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CN1731027A - 利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统 - Google Patents

利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统 Download PDF

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CN1731027A
CN1731027A CN200510010261.2A CN200510010261A CN1731027A CN 1731027 A CN1731027 A CN 1731027A CN 200510010261 A CN200510010261 A CN 200510010261A CN 1731027 A CN1731027 A CN 1731027A
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CN
China
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heat
valve
change material
heat storage
phase change
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CN200510010261.2A
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English (en)
Inventor
姜益强
姚杨
马最良
齐琦
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Harbin Institute of Technology Shenzhen
Original Assignee
Harbin Institute of Technology Shenzhen
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/20—Solar thermal

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  • Central Heating Systems (AREA)

Abstract

利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统，它涉及太阳能蓄热系统，为了解决现有城市供热能耗高、环境污染严重的问题。本系统由太阳能集热器1、循环泵7、三通阀8、阀门9、板式换热器10热泵机组12组成，在第一三通阀8－1－2与蒸发器3、第一阀门9－1、第二阀门9－2的连接点处之间设置有蓄热器2，蓄热器2内置有相变材料13，相变材料13上设有流体通道14。本发明的利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统具有充分利用可再生能源太阳能、相变蓄热装置的体积小，蓄热器2的蓄热效率高、热泵机组12的运行效率高，生态环境污染小的特点。

Description

利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统
技术领域：
本发明涉及太阳能蓄热系统。
背景技术：
目前在我国“三北”地区的传统供暖系统是由热源(如燃煤锅炉、燃气(油)锅炉、热化电站等)、热网和室内供暖系统组成。众所周知，我国的供暖系统多为在20世纪50年代初引进的前苏联的集中供热模式，在长时期的运行中，发现存在如下问题：(1)我国采暖能耗过高，其指标为同类气候条件下发达国家的2～3倍；我国建筑物的供暖和空调的能源消耗占能源消耗总量的30～40％；(2)传统供暖的热源排放出大量的CO2、SO2和粉尘等有害物体，导致生态环境的破坏(如全球温暖化、酸雨等)。在我国能源的生产和消耗中煤碳的比例占70％以上，在以煤炭为主的能源结构的条件下，建筑供暖用能更是造成城市大气污染的主要因素之一。而我国地处北半球欧亚大陆的东部，幅员辽阔，太阳能资源丰富。根据全国700个气象台站长期实测积累的数据资料表明，我国各地太阳能辐射总量大约在3300～8400MJ/m2·a之间，其平均值约为5900MJ/m2·a。
发明内容：
本发明为了解决现有城市供热能耗高、环境污染严重的问题，进而提供了一种利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统，解决该问题的技术方案如下：
本发明包含太阳能集热器1、循环泵7、三通阀8、阀门9，太阳能集热器1的输出端分别与第一阀门9-1和第一三通阀8-1-1端连接，第一阀门9-1的另一端与第二阀门9-2的一端连接，第二阀门9-2的另一端与循环泵7的输入端连接，循环泵7的输出端与第二三通阀8-2-1的一端连接，第二三通阀8-2-2的一端与第一三通阀8-1-3的一端连接，第二三通阀8-2-3的一端与太阳能集热器1的输入端连接，在第一三通阀8-1-2与第一阀门9-1、第二阀门9-2的连接点处之间设置有蓄热器2，蓄热器2内置有相变材料13，相变材料13上设有流体通道14。
本发明的利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统具有充分利用可再生能源太阳能、相变蓄热装置的体积小，蓄热器2的蓄热效率高、热泵机组12的运行效率高，生态环境污染小的特点。
附图说明：
图1是本系统的整体结构示意图，图2是蓄热器2的外观结构示意图，图3是图2的A-A剖视图。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式由太阳能集热器1、循环泵7、三通阀8、阀门9组成，太阳能集热器1的输出端与第一阀门9-1和第一三通阀8-1-1连接，第一阀门9-1的另一端与第二阀门9-2的一端连接，第二阀门9-2的另一端与循环泵7的输入端连接，循环泵7的输出端与第二三通阀8-2-1一端连接，第二三通阀8-2-2的一端与第一三通阀8-1-3的一端连接，第二三通阀8-2-3的一端与太阳能集热器1的输入端连接，在第一三通阀8-1-2与第一阀门9-1、第二阀门9-2的连接点处之间设置有蓄热器2，蓄热器2内置有相变材料13，相变材料13上设有流体通道14。
由于相变材料的相变潜热远大于其显热，因此，蓄热器2的体积可大大减小，可行性大大提高。蓄热器2中采用的相变材料13为CaCl2·6H2O，该相变材料的熔点为29℃，相变潜热为187.49kJ/kg，固相比热为1.46kJ/kg·K，液相比热为2.13kJ/kg·K，固相导热系数为1.088W/m·K，液相导热系数为0.54W/m·K，平均密度为1710kg/m3。其每m3相变材料的蓄热量约为3.46×108J～3.82×108J。
一建筑物使用面积为239.21m2的两层正南北方向别墅建筑。集热时间：约11个月左右；太阳辐射强度：每日平均太阳辐射强度约为：200～500W/m2。
以哈尔滨地区为例，太阳能集热器1的面积Ac＝70～100m2，蓄热器2的体积为565～850m3，集热量为Q＝1.54×1011～2.61×1011J，蓄热量为1.31×1011J～2.12×1011J，建筑物热负荷Qa＝2.01×1011J，供热量约占热负荷的65～100％。
以北京地区为例，太阳能集热器1的面积Ac＝30～40m2，蓄热器2的体积为282m3，集热量为Q＝8.21×1010J～10.2×1010J，蓄热量为7.13×1010J～8.55×1010J，建筑物热负荷Qa＝9.54×1010J，供热量约占热负荷的75～89.6％。可根据地区及建筑物热负荷的不同，来设计系统中太阳能集热器1的面积和蓄热器2的体积，以达到最佳匹配。
具体实施方式二：本实施方式是系统处于蓄热模式，系统中的太阳能集热器1与蓄热器2和循环泵7一起运行，关闭第一阀门9-1，换热流体从太阳能集热器1流出，输入到第一三通阀8-1-1端，从第一三通阀8-1-2端(第一三通阀8-1-3的一端关闭)输出到蓄热器2的输入端并从蓄热器2中的相变材料13上的流体通道14中流过，蓄热器2内的相变材料13(PCM)从太阳能集热器1流出的换热流体吸取热量并贮存在蓄热器2中的相变材料13中，换热流体从蓄热器2的输出端流出后，经第二阀门9-2输送给循环泵7的输入端，循环泵7输出的换热流体至第二三通阀8-2-1的输入端，在由第二三通阀8-2-3的输出回输给太阳能集热器1的输入端(第二三通阀8-2-2端关闭)，此循环过程可使蓄热器2中的相变材料13(PCM)不断从太阳能集热器1流出的换热流体中吸收热量并贮存起来，完成蓄热过程(此过程通过夏季太阳辐射强度高时来实现)。
具体实施方式三：本实施方式是系统处于释热模式，本实施方式又增加有热泵机组12，热泵机组12的蒸发器3的两输入端连接在第二阀门9-2两端的连接点上。热泵机组12(哈尔滨地区可采用SHSR-250热泵机组，标准工况制热量为30KW；北京地区可采用SHSR-150热泵机组，标准工况制热量为18KW)由蒸发器3、节流机构4、冷凝器5、压缩机6组成，节流机构4的一端与蒸发器3的一端连接，节流机构4的另一端与冷凝器5的一端连接，冷凝器5的另一端与压缩机6的一端连接，压缩机6的另一端与蒸发器3的另一端连接。蓄热器2、循环泵7和热泵机组12一起运行，关闭第一阀门9-1、第二阀门9-2，换热流体从第一三通阀8-1-3端进入，从第一三通阀8-1-2端(第一三通阀8-1-1的一端关闭)输出到蓄热器2的输入端并从蓄热器2中的相变材料13上的流体通道14中流过，(蓄热器2已通过具体实施方式一的过程贮存了足够的热能)，使换热流体从蓄热器2中的相变材料13(PCM)中吸收热能后流入热泵机组12的蒸发器3作为热泵的低位热源，由热泵机组12向建筑物11供热，换热流体释热后从热泵机组12的蒸发器3的另一端输送到循环泵7的输入端，经循环泵7输出的换热流体进入第二三通阀8-2-1的输入端，再由第二三通阀8-2-2(第二三通阀8-2-3关闭)输出至第一三通阀8-1-3端进行循环。此释热过程适于冬季、夜间或阴天。本实施方式还增加有板式换热器10和第三阀门9-3，板式换热器10可才采用电加热或水加热方式，板式换热器10的两输出端并联在第三阀门9-3的两端上，第三阀门9-3的两端串联在循环泵7的输入端和第二阀门9-2与蒸发器3的连接点之间。当太阳能的辐射较弱时或蓄热量不足时可起动板式换热器10为换热流体补充热量。当不需启动板式换热器10时，开通第三阀门9-3将板式换热器10短路，启动板式换热器10时，第三阀门9-3关闭。
具体实施方式四：本实施方式是系统处于蓄热、释热双重模式，太阳能集热器1、蓄热器2、循环泵7和热泵机组12一起运行，关闭第一阀门9-1、第二阀门9-2，换热流体通过太阳能集热器1吸收热量后输入到第一三通阀8-1-1端从第一三通阀8-1-2端(第一三通阀8-1-3的一端关闭)输出到蓄热器2的输入端并从蓄热器2中的相变材料13上的流体通道14中流过，蓄热器2内的相变材料13(PCM)从太阳能集热器1流出的换热流体吸取热量并贮存在蓄热器2中的相变材料13中，换热流体从蓄热器2的输出端流出后进入热泵机组12的蒸发器3，作为热泵机组12的低位热源，向建筑物11供热，换热流体释热后从热泵机组12的蒸发器3的另一端输送到第三阀门9-3的一端，在从第三阀门9-3的另一端输出到循环泵7的输入端，经循环泵7输出的换热流体进入第二三通阀8-2-1的输入端，再由第二三通阀8-2-3(第二三通阀8-2-2关闭)输出至太阳能集热器1的输入端继续吸收热量。上述循环过程既蓄热又释热，此过程适合冬季白天太阳辐射较强并且当集热器的面积较大时，则太阳能集热器1集得的热量比建筑物11的热负荷要多，因此可将多余的太阳能贮存起来备用。

Claims (4)

1、利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统，它包含太阳能集热器(1)、循环泵(7)、三通阀(8)、阀门(9)，太阳能集热器(1)的输出端分别与第一阀门(9-1)和第一三通阀(8-1-1)端连接，第一阀门(9-1)的另一端与第二阀门(9-2)的一端连接，第二阀门(9-2)的另一端与循环泵(7)的输入端连接，循环泵(7)的输出端与第二三通阀(8-2-1)的一端连接，第二三通阀(8-2-2)的一端与第一三通阀(8-1-3)的一端连接，第二三通阀(8-2-3)的一端与太阳能集热器(1)的输入端连接，其特征在于在第一三通阀(8-1-2)与第一阀门(9-1)、第二阀门(9-2)的连接点处之间设置有蓄热器(2)，蓄热器(2)内置有相变材料(13)，相变材料(13)上设有流体通道(14)。
2、根据权利要求1所述的利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统，其特征在于相变材料(13)采用CaCl2·6H2O。
3、根据权利要求1所述的利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统，其特征在于它还包含有热泵机组(12)，热泵机组(12)的两输入端连接在第二阀门(9-2)两端的连接点上，热泵机组(12)由蒸发器(3)、节流机构(4)、冷凝器(5)、压缩机(6)组成，节流机构(4)的一端与蒸发器(3)的一端连接，节流机构(4)的另一端与冷凝器(5)的一端连接，冷凝器(5)的另一端与压缩机(6)的一端连接，压缩机(6)的另一端与蒸发器(3)的另一端连接。
4、根据权利要求1所述的利用相变材料的太阳能季节性蓄热系统，其特征在于它还含有板式换热器(10)和第三阀门(9-3)，板式换热器(10)的两输出端并联在第三阀门(9-3)的两端上，第三阀门(9-3)的两端串联在循环泵(7)的输入端和第二阀门(9-2)与热泵机组(12)的蒸发器(3)的连接点之间。
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