CN101936573A - 供热系统以及供热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种供热系统和供热方法。该系统包括蓄能箱和主太阳能集热器，蓄能箱中的蓄能换热盘管通过管道与主太阳能集热器连接形成一个循环回路，冷媒在该回路中循环，其特征在于还包括高压蓄热器，该高压蓄热器包括副太阳能集热器和储压罐，所述的副太阳能集热器与主太阳能集热器相连形成连通结构；所述的储压罐用于容纳副太阳能集热器中产生的冷媒气体，连接于蓄能换热盘管的入口管道。该系统还包括热水箱和由设置于热水箱中的冷凝器、压缩机、节流阀和设置于所述蓄能箱中的蒸发器构成的压缩式热泵子系统。该供热系统由于具备了高压蓄热器，可将太阳能热转化为冷媒循环的驱动力，实现了无需消耗电力的冷媒强制循环，从而更具节能环保的功效。

Description

供热系统以及供热方法

技术领域

本发明涉及一种热能工程领域的供热技术，特别涉及一种具有冷媒驱动结构的太阳能供热系统以及供热方法。

背景技术

现有的供热系统主要包括：燃料燃烧供热系统，电加热供热系统，空气源热泵系统、太阳能供热系统和地源热泵系统。其中，燃料燃烧供热系统和电加热供热系统的一次能源效率低，难以满足当前节能减排的社会需求。

请参阅图1所示，是现有的压缩式空气源热泵供热系统，其包括：冷凝器10、压缩机11、空气源换热器12和节流阀13，上述各个部件通过管道连接形成一个封闭的循环回路，冷媒在该管路中循环。压缩机11对气态冷媒进行压缩，使冷媒的压力和温度升高；压力与温度升高后的冷媒在冷凝器10中进行热交换，冷媒冷凝成液态，同时释放出冷凝热，用于向用户提供热量；液态冷媒经过节流阀13后压力和温度降低，在节流阀13的前后形成压力差；低压的冷媒进入空气源换热器12，在空气源换热器12中液态冷媒吸收空气的热量而蒸发为气态。如此构成了现有的空气源热泵循环，但该循环系统的能量效率受空气温度的影响较大。空气的温度越低，其能量效率越低，一般来说，当气温低于零下15℃时现有的压缩式空气源热泵供热系统就无法工作。尤其是，北方的冬季往往有很长的时间气温是低于零下15℃的，现有的压缩式空气源热泵供热系统在北方的应用因此受到了极大的限制。

请参阅图2所示，是现有的间接强制循环式太阳能热水系统的示意图。该系统主要包括：热水箱20、输送泵21和太阳能集热器22，上述各个部分通过管道连接形成一个封闭的循环回路，不冻液在该回路中循环。太阳能集热器22吸收太阳能热并对流经其中的不冻液进行加热，阳光充足时可以使不冻液升温到42℃以上。受热后的不冻液被送至供热器20内与热水进行换热，由热水箱20向用户提供热水。不冻液温度降低后经输送泵21循环至太阳能集热器22。现有的太阳能供热系统存在的缺点是对天气的依赖程度太大，遇到阴雨天气等太阳辐照度较低时热水箱的蓄热温度便无法达到用户要求的供热温度，因而必须备有辅助加热系统。通常，辅助加热系统采用电加热，其能效比最高也只能接近于1，工作时即使太阳能集热板上仍有一定的太阳辐照度，也无法将太阳能热有效的用于辅助加热，因而通年的耗电量较大，能效比较低。此外，由于冷媒温度必须高于用户供热温度，因而太阳能集热器的工作温度较高(通常在42℃以上)，从而与环境存在着较大的温差，导致集热器的辐射、对流和传导热损失增加，使其集热效率降低。同时该太阳能供热系统具有输送泵，为维持不冻液的循环，该输送泵必然要消耗一定的电能。

还有采用地热作为热源的地源热泵循环系统，由于地源热泵系统需要打井，其设备投资大，且施工复杂，也容易受地理条件的限制。所以，有必要提供一种应用范围广，供热效率高的供热系统。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有供热系统存在的问题，而提供一种新的供热系统以及供热方法，使其可以有效利用太阳能，提高供热效率，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种供热系统，包括蓄能箱、主太阳能集热器和高压蓄热器；蓄能箱中设有蓄能换热盘管，该蓄能换热盘管通过管道与主太阳能集热器连接形成一个循环回路，冷媒在该回路中循环；该高压蓄热器包括副太阳能集热器和储压罐，所述的副太阳能集热器与主太阳能集热器相连形成连通结构；所述的储压罐用于容纳副太阳能集热器中产生的冷媒气体，连接于蓄能换热盘管的入口管道。

优选的，所述的供热系统，其还包括由冷凝器、压缩机、节流阀和蒸发器构成的压缩式热泵子系统，所述的冷凝器设置于一个热水箱中，所述的蒸发器设置在所述的蓄能箱中。

优选的，所述的供热系统，所述蓄能箱充填有相变温度为0～40℃的潜热蓄热剂。

优选的，所述的供热系统，所述潜热蓄热剂为下列物质中的一种或者几种的混合物：水、硝酸锂的水合物、氯化钙的水合物、磷酸氢二钠的水合物、硫酸钠的水合物、碳酸钠的水合物以及碳数分布为14～24的石蜡。

优选的，所述的供热系统，所述的蓄能箱的顶部出口与热水箱的底部入口通过管道连接。

优选的，所述的供热系统，在所述的冷凝器和节流阀之间的管道上还设有空气换热器。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种供热方法，采用上述的供热系统，该方法包括主集热循环和驱动循环，所述主集热循环包括：在主太阳能集热器中冷媒吸收太阳能温度升高后流入到蓄能换热盘管中，冷媒在蓄能箱中与蓄热剂进行换热，然后流回主太阳能集热器；所述驱动循环包括：副太阳能集热器中的冷媒被加热形成蒸气，并蓄积在储压罐中，在储压罐中冷媒蒸气的压力大于蓄能换热盘管中冷媒的压力后，将储压罐中的冷媒蒸气释放到主集热循环管路上，以驱动冷媒在主集热循环中的流动。

优选的，前述的供热方法，还包括压缩式热泵循环，该压缩式热泵循环包括在所述的蓄能箱中进行的吸热过程，和在一个热水箱中进行的放热过程。

优选的，所述的供热方法所述的蓄热剂是相变温度为0～40℃的潜热蓄热剂。

优选的，所述的供热方法所述潜热蓄热剂为：水、硝酸锂的水合物、氯化钙的水合物、磷酸氢二钠的水合物、硫酸钠的水合物、碳酸钠的水合物以及碳数分布为14～24的石蜡中的一种或者几种的混合物。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明的供热系统以及供热方法，由于具备了高压蓄热器，可以将太阳能热转化为冷媒循环的驱动力，从而可以自行形成对冷媒循环的驱动力，实现了无需消耗电力的冷媒强制循环，从而更具节能环保的功效。另外，本发明的供热系统结合了压缩式空气源热泵循环和太阳能集热两种供热方式，使得该供热系统克服了传统的空气源热泵低温下无法工作的缺陷，可以在环境温度低于零下15℃时为用户高效率地提供热力；同时克服了太阳能供热系统没有太阳时无法向用户供热的缺陷，可以在没有日照的情况下也可以为用户高效率地提供热力，因而更加适于实用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是现有的压缩式空气源热泵供热系统结构图。

图2是现有的间接强制循环式太阳能供热系统的示意图。

图3是本发明实施例1的供热系统的流程图。

图4是本发明实施例2的供热系统的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的供热系统以及供热方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图3所示，是本发明实施例1的供热系统，包括蓄能箱32、主太阳能集热器34和高压蓄热器50。蓄能箱32内设有蓄能换热盘管40，蓄能换热盘管40通过管道与主太阳能集热器34连接形成一个循环回路，冷媒在该回路中循环。该蓄能箱32充填有相变温度为0～40℃的蓄热剂。所述蓄热剂为潜热蓄热剂，可为水、硝酸锂的水合物、氯化钙的水合物、磷酸氢二钠的水合物、硫酸钠的水合物、碳酸钠的水合物以及碳数分布为14～24的石蜡中的一种或者几种的混合物。所述的主太阳能集热器34，其为太阳能及空气能集热板，在阳光照射或空气接触下可以加热流过该集热板内的冷媒。本实施例的主太阳能集热器，较佳的，可由液体冷媒分配母管、气体冷媒集合母管和连接于分配母管与集合母管之间的一组铜铝复合管三部分构成，上述各个部分的表面涂有太阳光吸收涂层。在本实施例中，该主太阳能集热器34的位置低于所述的蓄能箱32。所述高压蓄热器50，与主太阳能集热器34和蓄能换热盘管40相连。该高压蓄热器50包括副太阳能集热器51和储压罐52，所述的副太阳能集热器51与主太阳能集热器34相连形成连通器结构。较佳的，副太阳能集热器51的位置低于主太阳能集热器34的位置，从而可以使主太阳能集热器34中的冷媒流入到副太阳能集热器51中。在连接副太阳能集热器51和主太阳能集热器34的管路上设有阀门53用于控制冷媒的流动。所述的储压罐52设置于副太阳能集热器51的上部或者通过管道连接于副太阳能集热器51的上部出口，用于容纳来自高压集热板51的冷媒蒸气。当副太阳能集热器51内的冷媒受热蒸发为气体时则储存在储压罐52中。该储压罐52连接于蓄能箱32的蓄能换热盘管40的入口，用于向蓄能换热盘管40提供高压的冷媒蒸气。在储压罐与蓄能换热盘管的连接管道上设有阀门54，当阀门54开启时，储存在储压罐52内的高压冷媒蒸气便迅速注入到蓄能换热盘管40内，形成对循环管路内冷媒的驱动力，从而推动其中的冷媒迅速流动。阀门53和阀门54的开启是间歇进行的，当阀门53或阀门54开启时，阀门55是关闭的；当阀门54关闭时，阀门55为开启状态，冷媒在蓄能换热盘管和主太阳能集热器之间循环。在集热效率相同的情况下，主太阳能集热器34内冷媒的受热时间少于副太阳能集热器51内冷媒受热时间，所以副太阳能集热器51内的冷媒的温度要高于主太阳能集热器34内的冷媒温度，形成的冷媒蒸气的压力也高于主太阳能集热器34内的压力。储压罐52内的高压冷媒蒸气释放后，阀门53开启，冷媒流入到副太阳能集热器51内。关闭阀门53后，副太阳能集热器51采集太阳能使其中的冷媒温度升高，并转化为蒸气，此时阀门54也处于关闭状态，因而副太阳能集热器51实际上是处于闷晒状态，冷媒的温度不断升高从而形成高压的冷媒蒸气。较佳的，副太阳能集热器51可以选在集热效率高于主太阳能集热器34的类型，从而可以在相同时间内或者更短时间内得到更高的冷媒压力。本供热系统与现有的太阳能供热系统相比，省略了输送泵，且可以有效驱动热媒的循环，从而节约了电能的消耗。

请参阅图4所示，是本发明实施例2的供热系统的流程图。与实施例1相比，本实施例还包括由冷凝器30、压缩机31、节流阀33和蒸发器35构成的压缩式热泵子系统，所述的冷凝器设置于一个热水箱60中，所述的蒸发器35设置在所述的蓄能箱32中。本实施例的压缩式热泵子系统的工作过程是，压缩机31对气态冷媒进行压缩，使冷媒的压力和温度升高；压力和温度升高后的冷媒在热水箱60中进行热交换，释放出热量后冷凝成液态；液态冷媒经过节流阀33后压力降低，在节流阀33的前后形成压力差；低压的冷媒进入蓄能箱32吸热并蒸发成气态。所述的冷媒在蓄能箱32中吸收蓄热剂的热量，随着整个供热系统向用户供热过程的进行，蓄热剂的温度逐渐降低。采用水作为蓄热箱中的潜热蓄热剂，其相变温度为0℃，具有较大的蓄热密度。本供热系统在北方冬季的夜晚可以利用低谷电驱动压缩机31不断为热水箱60提供热量，同时在蓄能箱32内蓄积冷量，甚至可以使蓄能箱中的水转变为冰。而在白天，主太阳能集热器34采集到的太阳能可以不断地被输送到蓄能箱中，熔化蓄能箱中的冰，从而使太阳能可以被持续高效地采集，不会造成由于蓄能箱与集热板的温度接近而降低集热效率。较佳的，为了更好的利用蓄热箱内的热量，当选用的蓄热剂为水时，将自来水的输入管道连接于蓄能箱32的底部，并将蓄热箱的顶部出口与热水箱60相连，从而可以更好的提供热水。在热水箱60和节流阀33之间的管道上还设有空气换热器62，用于向用户提供暖气。本实施例中的压缩式热泵子系统，由于其吸热过程发生在蓄能箱中，所以其吸热温度可以维持在零度以上，从而可以应用在北方寒冷的冬季。与现有的空气源压缩式供热系统相比，即使在外气温低于零下15℃的情况下，只要有一定的日照，由于太阳能集热作用，可以保证蓄热箱内的温度高于零度，从而可以使该压缩式热泵循环子系统高效地正常工作。本发明还提出一种供热方法，其采用实施例1所述的供热系统。该方法包括主集热循环和驱动循环两个过程。其中的主集热循环与传统的太阳能供热循环基本相同，包括：集热过程，在主太阳能集热器中，冷媒吸收太阳能，冷媒温度升高后流入到蓄能换热盘管中，或者冷媒吸收太阳能温度升高并转变为冷媒蒸气流入到蓄能换热盘管中；换热过程，高温冷媒(或者冷媒蒸气)在蓄能箱中与蓄热剂进行换热，温度降低或者转变为液态冷媒，然后流回主太阳能集热器。如此，即可将吸收到的太阳能转变为蓄能箱中蓄热剂的热能，输出该蓄热剂的热能从而可以提供给用户使用。该蓄能箱充填有相变温度为0～40℃的蓄热剂。所述蓄热剂为潜热蓄热剂，可为水、硝酸锂的水合物、氯化钙的水合物、磷酸氢二钠的水合物、硫酸钠的水合物、碳酸钠的水合物以及碳数分布为14～24的石蜡中的一种或者几种的混合物。当采用的蓄热剂为水时，可以从蓄能箱底部提供冷水，从而可以从蓄能箱顶部输出热水。所述驱动循环包括：在副太阳能集热器中的冷媒被加热形成冷媒蒸气，该冷媒蒸气蓄积在储压罐中，所述的副太阳能集热器具有比主太阳能集热器更高的集热效率或者更长的集热时间，从而可以使其中的冷媒具有更高的温度，从而可以使储压罐中的冷媒蒸气具有更高的压力。在储压罐的压力大于蓄能换热盘管中的压力，例如两者的压差达到0.1MPa以上之后，将储压罐中的冷媒蒸气释放到主集热循环管路上，使储压罐中的冷媒蒸气冲入蓄能换热盘管中，从而可以驱动主集热循环的冷媒流动。所述的储压罐中的冷媒蒸气的释放是间歇性的。当储压罐中的冷媒蒸气被释放后，关闭储压罐与蓄能换热盘管的连通，副太阳能集热器会继续向储压罐提供蒸气并恢复高压，如此可以进行下一次冷媒蒸气的释放。当副太阳能集热器中的冷媒减少至一定程度时，连通副太阳能集热器中和主太阳能集热器，使主太阳能集热器中的液态冷媒流入到副太阳能集热器中。

较佳的，在上述的供热方法中还包括压缩式热泵循环，该压缩式热泵循环的吸热过程在所述的蓄能箱中进行，该压缩式热泵循环的放热过程在一个热水箱中进行。向热水箱底部提供冷水或者蓄能箱顶部输出的水，从而可以从热水箱顶部输出热水，供用户使用。该压缩式热泵循环的冷媒在进行完放热过程后，由于该冷媒还具有较高的温度，进入空气换热器中，与空气进行换热，从而可以向用户提供暖气。

较佳的，可根据蓄热剂的温度进行间歇地运行压缩式热泵循环，当蓄热剂温度接近主太阳能集热器的集热温度时启动压缩式热泵循环，以便保持蓄热剂温度低于集热温度，从而不断促进主集热循环的进行，同时也为热水箱提供热量以补偿其散热损失。上述的蓄热剂温度接近于主太阳能集热器的集热温度的情况为蓄热剂与主太阳能集热器的集热温度的温差小于2℃的情况。

在上述本发明的实施例中，所述的冷媒为R22(二氟一氯甲烷)。本发明亦可采用R134a(四氟乙烷)，R600a(异丁烷)等环境友好的制冷剂作为冷媒。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种供热系统，包括蓄能箱和主太阳能集热器，蓄能箱中设有蓄能换热盘管，该蓄能换热盘管通过管道与主太阳能集热器连接形成一个循环回路，冷媒在该回路中循环，其特征在于还包括高压蓄热器，该高压蓄热器包括副太阳能集热器和储压罐，

所述的副太阳能集热器与主太阳能集热器相连形成连通结构；

所述的储压罐用于容纳副太阳能集热器中产生的冷媒气体，连接于蓄能换热盘管的入口管道。

2.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于其还包括由冷凝器、压缩机、节流阀和蒸发器构成的压缩式热泵子系统，

所述的冷凝器设置于一个热水箱中，

所述的蒸发器设置在所述的蓄能箱中。

3.根据权利要求1-2所述的供热系统，其特征在于所述蓄能箱充填有相变温度为0～40℃的潜热蓄热剂。

4.根据权利要求3所述的供热系统，其特征在于所述潜热蓄热剂为下列物质中的一种或者几种的混合物：水、硝酸锂的水合物、氯化钙的水合物、磷酸氢二钠的水合物、硫酸钠的水合物、碳酸钠的水合物以及碳数分布为14～24的石蜡。

5.根据权利要求24所述的供热系统，其特征在于所述的蓄能箱的顶部出口与热水箱的底部入口通过管道连接。

6.根据权利要求2-5所述的供热系统，其特征在于在所述的冷凝器和节流阀之间的管道上还设有空气换热器。

7.一种供热方法，采用权利要求1所述的供热系统，该方法包括主集热循环和驱动循环，

所述主集热循环包括：

在主太阳能集热器中冷媒吸收太阳能温度升高后流入到蓄能换热盘管中，

冷媒在蓄能箱中与蓄热剂进行换热，然后流回主太阳能集热器；

所述驱动循环包括：

副太阳能集热器中的冷媒被加热形成蒸气，并蓄积在储压罐中，在储压罐中冷媒蒸气的压力大于蓄能换热盘管中冷媒的压力后，将储压罐中的冷媒蒸气释放到主集热循环管路上，以驱动冷媒在主集热循环中的流动。

8.根据权利要求7所述的供热方法，其特征在于还包括压缩式热泵循环，该压缩式热泵循环包括在所述的蓄能箱中进行的吸热过程，和在一个热水箱中进行的放热过程。

Images