一种双滚筒相变暖气片的供暖装置及干衣房

杨斯涵

摘 要：随着太阳能供热技术的发展，太阳能热水器系统中蓄热技术的研究也得到了越来越多的关注；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热水器供暖系统的效能，促进能源的优化配置。该文首先概述了相变蓄热材料的分类，介绍相变蓄热材料的机理及特点，其次简述了相变材料的应用和选择，同时介绍了太阳能资源的利用潜力，提出了相变超导液暖气片滚筒的制作方案及其与太阳能集热水箱供暖系统的连接方式。并对相变材料超导液供暖系统的辐射散热装置与现有水暖散热器对比分析，实验表明装有超导液的相变暖气片滚筒，一方面不需要过高的热介质为热媒，启动温度低，只需要40 ℃即可开始传温，而水的强传递就必须或达到80 ℃以上，水升温很慢，传递也慢。

关键词：太阳能集热水箱 双滚筒暖气片 相变材料超导液 管道分水器 管道集水器

中图分类号：TK51 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（b）-0015-04

现在，当人们越来越认识到太阳能重要价值的时候，人类的新太阳能利用时代便来到了，特别是现在，世界各国都面临能源日益紧缺的情况下，人们已把太阳能作为开发利用的现代主要新能源之一，并将利用太阳能作为第三次能源革命的开始，从矿物燃料（如石油、煤炭等）向无限的可再生能源（太阳能、海洋能和生物质能等）以及核能转变；因此向太阳能这座能源宝库提取用不尽的能量，实现人类历史上的沧桑巨变，已成为今后能源发展的主要趋向[1]。随着人民生活水平的不断提高，太阳能热利用是新能源和再生能源中商业化程度最高，应用最普通的技术之一，它的利用所带来的节能和环保效益是巨大的，我国的太阳能热水器产业初步成于20世纪80年代后期。现在我国拥有太阳能热水器的家庭数量多，总拥有量占世界总量的1/4，已被国际公认是太阳能热水器生产总量最多，潜在市场最大的国家。

1 相变材料蓄热机理与特点

相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，以固-液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化过程中，相变材料吸收并储存大量的潜能；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存和释放的能量为相变潜能；物理状态发生变化时，材料自身的温度相变完成几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大[2]。

以冰—水相变的过程中为例，对相变材料在相变时所吸收的潜热以及普通加热条件下所吸收的热量作一比较；当冰熔解时，吸收335 J/g的潜热，当水进一步加热，温度每升高1度，它只吸收大约4 J/g的能量。因此，由冰到水的相变过程中所吸收的潜热几乎比相变温度范围外加热过程的热吸收高80多倍；除冰水之外，已知的天然和合成的相变材料超过500种，且这些材料的相变温度和蓄热能力各异[2]。

有机固-液相变储能材料中以石蜡相变材料最为典型，石蜡由直链、烷、烃混合而成，是石油精制过程中的副产品可用通式 CnH2n+2来表示[3]。实际工程应用中，相变材料在满足基本条件时，还应有较稳定的化学稳定性，较长的使用寿命以及和容器的相容性；相变材料用于储能工程时，应进行热循环稳定性的试验，以确保储能系统的长期实用性和经济可行性[4]。目前对于相变蓄冷材料与相变蓄热材料的研究已经比较成熟，鉴于有机相变材料具有溶解热大，不易出现过冷现象和相分离，材料的腐蚀性较小，在固体状态时成型性好，性能比较稳定、毒性小、成本低等优点[5]。

2 相变材料的应用和选择

2.1 普通相变超导液

济南东方龙公司提供的多种相变材料超导液配方技术，其中，制作超导液配方有三个要素。（1）原料：硫酸钾（化学纯）、重铬酸钾（化学纯）、二次蒸馏水。（2）浓度配比：硫酸钾0.5%，重铬酸钾2%，二次蒸馏水97.5%。（3）制作方法：（以配制100 g传热介质为例）先将二次蒸馏水97.5 g、硫酸钾0.5 g、重铬酸钾2 g依次加放烧杯中，然后烧杯下面加热，边加热边搅拌，溶液温度不得超过60 ℃，待硫酸钾和重铬酸钾完全溶解后，将烧杯离开热源冷却至室温。

2.2 复合相变超导液

北京中科创研节能技术研究院的相关资料介绍，真空超导液技术是由美国发明的航空热管技术发展而来。其特点是传热速度快，是紫铜的3倍，5 min左右系统可增温至100 ℃以上，热效率达95%，以煤、电、油、燃气、柴等热源均可，节省能源70%，是开发高效热能传导的首选技术；超导液供暖系统的关键问题是超导液，超导液本身是一种传热的介质，就好比是能量的运输工具，但它不是超导液供暖系统的全部；超导液有几百种，是根据采暖系统的需要不同，可分为低温超导液、中温超导液、高温超导液；如果在北方地区的冬天气温在零度以下换热就需要极低的沸点才能传热，如果用于超导液暖气片，就需要20～30 ℃启动介质；如果用于家庭采暖，则可用40～50 ℃相变的超导液；如果用于烘干，就需要100～300 ℃以上的相变材料做介质；所以只有根据不同的需要，用不同的材料进行配制，才能达到预定的效果，只有搞懂超导液材料的性质才能配制出正确的超导液。更重要的是在运用过程中，所用的超导液不是单独的一个超导体，而是一个系统，其中包括热源—介质吸热相变（通过供暖装置的导热体传输）-散热体（冷凝后超导液回到热源体反复循环传热）。它是一个系统过程，所以说对供暖装置的设计要求和安装的技术非常重要。

3 太阳能的利用

3.1 太阳能资源的利用潜力

太阳能资源具有取之不尽用之不竭，无污染等优点，同时又不会增加环境负荷，是未来能源结构中的重要组成部分，我国属于太阳能资源丰富的国家之一，全国2/3以上面積地区年日照小时数大于2000 h，具有太阳能利用的良好条件。因此利用太阳能来满足生活热水，供暖等能耗的需求将具有巨大的节能效益。由此推动太阳能采暖技术的发展在我国显得尤其重要；我国夏热冬冷地区，冬季日照率高且辐射量大，太阳能资源利用潜力巨大[6]。

3.2 太阳能集热水箱耦合室内供暖装置

本文正是基于室内供暖结构的特点和干衣房烘干装置的特性，提出了一种双滚筒相变暖气片的供暖装置及干衣房，以太阳能集热水箱为热源，经过热源水循环系统，同时提供两种供暖热源，启动传热的温度需要40 ℃，利用分水器和集水器的水路分向传热的原理，将热源分别传递到双滚筒的内滚筒和外滚筒的复合传热管，通过复合传热管的导热传热作用，激活滚筒弧形翼片内腔里的相变材料（?超导液），并气化蒸发产生高温气体，通过内滚筒的弧形翼片的内弧面向滚筒内囊中心辐射散热，通过外滚筒的弧形翼片的外弧面向干衣房柜体内空间辐射散热。这样的设计既可以实现室内供暖，又提供干衣房供暖的热能。利用三通换向阀，实现室内换气功能，保持空气新鲜，更能有效地节能减排，促进新型空调行业的发展，（本作品已获得国家专利授权）。

3.3 系统的总体设计

3.3.1 太阳能集热水箱耦合室内供暖装置实施方式

如图1所示一种双滚筒相变暖气片的供暖装置包括水循环组件、滚筒及支架组件、气流循环组件和智能控制组件；其中水循环组件包括太阳能集热水箱1、水箱支架、真空集热管；集热水箱固定连接在水箱支架上，真空集热管通过管道与集热水箱连通，在集热水箱的上部设置有进水管5，在集热水箱的下部设置有洗浴用水管38.在集热水箱1的一侧端部设有热源出水口，连有热源出水管11，在集热水箱的另一侧端部设有热源回水口，连有热源回水管12，由太阳能集热水箱的一侧出水端通过热源出水管11连接循环泵26的入水端，再由循环泵26的出水端连接管道分水器28的入水端；所述管道分水器28设置有两个旁路端端口，其中第一旁路端端口，通过第一水管道29连接第一流量控制阀30的入水端，第一流量控制阀30连接内滚筒导热管22的一端，内滚筒导热管22的另一端连接第一回水阀33，第一回水閥33连接管道集水器27的第一旁路端端口，管道集水器27的出水端，连接调压泵14，调压泵选用微型调压泵即可，微型调压泵连接热源回水管12的一端，热源回水管12的另一端连接太阳能集热水箱1.所述管道分水器28的第二旁路端端口通过第二水管道31连接第二流量控制阀32入水端，第二流量控制阀32连接外滚筒导热管23的一端，外滚筒导热管23的另一端连接第二回水阀35，第二回水阀35连接管道集水器27的第二旁路端端口，集水器27的出水端连接调压泵14，调压泵14连接热源回水阀12的一端，热源回水管12的另一端连接太阳能集热水箱1。

如图2和图3所示，双滚筒暖气片的内滚筒是空心圆柱体，在内滚筒的空心圆柱体内囊里放置有三轮气流缓冲器25，且平行置于内滚筒圆柱体内囊里，用来阻击流进来的空气，从而让空气在滚筒内囊里暂时缓慢运动，使得通入滚筒内的气体形成曲线流向，相对延长流程，达到充分冷热交换的效果；所述三轮气流缓器的结构是由一根空心中轴连有三个圆形多孔轮组成，三个多孔轮按轴向（横向）分别固定在中轴的两端和中段；所述三轮气流缓冲器的三轮横向载体上均匀分布相通透的小孔，在中轴的外壁与滚筒弧形翼片内弧面之间也作为气体冷热交换的通道。该文所述系统在供暖过程中，进气扇管道15通过进气扇13从外界（室内）抽取空气。通入双滚筒暖气片的内滚筒，经过换热后的气体，再由排气扇管道18将制热后的气体输送到室内（房间或客厅中）。

3.3.2 系统干衣房供暖及辅助装置

该文所述的暖气片双滚筒39固定连接在滚筒支架34上；滚筒支架34固定在干衣房2内的居中位置；所述干衣房是保温柜体，所述在干衣房内设置有双滚筒相变暖气片39；双滚筒相变暖气片39包括内滚筒和外滚筒；所述设置在内滚筒翼片20外壁的高效保温片兼作外筒体翼片24内壁的保温片。

系统在使用干衣房时，首先通过智能开关6打开第二流量控制阀32，热水流入外滚筒导热管23内，通过导热管的热媒作用，激活外滚筒翼片24内腔里的相变材料超导液21并气化蒸发产生高温气体，通过外滚筒翼片24的外弧面向干衣房柜体内空间辐射散热；暖气片双滚筒的外滚筒不断向干衣房内辐射散发热量，维持干衣房高温低湿的环境，空气在暖气片滚筒的作用下与房内衣物进行热质交换，便于衣物水分快速蒸发，达到快速干衣的目的。所述智能开关6控制第二流量控制阀32的工作状态，如果需要关闭或停止使用干衣房时，通过智能控制装置关闭第二流量控制阀32；智能开关6的信号输出端与第二流量控制阀32的信号输入端连接。

3.3.3 系统智能控制装置

系统在干衣房2的外侧上端设有室内温度传感器37连有智能开关6；室内温度传感器37的信号输出端与智能开关6的信号输入端连接；智能开关6的信号输出端与第一流量控制阀30连接；第一流量控制阀30的流量设定值包括有小、中、大三个流量读数；智能开关6控制第一流量控制阀30的工作状态，当室内温度传感器37测量到室内温度低于或高于某一设定值时，通过智能开关6调整第一流量控制阀30的流量。

在双滚筒相变暖气39片的内滚筒导热管22的一端设有第一流量控制阀30，第一流量控制阀通过第一水管道29连接管道分水器28的第一旁路端端口；在内滚筒的合金导热管22的另一端设有第一回水阀33，第一回水阀连接管道集水器27的第一旁路端端口；在外滚筒的合金导热管23的一端设有第二流量控制阀32，第二流量控制阀通过第二水管道31连接管道分水器28的第二旁路端端口；在所述外滚筒的合金导热管23的另一端设有第二回水阀35，第二回水阀35连接管道集水器27的第二旁路端端口，且所述分水器28和集水器27的旁路端端口个数相同。

系统所述管道换向阀为三通管道，且可以智能打开和关闭三个通道中的任何一个；管道换向阀的两个正路端同时打开时，旁路端处于关闭状态，旁路端处于打开时，两个正路端中的其中一个端口（进气端口）处于关闭状态；所述内滚筒的进气端与管道换向阀一侧正路端连接，管道换向阀的另一侧正路端与进气扇13连接，所述内滚筒的出气端与排气扇管道18连接，排气扇管道18与排气扇19连接；所述管道换向阀的旁路端与换气扇管道17连接，换气扇管道17与换气扇16连接。

在集热水箱内设置有加热器温度传感器10、加热器温控开关9和辅助加热器4；加热器温度传感器10的信号输出端与加热器温控开关9的信号输入端连接；加热器温控开关9的信号输出端与辅助加热器4的信号输入端连接。当遇到阴雨天气，太阳能无法提供足量的热量供热时，可以通过辅助加热器4智能化供热。

所述太阳能集热水箱1的一侧内壁上端設有水位控制仪8；进水管5上设有自动给水电磁阀3，水位控制仪8的信号输出端与自动给水电磁阀3的信号输入端连接。当集热水箱中的水量低于或高于某一设定值时，可以自动给水或停止供水。

在干衣房2的外侧上端还安装有定时器36，定时器36与智能开关6连接；定时器36的信号输出端与管道换向阀7的信号输入端连接。在系统正常工作的情况下，管道换向阀7的两侧正路端是长开着的，管道换向阀7的旁路端是关闭的，供暖时，定时器36按照设定的每隔两个小时传递信号至管道换向阀7，此时进气扇13和管道换向阀7两侧正路端中的其中一个端口（进气端口）关闭，换气扇16和管道换向阀7的旁路端端口打开，实现智能化切换，进入换气程序，换气时间将持续10 min，10 min之后，定时器36传递信号至管道换向阀7，此时再次打开进气扇13和管道换向阀7的正路端进气端口，关闭换气扇16和管道换向阀7的旁路端端口，实现智能化切换，恢复供暖程序。本系统工作时，按照上述周期进行智能化供暖，其中具体循环周期的时间可以通过智能开关6进行设定；系统选择使用内滚筒暖气片完成室内换气，主要防止在室内换气过程中将室外的冷气带入房间或客厅中，从而影响室内供暖效果。

如图4所示系统的主要装置分布，进气扇13和排气扇19分别安装在室内（房间或客厅）的不同位置，干衣房2放置在前阳台或根据客观条件选择放置在洗衣房。进气扇管道15、排气扇管道18、换气扇管道17包括所有管道或入墙管道均选择为PVC管，管体外层覆盖有高效保温材料，防止与外界有冷热交换。所述进气扇管道15端口安装有滤网，可以防止物体被吸进去，确保了系统工作的安全性；所述排气扇管道18端口安装有导风板，使用时可以调整热气流的制热方向。

该文中介绍的双滚筒相变暖气片的供暖系统，只需要一台太阳能热水器集热水箱，可以同时使用多组供暖装置，在使用供暖装置时不影响正常的洗浴用水。系统的气流循环装置属于自然循环，供暖效果好，结构简单，充分利用了自然资源的能量，符合节能减排环保要求。

4 主要技术指标

4.1 相变材料的配置

如果一个房间平方面积为15 m2，高度为3m，这个房间或客厅的体积为45 m3；根据所处的地理位置，华东地区的冬天室内温度大约有三个月的时间持续在湿冷，温度为0～2 ℃，现发明的一种双滚筒相变暖气片的供暖装置。正常工作后一般冬天太阳能集热水箱的水温为50～55 ℃左右，忽略阴雨天气的情况下，而双滚筒相变超导液暖气片只需要35～40 ℃的水温为启动介质，如果用于家庭采暖，则可用50～55 ℃相变的超导液；如果用于家庭的干衣房就需要100～200 ℃以上的相变材料做介质；如果用于宾馆的干衣房就需要200～300 ℃以上相变材料做介质；所以只有根据不同的需要，用不同的材料进行配置相变材料，才能达到预定的效果。

4.2 辅助加热系统与智能控制

所述系统排气扇管道每分钟的排气量是1.5 m3左右，进气扇管道的风量也是每分钟1.5 m3左右，那么在10 min左右就可以让温度升为12 ℃，15 min就可以让温度升至为18～20 ℃，如果在寒冷的冬天连续阴雨天，集热水箱的水温会不断的降低，一段时间后根据集热水箱内的加热器温度传感器设定的读数将信号传递到加热器温控开关，设定温控开关的临界温度为45 ℃，温控开关接收到来自温度传感器的信号后，温控开关进行判断，只有当温度传感器测得的温度低于临界温度45 ℃时，温控开关才将加热信号传输至电辅助加热器，电辅助加热器对太阳能集热水箱内的水进行加热，当水温加热达到某一温度（即温度≥45 ℃），温度传感器将信号传输至温控开关，温控开关传输停止加热信号至电辅助加热器，电辅助加热器停止加热。相变暖气片双滚筒就是不用水作为传热散热介质，复合导热管中运行的少量热水作为热媒仅起激发超导液气化生热的作用，且仅从复合传热管中流过，用水量只相当于传统暖气片的1/5。

4.3 进气扇和排气扇的功率计算

所述系统配套装置进气扇和排气扇的风量：根据计算常数指一般家用电器进气扇或排气扇在单位时间里排出（或供给）的空气量，也是指在额定电压，额定频率下，以最高转速档位运转，按空气性能方法试验，静压为零时，单位时间内叶轮输送的空气体积量。单位m3/h（立方米每小时）或 m3/min（立方米每分钟）；所述进气扇或排气扇的耗能功率是用测量进气扇或排气扇电机的输入功率来考核的，计算单位用W（瓦）表示。本发明的系统计算参数，考虑到进气扇和排气扇的进风口和出风口端部所造成的空气压力差，系统所用管道应不超过20 m的流程，优选进气扇功率为35 W，排气扇功率为45 W。

5 结论

如今新型智能化家用供暖设备占领市场，其容量巨大，但是现有空调和家用供暖设备在使用过程中耗电量大，生产制造成本高，需要消耗大量的贵金属材料，相对于现有空调和家用供暖设备，本发明的一种双滚筒相变暖气片的供暖装置及干衣房，在使用过程中耗电量小，与现有家用供暖设备相比较，在相同供暖条件下，可以节约用水80%以上，节约用电50%以上，该供暖装置既能够适用于家用供暖，也能够适用于学校、生产车间、宾馆、大酒店、理发店等的供暖和干衣房的实际应用，更为重要的是适应农村广阔的市场（如农村的大棚供暖和茶叶烘干装置）。

（1）对于生产企业来说：该供暖装置生产制造时不需要消耗大量的贵金属材料，能节约生产成本费用50%以上，有市场竞争力。

（2）对于消费者来说：如果在南方尤其是长江中下游地区，该地区夏热冬冷，冬季有三个月的时间持续在湿冷，具有极大的冬季供暖需求，然而根据该地区的地理环境，不能向北方地区一样大量铺设供热管道。现发明的双滚筒室内供暖装置具有安装便利、安全系数高、噪音小、节能减排、价格便宜等优点，更能极大程度的满足用户的要求，吸引目标人群，具有良好的市场前景。

参考文献

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