专利申请技术交底书  

专利申请人：河北建工集团有限责任公司  

职务发明人：郑晓亮、严雪峰、申东甫、黄如新、张振强、杨孟强、王云龙、石静璇、张鹏飞、杨贺、张孟浩。  

1、发明名称

跨季度毛细管相变能蓄热装置。  

2、所属技术领域

该装置将高效毛细管换热技术与相变蓄热相结合，实现跨季度相变蓄热。本装置可将夏季过剩的太阳能，空调排热等蓄存起来，用于冬季建筑供暖，是绿色建筑供热技术，属于绿色建筑领域。  

多年来，北方采暖地区的冬季供暖是造成冬季雾霾天气最重要的原因，一直困扰着各级政府，为解决这一问题，近年来推行了煤改电、煤改气以、地热供暖及各种热泵供暖技术，取得了一定的效果，同时也带来了采暖费用高等一系列问题，但归根结底并没有从根本上解决北方地区冬季供暖问题。  

无论在哪里，夏季的太阳能永远是过剩的，当前蓄热技术的发展完全可以将夏季的太阳能储存起来用于冬季建筑供暖。以前建筑节能水平较低，能耗较大，以居住建筑为例，冬季设计采暖热指标为：45～65w/㎡，年供暖需求为：80~120kWh/㎡。蓄热技术以水蓄热为主，如果采用跨季度蓄热技术，夏季储存太阳能用于冬季供暖，将使得蓄热体容积过大，工程造价较高，基本不具备可行性。随着建筑节能工作的开展，建筑节能水平大幅度提高，建筑冬季采暖设计热负荷指标及年供暖需求均大幅度降低，被动式超低能耗建筑的冬季采暖设计热负荷指标达到：10~15 w/㎡，年供暖需求为：13~23kWh/㎡。  

再者，蓄热与换热技术的发展也为跨季度蓄热创造了条件，化学蓄热，相变蓄热等技术使得蓄热装置蓄热强度大幅度提高，毛细管换热技术提高了换热效率，将蓄热介质封闭在蓄热装置中，提高了蓄热装置的安全性，大幅度延长蓄热装置的使用寿命。  

本发明，将高效毛细管换热与常温相变蓄热相结合，外径3～5mm的毛细管沉浸在相变蓄热介质中，不但可以快速的进行蓄热或放热，毛细管本身可以促进相变介质成核，减小相变介质冷却过程中结晶温度的过冷漂移，从而延长相变蓄热介质的使用寿命，相变蓄热介质的性能更加稳定。

将夏季太阳能或空调排热蓄存起来，供冬季采暖使用，实现清洁供暖。常温相变介质可采用无机共晶盐类或石蜡类，蓄热温度小于100℃，结合热泵技术供热温度45～65℃，完全可以满足冬季居民供热的需求，本装置蓄热密度可达138 KWH/m3，对新建居住建筑，可以满足11～20㎡供暖要求。  

3、现有技术状况

现有的太阳能供暖技术基本都是利用冬季太阳能供暖，蓄热周期为一昼夜，属于短周期蓄热，蓄热介质为水，冬季太阳辐射强度很低，日照时间很短，利用冬季太阳能供暖必然造成太阳能集热面积过大，使得根本无法布置大规模的太阳能集热器，太阳能的保证率不足30%，同时还需要全复合辅助的备用热源，以防止没有太阳的阴天和雨雪天气不能供暖。  

个别太阳能厂家也做过一些跨季度太阳能水蓄热供暖实验工程，蓄热介质依然是水，蓄热体太大，动辄十几万甚至几十万立方米的蓄热体，不但工程造价高，而且蓄热体布置也很难，不具备实用性。这也是太能供暖只停留在理念阶段而不能走入实用的原因。  

在跨季度蓄热领域，地埋管地源热泵实现跨季度太阳能虚热也是一种可行的方法，这种蓄热方式是利用地下岩土体蓄热，存在蓄热温度较低，需要大面积布置地埋管土壤换热器的区域，由于现在城市的居住小区地下满布车库，基本不具备建造条件。再者利用地埋管土壤换热器蓄热改变了地下岩土体的温度及湿度场，对地下微生物生态有何影响尚不清楚。严格说起来，利用地埋管土壤换热器的岩土体蓄热属于工程，不能算作一种蓄热装置，工程造价还是比较高的。  

个别地方有利用矿坑水和地下含水层实现太阳能跨季度虚热的工程，都是基于特殊的底层构造而建造的，并不具备普遍性。  

4、发明目的

本发明目的有：一是夏季太阳能跨季度储存用于建筑冬季供暖；二是真正实现绿色供暖，彻底消除因冬季供暖造成的环境污染。  

5、发明内容

将低温相变蓄热技术与高效毛细管换热技术相结合，夏季将太阳能集热器收集的太阳能储存于蓄热装置中，用于冬季供暖。原理图如下：  

图1太阳能蓄热供热原理图  

夏季蓄热工况：关断阀门V1、V2，开通阀门V3，在循环水泵1驱动下，太阳能集热器吸收太阳能，通过毛细管换热器，将相变介质由固态变为液态，实现蓄热。  

冬季供热工况：关断阀门V3，打开阀门V1、V2，在循环水泵1的驱动下，太阳能集热器与蓄热装置串联运行，通过水源热泵机组实现冬季供热。蓄热装置放热，相变介质由液态变为固态。  

太阳能蓄热装置原理：  

太阳能蓄热装置构造如图2：

图2太阳能蓄热装置构造图  

太阳能蓄热装置可以是各种形状，上图为矩形立方体，蓄热装置箱体为保温外壳。可以采用钢筋混凝土建造，也可以采用钢板、玻璃钢等材料建造，保温材料可采用聚氨酯、岩棉、离心玻璃棉等保温材料，由于该装置为低温相变蓄热，蓄热温度较低，保温层厚度采用5cm即可。根据不同的工程情况，蓄热装置可以建造各种尺寸，即可埋在地下，也可布置在地上及地下室。  

保温箱体内封存低温相变介质，如Na2SO4.10H2O等水合无机盐类以及石蜡等，本专利采用Na2SO4.10H2O，该物质相变温度为32.4℃，每立方米蓄热量为360MJ，固体比热2.72kJ/kg.℃，如果蓄热温度按70℃计算，相变蓄热加上显热蓄热，每立方米蓄热量为495MJ。  

蓄热装置中毛细管外径仅为3～5mm，间距30～50mm，不仅换热效率高，沉浸在蓄热介质中的毛细管还可以作为结晶核在放热冷却过程中促进蓄热介质（Na2SO4.10H2O）结晶，防止出现过冷现象，结晶温度降低而使得蓄热量降低。  

Na2SO4.10H2O作为无机盐类低温相变蓄热介质存在的主要问题是过冷，在经历一定的冻融循环后，结晶温度发生漂移，即冷却到结晶温度时，不能正常产生结晶相变，为此产生了很多阻止产生过冷现象的方法而产生了很多配方，比如加入增稠剂、成核剂等，也产生了很多类似的专利。即使不采取任何措施，Na2SO4.10H2O也可以稳定的实现冻融循环160次以上。作为跨季度的蓄热装置，冻融循环的计算周期是一年为单位的，即一年一个冻融循环，所以这一问题并不严重，完全可以做到与建筑同寿命。  

这一装置不但可以根据工程情况现场建造，也可以模块化生产而产品化，根据不同的工程情况组装。  

该装置组成太阳能热泵供热系统后，蓄热装置并不需要储存全部冬季供暖耗热量，以石家庄为例，供暖季太阳总辐射量为夏季太阳总辐射量的37.4%，日照最低的12月太阳辐射总量为日照最强的5月份太阳总辐射量的31%，配置不同规模的太阳能集热器，冬季的太阳能保证率也不同，按需热工况配置的太阳能集热器规模，在冬季日照条件下，太阳能保证率高于30%，热泵系统COP值按3.5计算，这样组成的太阳能热泵供热系统，折合到单位立方米蓄热装置的供热能力为：495/0.7*(1+1/3.5)=920MJ，等于256KWH。对新建居住建筑，可以满足11～20㎡供暖要求。  

该装置不仅可以储存夏季的太阳能，还可以储存夏季中央空调系统的排热用于冬季供热，从而代替冷却塔、风冷冷凝器等设备。由于减少了夏季中央空调向环境的散热，从而降低了城市的热岛效应。  

对于节能改造后的农村居住建筑或农村新建节能居住建筑也是很好的供暖解决方案。  

6、发明的效果

该发明依靠太阳能供暖，将夏季太阳能储存下来，用于冬季供暖。还可以将夏季中央空调排热储存起来用于冬季供热，由于减少了夏季中央空调向环境的排热，降低了城市热岛效应，是真正的绿色供暖空调技术，没有任何污染。而且工程造价和供暖费用都很低，易于推广，有巨大的经济、社会和环境效益。  

1）经济效益：  

工程造价：无机盐类相变材料容易获得，价格低廉，以（Na2SO4.10H2O）为例，每吨价格450元，比重按1.35t/m³计算，每立方米价格607元。蓄热相变材料费用为折合建筑面积为：30～55元/㎡，蓄热装置箱（池）体30～70元/㎡，毛细管换热器约10元/㎡。模块化产品化以后，成本会进一步降低。太阳能集热器、热泵机组及管路系统造价35元/㎡，总造价105～145元/㎡。  

运行费用：该系统运行费用仅为电费，系统cop按3.5计算，年耗电量为3.66～6.65元/㎡.y。  

2）环境效益：对于农村新建或节能改造后的居住建筑，按100㎡计算，工程造价1.45～2万元/户，年采暖费用为366～665元/户.年。每户可节约标准煤1000KG，可以减排二氧化碳2493kg，粉尘680kg，二氧化硫75kg，氮氧化物37.5kg。这一技术在广大农村地区的推广，环境效益是十分可观的，从更本上改变北方地区的供暖污染状况。这一技术同样适用于城市居住区冬季供暖，更会取得巨大的经济效益。  

3）社会效益：  

北方廉价清洁供暖的实现，减轻居民供暖负担，更加安居乐业，更加有利于社会稳定。