一种太阳能-蓄热式脉动热管供热系统梯级蓄供调控方法

一种太阳能-蓄热式脉动热管供热系统梯级蓄供调控方法
(一)技术领域
1.本发明涉及室内热环境调控领域，尤其涉及一种太阳能-蓄热式脉动热管供热系统梯级蓄供调控方法，包括集热装置、脉动热管、相变材料、散热箱体、保温型可调风口、系统调控等。
(二)

背景技术：

2.目前太阳能供热系统存在较多不足，主要原因是太阳能资源与能源需求在时间、空间和强度上不匹配，为维持相对稳定的室内温度，常需要大量的辅助能源或者大容量的蓄热装置。常见的蓄热水箱受到蓄热密度和容量的限制，一方面体积过大增加了建筑构件的载荷，另一方面散热损耗较高，降低了太阳能热利用效率。再者，蓄热装置和散热末端一般单独使用，蓄换热环节的增加导致系统耗能大、传热慢、热效低、用水量大等缺陷。
3.本发明考虑将可再生太阳能作为热源，将具有强导热性的脉动热管作为散热主体，将高潜热性的相变材料作为蓄热主体，实现波动性可再生能源高效蓄供热功能一体化。
(三)

技术实现要素：

4.本发明采用蓄热式脉动热管散热器作为太阳能供热系统的蓄热+散热装置构件，将蓄存的热量直接散到室内，避免了从蓄热装置提取热量再传递到散热装置的环节，降低了热量的损耗；其次，优化脉动热管周围的相变材料热量蓄存方式，可利用脉动热管和高温热水进行梯级蓄热，提高相变材料的储热效率；最后，设计了一种保温型可调风口和热量梯级蓄供相结合的系统调控方式，以使热量得到合理的分配利用，并使室内温度维持在合理区间内。
5.本发明提供了一种太阳能-蓄热式脉动热管供热系统梯级蓄供调控方法，其特征在于，所述太阳能-蓄热式脉动热管供热系统包括蓄热式脉动热管散热器(1)、太阳能集热器(2)、水泵(3)、plc控制器(4)和辅助电加热器(5)，所述蓄热式脉动热管散热器包括脉动热管(6)及箱体(7)，脉动热管分为蒸发段(8)、绝热段(9)和冷凝段(10)，在绝热段周围设置相变材料填充区(13)，箱体外围设保温层(14)，从下至上分为加热区(15)、蓄热区(16)、散热区(17)，相变材料填充区(13)位于蓄热区内，辅助电加热器位于加热区内，散热区设置可调控风口(19)，通过调整风口角度控制散热量；箱体蓄热区一侧设第一进水口(22)，另一侧设第一出水口(23)，箱体加热区靠近第一出水口的下方设第一回流口(24)，第一回流口下方设第二进水口(25)，加热区同时设第二出水口(26)，第一出水口(23)与第一回流口(24)相连；
6.设置循环水泵开启的最低温度阈值t1
′
、相变温度为t2
′
、室内设计温度最低阈值t3
′
、室内设计温度最高阈值t3
″
，室内设置感温探头t3，太阳能集热器内安装感温探头t1、在蓄热区内设置感温探头t2，三者的温度分别用t3、t1、t2表示，
7.具体运行模式如下：
8.模式一：当t1
′
＜t1＜t2
′
时，热水从第二进水口流入箱体加热区，从第二出水口流
出，脉动热管蒸发段吸收热量。当t3＜t3
′
，室内温度低于室内设计温度最低阈值，打开风口进行散热，蒸发段吸收的热量主要用于冷凝段的散热；当t3＞t3
″
，室内温度高于室内设计温度最高阈值，则关闭风口储存热量，蒸发段吸收的热量主要用于绝热段的蓄热。
9.模式二：当t1＞t2
′
时，热水先从第一进水口流入箱体蓄热区，将高温热水先用于相变材料蓄热，被吸收热量后的热水温度仍能保持在t2
′
左右，热水从第一出水口流出后，再经第一回流口回流到箱体加热区，此时的热水热量主要被脉动热管蒸发段吸收。当t3＜t3
′
，室内温度低于室内设计温度最低阈值，打开风口进行散热，蒸发段吸收的热量用于冷凝段的散热；当t3＞t3
″
，室内温度高于室内设计温度最高阈值，则关闭风口储存热量，包括蓄热材料直接吸收的热水传递来的热量和蒸发段吸收的热量。
10.模式三：当t1＜t1
′
，蓄热区t2＞t2
′
，循环水泵关闭，辅助电加热设备处于关闭状态。当t3＜t3
′
，室内温度低于室内设计温度最低阈值，打开风口进行散热，热量主要来自于蓄热材料蓄存的热量；当t3＞t3
″
，室内温度高于室内设计温度最高阈值，则关闭风口减少热量的散失。
11.模式四：当t1＜t1
′
，蓄热区t2＜t2
′
，循环水泵关闭，启动辅助电加热设备进行加热。当t3＜t3
′
，室内温度低于室内设计温度最低阈值，打开风口进行散热，热量主要来自于辅助电加热提供的热量；当t3＞t3
″
，室内温度高于室内设计温度最高阈值，则关闭风口减少热量的散失。
12.上述方案中，所述脉动热管的传热介质可以使用水、fc-72、乙醇、丙酮、r123、r141b等。
13.上述方案中，所述相变材料可以使用有机相变材料(如石蜡、脂肪酸、醇等)，无机相变材料(如水合盐、单质盐)等，以及有机-无机复合相变材料等。
14.本发明提供了一套梯级蓄供调控方式。在供热系统中，将此蓄热式脉动热管散热器作为蓄供热末端与太阳能集热器、水泵等通过循环管路连接。设置三通闸阀g1在第一进水管路与第二进水管路的交接处，设置闸阀g2在连接第二进水口的管路的上，设置闸阀g3在连接第一出水口与第一回流口的管路上，闸阀均采用电动闸阀。设置感温探头t1在太阳能集热器内，设置感温探头t2在箱体蓄热区、设置感温探头t3在室内空间。设置plc控制器，与水泵、辅助电加热设备、风口调控装置、感温探头及闸阀连接。
15.上述方案中，感温探头用于实时采集各点温度，并将采集到的温度信号传输到plc控制器，plc控制器对接收到的温度信号进行处理和分析，并将生成的指令发送至水泵、辅助电加热设备、风口调控装置及闸阀。
16.设置循环水泵开启的最低温度阈值t1
′
；相变温度为t2
′
；室内设计温度最低阈值t3
′
，最高阈值t3
″
。具体的温度值可根据实际情况调整。
17.上述方案中，所述室内热环境调控逻辑如下：太阳能集热器中的热水温度t1小于循环水泵开启的最低温度阈值t1
′
时，循环水泵不运行，系统若需要进行蓄散热，由辅助电加热设备提供热量。太阳能集热器中的热水温度t1大于循环水泵开启的最低温度阈值t1
′
且小于相变材料的相变温度t2
′
时，低温热水通过箱体加热区，热量被脉动热管蒸发段吸收，然后在绝热段和冷凝段释放。当热水温度t1大于相变材料的相变温度t2
′
时，高温热水先通过箱体蓄热区用于相变材料的蓄热，被吸收热量的热水温度小幅度降低，再回流到箱体加热区，加热脉动热管蒸发段，然后热量在绝热段和冷凝段释放。在上述过程中，若室内
温度t3高于室内设计温度最高阈值t3
″
，可关闭风口以提高储热效率，若室内温度t3低于室内设计温度最低阈值t3
′
，则打开风口以保证散热效果。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1)本发明在可再生太阳能供热系统方面，将蓄热装置与散热装置一体化，改善了额外使用蓄热装置所造成的占地面积大、散热损耗高、热利用率低及水泵功耗等问题；在蓄热式脉动热管散热器装置方面，通过设计合理的蓄热结构，利用脉动热管和高温热水进行梯级蓄热，提高了相变材料的利用效率；在供热系统控制方面，设计了保温型可调风口和热量梯级蓄供相结合的调控方式，在保证室内温度处于合理区间的前提下，最大化系统的蓄散热效果。
20.2)本发明改变相变材料填充区，在蓄热区内设置扰流板和相变材料填充区，相变材料填充区围绕脉动热管，并由外围翅片包裹，除相变材料填充区外的蓄热区内能够供流体流过，并由扰流板进行扰动，可以合理地利用不同温度的热水，高温热水先通过箱体蓄热区，热量直接传热给相变材料进行蓄热，之后热水再回流到箱体加热区用于散热，这样可以大大提高储热效率，而低温热水直接通过箱体加热区直接用于散热。此外，在箱体上设置可调控风口，一方面在蓄热过程可以关闭风口强化蓄热，另一方面可以调控室内温度避免室内温度过高或过低，并在蓄热区增加扰流板，强化热水的传热效果，相变材料放热过程能根据建筑热负荷需求进行实时动态调控，适用于室内热环境调控领域。
21.3)本发明调控方法能充分利用不同温度的热水，高效的进行储热，使储热过程更加的充分，提高了储热效率，避免能量浪费，相变材料所储存的热量能再利用脉动热管进行散热，直接将蓄热装置设置在散热器中，可以通过房间的热负荷决定相变材料的使用量，不用考虑蓄热装置的放置问题，避免了在蓄热装置到散热装置这段距离的热量传输造成的损耗和功耗。
(四)附图说明
22.下面结合附图对本发明作进一步描述说明：
23.图1为太阳能供暖系统示意图；
24.图2为蓄热式脉动热管散热器示意图；
25.图3为脉动热管示意图；
26.图4为散热箱体示意图；
27.图中：1-蓄热式脉动热管散热器；2-太阳能集热器；3-水泵；4-plc控制器；5-辅助电加热器；6-脉动热管；7-散热箱体；8-脉动热管蒸发段；9-脉动热管绝热段；10-脉动热管冷凝段；11-蒸发段翅片；12-冷凝段翅片；13-相变材料填充区；14-箱体保温层；15-箱体加热区；16-箱体蓄热区；17-箱体散热区；18-扰流板；19-保温型可调风口；20-第一进水管路；21-第二进水管路；22-第一进水口，23-第一出水口，24-第一回流口，25-第二进水口，26-第二出水口。
(五)具体实施方式
28.如图1所示的太阳能-蓄热式脉动热管供热系统，主要包括蓄热式脉动热管散热器(1)、太阳能集热器(2)、水泵(3)、plc控制器(4)、辅助电加热器(5)等设备。太阳能集热器、
水泵和蓄热式脉动热管散热器由循环管道连接。
29.蓄热式脉动热管散热器如图2所示，包括脉动热管(6)和箱体(7)，脉动热管如图3所示，分为蒸发段(8)、绝热段(9)和冷凝段(10)，在蒸发段(8)和冷凝段(10)分别设置蒸发段翅片(11)和冷凝段翅片(12)，在绝热段周围设置相变材料填充区(13)，相变材料填充区(13)内填充相变材料，相变材料填充区(13)的外围使用外围翅片将相变材料包裹起来，在相变材料填充区(13)的中间也设竖直翅片，竖直翅片将绝热段与外围翅片连接形成一个整体，提高传热，使得受热均匀。箱体(7)如图4所示，箱体的外围设保温层(14)，箱体内部从下至上分为加热区(15)、蓄热区(16)、散热区(17)，在加热区(15)内设置辅助电加热器(5)，在蓄热区内设扰流板(18)，在蓄热区内除相变材料填充区外的剩余空间供流体流过，散热区的上表面设置保温型可调控风口(19)，保温型可调控风口由相应的电机控制风口的开启或关闭，呈百叶形状。箱体蓄热区右侧设第一进水口(22)，左侧设第一出水口(23)，箱体加热区(15)左侧上方设第一回流口(24)，左侧下方设第二进水口(25)，右侧设第二出水口(26)，第一出水口(23)与第一回流口(24)相连，闸阀g3设置在第一出水口与第一回流口连接的管路上，用于蓄热区热水的回流。第一进水口(22)和第一进水管路(20)连接，第二进水口(25)和第二进水管路(21)连接，在第二进水管路与第二进水口的连接位置附近设置闸阀g2；闸阀g1设置在第一进水管路与第二进水管路的交接处，闸阀g1同时通过相应管路经水泵(3)与太阳能集热器(2)的出口；蓄热式脉动热管散热器的第二出水口(26)经相应管路连接太阳能集热器(2)的进口。
30.在室内设置感温探头t3，太阳能集热器内安装感温探头t1、在箱体蓄热区内设置感温探头t2，三者的温度分别用t3、t1、t2表示，plc控制器(4)与三个感温探头、三个闸阀(g1、g2、g3)、水泵(3)、保温型可调控风口(19)的电机和辅助电加热器(5)连接，plc控制器通过感温探头监测太阳能集热器(2)、箱体蓄热区(16)和室内的温度，plc控制器获得上述感温探头的温度信息后，与相应的温度阈值进行比较，进而控制水泵、闸阀、保温型可调控风口和辅助电加热器进行启用或关闭，使得室内温度维持在恒定范围内，提高系统运行的稳定性，避免忽冷忽热现象。
31.所述脉动热管可为圆形管、矩形管等，所述脉动热管蒸发段、冷凝段的翅片形状为圆盘型、平板型、竖直型、螺旋型等。所述脉动热管绝热段的翅片形状为折叠型、圆盘型、平板型以及在绝热段可以填充多孔导热材料等。
32.一种太阳能-蓄热式脉动热管供热系统的梯级蓄供调控方法，设定水泵启动的最低热水温度t1
′
、室内设计温度最低阈值t3
′
、室内设计温度最高阈值t3
″
、相变温度t2
′
，当太阳能集热器的温度小于相变温度时为低温热水，低温进入加热区，不小于相变温度时为高温热水，高温热水进入蓄热区；具体运行模式如下：
33.模式一，低温热水蓄热：太阳能集热器中的感温探头t1检测到太阳能集热器内水温后传输温度信号到plc控制器，plc控制器判断当前太阳能集热器内水温满足t1
′
＜t1＜t2
′
时，plc控制器启动水泵运行，开启三通闸阀g1使热水流进第二进水管路，闸阀g2开启，闸阀g3关闭，热水先经第二进水口流入箱体加热区，热水热量被脉动热管蒸发段吸收；
34.同时感温探头t3实时监测室内温度，并将室内温度信号传输到plc控制器，plc控制器将室内温度信号和室内设计温度最低阈值t3
′
和室内设计温度最高阈值t3
″
进行比较，当t3＜t3
′
时，plc控制器打开保温型可调控风口进行散热，蒸发段吸收的热量主要用于冷
凝段的散热，让相变材料放热，以满足建筑热负荷需求；当t3＞t3
″
时，关闭保温型可调控风口使蓄热式脉动热管散热器储存更多热量实现更好地蓄热，蒸发段吸收的热量主要用于绝热段的蓄热。
35.模式二，高温热水蓄热：当plc控制器监测到太阳能集热器温度t1＞t2
′
时，plc控制器控制水泵依然运行，并转换三通闸阀g1使热水进入第一进水管路，开启闸阀g3，关闭闸阀g2；热水先经第一进水口流入体蓄热区，热水热量先被相变材料吸收蓄热，被吸收热量的热水温度依然能保持在相变温度左右，热水从第一出水口流出后，再经第一回流口回流到箱体加热区，此时热水热量被脉动热管蒸发段吸收，主要用于冷凝段散热；
36.同时当t3＜t3
′
，室内温度低于室内设计温度最低阈值，打开风口进行散热，蒸发段吸收的热量用于冷凝段的散热；当t3＞t3
″
，室内温度高于室内设计温度最高阈值，则关闭风口储存热量，包括蓄热材料直接吸收的热水传递来的热量和蒸发段吸收的热量。
37.模式三，相变散热：plc控制器获得太阳能集热器中的感温探头t1及箱体蓄热区中的感温探头t2的温度数据，当监测到太阳能集热器温度t1＜t1
′
时，且蓄热区温度t2＞t2
′
时，plc控制器控制关闭水泵，关闭闸阀g1、g2、g3，主要利用相变材料储存的热量进行散热，辅助电加热设备处于关闭状态；
38.同时当t3＜t3
′
，室内温度低于室内设计温度最低阈值，打开风口进行散热，热量主要来自于蓄热材料蓄存的热量；当t3＞t3
″
，室内温度高于室内设计温度最高阈值，则关闭风口减少热量的散失。
39.模式四，电加热散热储热：plc控制器获得感温探头t1、t2、t3的温度数据，当监测到太阳能集热器温度t1＜t1
′
、蓄热区温度t2＜t2
′
，且室内温度t3＜t3
′
时，循环水泵关闭，启动辅助电加热设备进行散热及储热，当t3＜t3
′
，室内温度低于室内设计温度最低阈值，打开风口进行散热，热量主要来自于辅助电加热提供的热量；当t3＞t3
″
，室内温度高于室内设计温度最高阈值，则关闭风口减少热量的散失。
40.室内设计温度最高阈值和室内设计温度最低阈值可根据实际情况确定，本实施例中分别设置为22℃、18℃。
41.实施例：以河北石家庄为例，采暖季最冷天最低温度-10℃，最高温度0℃，当天太阳平均辐射照强720w/m2。室内设计温度范围设为18～22℃，相变材料采用水合盐na2s2o3·
5h2o，其熔点为48℃，熔化潜热为201kj/kg。
42.在日间有太阳辐射时，如10：00～16：00，太阳辐射强度大于500w/m2。此时太阳能集热器吸收热量，当集热器中的温度大于45℃时，感温探头t1监测到后，传输信号到plc控制器，启动水泵运行，开启三通阀g1使热水流入第二进水管路，开启闸阀g2，关闭闸阀g3。热水通过箱体加热区，热水热量被脉动热管蒸发段吸收，主要用于冷凝段向室内散热。当集热器中的温度大于48℃时，感温探头t1监测到后，传输信号到plc控制器，转换三通阀g1使热水流入第一进水管路，开启闸阀g3，关闭闸阀g2。热水先通过箱体蓄热区，热水热量先被相变材料吸收蓄热，被吸收热量的热水温度还能保持在48℃，热水再回流到箱体加热区，此时热水热量被脉动热管蒸发段吸收，再用于冷凝段向室内散热。在上述过程中风口处于开启状态，随着散热器不断向室内散热，室内温度不断升高，当感温探头t3监测到室内温度达到22℃后，plc控制关闭散热器风口。
43.在日间太阳辐射较弱或夜间无太阳辐射时，如16：00～次日10：00，太阳辐射照强
度小于500w/m2，当太阳能集热器中的温度逐渐降低，当降低到48℃以下时，感温探头t1监测到后，传输信号到plc控制器，转换三通阀g1使热水流入第二进水管路，开启闸阀g2，关闭闸阀g3；当降低到45℃以下时，感温探头t1监测到后，传输信号到plc控制器，关停水泵，关闭闸阀g1、g2、g3。当，感温探头t3监测到室内温度降低到18℃以下后，plc控制器打开散热器风口，利用相变材料储存的热量进行散热。
44.当太阳能集热器中的温度低于45℃，箱体蓄热区温度低于48℃且室内温度低于18℃时，启动辅助电加热设备进行加热。当蓄热区温度t2＞t2
′
时，关闭辅助电加热设备，再继续利用相变材料进行散热。
45.本发明的梯级蓄供调控方法能够有利于维持室内稳定的恒定，使热量稳定散出，更加舒适。
46.本发明未述及之处适用于现有技术。