CN213146959U

CN213146959U - 一种分形相变储能换热器热泵热水系统

Info

Publication number: CN213146959U
Application number: CN202022212708.7U
Authority: CN
Inventors: 罗新梅; 王霁月; 古家安
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2030-10-06

Abstract

本发明公开了一种分形相变储能换热器热泵热水系统。所述热泵热水系统包括热泵机组、分形相变储能器、水泵、电加热器、传感器、阀门等主要部件，所述热泵机组、分形相变储能器、水泵、电加热器和若干阀门通过管道按图1所示依次连接。通过温度传感器和流量传感器来控制阀门的开启和关闭，来进行运行模式的切换。所述热泵热水系统的运行模式包括：热泵机组单独制热模式，储能器单独蓄热模式、储能器单独放热模式、热泵机组制热的同时储能器蓄热模式、热泵机组制热的同时储能器放热模式。本发明提出的热泵热水系统采用相变材料作为储能介质，可提高系统运行稳定性及制热效率，增设冷水旁通管路，使得系统在单工况运行情况下，可实现分形相变储能器蓄热放热一体化。所述分形相变储能器具有体积小、蓄能密度大、蓄放热迅速、供水温度恒定的优点。

Description

一种分形相变储能换热器热泵热水系统

技术领域

本实用新型涉及相变储能与热泵热水系统技术领域，特别是涉及一种分形相变储能器、热泵热水系统及其控制方法。

背景技术

传统热泵热水系统一般设置体积庞大的蓄热水箱，以满足用户用水高峰期的用水需求；而分形相变储能器可以实现以更小的体积蓄存相同的热量满足用户需求；在循环加热式的热泵热水系统中，蓄热水箱中水的温度随着加热的不断进行而升高，导致热泵机组进口水温越来越高，热泵机组的制热效率也越来越低；而分形相变储能器的相变蓄热能使得热泵机组进水温度维持在恒定值，使得热泵机组的制热效率维持在一个较高水平；

传统的相变蓄热系统由于相变材料的导热系数普遍偏低，导致蓄放热速率过于缓慢，不能及时满足用户的热水需求；传统的热泵热水蓄热系统，无法实现在单工况机组的情况下无法实现热泵机组供热的同时相变储能器蓄放热一体化。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种分形相变储能器热泵热水系统，以解决传统热泵热水系统蓄热水箱体积过于庞大的问题，由于对水箱水进行循环加热导致的热泵机组进水温度过高从而降低热泵机组制热效率的问题；

解决传统相变蓄热系统蓄放热速率缓慢的问题；也解决了传统蓄能系统需要双工况机组才能实现同时蓄热和供热的问题；

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种分形相变储能器热泵热水系统，包括：热泵机组，分形相变储能器，水泵，电加热器，阀门及传感器；相变材料除了可以蓄存显热外还能蓄存巨大的相变潜热，具有较高的能量密度，与水箱蓄热相比，可以用更小巧的体积蓄存相同的热量；另外能够在熔点温度熔化蓄存热量，使得经过储能器的热水降低至一个较低的恒定温度，从而热泵机组的制热效率不会因为进口水温的波动而产生变化。

本实用新型采用的技术方案是，提出一种分形相变储能热泵热水系统，包括热泵机组、分形相变储能器两大主要部件，其中，所述的热泵机组进出口两端设置阀门，出水口与电加热器串联，预防热泵机组无法满足热水需求时，通过温度传感器控制阀门并启用电加热；所述分形相变储能器，其两端各分出两条在支路，入口端分别连接热泵机组的进口端和出口端，出口端分别连接到用户和水泵进口处；这样可以使得未加热的冷水可以通过相变储能器进口，达到放热的目的，也可以使得加热后的热水通过相变储能器，达到蓄热的目的；通过第1电动三通阀 (11)、第2电动三通阀(14)的分流调节作用，可以实现热泵机组制热供水给用户的同时储能器可以蓄热或者是放热。

通过传感器监测用户供水主管的水流量和温度，若传感器监测的水流量低于热泵机组额定供水量，则说明此时为用水高峰期，需要开启热泵机组供热的同时储能器放热模式，此模式下，自来水补水根据用户用水量进行调节，使得其供需平衡；自来水通过第10电动二通阀(18)、水泵(3)后，通过第1电动三通阀 (11)进行流量调节，使得热泵机组进口水量达到热泵机组额定供水量，另一部分冷水通过第5电动二通阀(12)，流入蓄满热量得相变储能器(2)，相变储能器由若干个这样的管壳式换热器并联而成，通过监测相变储能器进口水量，控制阀门，决定开启管壳式换热器的个数，使得进口流速达到设定范围；最后，通过热泵机组制得的热水与储能器释放热能获得的热水分别通过第7电动二通阀 (15)、第8电动二通阀(16)汇聚到用户供水主管，一起供给用户。

进一步地，若传感器监测的水流量高于热泵机组额定供水量，则说明此时为用水低峰期。

更进一步地，若此时温度传感器监测储能器相变材料温度高于熔点温度，则代表储能器此刻已经蓄满了热量，无法再继续蓄热；此时则需开启储能器单独放热模式；此模式下，第10电动二通阀(18)、第1电动三通阀(11)、第5电动二通阀(12)、第8电动二通阀(16)开启，其余阀门均关闭，水泵(3)开启，热泵机组(1)停止工作，自来水补水的冷水经过第10电动二通阀(18)、第1 电动三通阀(11)、第5电动二通阀(12)后，流入储能器进口，通过流量监测相变储能器进口水量，控制阀门，决定管壳式换热器开启的个数，使得进口流速达到设定范围；冷水流过相变储能器(2)后，变成热水，然后流向用户。

若此时温度传感器监测储能器相变材料温度低于熔点温度，此时需要开启热泵机组供热的同时储能器蓄热模式；此模式下，开启第1电动阀阀门(6)、第3 电动二通阀(9)、第4电动二通阀(10)、第1电动三通阀(11)、第6电动二通阀(13)、第2电动三通阀(14)、第7电动二通阀(15)、第9电动二通阀(17)、第10电动二通阀(18)，其余阀门均关闭；水泵(3)开启，热泵机组(1)开启；自来水补水的冷水经过第10电动二通阀(18)、第1电动三通阀(11)、第4电动二通阀(10)后流入热泵机组，经热泵机组加热变成热水流过第3电动二通阀 (9)、第1电动阀阀门(6)，经过第2电动三通阀(14)后分成两条支路，一条经过第7电动二通阀(15)直接供给用户，另一条流过第6电动二通阀(13)，流过相变储能器(2)后变成冷水后，通过第9电动二通阀(17)流回热泵机组进口端。

进一步地，若温度传感器监测储能器相变材料温度达到熔点温度，则关闭热泵机组(1)切换至储能器单独放热模式。

若通过传感器监测的用户供水主管的水流量为零，则表明此刻用户端无人用水，此时相变储能器的温度传感器检测到相变材料的温度低于熔点温度，则开启储能器单独蓄热模式，此模式下，第1电动阀阀门(6)、第3电动二通阀(9)、第4电动二通阀(10)、第1电动三通阀(11)、第6电动二通阀(13)、第2电动三通阀(14)、第9电动二通阀(17)、第10电动二通阀(18)，其余阀门关闭；从用户回水和自来水补水的冷水通过第10电动二通阀(18)、流经水泵(3)、通过第1电动三通阀(11)第4电动二通阀(10)后，流经热泵机组后变成热水，热水通过第3电动二通阀(9)，温度传感器监测从热泵机组流出的热水水温，若热水水温低于设定温度，则开启第2电动二通阀(8)关闭第1电动阀阀门(6) 并开启电加热器(4)，让热水流经电加热器进行加热后流出；若热水温度不低于设定温度，则开启第1电动阀阀门(6)，关闭第2电动二通阀(8)；热水流经第 1电动阀阀门(6)后，通过第2电动三通阀(14)、第6电动二通阀(13)，流经分形相变储能器后将热量蓄存到储能器中变成冷水，汇入回水主管后重新进入热泵机组。

为了实现快速蓄放热的目的，本实用新型提出引入分形肋片到管壳式换热器中，对相变储能器的传热过程进行强化，其强化传热的原理是增加传热表面积，将热源热量通过最短路径传递到更大的相变材料体积内；相对与传统的径向肋，其相变材料熔化时间缩短近一半左右。

传统分形结构换热器，具有的肋片材料体积占整个空腔的体积比过大，使得能够储存热量的相变材料的体积减小；但是此分形肋片结构控制肋片材料体积占整个空腔体积占比为5％～8％；能够在固定的肋片材料体积下，扩展最大传热表面积，使得整体热阻最小；

进一步地，所述分形肋片满足分形理论，其宽度和径向长度方向分支规律满足公式：

其中L_k—分形肋片第k级肋片的长度；D_k—分形肋片第k级肋片的宽度；N—第k级肋片的分支数，在本实用新型中取N＝2；Δ—第k级肋片的分形维数，在本实用新型中取Δ＝2；即 L₂＝0.7071L₁＝0.5L₀，D₂＝0.7071D₁＝0.5D₀；

其中第0级肋长L₀的长度由R_out与R_in的差值和分叉角β决定，即L₀+L₁· cosβ₁+L₂＝R_out-R_in，β₁为第一级分叉角度；每一级肋片的分叉角度应尽可能的接近90°，最末端一级肋片应调整分叉角度使得肋片均匀分布在外圆壁面上；其中第0级肋宽D₀的长度由肋片材料体积占整个内部空腔体积的5％～8％来计算确定。

更进一步地，所述分形相变储能器，其换热管外径R_in和储能器外壁面外径 R_out之间存在一个合理的比值范围，即R_in/R_out＝0.15～0.2，在这个比值范围内可使得分形肋片的肋片效率尽可能的高，增加蓄热放热速率；R_in由换热流体的流量根据海澄-威廉公式控制比摩阻在400pa/m以下确定；R_out和储能器高度H 由所需填充的相变材料的体积确定；而所需填充的相变材料体积由该热泵热水系统的设计小时供水量与热泵机组小时供水量、设计供水水温、热泵供水水温、设计小时耗热持续时间及相变材料物性参数共同确定。

附图说明

图1为本实用新型分形相变热水热泵系统图；

图2为本实用新型分形相变储能器结构详图；

图3为本实用新型分形树状肋片的详图；

图中：1—热泵机组，2—分形相变储能器，3—水泵，4—电加热器，5—第 1手动截止阀，7—第2手动截止阀，6—第1电动二通阀，8—第2电动二通阀、 9—第3电动二通阀，10—第4电动二通阀，12—第5电动二通阀，13—第6电动二通阀，15—第7电动二通阀，16—第8电动二通阀，17—第9电动二通阀， 18—第10电动二通阀，11—第1电动三通阀,14—第2电动三通阀；R—为换热管内径，R_in—为换热管外径，R_out—为储能器外壁面半径，H—为储能器高度， L_K—为第K级分形肋片长度，D_K—为第K级分形肋片宽度，K—分形级数；β_K—第K级分叉角度。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步解释说明，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请做出一些非本质的改进和调整；

如图1所示，该系统为某养老院全日制集中热水供应系统，根据规范确定小时耗热量；进而确定热泵机组供热量，对热泵机组进行选型计算，然后根据小时系数、机组供热量、小时耗热量等，确定相变储能器蓄热量；最终确定储能器的结构参数。

系统设计好后，根据实时监测的实际用水量和机组供水量以及各关键测点水温进行模式切换，使得整个运行过程满足用户热水需求。下面假设一天的系统运行状况。

首先，从00：00分开始，利用深夜低谷电对相变储能器进行蓄热，并运行单独蓄热模式，以求在最短时间内蓄满白天所需供热量；储能器单独蓄热模式运行，根据传感器监测发现无人用水，则开启第1电动二通阀6、第3电动二通阀 9、第4电动二通阀10、第1电动三通阀11、第6电动二通阀13、第2电动三通阀14、第9电动二通阀17、第10电动二通阀18，其余阀门关闭；从用户回水和自来水补水的冷水通过第10电动二通阀18、流经水泵3、通过第1电动三通阀11、第4电动二通阀10后，流经热泵机组后变成热水，热水通过第3电动二通阀9，温度传感器监测从热泵机组流出的热水水温，若热水水温低于设定温度，则开启第2电动二通阀8，关闭第1电动二通阀6并开启电加热器4，让热水流经电加热器进行加热后流出；若热水温度不低于设定温度，则开启第1电动二通阀6，关闭第2电动二通阀8；热水流经第1电动二通阀6后，通过第2电动三通阀14、第6电动二通阀13，流经分形相变储能器后将热量蓄存到储能器中变成冷水，汇入用户回水主管后重新进入热泵机组。

在此期间若有人需要用水，则开启热泵机组供热的同时储能器蓄热模式，此时只需要在储能器单独蓄热模式下额外开启一个第7电动二通阀15，但是深夜用水需求相对较小，主要还是以蓄热为主；

经过，近6个小时的蓄热，储能器热量已经基本蓄满；早上6：00，通过流量传感器的数据控制阀门启闭，进行模式切换；若此时，用水需求相对较小，则可启用储能器单独放热模式，用夜间低谷电价蓄存的热量满足用户热水需求；此模式下，开启第1电动三通阀11、第5电动二通阀12、第8电动二通阀16、第 10电动二通阀18，其余阀门关闭；从用户回水和自来水补水的冷水，流经第10 电动二通阀18，流经水泵3后，流经第1电动三通阀11、第5电动二通阀12，经过储能器后将冷水变成热水，流经第8电动二通阀16后供给用户；

在中午12：00～14：00，这两小时为用水高峰期，传感器监测用户供水主管的流量大于了机组额定供水量，此时需要开启热泵机组，与储能器联合供应热水以满足用水需求；该模式下，开启第1电动二通阀6、第3电动二通阀9、第4 电动二通阀10、第1电动三通阀11、第5电动二通阀12、第2电动三通阀14、第7电动二通阀15、第8电动二通阀16、第10电动二通阀18，其余阀门均关闭；从用户回水和自来水补水的冷水通过第10电动二通阀18、流经水泵3后，通过第1电动三通阀11分成两条路，一条通过第4电动二通阀10流过热泵机组 1后变成热水，热水通过第3电动二通阀9，温度传感器监测从热泵机组流出的热水水温，若热水水温低于设定温度，则开启第2电动二通阀8关闭第1电动二通阀6并开启电加热器4，让热水流经电加热器进行加热后流出；若热水温度不低于设定温度，则开启第1电动二通阀6，关闭第2电动二通阀8；热水流经第1电动二通阀6后，通过第2电动三通阀14、第7电动二通阀15流向用户；另一条通过第5电动二通阀12，经过储能器2后，冷水变成热水，经过第8电动二通阀16后流向用户；

在14：00～18：00，此期间为用水低峰期，可以开启热泵机组制热的同时储能器蓄热模式，该模式下，开启第1电动二通阀6、第3电动二通阀9、第4电动二通阀10、第1电动三通阀11、第6电动二通阀13、第2电动三通阀14、第 7电动二通阀15、第9电动二通阀17、第10电动二通阀18，其余阀门均关闭；从用户回水和自来水补水的冷水通过第10电动二通阀18、流经水泵3，通过第 1电动三通阀11，第4电动二通阀10后，流经热泵机组后变成热水，热水通过第3电动二通阀9，温度传感器监测从热泵机组流出的热水水温，若热水水温低于设定温度，则开启第2电动二通阀8，关闭第1电动二通阀6并开启电加热器 4，让热水流经电加热器进行加热后流出；若热水温度不低于设定温度，则开启第1电动二通阀6，关闭第2电动二通阀8；热水流经第1电动二通阀6后，通过第2电动三通阀14分出两条支路，一条通过第7电动二通阀15流向用户，另一条通过第6电动二通阀13，流经储能器2，将热量蓄存后，热水变成冷水，通过第9电动二通阀17汇聚到用户回水主干管后，重新进入热泵机组2加热，构成一个完整的循环；

在18：00～22：00，为第二用水高峰期，相变储能器从蓄热转变为供热，热泵机组持续工作，同时储能器开始释放热量；

在22：00～00：00，热泵机组停止工作，只开启储能器放热模式，由储能器储存的热量来生产热水；如此循环往复，整个热泵热水系统得以稳定运行；其间热泵机组总工作时长为14个小时左右，符合国家标准GB 50015-2019建筑设计标准；

为了便于对本实用新型的理解，下面对本实用新型的热泵热水系统的运行模式的一些优选实施例作更进一步的描述；

无人用水时期的相变储能器蓄热模式：

无人用水时期即用户供水主管进水端的流量为零，表示无人使用热水，传感器监测到用户供水主管流量为零后，切断热泵机组供水循环管路，将热水供给相变储能器蓄存热量。

用水低峰期的热泵机组制热储能器蓄热模式：

用水低峰期指的是用户供水主管流量低于机组额定供水量，此时，机组制得的热水不能完全被用户用完，多余的热水会流向相变储能器，蓄存热水热量。达到在不需要调节机组运行工况的情况下，以最佳循环水量运行。

用水高峰期的热泵机组制热储能器放热模式：

用水高峰期指的是用户供水主管流量大于机组额定供水量，此时，机组无法将高峰时期的用户用水量加热到设计供水温度，此时，就需要将部分冷水用相变储能器蓄存的热量进行加热，在分形相变储能器第一进水端增设冷水旁通管路，使得冷水可直接被加热至设计供水温度，最后与热泵机组制取的热水混合后供给用户。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内；不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种分形相变储能换热器热泵热水系统，包括热泵机组，分形相变储能器、水泵、电加热器、传感器、阀门，其特征在于，所述热泵机组进水端与用户出水端及自来水补水端相连通形成第一管路，热泵机组出水端与用户进水端连通形成第二管路，用户出水端、第一管路、热泵机组、第二管路、用户进水端依次连接构成了热泵机组供水循环管路；所述分形相变储能器的第一进水端与用户的出水端相连通并形成第三管路，相变储能器的第一出水端与用户进水端连通并形成第四管路，第三管路、相变储能器、第四管路依次连接形成相变储能器放热循环管路；所述分形相变储能器的第二进水端与热泵机组出水端连通形成第五管路，相变储能器第二出水端与热泵机组进水端连通形成第六管路，第五管路、相变储能器、第六管路、热泵机组依次连接构成相变储能器蓄热循环管路。

2.根据权利要求1所述的热泵热水系统，其特征在于，所述热泵热水系统运行模式包括：热泵机组单独制热模式、储能器单独蓄热模式、储能器单独放热模式、热泵机组制热同时储能器蓄热模式、热泵机组制热同时储能器放热模式；五种模式通过传感器控制阀门来进行模式切换。

3.根据权利要求2所述的热泵热水系统，其特征在于，所述的热泵机组单独制热模式中，只开启热泵机组制热供应热水，不使用储能器内的热量供应热水；与储能器相连接的管路都应切断；该模式开启第1电动二通阀(6)、第3电动二通阀(9)、第4电动二通阀(10)、第1电动三通阀(11)、第2电动三通阀(14)、第7电动二通阀(15)、第10电动二通阀(18)，其余阀门关闭；自来水补水和用户回水的冷水，经过热泵机组加热后直接供应给用户，由温度传感器监测热泵机组出水温度来判断是否开启电加热器；该模式热泵机组供水量与用户需求水量相等时开启。

4.根据权利要求2所述的热泵热水系统，其特征在于，所述的储能器单独蓄热模式中，开启热泵机组制取热水，热水流经分形相变储能器后，储能器内的相变材料发生固液相变吸收热水热量，热量蓄存至储能器内的相变材料中，且由于相变材料具有确定的熔点温度，可以使得经过储能器的热水水温保持在较低的恒定温度，循环流入热泵机组重新加热；该模式开启第1电动二通阀(6)、第3电动二通阀(9)、第4电动二通阀(10)、第1电动三通阀(11)、第6电动二通阀(13)、第2电动三通阀(14)、第9电动二通阀(17)、第10电动二通阀(18)，其余阀门关闭；该模式将在深夜无人用水时期开启。

5.根据权利要求2所述的热泵热水系统，其特征在于，所述的相变储能器单独放热模式中，设立了一根冷水旁通管路，即第5电动二通阀(12)所在管段，热泵机组为单工况运行；与传统蓄热系统采用双工况机组运行，用蓄热装置热量加热机组加热后的较低温度热水不同，该系统将冷水管路与蓄热装置连通，蓄热装置可直接加热冷水，增大了换热温差，提高了换热效率，且热泵机组无需在储能器蓄热和放热模式中采用双工况运行，热泵机组单工况运行的同时相变储能器也能蓄热或放热，使得储能器起到平衡供需的作用，该模式开启第1电动三通阀(11)、第5电动二通阀(12)、第8电动二通阀(16)、第10电动二通阀(18)，其余阀门关闭；该模式在热泵机组停止工作且用户用水需求较低时开启。

6.根据权利要求2所述的热泵热水系统，其特征在于，所述的热泵机组制热的同时储能器蓄热模式中，开启热泵机组，开启第1电动二通阀(6)、第3电动二通阀(9)、第4电动二通阀(10)、第1电动三通阀(11)、第6电动二通阀(13)、第2电动三通阀(14)、第7电动二通阀(15)、第9电动二通阀(17)、第10电动二通阀(18)，其余阀门均关闭；热泵机组制取的热水分成了两条支路，一条支路流向储能器后变成冷水，流回热泵机组后重新加热，构成一个封闭的循环；另一条支路直接将热水供应给用户；通过第2电动三通阀(14)调节两条支路的流量；该模式在用水低峰期时启用。

7.根据权利要求2所述的热泵热水系统，其特征在于，所述的热泵机组制热的同时储能器放热模式中，开启热泵机组，开启第1电动二通阀(6)、第3电动二通阀(9)、第4电动二通阀(10)、第1电动三通阀(11)、第5电动二通阀(12)、第2电动三通阀(14)、第7电动二通阀(15)、第8电动二通阀(16)、第10电动二通阀(18)，其余阀门均关闭；自来水补水的冷水流经第1电动三通阀(11)分出两条支路；一条支路通过第4电动二通阀(10)流向热泵机组(1)，由热泵机组加热后流向用户，另一条支路通过第5电动二通阀(12)流向相变储能器(2)，由储能器释放热量加热冷水后供给用户；通过第1电动三通阀(11)调节两条支路的水流量，以满足用户需求；该模式再用水高峰期时启用。

8.根据权利要求1所述的一种分形相变储能换热器热泵热水系统为管壳式换热器，其特征在于，换热器中心管道为高导热系数的金属管，换热管上有纵向分形肋片，换热管内为换热流体，外壳为双层金属壳，壳内填充保温绝热材料，换热管与外壳空腔内填充有相变材料，其中分形肋片的参数满足如下关系：

其中L_k—分形肋片第k级肋片的长度；

D_k—分形肋片第k级肋片的宽度；

N—第k级肋片的分支数，取N＝2；

Δ—第k级肋片的分形维数，取Δ＝2；

其中第0级肋长L₀的长度由R_out与R_in的差值和分叉角β决定，即L₀+L₁·cosβ₁+L₂＝R_out-R_in，β₁为第一级分叉角度；每一级肋片的分叉角度为90°，最末端一级肋片应调整分叉角度使得肋片均匀分布在外圆壁面上；其中第0级肋宽D₀的长度由肋片材料体积占整个内部空腔体积的5％～8％来计算确定。

9.根据权利要求1所述的分形相变储能换热器热泵热水系统，其特征在于，换热器换热管外径R_in和换热器外径R_out的比值需要控制在合理范围，即R_in/R_out＝0.15～0.2；R_in由换热流体的流量根据海澄-威廉公式控制比摩阻在400pa/m以下确定；R_out和储能器高度H由所需填充的相变材料的体积确定；而所需填充的相变材料体积由热泵热水系统所需的需热量与蓄热材料物性确定。