CN112944440A - 一种电加热续热供暖系统及其供暖方法 - Google Patents

一种电加热续热供暖系统及其供暖方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电加热续热供暖系统及其供暖方法，该供暖系统包括散热装置、蓄热装置、加热装置、温度传感器、处理器和电源。蓄热装置镶嵌设置于散热装置内；蓄热装置内填充有蓄热材料；加热装置贴合设置于蓄热装置的外壁上；电源通过开关与加热装置电性连接；处理器用于接收温度传感器检测到的温度值，并将检测的温度值与设定的温度阈值进行比对；当开关闭合，且检测的温度值与设定的温度阈值匹配时，蓄热材料开始发生相变蓄热，使检测的温度值维持恒定；当开关断开，且检测的温度值低于设定的温度阈值时，蓄热材料开始释放相变蓄热的热量。该系统采用电加热与相变式蓄热结合供暖，能够增加保温时间，实现低成本、安全方便的供暖。

Description

一种电加热续热供暖系统及其供暖方法
技术领域
本发明涉及蓄热涂层以及供暖设备技术领域，具体涉及一种电加热续热供暖系统及其供暖方法。
背景技术
随着科学技术的发展，世界上的煤、石油、天然气等不可再生能源越来越短缺。这时人们就急需一种操作简单，节省能源且价格低廉的供暖材料。
目前，市面上普遍采用集中式锅炉供暖，这种供暖方式虽然供暖效果及环境效益还不错。但集中式锅炉供暖是串联装置，供暖时间不能由用户灵活控制；另外有些房屋可能没有集中式供暖，壁挂锅炉会增加供暖危险性，而开空调会消耗高额的电能，电导热地砖铺设成本很高维修难度大。由此我们需要一种可独立控制、价格低廉、节能环保的采暖系统。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种电加热续热供暖系统及其供暖方法，该供暖系统主要采用电加热与相变式蓄热结合供暖，结构简单，使用方便，且能够增加保温时间，实现低成本、安全方便的供暖。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种电加热续热供暖系统，包括：
散热装置；
蓄热装置，镶嵌设置于所述散热装置内；所述蓄热装置内填充有蓄热材料；
加热装置，贴合设置于所述蓄热装置的外壁上，且与所述蓄热装置的两端固定连接；所述加热装置与所述蓄热装置折弯组合形成S型排列结构；
温度传感器，设置于所述S型排列结构的间隙内；
处理器，用于接收所述温度传感器检测到的温度值，并将检测的温度值与设定的温度阈值进行比对；
电源，所述电源通过开关与所述加热装置电性连接，所述电源分别与所述处理器、所述温度传感器电性连接；
当所述开关闭合，且所述温度传感器检测的温度值与设定的温度阈值匹配时，所述蓄热材料开始发生相变蓄热，使检测的温度值维持恒定；
当所述开关断开，且所述温度传感器检测的温度值低于设定的温度阈值时，所述蓄热材料开始释放相变蓄热的热量。
进一步，所述蓄热材料是由三十烷(石蜡)与EG(膨胀石墨)以质量比96：4混合而成；所述蓄热材料的相变潜热为251kJ/kg。
进一步，所述蓄热装置包括：
蓄热管，其材质为铝塑管，其两端均具有连通的开口；
2个铝塑管闷头，设置于所述蓄热管的两端开口上，用于对所述蓄热管的两端开口进行密封。
更进一步，所述加热装置包括加热导线，所述加热导线的两端分别与对应的铝塑管闷头固定连接。
进一步，所述散热装置包括：隔热底层、导热表层以及由所述隔热底层与所述导热表层组合形成的中间层；
所述中间层内填充有导热硅脂；所述蓄热装置与所述加热装置均镶嵌设置于所述导热硅脂内。
更进一步，所述隔热底层的材料为绝热耐潮岩棉板；所述导热表层的材料为碳基导热涂层；
所述碳基导热涂层向下延伸，并填充于所述S型排列结构的间隙内，且所述温度传感器设置于所述S型排列结构的间隙内填充的碳基导热涂层内。
更进一步，所述碳基导热涂层的导热系数为7.0W/(m.K)。
更进一步，所述导热表层的一侧向内凹陷，且与所述隔热底层组合形成夹层空腔，所述中间层设置于所述夹层空腔内。
本发明还提供一种基于上述电加热蓄热供暖系统的供暖方法，包括以下步骤：
闭合开关，使电源接通，加热装置开始工作，对散热装置进行加热，使散热装置逐渐升温，并对室内供暖；
处理器能够接收温度传感器检测到的温度值，并与设定的温度阈值进行比对，当温度传感器检测到的温度值达到设定的温度阈值时，加热装置对蓄热装置进行加热，使蓄热装置内的蓄热材料开始发生相变蓄热，吸收热量，并使检测到的温度值维持恒定；
之后，开关断开，当温度传感器检测到的温度值低于设定的温度阈值时，蓄热装置内的蓄热材料开始释放相变蓄热的热量，并持续对室内供暖。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的供暖系统主要采用电加热与相变式蓄热结合供暖，结构简单，使用方便，且能够增加保温时间，实现低成本、安全方便的供暖。该供暖系统通过低压电加热的方式供热，利用中间导热层(如导热硅脂和碳基导热涂层)促进热量的传递，并通过在蓄热管内封装蓄热材料实现高温热量的存储，防止导热层过热并延长保温时间。
2、本发明的加热导线的材质主要是铜丝，采用铜丝与铝塑管呈S型排列的结构，并利用铝塑管内封装的蓄热材料可实现对环境中的温度的有效调节，使该环境中的供暖时间大大延长，且加热时不会出现表层温度过高的情况，最终达到长时间供暖的目的，且能够使室内保持体感舒适温度。
3、本发明的供暖系统采用的材料相比壁挂炉式结构更加简单，且成本相对更低，且施工难度小，加工简便。
4、本发明的供暖系统中采用的蓄热材料主要是三十烷和EG的混合物，其中占蓄热材料的质量百分含量为4％的EG的作用是为了提高复合材料的导热系数，并提高导热性能。而三十烷的作用主要是在恒定的温度下(65.4℃)能够发生相变蓄热，在吸收大量热量的同时，保持表层的温度恒定，即使用手触碰也不会烫伤；并在电源关闭后，三十烷开始持续缓慢地向室内释放相变蓄热的热量，使表层温度在长时间内保持合适的温度，避免关电后温度急剧下降。
附图说明
图1为本发明实施例中散热装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的电加热续热供暖系统的结构示意图。
图3为本发明实施例的电加热续热供暖系统的工作管路连接图。
图4为本发明实施例中西安市的电压与完成加热任务所需时间的关系图以及电压与室温维持20℃每小时需要的电量的关系图。
图5本发明实施例中福建市的电压与完成加热任务所需时间的关系图以及电压与室温维持20℃每小时需要的电量的关系图。
图中：1、散热装置；11、隔热底层；12、导热表层；13、中间层；14、导热硅脂；2、蓄热装置；21、蓄热管；22、铝塑管闷头；23、蓄热材料；3、加热装置；31、加热导线；4、温度传感器；5、处理器；6、电源；7、开关。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，为本发明实施例提供的一种电加热续热供暖系统的结构示意图。该电加热续热供暖系统，包括：散热装置1、蓄热装置2、加热装置3、温度传感器4、处理器5和电源6。
请参阅图1至图2，散热装置1包括：隔热底层11、导热表层12以及由隔热底层11与导热表层12组合形成的中间层13；其中，隔热底层11的材料为绝热耐潮岩棉板；导热表层12的材料为碳基导热涂层；碳基导热涂层的导热系数为7.0W/(m.K)。中间层13内填充有导热硅脂14；蓄热装置2与加热装置3均镶嵌设置于导热硅脂14内。
本实施方式中，散热装置1的底层是由绝热耐潮岩棉板组成，其作用是防潮、隔热；例如，岩棉板的尺寸可以为1200*1500mm。表层是由碳基导热涂层的夹层结构。例如，导热表层12的一侧向内凹陷，且与隔热底层11组合形成夹层空腔，中间层13设置于夹层空腔内。夹层空腔中的导热硅脂与表层的碳基导热涂层主要是起到热传递的作用，一方面可以吸收加热导线传递的热量，并使热量更加均匀地分布，并向室内发生热对流与热辐射，使室内温度能够开始升温，另一方面还能够吸收蓄热材料释放的相变蓄热的热量，从而可以使表层长时间保持合适的温度，避免关电后温度急剧下降。
蓄热装置2镶嵌设置于散热装置1内；蓄热装置2内填充有蓄热材料23；蓄热材料23是由三十烷与EG以质量比96：4混合而成；蓄热材料的相变潜热为251kJ/kg。在此，铝塑管内三十烷的质量分数为96％，熔点为65.4℃，此时复合材料的相变潜热为251kJ/kg。具体地，蓄热装置2包括：蓄热管21和2个铝塑管闷头22。蓄热管21的材质为铝塑管，且其两端均具有连通的开口；2个铝塑管闷头22设置于蓄热管21的两端开口上，用于对蓄热管21的两端开口进行密封。例如，铝塑管闷头的外壁为金属材质，铝塑管闷头与铝塑管螺纹连接，使蓄热材料封装在铝塑管内。在此，铝塑管的尺寸可以为25*2.5mm。
加热装置3贴合设置于蓄热装置2的外壁上，且与蓄热装置2的两端固定连接；加热装置3与蓄热装置2折弯组合形成S型排列结构；加热装置3包括加热导线31，加热导线31的两端分别与对应的铝塑管闷头22固定连接。本实施方式中，加热导线主要是提供电加热的热量，例如，加热导线可以为铜丝。当然，铝塑管与导热铜丝可以由环保材料PET材质的耐高温胶带固定在底层岩棉板上。中间层主要是依靠温度传感器和蓄热材料控制温度，并传递热量，具体线路图请见图2和图3。
温度传感器4设置于S型排列结构的间隙内；例如，碳基导热涂层向下延伸，并填充于S型排列结构的间隙内，且温度传感器4设置于S型排列结构的间隙内填充的碳基导热涂层内。
请参阅图2和图3，该供暖系统还包括处理器5和电源6，处理器5用于接收温度传感器4检测到的温度值，并将检测的温度值与设定的温度阈值进行比对；电源6通过开关7与加热装置3电性连接，电源6分别与处理器5、温度传感器4电性连接。使用时，当开关7闭合，且温度传感器4检测的温度值与设定的温度阈值匹配时，蓄热材料23开始发生相变蓄热，使检测的温度值维持恒定；当开关7断开，且温度传感器4检测的温度值低于设定的温度阈值时，蓄热材料23开始释放相变蓄热的热量。
本实施方式中，夹层空腔中铝塑管内主要采用三十烷与EG的混合物作为复合材料，其中EG的存在有效的提高了复合材料的导热性能。该产品运用低压电源对该材料进行加热蓄热，在初始加热阶段，蓄热材料不工作，可以迅速使房间温度升高，实现快速加热；当铝塑管内温度达到65.4℃后继续加热时，三十烷在恒定的温度下开始相变蓄热，此时会吸收大量的热量并保持涂层温度不能继续升高。涂层表面的最高温度65.4℃，即使用手触碰也不会烫伤；当蓄电池停止工作时，石蜡开始缓慢向室内释放相变蓄热的热量，可以让涂层长时间保持合适的温度，避免关电后温度急剧下降。另外，占三十烷与EG复合材料质量分数4％的EG的作用是为了提高复合材料的导热系数，提高导热性能。
为了涂层中的热量更加均匀的分布，蓄热材料中间层中导热铜丝紧贴于铝塑管，S型排列的铝塑管中间用导热硅脂填充。热传递有热传导、热对流、热辐射三种基本方式，其中，热传导存在于中间层的各物质之间，其发热丝铜丝与导热介质导热硅脂可以将热量均匀的分布于中间层，热对流与热辐射存在于电加热蓄热保温涂层与房间的空气中，热交换较快，可以使房间温度快速升温。
本发明实施例还提供一种基于上述电加热蓄热供暖系统的供暖方法，包括以下步骤：
闭合开关7，使电源6接通，加热装置3开始工作，通过加热导线对散热装置1上的导热硅脂和碳基导热涂层进行加热，使散热装置1上的导热硅脂和碳基导热涂层逐渐升温，并对室内供暖；
处理器5能够接收温度传感器4检测到的温度值，并与设定的温度阈值进行比对，当温度传感器4检测到的温度值达到设定的温度阈值65.4℃时，加热装置3对蓄热装置2进行加热，使蓄热装置2内的蓄热材料23开始发生相变蓄热，吸收热量，并使检测到的温度值维持恒定在65.4℃；
之后，开关7断开，当温度传感器4检测到的温度值低于设定的温度阈值65.4℃时，蓄热装置2内的蓄热材料23开始释放相变蓄热的热量，并持续对室内供暖。
为了更好的说明本发明实施例的效果，在此将一个供热面积为45m2，窗户为0.8×1m，门为1.5×2m的西安市与福建市某公寓楼单元户，在室外最低平均温度(西安市与福建市最低平均温度分别为0℃与6.8℃)的情况下保持室内温度20℃为例进行说明。具体的热量计算如下：
1、完成供暖任务所需热负荷Q1计算如下：
房间的基本耗热量Q01＝αFK(tn-twn)，其中，α为房间结构温差修正系数，取1；F为房间的面积，取45m2；K为房间的传热系数(W/m2﹒℃)，取0.93W/m2﹒℃；tn为冬季室内计算温度(℃)，取20℃；twn为采暖室外计算温度(℃)，(西安与福建分别取0℃与6.8℃。计算可得西安市与福建市Q01分别为837.00W和552.42W。
房间的外门附加量Q02＝65％×n×Q01，其中，n为房间内门的数量，取1。计算可得西安市与福建市Q02分别为544.05W和359.07W。
加热由门窗缝隙渗入室内冷空气的耗热量Q03，
Q03＝0.28cpρwn L(tn-twn)，cp为空气的定压比热容，cp＝1kJ/(kg﹒℃)；ρwn为采暖室外计算温度下的空气密度(kg/m3)，约为1.29kg/m3；L为渗透冷空气量(m3/h)。取0.015m3/h，计算可得西安市与福建市Q03分别为0.1159W和0.0596W。
故房间的热负荷Q＝Q01+Q02+Q03计算可得西安市与福建市Q分别为1381.17W和911.55W。
故不考虑门消耗时房间的热负荷Q＝Q01+Q03，西安市与福建市分别为837.12W和552.48W。
2、蓄热涂层中蓄热量传递计算
(1)蓄热涂层中石蜡(三十烷)质量m计算
由固体石蜡密度为0.775g/cm3，液体石蜡密度为0.806g/cm3，石蜡由固体向液体转化的过程中密度增大，由ρ＝m/V可知体积减小，故从体积余量来看，石蜡相变也不会溢出铝塑管。
1米铝塑管中所含三十烷质量：m0＝ρ·V，25℃时三十烷ρ为0.775g/ml，v＝π×(0.02/2)^2×1＝0.000314m3(铝塑管尺寸25*2.5mm)
m0＝0.775×10^6×0.000314×96％＝233.62g
不考虑铝塑管弯曲部分长度，铝塑管长35m，则管内石蜡的质量m＝233.62*35＝8176.70g
(2)蓄热涂层工作中热量传递计算
1)加热阶段达到供热要求所需热量Q1(其中西安室温0℃和福建室温
6.8℃)
当从室温逐渐升高到20℃的时，所需要吸收的热量：Q11＝c﹒m﹒ΔT；c为空气的比热容，取1.005kJ/(kg﹒K)；Δt为空气的温度变化量(℃)；m为供热面积内空气的质量(空气体积20.25m3)；m＝(V/Vm)﹒M＝26.22kg；计算可得西安市与福建市Q11分别为527.02kJ和347.83kJ
石蜡(三十烷)从室温逐渐升高到65.4℃时需吸收热量：Q12＝c﹒m﹒ΔT；c为石蜡的比热容，取3.2kJ/(kg﹒K)；m为石蜡的质量8176.70g；Δt为石蜡的温度变化量(℃)；计算可得Q12＝1711.22kJ
已知石蜡在熔点约为65.4℃时由固体到液体转化的熔解热为251kJ/kg；故8176.70g石蜡熔解热Q13＝2052.35kJ
故西安市与福建市所需热量Q1＝Q11+Q12+Q13，分别为4290.59kJ和3869.39kJ。
2)平衡阶段
由上述热负荷计算可知，若室内温度维持20℃，西安市与福建市分别需要热负荷1381.17W和911.55W，若夜间不考虑门的热量消耗，则室内温度维持20℃西安市与福建市需要热负荷分别为837.12W和552.48W。
3)停止加热阶段
当石蜡(三十烷)温度由65.4℃降低到64℃时，向室内散发热量Q21
Q21＝Q13(石蜡的熔解热)+c﹒m﹒ΔT
＝2052.35kJ+3.2×8176.70×1J＝2078.52kJ
当石蜡温度由65.4℃降低到20℃时，向室内散发热量Q22
Q22＝Q13(石蜡的熔解热)+c﹒m﹒ΔT＝3240.26kJ
石蜡温度由65.4℃降低到20℃时，西安市与福建市向室内散发的热量Q22可维持室温在20℃(热负荷分别为为1381.17W和911.55W)时间分别为39.10min和59.24min。
石蜡温度由65.4℃降低到20℃时，西安市与福建市向室内散发的热量Q22可维持室温在20℃(不考虑门负荷，热负荷分别为837.12W和552.48W)时间为64.51min和97.75min。
即福建市比西安市维持室温时间更长。
3、蓄热涂层中电压及用电量的确定
由电路中的电阻计算公式R＝ρ﹒L/S；其中，ρ为铜丝电阻率(0.017Ωmm2/m)；L为铜丝长度(m)；该涂层铜丝用量为70m；S为铜丝的截面积(mm2)，铜丝直径为1.5mm；计算可得电阻R＝0.1684Ω。
由P＝U2/R,其中P为该电路所需要的功率(W)；U为蓄电池电压(V)；R为电路中的电阻(Ω)。即若将室温维持在20℃(不考虑门负荷西安市与福建市热负荷分别为837.12W和552.48W)，需要最低电压U分别为11.87V和9.65V。电压与完成加热任务所需时间关系图和电压与室温维持20℃每小时需要的电量关系图，请见图4和图5，其中，图4为西安市的关系图，图5为福建市的关系图。
考虑到室温升温时间与节能，西安市的蓄热涂层采用24V的电压，开关为两档，一档为12V二档为24V。在加热阶段采用24V的电压供热，21min即可达到供热要求，耗电量为1.2度，当温度达到供热要求后一档供热。该情况下室温维持20℃时(不考虑门负荷)每小时耗电量仅0.86度。福建市的蓄热涂层采用18V的电压，33.53min可达到供热要求，耗电量为1.07度，开关为三档，一档为6V二档为12V三档18V。在加热阶段采用18V的电压供热，34min即可达到供热要求，当温度达到供热要求后二档供热。该情况下室温维持20℃时(不考虑门负荷)每小时耗电量仅0.86度。
只在上述铝塑管中石蜡(三十烷)与EG的复合材料的相变热作为热源不能很好的进行传热不能起到保暖的作用。因此，中间层还采用了其导热系数为401W/(m.K)的铜丝，及导热系数为7.0W/(m.K)的导热硅脂。即是说，在石蜡与EG的复合材料相变过程中，铜丝及导热硅胶会使得热量更加均匀的分布。
外层采用导热系数较高的碳基导热涂层，经久耐用，节能环保，可以使蓄热保温材料与空气之间进行很好的热交换，实现高效的热量存储及释放，更好地对室内供热。
该种蓄热保温材料储热方式简单，使用前，只需打开电加热开关用少量电能将涂层加热。利用电能给房间和涂层供热，当涂层温度达到65.4℃以上时，蓄热管中的复合相变蓄热材料开始蓄热，保证涂层温度不能过高，保证安全性。当停止供电时，复合相变蓄热材料中存储热量不断放出并缓慢给室内供热，这样使供暖时间更长让人们可以一直处于舒适区。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电加热续热供暖系统，其特征在于，包括：
散热装置(1)；
蓄热装置(2)，镶嵌设置于所述散热装置(1)内；所述蓄热装置(2)内填充有蓄热材料(23)；
加热装置(3)，贴合设置于所述蓄热装置(2)的外壁上，且与所述蓄热装置(2)的两端固定连接；所述加热装置(3)与所述蓄热装置(2)折弯组合形成S型排列结构；
温度传感器(4)，设置于所述S型排列结构的间隙内；
处理器(5)，用于接收所述温度传感器(4)检测到的温度值，并将检测的温度值与设定的温度阈值进行比对；
电源(6)，所述电源(6)通过开关(7)与所述加热装置(3)电性连接，所述电源(6)分别与所述处理器(5)、所述温度传感器(4)电性连接；
当所述开关(7)闭合，且所述温度传感器(4)检测的温度值与设定的温度阈值匹配时，所述蓄热材料(23)开始发生相变蓄热，使检测的温度值维持恒定；
当所述开关(7)断开，且所述温度传感器(4)检测的温度值低于设定的温度阈值时，所述蓄热材料(23)开始释放相变蓄热的热量。
2.根据权利要求1所述的电加热续热供暖系统，其特征在于，所述蓄热材料(23)是由三十烷与EG以质量比96：4混合而成；所述蓄热材料的相变潜热为251kJ/kg。
3.根据权利要求1所述的电加热续热供暖系统，其特征在于，所述蓄热装置(2)包括：
蓄热管(21)，其材质为铝塑管，其两端均具有连通的开口；
2个铝塑管闷头(22)，设置于所述蓄热管(21)的两端开口上，用于对所述蓄热管(21)的两端开口进行密封。
4.根据权利要求3所述的电加热续热供暖系统，其特征在于，所述加热装置(3)包括加热导线(31)，所述加热导线(31)的两端分别与对应的铝塑管闷头(22)固定连接。
5.根据权利要求1所述的电加热续热供暖系统，其特征在于，所述散热装置(1)包括：隔热底层(11)、导热表层(12)以及由所述隔热底层(11)与所述导热表层(12)组合形成的中间层(13)；
所述中间层(13)内填充有导热硅脂(14)；所述蓄热装置(2)与所述加热装置(3)均镶嵌设置于所述导热硅脂(14)内。
6.根据权利要求5所述的电加热续热供暖系统，其特征在于，所述隔热底层(11)的材料为绝热耐潮岩棉板；所述导热表层(12)的材料为碳基导热涂层；
所述碳基导热涂层向下延伸，并填充于所述S型排列结构的间隙内，且所述温度传感器(4)设置于所述S型排列结构的间隙内填充的碳基导热涂层内。
7.根据权利要求6所述的电加热续热供暖系统，其特征在于，所述碳基导热涂层的导热系数为7.0W/(m.K)。
8.根据权利要求5所述的电加热续热供暖系统，其特征在于，所述导热表层(12)的一侧向内凹陷，且与所述隔热底层(11)组合形成夹层空腔，所述中间层(13)设置于所述夹层空腔内。
9.一种基于权利要求1所述的电加热蓄热供暖系统的供暖方法，其特征在于，包括以下步骤：
闭合开关(7)，使电源(6)接通，加热装置(3)开始工作，对散热装置(1)进行加热，使散热装置(1)逐渐升温，并对室内供暖；
处理器(5)能够接收温度传感器(4)检测到的温度值，并与设定的温度阈值进行比对，当温度传感器(4)检测到的温度值达到设定的温度阈值时，加热装置(3)对蓄热装置(2)进行加热，使蓄热装置(2)内的蓄热材料(23)开始发生相变蓄热，吸收热量，并使检测到的温度值维持恒定；
之后，开关(7)断开，当温度传感器(4)检测到的温度值低于设定的温度阈值时，蓄热装置(2)内的蓄热材料(23)开始释放相变蓄热的热量，并持续对室内供暖。
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