CN101261021A - 一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统及其运行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多水箱太阳能－热泵复合热水系统及其控制方法，系统中设有2～5个并联的蓄热水箱，每个蓄热水箱供水或者回水主管上设有电磁阀，进水或者出水支管上也设有电磁阀，各个蓄热水箱的底部设置温度传感器；热水连接管从蓄热水箱的底部进入，上部出来，并把各个蓄热水箱串联连接。太阳能集热器的供回水管在靠近冷水进水一端与并联蓄热水箱的供回水主管相接，热泵的供回水管在另一端与并联蓄热水箱的供回水主管相接。系统设有热泵充热、太阳能充热、太阳能与热泵联合充热；根据天气情况自由选择加热模式，充分利用太阳能和低谷电，具有控制灵活、运行费用低等优点。

Description

一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统及其运行控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能热利用技术领域，具体涉及一种多水箱太阳能与热泵复合热水系统及其运行控制方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，能源紧缺问题日益明显。同时随着人民生活水平的提高，生活热水的使用量也在快速增加。如何在保证人们生活质量不受影响的前提下减少不可再生能源的消耗成为社会关注的问题。太阳能作为一种绿色可再生能源，其在生活热水供应方面得到了广泛的应用。由于太阳辐射的日夜变化以及受天气状况影响很大，蓄热水箱和辅助热源几乎是必备的部件。目前许多太阳能热水系统采用电加热作为辅助热源，不但会消耗大量的电能，而且对电网的高峰负荷形成很大压力。由于热泵的性能系数(COP)大于1，一般在2～6之间，因此用热泵作为辅助热源会大幅减少电力的消耗。现有热泵与太阳能复合系统一般采用单水箱蓄热或者双水箱(其中一个水箱蓄热、另一个水箱供热)，采用单水箱蓄热时，由于热泵加热、太阳能加热以及蓄热水箱之间难以匹配协调好，常常导致太阳能集热器的效率大幅降低，收集的有效热量很少，致使系统主要依赖热泵加热；而采用双水箱时，热泵的加热功率要比较大才能满足需要，难以充分利用夜间的低谷电进行蓄热，会对公共电网的高峰电力负荷形成压力。因此研究出一种太阳能-热泵复合热水系统及其运行控制方法，使之不但能够充分利用太阳能，保证集热器的高效运行，节约电力，而且能够充分利用夜间的廉价的低谷电，节约运行费用，同时也减轻公共电网的高峰负荷压力，是当前十分紧迫和有意义的工作。

发明内容

本发明公开了一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统及其运行控制方法，其目的在于克服现有技术热泵与太阳能复合之后，系统中太阳能加热与热泵加热难以协调，常常出现太阳能集热器的效率大幅降低，或者不能充分利用夜间的低谷电的弊端，本发明利用太阳能、热泵联合起来制备热水，使装置尽可能多的利用太阳能和夜间的低谷电进行加热，节约电力并保证集热器的高效运行，极大地减轻了公共电网的高峰负荷压力。

一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统，其特征在于：在太阳能集热器与热泵之间的环路上依次并联2～5个蓄热水箱，每个蓄热水箱供水或者回水主管上设有电磁阀，进水或者出水支管上也设有电磁阀，各个蓄热水箱的底部设置温度传感器；热水连接管从蓄热水箱的底部进入，上部出来，并把各个蓄热水箱串联连接；太阳能集热器的供回水管在靠近冷水进水一端与并联蓄热水箱的供回水主管相接，热泵的供回水管在另一端与并联蓄热水箱的供回水主管相接。

一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统的运行控制方法，其特征在于：系统有三种加热运行模式：1)热泵单独充热；2)太阳能单独充热；3)太阳能与热泵联合充热；运行控制方法是打开或关闭相应管路中的电磁阀；三种运行模式对蓄热水箱充热的先后顺序为从装有供热水管的水箱依次到装有冷水进水管的水箱，结合天气预报，根据天气阴、晴、气温、用水量、水温等情况自由选择加热运行模式和加热的水箱数量。

所述的各蓄热水箱，其体积可以相等或者不等。基础荷载能够满足要求而且空间也允许时，多个蓄热水箱可并排放置，而且热水的连接管可以从水箱上部插入水箱底部，这样可以减小水箱的散热损失。

所述的热泵可以为空气源热泵、地源热泵或水源热泵。

1)热泵单独充热

当从天气预报得知第二天太阳辐射很低(阴雨天)时，在当日晚上即开始启动热泵利用低谷电对各个水箱充热；

2)太阳能单独充热

当太阳能集热器在晴天能够把足量的冷水加热到所需温度(这种情况一般出现在夏天、秋天、春天)，而且气象台预报次日为晴天时，热泵基本不工作，在次日的白天使用太阳能集热器对各水箱充热。

3)太阳能与热泵联合充热

如果太阳能集热器即使在晴天也无法把足量的热水加热到所需温度(出现这种情况原因很多，比如太阳能集热器面积较少、冬天太阳辐射不足或者室外气温较低)，则在当日晚上即启动热泵，开始利用低谷电对靠近用热负荷端的1～2个水箱进行充热，次日白天先利用太阳能对其余的蓄热水箱进行加热，如果温度达不到要求，然后用热泵加热到要求的温度。

当水箱底部的温度与充热的进水温度接近或者达到预定温度时即视为充满。

太阳能集热器或者热泵对蓄热水箱充热的先后顺序为从装有供热水管的水箱依次到装有冷水进水管的水箱。

本发明所述的多水箱太阳能-热泵复合热水系统及其运行控制方法的优点是：

1)能结合太阳能与热泵的优点，在各种天气条件下最大程度地利用太阳能和低谷电，节约电能，降低运行费用，减小了电网的高峰电力负荷。

2)采用多水箱并联蓄热的方式，可以将水箱的集中荷载以及占用的空间分散开来，使得水箱的布置有更多的选择和灵活性。

3)水箱内以及水箱间温度分层，有利于提高太阳能集热器和热泵的运行效率。

附图说明

图1为本发明应用实施例之一的系统结构示意图；

图2为本发明应用实施例之二的系统结构示意图。

1：太阳能集热器，2：热泵，3：集热水泵，4：热泵环路循环泵，5：膨胀罐，6：热水连接管；V1、V2、V3水箱支管电磁阀，V4、V5水箱主管电磁阀，V6、V7预设开启压差的止回阀，V8、V9止回阀；S1、S2、S3蓄热水箱，T1、T2、T3、T4、T5温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本发明各蓄热水箱，其体积相等；热泵采用空气源热泵。

多水箱太阳能-热泵复合热水系统结构如图1所示。整个系统主要包括三部分：太阳能集热环路、蓄热水箱组、热泵加热环路。太阳能集热环路包括太阳能集热器1、温度传感器T4、集热水泵3、止回阀V8；热泵加热环路，包括热泵2、温度传感器T5、止回阀V9、热泵环路循环泵4；蓄热水箱组中，蓄热水箱的数量至少为2个，不宜多于5个，本实施例中采用3个，分别为蓄热水箱S1，蓄热水箱S2，蓄热水箱S3。相邻的蓄热水箱之间的回水主管上设有电磁阀V4和电磁阀V5，每个蓄热水箱的进水支管上也设有电磁阀V1、V2、V3，各个蓄热水箱的底部设置温度传感器分别为T1、T2、T3；热水连接管6从每个蓄热水箱的底部进入，上部出来，把三个蓄热水箱串联连接；两个蓄热水箱之间的热水连接管还分别连接有预设开启压差的止回阀V6、V7。太阳能集热环路的供回水管在靠近冷水进水一端与并联蓄热水箱S1的供回水主管相接，热泵加热环路的供回水管在另一端与并联蓄热水箱S3的供回水主管相接。膨胀罐5用来容纳太阳能集热环路、蓄热水箱组、热泵加热环路内的水由于温度变化而产生的体积变化。

本发明中蓄热水箱的充热分为三种方式。

第一种模式为太阳能单独加热方式，依次对蓄热水箱S3、S2、S1进行充热。其具体方法为：(1)打开电磁阀V3、V4、V5，关闭电磁阀V1、V2，启动太阳能集热泵3，用太阳能集热器对蓄热水箱S3进行充热。(2)经一段时间，当S3内的温度T3达到要求时，S3蓄热完成；关闭电磁阀V5、V3，打开电磁阀V2，对蓄热水箱S2进行充热。(3)经一段时间当S2内的温度T2达到要求时S2充热完毕。(4)关闭电磁阀V2、V4，打开电磁阀V1，对蓄热水箱S1进行充热，当S1温度达到要求时充热完成。这种模式适用于晴天而且集热器能够将足量的冷水加热到所要求的温度的情形，比如夏季、春季、秋季的晴天。

第二种模式为热泵单独加热方式，依次对S3、S2、S1进行充热。当从天气预报得知次日太阳辐照度很低(阴雨天)时采用此模式。其具体方法为：(1)打开电磁阀V3，关闭其余电磁阀，用热泵对S3进行充热。(2)经一段时间当S3内的温度达到要求时，关闭电磁阀V3，打开电磁阀V2，对S2进行充热。(3)经一段时间当S2内的温度达到要求时，关闭电磁阀V2，打开电磁阀V1，对S1进行充热。(4)当S1温度达到要求充热完成。这种模式适用于阴雨天。

第三种模式为太阳能与热泵联合充热模式，其具体方法为：(1)当天晚上，用热高峰过后(一般为22点以后)，打开电磁阀V3，关闭其余电磁阀。开启热泵利用低谷电对水箱S3进行充热。(2)白天首先关闭热泵及电磁阀V3、V5打开电磁阀V2、V4，用太阳能对S2充热。(3)因为太阳辐照度较低，水箱温度达不到用热要求，因此在太阳能对S2充热结束后，打开电磁阀V5、V2，关闭电磁阀V3、V4，用热泵对S2再加热使其达到要求。(4)在热泵对S2充热的同时，打开电磁阀V1，用太阳能对S1充热。在太阳能对S1充热结束后，打开电磁阀V4，关闭电磁阀V2、V3，用热泵对S1再加热使其达到要求。当系统中集热面积不足，即使晴天也不能将全部冷水加热到所需温度，或者从天气预报得知第二天太阳辐照度较低，太阳能单独加热不能完全满足加热要求时采用此模式。

实施例2：

图2所示是本发明应用实施例之二的系统示意，它与实施例一相比，区别在于其在水箱中增加了换热器，取热时水通过换热器从水箱中取热，这样生活热水与蓄热水箱的水分开了，生活热水的水质更加有保证，这时热水连接管上就不需装设预设开启压差的止回阀了。

Claims (4)

1.一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统，其特征在于：在太阳能集热器与热泵之间的环路上依次并联2～5个蓄热水箱，每个蓄热水箱供水或者回水主管上设有电磁阀，进水或者出水支管上也设有电磁阀，各个蓄热水箱的底部设置温度传感器；热水连接管从蓄热水箱的底部进入，上部出来，并把各个蓄热水箱串联连接；太阳能集热器的供回水管在靠近冷水进水一端与并联蓄热水箱的供回水主管相接，热泵的供回水管在另一端与并联蓄热水箱的供回水主管相接。

2.一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统的运行控制方法，其特征在于，系统有三种加热运行模式：1)热泵单独充热；2)太阳能单独充热；3)太阳能与热泵联合充热；运行控制方法是打开或关闭相应管路中的电磁阀；三种运行模式对蓄热水箱充热的先后顺序为从装有热水出水管的水箱依次到装有冷水进水管的水箱，结合天气预报，根据阴、晴、气温、用水量、水温等情况自由选择加热运行模式，充分利用太阳能和低谷电进行加热。

3.根据权利要求1所述的一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统，其特征在于：各蓄热水箱，其体积可以相等或者不等。

4.根据权利要求1所述的一种多水箱太阳能-热泵复合热水系统，其特征在于：所述的热泵可以为空气源热泵、地源热泵或水源热泵。

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