通阀9；所述闭式冷却塔1可以由建筑暖通空调系统自带的闭式冷却塔提供，为本系统的冷源装置，太阳能集热板6为本系统热源装置。第一三通阀2和第二三通阀7分别设置于冷却塔水1循环管路与太阳能集热板6水循环管路的交汇处，即第一三通阀2用于连接在闭式冷却塔1出水管、太阳能集热板6出水管与进水总管16；第二三通阀7用于连接闭式冷却塔1回水管、太阳能集热板6回水管与回水总管12。该两个三通阀组起到调节系统水路、切换冬夏运行工况的作用；第三三通阀9设置于进水总管16上，用于切换换热盘管1与相变储能管15的接通，可切换盘管13的直接换热工况和相变蓄释能工况。所述第一三通阀2、第二三通阀7、第三三通阀9均为电控阀。
所述监测模块包括第一温度传感器3、第二温度传感器5和第三温度传感器20；所述第一温度传感器3设置在闭式冷却塔1出水管上，用于监测冷却塔的出水温度，所述第二温度传感器5设置于太阳能集热板6出水管上，用于监测太阳能集热板出水温度，所述第三温度传感器20设置于相变材料内，用于监测相变储能管中相变材料15b的温度。
所述自动控制模块包括控制器4、循环水泵8；所述循环水泵8设置在进水总管16上；所述控制器与第一温度传感器3、第二温度传感器5、第三温度传感器20、第一三通阀5、第二三通阀7、循环水泵8、第三三通阀9和风机19电连接；第一温度传感器3、第二温度传感器5、第三温度传感器20将采集的数据传输给控制器，控制器用于通过控制信号控制第一三通阀5、第二三通阀7、循环水泵8、第三三通阀9和风机19的启闭。
进一步的，为了提高换热效果，相变储能管15的换热外管15f和换热内管15d均采用铜或铝制材料制成，为了减少能量损失，所述蓄能模块外设置有保温层。
夏季当冷却塔1出水温度低于第一相变温度时，系统为夜间蓄冷工况，当监测管温度持续低于第一相变温度时，蓄冷结束。冬季当太阳能集热板6出水温度高于第二相变温度，且低于第一设定温度时，为日间蓄热工况，当监测侧温度持续高于第二相变温度时，蓄热结束；当太阳能集热板6出水温度高于第一设定温度时，为换热盘管13直接预热新风工况，此时无需蓄能。其中第一相变温度为相变材料低温相变临界温度，第二相变温度为相变材料高温相变临界温度，本实施例中，设定的第一设定温度为高于第二相变温度10度的温度值。非工作状态第一三通阀5、第二三通阀7、第三三通阀9均处于关闭状态。
基于上述的冷热预处理相变储能新风系统，在夏季和冬季工况的控制方法为：
夏季夜间工况时，闭式冷却塔1定时启动，当第一温度传感器3的监测温度低于第一相变温度时，循环水泵8启动，控制器4切换第一三通阀2、第二三通阀7和第三三通阀9的通路，太阳能集热板6与蓄能模块的管路断开，冷却塔1与蓄能模块的管路接通，使冷却塔1产生的循环水进入相变储能阵列中，系统进入蓄冷工况。冷却塔产生的循环水首先由进水总管16进入各进水支管17，进水支管上串联多个相变储能管15，循环水流入相变储能管15的换热内管15d，内翅片15c可提高循环水与相变材料之间的换热，循环水中的冷量由相变材料15b蓄存，回水由各回水支管14汇集至回水总管12，经循环管路最后流入冷却塔1，一个蓄冷循环完成，在经过多个以上的蓄冷循环，当第三温度传感器20的监测温度持续低于第一相变温度时，相变材料15b已完全相变，循环水泵8关闭，蓄冷完成。
夏季日间工况，风机19定时启动，新风由新风入口10经初效过滤器11进入蓄能模块内部，新风在紊流过程中与充分蓄冷的相变储能管阵列进行换热，外翅片15e可有效提高相变材料与空气的换热效率，预冷后的新风由新风出口18送入室内。
冬季日间工况时，太阳能集热板6吸收太阳辐射，板内循环水升温，当第二温度传感器5的监测温度高于第二相变温度时，循环水泵8开启，太阳能集热板6与蓄能模块的管路接通，冷却塔1与蓄能模块的管路断开，系统进入预热或蓄热工况。当第二温度传感器5的监测温度高于第二相变温度但低于第一设定温度时，控制器4切换第三三通阀9切换通路，连通换热盘管13管路断开，循环水不流经换热盘管13，而流入相变储能管阵列，循环水由进水总管16流入各路进水支管17，流进进水支管17上串联多个相变储能管15，循环水流入相变储能管15的换热内管15d，内翅片15c可提高循环水与相变材料之间的换热，循环水中的热量由相变材料15b开始蓄存，回水由各回水支管14汇集至回水总管12，经循环管路最后流入太阳能集热板6，循环水流入再由进水支管16流入相变储能管14的换热内管14c进行换热，相变材料14a蓄存热量，热水回水由各回水支管13汇集至回水总管12，最后再次流入太阳能集热板6，一个蓄热循环完成，在经过以上多个蓄热循环，当第三温度传感器20的监测温度持续高于第二相变温度时，相变材料15b已完全相变，循环水泵8关闭，蓄热完成。当第二温度传感器5的监测温度达到第一设定温度时，控制器4切换第三三通阀9切换通路，太阳能集热板6与换热盘管13的管路打开，太阳能集热板6产生的循环水直接进入换热盘管13，同时风机19启动，新风由新风入口10经初效过滤器11进入蓄能模块内部与换热盘管13直接进行换热，预热后的新风由新风出口18流出送入室内。
冬季夜间工况时，风机19定时启动，新风由新风入口10经初效过滤器11进入蓄能模块内部，新风在紊流过程中与充分蓄热的相变储能管阵列进行预热换热，外翅片15e可有效提高相变材料与空气的换热效率，预热后的新风由新风出口18送入室内。

Claims (8)

1.一种冷热预处理相变储能新风系统，其特征在于，包括蓄能模块、水循环模块和自动控制模块、监测模块；
所述蓄能模块包括蓄能壳体、依次设置在蓄能壳体内的初效过滤器(11)、换热盘管(13)、相变储能管(15)、风机(19)；所述初效过滤器(11)设置在蓄能壳体的新风入口(10)端，所述风机(19)作为新风的动力提供；所述蓄能壳体内设置多排相变储能管组，每排相变储能管组设置多个相变储能管(15)；所述相变储能管(15)包括换热内管(15d)、套接在换热内管(15d)外的换热外管(15f)、填充在换热内管(15d)与换热外管(15f)之间的相变材料(15b)；所述蓄能壳体外部设有进水总管(16)和回水总管(12)；所述进水总管(16)用于连接水循环模块的出水口，回水总管(12)用于连接水循环模块的回水口；所述水循环模块作为本系统的冷源装置和热源装置；所述冷源装置出水管、热源装置出水管与进水总管(16)之间通过第一三通阀(2)连接；所述冷源装置回水管、热源装置回水管与回水总管(12)之间通过第二三通阀(7)连接；所述进水总管(16)、换热盘管(13)、相变储能管组之间设有第三三通阀(9)；
所述监测模块包括第一温度传感器(3)、第二温度传感器(5)和第三温度传感器(20)；所述第一温度传感器(3)设置在闭式冷却塔(1)出水管上，用于监测冷却塔的出水温度，所述第二温度传感器(5)设置于太阳能集热板(6)出水管上，用于监测太阳能集热板出水温度，所述第三温度传感器(20)设置于相变材料内，用于监测相变储能管中相变材料(15b)的温度；
所述自动控制模块包括控制器(4)、循环水泵(8)；所述循环水泵(8)设置在进水总管16上；所述控制器与第一温度传感器(3)、第二温度传感器(5)、第三温度传感器(20)、第一三通阀(2 )、第二三通阀(7)、循环水泵(8)、第三三通阀(9)和风机(19)电连接；根据监测温度控制第一三通阀(2 )、第二三通阀(7)、循环水泵(8)、第三三通阀(9)和风机(19)的启闭；包括以下工况：
夏季夜间工况：当第一温度传感器的监测温度低于第一相变温度时，循环水泵启动，冷却装置与蓄能模块的管路接通,热源装置与蓄能模块的管路断开；使冷却装置产生的循环水进入相变储能阵列中，系统进入蓄冷工况；循环水中的冷量由相变材料蓄存，经过多个蓄冷循环，当第三温度传感器的监测温度持续低于第一相变温度时，相变材料已完全相变，循环水泵关闭，蓄冷完成；
夏季日间工况：风机定时启动，新风由新风入口经初效过滤器进入蓄能模块内部，新风与充分蓄冷的相变储能管阵列进行换热，预冷后的新风由新风出口送入室内；
冬季日间工况：热源装置循环水升温，当第二温度传感器的监测温度高于第二相变温度时，循环水泵开启，热源装置与蓄能模块的管路接通，系统进入预热或蓄热工况；热源装置与蓄能模块的管路接通，冷却装置与蓄能模块的管路断开；当第二温度传感器的监测温度高于第二相变温度但低于第一设定温度时，循环水流入相变储能管阵列，循环水中的热量由相变材料开始蓄存，经过多个蓄热循环，当第三温度传感器的监测温度持续高于第二相变温度时，相变材料已完全相变，循环水泵关闭，蓄热完成；当第二温度传感器的监测温度达到第一设定温度时，循环水直接进入换热盘管，同时风机启动，新风由新风入口经初效过滤器进入蓄能模块内部与换热盘管直接进行换热，预热后的新风由新风出口送入室内；
冬季夜间工况时，风机定时启动，新风由新风入口经初效过滤器进入蓄能模块内部，新风在紊流过程中与充分蓄热的相变储能管阵列进行预热换热，预热后的新风由新风出口送入室内。
2.根据权利要求1所述的新风系统，其特征在于，所述换热内管15d外壁沿轴向固定有多个内翅片(15c)，所述换热外管(15f)外壁沿轴向固定有多个外翅片(15e)。
3.根据权利要求1所述的新风系统，其特征在于，每排相变储能管组之间的相变储能管(15)错列布置。
4.根据权利要求1所述的新风系统，其特征在于，所述换热盘管(13)为金属翅片管。
5.根据权利要求1所述的新风系统，其特征在于，相变储能管(15)的换热外管(15f)和换热内管(15d)均采用铜或铝制材料制成。
6.根据权利要求1所述的新风系统，其特征在于，所述冷源装置为闭式冷却塔(1)，所述热源装置为太阳能集热板(6)。
7.根据权利要求1所述的新风系统，其特征在于，所述风机(19)设置在蓄能壳体的新风出口(18)端。
8.根据权利要求1所述的新风系统，其特征在于，所述风机(19)设置在初效过滤器11与换热盘管(13)之间。
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