一种新型相变蓄热单元及其设计方法技术

本发明专利技术提出了一种新型相变蓄热单元及其设计方法，所述的新型相变蓄热单元包括双层套筒结构的容器，容器的内筒与外筒之间的区域为容纳空间，容纳空间中封装有相变材料，容纳空间中还设有蓄热换热器和释热换热器。本发明专利技术的新型相变蓄热单元具有蓄热、释热和边蓄热边释热三种模式，使得相变蓄热单元不仅仅起到热量的移峰填谷作用，同时也是将不稳定的波动大的热源整定为供热稳定且温度波动小的热能，使供热末端的温度不出现明显波动。而且相变蓄热单元的中间为中心孔，不填充相变材料，蓄热换热器和释热换热器内部流体与周围相变材料通过导热和自然对流两种方式实现热量传递，提高蓄热效率和释热效率，经济性好。经济性好。经济性好。

【技术实现步骤摘要】
一种新型相变蓄热单元及其设计方法


[0001]本专利技术属于相变蓄热
，具体涉及一种新型相变蓄热单元及其设计方法。

技术介绍

[0002]太阳能资源存在着显著的间歇性和不稳定性，为了平衡建筑供暖需求的稳定性与太阳能资源的不稳定性之间的矛盾，就必须采用蓄热方法来对太阳能进行时空转移。相对于传统显热蓄热，相变蓄热有着蓄热密度大，蓄热体积小、蓄热过程温度变化小等诸多优点，引起了行业的广泛关注。
[0003]将相变材料封装于传统水箱之中做成相变蓄热水箱，利用水和相变材料共同作为蓄热介质，实现显热蓄热和潜热蓄热相结合，是相变蓄热装置早期的主要形式，属于部分相变蓄热。相变蓄热装置的另一种形式则是相变蓄热单元，即蓄热介质只有相变材料，属于全相变蓄热。相较之下，相变蓄热水箱由于只采用了部分相变蓄热，相同体积的蓄热量不如采用全相变蓄热的相变蓄热单元，相同蓄热量下其体积更大，散热损失也更大。而且，无论采用何种封装形式，相变蓄热水箱在实际运行过程中都会存在相变材料的泄漏问题，泄露的相变材料会进入于水箱之中，随着水循环进入管路，堵塞水泵及其它阀件，造成水泵电机的损坏。而相变蓄热单元通过壳管式换热器实现了相变材料和循环水的物理分离，即便相变材料存在泄漏也不会影响水循环。由此可见，全相变蓄热的相变蓄热单元较部分相变蓄热的相变蓄热水箱，有着更好的工程应用潜力。
[0004]就工程应用而言，目前的相变蓄热单元也存在着两个主要问题。
[0005]一是相变蓄热单元的蓄热过程和释热过程通常是分开进行，即相变蓄热单元要么蓄热、要么释热，难以同时实现热量的蓄存和释放过程。通常的操作方式是，在冬季晴朗的白天，利用太阳能集热装置来收集太阳能并将其储存在相变蓄热单元中，在夜晚或者阴雨的白天再将相变蓄热单元中储存的热量取出来输送到室内供暖末端，提高室内温度水平。在晴朗的白天，当室内需要供暖的时候，则是将来自太阳能集热装置的热水直接送往供暖末端，由于太阳能集热装置出水温度波动较大，容易造成室内的温度波动。
[0006]二是目前相变蓄热单元内部的相变材料使用效率较低。由于相变材料的导热系数较低(约0.2W/(m
·
K))，目前在提高相变蓄热单元内部的换热效率方面展开了很多研究，一个主要的研究方向是增加壳管式换热器的换热面积。采用螺旋管式换热器替代直管式换热器就是很好的思路，根据换热方式的不同，可以将螺旋管换热器内部粗略分为两个换热区域，一个是螺旋圆柱面(螺旋管缠绕直径沿着竖向形成的圆柱面)以外的区域，在这一区域，螺旋管内部流体与周围相变材料通过导热和自然对流两种方式实现热量传递。而在螺旋圆柱面以内，中心区域的相变材料无法与螺旋管内的流体直接换热，主要是通过导热的方式从螺旋圆柱面吸收热量。既有研究表明，无论是熔化还是凝固，相变材料的自然对流的换热强度远大于导热。因此，相变蓄热单元螺旋圆柱面内部的换热强度远小于外部区域，会大大延长蓄热时间和释热时间，降低蓄热效率和释热效率，严重制约了其技术经济性。
[0007]此外，随着生活水平的提高，人们对室内空气质量要求越来越高。而传统的冬季室
内供暖通常没有新风系统，导致室内空气质量较差，影响人体的舒适性。但引入新风系统会大幅度增加系统的能耗，一方面是风机的输运能耗，另一方面是新风的加热能耗，所以在引入新风保证室内舒适性的同时还需要降低新风系统能耗，提升系统的能效比。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的第一个目的是提供一种新型相变蓄热单元，以解决现有相变蓄热单元无法同时进行蓄热和释热的技术问题。本专利技术的第二个目的是提供一种具有前述新型相变蓄热单元的太阳能供暖系统。本专利技术的第三个目的是提供前述新型相变蓄热单元的设计方法。
[0009]为达到上述第一个目的，本专利技术采用如下技术方案：一种新型相变蓄热单元，包括容器，容器为双层的套筒结构，容器具有环形的内壁内筒、以及环套设在内壁内筒外的环形的外壁外筒，内筒与外筒之间的区域为容纳空间，容纳空间中封装有相变材料，容纳空间中还设有蓄热换热器和释热换热器，相变材料与蓄热换热器和释热换热器的外表面接触，容器还具有与蓄热换热器入口连接的蓄热水进口、与蓄热换热器出口连接的蓄热水出口、与释热换热器入口连接的释热水进口、以及与释热换热器出口连接的释热水出口。
[0010]上述技术方案中，在容器的容纳空间中同时设置蓄热换热器和释热换热器，使得该相变蓄热单元具有蓄热、释热和边蓄热边释热三种模式，使得相变蓄热单元不仅仅起到热量的移峰填谷作用，同时也是将不稳定的波动大的热源整定为供热稳定且温度波动小的热能，使供热末端的温度不出现明显波动。而且相变蓄热单元的容器为双层的套筒结构，相变蓄热单元的中间为中心孔，不填充相变材料，蓄热换热器和释热换热器内部流体与周围相变材料通过导热和自然对流两种方式实现热量传递，提高蓄热效率和释热效率，提高了相变材料的整体利用效率，经济性好。
[0011]在本专利技术的一种优选实施方式中，蓄热换热器和/或释热换热器为螺旋设在容纳空间中的盘管。相比直管式换热器，本方案采用螺旋管式换热器，进一步提高相变材料的整体利用效率。
[0012]在本专利技术的一种优选实施方式中，容器为圆筒形。
[0013]为达到上述第二个目的，本专利技术采用如下技术方案：一种太阳能供暖系统包括太阳能集热装置、前述的相变蓄热单元、以及能量利用装置，相变蓄热单元的蓄热水进口通过第一水管与太阳能集热装置的出水口连通，相变蓄热单元的蓄热水出口通过第二水管与太阳能集热装置的进水口连通，第一水管或第二水管上设有蓄热循环泵；相变蓄热单元的释热水出口通过第三水管与能量利用装置的进水口连通，相变蓄热单元的释热水进口通过第四水管与能量利用装置的出水口连通，第三水管或第四水管上设有供热循环泵；内筒沿其长度方向的两端分别为进气口和出气口，进气口通过进气管与外界大气连通，出气口与新风管道入口连接。
[0014]上述技术方案中，将本申请的相变蓄热单元用于太阳能供暖系统中，既提高传统相变蓄热单元的蓄热效率和经济性，又可以实现在太阳能供暖系统在边蓄热边供热运行模式室内温度不出现明显波动。而且内筒还可作为中空风道，与新风系统的新风管道连接，相变材料通过内筒侧壁加热内筒内部的低温新风，被加热后的新风经新风管道输送至室内，由此实现新风系统的节能性，对相变蓄热单元的规模化应用具有重要的现实意义。
[0015]在本专利技术的一种优选实施方式中，第一水管上设有第一水阀，第二水管上设有第二水阀，第三水管上设有第三水阀，第四水管上设有第四水阀。
[0016]在本专利技术的一种优选实施方式中，第三水管上设有辅助加热器。
[0017]上述技术方案中，通过设置辅助加热器，当能量利用装置的进水口的水温低于设定温度时，开启辅助加热器对其进行加热，直至能量利用装置的进水口的水温达到设定温度。
[0018]在本专利技术的另一种优选实施方式中，进气口位于出气口的下方。
[0019]上述技术方案中，空气受热作用下，中空风道中的空气温度上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型相变蓄热单元，其特征在于，包括容器，所述容器为双层的套筒结构，所述容器具有环形的内筒、以及环套设在内筒外的环形的外筒，所述内筒与外筒之间的区域为容纳空间，容纳空间中封装有相变材料，容纳空间中还设有蓄热换热器和释热换热器，所述相变材料与蓄热换热器和释热换热器的外表面接触，所述容器还具有与蓄热换热器入口连接的蓄热水进口、与蓄热换热器出口连接的蓄热水出口、与释热换热器入口连接的释热水进口、以及与释热换热器出口连接的释热水出口。2.根据权利要求1所述的一种新型相变蓄热单元，其特征在于，所述蓄热换热器和/或释热换热器为螺旋设在所述容纳空间中的盘管。3.根据权利要求1所述的一种新型相变蓄热单元，其特征在于，所述容器为圆筒形。4.一种太阳能供暖系统，包括太阳能集热装置、相变蓄热单元、以及能量利用装置，其特征在于，所述相变蓄热单元为权利要求1
‑
3中任一项所述的新型相变蓄热单元，所述相变蓄热单元的蓄热水进口通过第一水管与所述太阳能集热装置的出水口连通，所述相变蓄热单元的蓄热水出口通过第二水管与所述太阳能集热装置的进水口连通，所述第一水管或第二水管上设有蓄热循环泵；所述相变蓄热单元的释热水出口通过第三水管与所述能量利用装置的进水口连通，所述相变蓄热单元的释热水进口通过第四水管与所述能量利用装置的出水口连通，所述第三水管或第四水管上设有供热循环泵；所述内筒沿其长度方向的两端分别为进气口和出气口，所述进气口通过进气管与外界大气连通，所述出气口与新风管道入口连接。5.根据权利要求4所述的太阳能供暖系统，其特征在于，所述第一水管上设有第一水阀，所述第二水管上设有第二水阀，所述第三水管上设有第三水阀，所述第四水管上设有第四水阀。6.根据权利要求4所述的太阳能供暖系统，其特征在于，所述第三水管...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勋，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：