CN102235772B - 一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统 - Google Patents

一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统，它包括一太阳能槽式集热子系统、一蓄热子系统、一热驱动制冷子系统和一供热子系统，所述太阳能槽式集热子系统的出口分别与蓄热子系统的蓄热侧进口、热驱动制冷子系统的进口以及供热子系统的进口连接，所述蓄热子系统的蓄热侧出口、热驱动制冷子系统的出口以及供热子系统的出口同时与太阳能槽式集热子系统的进口连接。本发明使用了太阳能槽式集热子系统，从而实现了太阳能中温热利用；同时加入了蓄能子系统，从而克服了太阳能供热的不稳定性；同时，通过合理的系统控制，保证了制冷以及供热需求；通过系统的几种工作模式之间的切换，降低了相应的系统能耗。

Description

一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统
技术领域
本发明涉及一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统。
背景技术
供热与制冷技术不仅为个人生活、工作创造了舒适的环境，同时也满足了工业过程中的冷热需求。随着经济发展，由于供热与制冷过程中产生的能耗已经占到建筑能耗的55％，同时工业热能占社会中能耗的60％；因此，在社会大力提倡节能降损的情况下，太阳能作为一种可再生的能源被越来越多地延伸至采暖、制冷、中高温应用领域中，并拥有广阔的前景。
目前，利用太阳能热能实现供热与制冷的系统的应用场合只局限于单独的示范工程；这种方式是使通过集热器的介质被加热，并被送入热驱动制冷机组实现制冷；或被送入供热装置实现供热。这类系统虽然使得制冷与供热的能耗降低，但是此类系统具有三方面的缺点：1、太阳能热利用的间歇性与不稳定性；2、太阳能能量密度低；3、整个系统的效率较低，存在太阳能集热系统与制冷供热系统的匹配问题。
为了克服太阳能供热制冷技术的上述缺点，人们对此进行了多方面的改进。首先，为了解决太阳能能量密度低的问题，开发了太阳能槽式集热器、蝶式集热器等，实现了太阳能热能中高温利用以及提高了工业热利用的可行性；其次，为了解决太阳能热利用的间歇性与不稳定性，使用了辅助热源与蓄热装置，通过辅助热源，比如电加热，热泵等设备，可以弥补太阳能的间歇性与能量密度低的缺点，但同时增加了成本；而蓄热装置，比如显热蓄热，相变蓄热等技术的应用，也在一定程度上解决该问题，且能够实现太阳能热利用的最大化；最后，为了解决系统效率以及匹配的问题，主要可以通过提高热源温度与制冷供热机组效率这两种方法来实现，其中，提高热源温度可以通过增加集热器面积，或者改变集热器类型解决；制冷机组效率的提高主要是指吸收式制冷机组和吸附式制冷机组，国内外相关研究机构对此开发了各种机组。
经专利检索发现，国内关于太阳能蓄热供热与制冷的专利主要集中在制冷以及供热设备的提出上。例如，在申请号为200520022873中公开了一种太阳能和热泵结合的供热方式，但这种方式并没有充分的利用太阳能；又例如，在申请号为02109563中公开了一种太阳能蓄热供热供冷装置，该系统直接利用地下底层土壤作为蓄热装置，同时在夏季直接利用土壤作为冷源，虽然具有一定的节能效果，但增加建造成本。以上技术均是就太阳能供热制冷工艺中的某个环节进行改进，解决的是单方面的问题，而目前尚未有一种新型的太阳能供热制冷工艺能够在整体上达到高效、稳定、节能等目标。
发明内容
为了克服现有利用太阳能制冷与供热工艺的不足，本发明旨在提供一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统，以达到在无辅助热源条件下，以较低成本实现白天与夜晚连续供热或者制冷的目的，同时满足商业建筑以及工业过程的冷热需求，并在整体上达到高效、稳定、节能等目标。
本发明所述的一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统，它包括一太阳能槽式集热子系统、一蓄热子系统、一热驱动制冷子系统和一供热子系统，所述太阳能槽式集热子系统的出口分别与蓄热子系统的蓄热侧进口、热驱动制冷子系统的进口以及供热子系统的进口连接，所述蓄热子系统的蓄热侧出口、热驱动制冷子系统的出口以及供热子系统的出口同时与太阳能槽式集热子系统的进口连接；所述蓄热子系统的供热侧出口连接在太阳能槽式集热子系统的出口与热驱动制冷子系统的进口之间，所述蓄热子系统的供热侧进口连接在太阳能槽式集热子系统的进口与热驱动制冷子系统的出口之间。
在上述的基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统中，所述太阳能槽式集热子系统包括依次连接在其进口和出口之间的第一球阀、第一油槽、第一高温油泵、太阳能槽式集热器和第二球阀，且所述太阳能槽式集热器还与一连接有单片机控制器的步进电机连接。
在上述的基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统中，所述蓄热子系统包括一设有所述蓄热侧进、出口和供热侧进、出口的蓄热箱，还包括分别连接在所述蓄热侧进口、蓄热侧出口和供热侧出口的第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀以及依次与所述供热侧进口连接的第二高温油泵、第二油槽和第四三通阀。
在上述的基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统中，所述热驱动制冷子系统包括依次连接在其进口和出口之间的第一阀门、热驱动制冷机组和第二阀门。
在上述的基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统中，所述供热子系统包括依次连接在其进口和出口之间的第三阀门、空调末端机组和第四阀门。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用了太阳能槽式集热子系统，使得工作介质最高温度可以达到200℃，平均温度在150℃以上，从而能够使得整个系统的效率更高，并降低了系统能耗，实现了太阳能热能中高温利用；本发明还结合了蓄热子系统，克服了太阳能热利用的间隙性、不稳定性，即使在无法利用太阳能的情况下，也以较低的成本使得供热与制冷能够连续运行，且蓄热子系统的蓄热温度范围宽，可达600℃；本发明中热驱动制冷子系统的使用，能够在最低能耗情况下利用太阳能达到制冷的目的；同时，供热子系统使收集的热量可用于室内供热或工业用热，从而满足商业建筑以及工业过程的冷热需求。
附图说明
图1是本发明一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统的结构示意图；
图2是本发明一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统中蓄热子系统蓄热时，蓄热箱的温度变化折线图；
图3是本发明一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统中蓄热子系统供热时，蓄热箱的温度变化折线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明，即一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统，包括一太阳能槽式集热子系统1、一蓄热子系统2、一热驱动制冷子系统3和一供热子系统4，其中，
太阳能槽式集热子系统1包括依次连接在其进口和出口之间的第一球阀11、第一油槽9、第一高温油泵8、太阳能槽式集热器5和第二球阀10，且太阳能槽式集热器5还与一连接有单片机控制器7的步进电机6连接。太阳能槽式集热子系统1一方面采用单轴跟踪技术，通过单片机控制器7控制步进电机6旋转来控制太阳能槽式集热器5的旋转，从而达到跟踪太阳对光的目的，并使得吸收的太阳能最大化；另一方面通过第一高温油泵8使得导热油进入太阳能槽式集热器5，以吸收热量。
蓄热子系统2包括一蓄热箱12，蓄热箱12的蓄热侧进口通过第一三通阀15与太阳能槽式集热子系统1出口的第二球阀10连接。蓄热箱12的蓄热侧出口通过第二三通阀23与太阳能槽式集热子系统1进口的第一球阀11连接，以此实现蓄热箱12的蓄热功能；蓄热箱12的供热侧出口连接有一第三三通阀16，蓄热箱12的供热侧进口依次连接有第二高温油泵13、第二油槽14和第四三通阀24，以此实现利用蓄热箱12的热量进行制冷或者供热。蓄热箱12内置换热器、蓄热材料、温度传感器等；它采用显热或相变储存两种方式：显热储存时蓄热介质可选用钢砂、石英砂、矿物油、合成油、硅酮油、耐高温混凝土和铸造陶瓷等，单独或者按一定比例组成；相变蓄热时可选用相变温度为0～500℃的相变材料进行蓄热。
热驱动制冷子系统3包括依次连接在其进口和出口之间的第一阀门18、热驱动制冷机组17和第二阀门25，其中，第一阀门18同时与太阳能槽式集热子系统1出口的第二球阀10以及蓄热子系统2供热侧出口的第三三通阀16连接；第二阀门25同时与太阳能槽式集热子系统1进口的第一球阀11以及蓄热子系统2供热侧进口的第四三通阀24连接。热驱动制冷子系统3主要采用吸附制冷以及吸收式制冷的方式，它可接入太阳能制冰机和太阳能空调，该子系统已经形成小型的模块化设备。
供热子系统4包括依次连接在其进口和出口之间的第三阀门21、空调末端机组19(在建筑热需求时可采用普通的、由换热器26和风机20组成的空调末端机组)和第四阀门22，其中，第三阀门21与太阳能槽式集热子系统1出口的第二球阀10连接，第四阀门22与太阳能槽式集热子系统1进口的第一球阀11连接。在供热子系统4的末端接入水系统，可通过换热器26加热水，提供生活和工业用热水；该子系统在工业热需求方面可部分替代锅炉等热源，也可用于烘干等需热环节。
本发明的多联供系统的运行温度为90℃～250℃；其工作原理是先将导热油通过太阳能槽式集热子系统1加热至150℃以上，再使被加热的导热油进入其余三个子系统：(1)进入蓄能子系统2，储存热量；(2)进入热驱动制冷子系统3，通过热驱动制冷机组17制冷；(3)进入供热子系统4，通过换热器26，经风机20作用，提供热风。
本发明针对不同的环境以及工艺要求，可以实现以下几种不同的运行模式：
工作模式一，在白天、太阳光照充足的条件下，太阳能槽式集热子系统1制冷或者供热，并实现蓄能功能。实现此模式，需打开第二球阀10和第一球阀11，运行第一高温油泵8，启动步进电机6，第一油槽9中的导热油进入太阳能槽式集热器5并被加热；此时，调节第一三通阀15、第二三通阀23(第三三通阀16、第四三通阀24关闭)，使部分导热油进入蓄热箱12，实现蓄能；开启第一阀门18、第二阀门25，使剩余导热油进入热驱动制冷机组17，系统进入制冷模式；或开启第三阀门21、第四阀门22，使剩余导热油进入供热子系统4，系统进入供热模式。
工作模式二，在白天、光照一般的条件下，太阳能槽式集热子系统1只实现制冷或者供热功能。实现此模式，需关闭第一三通阀15、第二三通阀23、第三三通阀16和第四三通阀24关闭，单独太阳能槽式集热子系统1，即打开第二球阀10和第一球阀11，运行第一高温油泵8，启动步进电机6，第一油槽9中的导热油进入太阳能槽式集热器5并被加热；此时，开启第一阀门18、第二阀门25，使导热油全部进入热驱动制冷机组17，系统进入制冷模式；或开启第三阀门21、第四阀门22，使导热油全部进入供热子系统4，系统进入供热模式。
工作模式三，在夜间、阴雨天以及无法利用太阳能的情况下，只通过蓄热子系统实现制冷或者供热功能。实现此模式，需关闭太阳能槽式集热子系统1，即关闭第二球阀10和第一球阀11，而打开第三三通阀16和第四三通阀24(第一三通阀15、第二三通阀23关闭)，运行第二高温油泵13，使第二油槽14中的导热油进入蓄热箱12并被加热；此时，在制冷模式下，开启第一阀门18、第二阀门25，使导热油全部进入热驱动制冷机组17，系统进入制冷模式；或开启第三阀门21、第四阀门22，使导热油全部进入供热子系统4，系统进入供热模式。
在发明的具体实施过程中，对各子系统进行了相关测试：
1、测试太阳能槽式集热子系统1的效率
系统试验于一个晴天进行，运行的条件为：流速为305Kg/h，环境温度在35℃左右，风力为东南风2～3级，导热油型号为JH350，比热容为2.518kJ/Kg.K，试验中选择了小流量运行。先用电加热预热到90℃以后，然后关掉电加热器完全利用太阳能槽式集热子系统1对吸附制冷剂系统进行加热，从9点开始运行太阳能槽式集热子系统1，大概经过1个小时时间温度就可以达到150℃。太阳能槽式集热子系统1的光学效率可以达到0.623，比较理想，在温度为150℃时，辐射在600W/m2，效率可以达到46％，在夏季晴天情况下，效率更好。由此可见，太阳能槽式集热子系统1可以很好的为用热系统提供热源。
2、结合太阳能槽式集热子系统1测试蓄热子系统2的蓄热能力
如图2所示，为了更加完整的测试蓄热箱12的蓄热能力，采取了辅助加热的方法，当温度从55℃左右上升至130℃左右，蓄热子系统2的蓄热效率为81.2％。
3、测试蓄热子系统2的供热能力
图3为蓄热箱12给制冰机提供热量时，其自身温度变化曲线，以及导热油经过蓄热箱12之后温度变化情况；从图3中可以看到经过20分钟左右，导热油经过蓄热箱12之后的温度变化基本维持在3℃左右，而蓄热箱12的平均温度几乎按照线性变化减小。
综上所述，本发明使用了太阳能槽式集热子系统，从而实现了太阳能中温热利用；同时加入了蓄能子系统，从而克服了太阳能供热的不稳定性；同时，通过合理的系统控制，保证了制冷以及供热需求；通过系统的几种工作模式之间的切换，降低了相应的系统能耗。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统，其特征在于，所述的冷热多联供系统包括一太阳能槽式集热子系统、一蓄热子系统、一热驱动制冷子系统和一供热子系统，所述太阳能槽式集热子系统的出口分别与蓄热子系统的蓄热侧进口、热驱动制冷子系统的进口以及供热子系统的进口连接，所述蓄热子系统的蓄热侧出口、热驱动制冷子系统的出口以及供热子系统的出口同时与太阳能槽式集热子系统的进口连接；所述蓄热子系统的供热侧出口连接在太阳能槽式集热子系统的出口与热驱动制冷子系统的进口之间，所述蓄热子系统的供热侧进口连接在太阳能槽式集热子系统的进口与热驱动制冷子系统的出口之间，
所述太阳能槽式集热子系统包括依次连接在其进口和出口之间的第一球阀、第一油槽、第一高温油泵、太阳能槽式集热器和第二球阀，且所述太阳能槽式集热器还与一连接有单片机控制器的步进电机连接，
所述蓄热子系统包括一设有所述蓄热侧进、出口和供热侧进、出口的蓄热箱，还包括分别连接在所述蓄热侧进口、蓄热侧出口和供热侧出口的第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀以及依次与所述供热侧进口连接的第二高温油泵、第二油槽和第四三通阀，
蓄热箱包括内置的换热器、蓄热材料和温度传感器，采用显热或相变储存两种方式：显热储存时蓄热介质可选用钢砂、石英砂、矿物油、合成油、硅酮油、耐高温混凝土或铸造陶瓷，单独或者按一定比例组成；相变蓄热时可选用相变温度为0～500℃的相变材料进行蓄热。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统，其特征在于，所述热驱动制冷子系统包括依次连接在其进口和出口之间的第一阀门、热驱动制冷机组和第二阀门。
3.根据权利要求2所述的基于太阳能中高温利用的冷热多联供系统，其特征在于，所述供热子系统包括依次连接在其进口和出口之间的第三阀门、空调末端机组和第四阀门。
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