一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统的制作方法

本发明属于储能领域，涉及储能应用系统，具体涉及一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统。

背景技术：

我国在大多数地区都已经实施了阶梯电价政策，在用电高峰的白天，电力价格较贵，在用电负荷的低峰阶段-夜间，电力价格便宜。此外，由于夜间的电力负荷低谷期也造成了大量的电力资源浪费，通过储能的方式，弥补能源供给和用户侧的时间差，是目前比较可行的方案。储存电能往往需要电池，造成蓄电的投资和运行成本较高，而储存热量，仅需要通过水或者相变材料即可实现，投资和运行成本都较低。

热泵系统供热时的能效系数大于1，可以利用电能产生更多的热能，因而比直接的电加热方式更具有节能效果。传统的热泵系统大多从空气中吸收热量，这将导致能效系数较低，制热效果也不好，污水和地下深层土壤中蕴含了大量的热能，相比于空气具有更高的温度，作为热泵的蒸发侧热源，节能效果显著。北方地区在冬季都需要采暖，新型的毛细管网辐射末端相比于传统的散热器，能够利用低温热源，并且具有更高的室内热舒适性。

相变蓄热装置，在夜间通过集中的热源进行蓄热，然后运输或者分配到需要热源供给的用户侧进行放热，在供热季节可不断更换和交替使用，从而可降低燃煤供热模式的环境破坏力，降低空气污染，并能够充分利用谷电，享受谷电价格优惠。

目前，现有的相变蓄热装置的换热结构设计还存在一定问题。由于相变材料的导热系数很低，即使换热结构的导热系数很高，相变材料的整体热量传输速度仍然很慢，蓄热时相变材料的有效熔化范围很小，对相变材料加热熔化能力有限，蓄热速度慢，同样的道理，放热速度也会很慢。

专利号为cn201320865779.4的实用新型专利公开了一种蓄热换热装置及蓄热罐装置，其蓄热换热装置安装在蓄热罐内，包括换热管和卡座，换热管为螺旋状的铜管，换热管通过卡座安装到蓄热罐内，该发明通过采用螺旋状的换热管增加换热面积，提高换热量，实现热量的存储与释放。但是在同一高度的截面上，只有两个热源传递点向周围的相变材料放热或者吸热，相变蓄热装置的整体蓄热和放热速度都将较慢。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统，热泵子系统能够利用夜间谷电价格较低的特点集中生产大量的热能，然后通过相变蓄热装置进行储能，运输或者配送到用户侧进行使用，热泵子系统采用污水源和地下深层土壤作为蒸发侧吸热的热源，更加节能高效，同时，基于相变材料的低导热系数造成蓄热和放热速度慢的问题，进行了相变蓄热装置的设计，实现高效强化传热。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统，其特征在于：包括热源子系统、热泵子系统、储能子系统及用户子系统；

热源子系统的连接关系为：污水源换热器连接着地埋管换热器，地埋管换热器再连接着第二板式换热器水侧端口，第二板式换热器水侧端口再连接着第二循环泵，第二循环泵再连接着污水源换热器；

热泵子系统的连接关系为：第二板式换热器制冷剂侧端口连接着储液器，储液器再连接着毛细管节流阀，毛细管节流阀再连接着第一板式换热器制冷剂侧端口，第一板式换热器制冷剂侧端口再连接着压缩机，压缩机再连接着干燥过滤器，干燥过滤器再连接着第二板式换热器制冷剂侧端口；

储能子系统的连接关系为：第一板式换热器水侧端口连接着给水总管，给水总管上设置有第一循环泵，第一循环泵再连接着给水总管各支管上的进口端截止阀，进口端截止阀再连接着相变蓄热装置，相变蓄热装置再连接着出口端截止阀，出口端截止阀再连接着回水总管，回水总管再连接着第一板式换热器水侧端口；

用户子系统的连接关系为：相变蓄热装置分别连接用户侧进口端截止阀和用户侧出口端截止阀，用户侧出口端截止阀再连接着温控三通阀的v2端，温控三通阀的v1端连接用户侧循环泵，用户侧循环泵再连接用户侧给水总管，用户侧给水总管连接着墙体毛细管网辐射末端，墙体毛细管网辐射末端再连接着用户侧回水总管，用户侧回水总管分别再连接着温控三通阀的v3端和用户侧进口端截止阀。

所述的污水源换热器设置在地下污水管道内，地埋管换热器设置在地下深层土壤里。

所述的相变蓄热装置在储能子系统中完成蓄热时，可关闭进口端截止阀和出口端截止阀，再将相变蓄热装置连接到用户子系统，实现向墙体毛细管网辐射末端供热，完成相变蓄热装置的集中储能和异地供能。

所述的相变蓄热装置包括换热结构、外筒体和筒盖；

换热结构的结构为：毛细管的两端分别连接着上水平管和下水平管，形成毛细管网，若干排毛细管网的两端分别插入支撑体两端的预留孔后位置被固定，若干排毛细管网呈现等间距平行排列，所有毛细管网的上水平管两端采用u型弯头依次连接，形成上盘管通路，上盘管通路一端连接着第二堵头，另外一端连接着进水管，进水管再连接着进水端口，所有毛细管网的下水平管两端采用u型弯头依次连接，形成下盘管通路，下盘管通路一端连接着第一堵头，另外一端连接着出水管，出水管再连接着出水端口，换热结构整体呈现同程管路形式；

外筒体的结构为：外筒体分为3层，自外向内分别为金属外层、保温层和金属内层，外筒体上设置有进水端口预留孔、出水端口预留孔和温度测量仪；

筒盖的结构为：顶盖板上侧安装把手，顶盖板下侧设置有保温体；

换热结构整体放置于外筒体内，进水端口与进水端口预留孔配合，出水端口与出水端口预留孔配合，筒盖与外筒体配合，组成相变蓄热装置。

所述的毛细管网均处于同一高度，所述的上盘管通路和下盘管通路分别由毛细管网的上水平管和下水平管与u型弯头水平连接，形成高度统一的上盘管通路和下盘管通路，支撑体两端的预留孔为水平，为第一种支撑体，总体形成第一种换热结构。

所述的毛细管网为有规律的高低交错排列，所述的上盘管通路和下盘管通路分别由毛细管网的上水平管和下水平管与u型弯头以一定角度连接，形成高低交错的上盘管通路和下盘管通路，支撑体两端的预留孔为高低交错排列，为第二种支撑体，总体形成第二种换热结构。

所述的换热结构与外筒体的金属内层之间填充相变储能材料，相变储能材料为相变温度为40至60℃的石蜡。

所述的金属外层、金属内层、筒盖的材质均为不锈钢。

所述的保温体内部填充材料和保温层的材质为聚氨酯发泡材料或者岩棉。

所述的温度测量仪具有两个温度探头，分别监测进水端口与出水端口的温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统，热源子系统作为热泵子系统的蒸发侧热源，利用污水源和地下深层土壤中的热能，相比于从空气中吸收热量，热源的温度更高，系统的制热效果更好，能效系数更高；热泵子系统利用谷电低价的有利特点，在夜间集中制热，充分利用电力资源，并且运行成本低；储能子系统通过给水总管和回水总管将热量分配到各支管上连接的相变蓄热装置，相变蓄热装置实现储能；用户子系统通过相变蓄热装置进行供热，弥补了能源供给和用户使用的时间差和空间差；通过一系列的子系统运行，本发明最终实现用户侧供热，整体系统节能效果良好，环保效益良好。

进一步的，本发明提供的相变蓄热装置，换热结构采用多排毛细管网连接，整体呈现同程管路形式，相比于现有的储能装置，该结构能够极大提升换热面积，毛细管能够在储能装置的水平截面上形成多个热量传递源，缩短换热结构与相变材料的距离。由于相变材料的导热系数很低，相变材料内部的传热过程缓慢，即使换热结构的导热系数很高，相变材料的蓄热和放热过程也会很缓慢，所以通过在储能装置的水平截面上形成多个热量传递源，缩短热源与相变材料的距离，才能够有效提升相变材料的蓄热和放热速度，提升换热效率。

附图说明

图1为本发明的毛细管网的结构示意图；

图2为本发明的不含支撑体的第一种换热结构的结构示意图；

图3为本发明的第一种支撑体的结构示意图；

图4为本发明的第一种换热结构的结构示意图；

图5为本发明的不含支撑体的第二种换热结构的结构示意图；

图6为本发明的不含支撑体的第二种换热结构的左视图；

图7为本发明的第二种支撑体的结构示意图；

图8为本发明的第二种换热结构的结构示意图；

图9为本发明的外筒体的结构示意图；

图10为本发明的外筒体的截面示意图；

图11为本发明的筒盖的结构示意图；

图12为本发明的由第二种换热结构、外筒体和筒盖装配而成的相变蓄热装置的结构示意图；

图13为本发明的基于相变蓄热装置的谷电储能系统的热源子系统、热泵子系统和储能子系统示意图；

图14为本发明的基于相变蓄热装置的谷电储能系统的用户子系统示意图；

其中，1为毛细管网，101为上水平管，102为毛细管，103为下水平管，2为u型弯头，3为第一堵头，4为出水端口，5为出水管，6为进水端口，7为进水管，8为外筒体，801为金属外层，802为保温层，803为金属内层，804为进水端口预留孔，805为出水端口预留孔，806为温度测量仪，9为筒盖，901为顶盖板，902为把手，903为保温体，10为支撑体，11为第二堵头，12为相变蓄热装置，13为进口端截止阀，14为出口端截止阀，15为回水总管，16为第一板式换热器，17为给水总管，18为第一循环泵，19为压缩机，20为干燥过滤器，21为第二板式换热器，22为储液器，23为毛细管节流阀，24为第二循环泵，25为污水源换热器，26为地埋管换热器，27为用户侧进口端截止阀，28为用户侧出口端截止阀，29为温控三通阀，30为用户侧循环泵，31为用户侧回水总管，32为用户侧给水总管，33为墙体毛细管网辐射末端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明总的构思是：一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统，包括热源子系统、热泵子系统、储能子系统及用户子系统；热源子系统可利用污水源和地下深层土壤的热量，实现取热；热泵子系统在夜间谷电价格期间运行，实现制热；储能子系统将热量分配到各个相变蓄热装置，实现蓄热；用户子系统利用相变蓄热装置对室内进行放热，实现供热；系统弥补了能源供给和用户使用的时间差和空间差，热泵子系统的能效系数高，运行成本低；相变蓄热装置的换热结构采用多排毛细管网连接形成，极大提升换热面积，毛细管能够在储能装置的水平截面上形成多个热量传递源，缩短换热结构与相变材料的距离，有效提升相变材料的蓄热和放热速度，提升换热效率。

为了详细说明本发明的技术内容以及构造和目的，下面结合附图进行具体介绍。

由图13和图14所示，一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统，其特征在于：包括热源子系统、热泵子系统、储能子系统及用户子系统。

热源子系统的连接关系为：污水源换热器25连接着地埋管换热器26，地埋管换热器26再连接着第二板式换热器21水侧端口，第二板式换热器21水侧端口再连接着第二循环泵24，第二循环泵24再连接着污水源换热器25。

热泵子系统的连接关系为：第二板式换热器21制冷剂侧端口连接着储液器22，储液器22再连接着毛细管节流阀23，毛细管节流阀23再连接着第一板式换热器16制冷剂侧端口，第一板式换热器16制冷剂侧端口再连接着压缩机19，压缩机19再连接着干燥过滤器20，干燥过滤器20再连接着第二板式换热器21制冷剂侧端口。

储能子系统的连接关系为：第一板式换热器16水侧端口连接着给水总管17，给水总管17上设置有第一循环泵18，第一循环泵18再连接着给水总管17各支管上的进口端截止阀13，进口端截止阀13再连接着相变蓄热装置12，相变蓄热装置12再连接着出口端截止阀14，出口端截止阀14再连接着回水总管15，回水总管15再连接着第一板式换热器16水侧端口。

用户子系统的连接关系为：相变蓄热装置12分别连接用户侧进口端截止阀27和用户侧出口端截止阀28，用户侧出口端截止阀28再连接着温控三通阀29的v2端，温控三通阀29的v1端连接用户侧循环泵30，用户侧循环泵30再连接用户侧给水总管32，用户侧给水总管32连接着墙体毛细管网辐射末端33，墙体毛细管网辐射末端33再连接着用户侧回水总管31，用户侧回水总管31分别再连接着温控三通阀29的v3端和用户侧进口端截止阀27。

污水源换热器25设置在地下污水管道内，地埋管换热器26设置在地下深层土壤里；相变蓄热装置12在储能子系统中完成蓄热时，可关闭进口端截止阀13和出口端截止阀14，再将相变蓄热装置12连接到用户子系统，实现向墙体毛细管网辐射末端33供热，完成相变蓄热装置12的集中储能和异地供能的目的。

由图1至图12所示，相变蓄热装置12包括换热结构、外筒体8和筒盖9；换热结构的结构为：毛细管102的两端分别连接着上水平管101和下水平管103，形成毛细管网1，若干排毛细管网1的两端分别插入支撑体10两端的预留孔后位置被固定，若干排毛细管网1呈现等间距平行排列，所有毛细管网1的上水平管101两端采用u型弯头2依次连接，形成上盘管通路，上盘管通路一端连接着第二堵头11，另外一端连接着进水管7，进水管7再连接着进水端口6，所有毛细管网1的下水平管103两端采用u型弯头2依次连接，形成下盘管通路，下盘管通路一端连接着第一堵头3，另外一端连接着出水管5，出水管5再连接着出水端口4，换热结构整体呈现同程管路形式；外筒体8的结构为：外筒体8分为3层，自外向内分别为金属外层801、保温层802和金属内层803，外筒体上设置有进水端口预留孔804、出水端口预留孔805和温度测量仪806；筒盖9的结构为：顶盖板901上侧安装把手902，顶盖板901下侧设置有保温体903；换热结构整体放置于外筒体8内，进水端口6与进水端口预留孔804配合，出水端口4与出水端口预留孔805配合，筒盖9与外筒体8配合，组成相变蓄热装置12。

如图2至图4所示，毛细管网1均处于同一高度，所述的上盘管通路和下盘管通路分别由毛细管网1的上水平管101和下水平管103与u型弯头2水平连接，形成高度统一的上盘管通路和下盘管通路，支撑体10两端的预留孔为水平，为第一种支撑体，总体形成第一种换热结构。

如图5至图8和图12所示，毛细管网1为有规律的高低交错排列，所述的上盘管通路和下盘管通路分别由毛细管网1的上水平管101和下水平管103与u型弯头2以一定角度连接，形成高低交错的上盘管通路和下盘管通路，支撑体10两端的预留孔为高低交错排列，为第二种支撑体，总体形成第二种换热结构。

换热结构与外筒体8的金属内层803之间填充相变储能材料，相变储能材料为相变温度为40至60℃的石蜡；金属外层801、金属内层803、筒盖9的材质均为不锈钢；保温体903内部填充材料和保温层802的材质为聚氨酯发泡材料或者岩棉；温度测量仪806具有两个温度探头，分别监测进水端口6与出水端口4的温度。

本发明提供的一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统，热源子系统、热泵子系统和储能子系统在夜间谷电价格期间运行，制取热能，蓄热完成的相变蓄热装置再分配到各个用户子系统中实现供热，其具体工作流程如下：

热源子系统的运行流程为：循环水通过污水源换热器25吸收污水源热量进行初步加热后，再通过地埋管换热器26吸收地下深层土壤热量，然后在第二板式换热器21内放热降温后，在第二循环泵24的驱动下回到污水源换热器25中再次吸热。

热泵子系统的运行流程为：第二板式换热器21中的液态制冷剂吸热后蒸发为气态制冷剂，气态制冷剂通过干燥过滤器20后进入压缩机19内被压缩成高温高压的气态制冷剂，干干燥过滤器20用于过滤气态制冷剂中夹带的液态制冷剂，高温高压的气态制冷剂进入第一板式换热器16冷凝放热后变成中温高压的液态制冷剂，从而实现制热的目的，中温高压的液态制冷剂经过毛细管节流阀23的节流作用变成中温低压的液态制冷剂，中温低压的液态制冷剂经过储液器22再次回到第二板式换热器21中蒸发吸热，储液器22可储存制冷剂流量变化时多余的制冷剂。

储能子系统的运行流程为：循环水通过第一板式换热器16水侧换热后，在第一循环泵18的驱动下沿着给水总管17通过各个进口端截止阀13进入相变蓄热装置12，实现相变蓄热装置12的蓄热功能，放热后的循环水通过出口端截止阀14沿着回水总管15回到第一板式换热器16中换热。相变蓄热装置12蓄热完成时，关闭进口端截止阀13和出口端截止阀14，更换成未蓄热的相变蓄热装置12，再打开进口端截止阀13和出口端截止阀14进行蓄热过程。

用户子系统的运行流程为：循环水在相变蓄热装置12中吸收热量后被加热，再通过用户侧出口端截止阀28和温控三通阀29，在用户侧循环泵30的驱动下沿着用户侧给水总管32进入墙体毛细管网辐射末端33放热，实现最终的室内供热功能，放热后的循环水沿着用户侧回水总管31通过用户侧进口端截止阀27回到相变蓄热装置12中继续吸收热量；温控三通阀29根据室内温度调节v3和v2端口的大小，即调节用户侧回水总管31中流入用户侧给水总管32的回水比例，从而实现对流入墙体毛细管网辐射末端33的循环水温度控制；系统运行时，用户侧进口端截止阀27和用户侧出口端截止阀28保持开启，在对已经放热完成的相变蓄热装置12进行更换时，关闭用户侧进口端截止阀27和用户侧出口端截止阀28。

相变蓄热装置的运行流程分为相变蓄热和相变放热过程，具体如下：

相变蓄热过程在储能子系统中实现，循环水通过进水端口6进入换热结构中，沿着进水管7流入上盘管通路，再沿着毛细管网1的毛细管102流入下盘管通路，最后沿着出水管5和出水端口4流出。换热结构整体向外筒体8内的相变材料放热，相变材料吸收热量后升温，并逐渐熔化，通过显热和相变潜热储存大量热量。

相变放热过程在用户子系统中实现，循环水流动过程与相变蓄热时流动过程一致，换热结构整体吸收外筒体8内的相变材料储存的热量，相变材料放热后开始降温，并逐渐凝固，将储存的显热和相变潜热释放给用户侧。

温度测量仪806可测量并显示相变蓄热装置的进水端口6的温度和出水端口4的温度，直至二者的温度差接近0时，显示蓄热过程或者放热过程基本完成，则需要更换。