CN112484130A - 一种基于耦合相变的供热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于耦合相变的供热系统及方法，属于民用供热领域，包括民用供热系统和太阳能加热系统。包括依次连接的热源、热力站和热用户组成的第一水循环回路，储热装置包括箱体，箱体中间设有分隔板，分隔板将箱体内部分为两个区，分别为第一保温区和第二保温区，第一保温区和第二保温区均设有入口端和出口端；第一保温区的两端分别与热力站和热源连接，第二保温区的两端分别与热力站和热源连接；第一保温区、加热器和第二保温区一起组成第二水循环回路。通过第二水循环回路保持第二保温区的较高温度，从而保证了进入热力站的水在较高的温度范围内。将相变储热和太阳能加热系统结合，可以平抑太阳能间歇性和不稳定性的特征，使相变材料更快的达到相变区，减少能源消耗。
Description
技术领域
本发明属于民用供热领域，涉及一种基于耦合相变的供热系统及方法。
背景技术
目前，居民供热大多采用全天直供的方式，但是对于绝大部分热用户，其并不是全天待在家中，无人时的不间断供热势必会造成能源的浪费，因此热计量运营方式是供热的发展趋势。热计量是根据用户实际消耗的热量进行计量和收费的供热运营方式，热用户可以根据自身需要调节供热量，并对热用户实际的用热量进行收费，降低了用户用热费用，同时降低了系统能耗。但是热计量方式会对热网的运行带来问题。多个热用户频繁的开关阀门会对热网的稳定性产生影响；并且热网的滞后性使得热源侧无法及时响应用户侧阀门开关带来的负荷变动，最终会降低用户体验。
同时，可再生能源(太阳能、地热能、风能等)的使用可以进一步降低能源消耗。但是由于可再生能源的间歇性和不稳定性，其和热网的直接结合会加剧热网的波动，对其稳定运行产生显著影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，现有供热系统结合可再生能源供热和热计量方式均会影响热网稳定性的缺点，提供一种基于耦合相变的供热系统及方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于耦合相变的供热系统，包括依次连接的热源、热力站和热用户组成的第一水循环回路，每个热力站的入口管路连接有储热装置，储热装置连接有加热器，热力站的出口端与热用户连接；所述储热装置包括箱体，箱体中间设有分隔板，分隔板将箱体内部分为两个区，分别为第一保温区和第二保温区，第一保温区和第二保温区均设有入口端和出口端；第一保温区的两端分别与热力站和热源连接，第二保温区的两端分别与热力站和热源连接；
第一保温区、加热器与第二保温区分别通过管路依次连接，第二保温区与第一保温区之间通过管路连接，第一保温区、加热器和第二保温区一起组成第二水循环回路。
优选地，所述第一保温区内填充有低温相变材料；所述第二保温区填充有高温相变材料。
进一步优选地，所述低温相变材料为脂肪酸或石蜡；所述高温相变材料为无机盐水溶液。
优选地，热源、加热器、热力站、热用户、第一保温区和第二保温区之间连接的管路上均设有阀门。
优选地，所述第二保温区的入口端与热源的出口端连接，第二保温区的出口端与热力站的入口端连接；第一保温区的入口端与热力站的出口端连接，第一保温区的出口端与热源的入口端连接。
优选地，所述加热器安装在储热装置的上方。
优选地，所述储热装置中，第一保温区位于第二保温区的顶部。
优选地，所述水循环回路中，第一保温区的出口端与加热器的入口端连接，加热器的出口端与第二保温区的入口端连接。
优选地，所述加热器为太阳能加热器。
一种基于上述供热系统的供热方法，包括：
第一水循环回路开始工作，开通热源出口端的阀门，热源中的热水流入第二保温区，并通过第二保温区中的管道流入热力站，再经热力站流至热用户，为热用户供热；热用户的出口端流出的水经过热力站流至第一保温区，第一保温区将水返回至热源继续加热；
热用户的出口端流出的水经过热力站流至第一保温区时，第一保温区温度降低，第二水循环回路开始工作，第一保温区中与加热器连接的管路中的第二水循环回路中水的温度降低，降温后的水进入加热器中进行加热，加热后的热流至第二保温区的管路中，使第二保温区温度升高，使得流经第二保温区的第一水循环回路中的水保持较高的温度进入热力站。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于耦合相变的供热系统，包括依次连接的热源、热力站和热用户组成的第一水循环回路，储热装置包括箱体，箱体中间设有分隔板，分隔板将箱体内部分为两个区，分别为第一保温区和第二保温区，第一保温区和第二保温区均设有入口端和出口端；第一保温区的两端分别与热力站和热源连接，第二保温区的两端分别与热力站和热源连接；第一保温区、加热器和第二保温区一起组成第二水循环回路。通过第二水循环回路保持第二保温区的较高温度，从而保证了进入热力站的水在较高的温度范围内。当热源提供富余的热量时，携带多余的热量的工质流经储热装置时，会将该部分热量存储在第一保温区和第二保温区中，而不是直接进入热力站；而且由于相变过程的恒温性，即使供水管路损失了这一部分热量，也不会大幅度影响热用户侧的温度。当热网所需热负荷提高时，比如某个热用户突然了自家的供热阀门，热网的热量已经不足以支撑此时的热负荷。此时第一保温区和第二保温区中的热量释放出来，用以维持热网温度，消除了热网波动。即在本发明中设置了双层储热材料匹配供水管路和回水管路，可以实现能量的梯级利用，同时本发明系统可以平抑热网的负荷波动，从而解决了现有供热系统结合可再生能源供热或热计量方式进而影响热网稳定性的问题。
进一步地，相变储热是基于材料的相变潜热而进行储热的技术，由于在相变过程中材料的温度近乎恒定，易于进行温控；同时由于储热材料的相变潜热普遍较高，因此相变储热的储热密度大，具有很大的优势。采用低温相变材料和高温相变材料复合系统，能够匹配温度不同的供水管路和回水管路，使得两个管路同时处于相变区，保证温度稳定的同时，实现能量的梯级利用。
进一步地，热源、加热器、热力站、热用户、第一保温区和第二保温区之间连接的管路上均设有阀门，使得整个系统易于控制，实用性更强。
进一步地，加热器安装在储热装置的上方，储热装置中，第一保温区位于第二保温区的顶部，加热后的热水是自下而上进入加热器，选择该流向的原因是：自下而上的加热方式可以使得储热材料在相变过程中发生由于密度差引起的自然对流，强化换热；同时由于在储罐中放置了两种相变材料，且其相变温度是沿着流向而降低的，依据相变材料串联布置的特点，可以进一步实现强化换热。
进一步地，加热器采用太阳能加热器，利用富余的太阳能供热，降低系统能耗。
本发明还公开了一种供热方法，来自热源的热水首先流经储热装置，再经过热力站，最终到达热用户处实现供热；而来自热用户侧的回水，首先流经热力站，再经过储热装置流回至热源处。在储热装置中，供水管道流经第二保温区，回水管道流经第一保温区。第二水循环回路中的水在加热器中受热成温度适宜的热水，然后依次流经第二保温区和第一保温区，最终流回至太阳能加热器处。使用储热装置平抑太阳能间歇性和不稳定性的特征，可以减少热源侧能源消耗，同时可使相变材料更快的达到相变区，有效提高换热效率。
附图说明
图1为本发明供热系统流程示意图；
图2为本发明供热系统中储热装置的结构示意图。
其中：1-热源；2-储热装置；21-箱体；22-分隔板；3-加热器；4-热力站；5-热用户；6-第一保温区；7-第二保温区。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种基于耦合相变的供热系统，如图1所示，包括依次连接的热源1、热力站4和热用户5组成的第一水循环回路，每个热力站4的入口管路连接有储热装置2，储热装置2连接有加热器3，热力站4的出口端与热用户5连接；如图2所示，所述储热装置2包括箱体21，箱体21中间设有分隔板22，分隔板22将箱体21内部分为两个区，分别为第一保温区6和第二保温区7，第一保温区6和第二保温区7均设有入口端和出口端；第一保温区6的两端分别与热力站4和热源1连接，第二保温区7的两端分别与热力站4和热源1连接；第一保温区6、加热器3与第二保温区7分别通过管路依次连接，第二保温区7与第一保温区6之间通过管路连接，第一保温区6、加热器3和第二保温区7一起组成第二水循环回路。所述第一保温区6内填充有低温相变材料；所述第二保温区7填充有高温相变材料。所述低温相变材料为脂肪酸；所述高温相变材料为无机盐水溶液。
实施例2
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
第二保温区7的入口端与热源1的出口端连接，第二保温区7的出口端与热力站4的入口端连接；第一保温区6的入口端与热力站4的出口端连接，第一保温区6的出口端与热源1的入口端连接。热源1、加热器3、热力站4、热用户5、第一保温区6和第二保温区7之间连接的管路上均设有阀门。所述低温相变材料为石蜡；所述高温相变材料为无机盐水溶液。
实施例3
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
加热器3安装在储热装置2的上方。储热装置2中，第一保温区6位于第二保温区7的顶部。水循环回路中，第一保温区6的出口端与加热器3的入口端连接，加热器3的出口端与第二保温区7的入口端连接。所述加热器3为太阳能加热器。
一种基于上述供热系统的供热方法，具体为：
第一水循环回路开始工作，开通热源1出口端的阀门，热源1中的热水流入第二保温区7，并通过第二保温区7中的管道流入热力站4，再经热力站4流至热用户5，为热用户5供热；热用户5的出口端流出的水经过热力站4流至第一保温区6，第一保温区6将水返回至热源1继续加热；
热用户5的出口端流出的水经过热力站4流至第一保温区6时，第一保温区6温度降低，第二水循环回路开始工作，第一保温区6中与加热器3连接的管路中的第二水循环回路中水的温度降低，降温后的水进入加热器3中进行加热，加热后的热流至第二保温区7的管路中，使第二保温区7温度升高，使得流经第二保温区7的第一水循环回路中的水保持较高的温度进入热力站4。
本发明系统的工作原理如下：
当热源提供富余的热量时，携带多余的热量的工质流经储热装置时，会将该部分热量存储在第一保温区和第二保温区中，而不是直接进入热力站；而且由于相变过程的恒温性，即使供水管路损失了这一部分热量，也不会大幅度影响热用户侧的温度。当热网所需热负荷提高时，比如某个热用户突然了自家的供热阀门，热网的热量已经不足以支撑此时的热负荷。此时第一保温区和第二保温区中的热量释放出来，用以维持热网温度，消除了热网波动。
综上所述，利用本发明系统，系统中的储热装置用以吸收热网富余的热量或者为热网补充足够的热量，而且由于相变过程恒温的特性，热网热量的变化不会对热用户侧的温度产生明显波动。同时，将相变储热和太阳能加热系统结合，可以平抑太阳能间歇性和不稳定性的特征，使相变材料更快的达到相变区，减少能源消耗。在储热装置中放置了两种储热材料，可以实现能量的梯级利用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于耦合相变的供热系统，其特征在于，包括依次连接的热源(1)、热力站(4)和热用户(5)组成的第一水循环回路，每个热力站(4)的入口管路连接有储热装置(2)，储热装置(2)连接有加热器(3)，热力站(4)的出口端与热用户(5)连接；所述储热装置(2)包括箱体(21)，箱体(21)中间设有分隔板(22)，分隔板(22)将箱体(21)内部分为两个区，分别为第一保温区(6)和第二保温区(7)，第一保温区(6)和第二保温区(7)均设有入口端和出口端；第一保温区(6)的两端分别与热力站(4)和热源(1)连接，第二保温区(7)的两端分别与热力站(4)和热源(1)连接；
第一保温区(6)、加热器(3)与第二保温区(7)分别通过管路依次连接，第二保温区(7)与第一保温区(6)之间通过管路连接，第一保温区(6)、加热器(3)和第二保温区(7)一起组成第二水循环回路。
2.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于，所述第一保温区(6)内填充有低温相变材料；所述第二保温区(7)填充有高温相变材料。
3.根据权利要求2所述的供热系统，其特征在于，所述低温相变材料为脂肪酸或石蜡；所述高温相变材料为无机盐水溶液。
4.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于，热源(1)、加热器(3)、热力站(4)、热用户(5)、第一保温区(6)和第二保温区(7)之间连接的管路上均设有阀门。
5.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于，所述第二保温区(7)的入口端与热源(1)的出口端连接，第二保温区(7)的出口端与热力站(4)的入口端连接；第一保温区(6)的入口端与热力站(4)的出口端连接，第一保温区(6)的出口端与热源(1)的入口端连接。
6.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于，所述加热器(3)安装在储热装置(2)的上方。
7.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于，所述储热装置(2)中，第一保温区(6)位于第二保温区(7)的顶部。
8.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于，所述水循环回路中，第一保温区(6)的出口端与加热器(3)的入口端连接，加热器(3)的出口端与第二保温区(7)的入口端连接。
9.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于，所述加热器(3)为太阳能加热器。
10.一种基于权利要求1～9任一项所述供热系统的供热方法，其特征在于，包括：
第一水循环回路开始工作，开通热源(1)出口端的阀门，热源(1)中的热水流入第二保温区(7)，并通过第二保温区(7)中的管道流入热力站(4)，再经热力站(4)流至热用户(5)，为热用户(5)供热；热用户(5)的出口端流出的水经过热力站(4)流至第一保温区(6)，第一保温区(6)将水返回至热源(1)继续加热；
热用户(5)的出口端流出的水经过热力站(4)流至第一保温区(6)时，第一保温区(6)温度降低，第二水循环回路开始工作，第一保温区(6)中与加热器(3)连接的管路中的第二水循环回路中水的温度降低，降温后的水进入加热器(3)中进行加热，加热后的热流至第二保温区(7)的管路中，使第二保温区(7)温度升高，使得流经第二保温区(7)的第一水循环回路中的水保持较高的温度进入热力站(4)。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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