CN101806514B - 建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统 - Google Patents

Abstract

一种建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统主要包括太阳能光伏热水遮阳板、半导体制冷组件、带短管束的分离式热管、整体式重力热管、换热联箱等组成。其特征在于：所述的太阳能光伏热水遮阳板与半导体制冷组件组成回路，利用太阳能发电在夏季和冬季分别实现对室内的制冷和供热；所述的分离式热管、整体式重力热管、换热联箱和盘管、水箱等组成热水系统，在夏季和冬季分别实现冷却和加热半导体制冷组件的同时产生热水。本发明解决了传统太阳能光伏发电与半导体制冷组件联合应用中采暖与制热水不能同时实现的难题，分离式热管和重力热管的引入提高了制冷和制热效率，扩大了应用范围。

Description

建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统

技术领域

本发明涉及一种建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统，属于太阳能利用和空调通风领域。

背景技术

太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，所以各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。我国太阳能集热采暖技术已得到一定程度的应用，但在太阳能制冷方面一直没有很好的发展。目前太阳能在建筑空调制冷方面主要技术有太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、太阳能喷射式制冷、太阳能溶液除湿制冷、太阳能发电驱动压缩机制冷以及太阳能半导体制冷等方式，这些方式效率都偏低，且都处在基础研究或少量示范阶段。

太阳能半导体制冷方面，由于半导体制冷片效率偏低，成本偏高，且有效冷却手段缺乏，一直没有太多的研究进展，主要应用在特殊冰箱、制冷器上，但其具备结构简单、运行安静、可以小型化得特点。目前，在国内有一些和太阳能半导体制冷相关的专利，但一般结构比较简单，存在功能少，效率低的问题。如CN2570707公开了一种太阳能半导体空调器，CN1587868公开了一种太阳能半导体空调系统等。已公开的专利中多数是太阳能发电与半导体制冷的简单结合，缺乏系统性。如提供制冷和热水的系统无法提供采暖功能，冬季无法实现对太阳能的利用；提供制冷和采暖的系统无法提供热水，太阳能利用率低；太阳能电池没有冷却措施，发电效率会因太阳能电池温度的升高而降低，进而导致系统效率下降；转化为热能的大部分太阳能并末被利用；水冷散热器直接与半导体组件相连，存在制冷片电绝缘的问题；若用风冷则效率低下。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对半导体制冷片效率偏低、太阳能利用不充分以及实际应用中出现的冷却、绝缘等问题，从能源多功能利用、高效利用和系统控制优化的角度出发，提供一种建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统，该系统兼具制冷和采暖的功能，热量传输迅速，制冷和采暖效率高；采用整体式热管给太阳能光伏电池散热，提高太阳能光伏电池的发电效率，太阳能利用充分。

本发明的技术解决方案：一种建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统包括：半导体制冷组件；用于导热的带短管束的分离式热管、整体式重力热管、太阳能光伏热水遮阳板、为半导体制冷组件供电的供电系统及热水系统，其中：

所述太阳能光伏热水遮阳板安装于室外换热联箱上，太阳能光伏热水遮阳板上表面覆盖光伏电池组件，光伏电池组件发出的电能经过供电系统后为半导体制冷组件使用；

所述的半导体制冷组件是具有一定厚度的扁平式结构，半导体制冷组件下端安装金属散热片，金属散热片下方安装带风口的水平挡板，室内一侧墙壁安装竖直挡板，水平挡板和室内一侧墙壁安装竖直挡板的衔接处安装导流风扇，导流风扇与两个挡板共同起到控制气流方向的作用；半导体制冷组件上端安装带短管束的分离式热管；

所述的带短管束的分离式热管一端紧贴半导体制冷组上端，另一端伸入换热联箱，中间通过波纹管连接；所述带短管束的分离式热管的管束所在平面与水平面呈8°～20°夹角；

所述的整体式重力热管下部粘贴于光伏电池组件的背面，顶部伸入换热联箱中；

所述的换热联箱和防冻液管路、水箱、循环泵组成热水系统，换热联箱两端用防冻液管路与水箱内的盘管相连，盘管与换热联箱组成密闭系统，防冻液管路中间充满的防冻液在循环泵的作用下循环运行。

本发明与单纯的光伏电池与半导体制冷组件结合的系统相比具有如下优点：

(1)功能完善，即多功能性，采用太阳能光伏热水遮阳板供电，半导体制冷组件制冷/制热，采用带短管束的分离式热管和整体式重力热管传递热量，换热联箱结构，夏季时太阳能光伏热水遮阳板和半导体制冷组件产生的热量在联箱中被带走供加热生活用热水；冬季时太阳能光伏热水遮阳板产生的热量传入联箱后被半导体制冷组件的热管吸收，用于室内供暖，多余的热量仍可加热生活用水。这样兼具制冷、采暖的和生产生活热水的功能，四季均可使用，能源利用充分，节能效果明显。

(2)部件工作效率高，太阳能利用充分。利用热管将热量迅速带走，光伏电池和半导体制冷组件工作效率都得到提高。太阳能转化为热的部分也被充分利用，几乎没有能量被浪费。此外采用可升降的天花板式结构，与分离式热管的结合，夏季半导体制冷板位置低于换热联箱位置，热流由制冷组件向换热联箱传递；冬季半导体制冷板位置高于换热联箱位置，热流由联箱向制冷组件传递。热管传热迅速，可有效减小半导体制冷组件与室内环境温差，提高半导体制冷组件制冷/制热效率。

(3)利用热管传热。传热速度快，部件工作效率高，又解决了冬季采暖热源问题。与传统压缩制冷空调相比，没在大功率运动部件，运行噪音低，不用制冷剂，不污染环境。

(4)本发明结构简单。易于安装和维护，不受使用空间布局限制。特别是半导体制冷组件采用天花板式安装，方便与太阳能光伏热水遮阳板结合；可通过高度调节来改变分离式热管的传热方向以实现夏季制冷冬季采暖的转换；节省建筑使用面积。

(5)本发明采用档板加导流风扇的可控风道形式，夏季制冷时，冷空气从顶部流出，由于密度大而自然下沉充满房间；冬季制热时，热空气由底部流出，由于密度小而自然上浮充满房间。根据冷/热空气性质不同而受用不同的送风方式更加符合空气调节的需要，使室内温度均匀，使用户感到舒适。

(6)本发明的太阳能光伏热水遮阳板采用遮阳板式安装，夏季可以限制阳光进入室内，减小室内制冷负荷；冬季不影响阳光进入室内，不影响室内自然采暖。太阳能光伏电池背面敷设整体式重力热管，降低光伏电池温度，提高光电转化率，回收热量，提高太阳能利用率。

附图说明

图1为本发明的建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统夏季运行示意图；

图2为本发明的建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统冬季运行示意图；

图3为本发明的建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统平面示意图；

图4为本发明的半导体制冷组件垂直风流方向夏季运行示意图；

图5为本发明的半导体制冷组件垂直风流方向冬季运行示意图；

图6为本发明的半导体制冷组件沿风流方向夏季运行示意图；

图7为本发明的半导体制冷组件沿风流方向冬季运行示意图；

图8为本发明的带短管束的分离式热管冬季运行示意图。

具体实施方式

本发明所采用的半导体制冷组件是利用珀尔贴效应实现的。电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两种材料的交界面处以热的形式吸收或放出。电流流过两种不同导体的界面时，因直流电通入的方向不同，将在界面相交处产生吸热和放热现象，称这种现象为珀尔帖效应。目前应用珀尔贴效应制成的半导体制冷组件已有较为成熟的产品。

本发明可根据实际需要采用不同规格的半导体制冷组件实现。常见的半导体制冷组件有带陶瓷片结构和不带陶瓷片结构的。带陶瓷片结构的即在半导体制冷组件两端粘贴薄而平的陶瓷片以提供良好的导热性能的同时保证其绝缘性能。不带陶瓷片结构的即为半导体制冷组件两端为裸露的连接片，安装时应在其表面垫绝缘层后使用。

本发明所采用的带短管束的分离式热管基本原理如图8所示，其与常规分离式热管的主要区别在于：常规分离式热管的蒸发段和冷凝段管束多采用竖直方向布置，其循环动力为下降管系统与上升管系统中工作介质的密度差。而本本发明所采用的带短管束的分离式热管的蒸发段和冷凝段管束采用水平方向布置，以适应半导体制冷组件的安装要求。蒸发段和冷凝段管束所在平面与水平面呈一定夹角，使循环工质在蒸发段和冷凝段子系统内部依然可以依靠重力自行流动，其循环动力为管束段子系统内工作介质的密度差。蒸发段和冷凝段管束所在平面仍存在高度差，系统中工质的循环动力仍为下降管系统与上升管系统中工作介质的密度差。为保持蒸发段和冷凝段内的工质循环的同时又减小半导体制冷系统所占的立体空间，蒸发段和冷凝段管束所在平面与水平面夹角不宜过大或过小，选8°～20°为宜。蒸发段和冷凝段管束间采用波纹管连接，以方便调整蒸发段和冷凝段管束所在的相对位置。夏季时带短管束分离式热管户内段20位置低于分离式热管户外段21，分离式热管户内段20为蒸发段，分离式热管户外段21为冷凝段；冬季时分离式热管户内段20位置高于分离式热管户外段21，分离式热管户内段20为冷凝段，分离式热管户外段21为蒸发段。

如图1、2所示。本发明中的换热联箱5安装于户外窗口15上方。如图1、2、8所示，带短管束分离式热管户外段21布置于换热联箱5内，从换热联箱5引出的部分伸入室内，通过波纹管17与紧贴于半导体制冷组件2上端的带短管束分离式热管户内段20与分离式热管户外段21相连。

如图4-7所示，半导体制冷组件2可以是由数片市售的半导体制冷片通过串联或并联方式组成的半导体制冷板。半导体制冷组件2的下端安装金属散热片23。金属散热片23采用多片式结构，通过增大换热面积强化半导体制冷组件与空气之间的换热能力。半导体制冷组件2整体采用可升降的悬吊方式固定在天花板上，通过调节半导体制冷组件2的位置来使它高于或低于换热联箱5，以达到切换分离式热管的户内段20和户外段21的目的，实现夏季制冷和冬季采暖的功能。

如图1、2所示，金属散热片23下方安装带风口的水平挡板10。室内一侧墙壁安装垂直挡板10’，水平挡板10与垂直挡板10’衔接处上方安装导流风扇9，起到控制气流方向的作用。使夏季时气流由竖直挡板10’底部通风口12进入，经冷却后由水平挡板10通风口13流出，向下流入室内，在密度作用下沉降，被人体加热后重新被竖直挡板10’底部过风口12吸入后再经冷却重新流回。冬季导流风扇9反向旋转，气流被半导体制冷组件2加热后由竖直挡板10’底部通风口13排出，用于室内取暖，在室内被冷却后重新被水平挡板10通风口12吸入而被加热。在水平挡板10的垂直挡板10’通风口13和垂直挡板10’通风口12内侧安装滤网11，达到过滤空气的作用。水平挡板10的垂直挡板10’通风口13和垂直挡板10’通风口12组成的整体，将半导体制冷组件系统隐藏起来，使室内看起来美观整洁，同时起到控制和净化空气气流的作用。

如图1-3所示，太阳能光伏热水遮阳板1安装于室外换热联箱5上。以实现夏季遮阳减小室内负荷，冬季不影响室内自然采光的需求。太阳能光伏热水遮阳板上表面覆盖光伏电池组件3，光伏电池组件3发出的电能经过控制器18和蓄电池19供半导体制冷组件2使用。夏季时半导体制冷组件2下端吸热制冷，冬季时调换半导体制冷组件2的电流输入输出方向，使半导体制冷组件2下端制热放热，即可实现供暖功能。

如图3所示，整体式重力热管4下部粘贴于太阳能光伏电池组件3背面，顶部伸入换热联箱5中，将太阳能转化为热能的能量部分由光伏电池组件3带入到换热联箱5中。

如图3所示，换热联箱5两端用防冻液管路6与水箱7内的盘管22相连。盘管22与换热联箱5组成密闭系统，中间充满的防冻液在循环泵8的作用下循环运行。夏季，依靠防冻液将分离式热管冷凝段20和整体式重力热管4输入联箱的热量不断带入水箱7加热生活用水16。冬季，整体式重力热管4将热量输入换热联箱5，分离式热管蒸发段21又将热量从换热联箱5中带走，若有富余热量，则依靠防冻液带入水箱7。

本发明的夏季整个工作过程如下：

如图1所示：一方面太阳能光伏热水遮阳板1遮阳减小室内负荷，同时整体式重力热管4顶部伸入换热联箱5中，将太阳能转化为热能的能量部分带入到换热联箱5中，通过换热产生热水16。

一方面表面覆盖的光伏电池组件3发出的电能经过控制器18和蓄电池19供半导体制冷组件2使用。半导体制冷组件2的下端安装金属散热片23。金属散热片23采用多片式结构，通过增大换热面积强化半导体制冷组件与空气之间的换热能力。气流由竖直挡板10’底部通风口12进入，经冷却后由水平挡板10通风口13流出，向下流入室内，在密度作用下沉降，被人体加热后重新被竖直挡板10’底部过风口12吸入后再经冷却重新流回。在竖直挡板10的通风口12和通风口13内侧安装滤网11，达到过滤空气的作用。同时，光伏组件2上端的分离式热管冷凝段20依靠防冻液将热量不断带入水箱7加热生活用水16。

本发明的冬季整个工作过程如下：

一方面太阳能光伏热水遮阳板1上表面覆盖光伏电池组件3，光伏电池组件3发出的电能经过供电系统中的控制器18和蓄电池19提供电源供半导体制冷组件2使用，其中控制器18可采用市场出售的较为成熟的光伏控制器产品。整体式重力热管4顶部伸入换热联箱5中，将太阳能转化为热能的能量部分带入到换热联箱5中，通过换热产生热水16。

一方面半导体制冷组件2调换电流输入和输出端口，整体采用可升降的悬吊方式固定在天花板上，通过调节半导体制冷组件2的位置来使它高于换热联箱5，以达到切换分离式热管的户内段20和户外段21的目的，导流风扇9反向旋转，气流被半导体制冷组件2加热后由竖直挡板10’底部通风口13排出，用于室内取暖，在室内被冷却后重新被水平挡板10通风口12吸入而被加热。在竖直挡板10’的通风口12和水平挡板10的通风口13内侧安装滤网11，达到过滤空气的作用。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统，其特征在于包括：半导体制冷组件；用于导热的带短管束的分离式热管、整体式重力热管、太阳能光伏热水遮阳板、为半导体制冷组件供电的供电系统及热水系统，其中：

所述太阳能光伏热水遮阳板安装于室外换热联箱上，太阳能光伏热水遮阳板上表面覆盖光伏电池组件，光伏电池组件发出的电能经过供电系统后为半导体制冷组件使用；

所述的半导体制冷组件是具有一定厚度的扁平式结构，半导体制冷组件下端安装金属散热片，金属散热片下方安装带风口的水平挡板，室内一侧墙壁安装竖直挡板，水平挡板和室内一侧墙壁安装竖直挡板的衔接处安装导流风扇，导流风扇与两个挡板共同起到控制气流方向的作用；半导体制冷组件上端安装带短管束的分离式热管；

所述的带短管束的分离式热管一端紧贴半导体制冷组件上端，另一端伸入换热联箱，中间通过波纹管连接；所述带短管束的分离式热管的管束所在平面与水平面呈8°～20°夹角；

所述的整体式重力热管下部粘贴于光伏电池组件的背面，顶部伸入换热联箱中；

所述的换热联箱和防冻液管路、水箱、循环泵组成热水系统，换热联箱两端用防冻液管路与水箱内的盘管相连，盘管与换热联箱组成密闭系统，防冻液管路中间充满的防冻液在循环泵的作用下循环运行；

所述的半导体制冷组件整体采用可升降的悬吊方式固定在天花板上。

2.根据权利要求1所述的建筑复合太阳能光伏热水供冷和采暖系统，其特征在于：所述太阳能光伏热水遮阳板采用遮阳板式安装方式，夏季可以限制阳光进入室内，减小室内制冷负荷；冬季不影响阳光进入室内，不影响室内自然采暖。

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