一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于跨季節(jié)蓄能供暖領(lǐng)域，特別涉及一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、相變蓄換熱器、采暖模塊、換熱器，各部件通過管路、閥門、循環(huán)泵連接在一起。本發(fā)明系統(tǒng)在非采暖季，將太陽熱能儲存在可實現(xiàn)穩(wěn)定過冷的不同溫位相變材料中，使其以過冷液態(tài)靜置；采暖季可實現(xiàn)熱媒水與集熱器直接換熱提供熱負(fù)荷和熱媒水與相變蓄換熱器直接換熱提供熱負(fù)荷兩種模式，且根據(jù)不同階段負(fù)荷分級觸發(fā)不同溫位相變材料單元凝固釋能。本系統(tǒng)利用跨季節(jié)相變蓄熱分級釋能提供冬季熱負(fù)荷思想，具有相變潛熱大、釋熱溫度較穩(wěn)定、可分級調(diào)節(jié)等特點，在跨季節(jié)蓄能供熱系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于跨季節(jié)蓄能供暖領(lǐng)域，特別涉及一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對住宅舒適性要求的提高，冬季低溫地板采暖技術(shù)由于其很好的熱舒適性和衛(wèi)生條件廣泛應(yīng)用于民用建筑中。普通采暖熱水主要由鍋爐或熱電廠換熱得到，依靠煤，電等常規(guī)能源。
[0003]太陽熱能作為自然界最常見的具有季節(jié)性與間歇性可再生能源，也逐步應(yīng)用于地板采暖。根據(jù)地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程，低溫?zé)崴孛孑椛涔┡圆桓哂?0°C的熱水為熱媒，可構(gòu)成太陽能低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)。太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)可實現(xiàn)太陽熱能由夏季轉(zhuǎn)移到冬季，解決熱量夏盈冬虧的技術(shù)瓶頸。目前已有的跨季節(jié)蓄能及熱泵供暖系統(tǒng)，蓄能主要介質(zhì)主要有熱水、礫石-水、土壤和蓄水層等顯熱蓄熱儲存夏季太陽能等形式，以上形式存在蓄熱裝置體積大，蓄熱效率低等問題，進一步研究設(shè)計了太陽能季節(jié)相變蓄熱熱泵系統(tǒng)，在夏季利用相變蓄熱材料貯存太陽熱能，采暖季通過熱泵系統(tǒng)將貯存在相變材料(PCM)中的熱量取出來供給室內(nèi)，仍存在蓄熱裝置跨季節(jié)散熱損失較大等問題。
[0004]為更有效地提高太陽能熱利用率及改進系統(tǒng)裝置，本發(fā)明提出利用不同溫位相變材料跨季節(jié)(蓄換熱器)過冷蓄熱，采暖季根據(jù)不同負(fù)荷需求釋放相應(yīng)溫位PCM潛熱與供熱介質(zhì)換熱運行供暖模式。
[0005]相變材料(PCM)按相變溫度的范圍可分為高溫(大于250°C)、中溫(100—250°C)和低溫(小于IO(TC)儲能材料。此系統(tǒng)適合采用低溫儲能相變材料中導(dǎo)熱系數(shù)大、相變潛熱大、過冷度大、能量密度高等特點的相變材料，系統(tǒng)中所需理想相變材料的相變溫度是受采暖熱媒水入口溫度限制的特定溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是利用跨季節(jié)相變材料過冷蓄能分級釋能與地板采暖系統(tǒng)相結(jié)合，通過跨季節(jié)蓄/放熱調(diào)節(jié)太陽能季節(jié)性的峰谷分布，以提高太陽能有效利用率。非采暖期，將太陽能集熱器收集的太陽熱能，儲存在過冷度較大、可實現(xiàn)穩(wěn)定過冷的不同溫位相變材料中；采暖期間，可通過機械振動、電場、磁場、超聲波或局部低溫等手段觸發(fā)過冷蓄熱單元相應(yīng)溫位相變材料凝固分級放熱。
[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)及方法。
[0008]一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)，所述采暖系統(tǒng)中相變蓄換熱器由多個PCM蓄能單元并聯(lián)構(gòu)成，所述每個PCM蓄能單元的兩端均設(shè)置控制閥門；所述每個PCM蓄能單元由I個或多個PCM層和2個或多個熱媒水層構(gòu)成，其中最外層均為熱媒水層，所述PCM層和熱媒水層交替間隔相連排列，所述PCM層為密閉結(jié)構(gòu)；所述每個PCM蓄能單元中，每個熱媒水層均與設(shè)置在該PCM蓄能單元兩端的控制閥門相通；所述每個PCM蓄能單元分別與觸發(fā)裝置相連；所述相變蓄換熱器使用兩種以上不同相變溫位的PCM材料，單個PCM蓄能單元中PCM層使用的PCM材料相同；
[0009]所述采暖系統(tǒng)中太陽能集熱器、第三閥門、換熱器、第四閥門、集熱循環(huán)泵和太陽能集熱器依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路；其中，所述太陽能集熱器進水端與集熱循環(huán)泵通過管路相連，所述集熱循環(huán)泵分別與第一閥門、第四閥門和第五閥門通過管路相連；所述太陽能集熱器出水端分別與第二閥門和第三閥門通過管路相連，所述第二閥門與第三閥門通過管路相連；
[0010]所述采暖系統(tǒng)中相變蓄換熱器的一端分別與第五閥門和第七閥門通過管路相連，另一端與第六閥門通過管路相連；所述第六閥門分別與第一閥門、第二閥門和第十閥門通過管路相連；所述第五閥門分別與第一閥門、第四閥門和第七閥門通過管路相連；所述第一閥門分別與第二閥門、第四閥門和第十閥門通過管路相連；所述第二閥門與第十閥門通過管路相連；所述第七閥門分別與第八閥門和采暖模塊出水端通過管路相連；所述第十閥門分別與第九閥門和供熱循環(huán)泵通過管路相連；
[0011]所述采暖系統(tǒng)中換熱器、第九閥門、供熱循環(huán)泵、采暖模塊、第八閥門和換熱器依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路；其中所述供熱循環(huán)泵與采暖模塊進水端通過管路相連，所述第八閥門與采暖模塊出水端通過管路相連；
[0012]所述太陽能集熱器、第二閥門、第六閥門、相變蓄換熱器、第五閥門、集熱循環(huán)泵和太陽能集熱器依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路。
[0013]所述相變蓄換熱器、第六閥門、第十閥門、供熱循環(huán)泵、采暖模塊、第七閥門和相變蓄換熱器依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路。
[0014]所述太陽能集熱器出水端管路上分別設(shè)置壓力計和溫度計。
[0015]所述相變蓄換熱器兩端管路上分別設(shè)置一個壓力計，所述相變蓄換熱器兩端管路上分別設(shè)置一個溫度計。
[0016]所述采熱模塊進水端管路上分別設(shè)置壓力計和溫度計；所述采熱模塊出水端管路上分別設(shè)置壓力計和溫度計。
[0017]所述多個PCM蓄能單元中所使用的PCM材料為導(dǎo)熱系數(shù)大、相變潛熱大、過冷度大、能量密度高等特點的相變材料，如NaCH3CO0.3H20、Na2S2O3.5H20和Zn (NO3) 2.6H20等中的兩種或二種。
[0018]所述換熱器為板式換熱器。
[0019]一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)的采暖方法，其具體方法如下:非采暖季，太陽能集熱器收集比較豐富的太陽熱能以水為媒介輸送到相變蓄換熱器，加熱PCM材料使之相變蓄熱(充熱階段)，以滿足太陽能跨季節(jié)使用；采暖季當(dāng)太陽能充足時，太陽能集熱器通過換熱器直接與熱媒水換熱直接向采暖模塊提供熱負(fù)荷進行采暖(可以同時實現(xiàn)對相變蓄換熱器的充熱蓄熱)；采暖季當(dāng)太陽能不足時，關(guān)閉太陽能集熱器，熱負(fù)荷完全由相變蓄換熱器提供。
[0020]在采暖嚴(yán)寒期，使用相變蓄換熱器進行分級釋能，具體方法為:將具有不同相變溫位的PCM材料儲存于相變蓄換熱器，采用分級釋能、控制級間PCM單元數(shù)量的供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，從而持續(xù)滿足采暖模塊熱負(fù)荷需求。[0021]利用PCM材料過冷特性實現(xiàn)跨季節(jié)蓄熱，即利用PCM材料在溫度適宜且恒定的環(huán)境下具有穩(wěn)定過冷的性質(zhì)，實現(xiàn)PCM材料跨季節(jié)蓄能的液態(tài)靜置階段，具體方法為:將太陽能集熱器收集的太陽熱能以為水為媒介輸送到相變蓄換熱器，加熱PCM材料使之相變蓄熱，PCM材料吸熱融化后處于過熱狀態(tài)，然后將其自然冷卻至周圍環(huán)境溫度，保持過冷液態(tài)。
[0022]通過確定PCM蓄能單元形式，建立與供熱末端相匹配的模塊化相變蓄換熱器；根據(jù)采暖季不同階段熱負(fù)荷需求，選擇不同溫位的PCM材料，建立根據(jù)階段熱負(fù)荷分級觸發(fā)相應(yīng)溫位PCM蓄能單元的供熱機制，根據(jù)同一階段內(nèi)熱負(fù)荷的變化，建立級間控制PCM蓄能單元數(shù)量的負(fù)荷調(diào)節(jié)方式，從而實現(xiàn)對熱媒水換熱量的調(diào)節(jié)，具體方法為:將不同溫位的PCM材料分別儲存于不同的PCM蓄能單元；采暖嚴(yán)寒期，根據(jù)所需熱負(fù)荷大小的階段性變化，觸發(fā)使用不同溫位的PCM蓄能單元。
[0023]在采暖季初末期，太陽能集熱器直接向采暖模塊提供熱負(fù)荷，同時可實現(xiàn)繼續(xù)對相變蓄換熱器蓄熱。
[0024]本發(fā)明的 有益效果為:
[0025]本發(fā)明系統(tǒng)及方法充分利用太陽能自然能源，緩解了對常規(guī)能源的依賴，利用相變材料穩(wěn)定過冷特性，可實現(xiàn)相變材料跨季節(jié)蓄能的液態(tài)靜置階段，從而可減緩蓄熱裝置跨季節(jié)散熱損失較大這一問題。并且由于使用不同相變溫位、PCM潛熱輸出溫度較穩(wěn)定，可以依此控制采暖模塊埋管入口水溫的高低，達到對供暖系統(tǒng)的分級釋能效果。相變材料儲能具有體積小，潛熱大，便于模塊化實施等優(yōu)點，在滿足房間熱負(fù)荷的情況下，利用清潔能源實現(xiàn)穩(wěn)定供熱，具有較好的節(jié)能和經(jīng)濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明PCM蓄能單元結(jié)構(gòu)示意圖(圖中僅示出四層PCM層，實際應(yīng)用中，PCM層數(shù)可為1、2、…、η)；
[0028]圖3為本發(fā)明PCM蓄能單元(圖中僅示出四層PCM層)三維立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖中標(biāo)號:I一第一閥門、2一第二閥門、3一第二閥門、4一第四閥門、5一第五閥門、6一第六閥門、7—第七閥門、8—第八閥門、9一第九閥門、10—第十閥門、a—a閥門、b—b閥門、c一c閥門、d一d閥門、11 一太陽能集熱器、12—相變畜換熱器、13—米暖模塊、14一換熱器、15—集熱循環(huán)泵、16—供熱循環(huán)泵、17—PCM蓄能單元、Pl—第一壓力計、Tl一第一溫度計、P2—第二壓力計、T2—第二溫度計、P3—第二壓力計、T3—第二溫度計、P4—第四壓力計、T4一第四溫度計、P5—第五壓力計、T5—第五溫度計、hi—PCM蓄能單元中水層高度、h2 — PCM蓄能單元中PCM層高度、W — PCM蓄能單元寬度、L-PCM蓄能單元長度。
【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明提供了一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)及方法，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0031]一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)，所述采暖系統(tǒng)中相變蓄換熱器12由多個PCM蓄能單元17并聯(lián)構(gòu)成，所述每個PCM蓄能單元17的兩端均設(shè)置控制閥門；所述每個PCM蓄能單元17由I個或多個PCM層和2個或多個熱媒水層構(gòu)成，其中最外層均為熱媒水層，所述PCM層和熱媒水層交替間隔相連排列，所述PCM層為密閉結(jié)構(gòu)；所述每個PCM蓄能單元17中，每個熱媒水層均與設(shè)置在該PCM蓄能單元17兩端的控制閥門相通；所述每個PCM蓄能單元17分別與觸發(fā)裝置相連；所述相變蓄換熱器12使用兩種以上不同相變溫位的PCM材料，單個PCM蓄能單元17中PCM層使用的PCM材料相同；
[0032]所述采暖系統(tǒng)中太陽能集熱器11、第三閥門3、換熱器14、第四閥門4、集熱循環(huán)泵15和太陽能集熱器11依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路；其中，所述太陽能集熱器11進水端與集熱循環(huán)泵15通過管路相連，所述集熱循環(huán)泵15分別與第一閥門1、第四閥門4和第五閥門5通過管路相連；所述太陽能集熱器11出水端分別與第二閥門2和第三閥門3通過管路相連，所述第二閥門2與第三閥門3通過管路相連；
[0033]所述采暖系統(tǒng)中相變蓄換熱器12的一端分別與第五閥門5和第七閥門7通過管路相連，另一端與第六閥門6通過管路相連；所述第六閥門6分別與第一閥門1、第二閥門2和第十閥門10通過管路相連；所述第五閥門5分別與第一閥門1、第四閥門4和第七閥門7通過管路相連；所述第一閥門I分別與第二閥門2、第四閥門4和第十閥門10通過管路相連；所述第二閥門2與第十閥門10通過管路相連；所述第七閥門7分別與第八閥門8和采暖模塊13出水端通過管路相連；所述第十閥門10分別與第九閥門9和供熱循環(huán)泵16通過管路相連；
[0034]所述采暖系統(tǒng)中換熱器14、第九閥門9、供熱循環(huán)泵16、采暖模塊13、第八閥門8和換熱器14依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路；其中所述供熱循環(huán)泵16與采暖模塊13進水端通過管路相連，所述第八閥門8與采暖模塊13出水端通過管路相連；
[0035]所述太陽能集熱器11、第二閥門2、第六閥門6、相變蓄換熱器12、第五閥門5、集熱循環(huán)泵15和太陽能集熱器11依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路。
[0036]所述相變蓄換熱器12、第六閥門6、第十閥門10、供熱循環(huán)泵16、采暖模塊13、第七閥門7和相變蓄換熱器12依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路。
[0037]所述太陽能集熱器11出水端管路上分別設(shè)置壓力計Pl和溫度計Tl。
[0038]所述相變蓄換熱器12兩端管路上分別設(shè)置一個壓力計(P4、P5)，所述相變蓄換熱器12兩端管路上分別設(shè)置一個溫度計(T4、T5)。
[0039]所述采熱模塊13進水端管路上分別設(shè)置壓力計P2和溫度計T2 ;所述采熱模塊13出水端管路上分別設(shè)置壓力計P3和溫度計T3。
[0040]所述多個PCM蓄能單元17中所使用的PCM材料為導(dǎo)熱系數(shù)大、相變潛熱大、過冷度大、能量密度高等特點的相變材料，如NaCH3CO0.3H20、Na-2S203.5H20和Zn(NO3)2.6H20等中的兩種或三種。
[0041]所述換熱器14為板式換熱器。
[0042]非采暖季，利用太陽能集熱器11對相變蓄換熱器12蓄熱；采暖季初末期，太陽能集熱器11直接向采暖模塊13提供熱負(fù)荷，同時也可對相變蓄換熱器12充熱；采暖嚴(yán)寒期，采暖模塊13熱負(fù)荷完全由相變蓄換熱器12提供。本系統(tǒng)的核心為跨季節(jié)過冷蓄能分級釋能部分，具體是將具有不同相變溫位的相變材料(如三級溫位的相變材料可以是PCM-1NaCH3CO0.3H20、PCMH2S2O3.5H20、PCM_3Zn (NO3) 2.6H20，但不限于這些相變材料)儲存于相變蓄換熱器12，采用分級釋能、控制級間PCM蓄能單元17數(shù)量(根據(jù)不同地區(qū)某一階段采暖期內(nèi)所需熱負(fù)荷的差異，可通過不同PCM蓄能單元17數(shù)量滿足熱負(fù)荷，其中，PCM蓄能單元17中PCM層數(shù)可為1，2，…，η等，如圖2、3中PCM蓄能單元17PCM層為四層)的供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，從而持續(xù)滿足采暖模塊熱負(fù)荷需求。[0043]利用相變材料過冷特性實現(xiàn)跨季節(jié)蓄熱，對大多數(shù)水合鹽相變材料進行熱分析測試后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)融化了的水合鹽降溫冷卻到理論上的相變點時，結(jié)晶往往并不發(fā)生，要繼續(xù)下降幾度到幾十度。本系統(tǒng)就是利用相變材料在溫度適宜且較恒定的環(huán)境下(如地下室)具有穩(wěn)定過冷的性質(zhì)，實現(xiàn)相變材料跨季節(jié)蓄能的液態(tài)靜置階段。具體是將太陽能集熱器11收集的太陽熱能以水為媒介輸送到相變蓄換熱器12，加熱相變材料使之相變蓄熱(充熱階段)，相變材料吸熱融化后處于過熱狀態(tài)，然后將其自然冷卻至周圍環(huán)境溫度，保持過冷液態(tài)。
[0044]通過確定相變蓄換熱單元形式，建立與供熱末端相匹配的模塊化相變材料相變蓄換熱器12。如圖1所示，根據(jù)采暖季不同階段房間負(fù)荷需求，選擇不同溫位(相變溫度)的相變材料，建立根據(jù)階段負(fù)荷分級觸發(fā)相應(yīng)溫位PCM蓄能單元17的供熱機制，根據(jù)同一階段內(nèi)熱負(fù)荷的變化，建立級間控制PCM蓄能單元17數(shù)量的負(fù)荷調(diào)節(jié)方式，從而實現(xiàn)對媒介水換熱量的調(diào)節(jié)。具體是將不同相變溫位相變材料(如PCM-1、PCM-2、…、PCM-m等)分別儲存于不同PCM蓄能單元17。采暖嚴(yán)寒期，根據(jù)所需熱負(fù)荷大小的階段性變化，觸發(fā)使用不同溫位的PCM蓄能單元17。較高熱負(fù)荷時觸發(fā)較高溫位相變材料釋能供熱，較低負(fù)荷時觸發(fā)較低溫位相變材料釋能供熱。以北京地區(qū)為例，室外平均溫度約為0°C，所需平均熱負(fù)荷約為40W/m2，可觸發(fā)較低溫位PCM-2Na2S203.5H20(不限于此相變材料)釋熱換熱。當(dāng)室外平均溫度約為-4°C，所需平均熱負(fù)荷約為50W/m2時，可觸發(fā)較高溫位PCM-1NaCH3CO0.3H20(不限于此相變材料)釋熱換熱。此系統(tǒng)中，采用分級釋能方法(如不同溫位的PCM-l、PCM-2、PCM-3等)及控制級間PCM蓄能單元17數(shù)量(釋熱階段)可以持續(xù)滿足采暖模塊13熱負(fù)荷需求。
[0045]實施例1
[0046]本實施例提供一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)在不同時期處于不同的運行模式。運行模式主要有:蓄熱模式、太陽能直接供暖模式、PCM釋熱供暖模式。
[0047]該系統(tǒng)所用的PCM蓄能單元17模型建議PCM層數(shù)η為20_30層；
[0048]橫截面L、W建議尺寸參數(shù):1000mm (長度L) *600mm (寬度W)；
[0049]縱截面hl、h2建議尺寸參數(shù):中層密閉結(jié)構(gòu)高度(h2=50mm)，放置PCM材料；
[0050]上下兩層高度(hl=20mm)，流經(jīng)熱媒水。
[0051]整個系統(tǒng)(如圖1所示)全年可實現(xiàn)三種運行模式。具體運行流程(以兩種溫位PCM材料分級調(diào)節(jié)為例)如下:
[0052]1、非采暖季蓄熱循環(huán):第二閥門2、第六閥門6、第五閥門5、PCM蓄能單元17兩端的控制閥門和集熱循環(huán)泵15均開啟，太陽能集熱器內(nèi)流經(jīng)的熱媒水升溫后通過第六閥門6，流經(jīng)相變蓄換熱器12 (PCM蓄能單元17逐一開啟進行充熱)，經(jīng)第五閥門5、集熱循環(huán)泵15流回太陽能集熱器11。
[0053]2、采暖季當(dāng)太陽熱能較豐富，而房間熱負(fù)荷較小，室外溫度約為3~10°C(供暖初末期，如北京地區(qū)通常為采暖開始的前半月及距離供暖結(jié)束的后半月，即室外平均溫度約6°C時)，第三閥門3、第四閥門4，集熱循環(huán)泵15均開啟，完成第一循環(huán)系統(tǒng)A ;第九閥門9、第八閥門8，供熱循環(huán)泵16開啟，完成第二循環(huán)系統(tǒng)B ；A循環(huán)系統(tǒng)和B循環(huán)系統(tǒng)通過板式換熱器14換熱實現(xiàn)對地板采暖模塊13供熱；
[0054]當(dāng)太陽熱能較豐富，集熱器集熱能夠滿足房間供暖需求前提下，并且集熱器出水溫度高于相應(yīng)相變溫度4°C及以上時，可同時開啟第二閥門2、第六閥門6、第五閥門5和PCM蓄能單元17兩端的控制閥門，實現(xiàn)相變蓄熱器的蓄熱循環(huán)。
[0055]3、采暖季當(dāng)太陽輻射量低，房間熱負(fù)荷需求較大時(供暖嚴(yán)寒期)，停止太陽能熱水集熱器11、板式換熱器14的使用，第七閥門7、第六閥門6、第十閥門10及供熱循環(huán)泵16均開啟；熱媒水與相變蓄換熱器12換熱升溫后經(jīng)第十閥門10、供熱循環(huán)泵16流入地板采暖模塊13，由第七閥門7流回相變蓄換熱器12，完成供暖。房間所需熱負(fù)荷相對較小，室外溫度約為-3?5°C時(如北京地區(qū)建議為12月的前半月及2月的后半月，即室外平均溫度約為0°C，所需平均熱負(fù)荷約為40W/m2時)，開啟較低溫位PCM蓄能單元17兩端的控制閥門(c、d閥門)，通過機械振動、電場、磁場、超聲波或局部低溫等手段觸發(fā)較低溫位PCM材料釋熱(如PCM-2可采用Na2S2O3.5Η20)，使熱媒水與相變溫度較低的PCM材料換熱；當(dāng)房間所需熱負(fù)荷較大，室外溫度約為-10?I°C時(如北京地區(qū)建議為12月中旬至2月中旬，即室外平均溫度約為-4°C，所需平均熱負(fù)荷約為50W/m2時)，開啟較高溫位PCM蓄能單元17兩端的控制閥門(a、b閥門)，觸發(fā)較高溫位PCM材料釋熱(如PCM-1可采用NaCH3CO0.3H20),使熱媒水與相變溫度較高的PCM材料換熱。
【權(quán)利要求】
1.一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)，其特征在于:所述采暖系統(tǒng)中相變蓄換熱器(12)由多個PCM蓄能單元(17)并聯(lián)構(gòu)成，所述每個PCM蓄能單元(17)的兩端均設(shè)置控制閥門；所述每個PCM蓄能單元(17)由I個或多個PCM層和2個或多個熱媒水層構(gòu)成，其中最外層均為熱媒水層，所述PCM層和熱媒水層交替間隔相連排列，所述PCM層為密閉結(jié)構(gòu)；所述每個PCM蓄能單元(17)中，每個熱媒水層均與設(shè)置在該PCM蓄能單元(17)兩端的控制閥門相通；所述每個PCM蓄能單元(17)分別與觸發(fā)裝置相連；所述相變蓄換熱器(12)使用兩種以上不同相變溫位的PCM材料，單個PCM蓄能單元(17)中PCM層使用的PCM材料相同； 所述采暖系統(tǒng)中太陽能集熱器(11)、第三閥門(3)、換熱器(14)、第四閥門(4)、集熱循環(huán)泵(15)和太陽能集熱器(11)依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路；其中，所述太陽能集熱器(11)進水端與集熱循環(huán)泵(15)通過管路相連，所述集熱循環(huán)泵(15)分別與第一閥門(I)、第四閥門(4)和第五閥門(5)通過管路相連；所述太陽能集熱器(11)出水端分別與第二閥門(2)和第三閥門(3)通過管路相連，所述第二閥門(2)與第三閥門(3)通過管路相連； 所述采暖系統(tǒng)中相變蓄換熱器(12)的一端分別與第五閥門(5)和第七閥門(7)通過管路相連，另一端與第六閥門(6)通過管路相連；所述第六閥門(6)分別與第一閥門(I)、第二閥門(2)和第十閥門(10)通過管路相連；所述第五閥門(5)分別與第一閥門(I)、第四閥門(4)和第七閥門(7)通過管路相連；所述第一閥門(I)分別與第二閥門(2)、第四閥門(4)和第十閥門(10)通過管路相連；所述第二閥門(2)與第十閥門(10)通過管路相連；所述第七閥門(7)分別與第八閥門(8)和采暖模塊(13)出水端通過管路相連；所述第十閥門(10)分別與第九閥門(9)和供熱 循環(huán)泵(16)通過管路相連； 所述采暖系統(tǒng)中換熱器(14)、第九閥門(9)、供熱循環(huán)泵(16)、采暖模塊(13)、第八閥門(8)和換熱器(14)依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路；其中所述供熱循環(huán)泵(16)與采暖模塊(13)進水端通過管路相連，所述第八閥門(8)與采暖模塊(13)出水端通過管路相連； 所述太陽能集熱器(11)、第二閥門(2)、第六閥門(6)、相變蓄換熱器(12)、第五閥門(5)、集熱循環(huán)泵(15)和太陽能集熱器(11)依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路； 所述相變蓄換熱器(12)、第六閥門(6)、第十閥門(10)、供熱循環(huán)泵(16)、采暖模塊(13)、第七閥門(7)和相變蓄換熱器(12)依次通過管路相連，構(gòu)成閉合循環(huán)回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)，其特征在于:所述太陽能集熱器(11)出水端管路上分別設(shè)置壓力計和溫度計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)，其特征在于:所述相變蓄換熱器(12)兩端管路上分別設(shè)置一個壓力計，所述相變蓄換熱器(12)兩端管路上分別設(shè)置一個溫度計。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)，其特征在于:所述采熱模塊(13)進水端管路上分別設(shè)置壓力計和溫度計；所述采熱模塊(13)出水端管路上分別設(shè)置壓力計和溫度計。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)，其特征在于:所述多個PCM蓄能單元(17)中所使用的PCM材料為NaCH3CO0.3H20、Na2S2O3.5H20和Zn (NO3)2.6H20中的兩種或三種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)，其特征在于:所述換熱器(14)為板式換熱器。
7.如權(quán)利要求1-5任意一項權(quán)利要求所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)的采暖方法，其特征在于，具體方法如下: 非采暖季，利用太陽能集熱器(11)對相變蓄換熱器(12)蓄熱；采暖季初期和末期，太陽能集熱器(11)直接向采暖模塊(13)提供熱負(fù)荷；采暖嚴(yán)寒期，采暖模塊(13)熱負(fù)荷完全由相變蓄換熱器(12)提供； 在采暖嚴(yán)寒期，使用相變蓄換熱器(12)進行分級釋能，具體方法為:將具有不同相變溫位的PCM材料儲存于相變蓄換熱器(12)，采用分級釋能、控制級間PCM蓄能單元(17)數(shù)量的供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，從而持續(xù)滿足采暖模塊(13)不同階段熱負(fù)荷需求。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)的采暖方法，其特征在于:利用PCM材料過冷特性實現(xiàn)跨季節(jié)蓄熱，利用PCM材料在溫度適宜且恒定的環(huán)境下具有穩(wěn)定過冷的性質(zhì)，實現(xiàn)PCM材料跨季節(jié)蓄能的液態(tài)靜置階段，具體方法為:將太陽能集熱器(11)收集的太陽熱能以水為媒介輸送到相變蓄換熱器(12)，加熱PCM材料使之相變蓄熱，PCM材料吸熱融化后處于過熱狀態(tài)，然后將其自然冷卻至周圍環(huán)境溫度，保持過冷液態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)的采暖方法，其特征在于:通過確定PCM蓄能單元(17)形式，建立與供熱末端相匹配的模塊化相變蓄換熱器(12);根據(jù)采暖季不同階段熱負(fù)荷需求，選擇不同溫位的PCM材料，建立根據(jù)階段熱負(fù)荷分級觸發(fā) 相應(yīng)溫位PCM蓄能單元(17)的供熱機制，根據(jù)同一階段內(nèi)熱負(fù)荷的變化，建立級間控制PCM蓄能單元(17)數(shù)量的負(fù)荷調(diào)節(jié)方式，從而實現(xiàn)對熱媒水換熱量的調(diào)節(jié)，具體方法為:將不同溫位的PCM材料分別儲存于不同的PCM蓄能單元(17);采暖嚴(yán)寒期，根據(jù)所需熱負(fù)荷大小的階段性變化，觸發(fā)使用不同溫位的PCM蓄能單元(17)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種跨季節(jié)太陽能-相變蓄能分級釋能采暖系統(tǒng)的采暖方法，其特征在于:在采暖季初末期，太陽能集熱器直接向采暖模塊(13)提供熱負(fù)荷，同時實現(xiàn)繼續(xù)對相變蓄換熱器(12)蓄熱。
【文檔編號】F24D3/10GK103712255SQ201410025925
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】周國兵, 王雪皎, 韓玉維 申請人:華北電力大學(xué)