CN1312454A

CN1312454A - 相变蓄热热泵供热系统

Info

Publication number: CN1312454A
Application number: CN 01105718
Authority: CN
Inventors: 王如竹; 张开黎
Original assignee: Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: Shanghai Jiao Tong University
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2001-09-12

Abstract

一种相变蓄热热泵供热系统,主要包括电加热器、相变蓄热装置以及由冷凝器、蒸发器、压缩机、膨胀阀组成的热泵系统等,在用电低谷时,利用电加热器加热相变蓄热装置中的相变材料,将热量蓄存,白天通过水环路系统将相变蓄热装置中的热量吸取,经过压缩机压缩,由热泵系统的冷凝器端为房间供热。本发明供热性能稳定,系统结构紧凑,不仅可以均衡城市用电负荷,而且可以节省运行电费,并且无环境污染,是一种绿色环保型供热系统。

Description

相变蓄热热泵供热系统

本发明涉及一种新型供热系统，尤其涉及一种相变蓄热热泵供热系统，属于能源类供热技术领域。

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对工作和生活环境提出了更高的要求，采暖、通风和空调能耗也随之急剧增长。我国冬季用于供热的能耗在总能源的消耗中占相当大的比例，尤其是我国北方地区的冬季普遍寒冷而漫长，采暖温度低，采暖期长，使得冬季热负荷及设备耗功比较大。而传统的供热系统存在能源利用效率低、环境污染严重等问题。热泵型供热系统具有装置紧凑、操作方便、热力系数较高、具有节能效果，而且不存在环境污染问题，应加以推广。

但是，由于冬季气象的变化引起室外温度的波动比较大，对于热泵机组，特别是目前应用较多的风冷热泵机组，性能受到的影响很大。若气温较低，蒸发器翅片表面会出现结霜现象，严重影响换热性能。对于制冷剂，有可能由于吸收热量不足因而未完全蒸发而使部分液体流入压缩机，造成液击损害。另外随着环境温度的下降，热泵的制热量和制热系数COA值明显下降。相反，环境温度的下降将引起采暖负荷的增加，造成供热和需热负荷的矛盾。目前有许多文献对上述问题进行了分析并提出了一些应对措施，但存在着许多问题。如文献《风冷热泵空调器除霜控制的研究》(陈汝东，许东晟《流体机械》1999；27(2):55～57)对热泵空调器除霜控制进行了研究，提出了可靠节能的除霜控制方法，但未从根本上解决结霜问题，并且在某些实际应用场合很难达到最佳除霜点的控制。文献《低温环境下热泵技术问题探讨》(汪厚泰《暖通空调》1998；28(6):34～36)对低温环境下热泵型空调机制热能力低的主要原因进行了分析，提出了热泵型空调机系统的设计方案及改进措施，但仍不能从根本上解决结霜问题，并且某些措施实施起来存在不少问题，比如，提高室外机的空气流量，将会造成室外风机噪音增大，风机能耗增加等。

目前国内对供暖蓄热系统研究较少，国际上对相变蓄热的应用研究也主要集中在相变蓄热机理和太阳能相变蓄热供热系统的研究上，对相变蓄热热泵供热系统的系统模拟和实验研究较少，未见相关文献报道。

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新型的相变蓄热热泵供热系统，可利用夜间用电低谷时的电能蓄热，将蓄存的能量在白天加以利用，节省运行费用，达到节约能源、保护环境的目的。

为实现这样的目的，本发明在技术方案中，设计的供热系统主要包括电加热器、相变蓄热装置以及由冷凝器、蒸发器、压缩机、膨胀阀组成的热泵系统等。蓄热装置为保温的蓄热容器，其内部为圆柱型或球型密封装置，相变材料按一定方式密封放置在其中，以避免相变材料与循环水直接接触。

在用电低谷时，利用电加热器加热相变蓄热装置中的相变材料，使其融化，将热量以潜热(小部分显热)形式蓄存起来。在白天，通过与热泵蒸发器相连的水环路系统将相变蓄热装置中的热量吸取，经过压缩机压缩，由热泵系统的冷凝器端为房间供热。

本发明设计的相变蓄热热泵供热系统不仅可以从根本上解决传统风冷热泵系统存在的结霜和供热与需热负荷的矛盾问题，而且可以提高热泵的供热系数。另外，相变蓄热热泵供热系统还可以节省运行费用，在夜间用电低谷期蓄能，将蓄存的能量在白天使用，这种方法既可以使用户节省电费，又有利于电站进行负荷的峰值调整，保证电站高效运行。

蓄热材料可采用Na₂SO₄·10H₂O(芒硝)、CaCL₂·6H₂O或其它相变温度近似室温的相变材料加入一定的添加剂(比如：硼酸和聚羧酸等)，这些蓄热材料使用范围广，导热系数、融解热、密度、体积蓄热密度较大，而且价格较便宜，市场上易于获得。

在本发明的技术方案中，如果将上述系统加以改变，夜间不直接用电加热而采用热泵的热端为蓄热装置加热，则整个系统的经济性将会更高。

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

图1为本发明典型的相变蓄热热泵供热系统结构示意图。

如图所示，供热系统主要包括电加热器1、相变蓄热装置2、由冷凝器8、蒸发器5、压缩机7、膨胀阀6组成的热泵系统，电加热器1与相变蓄热装置2相连，相变蓄热装置2与循环水泵4相连，循环水泵4的出口与蒸发器5连接，蒸发器5的循环水出口连到电加热器1和相变蓄热装置2，蒸发器5同时通过一个膨胀阀6与压缩机7和冷凝器8连接。

蓄热装置2为保温蓄热容器，其内部为圆柱型或球型，相变材料密封放置在其中。在夜间谷时电价较便宜时，用电加热器1加热循环水，使热水流过相变蓄热装置2，与蓄热装置2中的相变材料进行热交换，将相变材料加热融化，将热量以潜热(小部分显热)形式蓄存起来。循环水泵4给循环水以流动动力，蒸发器5、膨胀阀6、压缩机7、冷凝器8组成热泵系统，制冷剂在热泵系统中流动；被加热的循环水在蒸发器5中与制冷剂进行热交换，将热量传给制冷剂，制冷剂在压缩机7中被压缩成高温高压后进入冷凝器8，在冷凝器8中制冷剂与空气进行热交换，将空气加热后送至房间进行采暖，风机9给空气的流动施加以动力，放热后的制冷剂经过膨胀阀6节流膨胀，温度降低后进入蒸发器5再与循环水进行热交换，如此往复循环。在夜间为蓄热装置蓄热时，阀门A、C打开，阀门B、D关闭。白天为房间供热时，阀门B、D打开，阀门A、C关闭。

本发明具有显著的节能效果，采用了相变蓄热装置，由于其温度可保持在较高水平(大于20℃)，因此相变蓄热热泵系统的供热系数COA较高(可达4～7)。并且与显热式蓄热系统相比，相变蓄热系统不仅蓄热密度高，而且蓄放热过程近似等温，易与运行系统匹配，系统的供热性能非常稳定。同时蓄热装置容积大大减小，使得整个系统结构紧凑，安装、操作方便。

本发明利用夜间谷时廉价电蓄热，然后在白天加以利用，不仅可以均衡城市用电负荷，达到“削峰填谷”的目的，而且可以节省运行电费，并且无环境污染，是一种绿色环保型供热系统。

Claims

1、一种相变蓄热热泵供热系统，其特征在于主要包括电加热器(1)、相变蓄热装置(2)、由冷凝器(8)、蒸发器(5)、压缩机(7)、膨胀阀(6)组成的热泵系统，电加热器(1)与相变蓄热装置(2)相连，相变蓄热装置(2)与循环水泵(4)相连，循环水泵(4)的出口与蒸发器(5)连接，蒸发器(5)的循环水出口连到电加热器(1)和相变蓄热装置(2)，蒸发器(5)同时通过一个膨胀阀(6)与压缩机(7)和冷凝器(8)连接。

2、如权利要求1所说的相变蓄热热泵供热系统，其特征在于相变蓄热装置(2)为保温蓄热容器，其内部为圆柱型或球型，相变材料密封放置在其中。

3、如权利要求1所说的相变蓄热热泵供热系统，其特征在于相变蓄热装置(2)中的蓄热材料采用Na₂SO₄·10H₂O(芒硝)加入添加剂硼酸和聚羧酸。