CN111765505A - 一种毛细泵高效室内供暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毛细泵高效室内供暖系统，包括二级网户内供水横管、二级网户内回水横管、蒸发器、蒸汽输送管道、气液隔离器、液体输送管道、压力传感器、调压储存器、电加热装置、可编程控制器、室外温度传感器和冷凝器；所述蒸发器开有热媒流入端口和热媒流出端口，内部并联设置有若干个毛细吸液芯。本系统能够显著降低二级网的回水温度，从而增大二级网的供、回水温差，减小二级网的循环泵流量和电能消耗；同时连带降低一级网回水温度，增大一级网的供、回水温差，减小一级网的循环泵流量和电能消耗，实现输配系统的节能运行。
Description
技术领域
本发明涉及建筑供热系统，具体是一种毛细泵高效室内供暖系统。
背景技术
根据国标GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的规定，室内供暖系统的设计供回水温度：地热盘管系统60/50℃，散热器系统85/60℃。假设热力站板式换热器的“最小换热温差”为10℃，则在设计工况下，一级网的回水温度将不低于60℃，大量低品位的余热资源(热电厂冷凝热，约29℃；各类工业余热，15～50℃)无法被直接高效利用，而需要借助热泵设备。
相比一级网，区域供热系统二级网的设计供回水温差偏小(地热盘管系统为10℃，散热器系统为25℃)，相同热负荷条件下，供回水温差偏小将导致循环泵的流量过大、耗电量显著增加。
建筑室内常规散热末端(如散热器、地热盘管等)的调节响应速度较慢，滞后时间长，运行控制过程易出现震荡。常规散热末端表面温度的均匀性较差，对于地热盘管，热媒流动到盘管末端时温度较低，可能造成房间内冷热不均。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种毛细泵高效室内供暖系统。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种毛细泵高效室内供暖系统，其特征在于该系统包括二级网户内供水横管、二级网户内回水横管、蒸发器、蒸汽输送管道、气液隔离器、液体输送管道、压力传感器、调压储存器、电加热装置、可编程控制器、室外温度传感器和冷凝器；所述蒸发器开有热媒流入端口和热媒流出端口，内部并联设置有若干个毛细吸液芯；
所述二级网户内供水横管的一端与二级网户间供水立管连接，另一端与热媒流入端口连接；所述二级网户内回水横管的一端与二级网户间回水立管连接，另一端与热媒流出端口连接；毛细吸液芯的工质出口与蒸汽输送管道的一端连接，蒸汽输送管道的另一端与冷凝器的工质入口连接；液体输送管道的一端与冷凝器的工质出口连接，另一端与毛细吸液芯的工质入口连接；液体输送管道上设置有气液隔离器；
所述调压储存器通过定压连通管与液体输送管道连通；调压储存器上设置有电加热装置、压力传感器和循环工质灌注接口；
所述室外温度传感器设置于建筑物阴面外墙处；可编程控制器分别与压力传感器、电加热装置和室外温度传感器连接。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1.相比常规室内供暖系统(地热盘管或散热器)，本系统能够显著降低二级网的回水温度，从而增大二级网的供、回水温差，减小二级网的循环泵流量和电能消耗；同时连带降低一级网回水温度，增大一级网的供、回水温差，减小一级网的循环泵流量和电能消耗，实现输配系统的节能运行。
2.更低的一级网回水温度能够有效提升低品位余热的回收利用率，降低区域供热的化石燃料消耗、污染物排放与运行成本，降低供热系统的总运行能耗。
3.若干毛细吸液芯并联配置在蒸发器内，依靠其毛细结构为相变传热循环提供了较大的毛细驱动力，无需借助重力实现循环工质的长距离输送，蒸发器和冷凝器的安装位置较灵活，不受相对水平高度的制约。相变传热循环无需引入额外的动力设备，运行可靠性好、使用寿命长。
4.导流挡板与毛细吸液芯垂直设置，二级网热媒在导流挡板的约束和引导作用下垂直冲刷毛细吸液芯，对流换热系数和传热效率较高。
5.使用气液隔离器保证进入毛细吸液芯的循环工质为液态，实现循环工质的气-液分离，传热能力较普通热管提升1～2个数量级。
6.利用循环工质的相变过程实现高效传热，相比常规室内供暖系统，本系统的蒸汽输送管道和液体输送管道的管径更小，有利于管线布置与室内装修。
7.本系统在地板冷凝盘管和墙壁冷凝盘管内进行冷凝散热，相比常规的低温地板辐射供暖系统，辐射散热的面积更大，散热末端的表面温度均匀性更好，室内温度的均匀性更好，室内热舒适性更高。
8.通过电加热装置加热或冷却调压储存器，快速、灵活调节相变传热循环饱和压力和温度，改变调压储存器与相变传热循环的工作压力大小，从而改变循环工质的饱和温度与冷凝器的表面平均温度，能够更好地适应室外温度与系统热负荷的波动变化。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构示意图；
图2为本发明实施例2的一级网回水温度降低后的能量供应结构图；
图中：1、二级网户内供水横管；2、二级网户内回水横管；3、蒸发器；3-1、毛细吸液芯；3-2、导流挡板；3-3、热媒流入端口；3-4、热媒流出端口；4、蒸汽输送管道；5、气液隔离器；6、液体输送管道；7、循环工质灌注接口；8、压力传感器；9、调压储存器；10、电加热装置；11、可编程控制器；12、室外温度传感器；13、冷凝器；13-1、地板冷凝盘管；13-2、墙壁冷凝盘管；14、二级网户间供水立管；15、二级网户间回水立管；16、定压连通管。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种毛细泵高效室内供暖系统(简称系统，参见图1)，其特征在于该系统包括二级网户内供水横管1、二级网户内回水横管2、蒸发器3、蒸汽输送管道4、气液隔离器5、液体输送管道6、压力传感器8、调压储存器9、电加热装置10、可编程控制器11、室外温度传感器12和冷凝器13；所述蒸发器3开有热媒流入端口3-3和热媒流出端口3-4，内部并联设置有若干个毛细吸液芯3-1，热媒与毛细吸液芯3-1接触换热；
所述二级网户内供水横管1的一端与二级网户间供水立管14连接，另一端与热媒流入端口3-3连接；所述二级网户内回水横管2的一端与二级网户间回水立管15连接，另一端与热媒流出端口3-4连接；毛细吸液芯3-1的工质出口与蒸汽输送管道4的一端连接，蒸汽输送管道4的另一端与冷凝器13的工质入口连接；液体输送管道6的一端与冷凝器13的工质出口连接，另一端与毛细吸液芯3-1的工质入口连接；液体输送管道6上设置有气液隔离器5；
所述调压储存器9的底部通过定压连通管16与液体输送管道6连通；调压储存器9上设置有电加热装置10，用于加热循环工质；调压储存器9上设置有压力传感器8，用于测量调压储存器9内部的压力值；调压储存器9上设置有循环工质灌注接口7，用于灌注循环工质和降压。
所述室外温度传感器12设置于建筑物阴面外墙处，用于测量室外温度；可编程控制器11分别与压力传感器8、电加热装置10和室外温度传感器12连接，采集压力传感器8和室外温度传感器12的数据，并向电加热装置10发送控制信号。
优选地，毛细吸液芯3-1的工质出口靠近热媒流入端口3-3，毛细吸液芯3-1的工质入口靠近热媒流出端口3-4。
优选地，蒸发器3的内部设置有若干个交错式布置的导流挡板3-2，使得蒸发器3的内部呈S型流道，实现热媒对毛细吸液芯3-1内的工质更充分的冲刷，对流换热更加充分。
优选地，热媒流入端口3-3和热媒流出端口3-4分别设置于S型流道的始端和末端。
优选地，按照循环工质流动方向，气液隔离器5设置于定压连通管16与液体输送管道6的连接处的后方。
优选地，电加热装置10设置于调压储存器9的液体环境的外侧(本实施例是设置于调压储存器9底部的外侧壁，紧贴侧壁)；压力传感器8设置于调压储存器9的气体环境中；循环工质灌注接口7设置于调压储存器9的顶部。
优选地，所述冷凝器13包括布置于室内不同位置的地板冷凝盘管13-1和墙壁冷凝盘管13-2；地板冷凝盘管13-1和墙壁冷凝盘管13-2的工质入口均与蒸汽输送管道4的一端连接，地板冷凝盘管13-1和墙壁冷凝盘管13-2的工质出口均与液体输送管道6的一端连接。
所述循环工质的选取原则为：循环工质的饱和温度区间匹配室内供热系统的供热温度范围(约30～50℃)；循环工质对应饱和压力的变化范围适当；循环工质与系统部件的材质具备相容性(不发生显著化学反应或物理变化，相变传热性能几乎不随时间衰减)；循环工质无毒无害、灌注成本较低、环境破坏较小。满足以上原则的循环工质有氟利昂-11(CCl3F，饱和温度范围-40～120℃)、氟利昂-21(CHCl2F，饱和温度范围-40～100℃)和氟利昂-113(CCl2F·CClF2，饱和温度范围-10～100℃)。当选取氟利昂-11为循环工质时，与循环工质存在直接接触的系统部件的材质应选择铝、不锈钢或铜；当选取氟利昂-21为循环工质时，与循环工质存在直接接触的系统部件的材质应选择铝或铁；当选取氟利昂-113为循环工质时，与循环工质存在直接接触的系统部件的材质应选择铝或铜。与循环工质存在直接接触的系统部件为毛细吸液芯3-1、蒸汽输送管道4、液体输送管道6、调压储存器9、冷凝器13和定压连通管16。
本发明同时提供了一种毛细泵高效室内供暖系统的运行调控方法(简称方法)，其特征在于该方法具体如下：
纯液态工质在毛细力驱动下进入毛细吸液芯3-1，随后被二级网内热媒加热气化，产生的蒸汽进入蒸汽输送管道4，然后进入冷凝器13(地板冷凝盘管13-1和墙壁冷凝盘管13-2)中放热凝结，所生成的气液两相工质随后进入液体输送管道6，被气液隔离器5处理为纯液态工质，在毛细吸液芯3-1的毛细力驱动下，纯液态工质再次返回毛细吸液芯3-1，液态工质的蒸发-凝结的相变传热循环过程完成；
二级网户间供水立管14中的二级网内热媒经二级网户内供水横管1输送，由热媒流入端口3-3进入蒸发器3，并在导流挡板3-2的约束和引导作用下，垂直略过毛细吸液芯3-1的外表面实现对流换热，热媒放热降温后由热媒流出端口3-4流出蒸发器3，再经二级网户内回水横管2的输送返回二级网户间回水立管15；
调压储存器9内的循环工质处于气液共存的饱和状态，循环工质在冷凝器13内的冷凝温度与调压储存器9的内部压力水平有关；可编程控制器11根据室外温度传感器12的回传数据，计算满足供热需求循环工质所需达到的饱和压力值(对应特定的饱和温度与冷凝器13的表面平均温度)，并作为调压储存器9内部压力的设定值；当压力传感器8的回传数据小于调压储存器9内部压力的设定值时，开启电加热装置10对调压储存器9进行加热，回传数据达到设定值后停止加热；当压力传感器8的回传数据等于调压储存器9内部压力的设定值时，系统保持原有工作状态；当压力传感器8的回传数据大于调压储存器9内部压力的设定值时，关闭电加热装置10，调压储存器9的内部压力逐渐下降到设定值；当使用关闭电加热装置10的冷却方式无法实现降压需求时，可打开循环工质灌注接口7降压。
冷凝器13内的冷凝温度决定冷凝器13的平均温度。当调压储存器9被电加热装置10加热时，相变传热循环的饱和压力升高，循环工质的冷凝温度升高，冷凝器13的表面平均温度升高，系统供热量增大；当关闭电加热装置10、调压储存器9逐渐冷却时，相变传热循环的饱和压力下降，循环工质的冷凝温度降低，冷凝器13的表面平均温度降低，系统供热量减小。
实施例1
采用本系统能够降低供热系统一、二级网循环泵的电力消耗。
表1
表1为不同室内供热系统一二级网循环泵的能耗对比。由表1可以看出，相比采用地热盘管或散热器的常规室内供暖系统，本发明系统的二级网设计回水温度更低(仅为26℃)，二级网供回水温差增大，在相同热负荷条件下，二级网相对循环流量仅为常规地热盘管室内供暖系统的29.41％，根据变频水泵的相似率，二级网循环泵的耗电量降低为地热盘管系统的2.54％。
此外，较低的二级网回水温度可连带降低对应一级网的回水温度(从70℃降低到36℃)，一级网供回水温差从60℃增大到94℃，在相同热负荷条件下，本发明系统的一级网循环流量仅为常规室内供暖系统的63.83％，根据变频水泵的相似率，一级网循环泵的耗电量降低到26.01％。
实施例2
采用本系统能够提升低品位余热能源的回收利用率，降低供热系统的总运行能耗。
若存在某低品位余热能源的温度为65℃且供应稳定、总量巨大。当采用间接连接供暖系统时(末端散热设备为地热盘管或散热器)，由于一级网的设计回水温度(70℃)大于低品位余热的温度，因此这部分余热资源无法得到利用；然而，当采用本发明系统时，一级网的设计回水温度可降至36℃，65℃的低温余热可得到有效利用。
假设热媒与低温余热热源换热结束后可被加热至60℃，之后再进入高温热源升温至130℃，因此总供热量中低品位余热的供应比例可由下式计算得到：
可见，当采用本发明系统后，供热系统的总能耗可降低25.53％，节能效果显著。
实施例3
本系统能够直接利用低品位余热供热，节约化石燃料消耗。
假设某低品位余热能源的温度为50℃且供应稳定、总量巨大。当采用直接连接供暖系统时，由于末端散热设备(地热盘管、散热器)的回水温度(分别为50、60℃)高于低品位余热的温度，因此这部分余热资源无法得到有效利用。
当采用本发明系统时，末端散热设备的回水温度可降至26℃，从而具备直接利用此类低品位余热的条件。对于承担10万平米建筑面积的供热系统，整个供暖季低品位余热的回收利用总量为(假设该系统供暖季共运行150天，平均面积热指标取25W/m2)：
Q＝105m2×25W/m2×(150×86400s)＝32400GJ
折算标准煤的质量为：
因此，本发明系统在一个供暖季可节约标准煤1105.5吨。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (7)
1.一种毛细泵高效室内供暖系统，其特征在于该系统包括二级网户内供水横管、二级网户内回水横管、蒸发器、蒸汽输送管道、气液隔离器、液体输送管道、压力传感器、调压储存器、电加热装置、可编程控制器、室外温度传感器和冷凝器；所述蒸发器开有热媒流入端口和热媒流出端口，内部并联设置有若干个毛细吸液芯；
所述二级网户内供水横管的一端与二级网户间供水立管连接，另一端与热媒流入端口连接；所述二级网户内回水横管的一端与二级网户间回水立管连接，另一端与热媒流出端口连接；毛细吸液芯的工质出口与蒸汽输送管道的一端连接，蒸汽输送管道的另一端与冷凝器的工质入口连接；液体输送管道的一端与冷凝器的工质出口连接，另一端与毛细吸液芯的工质入口连接；液体输送管道上设置有气液隔离器；
所述调压储存器通过定压连通管与液体输送管道连通；调压储存器上设置有电加热装置、压力传感器和循环工质灌注接口；
所述室外温度传感器设置于建筑物阴面外墙处；可编程控制器分别与压力传感器、电加热装置和室外温度传感器连接。
2.根据权利要求1所述的毛细泵高效室内供暖系统，其特征在于毛细吸液芯的工质出口靠近热媒流入端口，毛细吸液芯的工质入口靠近热媒流出端口。
3.根据权利要求1所述的毛细泵高效室内供暖系统，其特征在于蒸发器的内部设置有若干个交错式布置的导流挡板，使得蒸发器的内部呈S型流道。
4.根据权利要求3所述的毛细泵高效室内供暖系统，其特征在于热媒流入端口和热媒流出端口分别设置于S型流道的始端和末端。
5.根据权利要求1所述的毛细泵高效室内供暖系统，其特征在于按照循环工质流动方向，气液隔离器设置于定压连通管与液体输送管道的连接处的后方。
6.根据权利要求1所述的毛细泵高效室内供暖系统，其特征在于电加热装置设置于调压储存器的液体环境的外侧；压力传感器设置于调压储存器的气体环境中；循环工质灌注接口设置于调压储存器的顶部。
7.根据权利要求1所述的毛细泵高效室内供暖系统，其特征在于所述冷凝器包括布置于室内不同位置的地板冷凝盘管和墙壁冷凝盘管；地板冷凝盘管和墙壁冷凝盘管的工质入口均与蒸汽输送管道的一端连接，地板冷凝盘管和墙壁冷凝盘管的工质出口均与液体输送管道的一端连接。
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