CN112212390A - 一种谷电蓄热装配式墙体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谷电蓄热装配式墙体模块，包括外部框架、限位柱、内保温层、进风管道、出风管道和含有换热管的内部蓄热体；所述限位柱位于外部框架顶部；所述内保温层设置在外部框架的内壁上；所述出风管道和进风管道位于内部蓄热体的两侧，并通过换热管连通。采用本发明的一种谷电蓄热装配式墙体模块，可以保证装置占地面积小，电热转化利用率高，并且适用于民用。

Description

一种谷电蓄热装配式墙体模块
技术领域
本发明属于建筑节能技术领域，具体来说，涉及一种谷电蓄热装配式墙体模块。
背景技术
随着产业发展，电网峰谷差逐年加大，调峰难度和复杂度日益凸显，为此正在尝试各类方式实现削峰填谷缓解电网运行压力的解决办法。蓄热技术作为储能方式的一种，在调节建筑能耗和削峰填谷方面的成熟性较高，尤其是民用或商业建筑中常常采用电采暖的供暖方式，通过谷电蓄热就可有效平衡电网负荷，减少运行费用，其在清洁供暖工程中起到了不可替代的作用。
但这样的设计还是存在着一些缺陷，比如传统的谷电蓄热供暖，由于蓄热介质的存在，蓄热采暖装置在建筑内部都需占用一定的用户使用空间，占据了较多的建筑有效空间并增加了投资成本；同时，相变材料本身的低热导率使得蓄存的热量难以取出，电能转化为有效输出热的系统整体效率不高，尽管针对PCM导热性能强化的研究较多，但仍没有开发出适宜用于谷电蓄热且兼具高导热、低成本的相变材料。因此，迫切需要一种结构简单实用、经济性较好的谷电蓄热装置。
发明内容
本发明针对上述不足，提供一种谷电蓄热装配式墙体模块，可以保证装置占地面积小，电热转化利用率高，并且适用于民用。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案：
一种谷电蓄热装配式墙体模块，包括外部框架、限位柱、内保温层、进风管道、出风管道和含有换热管的内部蓄热体；所述限位柱位于外部框架顶部；所述内保温层设置在外部框架的内壁上；所述出风管道和进风管道位于内部蓄热体的两侧，并通过换热管连通。
优选的，所述内部蓄热体还包括壳体、相变材料和电阻丝，所述的换热管位于壳体内腔中，并且换热管的两端与壳体连接，一端与出风通道连通，另一端与进风通道连通，所述换热管为金属管；所述相变材料充满壳体内腔；所述电阻丝均匀嵌在换热管的管壁中。
优选的，所述相变材料为石蜡、膨胀石墨和碳纤维复合的复合相变材料。
优选的，一种谷电蓄热装配式墙体模块还包括电动防火阀，所述电动防火阀安装在进风管道的下部。
优选的，一种谷电蓄热装配式墙体模块还包括风阀和轴流风机，所述风阀安装在出风管道的下部，所述轴流风机安装在出风管道的上部。
优选的，一种谷电蓄热装配式墙体模块还包括控制线路和外部接口，所述外部接口位于外部框架上；所述控制线路通过外部接口穿过内保温层和外部框架，与电阻丝、轴流风机和电动防火阀连接；所述控制线路用于控制墙体模块的运转。
优选的，所述外部框架底部还设有限位孔，所述墙体模块可通过限位柱和限位孔组合拼接。
一种谷电蓄热装配式墙体，包括钢材、顶部出风口、底座和上述的墙体模块；安装时，上下拼接的墙体模块之间，所述进风管道和出风管道连通，底部墙体模块的进风管道与底座上的过滤孔连通，顶部墙体模块的出风管道与顶部出风口连通，墙体模块两侧通过螺栓与墙体内的钢材固定。
与现有技术相比，本发明的一种谷电蓄热装配式墙体模块，可以保证装置占地面积小，电热转化利用率高，并且适用于民用。本实施例的一种谷电蓄热装配式墙体模块，包括外部框架、限位柱、内保温层、进风管道、出风管道和含有换热管的内部蓄热体；所述限位柱位于外部框架顶部；所述内保温层设置在外部框架的内壁上；所述出风管道和进风管道位于内部蓄热体的两侧，并通过换热管连通。通过设置装配式的墙体模块，实现了墙体的功能多元化，克服了传统蓄热供暖装置需占用一定室内空间的缺陷；同时墙体模块的尺寸大小可根据房间的面积和供暖需求来确定；并且采用的复合相变材料使电热转化利用率大大提高。
附图说明
图1是本发明实施例中拼接后的蓄热墙体的结构示意图；
图2是本发明实施例中墙体模块的结构示意图；
图3是本发明实施例中墙体模块的俯视图；
图4是本发明实施例中内部蓄热体的侧视图；
图5是本发明实施例中不同质量分数复合相变材料的导热系数。
图中有：外部框架1、限位柱2、内保温层3、进风管道4、出风管道5、电动防火阀6、风阀7、轴流风机8、内部蓄热体9、控制线路10、外部接口11、换热管12、相变材料13、壳体14、电阻丝15、底座16、钢材17和顶部出风口18。
具体实施方式
以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。
如图1所示，本发明实施例的一种谷电蓄热装配式墙体模块，包括外部框架1、限位柱2、内保温层3、进风管道4、出风管道5和含有换热管12的内部蓄热体9。限位柱2位于外部框架1顶部。内保温层3设置在外部框架1的内壁上。出风管道5和进风管道4位于内部蓄热体9的两侧，并通过换热管12连通。
其中，通过设置含有换热管12的内部蓄热体9，在夜间用电谷时通电加热蓄热；在白天用电高峰期时，将室内空气由进风管道4引入内部蓄热体9中进行热量交换，加热后的空气经出风管道5流入房间内加热室内空间以达到供暖目的；内保温层3为至少20mm厚的聚氨酯保温材料，所述外部框架1为发泡陶瓷材料，用于阻止热量向外界的流失，保证蓄热效果和保温性能。
上述实施例的一种谷电蓄热装配式墙体模块中，优选的，所述内部蓄热体9还包括壳体14、相变材料13和电阻丝15，所述的换热管12位于壳体14内腔中，并且换热管12的两端与壳体14连接，一端与出风通道连通，另一端与进风通道连通，所述换热管12为金属管；所述相变材料13充满壳体14内腔；所述电阻丝15均匀嵌在换热管12的管壁中。通过在内部蓄热体9中的金属管壁中嵌入电阻丝15，使其集加热和换热功能于一体，无需额外配置电加热装置，有效提升了蓄热体内部的存储密度，外壁的面加热方式降低了加热时的热流密度，减小了高温加热的风险，同时加热完成后会形成中间高四周低的温度分布，这更有利放热时空气在内部流动时与相变材料13的热量交换。进风管道4和出风管道5使用塑料材质的圆管，这有利于减少墙体的整体造价和重量。进风管道4、出风管道5与内部蓄热体9通过耐高温的橡胶软管连接，避免高温的电加热管损坏风道。所述换热管12由金属铜制成，呈行状整齐排列在蓄热体中央，电阻丝15呈双螺旋状均匀缠绕在单根换热管12的管壁中，由于铜管本身的导热性极高，使得电阻丝15发出的热量能有效传递到换热管12的外壁面上，将传统谷电蓄热装置中的线加热源变为面加热源，减小了热流密度，降低了蓄热过程中局部过热的风险。换热管12既是换热流体与相变材料13的换热媒介，也是蓄热过程中的加热元件，二合一的设计有效提高了蓄热体内的储热密度。
优选的，所述相变材料13为石蜡、膨胀石墨和碳纤维复合的复合相变材料13。
其中，通过调整膨胀石墨的质量占复合相变材料的比例，改变复合相变材料的各项性能。下面通过实验对本发明实施例的复合相变材料的性能进行测试：
本实验从低比例到材料所能吸收的最大比例，总共制备了膨胀石墨(EG)含量0％、2％、4％、6％、8％、10％、12％的样品。一般而言，膨胀石墨的添加比例越高复合材料的导热性能越好；但是膨胀石墨的添加比例越高也会导致复合材料的蓄热密度降低，因此需要综合考虑换热性能及蓄热密度。
如图5所示，不同质量分数EG/石蜡复合PCM有着不同的平均导热系数和误差区间，复合PCM的导热系数是随EG质量分数的增加而增大的，其中，12wt％的复合PCM导热系数为3.87W/(m·K)，相比纯石蜡[0.304W/(m·K)]增大了约12倍。同时发现，2wt％的复合PCM热导率相比纯石蜡提升不到一倍，而在EG质量分数达到4％时，复合PCM的导热系数会突增，而后随着其含量增加导热系数基本呈线性增长，原因是当EG含量大于等于4％时，复合PCM内部的EG逐渐形成了致密的网络结构，外部热量沿着这些骨架结构进行传导并快速传递到内部石蜡中。
同时，复合PCM的不同配比对其相变行为有着较大影响，而PCM的相变特征主要是通过相变温度和相变潜热这两个参数来反映。因此，本文利用差示扫描量热仪(DSC)对所制得的样品进行测试，以得到不同EG含量下复合PCM的相变温度和潜热，测试过程中设置氮气作为保护气，温升范围为20℃-100℃，温升速率为5℃/min，测试结果如下表1所示：
表1不同质量分数复合PCM的相变温度及潜热
Figure BDA0002693533690000071
可以看到，EG的添加对于复合PCM的相变温度并没有较大影响，总体都处在62℃上下。而复合PCM的相变潜热随着质量分数的增加而减小，显然是EG的添加减少了石蜡所占的份额，但即使减去EG所占部分的潜热，实际潜热值仍小于理论值，这可能是由于复合PCM内部形成的致密的网络结构限制了相变过程中石蜡的体积膨胀，进而限制了石蜡分子的热运动，使得潜热减少。
综合上述实验，EG/石蜡复合PCM的分散稳定性是随着EG含量的增加而逐渐提高的，EG的加入对于石蜡的导热性能有巨大的提升，但也是以牺牲相应的复合材料密度和相变潜热为代价。对于管壳式换热装置来说，一味的通过提高PCM的热性能来减小导热热阻，而不顾及管侧热阻，对于提升整体换热效率的作用不大。8wt％的复合PCM中EG将石蜡完全吸收，两者均匀分散，空隙率亦在可接受范围内，导热系数为3.0W/(m·K)，较纯石蜡提升了近10倍，且兼具一定的蓄热密度，综合考虑换热性能及蓄热密度后，选择质量分数为8％的复合PCM作为后续蓄热装置中的蓄热材料。
优选的，一种谷电蓄热装配式墙体模块还包括电动防火阀6，所述电动防火阀6安装在进风管道4的下部。火灾时当管道内烟气温度达到70度时，电动防火阀6会自动关闭，保证了墙体的隔烟阻火作用。
优选的，一种谷电蓄热装配式墙体模块还包括风阀7和轴流风机8，所述风阀7安装在出风管道5的下部，所述轴流风机8安装在出风管道5的上部。轴流风机8和风阀7为联动状态，轴流风机8安装方向为上吹下吸，用于抽取空气对房间进行供暖。空气由轴流风机8从房间抽取进入换热管12，通过换热管12后，再进入房间。
优选的，一种谷电蓄热装配式墙体模块还包括控制线路10和外部接口11，所述外部接口11位于外部框架1上；所述控制线路10通过外部接口11穿过内保温层3和外部框架1，与电阻丝15、轴流风机8和电动防火阀6连接；所述控制线路10用于控制墙体模块的运转。控制线路10控制换热管12中的电阻丝15在夜间谷时通电发热，加热蓄热材料的启停与加热功率；控制线路10控制轴流风机8在对房间进行供暖的启停和风量风速；控制线路10控制电动防火阀6的启停来保证电动防火阀6的使用，确保整体安全。
优选的，所述外部框架1底部还设有限位孔，所述墙体模块可通过限位柱2和限位孔组合拼接。墙体模块通过设置相适配的限位柱2和限位孔，保证了墙体模块之间可以进行拼接组合，形成装配式墙体。
一种谷电蓄热装配式墙体，包括钢材17、顶部出风口18、底座16和上述的墙体模块；安装时，上下拼接的墙体模块之间，所述进风管道4和出风管道5连通，底部墙体模块的进风管道4与底座16上的过滤孔连通，顶部墙体模块的出风管道5与顶部出风口18连通，墙体模块两侧通过螺栓与墙体内的钢材17固定。
其中，钢材17作为墙体的支撑骨架，在安装时按一定间距与墙体上下表面固定，然后在地面上砌筑水泥底座16，在底座16上距离地面一定高度处开孔，孔口设置过滤装置，作为整个谷电蓄热墙体的进风口，再将上述的蓄热墙体模块依次拼接直至顶部出风口18处，并用螺栓将堆叠的蓄热墙体模块牢牢固定在钢筋骨架上。
上述实施例的一种谷电蓄热装配式墙体模块的工作过程为：在安装完成后，各模块之间的进风管道4和出风管道5相连通，最上端模块的出风管道5与顶部出风口18连通，最下端模块的进风管道4与底座16的进风口连通；在冬季夜间用电低谷期时，各墙体模块中的蓄热体开始蓄热，首先电阻丝15通电，将电能转化为热量传递到换热管12上，管壁逐渐升温，并加热周围的相变材料13，使得相变材料13温度不断升高，管壁四周的相变材料13首先液化，吸收大量潜热，随后液固相变界面向四周发展，直到所有相变材料13全部相变，当壳体14附近的相变材料13加热到指定温度后，即可关闭电加热元件，此时蓄热过程完成。在蓄热过程中，进出风管道5中的风阀7始终处于关闭状态，防止加热过程中热量由风管向外界泄漏。而内部填充的低导热率聚氨酯保温材料及外部的轻混凝土框架都发挥了较强的阻热作用，有效提升了储热效率。到了白天用电高峰期或室内有供暖需求时，开启风阀7，轴流风机8开始工作，室内的冷空气由下部进风口被吸入内部蓄热体9中，空气在流过换热管12时，相变材料13中存储的热量经金属管壁导热再通过对流作用传递至空气中，使得出口空气温度高于室内温度，如此循环使得室内温度逐步升高，到达标准供暖温度，在此过程中相变材料13的潜热释放完毕后会逐渐凝固，当内部蓄热体9中的相变材料13整体温度降低至室温时，表明所述蓄热墙体模块放热完成，此时关闭轴流风机8，等待进入下一个蓄热过程。
与现有技术相比，采用本发明的一种谷电蓄热装配式墙体模块，通过将蓄热装置集成在隔墙中，实现了墙体的功能多元化，克服了传统蓄热供暖装置需占用一定室内空间的缺陷；同时墙体模块的尺寸大小可根据房间的面积和供暖需求来确定，然后直接由工厂车间加工完成，并运送到工地根据需要进行拼接装配，减少了传统隔墙施工过程中的难度和污染问题；并且采用的复合相变材料使电热转化利用率大大提高。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的优选实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.一种谷电蓄热装配式墙体模块，其特征在于，包括外部框架(1)、限位柱(2)、内保温层(3)、进风管道(4)、出风管道(5)和含有换热管(12)的内部蓄热体(9)；所述限位柱(2)位于外部框架(1)顶部；所述内保温层(3)设置在外部框架(1)的内壁上；所述出风管道(5)和进风管道(4)位于内部蓄热体(9)的两侧，并通过换热管(12)连通。
2.按照权利要求1所述的谷电蓄热装配式墙体模块，其特征在于，所述内部蓄热体(9)还包括壳体(14)、相变材料(13)和电阻丝(15)，所述的换热管(12)位于壳体内腔中，并且换热管的两端与壳体连接，一端与出风通道连通，另一端与进风通道连通，所述换热管为金属管；所述相变材料(13)充满壳体(14)内腔；所述电阻丝(15)均匀嵌在换热管(12)的管壁中。
3.按照权利要求2所述的谷电蓄热装配式墙体模块，其特征在于，所述相变材料(13)为石蜡、膨胀石墨和碳纤维复合的复合相变材料。
4.按照权利要求2所述的谷电蓄热装配式墙体模块，其特征在于，还包括电动防火阀(6)，所述电动防火阀(6)安装在进风管道(4)的下部。
5.按照权利要求4所述的谷电蓄热装配式墙体模块，其特征在于，还包括风阀(7)和轴流风机(8)，所述风阀(7)安装在出风管道(5)的下部，所述轴流风机(8)安装在出风管道(5)的上部。
6.按照权利要求5所述的谷电蓄热装配式墙体模块，其特征在于，还包括控制线路(10)和外部接口(11)，所述外部接口(11)位于外部框架(1)上；所述控制线路(10)通过外部接口(11)穿过内保温层(3)和外部框架(1)，与电阻丝(15)、轴流风机(8)和电动防火阀(6)连接；所述控制线路(10)用于控制墙体模块的运转。
7.按照权利要求1所述的谷电蓄热装配式墙体模块，其特征在于，所述外部框架底部还设有限位孔，所述墙体模块可通过限位柱(2)和限位孔组合拼接。
8.一种谷电蓄热装配式墙体，其特征在于，包括钢材(17)、顶部出风口(18)、底座(16)和权利要求1至7中所述的墙体模块；安装时，上下拼接的墙体模块之间，所述进风管道(4)和出风管道(5)连通，底部墙体模块的进风管道(4)与底座(16)上的过滤孔连通，顶部墙体模块的出风管道(5)与顶部出风口(18)连通，墙体模块两侧通过螺栓与墙体内的钢材(17)固定。
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