本發(fā)明屬于建筑節(jié)能與可再生能源利用領(lǐng)域，具體涉及一種太陽能熱水系統(tǒng)套管式相變儲能水箱裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著人民生活水平的不斷提高及建筑節(jié)能的需求日益增加，太陽能的熱利用成為新能源和可再生能源中商業(yè)化程度最高、應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一。太陽能的熱利用的一種重要形式是太陽能熱水系統(tǒng)。按太陽能熱水系統(tǒng)有無熱交換器，可分為直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)兩種類型。直接式系統(tǒng)是指在集熱系統(tǒng)中加熱過后的水直接提供給用戶；間接式系統(tǒng)是指在集熱系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)之間設(shè)有熱交換裝置，集熱系統(tǒng)的工質(zhì)經(jīng)過加熱后，通過熱交換裝置將熱量傳遞給儲熱水箱。間接式太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能集熱器與儲熱水箱通常是分離的，即太陽能集熱器中的載熱循環(huán)工質(zhì)在水泵的動力作用下通過循環(huán)管在儲熱水箱中直接對水進(jìn)行加熱。

在住宅建筑中放置普通太陽能儲熱水箱會占用較多空間。由于城市人口密集、房價高企，儲熱量大而體積又較小的太陽能儲熱水箱一直是市場期待的。相變材料的儲熱特性為這一期待提供了解決途徑?？捎糜谔柲軆崴涞南嘧儾牧蠞摕徇_(dá)到170kJ/kg左右，水儲存同等熱量將需要180倍于相變材料的質(zhì)量。其基本原理是在白天，太陽能充分時，太陽能集熱器收集的熱一方面加熱水箱內(nèi)的水一方面加熱水箱里的相變材料，在夜晚，在水箱的熱水使用后不斷補(bǔ)充自來水，水溫不斷降低，此時相變材料釋放熔解熱，加熱水。

相變材料的儲熱特性為這一期待提供了解決途徑。一般有以下三種方法。一是將相變材料制作成為板狀，內(nèi)貼于水箱的內(nèi)表面；二是將相變材料封裝為球狀，置于水箱內(nèi)；三是在水箱內(nèi)布置管道，將相變材料封裝在管道內(nèi)。這些做法是相變材料占用了水箱容積，減少了有效存水量，同時換熱面積也較小，造成儲除熱量小，儲熱放熱速度慢，效果不好。

專利文獻(xiàn)CN201903201U公開了一種相變儲能水箱。該水箱結(jié)構(gòu)采用多個封裝有相變材料的單體進(jìn)行蓄熱放熱，每個單體設(shè)有管路，熱水與冷水都經(jīng)過該管路。單體內(nèi)的相變材料通過該管道與熱水交換進(jìn)行蓄熱，也只能通過該管道與冷水交換進(jìn)行放熱，因此蓄熱與放熱不能同時進(jìn)行，在進(jìn)行蓄熱時不能使用熱水。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種太陽能熱水系統(tǒng)套管式相變儲能水箱裝置，其目的在于在儲水箱內(nèi)運(yùn)用相變材料儲存太陽能，實(shí)現(xiàn)充分利用相變材料進(jìn)行太陽熱能的蓄存、縮小水箱的體積、有效提高水箱的熱水供應(yīng)量，同時維持熱水溫度穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種太陽能熱水系統(tǒng)套管式相變儲能水箱裝置，該裝置包括：

圓柱形水箱，用于儲存水；

太陽能集熱器，用于吸收太陽能，其通過循環(huán)管與所述水箱實(shí)現(xiàn)封閉連通，所述循環(huán)管中有載熱循環(huán)工質(zhì)，其在所述循環(huán)管中循環(huán)流動，用于將所述太陽能的熱量傳遞給水箱；以及

套管，其安置于所述水箱內(nèi)，包括內(nèi)管和外管，內(nèi)管與所述循環(huán)管連通，所述內(nèi)管和外管同軸套設(shè)，其間填充有相變材料，用于吸收所述太陽能的熱量并逐漸熔化，隨著水箱中的水溫降低，相變材料逐漸凝固并放熱對水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱。

優(yōu)選地，所述套管呈蛇形布置。

優(yōu)選地，所述相變材料為石蠟。

進(jìn)一步地，所述載熱循環(huán)工質(zhì)為水或乙二醇水溶液。

進(jìn)一步地，該裝置還包括水泵，用于為所述載熱循環(huán)工質(zhì)在循環(huán)管中移動提供動力。

作為本發(fā)明的另一個方面，提供一種應(yīng)用所述的太陽能熱水系統(tǒng)套管式相變儲能水箱裝置的套管式相變儲能方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

S1：太陽集熱器吸收太陽能后，太陽能由載熱循環(huán)工質(zhì)通過循環(huán)管傳遞入水箱，在水箱內(nèi)，所述載熱循環(huán)工質(zhì)所攜帶的熱量被套管內(nèi)的相變材料吸收，當(dāng)相變材料溫度達(dá)到相變溫度時，所述相變材料熔化為液態(tài)，并使其自身溫度保持在相變溫度；

S2：水箱中的水與所述外管接觸，水被加熱，一定時間后，水被加熱到所述相變材料的相變溫度并保持此溫度，當(dāng)相變材料熔化后繼續(xù)被載熱循環(huán)工質(zhì)加熱，同時也將熱傳遞給水箱中的水，水箱里的水溫進(jìn)一步升高；

S3：沒有太陽照射時，太陽能集熱器停止工作，水箱中的熱水可供用戶使用，同時自來水也進(jìn)入水箱，水溫降低，當(dāng)水溫低于相變材料的溫度后，相變材料繼續(xù)放熱用于對水加熱，當(dāng)相變材料的溫度達(dá)到相變溫度時，相變材料凝固放熱對水進(jìn)行加熱，并向用戶提供熱水，直至供水溫度不滿足要求，熱水系統(tǒng)停止供水，此時相變材料已經(jīng)凝固，以備第二天蓄熱；

S4：循環(huán)步驟S1、S2和S3，實(shí)現(xiàn)水箱的相變儲能。

優(yōu)選地，所述相變材料為石蠟。

優(yōu)選地，所述載熱循環(huán)工質(zhì)為水或乙二醇水溶液。

進(jìn)一步地，所述供水溫度低于30～40℃時，熱水系統(tǒng)停止供水。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明的技術(shù)方案中，太陽能集熱器吸收太陽熱能，載熱循環(huán)工質(zhì)將熱傳送給相變材料，相變材料一邊蓄熱，一邊將熱傳遞與水箱內(nèi)的水，在此過程中，相變材料實(shí)現(xiàn)熔解蓄熱相變，晚上，水箱向用戶供應(yīng)熱水，相變材料的熱釋放給水箱內(nèi)的水，在此過程中，相變材料實(shí)現(xiàn)凝固放熱相變，至此相變材料完成熱量搬運(yùn)，并準(zhǔn)備第二天的蓄熱放熱，本發(fā)明的裝置可以充分利用太陽能、節(jié)省熱水儲水箱體積、并有效提高水箱的熱水供應(yīng)量。

(2)本發(fā)明提供的可供太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行套管式相變儲能的方法，可充分利用相變材料具有較大的相變潛熱進(jìn)行蓄熱與放熱，可充分利用太陽能，并實(shí)現(xiàn)維持熱水持續(xù)穩(wěn)定的供應(yīng)目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，可廣泛應(yīng)用在建筑中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種太陽能熱水系統(tǒng)套管式相變儲能水箱裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種太陽能熱水系統(tǒng)套管式相變儲能水箱裝置涉及的套管剖面圖。

圖1中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-水箱、2-套管、3-載熱循環(huán)工質(zhì)、4-載熱循環(huán)工質(zhì)循環(huán)管、5-太陽能集熱器、10-水泵、21-相變材料、22-內(nèi)管、23-外管。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種太陽能熱水系統(tǒng)套管式相變儲能水箱裝置示意圖，圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種太陽能熱水系統(tǒng)套管式相變儲能水箱裝置涉及的套管剖面圖。如圖1和圖2所示，該裝置包括：水箱1、水箱1內(nèi)的套管2、相變材料21、內(nèi)管22、外管23、載熱循環(huán)工質(zhì)3、載熱循環(huán)工質(zhì)循環(huán)管4、太陽能集熱器5。

套管2安置在水箱1內(nèi)，呈蛇形布置，相變材料21填充在套管外管23與套管內(nèi)管22之間，套管內(nèi)管22內(nèi)有載熱循環(huán)工質(zhì)3；太陽能集熱器5通過出口6與載熱循環(huán)工質(zhì)循環(huán)管4相連，并通過入口7與套管內(nèi)管22相連；套管內(nèi)管22通過出口9與載熱循環(huán)工質(zhì)循環(huán)管4相連并與太陽能集熱器5通過入口8相連；載熱循環(huán)工質(zhì)循環(huán)管4上設(shè)有水泵10提供循環(huán)動力。

工作時，太陽能集熱器5吸收太陽能后，太陽能由載熱循環(huán)工質(zhì)3在水泵10的作用下通過循環(huán)管4傳遞入水箱1。在水箱1內(nèi)，載熱循環(huán)工質(zhì)3所攜帶的熱量通過套管內(nèi)管22被套管外管23內(nèi)的相變材料21吸收，同時將部分熱量傳遞與水箱1中的水。當(dāng)相變材料21溫度達(dá)到相變溫度時，開始其熔解相變過程，積蓄熱量，開始熔化，并使其自身溫度保持在相變溫度，相變完畢后，液態(tài)的相變材料21可進(jìn)一步與載熱循環(huán)工質(zhì)3換熱并提高相變材料溫度。水箱1的水與套管外管23接觸，水被加熱，在蓄熱過程中，用戶可以通過熱水出口12使用熱水，自來水通過入口11對水箱1進(jìn)行補(bǔ)水，水箱1內(nèi)始終充滿水。

在晚上，沒有太陽光，水泵10停止工作。用戶較多使用水箱1內(nèi)的熱水，放出熱水的過程中冷水不斷補(bǔ)充進(jìn)水箱1，水箱1內(nèi)的水溫不斷下降，只要水溫低于相變材料21的溫度，就有熱不斷地從相變材料21通過套管外管23傳熱水中對水進(jìn)行加熱，相變材料21溫度減低。當(dāng)相變材料21的溫度降至相變溫度時，就進(jìn)行相變凝固，不斷地釋放出熱以加熱水箱1中的水。隨著水箱1中的水不斷使用，不斷的加入自來水，溫度不斷減低，相變材料21也不斷向水箱1中的水放熱直至相變凝固過程完畢。相變材料21還可進(jìn)一步的釋放顯熱，但放熱量很有限。當(dāng)水箱1內(nèi)的水溫低于使用要求時，水箱1停止供水。此時，相變材料21已完全凝固，以備第二天蓄熱使用。如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)水箱的相變儲能。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，相變材料為石蠟RT80，其相變溫度為79℃。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述供水溫度低于30～40℃時，熱水系統(tǒng)停止供水。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。