一種雙滾筒相變暖氣片的供暖裝置及干衣房

楊斯涵

摘 要：隨著太陽能供熱技術的發展，太陽能熱水器系統中蓄熱技術的研究也得到了越來越多的關注；太陽能熱水器與相變蓄熱材料耦合應用可有效提高太陽能熱水器供暖系統的效能，促進能源的優化配置。該文首先概述了相變蓄熱材料的分類，介紹相變蓄熱材料的機理及特點，其次簡述了相變材料的應用和選擇，同時介紹了太陽能資源的利用潛力，提出了相變超導液暖氣片滾筒的制作方案及其與太陽能集熱水箱供暖系統的連接方式。并對相變材料超導液供暖系統的輻射散熱裝置與現有水暖散熱器對比分析，實驗表明裝有超導液的相變暖氣片滾筒，一方面不需要過高的熱介質為熱媒，啟動溫度低，只需要40 ℃即可開始傳溫，而水的強傳遞就必須或達到80 ℃以上，水升溫很慢，傳遞也慢。

關鍵詞：太陽能集熱水箱 雙滾筒暖氣片 相變材料超導液 管道分水器 管道集水器

中圖分類號：TK51 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0015-04

現在，當人們越來越認識到太陽能重要價值的時候，人類的新太陽能利用時代便來到了，特別是現在，世界各國都面臨能源日益緊缺的情況下，人們已把太陽能作為開發利用的現代主要新能源之一，并將利用太陽能作為第三次能源革命的開始，從礦物燃料（如石油、煤炭等）向無限的可再生能源（太陽能、海洋能和生物質能等）以及核能轉變；因此向太陽能這座能源寶庫提取用不盡的能量，實現人類歷史上的滄桑巨變，已成為今后能源發展的主要趨向[1]。隨著人民生活水平的不斷提高，太陽能熱利用是新能源和再生能源中商業化程度最高，應用最普通的技術之一，它的利用所帶來的節能和環保效益是巨大的，我國的太陽能熱水器產業初步成于20世紀80年代后期。現在我國擁有太陽能熱水器的家庭數量多，總擁有量占世界總量的1/4，已被國際公認是太陽能熱水器生產總量最多，潛在市場最大的國家。

1 相變材料蓄熱機理與特點

相變材料具有在一定溫度范圍內改變其物理狀態的能力，以固-液相變為例，在加熱到熔化溫度時，就產生從固態到液態的相變，熔化過程中，相變材料吸收并儲存大量的潛能；當相變材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度范圍內要散發到環境中去，進行從液態到固態的逆相變。在這兩種相變過程中，所儲存和釋放的能量為相變潛能；物理狀態發生變化時，材料自身的溫度相變完成幾乎維持不變，形成一個寬的溫度平臺，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大[2]。

以冰—水相變的過程中為例，對相變材料在相變時所吸收的潛熱以及普通加熱條件下所吸收的熱量作一比較；當冰熔解時，吸收335 J/g的潛熱，當水進一步加熱，溫度每升高1度，它只吸收大約4 J/g的能量。因此，由冰到水的相變過程中所吸收的潛熱幾乎比相變溫度范圍外加熱過程的熱吸收高80多倍；除冰水之外，已知的天然和合成的相變材料超過500種，且這些材料的相變溫度和蓄熱能力各異[2]。

有機固-液相變儲能材料中以石蠟相變材料最為典型，石蠟由直鏈、烷、烴混合而成，是石油精制過程中的副產品可用通式 CnH2n+2來表示[3]。實際工程應用中，相變材料在滿足基本條件時，還應有較穩定的化學穩定性，較長的使用壽命以及和容器的相容性；相變材料用于儲能工程時，應進行熱循環穩定性的試驗，以確保儲能系統的長期實用性和經濟可行性[4]。目前對于相變蓄冷材料與相變蓄熱材料的研究已經比較成熟，鑒于有機相變材料具有溶解熱大，不易出現過冷現象和相分離，材料的腐蝕性較小，在固體狀態時成型性好，性能比較穩定、毒性小、成本低等優點[5]。

2 相變材料的應用和選擇

2.1 普通相變超導液

濟南東方龍公司提供的多種相變材料超導液配方技術，其中，制作超導液配方有三個要素。（1）原料：硫酸鉀（化學純）、重鉻酸鉀（化學純）、二次蒸餾水。（2）濃度配比：硫酸鉀0.5%，重鉻酸鉀2%，二次蒸餾水97.5%。（3）制作方法：（以配制100 g傳熱介質為例）先將二次蒸餾水97.5 g、硫酸鉀0.5 g、重鉻酸鉀2 g依次加放燒杯中，然后燒杯下面加熱，邊加熱邊攪拌，溶液溫度不得超過60 ℃，待硫酸鉀和重鉻酸鉀完全溶解后，將燒杯離開熱源冷卻至室溫。

2.2 復合相變超導液

北京中科創研節能技術研究院的相關資料介紹，真空超導液技術是由美國發明的航空熱管技術發展而來。其特點是傳熱速度快，是紫銅的3倍，5 min左右系統可增溫至100 ℃以上，熱效率達95%，以煤、電、油、燃氣、柴等熱源均可，節省能源70%，是開發高效熱能傳導的首選技術；超導液供暖系統的關鍵問題是超導液，超導液本身是一種傳熱的介質，就好比是能量的運輸工具，但它不是超導液供暖系統的全部；超導液有幾百種，是根據采暖系統的需要不同，可分為低溫超導液、中溫超導液、高溫超導液；如果在北方地區的冬天氣溫在零度以下換熱就需要極低的沸點才能傳熱，如果用于超導液暖氣片，就需要20～30 ℃啟動介質；如果用于家庭采暖，則可用40～50 ℃相變的超導液；如果用于烘干，就需要100～300 ℃以上的相變材料做介質；所以只有根據不同的需要，用不同的材料進行配制，才能達到預定的效果，只有搞懂超導液材料的性質才能配制出正確的超導液。更重要的是在運用過程中，所用的超導液不是單獨的一個超導體，而是一個系統，其中包括熱源—介質吸熱相變（通過供暖裝置的導熱體傳輸）-散熱體（冷凝后超導液回到熱源體反復循環傳熱）。它是一個系統過程，所以說對供暖裝置的設計要求和安裝的技術非常重要。

3 太陽能的利用

3.1 太陽能資源的利用潛力

太陽能資源具有取之不盡用之不竭，無污染等優點，同時又不會增加環境負荷，是未來能源結構中的重要組成部分，我國屬于太陽能資源豐富的國家之一，全國2/3以上面積地區年日照小時數大于2000 h，具有太陽能利用的良好條件。因此利用太陽能來滿足生活熱水，供暖等能耗的需求將具有巨大的節能效益。由此推動太陽能采暖技術的發展在我國顯得尤其重要；我國夏熱冬冷地區，冬季日照率高且輻射量大，太陽能資源利用潛力巨大[6]。

3.2 太陽能集熱水箱耦合室內供暖裝置

本文正是基于室內供暖結構的特點和干衣房烘干裝置的特性，提出了一種雙滾筒相變暖氣片的供暖裝置及干衣房，以太陽能集熱水箱為熱源，經過熱源水循環系統，同時提供兩種供暖熱源，啟動傳熱的溫度需要40 ℃，利用分水器和集水器的水路分向傳熱的原理，將熱源分別傳遞到雙滾筒的內滾筒和外滾筒的復合傳熱管，通過復合傳熱管的導熱傳熱作用，激活滾筒弧形翼片內腔里的相變材料（?超導液），并氣化蒸發產生高溫氣體，通過內滾筒的弧形翼片的內弧面向滾筒內囊中心輻射散熱，通過外滾筒的弧形翼片的外弧面向干衣房柜體內空間輻射散熱。這樣的設計既可以實現室內供暖，又提供干衣房供暖的熱能。利用三通換向閥，實現室內換氣功能，保持空氣新鮮，更能有效地節能減排，促進新型空調行業的發展，（本作品已獲得國家專利授權）。

3.3 系統的總體設計

3.3.1 太陽能集熱水箱耦合室內供暖裝置實施方式

如圖1所示一種雙滾筒相變暖氣片的供暖裝置包括水循環組件、滾筒及支架組件、氣流循環組件和智能控制組件；其中水循環組件包括太陽能集熱水箱1、水箱支架、真空集熱管；集熱水箱固定連接在水箱支架上，真空集熱管通過管道與集熱水箱連通，在集熱水箱的上部設置有進水管5，在集熱水箱的下部設置有洗浴用水管38.在集熱水箱1的一側端部設有熱源出水口，連有熱源出水管11，在集熱水箱的另一側端部設有熱源回水口，連有熱源回水管12，由太陽能集熱水箱的一側出水端通過熱源出水管11連接循環泵26的入水端，再由循環泵26的出水端連接管道分水器28的入水端；所述管道分水器28設置有兩個旁路端端口，其中第一旁路端端口，通過第一水管道29連接第一流量控制閥30的入水端，第一流量控制閥30連接內滾筒導熱管22的一端，內滾筒導熱管22的另一端連接第一回水閥33，第一回水閥33連接管道集水器27的第一旁路端端口，管道集水器27的出水端，連接調壓泵14，調壓泵選用微型調壓泵即可，微型調壓泵連接熱源回水管12的一端，熱源回水管12的另一端連接太陽能集熱水箱1.所述管道分水器28的第二旁路端端口通過第二水管道31連接第二流量控制閥32入水端，第二流量控制閥32連接外滾筒導熱管23的一端，外滾筒導熱管23的另一端連接第二回水閥35，第二回水閥35連接管道集水器27的第二旁路端端口，集水器27的出水端連接調壓泵14，調壓泵14連接熱源回水閥12的一端，熱源回水管12的另一端連接太陽能集熱水箱1。

如圖2和圖3所示，雙滾筒暖氣片的內滾筒是空心圓柱體，在內滾筒的空心圓柱體內囊里放置有三輪氣流緩沖器25，且平行置于內滾筒圓柱體內囊里，用來阻擊流進來的空氣，從而讓空氣在滾筒內囊里暫時緩慢運動，使得通入滾筒內的氣體形成曲線流向，相對延長流程，達到充分冷熱交換的效果；所述三輪氣流緩器的結構是由一根空心中軸連有三個圓形多孔輪組成，三個多孔輪按軸向（橫向）分別固定在中軸的兩端和中段；所述三輪氣流緩沖器的三輪橫向載體上均勻分布相通透的小孔，在中軸的外壁與滾筒弧形翼片內弧面之間也作為氣體冷熱交換的通道。該文所述系統在供暖過程中，進氣扇管道15通過進氣扇13從外界（室內）抽取空氣。通入雙滾筒暖氣片的內滾筒，經過換熱后的氣體，再由排氣扇管道18將制熱后的氣體輸送到室內（房間或客廳中）。

3.3.2 系統干衣房供暖及輔助裝置

該文所述的暖氣片雙滾筒39固定連接在滾筒支架34上；滾筒支架34固定在干衣房2內的居中位置；所述干衣房是保溫柜體，所述在干衣房內設置有雙滾筒相變暖氣片39；雙滾筒相變暖氣片39包括內滾筒和外滾筒；所述設置在內滾筒翼片20外壁的高效保溫片兼作外筒體翼片24內壁的保溫片。

系統在使用干衣房時，首先通過智能開關6打開第二流量控制閥32，熱水流入外滾筒導熱管23內，通過導熱管的熱媒作用，激活外滾筒翼片24內腔里的相變材料超導液21并氣化蒸發產生高溫氣體，通過外滾筒翼片24的外弧面向干衣房柜體內空間輻射散熱；暖氣片雙滾筒的外滾筒不斷向干衣房內輻射散發熱量，維持干衣房高溫低濕的環境，空氣在暖氣片滾筒的作用下與房內衣物進行熱質交換，便于衣物水分快速蒸發，達到快速干衣的目的。所述智能開關6控制第二流量控制閥32的工作狀態，如果需要關閉或停止使用干衣房時，通過智能控制裝置關閉第二流量控制閥32；智能開關6的信號輸出端與第二流量控制閥32的信號輸入端連接。

3.3.3 系統智能控制裝置

系統在干衣房2的外側上端設有室內溫度傳感器37連有智能開關6；室內溫度傳感器37的信號輸出端與智能開關6的信號輸入端連接；智能開關6的信號輸出端與第一流量控制閥30連接；第一流量控制閥30的流量設定值包括有小、中、大三個流量讀數；智能開關6控制第一流量控制閥30的工作狀態，當室內溫度傳感器37測量到室內溫度低于或高于某一設定值時，通過智能開關6調整第一流量控制閥30的流量。

在雙滾筒相變暖氣39片的內滾筒導熱管22的一端設有第一流量控制閥30，第一流量控制閥通過第一水管道29連接管道分水器28的第一旁路端端口；在內滾筒的合金導熱管22的另一端設有第一回水閥33，第一回水閥連接管道集水器27的第一旁路端端口；在外滾筒的合金導熱管23的一端設有第二流量控制閥32，第二流量控制閥通過第二水管道31連接管道分水器28的第二旁路端端口；在所述外滾筒的合金導熱管23的另一端設有第二回水閥35，第二回水閥35連接管道集水器27的第二旁路端端口，且所述分水器28和集水器27的旁路端端口個數相同。

系統所述管道換向閥為三通管道，且可以智能打開和關閉三個通道中的任何一個；管道換向閥的兩個正路端同時打開時，旁路端處于關閉狀態，旁路端處于打開時，兩個正路端中的其中一個端口（進氣端口）處于關閉狀態；所述內滾筒的進氣端與管道換向閥一側正路端連接，管道換向閥的另一側正路端與進氣扇13連接，所述內滾筒的出氣端與排氣扇管道18連接，排氣扇管道18與排氣扇19連接；所述管道換向閥的旁路端與換氣扇管道17連接，換氣扇管道17與換氣扇16連接。

在集熱水箱內設置有加熱器溫度傳感器10、加熱器溫控開關9和輔助加熱器4；加熱器溫度傳感器10的信號輸出端與加熱器溫控開關9的信號輸入端連接；加熱器溫控開關9的信號輸出端與輔助加熱器4的信號輸入端連接。當遇到陰雨天氣，太陽能無法提供足量的熱量供熱時，可以通過輔助加熱器4智能化供熱。

所述太陽能集熱水箱1的一側內壁上端設有水位控制儀8；進水管5上設有自動給水電磁閥3，水位控制儀8的信號輸出端與自動給水電磁閥3的信號輸入端連接。當集熱水箱中的水量低于或高于某一設定值時，可以自動給水或停止供水。

在干衣房2的外側上端還安裝有定時器36，定時器36與智能開關6連接；定時器36的信號輸出端與管道換向閥7的信號輸入端連接。在系統正常工作的情況下，管道換向閥7的兩側正路端是長開著的，管道換向閥7的旁路端是關閉的，供暖時，定時器36按照設定的每隔兩個小時傳遞信號至管道換向閥7，此時進氣扇13和管道換向閥7兩側正路端中的其中一個端口（進氣端口）關閉，換氣扇16和管道換向閥7的旁路端端口打開，實現智能化切換，進入換氣程序，換氣時間將持續10 min，10 min之后，定時器36傳遞信號至管道換向閥7，此時再次打開進氣扇13和管道換向閥7的正路端進氣端口，關閉換氣扇16和管道換向閥7的旁路端端口，實現智能化切換，恢復供暖程序。本系統工作時，按照上述周期進行智能化供暖，其中具體循環周期的時間可以通過智能開關6進行設定；系統選擇使用內滾筒暖氣片完成室內換氣，主要防止在室內換氣過程中將室外的冷氣帶入房間或客廳中，從而影響室內供暖效果。

如圖4所示系統的主要裝置分布，進氣扇13和排氣扇19分別安裝在室內（房間或客廳）的不同位置，干衣房2放置在前陽臺或根據客觀條件選擇放置在洗衣房。進氣扇管道15、排氣扇管道18、換氣扇管道17包括所有管道或入墻管道均選擇為PVC管，管體外層覆蓋有高效保溫材料，防止與外界有冷熱交換。所述進氣扇管道15端口安裝有濾網，可以防止物體被吸進去，確保了系統工作的安全性；所述排氣扇管道18端口安裝有導風板，使用時可以調整熱氣流的制熱方向。

該文中介紹的雙滾筒相變暖氣片的供暖系統，只需要一臺太陽能熱水器集熱水箱，可以同時使用多組供暖裝置，在使用供暖裝置時不影響正常的洗浴用水。系統的氣流循環裝置屬于自然循環，供暖效果好，結構簡單，充分利用了自然資源的能量，符合節能減排環保要求。

4 主要技術指標

4.1 相變材料的配置

如果一個房間平方面積為15 m2，高度為3m，這個房間或客廳的體積為45 m3；根據所處的地理位置，華東地區的冬天室內溫度大約有三個月的時間持續在濕冷，溫度為0～2 ℃，現發明的一種雙滾筒相變暖氣片的供暖裝置。正常工作后一般冬天太陽能集熱水箱的水溫為50～55 ℃左右，忽略陰雨天氣的情況下，而雙滾筒相變超導液暖氣片只需要35～40 ℃的水溫為啟動介質，如果用于家庭采暖，則可用50～55 ℃相變的超導液；如果用于家庭的干衣房就需要100～200 ℃以上的相變材料做介質；如果用于賓館的干衣房就需要200～300 ℃以上相變材料做介質；所以只有根據不同的需要，用不同的材料進行配置相變材料，才能達到預定的效果。

4.2 輔助加熱系統與智能控制

所述系統排氣扇管道每分鐘的排氣量是1.5 m3左右，進氣扇管道的風量也是每分鐘1.5 m3左右，那么在10 min左右就可以讓溫度升為12 ℃，15 min就可以讓溫度升至為18～20 ℃，如果在寒冷的冬天連續陰雨天，集熱水箱的水溫會不斷的降低，一段時間后根據集熱水箱內的加熱器溫度傳感器設定的讀數將信號傳遞到加熱器溫控開關，設定溫控開關的臨界溫度為45 ℃，溫控開關接收到來自溫度傳感器的信號后，溫控開關進行判斷，只有當溫度傳感器測得的溫度低于臨界溫度45 ℃時，溫控開關才將加熱信號傳輸至電輔助加熱器，電輔助加熱器對太陽能集熱水箱內的水進行加熱，當水溫加熱達到某一溫度（即溫度≥45 ℃），溫度傳感器將信號傳輸至溫控開關，溫控開關傳輸停止加熱信號至電輔助加熱器，電輔助加熱器停止加熱。相變暖氣片雙滾筒就是不用水作為傳熱散熱介質，復合導熱管中運行的少量熱水作為熱媒僅起激發超導液氣化生熱的作用，且僅從復合傳熱管中流過，用水量只相當于傳統暖氣片的1/5。

4.3 進氣扇和排氣扇的功率計算

所述系統配套裝置進氣扇和排氣扇的風量：根據計算常數指一般家用電器進氣扇或排氣扇在單位時間里排出（或供給）的空氣量，也是指在額定電壓，額定頻率下，以最高轉速檔位運轉，按空氣性能方法試驗，靜壓為零時，單位時間內葉輪輸送的空氣體積量。單位m3/h（立方米每小時）或 m3/min（立方米每分鐘）；所述進氣扇或排氣扇的耗能功率是用測量進氣扇或排氣扇電機的輸入功率來考核的，計算單位用W（瓦）表示。本發明的系統計算參數，考慮到進氣扇和排氣扇的進風口和出風口端部所造成的空氣壓力差，系統所用管道應不超過20 m的流程，優選進氣扇功率為35 W，排氣扇功率為45 W。

5 結論

如今新型智能化家用供暖設備占領市場，其容量巨大，但是現有空調和家用供暖設備在使用過程中耗電量大，生產制造成本高，需要消耗大量的貴金屬材料，相對于現有空調和家用供暖設備，本發明的一種雙滾筒相變暖氣片的供暖裝置及干衣房，在使用過程中耗電量小，與現有家用供暖設備相比較，在相同供暖條件下，可以節約用水80%以上，節約用電50%以上，該供暖裝置既能夠適用于家用供暖，也能夠適用于學校、生產車間、賓館、大酒店、理發店等的供暖和干衣房的實際應用，更為重要的是適應農村廣闊的市場（如農村的大棚供暖和茶葉烘干裝置）。

（1）對于生產企業來說：該供暖裝置生產制造時不需要消耗大量的貴金屬材料，能節約生產成本費用50%以上，有市場競爭力。

（2）對于消費者來說：如果在南方尤其是長江中下游地區，該地區夏熱冬冷，冬季有三個月的時間持續在濕冷，具有極大的冬季供暖需求，然而根據該地區的地理環境，不能向北方地區一樣大量鋪設供熱管道。現發明的雙滾筒室內供暖裝置具有安裝便利、安全系數高、噪音小、節能減排、價格便宜等優點，更能極大程度的滿足用戶的要求，吸引目標人群，具有良好的市場前景。

參考文獻

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