CN101298925B - 一种热电热泵相变蓄热采暖方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种热电热泵相变蓄热采暖方法及装置，低谷电价阶段通电蓄热时，热电芯片组连接相变蓄热材料的一端成为热端产生的热能传递到相变蓄热材料中储存，热电芯片组的另一端成为冷端并从周围空气中吸收废热；在放热取暖时，分为两种工作模式，第一种工作模式为节电工作模式，将周围的空气直接与已蓄热的相变蓄热材料发生热交换实现放热取暖；在第一种工作模式不能满足取暖要求时，改变热电芯片组的电流方向，使热电芯片组的冷、热端两端面发生改变，与相变蓄热材料相连的热电芯片组的一端转变成为冷端，吸收相变蓄热材料的热能，并由热电芯片组的另一端热端释放出来供取暖使用。

Description

一种热电热泵相变蓄热采暖方法及装置

技术领域

本发明属于能源类供热技术领域，具体地说涉及一种热电热泵相变蓄热采暖方法及装置。

背景技术

随着人们生活水平的提高，越来越多的电器走进平常百姓家，而这些电器大部分在凌晨以后使用频率聚降，这使得原本非常严重的电力供应的“峰-谷”矛盾更加突出，用电高峰与用电低谷负荷的差别愈来愈大。近年来随着冬季气温持续下降，特别是冰冻灾害时期，导致取暖负荷持续上升，部分城市冬季最高负荷超过夏季最高负荷，各省各地均出现较为频繁的拉闸限电现象。蓄热技术可以“均匀负荷”，能够用“低谷电力”完成“高峰电力”的工作；不但具有节省能源，保护环境等优点，而且对用户的经济上有很大的实际意义。

目前常用的电暖器有取暖电炉、石英管红外电暖器、微晶红外电暖器、卤素灯红外电暖器、充油式电暖器、电暖风机等多种形式，这些取暖器的发热元件主要有发热丝、电热管、红外石英管、PTC发热元件、卤素管、电热膜，其效率一般为0.9-0.95，存在运行费用高、效率低、发热温度高、安全性能差的问题。

而普通家用空调在低温潮湿环境中，很容易结霜，造成制热能力下降；相反，环境温度的下降引起采暖负荷的增加，造成供热和需热负荷的矛盾。目前有许多文献对上述问题进行了分析并提出了一些应对措施，但还是有很多问题。如文献《除霜和除霜控制研究》(许东晟  陈汝东《流体机械》)介绍了当前制冷装置和热泵装置常用的除霜方法和除霜控制的研究现状，但这些方法并末从根本上解决结霜问题，且难以在实际场合应用。

目前国内对供热蓄热***研究较少，国际上对相变蓄热的应用研究也主要集中在相变蓄热机理和太阳能相变蓄热供热***的研究上，专利《相变蓄热热泵供热***》(申请号01105718.1)晚上采用电加热器直接加热，其制热系数小于1，虽然利用了晚上的低谷电，节省了用户的费用，但并不真正节能；而热电热泵相变蓄热采暖方法及装置利用热电芯片热泵功能进行蓄热采暖，制热系数较高，由于不使用制冷剂，消除了制冷剂漏泄将对人体的毒害，且结构简单，适合普通家庭采暖使用。目前对利用热电芯片热泵功能进行蓄热采暖末见相关文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种热电热泵相变蓄热采暖方法。这种方法不仅能够通过热电芯片热泵功能回收空气中的废热，提高制热效率；而且利用相变蓄热装置晚间蓄热，充分利用峰谷电价差从而达到节省用户费用的目的；同时克服普通家用空调因环境温度下降容易结霜，造成供热和需热负荷的矛盾的热电热泵相变蓄热采暖方法。

本发明的目的旨在为实现上述方法而提供的结构简单，使用方便，克服现有供热设备运行费用高，效率低的缺点，有利于节约电能，错开电力高峰使用，节省用户费用，同时解决普通家用空调容易结霜造成供热和需热负荷矛盾的热电热泵相变蓄热采暖装置。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

低谷电价阶段通电蓄热时，热电芯片组连接相变蓄热材料的一端成为热端产生的热能传递到相变蓄热材料中储存，热电芯片组的另一端成为冷端并从周围空气中吸收废热；在放热取暖的时，分为两种工作模式，第一种节电工作模式为周围的空气直接与已蓄热的相变蓄热材料发生热交换实现放热取暖；在第一种工作模式不能满足取暖要求时，改变热电芯片组的电流方向，使热电芯片组的冷、热端两端面发生改变，与相变蓄热材料相连的热电芯片组的一端转变成为冷端，吸收相变蓄热材料的热能，并由热电芯片组的另一端热端释放出来供取暖使用。

热电芯片组采用N.P半导体元件组成的热电芯片。

本发明的相变蓄热材料可采用30度左右的低熔点石蜡或熔点近似的相变材料装在铜盒中，这类蓄热材料使用范围广，融解热、密度、体积蓄热热密度较大，价格也较便宜，市场上易于购买。

本发明的方法通过在晚间低谷电价阶段通电蓄热，在白天电价高峰将蓄热热量用于取暖。不仅能够通过热电芯片热泵功能回收空气中的废热，还能利用相变蓄热装置晚间蓄热，充分利用峰谷电价差从而达到节省用户费用的目的，既能进行废热回收、提高制热效率又可以移峰填谷，减小运行费用。另外，本发明的方法还同时采用两种放热模式进行采暖，其中一种工作模式通过改变输入热电芯片组电流的方向，热电芯片组的冷、热端面发生改变的特点，即通过输入少量的电能再次利用热电芯片组的热泵功能把定型相变蓄热材料蓄的热能释放，送出更高温度的风，克服了家用空调采暖因环境温度的急剧下降引起的供热和需热负荷矛盾。在环境温度较高时还可用另一种节电模式，即直接采用空气与定型相变蓄热材料直接接触发生热交换，释放出其中的热量供取暖使用。

为实现本发明的方法，可采用如下的装置，包括壳体及保温层，壳体及保温层内设有相变蓄热材料、热电芯片组；相变蓄热材料与取暖送风风门、取暖出风风门之间连通有一环绕相变蓄热材料的通道；热电芯片组夹在热管散热器底座块与冷端散热器底座块之间；所述的热管散热器底座块、冷端散热器底座块分别与热管散热器、冷端散热器连接；热管散热器放置在定型相变蓄热材料的内部；冷端送风风门与冷端散热器及冷端出风风门连通。

壳体及保温层的一端面上设有冷端送风风门和取暖出风风门，壳体及保温层的另一端面设有冷端出风风门和取暖送风风门。

冷端送风风门和取暖送风风门处分别设有冷端散热风机和取暖送风风机。

采用热管散热器对定型相变蓄热材料进行蓄热，使热电芯片组所发的热及时传递并储存到定型相变蓄热材料中，提高了热电芯片组的制热系数。

所述定型相变蓄热材料由低温相变材料石蜡灌注在铜盒中，热管散热器放置在定型相变蓄热材料内部。

晚上利用热电芯片的热泵功能加热装置中的低温相变材料，使其融化，将热量以潜热(小部分显热)形式蓄存起来；白天根据环境温度的高低可采用两种放热模式进行放热。本发明的优势在于：

1)热电热泵相变蓄热采暖方法及装置的发热元件采用半导体芯片组，相比直接用电热发热丝、电热管、红外石英管、PTC发热元件、卤素管、电热膜等发热元件，半导体芯片组制热效率高。

2)热电热泵相变蓄热采暖方法及装置采用低温相变材料进行蓄热，在夜间低谷电时蓄热，白天放热，符合国家用电政策，起到移峰填谷作用，同时减小用户使用费用。

3)热电热泵相变蓄热采暖方法及装置采用两种模式放热，其中一种模式是利用热电芯片的热泵功能进行放热，即改变输入热电芯片组的电流方向，热电芯片组的冷、热端面发生改变，通过输入少量的电能再次利用热电芯片组的热泵功能把定型相变蓄热材料蓄的热能释放，送出更高温度的风，满足人们低温环境下的取暖要求。相比普通家用空调环境温度越低，越易结霜，制热系数越低，造成供热和需热负荷的矛盾，热电热泵相变蓄热采暖方法及装置解决了这个问题。

4)热电热泵相变蓄热采暖方法及装置采用低温相变材料蓄热，并通过热管散热器将热端的热量传递到相变材料，热管换热器导热效率高，可以迅速实现热量转移，同时利用相变材料发生相变时候需吸收大量的热量而温度维持在相变点不变，这样热电芯片组热端温度可以维持在稳定的温度，不会急剧变化，有利于制热系数的提高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2为图1的后视图

图3是图1中B-B的剖视图

图4是图1中A-A的剖视图

图5是热电芯片组冷热两端连接放大示意图

图例说明

1、壳体及保温层                2、冷端送风风门

3、取暖出风风门                4、滑轮

5、冷端出风风门                6、取暖送风风门

7、热管散热器                  8、定型相变蓄热材料

9、冷端散热风机                10、取暖送风风机

11、热管散热器底座块           12、热电芯片组

13、冷端散热器底座块           14、冷端散热器

15、环绕相变蓄热材料的通道

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，以下实施例旨在说明本发明而不是本发明进一步的限定。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的热电热泵相变蓄热采暖方法及装置，包括：壳体及保温层1，壳体及保温层1的一端设有冷端送风风门2和取暖出风风门3，壳体及保温层1的另一端设有冷端出风风门5和取暖送风风门6，冷端送风风门2和取暖送风风门6处分别设有冷端散热风机9和取暖送风风机10，壳体及保温层1的内部设有热电芯片组12。热管散热器底座块11、冷端散热器底座块13分别与热管散热器7、冷端散热器14连接；热电芯片组12夹在热管散热器底座块(11)与冷端散热器底座块(13)之间，这种热电芯片组12采用N.P半导体元件组成的热电芯片(香河华北致冷设备有限公司生产的TEC1-12706型热电芯片)，在通入直流电后能在芯片上形成冷和热两个面，根据热电芯片组12的特性，为了使热电芯片组12工作稳定，在利用热电芯片组12的热端制热时，必须同时使热电芯片组冷端的冷量散去，从而使热电芯片组12的热端持续工作，由此可通过冷端散热器14内流动的空气将冷量带走。热电芯片组12的热端产生的热量要迅速传递以防止温度过高而使热电芯片组12的制热效率降低，故采用热管散热器7进行热量传递，以利于热量迅速传递并储存在定型相变蓄热材料8中，定型相变蓄热材料8是将低温相变蓄热材料灌注在铜盒中制成，这样在低温相变材料发生相变时，定型相变蓄热材料8不会发生形状的变化，而采用导热性能好的铜盒储存是为了在散热时，定型相变蓄热材料8中的热量能及时散出来，为了方便装置移动，设置了滑轮4。

工作原理：在晚上低谷电价蓄热时，空气通过冷端送风风门2由冷端散热风机9压入冷端散热器14进行热交换后，冷风经过冷端出风风门5排出至室外；与此同时，热电芯片组12的热端产生的热量通过热管散热器7传递到定型相变蓄热材料8中，由于定型相变蓄热材料8发生相变，由固态变为液态吸收大量热量而温度维持在相变温度点附近，因此热电芯片组12的冷、热端温差不会很大，使得热电芯片组12有较高的工作效率而完成蓄热过程。蓄热完成后，为防止热量散失，冷端送风风门2和冷端出风风门5关闭。

白天取暖的工作模式有两种：一种模式是通过输入少量的电能再次利用热电芯片组12的热泵功能把定型相变蓄热材料8蓄的低品位热能释放，送出更高温度的风，满足取暖的需要。具体方法为通过直流电源转向阀改变输入热电芯片组12的电流方向，根据热电芯片组12的性质，热电芯片组12的冷、热两端面发生改变，热电芯片组12的冷端通过热管散热器7与定型相变蓄热材料8发生热交换，而低温空气通过冷端送风风门2由冷端散热风机9压入冷端散热器14与其发生热交换后送出热风，这样储存在定型相变蓄热材料8中的热量就经过热电芯片组12的热泵作用释放出来供取暖使用。另一种模式是节电模式如图4所示，在环境温度较高时，空气通过取暖送风风门6由取暖送风风机10压入环绕相变蓄热材料的通道15与定型相变蓄热材料8发生热交换后，经取暖出风风门3送出热风供取暖使用。

Claims (3)

1.一种热电热泵相变蓄热采暖装置，包括壳体及保温层(1)，其特征在于，壳体及保温层(1)内设有定型相变蓄热材料(8)，热电芯片组(12)；定型相变蓄热材料(8)与取暖送风风门(6)、取暖出风风门(3)之间连通有一环绕定型相变蓄热材料(8)的通道(15)；热电芯片组(12)夹在热管散热器底座块(11)与冷端散热器底座块(13)之间；热管散热器底座块(11)、冷端散热器底座块(13)分别与热管散热器(7)、冷端散热器(14)连接；热管散热器(7)设置在定型相变蓄热材料(8)的内部；冷端送风风门(2)与冷端散热器(14)及冷端出风风门(5)连通。

2.根据权利要求1所述的一种热电热泵相变蓄热采暖装置，其特征在于，壳体及保温层(1)的一端面上设有冷端送风风门(2)和取暖出风风门(3)，壳体及保温层(1)的另一端面设有冷端出风风门(5)和取暖送风风门(6)。

3.根据权利要求1或2所述的一种热电热泵相变蓄热采暖装置，其特征在于，冷端送风风门(2)和取暖送风风门(6)处分别设有冷端散热风机(9)和取暖送风风机(10)。

Images