CN113915671A - 一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统及其控制方法 - Google Patents

一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，包括太阳能集热系统、地板采暖末端、风机盘管末端；所述太阳能集热系统包括热管式太阳能集热器，太阳能集热器昼间接收太阳辐射，对热管内部介质进行加热。所述地板采暖末端包括热管和相变材料层，相变材料层置于热管上方，用以储存与释放热管的热量。所述风机盘管末端包括热管和风机盘管，热管与风机盘管的加热盘管连接，通过风机给予客厅风力供暖，风机盘管可根据使用者需求自行开启或关闭；本发明解决现有太阳能供暖系统耗采暖效率低下、规模大、投资成本高、系统运行稳定性差的问题。

Description

一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统及其 控制方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及太阳能热利用及分时分区采暖，特别涉及一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统及其控制方法。
背景技术
太阳能供暖系统具有节能环保、运行费用低等优势，近年来得到了长足发展。但是，传统太阳能供暖系统具有夏季过热、冬季冻裂损害等问题，导致系统运行稳定性差、居民接受意愿低等系列问题。尤其是对于农村地区，售后保障条件落后、维修费用高，且由于农村建筑分散、集中式供暖系统不适用等，分散式太阳能供暖系统应用于农村地区时故障频发、稳定性不足。因此，亟待提出一种运行稳定可靠的太阳能供暖系统，为农村地区供暖提出方法与建议。
虽然近年来太阳能热风供暖系统由于耐冻耐高温，在村镇地区得到了广泛引用。但是，由于空气比热容小、导热系数低等问题，太阳能热风集热器系统效率偏低、系统规模较传统热水集热系统高，限制了太阳能热风系统的应用。
发明内容
为了解决现有太阳能供暖系统耗采暖效率低下、规模大、投资成本高、系统运行稳定性差的问题，本发明的目的在于提供一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统及其控制方法，即，白天将热量续存在楼板内，夜间放热，可有效将昼间热量转移至夜间；客厅利用风机盘管与热管相连接，可达到客厅快速升温与有效利用热管热量的目的。同时，先经过楼板，可有效平拟热管的出口温度波动，使得客厅出风温度稳定，从而提高舒适度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，包括太阳能集热系统、地板采暖末端以及风机盘管末端；
所述地板采暖末端布置于卧室，包括热管和相变材料层，所述相变材料层至少置于热管的冷凝端上方，用以储存与释放热管的热量；
所述风机盘管末端布置于客厅，包括风机盘管，所述风机盘管包括入风口、风机、出风口以及加热盘管，所述加热盘管布置于入风口和出风口之间的风路上，所述加热盘管与热管连接；
所述太阳能集热系统包括太阳能集热器，太阳能集热器昼间接收太阳辐射，对热管内部介质进行加热。
优选地，所述热管内部按功能划分包括依次连接的蒸发端、绝热端和冷凝端，所述蒸发端与绝热端置于卧室墙体内部，冷凝端置于卧室地面的垫层内，并在客厅墙体内延伸出并连接至加热盘管。
优选地，所述垫层内铺设若干并联的支管，各支管均作为冷凝端或冷凝端的一部分。
优选地，所述热管采用铜制管材，工质采用甲醇，主管管径为30mm，支管管径为25mm，相邻支管的间距为25～30cm，单根支管投影长度为2m，总管数为10根。
优选地，所述相变材料层采用高密度聚乙烯和石蜡有机酸组成的定性相变材料，厚度为10mm。
优选地，所述卧室的地板结构自上而下包括装饰面层、找平层、相变材料层、垫层、铝箔反射层、绝热层和楼板。
优选地，所述出风口的出风方向为倾斜向上。
优选地，所述入风口布置有滤网。
优选地，所述风机盘管采用立式明装风机盘管。
本发明还提供了所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统的控制方法，包括以下步骤：
当需要供暖时，打开太阳能集热器的遮挡板，太阳能集热器在昼间接收太阳辐射，将热量传递至热管；
热管内介质受热蒸发后在冷凝端受冷液化放热，对卧室给予持续供暖；
当热管运行时，相变材料层将多余热量储存，当夜间太阳能集热器无法接收太阳辐射，热管温度降低时，相变材料层将储存的热量向卧室释放，维持卧室夜间热环境；
当热管处于运行状态，温度趋于平稳之后，在需要为客厅供暖时，开启风机盘管，将热管内部温度送入客厅，达到分时分区差异化供暖的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明相比于传统太阳能供暖系统，采用的嵌入式热管太阳能供暖系统结合围护结构蓄热可以提升系统效率同时最大限度降低系统散热损失。
2.整个系统安全稳定，维护成本低。该系统省略了水体蓄热过程，系统流动介质多为甲醇、丙酮等，相比传统水介质，系统耐冻耐高温，稳定性高。
4.运行成本低廉；系统热传导以热管内部的压力差为动力，不需要附加外部动力，整个系统在运行阶段只有风机盘管装置需要消耗少量电力。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的卧室地板热管分布示意图。
图3是本发明的卧室地板施工做法示意图。
图4是本发明的热管与风机盘管的连接示意图。
图5是本发明的热管结构示意图。
图中符号代表：1—太阳能辐射板，2—热管，3—相变材料层，4—风机盘管，5—出风口，6—风机，7—入风口，8—加热盘管，9—滤网，10—卧室，11—客厅，12—装饰面层，13—找平层，14—垫层，15—铝箔反射层，16—绝热层，17—楼板，18—蒸发端，19—绝热端，20—冷凝端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
现有太阳能热风供暖系统因空气比热容小、导热系数低等原因，导致效率偏低，而热管是一种高效的传热元件，具有优越的传热性能，因此，热管式太阳能集热器相比传统太阳能集热器，具有系统效率高、耐冻耐高温等优势，适用于农村太阳能供暖。同时，若能结合围护结构蓄热，不仅可大幅提升采暖系统效率，同时提升了整个系统的耐冻性能；并且，我国西北部地区居民冬季具有显著的规律性活动轨迹，若能根据居民居家时期活动需求提供差异化供暖，则可进一步达到系统效率提升和系统规模降低双重目标。
基于上述思想，本发明提出了一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，包括太阳能集热系统、地板采暖末端以及风机盘管末端。
如图1、图2以及图5所示，地板采暖末端布置于卧室10，用于采用地暖方式为卧室10供暖，其包括热管2和相变材料层3，相变材料层3至少置于热管2的冷凝端20上方，以储存与释放热管2的热量。
如图1、图3以及图4所示，风机盘管末端则布置于客厅11，用于采用风暖方式为客厅11供暖，其包括风机盘管4，风机盘管4包括入风口8、风机6、出风口5以及加热盘管8，其中加热盘管8布置于入风口7和出风口5之间的风路上，加热盘管8与热管2连接，以其热量作为热源，通过风机6给予客厅11风力供暖。
如图1所示，太阳能集热系统包括太阳能集热器1，利用太阳能集热器1昼间接收太阳辐射，对热管2内部介质进行加热。示例地，太阳能集热器1可以根据使用者需要进行遮挡处理：夏季系统无需运行时，使用者可以增设盖板以关闭系统；冬季需要进行供暖时，将盖板去除，太阳能集热器1可以自行接收太阳辐射对热管2内部进行加热，使整个系统开始自动运行。
本发明的技术思路以及原理是：利用农村地区不同功能房间的昼夜差异化热需求，结合太阳能清洁易获取与热管的高导热性特点，形成卧室10地板采暖末端热管部分昼间放热、相变材料层3部分夜间放热的模式。客厅11风机盘管末端根据居住者活动需求进行采暖。
继续参考图1、图2以及图5，在本发明的一个具体实施例中，热管2内部按功能划分包括依次连接的蒸发端18、绝热端19和冷凝端20，蒸发端18与绝热端19置于卧室10墙体内部，冷凝端20置于客厅11的垫层14内，并在客厅11墙体内延伸出并连接至加热盘管8。
示例地，冬季地板层温度降低时，热管2内部介质在冷凝端20液化，太阳能集热器1白天接收太阳辐射对热管2进行加热，热管2内部冷凝端20介质受热蒸发至蒸发端18，蒸发端18的介质受到地板低温影响液化放热，由此不断循环直至室内温度达到系统停止运行的温度；系统运行时，相变材料层3的相变材料融化对热管2释放的热量进行吸收，当夜晚系统无法运行时，相变材料层3的相变材料通过凝固放出热量，从而达到冬季全时段对卧室10进行供暖的目的。
继续参考图3，在垫层14内铺设若干并联的支管，各支管均作为冷凝端20或冷凝端20的一部分，显然各支管均也是热管2的一部分。示例地，卧室10埋设的热管2采用并行排列，由卧室10墙内主管分支出10根支管，再汇合延伸至客厅11与风机盘管4相连接。在本发明的一个实施例中，热管2采用铜制管材，工质采用汽化甲醇，管壳连接过程中需要满足无缝要求，以保障其在使用过程中的承压稳定性。
热管2在墙内的主管管径为30mm，支管管径为25mm，相邻支管的间距为25～30cm，单根支管投影长度为2m，总管数为10根。考虑到结构可能为多层结构，因此在结构中并未标注防潮层，在实际应用中如有地面与土壤直接接触的情况时，需在结构中楼板17上方增设10mm防潮层；绝热层16采用50mm厚模塑聚苯乙烯泡沫；铝箔反射层15采用1mm铝箔反射膜，。反射膜可以将热管2与相变材料3放出的热量反射至室内，从而起到增快室内升温速度与保持室内温度的作用；垫层14采用100mm厚现浇混凝土，施工浇捣时，压实抹平即可；找平层13采用5mm厚的水泥砂浆找平，方便铺设装饰面层12。
在本发明的一个具体实施例中，相变材料层3采用高密度聚乙烯和石蜡有机酸组成的定性相变材料，高密度聚乙烯和石蜡质量比为2：8，厚度为10mm。
继续参考图2，在本发明的一个具体实施例中，卧室10的地板结构自上而下包括装饰面层12、找平层13、相变材料层3、垫层14、铝箔反射层15、绝热层16和楼板17。客厅11的地板结构自上而下依次为：装饰面层12、找平层13、垫层14、铝箔反射层15、绝热层16和楼板17。
继续参考图4，在本发明的一个具体实施例中，出风口5的出风方向为倾斜向上。并可在入风口7布置滤网9。示例地，本发明的风机盘管4可采用立式明装风机盘管。风机7运转过程中将空气经由入风口7进行过滤并向出风口5输送，在输送过程中通过滤网9对空气进行过滤，热管2与风机盘管4的加热盘管8连接，加热盘管8对过滤后的空气进行加热，加热后的空气由出风口5送出。整个风机盘管末端可以凭居住者生活习惯自行开启或关闭，例如：当居住者白天在客厅11活动时，可以打开风机盘管末端对客厅11进行供暖，当居住者夜晚在卧室10进行休息时，可以将风机盘管末端关闭，达到分时分区差异化供暖的目的。
本发明供暖系统的控制方法如下：
当冬季温度供暖时，打开太阳能集热器1的遮挡板，太阳能集热器1在白天接收太阳辐射，将热量传递至热管2；
热管2内部蒸发端18中介质受热达到一定温度时开始蒸发，气态介质到达冷凝端20时受冷液化放热，使热管2能够在冬季对卧室10给予持续供暖。
当热管2运行时，相变材料层3内部石蜡受热达到熔点开始液化，在这过程中可以将热管2多余的热量储存起来，当夜间太阳能集热器1无法接收太阳辐射，热管2温度降低时，相变材料层3可以通过内部石蜡固化将白天储存的热量向卧室10释放，维持卧室10夜间热环境。
当热管2处于运行状态，温度趋于平稳之后，居住者在客厅11活动时也可以自行开启风机盘管4，将热管2内部温度送入客厅11，达到分时分区差异化供暖的效果。

Claims (10)

1.一种组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，包括太阳能集热系统、地板采暖末端以及风机盘管末端；
所述地板采暖末端布置于卧室(10)，包括热管(2)和相变材料层(3)，所述相变材料层(3)至少置于热管(2)的冷凝端(20)上方，用以储存与释放热管(2)的热量；
所述风机盘管末端布置于客厅(11)，包括风机盘管(4)，所述风机盘管(4)包括入风口(7)、风机(6)、出风口(5)以及加热盘管(8)，所述加热盘管(8)布置于入风口(7)和出风口(5)之间的风路上，所述加热盘管(8)与热管(2)连接；
所述太阳能集热系统包括太阳能集热器(1)，太阳能集热器(1)昼间接收太阳辐射，对热管(2)内部介质进行加热。
2.根据权利要求1所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，所述热管(2)内部按功能划分包括依次连接的蒸发端(18)、绝热端(19)和冷凝端(20)，所述蒸发端(18)与绝热端(19)置于卧室(10)墙体内部，冷凝端(20)置于卧室(10)地面的垫层(14)内，并在客厅(11)墙体内延伸出连接至加热盘管(8)。
3.根据权利要求1或2所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，所述垫层(14)内铺设若干并联的支管，各支管均作为冷凝端(20)或冷凝端(20)的一部分。
4.根据权利要求3所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，所述热管(2)采用铜制管材，工质采用甲醇，主管管径为30mm，支管管径为25mm，相邻支管的间距为25～30cm，单根支管投影长度为2m，总管数为10根。
5.根据权利要求1所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，所述相变材料层(3)采用高密度聚乙烯和石蜡有机酸组成的定性相变材料，厚度为10mm。
6.根据权利要求1所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，所述卧室(10)的地板结构自上而下包括装饰面层(12)、找平层(13)、相变材料层(3)、垫层(14)、铝箔反射层(15)、绝热层(16)和楼板(17)。
7.根据权利要求1所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，所述出风口(5)的出风方向为倾斜向上。
8.根据权利要求1或7所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，所述入风口(7)布置有滤网(9)。
9.根据权利要求1所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统，其特征在于，所述风机盘管(4)采用立式明装风机盘管。
10.权利要求1所述组合式分时分区差异化嵌入式热管太阳能供暖系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
当需要供暖时，打开太阳能集热器(1)的遮挡板，太阳能集热器(1)在昼间接收太阳辐射，将热量传递至热管(2)；
热管(2)内介质受热蒸发后在冷凝端(20)受冷液化放热，对卧室(10)给予持续供暖；
当热管(2)运行时，相变材料层(3)将多余热量储存，当夜间太阳能集热器(1)无法接收太阳辐射，热管(2)温度降低时，相变材料层(3)将储存的热量向卧室(10)释放，维持卧室(10)夜间热环境；
当热管(2)处于运行状态，温度趋于平稳之后，在需要为客厅供暖时，开启风机盘管(4)，将热管(2)内部温度送入客厅(11)，达到分时分区差异化供暖的效果。
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