CN104141980A - 冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置及应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置及应用系统，其中将传统的毛细管辐射供冷/暖与相变蓄能技术结合的冷热一体化装置包括地源热泵；分水器；集水器；太阳能集热器；辅助电加热器和蓄能地板；蓄能地板从上至下分别为地板面层；混凝土层；蓄热相变材料层，用于冬季夜间蓄存热量；水泥砂浆找平层，将蓄冷层和蓄热层隔开，便于相变材料层的铺设；蓄冷相变材料层，用于夏季夜间蓄存冷量；反射膜，起到反射和阻隔热量的作用，减小相变材料层与下面保温层的换热；保温层，为导热率低、密度小的材料，进一步减少楼板结构层的热量散失；在蓄热相变材料层中铺设毛细管用于供热水；在蓄冷相变材料层中铺设毛细管用于供冷水。

Description

冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置及应用系统

技术领域

本发明是一种将传统的毛细管辐射供冷/暖与相变蓄能技术结合在一起的一体化末端装置及应用系统，属于建筑供暖、空调新技术范畴，建筑能源优化利用及蓄能技术领域。特别涉及一种新型蓄能地板的结构设计。

背景技术

地板辐射供冷/暖发展到今天，无论从理论研究还是工程实际应用都不断成熟，取得了巨大的发展。毛细管地板辐射系统作为低温热水、高温冷水的新型的空调型式，能够更好的创造舒适的环境、提高室内空气品质，且符合节能的发展方向。而且随着全球经济的不断发展，世界各国对能源的消耗在成倍地增长。江亿院士曾撰文指出2004年我国建筑终端能耗占我国社会总能耗的25.5%。建筑能耗中最大部分为空调和采暖能耗，约占建筑总能耗的40%～50%，如何降低该方面的能耗成为重中之重。为了解决这一问题，我国政府出台了“峰谷电价政策”，并且大力提倡创新发展低谷用电节能产业。

从以上论述可知，一方面，生活水平的提高使得人们对居住环境的舒适性提出了更高的要求。另一方面，人们在追求更加舒适居住环境的同时也造成了更多的能耗和更大的电力峰谷差。蓄能技术被认为是一种解决这两者矛盾的有效方式。潜热蓄能也称相变蓄能，是最有效的蓄能方式，介质通过气、固、液三相的转换从而吸收或放出大量的热能。它能在等温或者很小的温度区间内吸收或释放大量的热量。这也是蓄能技术研究的重点。将辐射供冷/暖与相变蓄能技术结合，利用夜间低谷电蓄冷/蓄热，在白天释放所蓄的能量为房间提供制冷或采暖的模式是一种有意义的尝试。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种可以高效利用低谷电，将地板辐射供冷/暖与毛细管、相变蓄能技术、地源热泵技术结合起来，从而建立节能经济的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置及应用系统。

技术方案：本方案中，设计一种冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置，该装置中的蓄能地板采用两种相变温度的相变材料，用于解决采暖和空调蓄能工况下所需要的相变温度不一致问题，分别用来冬季夜间蓄存热量和夏季夜间蓄存冷量，而后在白天释放给房间。在夜间低谷电价时段(24:00～8:00)，系统热泵机组运行，该双层相变材料用来在冬季蓄存热量和夏季蓄存冷量；在白天峰谷电时段(8:00～18:00)，机组停机，相变材料释放热量或冷量给房间采暖或供冷。与地板辐射系统无相变材料层时相比，相变材料的使用可以降低地板表面的热流波动，并且可以提高地板辐射系统在高峰负荷时段的放热量和放冷量。

地板结构如附图1所示。该末端装置的蓄能地板各层从上至下分别为地板面层、混凝土层、蓄热相变材料层、水泥砂浆找平层、蓄冷相变材料层、反射膜、保温层和楼板结构层。在蓄热相变材料层中铺设用于供热水的蓄热层毛细管网；在蓄冷相变材料层中铺设用于供冷水的蓄冷层毛细管网。

上述技术方案所述的蓄热相变材料层和蓄冷相变材料层内均铺设毛细管。蓄热时，蓄热层毛细管网通热水进行蓄热，蓄冷层毛细管网即可作为备用。

上述技术方案蓄冷时，蓄冷层毛细管网通冷水进行蓄冷，蓄热层毛细管网即可作为备用。

上述技术方案中蓄热相变材料层由长条状的蓄热相变模块拼接而成，蓄热相变模块由蓄热相变材料通过金属封装而成；蓄冷相变材料层由长条状的蓄冷相变模块拼接而成，蓄冷相变模块由蓄冷相变材料通过金属封装而成。

上述技术方案中蓄热相变材料层在上层，蓄冷相变材料层在下层；蓄热相变材料层与蓄冷相变材料层间铺设水泥砂浆找平层。

上述技术方案中蓄热层毛细管网环绕铺设在由蓄热相变模块构成的蓄热相变材料层的间隙内，蓄冷层毛细管网环绕铺设在由蓄冷相变模块构成的蓄冷相变材料层的间隙内。

上述技术方案中蓄热相变材料层相变材料的相变温度为32～38度；蓄冷相变材料层相变材料的相变温度为16～20度。

在本装置中，之所以将蓄热相变材料层放在上层，蓄冷相变材料层放在下层，是考虑到蓄冷过程中，如果地板表面温度过低，可能会出现结露现象。那么将蓄冷相变材料放在下层，增加上面的导热热阻，对于冷量的蓄存有保护作用，对冷量的释放也有缓冲作用，以降低结露的风险。

针对相变蓄能热水采暖地板在蓄能期间可能出现的蓄能能力偏低的问题，末端采用双层毛细管。毛细管与传统水管相比，具有换热面积大，换热均匀，供水温度要求低的优点，舒适安全，高效节能。毛细管埋入相变材料层中，与相变材料充分接触，增大换热面积，以确保相变材料相变完全，蓄能能力充分利用，同时另一层的毛细管也可作为备用，当负荷变化较大，或蓄能时间要求减少时，也可以通过另一层的毛细管进行辅助蓄能，加快蓄能速率。

冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置的应用系统，包括地源热泵、分水器、集水器和蓄能地板；系统设置地源热泵，可以充分利用低品位热源，所述地源热泵的输出端依次通过阀和分水器与蓄能地板的输入端连接，地源热泵的输入端依次通过阀和集水器与蓄能地板的输出端连接。

同时，系统还具有太阳能集热器，在夜间的蓄热量不够，或日间负荷较大时，可以日间辅助供热；所述太阳能集热器的输出端依次通过阀和分水器与蓄能地板的输入端连接，太阳能集热器的输入端依次通过阀和集水器与蓄能地板的输出端连接。

必要时可配合辅助电加热器，还具有辅助电加热器；所述辅助电加热器的一端通过阀连接到太阳能集热器的输出端，另一端通过分水器连接到蓄能地板的输入端。

有益效果：本发明的有益效果是：

1. 将毛细管地板辐射供冷/暖与相变蓄能技术相结合，能够充分利用夜间低谷电价蓄存能量，在白天峰谷电时供室内供冷/暖使用，这样不仅能够实现电网“移峰填谷”，解决电力峰谷差的问题，而且还可以节约电力运行费用，同时又不失一般毛细管辐射供冷/暖的优点；

2. 双层相变材料蓄能式地板将毛细管直接铺设在各自蓄热相变材料层和蓄冷相变材料层中，结构紧凑，降低了冷热水输送过程中的能量损失，减少了蓄冷相变材料层和蓄热相变材料层之间的互相影响，保证能够利用高温冷水和低温热水蓄能充分，而且毛细管与传统水管相比，具有换热面积大，换热均匀，供水温度要求低的优点，舒适安全，高效节能；

3. 在温度较低或较高的环境下，冷热负荷升高或蓄能时间减少时，我们还可以利用另一层中的毛细管辅助蓄能或作备用，可靠性增强；

4. 系统采用地源热泵作为冷热源，可以高效地使用低品位浅层地热能作为冷热源，这对减低建筑能耗有很大帮助。具有节能减排的效果。

5. 一套冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置既能用于冬季供暖也能用于夏季供冷，装置简单，灵活可靠。

附图说明

图1为本发明的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置的结构示意图。

图2为本发明的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板的应用系统流程图。

图3为本发明的双层毛细管相变蓄能地板铺设示意图。

图4为图3的俯视图；

图5为图3的轴测图；

图6为本发明的夜间蓄能的示意图；

图7为本发明的白天放能的示意图。

附图中标号为：1.地板面层，2.混凝土层，3.蓄热相变材料层，4.水泥砂浆找平层，5.蓄冷相变材料层，6.反射膜，7.保温层，8.楼板结构层，9.蓄热层毛细管网，10.蓄冷层毛细管网，11.地源热泵，12.分水器，13.集水器，14.太阳能集热器，15. 辅助电加热器，16. 蓄能地板，17.蓄热相变模块，18.蓄冷相变模块。

具体实施方式

本发明的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置及应用系统，如图1所示，其系统的流程简图如图2所示，下面结合附图详细说明。

见图1至图5，该装置地板各层从上至下分别为地板面层1、混凝土层2、蓄热相变材料层3、水泥砂浆找平层4、蓄冷相变材料层5、反射膜6、保温层7和楼板结构层8。相变材料采用长条形金属封装，蓄热相变材料层3和蓄冷相变材料5层之间铺设一层水泥砂浆找平层4，既解决了相变过程状态变化的问题，又增强了材料的导热率。蓄热相变材料层3的相变温度在32～38度，蓄冷相变材料层的5相变温度在16～20度；在蓄热相变材料层3中铺设一层蓄热层毛细管网9；蓄冷相变材料层5中铺设一层蓄冷层毛细管网10。蓄热层毛细管网9和蓄冷层毛细管网10环绕着嵌在长条形蓄热相变模块17和蓄冷相变模块18的间隙内，使其与相变材料接触充分。用铝箔或其他高反射率材料作反射膜6，起到反射和阻隔热量的作用，减小相变材料层与保温层的换热。保温层7，用导热率低，密度小的材料进行保温，进一步减少向下层的热量散失。

本发明的工作原理和工作流程如下：

见图6和图7，对于夏季工况：夜间低谷电期间，一般为晚24：00到凌晨8：00。开启地源热泵11机组，提供所需的冷水，进入室内的分水器12，然后进入地板内蓄冷层毛细管网10，冷却蓄冷相变材料层5，当蓄冷相变材料5的温度下降到其相变温度时，相变材料开始凝固，根据相变原理，凝固放热，这样冷量就在蓄冷相变材料层5中蓄存起来；而在白天峰谷电时，地源热泵11机组停止工作，蓄冷层毛细管网10不再通冷水提供冷量，室内温度和地板层内温度开始回升，当蓄冷相变材料层5的温度上升到其相变点时，相变材料开始融化，同时吸收热量，温度相对较低的相变材料层向上释冷，为室内提供冷量，使室内温度降低或上升减缓。

对于冬季工况：夜间低谷电期间，一般为晚24：00到凌晨8：00。开启地源热泵机组11，提供所需的热水，进入室内的分水器12，然后进入地板内蓄热层毛细管网9，加热蓄热相变材料层3，当蓄热相变材料层3的温度上升到其相变温度时，相变材料开始融化，根据相变原理，融化吸热，这样热量就在蓄热相变材料层3中蓄存起来；而在白天峰谷电时，地源热泵11机组停止工作，蓄热层毛细管网9不再通热水提供热量，室内温度和地板层内温度开始下降，当蓄热相变材料层3的温度下降到其相变点时，相变材料开始凝固，同时放出热量，温度相对较高的相变材料层向上放热，为室内提供热量，使室内温度升高或下降减缓。另外由于冬季冷负荷相对较大，整个系统还设置太阳能集热设备，以期在白天冷负荷较大，夜间蓄存热量不足时，可做备用。当冬季白天室内温度不足时，将太阳能集热器14（必要时可配合辅助电加热器15）加热的热水通入分水器12中，通过蓄热层毛细管网9直接向室内提供热量。

该装置充分的利用了低品位热源，同时和相变蓄能结合起来，起到了很好的移峰填谷，节能减排的效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置，其特征在于：具有蓄能地板（16）；所述蓄能地板（16）从上至下分别为地板面层（1）、混凝土层（2）、蓄热相变材料层（3）、水泥砂浆找平层（4）、蓄冷相变材料层（5）、反射膜（6）、保温层（7）和楼板结构层（8）；在蓄热相变材料层（3）中铺设用于供热水的蓄热层毛细管网（9）；在蓄冷相变材料层（5）中铺设用于供冷水的蓄冷层毛细管网（10）。

2.按照权利要求1所述的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置，其特征在于：所述的蓄热相变材料层（3）和蓄冷相变材料层（5）内均铺设毛细管网；蓄热时，蓄热层毛细管网（9）通热水进行蓄热，蓄冷层毛细管网（10）即可作为备用。

3.按照权利要求1所述的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置，其特征在于：蓄冷时，蓄冷层毛细管网（10）通冷水进行蓄冷，蓄热层毛细管网（9）即可作为备用。

4.按照权利要求1或2或3所述的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置，其特征在于：蓄热相变材料层（3）由长条状的蓄热相变模块（17）拼接而成，蓄热相变模块（17）由蓄热相变材料通过金属封装而成；蓄冷相变材料层（5）由长条状的蓄冷相变模块（18）拼接而成，蓄冷相变模块（18）由蓄冷相变材料通过金属封装而成。

5.按照权利要求4所述的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置，其特征在于：蓄热相变材料层（3）在上层，蓄冷相变材料层（5）在下层；两者中间铺设水泥砂浆找平层（4）。

6.按照权利要求5所述的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置，其特征在于：蓄热层毛细管网（9）环绕铺设在由蓄热相变模块（17）构成的蓄热相变材料层（3）的间隙内；蓄冷层毛细管网（10）环绕铺设在由蓄冷相变模块（18）构成的蓄冷相变材料层（5）的间隙内。

7.按照权利要求1所述的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置，其特征在于：蓄热相变材料层（3）相变材料的相变温度为32～38度；蓄冷相变材料层（5）相变材料的相变温度为16～20度。

8.冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置的应用系统，其特征在于：包括地源热泵（11）、分水器（12）、集水器（13）和蓄能地板（16）；所述地源热泵（11）的输出端依次通过阀和分水器（12）与蓄能地板（16）的输入端连接，地源热泵（11）的输入端依次通过阀和集水器（13）与蓄能地板（16）的输出端连接。

9.按照权利要求8所述的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置的应用系统，其特征在于：还具有太阳能集热器（14）；所述太阳能集热器（14）的输出端依次通过阀和分水器（12）与蓄能地板（16）的输入端连接，太阳能集热器（14）的输入端依次通过阀和集水器（13）与蓄能地板（16）的输出端连接。

10.按照权利要求9所述的冷热一体化双层毛细管相变蓄能地板末端装置的应用系统，其特征在于：还具有辅助电加热器（15）；所述辅助电加热器（15）的一端通过阀连接到太阳能集热器（14）的输出端，另一端通过分水器（12）连接到蓄能地板（16）的输入端。