CN117073051A - 复合式太阳能相变蓄热供暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了复合式太阳能相变蓄热供暖系统，太阳能集热器与高温相变蓄热箱通过板式换热器实现热量传递，高温相变蓄热箱的输出端连接至低温相变蓄热箱的输入端，低温相变蓄热箱的出水端直接与供暖末端相连；供暖末端回水通过温控分水器分别流入低温相变蓄热箱回水端和高温相变蓄热箱回水端；低温相变蓄热箱接有辅助热源，当低温相变蓄热箱出水温度不满足要求时辅助热源启动；通过复合式太阳能供暖系统实现太阳能和辅助热源互补供热，提升供暖系统稳定性；将太阳能供暖系统与相变蓄热箱的结合不仅可以凭借相变材料蓄热量大、温度稳定的特点延长供热时间，还可以起到调峰的作用，有效降低供暖成本。
Description
技术领域
本发明属于太阳能供暖、蓄热换热技术领域，涉及复合式太阳能相变蓄热供暖系统。
背景技术
近代以来，随着人口增长以及工业化的发展，我国能源消费持续增长，已逐渐成为全球第一消耗大国，且对于能源的需求仍在不断增大，其中供热能耗占了很大一部分。而现阶段我国的能源结构仍然是以化石能源为主，在低碳化成为全球共识的背景下，如何完成能源转型是一个重要的问题；太阳能、风能、潮汐能等新型可再生、清洁能源的开发和利用逐渐引起专家和学者的关注；其中太阳能因其分布均匀、清洁等特点而被公认为重要的可再生能源。据统计，我国的太阳能资源极为丰富，太阳能年辐射总量大于4200MJ/m2的地区占国土面积的76％，优于大部分欧洲国家；太阳能的开发和利用对我国建筑领域的节能减排具有重要意义，其应用范围非常广泛，从利用角度来看可以分为光伏发电和光热利用两种；而太阳能供暖系统作为一种广为人知的太阳能热应用形式，已经是成熟的技术；但它的市场渗透率和公众接受度较低，太阳能的不稳定性阻碍了它的推广和应用；专利CN113983536A公开了一种太阳能供暖系统及方法，该发明中太阳能集热器将储热介质升温后直接供给到散热器中，再由散热器扩散热量，对室内环境进行供热，有效减少了热量消耗；但该发明无法解决太阳能供暖系统供热不稳定、时间上间歇性的问题；将太阳能供暖系统和相变蓄热技术相结合，凭借相变材料蓄热量大、温度稳定的特点可以有效解决太阳能供暖不稳定的问题；太阳能与相变蓄热结合进行供暖在供热系统中已得到了越来越多的应用，也有大量学者进行研究；专利CN104595966A公开了一种太阳能相变蓄热采暖系统，利用相变蓄热模块对太阳能集热器收集的热量进行储存，凭借相变蓄热模块的蓄热特性完成多种供暖模式；但现行的相变蓄热装置多采用管壳将相变材料封装，技术复杂，换热效率低，经常不能满足要求；专利CN103062828A公开了一种闭式平板相变蓄热箱供热系统，该发明在蓄热箱内布置若干相变蓄热板，换热工质通过导流槽进入蓄热箱与相变材料换热，解决的是现有蓄热箱结构复杂、不可灵活拆卸，不能根据供热温度不同增减相变板的问题；该系统中的蓄热箱的相变板安装位置相对固定，不能与时俱进的满足日益变化的工程实际需要。
发明内容
本发明的目的是提供复合式太阳能相变蓄热供暖系统，解决了现有相变蓄热系统拆卸困难、换热效率低的问题。
本发明所采用的技术方案是，复合式太阳能相变蓄热供暖系统，包括依次连接的太阳能集热器、板式换热器、第一蓄热箱、第二蓄热箱和供暖末端；
且太阳能集热器与板式换热器、板式换热器与第一蓄热箱、第一蓄热箱与第二蓄热箱和第二蓄热箱与供暖末端之间分别连有循环水系统，太阳能集热器的出口处设有温度感应器，第一蓄热箱的出口设有温度感应器A，供暖末端回水端分别连接第二蓄热箱的回水端和第一蓄热箱的回水端，所述第二蓄热箱一侧通过循环水系统还连接有辅助热源，第一蓄热箱为高温相变蓄热箱，第二蓄热箱为低温相变蓄热箱。
本发明的特点还在于：
其中太阳能集热器的输出端连接板式换热器的输入端，板式换热器的输出端连接第一蓄热箱的输入端，第一蓄热箱的输出端连接第二蓄热箱的输入端，第二蓄热箱的输出端连接供暖末端，辅助热源、第一蓄热箱和第二蓄热箱之间为并联，辅助热源的输出端与第二蓄热箱连接。
其中太阳能集热器与板式换热器、板式换热器与第一蓄热箱、辅助热源与第二蓄热箱之间的循环水系统包括分别设置于板式换热器和第一蓄热箱输入端和回水端的阀门和循环水泵；
第一蓄热箱与第二蓄热箱、第二蓄热箱与供暖末端之间的循环水系统包括设置于第二蓄热箱输入端和供暖末端输入端的阀门；
第一蓄热箱回水端连接分水器，第一蓄热箱与分水器之间依次设有循环水泵和阀门，分水器另一端分别连接第二蓄热箱和供暖末端的回水端，分水器与供暖末端的回水端之间设有阀门，分水器与第二蓄热箱之间设有循环水泵；
其中供暖末端输入端处的阀门与第二蓄热箱之间、分水器与供暖末端的回水端处的阀门之间以及第二蓄热箱与供暖末端输入端阀门之间均设有温度感应器；
其中第一蓄热箱包括板式相变蓄热箱，具体包括蓄热箱主体，蓄热箱主体内均匀设有多个相变板，蓄热箱主体一侧面设有高温热水注水口和泄水口，蓄热箱主体与高温热水注水口相对的侧面设有供暖热水出水口和供暖热水回水口，蓄热箱主体还设有盖体；
其中蓄热箱主体外侧包覆有保温层；
其中蓄热箱主体内位于前面板和后面板上铺设有卡槽板，多个相变板均匀分布于前面板和后面板上的卡槽板上，多个相变板之间呈180°错位排列；
相变板为方形薄板，内部填充有相变蓄热材料层，相变板的厚度为1～1000mm，且相邻两个相变板距离为20～1000mm；
其中第二蓄热箱包括管式相变蓄热箱，管式相变蓄热箱包括柱状蓄热箱主体A，蓄热箱主体A一侧设有高温热水注水口A和泄水口A，蓄热箱主体A另一侧设有供暖热水出水口A和供暖热水回水口A，蓄热箱主体A顶部为开口，开口处嵌有盖板，蓄热箱主体A内架设有与蓄热箱主体A底部平行的卡槽板A，卡槽板A上均匀开设有若干圆孔，圆孔内嵌有与蓄热箱主体A中心轴平行的管式容器；
其中蓄热箱主体A外侧包覆有保温层A；
其中第一蓄热箱包括管式相变蓄热箱，第二蓄热箱包括板式相变蓄热箱。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用相变蓄热材料进行蓄热，相变材料蓄热量大、温度稳定、热效率高、易与运行系统匹配、易于控制，解决高温热水供热量不稳的缺点，延长蓄热水箱供热时间，维持稳定的供热温度；采用板式相变蓄热箱，将相变板呈180°错位排列，插入两侧卡槽，使水体呈“Z”状流道，流体工质与多级相变板换热，增加了工质与相变材料的换热面积，提高了换热效率和蓄热时间；可以根据蓄热量需求，以及高温流体工质的温度，灵活拆卸相变板，改变各相变板之间的距离，优化储热效果；
(2)本发明采用板式相变蓄热箱及管式相变蓄热箱，可大大缩小蓄热水箱的体积，减少占地面积，给设备安装及场地要求带来了极大的便利，更方便用户使用或转移安装地点；本发明的相变板及管式容器可以灵活拆卸，可以随着供热量的需求而增减数量，或根据供热温度的不同而选择相应相变材料；
(3)本发明可采用多种热源作为辅助热源，补充了太阳能供暖系统供热不稳定的局限性；
(4)本发明采用高温相变蓄热箱和低温相变蓄热箱相结合的方式，更大限度的提高了太阳能的利用率，且可以有效防止集热器过热的问题。
附图说明
图1是本发明的复合式太阳能相变蓄热供暖系统结构示意图；
图2是本发明的复合式太阳能相变蓄热供暖系统中板式相变蓄热箱平面结构示意图；
图3是本发明的复合式太阳能相变蓄热供暖系统中管式相变蓄热箱平面结构示意图。
图中，1.太阳能集热器，201，温度感应器，202.温度感应器A，203.温度感应器B，3.板式换热器，4.板式相变蓄热箱，401，盖体，402.蓄热箱主体，403.卡槽板，404.相变板，405.保温层，406.高温热水注水口，407.供暖热水出水口，408.供暖热水回水口，409.泄水口，5.辅助热源，6.管式相变蓄热器，601.盖板，602.卡槽板A，603.蓄热箱主体A，604.管式容器，605.保温层A，606.高温热水注水口A，607.供暖热水出水口A，608.供暖热水出水口A，609.泄水口A，7.供暖末端，8.分水器，901.循环水泵，902.循环水泵A，903.循环水泵B，9004.循环水C泵，905.循环水泵D。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了复合式太阳能相变蓄热供暖系统，如图1所示，具体包括太阳能集热器1、板式换热器3、高温相变蓄热箱4、辅助热源5、低温相变蓄热箱6、供暖末端7、分水器8、太阳能集热器出口温度感应器201、低温相变蓄热箱出口温度感应器202、高温蓄热箱出口温度感应器203、若干循环水泵和管道若干；涉及太阳能供暖、相变蓄热技术。
实施例1
复合式太阳能相变蓄热供暖系统，具体为：太阳能集热器1的输出端连接板式换热器3的输入端，回水通过循环水泵901完成循环；循环水泵的启停由位于太阳能集热器1出口的温度感应器21与高温相变蓄热箱4出口的温度感应器A203联合差分控制；
板式换热器3的输出端连接高温相变蓄热箱4，高温相变蓄热箱4的输出端连接低温相变蓄热箱6的输入端，低温相变蓄热箱6的输出端连接供暖末端7；供暖末端回水通过分水器8分别流入低温相变蓄热箱回水端和高温相变蓄热箱回水端；
低温相变蓄热箱6还与辅助热源5连接，辅助热源5与高温相变蓄热箱4为并联；辅助热源5的输出端与低温相变蓄热箱6连接，回水通过循环泵904流入辅助热源输入端。
实施例2
复合式太阳能相变蓄热供暖系统中高温相变蓄热箱4及低温相变蓄热箱6由蓄热水箱主体、相变单元及附属构建组成；其种类包括板式相变蓄热箱和管式相变蓄热箱，两种结构的蓄热箱均可以作为高温相变蓄热箱或者低温相变蓄热箱进行使用；本发明以板式相变蓄热箱为高温相变蓄热箱4和低温相变蓄热箱6为管式相变蓄热箱为例：
如图2所示，板式相变蓄热箱包括盖板401、蓄热箱主体402、卡槽板43、相变板404、保温层405、高温热水注水口406、供暖热水出水口407、供暖热水回水口408和泄水口409；板式相变蓄热箱主体402内部安装有两片卡槽板403、卡槽板上固定相变板44，板式相变蓄热箱主体402外部有保温层405，相变板404形状为方形薄板，侧面可为光滑平面或波纹平面；内部装有相变蓄热材料，相变材料可根据需要选用相变温度为0～100℃的相变材料，相变板厚度可在1～1000mm之间，以传热性能优，板内相变材料可完全发生相变反应为标准；卡槽板403可设置若干卡槽，用于将相变板404固定于蓄热箱主体402内部，卡槽宽度与相变板404厚度相匹配，相变板可根据需求灵活拆卸；相变板404固定于卡槽板403的布置方式为呈180°错位排列，流体工质呈“Z”形流道，两块相变板之间的距离可在20～1000mm之间；
如图3所示，管式相变蓄热箱包括柱状蓄热箱主体A603；蓄热箱主体A603为底部封闭、顶部开口的蓄热水箱；蓄热箱主体A603顶部开口处设置有盖板601；蓄热水箱主体A603内部安装有多根管式容器604；管式容器604顶部开口、底部密封；所述管式容器顶部开口处设有盖子；蓄热水箱主体A603具有连接高温热水注水管A606的一端；蓄热水箱主体A603还具有连接热水供水管的一端；进一步地，蓄热水箱主体A603内部还设置有用于固定多根管式容器604的卡槽板A602，卡槽板A602的直径与蓄热水箱主体63横截面内径相适应；卡槽板A62上设置有与管式容器604截面外径相同尺寸的开孔，开孔用于将管式容器604插入并固定于蓄热水箱内部；卡槽板A602用于固定管式容器604于蓄热水箱内，管式容器604可根据实际所需蓄热量灵活布置或拆卸；进一步地，蓄热水箱主体A603还具有连接回水管的一端；高温热水注水管及回水管布置于卡槽板以下，各水管均安装阀门调节流量。进一步地，蓄热水箱主体A603还具有连接泄水管的一端；进一步地，蓄热水箱主体外壁设置有保温层A605；进一步地，盖板601与蓄热水箱主体顶部开口为可拆卸连接或者活动连接；进一步地，管式容器的材质为金属管式容器，可根据实际所需蓄热量灵活布置或拆卸；管式容器内装有相变蓄热材料，可根据需要采用相变温度约等于供热水温度的相变材辅助热源5的运行方式为，当低温相变蓄热箱6的温度小于供暖温度时启动辅助热源5，循环水泵904的启停与辅助热源一致；当低温相变蓄热箱6的温度大于或等于供暖温度时，辅助热源5停止运行；
辅助热源5包括但不限于空气源热泵、地源热泵、水源热泵、燃气锅炉、电锅炉等热源，辅助热源与低温相变蓄热箱6相连，作用为在特定条件下加热低温相变蓄热箱；分水器8具有一个输入端，连接供暖末端7回水；两个输出端分别连接低温相变蓄热箱6和高温相变蓄热箱；输出端流量大小并非固定不变，而是根据回水及两个水箱的温度与设定温度的比值变化的；太阳能集热器与高温相变蓄热箱4通过板式换热器3实现换热，集热器循环泵和换热器循环泵的启停由两个温度感应器的差值与设定值对比进行控制。当差值大于等于设定的值时，循环泵启动。反之，停止。所述分水器分流计算方式如下，当高温相变蓄热箱的温度高于设定值，供暖末端回水温度低于设定值时，流入低温相变蓄热箱的流量等于[(高温相变蓄热箱的温度Th-温度设定值Tset)(高温相变蓄热箱的温度Th-供暖末端11回水温度Tb)]*回水流量，流入高温相变蓄热箱的流量等于回水流量减去流入低温相变蓄热箱的流量。当供暖末端回水温度Tb高于设定值时，流入高温相变蓄热箱的流量为0，流入低温相变蓄热箱的流量等于回水流量；
辅助热源5的运行方式为，当低温相变蓄热箱的温度小于供暖温度时启动辅助热源，循环水泵的启停与辅助热源一当低温相变蓄热箱的温度大于或等于供暖温度时，辅助热源停止运行；
实施例3
本发明中太阳能集热器在白天日照充足的时候收集热量，通过集热器出口温度感应器和高温相变蓄热箱出口温度感应器差分控制；集热器通过板式换热器将热量传递，高温流体工质携带热量通过高温相变蓄热箱的注水口注入蓄热水箱，高温相变蓄热箱进入蓄热阶段；热量逐渐流过多级相变板表面并不断被相变板内的相变蓄热材料吸收储存，直至相变板全部完成相变；通过与高温相变蓄热箱换热，集热器内部温度不断降低，直至与高温相变蓄热箱温度接近，集热器出口阀门关闭，高温流体工质停止供应；高温相变蓄热箱进入放热阶段，高温流体通过高温相变蓄热箱输出端流入低温相变蓄热箱的输入端，低温相变蓄热箱进入蓄热阶段。热量流经管式容器，并将热量储存于管内的相变材料中，直至管式容器全部完成相变。此时水箱流体温度基本稳定在相变温度左右。需要供热时，低温相变蓄热箱的出水口向用户侧输出供热流体，用户侧低温流体通过分水器分别进入低温相变蓄热箱的回水口和高温相变蓄热箱的回水口，流量根据温度比值决定。当回水进入高温相变蓄热箱，高蓄热水箱进入放热阶段，相变材料持续放热，流体工质温度升高达到要求后不断流入低温相变蓄热箱进而向用户侧供热。当回水进入低温相变蓄热箱，低温相变蓄热箱进入放热阶段。水箱内部流体工质温度上升达到要求后继续向用户侧供热；低温相变蓄热箱连接有辅助热源，当遇到光照不足，或急剧寒冷导致蓄热水箱出口温度不满足设定条件的情况，辅助热源启动；
相变蓄热箱进行使用；以板式相变蓄热箱作为高温相变蓄热箱4、管式相变蓄热箱作为低温相变蓄热箱6为例具体说明本系统运行方式如下。
运行方式1：当室外太阳能资源较好时，太阳能集热器持续收集热量并通过板式换热器将热量储存于高温相变蓄热箱，高温相变蓄热箱进入蓄热阶段。同时，太阳能集热器内部高温流体工质温度不断降低，直至温度感应器达到设定温度要求板式换热器停止换热。过程中高温流体依次通过“Z”形流道流过多级相变板，相变板内材料不断吸收热量，直至完全相变。高温相变蓄热箱完成相变后，通过输出端连接至低温相变蓄热箱输入端，不断将高温流体送入低温相变水箱，高温相变蓄热箱进入放热阶段，低温相变蓄热箱进入蓄热阶段。高温流体不断流经相变管，相变管内相变材料吸收热量完成相变，其中低温相变蓄热水箱的相变温度与供暖设计出水温度相同。当有供热需求时，低温相变蓄热箱将满足供暖温度的热水送至供暖末端。分水器接收供暖末端回水，将低温回水分别送至高温相变蓄热箱和低温相变蓄热箱，两个水箱均进入放热阶段。相变材料加热回水，使之满足供暖温度后继续供暖；
运行方式2：当太阳能资源一般时，太阳能集热器不断吸收热量，高温相变蓄热箱持续吸热。在满足温度要求之前，由低温相变蓄热箱放热进行供暖，低温相变蓄热箱不满足要求时，由辅助热源制热补足热量需求。此时，分水器出水全部进入低温相变蓄热箱。直至高温相变蓄热箱出水温度满足要求时，分水器出水根据温度比值分别进入高温相变蓄热箱和低温相变蓄热箱；
运行方式3：当太阳能资源较差时，高温相变蓄热箱温度一直无法满足要求。由辅助热源加热低温相变蓄热箱进行供暖，分水器出水全部进入低温相变蓄热箱。
Claims (10)
1.复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，包括依次连接的太阳能集热器(1)、板式换热器(3)、第一蓄热箱、第二蓄热箱和供暖末端(7)；
且太阳能集热器(1)与板式换热器(3)、板式换热器(3)与第一蓄热箱、第一蓄热箱与第二蓄热箱和第二蓄热箱与供暖末端(7)之间分别连有循环水系统，太阳能集热器(1)的出口处设有温度感应器(201)，第一蓄热箱的出口设有温度感应器A(203)，供暖末端(7)回水端分别连接第二蓄热箱的回水端和第一蓄热箱的回水端，所述第二蓄热箱一侧通过循环水系统还连接有辅助热源(5)，第一蓄热箱为高温相变蓄热箱，第二蓄热箱为低温相变蓄热箱。
2.根据权利要求1所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述太阳能集热器(1)的输出端连接板式换热器(3)的输入端，板式换热器(3)的输出端连接第一蓄热箱的输入端，第一蓄热箱的输出端连接第二蓄热箱的输入端，第二蓄热箱的输出端连接供暖末端(7)，辅助热源(5)、第一蓄热箱和第二蓄热箱之间为并联，辅助热源(5)的输出端与第二蓄热箱连接。
3.根据权利要求1或2所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述太阳能集热器(1)与板式换热器(3)、板式换热器(3)与第一蓄热箱、辅助热源(5)与第二蓄热箱之间的循环水系统包括分别设置于板式换热器(3)和第一蓄热箱输入端和回水端的阀门和循环水泵；
所述第一蓄热箱与第二蓄热箱、第二蓄热箱与供暖末端(7)之间的循环水系统包括设置于第二蓄热箱输入端和供暖末端(7)输入端的阀门；
所述第一蓄热箱回水端连接分水器(8)，第一蓄热箱与分水器(8)之间依次设有循环水泵和阀门，分水器(8)另一端分别连接第二蓄热箱和供暖末端(7)的回水端，分水器(8)与供暖末端(7)的回水端之间设有阀门，分水器(8)与第二蓄热箱之间设有循环水泵。
4.根据权利要求3所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述供暖末端(7)输入端处的阀门与第二蓄热箱之间、分水器(8)与供暖末端(7)的回水端处的阀门之间以及第二蓄热箱与供暖末端(7)输入端阀门之间均设有温度感应器。
5.根据权利要求1所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述第一蓄热箱包括板式相变蓄热箱，具体包括蓄热箱主体(402)，蓄热箱主体(402)内均匀设有多个相变板(404)，蓄热箱主体(402)一侧面设有高温热水注水口(406)和泄水口(409)，蓄热箱主体(402)与高温热水注水口(406)相对的侧面设有供暖热水出水口(407)和供暖热水回水口(408)，蓄热箱主体(402)还设有盖体(401)。
6.根据权利要求5所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述蓄热箱主体(402)外侧包覆有保温层(405)。
7.根据权利要求5所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述蓄热箱主体(402)内位于前面板和后面板上铺设有卡槽板(403)，多个相变板(404)均匀分布于前面板和后面板上的卡槽板(403)上，多个相变板(404)之间呈180°错位排列；
所述相变板(404)为方形薄板，内部填充有相变蓄热材料层，相变板(404)的厚度为1～1000mm，且相邻两个相变板(404)距离为20～1000mm。
8.根据权利要求1所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述第二蓄热箱包括管式相变蓄热箱，管式相变蓄热箱包括柱状蓄热箱主体A(603)，蓄热箱主体A(603)一侧设有高温热水注水口A(606)和泄水口A(609)，蓄热箱主体A(603)另一侧设有供暖热水出水口A(607)和供暖热水回水口A(608)，蓄热箱主体A(603)顶部为开口，开口处嵌有盖板(601)，蓄热箱主体A(603)内架设有与蓄热箱主体A(603)底部平行的卡槽板A(602)，卡槽板A(602)上均匀开设有若干圆孔，圆孔内嵌有与蓄热箱主体A(603)中心轴平行的管式容器(604)。
9.根据权利要求8所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述蓄热箱主体A(603)外侧包覆有保温层A(605)。
10.根据权利要求1所述的复合式太阳能相变蓄热供暖系统，其特征在于，所述第一蓄热箱包括管式相变蓄热箱，第二蓄热箱包括板式相变蓄热箱。
Priority Applications (1)
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| CN202311091527.5A CN117073051A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 复合式太阳能相变蓄热供暖系统 |
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