一种相变蓄能模块及其制备方法与流程

本发明涉及一种相变蓄能模块及其制备方法，属于天然能源利用与建筑节能技术领域。

背景技术：

建筑能耗是社会主要能耗之一。目前，我国建筑能耗已占社会总能耗的三分之一以上。通过对新建和既有建筑采取多种节能措施，可以在保证室内舒适性的前提下，提高能源的利用率，使建筑能耗的总水平尽量降低。

研究表明，要实现有效的建筑节能，除加强围护结构的保温隔热外，通过在建筑材料中引入相变材料，利用相变材料发生相变时的吸热和释热特性，在温度升高时储存相变潜热，温度下降时将热量释放出来，可在一定程度上减小室内温差变化，因而亦可实现节能目的。目前，国内外已开发多种建筑用相变储能复合材料，通常以石膏、水泥等气硬性或水硬性胶凝材料为基体，其中分散有膨胀粘土、膨胀珍珠岩等储存有石蜡或硬脂酸丁酯等有机相变材料的无机多孔材料。如发明专利03116286.X公开了一种建筑用相变储能复合材料，它以石膏、水泥等气硬性或水硬性胶凝材料为基体，其中分散有膨胀粘土等多孔材料集料，多孔材料集料中储存有石蜡或硬脂酸丁酯等有机相变材料。然而，与无机水合盐相变材料相比，有机相变材料密度较小，相同吸附体积条件下，其质量吸附分数较小；同时，有机相变材料价格通常较高，而相变潜热较小。此外，有机相变材料一般均为憎水性材料，其与无机胶凝材料之间的相容性很差，在无机胶凝材料中引入吸附有机相变材料的多孔材料时，基体材料(如水泥石)与多孔吸附相变材料之间将形成明显的薄弱界面，严重影响复合相变材料的力学性能。

采用无机水合盐作为相变材料进行负载，可提高多孔相变材料中相变材料负载质量、相变潜热以及改善基体材料和多孔相变材料之间相容性和结合性，然而，无机水合盐相变材料在液-固相变时存在严重的过冷现象。同时，申请者研究发现，无机水合盐相变材料易吸收空气中的水分而失去相变功能；搅拌于混凝土拌合物中时，也易吸水失去相变储热功能。为防止负载的相变复合材料吸水失去相变蓄能功能，发明专利201310459544.X公开了一种相变陶粒及其制备方法，首先在陶粒中通过真空吸附法吸附六水氯化钙等无机水合盐相变材料，然后通过二次吸附吸入有机相变材料，实现对无机水合盐相变材料的包覆处理，从而可有效防止吸附进入陶粒的无机水合盐相变材料吸水失效。

然而，上述相变建筑材料在应用时仅能实现被动的相变蓄能与释能，当温度在相变材料的相变温度上下波动时，可有效实现相变储能与释能的转换，从而减小室内的温度变化幅度，提高居住舒适度。然而，在夏季炎热地区，通常其室外气温大大超过居住舒适温度，若选用相变温度较高的相变材料制备相变建筑材料，虽然可有效调节室内温差变化，但其可调节范围仍明显超过居住舒适温度，其调节室内温差变化的意义不大；若选取相变温度较低的相变材料生产相变建筑材料，则在环境温度超过相变温度后，将无法调节室内温度变化。

采用金属或有机容器对相变材料进行封装后应用是目前相变材料应用的另一主要途径，其中有机容器既可作为有机相变材料的封装容器，也可作为无机水合盐材料的封装容器。无机水合盐相变材料对有机材料无腐蚀作用，但有机容器散热速度较慢，易老化变脆，其使用寿命较短。金属容器则具有传热与散热速度较快的优点，但在空气中使用易锈蚀；在封装无机水合盐相变材料时，内外均易发生锈蚀作用。采用不锈钢材料可有效减缓其在空气中的锈蚀速度，但其内部存在无机水合盐相变材料，尤其是氯盐相变材料时，其锈蚀速度仍然较快。

技术实现要素：

本发明针对目前的相变蓄能模块及其制备方法热损失大、腐蚀速度快、能耗大的问题，提出了一种可通过对天然冷热源的合理利用，实现室内温度环境的主动有效调节，从而减小建筑采暖与降温的能源消耗的相变蓄能模块及其制备方法。

本发明所述的一种相变蓄能模块，其特征在于：包括用于储存相变材料的换热腔体以及用于供水的蛇形进水管，所述的换热腔体包括上横腔、下横腔以及多根换热介质管，所述的上横腔设有至少一个液体灌注口，所述的下横腔设有放液口，其中所述液体灌注口以及所述放液口都配有相应的密封件；所述的换热介质管沿上横腔或者下横腔的轴向排列，并且每根换热介质管的两端分别与所述上横腔、所述下横腔固接，保证所述上横腔、所述下横腔以及所述换热介质管的内腔彼此连通；所述的蛇形进水管分为多个直管段以及多个弯管段，所述的直管段通过弯管段首尾顺次相连，每根直管段对应一根换热介质管，并且所述的换热介质管轴线与位于其内的直管段同轴，位于两端的直管段顶端向上延伸卡在上横腔顶部通孔处形成连接口，其中一个连接口与外界冷水管连通，另一连接口与用水设备连通。

所述的上横腔的与所述的下横腔水平布置；所述的换热介质管垂直布置，并且所述的换热介质管沿上横腔或下横腔轴向均匀分布。

所述的上横腔以及所述的下横腔的纵剖面为六边形，并且所述的六边形为矩形和梯形的组合，其中矩形的长边与梯形的长底边重合。

所述的上横腔两端部各设有一个液体灌注口，分别为第一液体灌注口和第二液体灌注口，其中第一液体灌注口处配有真空止回阀，第二液体灌注口配有控制阀。

所述上横腔与所述的下横腔对称，并且所述的蛇形进水管内径为8～12mm、厚度为0.5～1.0mm，长度为9～40m；所述的换热介质管的个数为5～12根，并且所述的换热介质管的内径为50～80mm、壁厚为1.8～2.5mm、高度为540～1060mm；所述的上横腔以及所述的下横腔纵剖面的六边形均由宽70～100mm、高30～40mm矩形与上底30～50mm、下底70～100mm、高20～30mm梯形组合而成，所述的上横腔以及所述的下横腔的长度为290～1120mm。

根据本发明所述的一种相变蓄能模块的制备方法，包括以下步骤：

1)将相变材料加热至相变温度以上使其液化得到相变液；

2)封堵下横腔底部的放液口，然后将步骤1)获得的相变液从上横腔的液体灌注口灌注到换热腔体中，灌注至相变液液面距离灌注口20～50mm为止，静置冷却直至换热腔体内的相变液重新固化；

3)选择步骤2)的灌注部分相变液的换热腔体上横腔的第一液体灌注口与外界真空泵相连，对换热腔体抽真空处理，使得换热腔体内真空度保持在-0.04～-0.1MPa；

4)通过第二液体灌注口向经步骤3)抽真空后的换热腔体内充入氮气或二氧化碳气体，使其内部压力达到0.10～0.20MPa后，封闭上横腔两端的液体灌注口，从而使得换热腔体完全封闭，相变材料灌注完毕。

所述相变材料为六水氯化钙，并掺加0.1～1.0％(w/w)的BaCO₃作为晶核剂。

所述相变材料由无水氯化钙与水按摩尔比为1.0～1.02:6配制而成，配制时，同时加入占相变材料总质量0.1～1.0％的BaCO₃作为晶核剂。

本发明的有益效果是：采用内外双腔复合结构，在模块内部设置冷热源循环管道，可有效实现冷热源与相变材料之间的热量交换；同时，采用真空处理或采用CO₂或氮气置换相变材料封装容器内部的空气，可有效防止封装容器内部不锈钢和铜管的锈蚀。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是图1的A-A纵剖截面示意图。

图3是图1的B-B剖视图。

图4是图1的C-C剖视图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1：本发明所述的一种相变蓄能模块，包括用于储存相变材料的换热腔体1以及用于供水的蛇形进水管2，所述的换热腔体1包括上横腔11、下横腔12以及多根换热介质管13，所述的上横腔11设有液体灌注口111，所述的下横腔12设有放液口121，其中所述液体灌注口111以及所述放液口121都配有相应的密封件；所述的换热介质管13沿上横腔11或者下横腔12的轴向排列，并且每根换热介质管13的两端分别与所述上横腔11、所述下横腔12固接，保证所述上横腔11、所述下横腔12以及所述换热介质管13的内腔彼此连通；所述的蛇形进水管2分为多个直管段21以及多个弯管段22，所述的直管段21通过弯管段22首尾顺次相连，每根直管段21对应一根换热介质管13，并且所述的换热介质管13轴线与位于其内的直管段21同轴，位于蛇形进水管2两端的直管段21顶端向上延伸卡在上横腔11顶部通孔处形成连接口，其中一个连接口与外界冷水管连通，另一连接口与用水设备连通。

所述的上横腔11的与所述的下横腔12水平布置；所述的换热介质管13垂直布置，并且所述的换热介质管13沿上横腔11或下横腔12轴向均匀分布。

所述的上横腔11以及所述的下横腔12的纵剖面为六边形，并且所述的六边形为矩形和梯形的组合，其中矩形的长边与梯形的长底边重合。

所述的上横腔11两端部各设有一个液体灌注口111，分别为第一液体灌注口和第二液体灌注口，其中第一液体灌注口处配有真空止回阀，第二液体灌注口配有控制阀。

所述上横腔11与所述的下横腔12对称，并且所述的蛇形进水管2内径为8mm、厚度为0.5mm，长度为20m；所述的换热介质管13的个数为10根，并且所述的换热介质管13的内径为60mm、壁厚为2mm、高度为600mm；所述的上横腔11以及所述的下横腔12纵剖面的六边形均由宽70mm、高30mm矩形与上底30mm、下底70mm、高20mm梯形无缝焊接组成，所述的上横腔11以及所述的下横腔12的长度为780mm；上横腔11上侧设置1个内径为30mm的液体灌注口111，上部左右各设置1个内径为20mm的通孔；蛇形进水管2与上横腔11、下横腔12连接处通过焊接进行连接。

实施例2：根据实施例1所述的一种相变蓄能模块的灌注方法，包括以下步骤：

1)将相变材料六水氯化钙加热至40℃使其液化得到相变液；

2)封堵下横腔底部的放液口，然后将步骤1)获得的相变液从上横腔的液体灌注口灌注到换热腔体中，至相变液液面距离灌注口20mm为止，静置冷却直至换热腔体内的相变液重新固化；

3)选择步骤2)的灌注部分相变液的换热腔体上横腔的第一液体灌注口与外界真空泵相连，对的换热腔体抽真空处理，使得换热腔体内真空度保持在-0.1MPa；

4)通过第二液体灌注口向经步骤3)抽真空后的换热腔体内充入氮气或二氧化碳气体后封闭上横腔两端的液体灌注口，使其内部压力达到0.10MPa后，从而使得换热腔体完全封闭，相变材料灌注完毕。

所述相变材料六水氯化钙，并掺加1.0％(w/w)的BaCO₃作为晶核剂，配置方法如下：将无水氯化钙与水按摩尔比为1.0:6配制而成无机水合盐相变材料，配制时，同时加入占相变材料总质量1.0％的BaCO₃作为晶核剂。

实施例3本实施例与实施例1的区别之处在于：上横腔上侧设置2个内径为30mm的液体灌注口。

实施例4根据实施例3所述的一种相变蓄能模块的灌注方法，与实施例2的区别之处在于：将无水氯化钙与水按摩尔比为1.02：6配制成无机水合盐相变材料，配制时，同时加入0.1％的BaCO3作为晶核剂。将配制得到的相变材料加热至60℃液化后，灌注加入换热腔体中。通过相变材料灌注连接口灌注相变材料，至相变液液面距离灌注口50mm为止，然后分别采用真空止回阀和阀门分别与2个灌注连接口连接，并将阀门与二氧化碳气体管道连接。然后在阀门关闭情况下，将换热腔体通过真空止回阀一侧进行真空处理，真空度为-0.06MPa。进行真空处理后，进一步采用等内径丝堵对真空止回阀进行密封处理；随后将另一连接口阀门打开充入工业二氧化碳气体，关闭阀门后，采用同内径放气丝堵对阀门进行密封即可。

实施例5本实施例与实施例1的区别之处在于：上横腔上侧设置2个内径为20mm的灌注连接口，上部左右各设置1个内径为30mm的通孔。

实施例6根据实施例5所述的一种相变蓄能模块的灌注方法，与实施例2的区别之处在于：在六水氯化钙中加入0.5％的BaCO₃作为晶核剂，灌注加入换热腔体中。通过相变材料灌注连接口灌注相变材料后，分别采用真空止回阀和阀门分别与2个灌注连接口连接，并将阀门与工业氮气管道连接。然后在阀门关闭情况下，将换热腔体通过真空止回阀一侧进行真空处理，真空度为-0.05MPa。进行真空处理后，进一步采用等内径丝堵对真空止回阀进行密封处理；随后将另一连接口阀门打开充入工业氮气，关闭阀门后，采用同内径放气丝堵对阀门进行密封即可。

实施例7～19按表1～表3将不同尺寸的换热介质铜管、不锈钢散热竖腔、不锈钢横腔经无缝焊接形成内部均匀分布换热介质管道的换热管腔，竖腔与横腔之间相互连通，换热介质管分布于竖腔与横腔中，并与竖腔和横腔不相连通。1根横腔上侧设置2个内径为20mm的灌注连接口，上部左右各设置1个内径为20mm的通孔。

在六水氯化钙中加入BaCO₃作为晶核剂，制备相变材料，晶核剂掺量见表4。将相变材料加热至表4各实施例所列温度液化后，灌注加入按实施例7～19加工而成的换热腔体中。通过相变材料灌注连接口灌注相变材料后，分别采用真空止回阀和阀门分别与2个灌注连接口连接，并将阀门与工业二氧化碳气体管道连接。然后在阀门关闭情况下，将换热腔体通过真空止回阀一侧进行真空处理，真空度如表4所示。进行真空处理后，进一步采用等直径丝堵对真空止回阀进行密封处理；随后将另一连接口阀门打开充入工业气体，关闭阀门后，采用同直径丝堵对阀门进行密封即可(实施例7～19)。

表1换热介质管尺寸表

表2六边形截面不锈钢横腔尺寸表

表3蛇形进水管尺寸

表4实施例7～19

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。