打开文本图片集
摘 要：太阳能热水器与相变蓄热材料耦合应用可有效提高太阳能集热水箱的效能，促进能源的优化配置。该文提出了一种与太阳能集热水箱耦合的相变储能系统，并进行储能材料的测试和分户供暖系统的模拟分析。首先提出了储能系统的制作方案及其与太阳能集热水箱供暖系统的连接方式。利用DSC对石蜡进行测试，选定46#石蜡作为系统的相变蓄热材料；采用数值模拟软件FLUENT对含有相变蓄热器的集热水箱和不含相变蓄热器的普通集热水箱；换热流体的流动计算采用层流模型，网络划分采用混合网络，对模型划分不同大小的网络来进行网络独立检验。该模拟网络尺寸为0.3，各项的收敛标准为104；时间步长分别以0.1s、0.2s、0.5s、1s来进行计算。综合考虑计算精度和时间成本，该文选用时间步长为0.2s。
4 工作原理
4.1 原理分析
近年来国内外对相变材料尤其对石蜡做了大量的研究，且提出了诸多新观点和方法。邹复炳，章学来[4]石蜡类有机相变材料具有较高的相变潜热，无过冷及分析出现象，性能稳定、无毒、价格便宜等优点，但也存在导热系数小、密度小的缺点。解决方法是在石蜡中加入添加剂强化石蜡的导热性能和改善蓄热设备增加换热能力，以提高蓄热器的蓄热和放热能力。熊伟，朱金华[5]可以通过对石蜡进行改性或与其它相变材料进行复合，进一步提高石蜡的潜热。盛青青[6]可将石蜡等有机相变材料与无机相变材料相结合，制备出有机、无机纳米复合相变材料，集有机与无机相变材料的优点于一体。为了提高石蜡的导热系数，研究者主要从蓄热设备的改进，比如采用肋片、蜂窝、多孔介质等。该文采用蜂窝式相变蓄热器。
该文公开了一种太阳能热水器双水箱分户供暖系统及其安装方法，包括户外供暖系统和户外控制系统；所述户外供暖系统包括第一集热水箱、第二集热水箱和管道分水器。所述第一集热水箱通过第一电子排水阀与管道分水器连接；所述第二集热水箱通过第二电子排水阀与管道分水器连接；所述管道分水器通过若干热源供水管分别与各自对应的户内控制系统连接；所述户内控制系统包括入户智能截止阀；所述入户智能截止阀与终端水嘴连接。系统可与建筑一体化设计，两台大容量的太阳能集热水箱轮流供暖，可供整栋楼一个单元的居民的正常热水供应。
4.2 原有技术
在市场已有的众多品牌、型号的空调产品中，归纳起来不外是两大类，一类是真空集热管式热水器，另一类是窗式平板热水器。现有太阳能真空集热管热水器，供热模式是通过真空集热管接受太阳能辐射并加热载热工质，载热工质大多数是采用集热水箱的水通过自然循环实现供暖，在使用过程中要用很大的储水箱，冬天安装在户外的真空集热管经常出现冻裂。现有窗式平板太阳能热水器，供热模式时是通过集热板接受太阳能辐射并加热载热工质，载热工质大多数是采用水箱与集热板分体安装，在安装和使用过程中存在安全隐患，且室外集热板影响整幢楼的美感。
4.3 新型太阳能集热水箱分户供暖
通过市场调研加之对业内工程技术人员的咨询，该研究者经过实验设计了一种新型太阳能热水器双水箱分户供暖系统，该系统属于节能型供暖装置。见图4，分户供暖系统结构示意图。
如图4所示，一种太阳能热水器双水箱分户供暖系统，包括户外供暖系统和户内控制系统；所示户外供暖系统包括第一集热水箱、第二集热水箱和管道分水器。第一集热水箱通过第一电子排水阀与管道分水器连接；第二集热水箱通过第二电子排水阀与管道分水器连接。所示管道分水器通过若干热源供水管分别各自对应的户内控制系统连接；所示户内控制系统包括入户智能截止阀；入户智能截止阀与终端水嘴连接。
所述第一集热水箱和第二集热水箱内分别设有第一水位控制仪和第二水位控制仪；所示第一集热水箱和第二集热水箱的上端分别连有第一电子进水阀和第二电子进水阀；第一水位控制仪的信号输出端与第一电子排水阀的信号输入端连接；第一电子排水阀的信号输出端分别与第一电子进水阀和第二电子排水阀信号输入端连接；第二水位控制仪的信号输出端与第二电子排水阀的信号输入端连接；第二电子排水阀的信号输出端分别与第二电子进水阀和第一电子排水阀的信号输入端连接。
4.4 相变储热器
所述第一集热水箱和第二集热水箱内分别设有蜂窝式相变蓄热器；所述蜂窝式相变蓄热器为筒体结构，且在其圆筒体两侧端板上均匀分布若干相通透小孔，在所述蜂窝式相变蓄热器内设置若干相变储存罐；相变储存罐有序排列在相变蓄热器内，相变储存罐为封密式筒体，在相变储存罐内装有固体或液体的相变材料，蜂窝式相变蓄热器和相变储存罐均采用304不锈钢薄板制作而成。在第一集热水箱或第二集热水箱进水时，通过过度管流经相变储存罐的外壁，通过相变储存罐释放热量完成集热水箱加热过程；所述相变储存罐在集热水箱盛有热水时蓄热，在集热水箱添加冷水时发放热，这样在进水过程中当冷水源通过相变储存罐外围时，经过相变储存罐的放热作用，在整个水箱换水时能保持水温夏天在30-35℃左右，冬天在20-25℃左右，这样能提高太阳能热水器的工作效率。王志飞[7]在冬季或阴雨天由于阳光不足，会导致太阳能热水器供热不足，而此时往往又是需热水量多的时间，为使太阳能热水器在集中供热系统中全天候供应热水，应采用辅助电加热器。
如图4所示，在所述第一集热水箱1和第二集热水箱2内均设有辅助加热器14，温度传感器13和温控开关15；所述温度传感器13的信号输出端与温控开关15的信号输入端连接；所述温控开关15的信号输出端与辅助加热器14的信号输入端连接，在阴雨天气，通过集热水箱中的蜂窝式相变蓄热器16提高辅助加热器14给集热水箱内的水加热的初始温度，更显节约电能。
4.5 户外控制系统
如图4所示，所述第一集热水箱1通过第一电子排水阀8与管道分水器10连接；所示第二集热水箱2通过第二排水阀28与管道分水器10连接；所示管道分水器10通过若干热源供水管18分别与各自对应的户外控制系统连接；该发明中过度分水器10的每一个出水端口分别与所述户内控制系统中的对应入户智能截止阀19连接；所述入户智能截止阀19与其对应终端水嘴23连接。
4.6 户内控制系统
如图5所示。所述户内控制系统还包括墙壁磁卡座20；所述墙壁磁卡座20的信号输出端与入户智能截止阀19的信号输入端连接。当用户需要热水时，将磁卡插入墙壁磁卡座20，墙壁磁卡座20将信号传输至入户智能截止阀19，智能化打开截止阀；所述入户智能截止阀19的出水端通过室内热水支管连接终端水嘴23；所述入户智能截止阀19的入水端口与热源供水管18的出水端连接；所述管道分水器10分别通过流量控制阀11与若干个热源供水管18连接；所述流量控制阀11连有计量表，这样可以分户计量供热。热源供水管18的入水端连接流量控制阀11的出水端，流量控制阀11的入水端口连接管道分水器10的出水端口。
4.7 系统分户供暖及蓄能释能的工作原理
一种分户供暖的太阳能热水器双水箱耦合相变蓄热器蓄能释能的工作原理，根据该课题的数值模拟第一集热水箱1和第二集热水箱2内分别设有第一水位控制仪12和第二水位控制仪121，在第一集热水箱1和第二集热水箱2的上端分别连有第一电子进水阀6和第二电子进水阀61；所述第一水位控制仪12的信号输出端与第一电子排水阀8的信号输入端连接；所述第一电子排水阀8的信号输出端分别与第一电子进水阀6和第二电子排水阀28的信号输入端连接；所述第二水位控制仪121的信号输出端与第二电子进水阀61和第一电子排水阀8的信号输入端连接。系统在初始状态。第一集热水箱1和第二集热水箱内均有热水，第一电子排水阀8处于开启状态，第二电子排水阀28处于关闭状态。此时用户磁卡插入墙壁磁卡座20，墙壁磁卡座20将信号传输至入户智能截止阀19，智能化打开入户智能截止阀19，热水从终端水嘴23流出。当第一集热水箱1内的热水即将用完时，第一水位控制仪12检测出水位过低，将水位过低的信号传输至第一电子排水阀8，第一排水阀8智能化关闭。与此同时第一电子排水阀8再将信号传输至第一电子进水阀6和第二电子排水阀28，第一电子进水阀6和第二电子排水阀28分别开启，此时第一集热水箱1开始蓄水，第二集热水箱2开始供应热水。待第二集热水箱2中热水即将用完时，第二水位控制仪121检测出水位过低，将水位过低的信号传输给第二电子排水阀28，第二电子排水阀28智能化关闭，与此同时第二电子排水阀28再将信号传输至第二电子进水阀61和第一电子排水阀8，第二电子进水阀61和第一电子排水阀8分别开启，此时第二集热水箱2开始蓄水，第一集热水箱1开始供应热水，以此循环不间断式供应热水。
5 结论
采用分户供暖的太阳能热水器双水箱耦合相变蓄热器蓄能释能的数值模拟，将模拟结果进行对比分析表明，太阳能集热水箱内的相变蓄热器的蓄能模拟对冷水有一定的加热作用。然而随着流量的增大，相变蓄热器释能性能下降，主要由于释能时间缩短，相变储能模块来不及释放热量。太阳能集热水箱配置相变蓄热器可以提高太阳能集热水箱的释能量，尤其对于太阳能的利用与建筑一体化设计，开发商在建房时就考虑屋顶配装太阳能热水器，同时预留暗装通道和上下水暗装管道，及太阳能集热水箱的支架平台，这样完全可以做到：不仅安全，在外表也看不见杂乱管线，美观且便于维修，热利用率会更高。该课题的供热系统设计两台大容量的太阳能集热水箱，轮流供热，系统通过管道分水器，分户供热。在每个用户的热源入户端口处分别设有智能截止阀，且设置有墙壁磁卡座。当用户需要用热水时将磁卡插入磁卡座，磁卡座将信号传递至智能截止阀，智能化打开截止阀供暖。另外，系统在过度分水器的每个出水端分别设置有流量控制阀，实行计量使用，这样更能有效节约水资源。
参考文献
[1]冯国会.基于空气源热泵的双向相变储能材料与系统储能单元研究[J].建筑科学，2013，29（6）：36
[2]张永信，李舒宏.太阳能相变储能水箱释能性能的数值模拟[J].储能科学与技术，2013，2（4）：378—380.
[3]汪意.定形相变材料的研究进展[J].储能科学与技术，2013，2（4）：363.
[4]邹复炳，章学来.石蜡类相变蓄热材料研究进展[J].能源技术，2006，27（1）：1
[5]熊伟.朱金华石蜡相变微胶囊研究进展[J].胶体与聚合物，2010，28（3）：141.
[6]吕学文，考宏涛.复合相变储能材料的传热性能研究进展[J].节能，2009，329（12）：9
[7]王志飞.住宅太阳能热水器集中供热系统的应用[J].建筑节能，2002（2）：51.
查看全文
false