CN117553342B - 一种机组高效运行的供暖系统及其供暖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机组高效运行的供暖系统及供暖方法，属于供暖技术领域，包括热源、蓄热器、循环水泵、放热水泵以及用户端换热器，蓄热器内部设置有第一蓄热腔和第二蓄热腔，第一蓄热腔内设置有第一相变材料，第二蓄热腔内设置有第二相变材料，第一相变材料和第二相变材料的相变温度不同；热源、循环水泵和蓄热器通过管道串联为蓄热回路；热源、循环水泵和用户端换热器通过管道串联为制热回路；所述蓄热器、放热水泵和用户端换热器通过管道串联为放热回路。本发明通过在蓄热器内设置第一相变材料和第二相变材料，蓄热器出口端的温度和进口端的温度能保持固定，即供回水温度差能够保持固定，使得机组能够在设计工况下运行，降低能耗，稳定性高。
Description
技术领域
本发明属于供暖技术领域，尤其是一种机组高效运行的供暖系统及其供暖方法。
背景技术
供暖系统一般包括热源、管网和用户端换热设备，管网包括管道、泵、温度计、流量计、阀门等部件，利用水作为供暖介质，热源将水加热至一定的温度后，由官网输送至用户端换热设备，水在用户端换热设备进行放热，然后回流至热源。当热源采用不稳定的能源时，例如太阳能等，一般需要在管网中设置蓄热器，蓄热器在能源充足时进行蓄热，能源减弱时进行放热，从而能够更加稳定地供暖。相变材料具有良好的蓄热能力，因此在供暖系统中得到广泛应用。
供暖机组的供回水温差是机组运行的重要指标，供回水温差保持在机组设计要求的范围，则机组的运行越稳定，能耗越低。对于机组来说，供回水的温差变化会导致系统流量的变化，机组按照非设计工况运行，使机组运行效率降低，运行不稳定，增加能耗，用户用能也会受到影响。传统的供暖系统，在利用蓄热器向用户端供热时，水温不断降低，蓄热器的供回水温差会不断减小，导致机组的工况不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机组高效运行的供暖系统及其供暖方法，提高机组运行的稳定性。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种机组高效运行的供暖系统及，包括热源、蓄热器、循环水泵、放热水泵以及用户端换热器，
所述蓄热器包括壳体，所述壳体内部设置有相互连通的第一蓄热腔和第二蓄热腔，所述第一蓄热腔内设置有第一导热机构，第二蓄热腔内设置有第二导热机构，所述第一导热机构内设置有第一相变材料，所述第二导热机构内设置有第二相变材料，所述第一相变材料的相变温度为第一温度，第二相变材料的温度为第二温度，所述第一温度高于第二温度；
所述热源、循环水泵和蓄热器通过管道串联为蓄热回路；
所述热源、循环水泵和用户端换热器通过管道串联为制热回路；
所述蓄热器、放热水泵和用户端换热器通过管道串联为放热回路；
所述热源的两端、蓄热器的两端、放热水泵的两端以及用户端换热器的两端均设置有阀门。
进一步地，所述热源的两端、蓄热器的两端以及用户端换热器的两端均设置有温度传感器和流量传感器。
进一步地，所述第一导热机构和第二导热机构为多个中空的肋片。
进一步地，所述第一蓄热腔和第二蓄热腔之间设置有第三蓄热腔，所述第一蓄热腔、第三蓄热腔和第二蓄热腔依次连通。
进一步地，所述第三蓄热腔内设置有多个导流肋片，所述导流肋片将第三蓄热腔分隔为s形的流通通道。
进一步地，所述第一温度为80℃，第二温度为65℃。
进一步地，所述热源为太阳能集热器。
进一步地，包括以下供暖模式
纯制热模式：制热回路导通，蓄热回路和放热回路断开，循环水泵开启，介质在制热回路中循环流动，用户端换热器的进口端温度为第三温度，第三温度大于第一温度，用户端换热器出口端的温度为第二温度；
制热蓄热模式：制热回路和蓄热回路导通，放热回路断开，循环水泵开启，被热源加热至第三温度的介质同时进入蓄热器和用户端换热器，蓄热器中的介质先经过第一导热机构，第一相变材料进行蓄热，然后经过第二导热机构，第二相变材料蓄热，然后从蓄热器排出并回流至热源；经过用户端换热器的介质也回流至热源，
纯蓄热模式：蓄热回路导通，制热回路和放热回路断开，循环水泵开启，介质在制热回路中循环流动，蓄热器进口端的温度为第三温度，蓄热器出口端的温度为第二温度；
纯放热模式：放热回路导通，蓄热回路和制热回路断开，放热水泵开启，介质在放热回路中循环流动，介质流经蓄热器时，先经过第二导热机构，第二相变材料放热，再经过第一导热机构，第一相变材料放热；蓄热器出口端的温度为第五温度，蓄热器进口端的温度为第四温度，第五温度小于第一温度，第四温度小于第二温度，且第四温度与第五温度的差值等于第二温度与第三温度的差值；
制热放热模式：放热回路和制热回路导通，蓄热回路断开，循环水泵和放热水泵开启，介质在放热回路和制热回路中循环流动，介质流经蓄热器时，先经过第二导热机构，第二相变材料放热，再经过第一导热机构，第一相变材料放热，然后与热源排出的介质混合后进入用户端换热器，从用户端换热器排出的介质部分回到热源，部分回到蓄热器。
进一步地，所述第一蓄热腔和第二蓄热腔之间设置有第三蓄热腔，所述第一蓄热腔、第三蓄热腔和第二蓄热腔依次连通；
蓄热时，第一相变材料和第二相变材料先进行蓄热，然后第三蓄热腔中的介质逐渐升温至第三温度；
放热时，第三蓄热腔中的介质先向用户端换热器供热，此时蓄热器的出口端温度为第三温度，进口端温度为第二温度；
待第三蓄热腔中的介质全部经过用户端换热器后，第一相变材料和第二相变材料放热，此时蓄热器的出口端温度为第五温度，进口端温度为第四温度。
进一步地，所述介质为水，所述第一温度为80℃，第二温度为65℃，第三温度为85℃，第四温度为55℃，第五温度为75℃。
本发明的有益效果是：本发明通过在蓄热器内设置第一相变材料和第二相变材料，第一相变材料的相变温度大于第二相变材料的相变温度，放热时，蓄热器出口端的温度和进口端的温度能保持固定，即供回水温度差能够保持固定，使得机组能够在设计工况下运行，降低能耗，稳定性和效率较高。同理，蓄热时，蓄热器出口端的温度和进口端的温度也能保持固定，使得热源的供回水温差保持固定。另外，用户端换热器在制热模式下的出水温度等于第二相变温度，使得机组在制热蓄热模式下，用户端换热器和蓄热器的进出水温度相同，进一步保证了热源供回水温度以及温差的稳定。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图2是本发明纯制热模式时的示意图；
图3是本发明制热蓄热模式时的示意图；
图4是本发明纯蓄热模式时的示意图；
图5是本发明纯放热模式时的示意图；
图6是本发明制热放热模式时的示意图；
附图标记：1—热源；2—蓄热器；21—壳体；22—第一导热机构；23—第二导热机构；24—第一相变材料；25—第二相变材料；26—第三蓄热腔；27—导流肋片；3—循环水泵；4—放热水泵；5—用户端换热器；6—温度传感器；7—流量传感器；8—阀门。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的一种机组高效运行的供暖系统，如图1所示，包括热源1、蓄热器2、循环水泵3、放热水泵4以及用户端换热器5。
蓄热器2包括壳体21，壳体21内部设置有相互连通的第一蓄热腔和第二蓄热腔，第一蓄热腔内设置有第一导热机构22，第二蓄热腔内设置有第二导热机构23，第一导热机构22内设置有第一相变材料24，第二导热机构23内设置有第二相变材料25，第一相变材料24的相变温度为第一温度，第二相变材料25的温度为第二温度，第一温度高于第二温度；
热源1、循环水泵3和蓄热器2通过管道串联为蓄热回路；
热源1、循环水泵3和用户端换热器5通过管道串联为制热回路；
蓄热器2、放热水泵4和用户端换热器5通过管道串联为放热回路；
热源1的两端、蓄热器2的两端、放热水泵4的两端以及用户端换热器5的两端均设置有阀门8。
热源1用于将循环介质进行加热，可以采用现有的各种加热器，例如太阳能集热器、空气能集热器或者电加热器等，为了保证出水温度保持稳定，可以采用电加热结合太阳能的方式对介质进行加热。
蓄热器2用于将多余的热量进行存储，例如热源1采用太阳能集热器，白天光线充足，热源1能够提供充足的热量，但是用热量较少，多余的热量就可以采用蓄热器2进行存储，晚上没有太阳能时，则可以由蓄热器2进行供暖，可以充分利用太阳能，降低用电量。
蓄热器2的壳体21可以是金属壳体，在壳体21外壁包覆保温材料，以降低热损失。第一导热机构22和第二导热机构23用于与介质进行热交换，使得第一相变材料24和第二相变材料25吸收介质中的热量进行蓄热，或者第一相变材料24和第二相变材料25将热量传递至介质而放热。本发明中，由于第一相变材料24的相变温度高于第二相变材料25的相变温度，根据相变材料的特点，相变材料吸热或者放热后，自身的温度不会发生变化，因此，在供暖模式保持不变的情况下，蓄热器2进口端和出口端的温度能够保持固定，进出口端的温差也保持固定，即供回水温度差能够保持稳定，从而使整个机组的运行保持稳定。
第一相变材料24的相变温度根据供热温度确定，第二相变材料25的相变温度根据根据回水温度确定，本发明中，采用水作为循环介质，一般来说，水流量较小、供回水温差较大时，整个供暖系统的能耗会更低，因此，本发明中，热源1的供水温度（即出水温度）为85℃，回水温度为65℃，供回水温差为20℃。为了确保蓄热时第一相变材料24充分吸热，第一相变材料24的相变温度需要低于热源1的出水温度，优选的，第一温度为80℃，即第一相变材料24的相变温度为80℃。为了使蓄热时蓄热器2的出水温度与热源1的回水温度保持一致，第二温度为65℃，即第二相变材料25的相变温度为65℃。
第一导热机构22和第二导热机构23用于装载相变材料，同时实现相变材料与水进行热交换，可以采用换热盘管等，优选采用中空的肋片，换热面积大，蓄热或放热效率高。肋片设置有多个，且均匀分布。
制热时，热源1排出的水温度为85℃，到达用户端换热器5后进行放热，用户端换热器5的出水温度为65℃，再回到热源1，热源1的供回水温差为20℃。
蓄热时，热源1排出的水温度为85℃，进入蓄热器2后，先到达第一导热机构22，第一导热机构22内的第一相变材料24吸热，然后到达第二导热机构23，第二导热机构23内的第二相变材料25继续吸热，经过两次热交换后，水温降低至65℃，然后回到热源1，热源1的供回水温差为20℃。
放热时，水先经过第二导热机构23，第二相变材料25向水放热，水温升高至65℃，然后经过第一导热机构22，第一相变材料24再次向水放热，水温升高至75℃，接着75℃的出水流经用户端换热器5，放热后，水的温度降低至55℃左右并回到蓄热器2。该过程中，蓄热器2的供回水温差为20℃左右。
可见，无论是在制热、放热还是蓄热的过程中，热源1或蓄热器2的供回水温度均能够保持稳定，供回水温差基本保持固定，整个供暖机组能够在设计的工况下运行，稳定性好，使用寿命高，能耗低。
本发明的蓄热器2，在第一蓄热腔和第二蓄热腔之间设置有第三蓄热腔26，第一蓄热腔、第三蓄热腔26和第二蓄热腔依次连通。具体地，第一蓄热腔和第二蓄热腔分别位于壳体21内腔的两端，第三蓄热腔26位于壳体21内腔的中部，第一蓄热腔、第三蓄热腔26和第二蓄热腔组成壳体21的内腔。第一蓄热腔处的壳体21上设置有高位接口，第二蓄热腔处的壳体21上设置有低位接口，高位接口和低位接口用于与管道相连，将蓄热器2接入系统管网。
第三蓄热腔26用于存储热水，蓄热时，先通过第一相变材料24和第二相变材料25进行蓄热，待第一相变材料24和第二相变材料25蓄热饱和后，将85℃的热水存储在第三蓄热腔26中。放热时，先利用85℃的热水向用户端换热器5进行供暖，此时蓄热器2的供水温度与热源1的供水温度一致，回水温度也与热源1的回水温度一致。随着水温的降低，第一相变材料24和第二相变材料25开始放热，蓄热器2的供水温度逐渐稳定在75℃。
为了实时检测热源1和蓄热器2的供回水温度和流量，热源1的两端、蓄热器2的两端以及用户端换热器5的两端均设置有温度传感器6和流量传感器7。当温度或者流量异常时，可以对管网进行检修。
为了增加水在第三蓄热腔26中的停留时间，确保水与第一相变材料24和第二相变材料25充分换热，第三蓄热腔26内设置有多个导流肋片27，导流肋片27将第三蓄热腔26分隔为s形的流通通道。
导流肋片27、第一导热机构22和第二导热机构23均采用金属肋片，可焊接在蓄热器2内壁。
热源1的两端、蓄热器2的两端、放热水泵4的两端以及用户端换热器5的两端均设置有阀门8，阀门8用于控制水的流动路径，从而实现供暖模式的转换。阀门8可以采用二通阀，为了减少阀门8的数量，本发明的阀门8优选采用三通阀，具体包括四个三通阀，采用如图1所示的安装方式接入管网，能够有效控制供暖系统的运行模式。
为了便于向管网中补水，可以在管网上连接补水装置。
本发明的供暖方法，包括以下供暖模式
纯制热模式：如图2所示，制热回路导通，蓄热回路和放热回路断开，循环水泵3开启，介质在制热回路中循环流动，用户端换热器5的进口端温度为第三温度，第三温度大于第一温度，用户端换热器5出口端的温度为第二温度。
当介质采用水，热源1的供水温度为85℃时，第三温度与热源1的供水温度一致，也为85℃。此时，第二温度为65℃，第一温度为80℃。该模式可以向用户端换热器5提供85℃的热水，用户端换热器5出口端的温度即为热源1的回水温度，回水温度65℃，热源1的供回水温差保持在20℃。这种模式只供热，不蓄热，供热量较大，用热量较大时可以采用该模式。
制热蓄热模式：如图3所示，制热回路和蓄热回路导通，放热回路断开，循环水泵3开启，被热源1加热至第三温度的介质同时进入蓄热器2和用户端换热器5，蓄热器2中的介质先经过第一导热机构22，第一相变材料24进行蓄热，然后经过第二导热机构23，第二相变材料25蓄热，然后从蓄热器2排出并回流至热源1；经过用户端换热器5的介质也回流至热源1。
该模式在供热的同时蓄热，适用于产热多余用热的情况，可以将多余的热量存储起来。该模式中，热源1的供水温度85℃，蓄热器2进口端温度85℃，蓄热器2和用户端换热器5的出口端温度均为65℃，因此热源1的回水温度保持在65℃，热源1的供回水温差保持在20℃。
纯蓄热模式：如图4所示，蓄热回路导通，制热回路和放热回路断开，循环水泵3开启，介质在制热回路中循环流动，蓄热器2进口端的温度为第三温度，蓄热器2出口端的温度为第二温度。
该模式适用于用户停止用热的情况。该模式中，热源1的供水温度85℃，蓄热器2进口端温度85℃，蓄热器2出口端温度为65℃，即热源1的回水温度为65℃，热源1的供回水温差保持在20℃。
纯放热模式：如图5所示，放热回路导通，蓄热回路和制热回路断开，放热水泵4开启，介质在放热回路中循环流动，介质流经蓄热器2时，先经过第二导热机构23，第二相变材料25放热，再经过第一导热机构22，第一相变材料24放热；蓄热器2出口端的温度为第五温度，蓄热器2进口端的温度为第四温度，第五温度小于第一温度，第四温度小于第二温度，且第四温度与第五温度的差值等于第二温度与第三温度的差值。
该模式适用于热源1停止制热的情况，例如采用太阳能作为热源1时，夜晚无太阳能的时候。该模式中，水在蓄热器2中的流动方向与蓄热时的流动方向相反。第四温度为55℃，第五温度为75℃，蓄热器2的供水温度保持在75℃，蓄热器2的回水温度保持在55℃，蓄热器2的供回水温差保持在20℃。放热时，蓄热器2中的第一相变材料24和第二相变材料25可以使蓄热器2两端的进出水温度保持固定，进而使蓄热器2放热时供回水温差保持温度，提高机组的运行稳定性。
制热放热模式：如图6所示，放热回路和制热回路导通，蓄热回路断开，循环水泵3和放热水泵4开启，介质在放热回路和制热回路中循环流动，介质流经蓄热器2时，先经过第二导热机构23，第二相变材料25放热，再经过第一导热机构22，第一相变材料24放热，然后与热源1排出的介质混合后进入用户端换热器5，从用户端换热器5排出的介质部分回到热源1，部分回到蓄热器2。
该模式既采用热源1供热，又采用蓄热器2供热，适用于用热量较大的情况。该模式下，蓄热器2排出的75℃水与热源1排出的85℃水混合，混合的供水温度约为80摄氏度，而用户端换热器5的出水温度约为60℃，该模式下热源1的供回水温差为25℃，蓄热器2的供回水温差为15℃，与其他模式相比，供回水温差发生变化，因此该模式应当尽量少用，但该模式中，热源1的供回水温差能够稳定在25℃，蓄热器2的供回水温差能够稳定在15℃，不会产生较大的波动。
针对本系统切换为制热放热模式时的供回水温差变化问题，为了尽量避免出现切换为制热放热模式时的供回水温差变化这一情况，本发明在第一蓄热腔和第二蓄热腔之间设置有第三蓄热腔26，第一蓄热腔、第三蓄热腔26和第二蓄热腔依次连通。蓄热时，第一相变材料24和第二相变材料25先进行蓄热，然后第三蓄热腔26中的介质逐渐升温至第三温度。第一相变材料24和第二相变材料25蓄热达到饱和后，直接将第三温度（85℃）的水存储在第三蓄热腔26中。
放热时，在纯放热模式下，第三蓄热腔26中的介质先向用户端换热器5供热，此时蓄热器2的出口端温度为第三温度（85℃），进口端温度为第二温度（65℃），供回水温差保持在20℃。
待第三蓄热腔26中的介质全部经过用户端换热器5后，第一相变材料24和第二相变材料25放热，此时蓄热器2的出口端温度为第五温度（75℃），进口端温度为第四温度（55℃）。
在制热放热模式的初期，第三蓄热腔26中的介质先向用户端换热器5供热，此时蓄热器2的出口端温度为第三温度（85℃），进口端温度为第二温度（65℃），供回水温差保持在20℃。
待第三蓄热腔26中的介质全部经过用户端换热器5后，第一相变材料24和第二相变材料25放热，此时蓄热器2的出口端温度为第五温度（75℃），进口端温度为则为60℃。
可见，在制热放热模式的初期，由第三蓄热腔26中存储的热水放热时，热源1和蓄热器2的供回水温差还是20℃，与其他模式下的供回水温差保持一致。只有当第三蓄热腔26中的热水经过放热温度降低后，热源1和蓄热器2的供回水温差才会发生变化，因此，采用制热放热模式时，可以控制该模式的运行时间，尽量在第一相变材料24和第二相变材料25放热之前结束该模式，就能够保证机组的供回水温差始终处于设计值，保持良好的稳定性。
图2至图6中，箭头表示介质在管道中的流动方向，无箭头标识的管道表示内部无参与循环的流动介质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种机组高效运行的供暖系统，其特征在于：包括热源（1）、蓄热器（2）、循环水泵（3）、放热水泵（4）以及用户端换热器（5），
所述蓄热器（2）包括壳体（21），所述壳体（21）内部设置有相互连通的第一蓄热腔和第二蓄热腔，所述第一蓄热腔内设置有第一导热机构（22），第二蓄热腔内设置有第二导热机构（23），所述第一导热机构（22）内设置有第一相变材料（24），所述第二导热机构（23）内设置有第二相变材料（25），所述第一相变材料（24）的相变温度为第一温度，第二相变材料（25）的温度为第二温度，所述第一温度高于第二温度；
所述热源（1）、循环水泵（3）和蓄热器（2）通过管道串联为蓄热回路；
所述热源（1）、循环水泵（3）和用户端换热器（5）通过管道串联为制热回路；
所述蓄热器（2）、放热水泵（4）和用户端换热器（5）通过管道串联为放热回路；
所述热源（1）的两端、蓄热器（2）的两端、放热水泵（4）的两端以及用户端换热器（5）的两端均设置有阀门（8）；
蓄热器（2）进口端和出口端的温度保持固定，进出口端的温差也保持固定，使整个机组的运行保持稳定；
所述第一蓄热腔和第二蓄热腔之间设置有第三蓄热腔（26），所述第一蓄热腔、第三蓄热腔（26）和第二蓄热腔依次连通；
所述热源（1）的两端、蓄热器（2）的两端以及用户端换热器（5）的两端均设置有温度传感器（6）和流量传感器（7）；
所述第三蓄热腔（26）内设置有多个导流肋片（27），所述导流肋片（27）将第三蓄热腔（26）分隔为s形的流通通道；
蓄热时，第一相变材料（24）和第二相变材料（25）先进行蓄热，然后第三蓄热腔（26）中的介质逐渐升温至第三温度；
放热时，第三蓄热腔（26）中的介质先向用户端换热器（5）供热，此时蓄热器（2）的出口端温度为第三温度，进口端温度为第二温度；
待第三蓄热腔（26）中的介质全部经过用户端换热器（5）后，第一相变材料（24）和第二相变材料（25）放热，此时蓄热器（2）的出口端温度为第五温度，进口端温度为第四温度。
2.如权利要求1所述的一种机组高效运行的供暖系统，其特征在于：所述第一导热机构（22）和第二导热机构（23）为多个中空的肋片。
3.如权利要求1所述的一种机组高效运行的供暖系统，其特征在于：所述第一温度为80℃，第二温度为65℃。
4.如权利要求1所述的一种机组高效运行的供暖系统，其特征在于：所述热源（1）为太阳能集热器。
5.权利要求1所述一种机组高效运行的供暖系统的供暖方法，其特征在于，包括以下供暖模式
纯制热模式：制热回路导通，蓄热回路和放热回路断开，循环水泵（3）开启，介质在制热回路中循环流动，用户端换热器（5）的进口端温度为第三温度，第三温度大于第一温度，用户端换热器（5）出口端的温度为第二温度；
制热蓄热模式：制热回路和蓄热回路导通，放热回路断开，循环水泵（3）开启，被热源（1）加热至第三温度的介质同时进入蓄热器（2）和用户端换热器（5），蓄热器（2）中的介质先经过第一导热机构（22），第一相变材料（24）进行蓄热，然后经过第二导热机构（23），第二相变材料（25）蓄热，然后从蓄热器（2）排出并回流至热源（1）；经过用户端换热器（5）的介质也回流至热源（1），
纯蓄热模式：蓄热回路导通，制热回路和放热回路断开，循环水泵（3）开启，介质在制热回路中循环流动，蓄热器（2）进口端的温度为第三温度，蓄热器（2）出口端的温度为第二温度；
纯放热模式：放热回路导通，蓄热回路和制热回路断开，放热水泵（4）开启，介质在放热回路中循环流动，介质流经蓄热器（2）时，先经过第二导热机构（23），第二相变材料（25）放热，再经过第一导热机构（22），第一相变材料（24）放热；蓄热器（2）出口端的温度为第五温度，蓄热器（2）进口端的温度为第四温度，第五温度小于第一温度，第四温度小于第二温度，且第四温度与第五温度的差值等于第二温度与第三温度的差值；
制热放热模式：放热回路和制热回路导通，蓄热回路断开，循环水泵（3）和放热水泵（4）开启，介质在放热回路和制热回路中循环流动，介质流经蓄热器（2）时，先经过第二导热机构（23），第二相变材料（25）放热，再经过第一导热机构（22），第一相变材料（24）放热，然后与热源（1）排出的介质混合后进入用户端换热器（5），从用户端换热器（5）排出的介质部分回到热源（1），部分回到蓄热器（2）。
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