CN102478272A - 一种太阳能供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能供暖系统，包括采集太阳能并将之转化为热能的采暖单元、热存储及交换单元、以及供暖单元，所述热存储及交换单元中包括有对所述采暖单元中的热能进行存储的蓄能系统和能提升蓄能系统中存储的热能的温度的热泵系统，所述蓄能系统设置在地面以下，所述采暖单元、蓄能系统、热泵系统、供暖单元依次连通以进行热交换。该太阳能复合供热供暖系统成本低、高效、节能、实用，特别适合条件比较艰苦的小范围人群聚居区进行使用。

Description

一种太阳能供暖系统

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，涉及一种太阳能供暖系统，该供暖系统特别适用于利用太阳能对小范围人群聚居区的建筑物进行供暖。

背景技术

太阳能作为一种新能源，相对于传统能源而言具有污染少、储量大等特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是石化能源)枯竭问题具有重要意义。同时，在一些地广人稀或高寒高海拔地区，铺设和维护电网、供热网络的成本相当高昂，所以一般采用小范围内单独供热、供暖的方式进行，尤其在一些太阳能丰富的地区，利用太阳能可以在一定程度上解决这部分人群的供热供暖需要。

然而，现有的太阳能供暖系统存在一些不足之处，主要表现在：第一，最佳供暖时间段和取暖时间段不一致：由于太阳能是不定时的能源，在白天晴好的天气供暖效果好，但晚上供暖效果不佳或几乎没什么效果，而对于用户而言，迫切需要取暖的时间段更多地集中在晚上，特别是在寒冷的冬季；第二，与太阳能供热供暖系统配套使用的辅助供暖系统成本高，不环保：在太阳能供暖效果不佳的时段，只能采用辅助供热供暖系统来维持生活的需要，即采用与太阳能供热供暖系统并联的其他系统，例如采用锅炉烧煤加热热水的方式、采用热泵系统等进行辅助供热供暖，但如果长期纯粹依靠这种辅助供热供暖系统来供暖，会耗费较多的资源，且成本巨大，在一些贫困地区，资源和成本无疑会使取暖变得难以实现，并且锅炉等设备由于烧煤产生的二氧化碳的排放也会对环境造成污染；第三，对供热供暖的距离有限制：采用太阳能直接进行供热供暖时，当供热源与被供热的建筑物之间的距离较远时，将热能通过输送管道输入到人们工作或居住的建筑物内时，一般已经无法持续保证80-90℃的供热水温，而只能满足通常的生活热水需求，比如用于洗漱的水温。

为满足居住者的使用要求和舒适需要，建筑物应同时具备供热供暖、空调等一系列功能。据调查，我国民用建筑的整体舒适度低于世界各发达国家，但建筑能耗已占全国能源消费总量的25％以上，接近发达国家建筑用能占全社会能源消费量1/3左右的水平。目前我国每年建成的各类房屋总建筑面积达16-19亿平方米，随着经济的发展和人民生活的提高，建筑能耗还将大幅度增长。而在整个建筑物能耗中，采暖(降温)及生活用水能耗占据了其中的绝大部分，照明及其他生活电器(电视、电脑、洗衣机及厨房电器等)能耗占据比例较小。因此如果能减少采暖(降温)及生活用水能耗，就能极大的降低整个建筑物的总能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对目前太阳能供暖设备中存在的上述不足，提供一种主要利用太阳能进行供暖的太阳能供暖系统，该系统可大大降低建筑物的总能耗，高效节能，且对现有建筑物的改造成本低，主要用于解决冬季供暖期供暖、供水、防冻的需要。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该太阳能供暖系统包括采集太阳能并将之转化为热能的采暖单元、热存储及交换单元、以及供暖单元，其中，所述热存储及交换单元中包括有对所述采暖单元中的热能进行存储的蓄能系统和能提升蓄能系统中存储的热能的温度的热泵系统，所述蓄能系统设置在地面以下，所述采暖单元、蓄能系统、热泵系统、供暖单元依次连通以进行热交换。

其中，所述蓄能系统可将所存储的热能的温度保持为30-60℃的低温热能，优选为40-50℃，所述热泵系统可将蓄能系统中所存储的低温热能提升为高温热能，根据需要通过采用不同类型的热泵系统，可将低温热能提升为温度范围不同的高温热能，高温热能的范围从70℃-150℃不等，本发明根据实际情况优选热泵系统所提升的高温热能的温度范围为70-90℃。

众所周知，在其他边界条件一致时，当热能温度与环境温度温差越小时，其热散失越慢，热损耗越小；当热能温度与环境温度温差越大时，其热散失越快，热损耗越大。因此，对于热量的存储，自然是低温(与环境温差小)存储更为节约能源；而取暖则是高温(与环境温差大)供暖更利用室内采暖升温的效率。建筑物的供暖系统要求其供热温度越高于环境温度其供热效果越好，因而，低温存储与高温供暖之间就构成了一对矛盾体。在本发明太阳能供暖系统中，通过利用热存储及交换单元中的蓄能系统对所采集的低温热能进行低温蓄热，需要供暖时再由热泵系统将低温热能提升为高温热能供给用户使用，可以很好的解决上述矛盾。

其中，所述蓄能系统可包括设置于地下的蓄能罐和存储于蓄能罐中用于进行热交换的蓄能介质。将蓄能罐放置在地面以下，不仅施工容易，并且能充分利用土壤本身良好的保温性和地热效应，有效减少了热量损耗，从而能满足蓄能系统保持常年40-50℃的水温以提供给热泵系统使用的要求。

蓄能罐放置于地面以下的位置主要是由放置地区的地质环境决定的，比如有些土壤中向下挖掘可能会有石头、地下水脉等，受此限制，蓄能罐在地面以下的放置位置不能太深，但是从保温的效果上来讲应该尽量的深。通常，将蓄能罐放置在地面以下1-20米的范围内，优选的位置为地面以下5-10米。

所述蓄能罐可包括罐体和敷设于罐体内的保温层，所述罐体采用水泥或金属材料制成，保温层采用保温材料制成。所述保温材料可以是发泡泡沫塑料，矿棉，玻璃棉等材料。优选的是，蓄能罐顶部位置所使用的保温材料要比其他位置的保温材料的性能高一些，因为土壤本身具有一定温度，即具有一定的保温性能，包围蓄能罐的侧壁以及底部的土壤层较厚，而其顶部的土壤层较薄，因而蓄能罐上部采用的保温材料可以比其他表面层的选用的材料好些，或者选用同样保温性能的材料，只不过使蓄能罐上层的保温材料比其侧壁和底部其他位置设置的保温材料更厚一些。

所述蓄能罐的罐体可以制为各种形状，优选采用圆柱体形。经研究发现，太阳能利用率与蓄能罐的形状有很大关系，其规律是：蓄能罐的形状为体积与表面积的比值越大，则太阳能利用率越高。为了便于施工，同时兼顾蓄能罐表面积散热尽量小的原则，本发明采用圆柱体形的蓄能罐，可以获得较佳的太阳能利用率。更优选的是，所述蓄能罐采用正圆柱体形状，以尽量保证最大体积与表面积之比，从而尽量保证在热量损失最少的情况下储存更多能量。

所述蓄能介质优选采用水。当然，蓄能介质也可以采用比热容大的其他材料，比如可采用相变材料，或者是可以从固体转变成液体的其他材料。

所述采暖单元包括太阳能采集系统，所述供暖单元包括室内供暖系统。

优选的是，为了对太阳能采集系统进行保护，防止风沙、风雪等恶劣天气状况对其产生损害，可以将所述太阳能采集系统放置在防护棚室内，所述防护棚室类似于温室大棚的结构，采用硬质材质制成，用于防风沙和风雪。所述防护棚室的顶盖可活动开启和关闭，当室外太阳光充足时可以打开防护棚室的顶盖，利用太阳能采集系统进行采暖，为蓄能系统提供低温热能；当室外环境恶劣时可以将防护棚室的顶盖关闭，通过辅助热源系统为蓄能系统提供低温热能。

优选的是，所述室内供暖系统采用建筑物原有的供暖系统中的供暖管网。

进一步优选的是，所述采暖单元中还包括有能为蓄能系统提供热能的辅助热源系统，所述辅助热源系统与蓄能系统连通以进行热交换。根据太阳能采集系统的特点，在太阳光充足的时候，由太阳能采集系统为蓄能系统提供低温热能；当太阳光不充足的时候或者没有太阳光时，由辅助热源系统为蓄能系统提供低温热能。也就是说，可以根据太阳光的充足与否，分别启闭上述两个系统，在节能的前提下可以确保蓄能系统中的热量平衡。

优选的是，所述辅助热源系统采用建筑物原有的室内供暖系统中的供暖设备。这样既可以直接利用太阳能来为建筑物供暖，同时又不用大幅改动现有建筑物的建筑结构和原有的供暖管网，改造费用低，从而节约了大量经费，为太阳能供暖提供了实用的途径。

所述供暖单元中还包括有生活用水系统，所述生活用水系统为用户提供生活用热水及饮用水，生活用水系统可与蓄能系统连通以进行热交换，或者所述生活用水系统与所述室内供暖系统中的回水管连通以进行热交换。其中，生活热水由蓄能罐的余热或室内供暖系统的余热通过热交换器提供，而饮用水可由蓄能罐中存储的热量进行防冻，具体可以在蓄能罐的上方或周围固定一生活热水用水箱，利用蓄能罐的余热将其加热并通过输出管网输送给民众使用。

优选的是，本发明太阳能供暖系统还可包括有发电系统，所述发电系统用于对整个太阳能供暖系统进行供电。发电系统可以采用柴油(汽油)发电机、小型风力发电机或者斯特林发电机。由于本太阳能供暖系统中具有发电系统，使得整个系统具有了独立运行能力。

优选的是，该太阳能供暖系统还可包括有对整个系统进行自动控制的控制系统。在整个太阳能供暖系统中，还包括有管网阀门系统，管网阀门系统包括整个太阳能供暖系统中所有热交换的循环工质流通的管路和阀门。比如说，太阳能采集系统与蓄能系统之间的热交换，辅助热源系统与蓄能系统之间的热交换都是通过管路进行，而蓄能系统、热泵系统、室内供暖系统之间也是通过管路连通，同时各管路上具有控制用的阀门。控制系统通过控制各个管路上阀门的切换，可以调节整个供暖系统管路中循环工质的温度使其达到所需要求，在太阳能供应不足时启动辅助热源装置；以及在环境恶劣时关闭防护棚室以保护太阳能采集系统，在需要或可以采集太阳能时打开上述防护棚室。该控制系统可按照设定程序自动运行，而无需人员照看操作，整套系统为循环工作模式，可独立运行。从而实现控制自动化。

本发明将太阳能采集系统、设于地下的蓄能系统、热泵系统以及供暖单元以串联的方式连接起来，在满足供暖单元所需要的供暖条件时，也使得太阳能可以被有效的储存起来。因而在不具有采集太阳能的条件下，也可以有较为充足的太阳能可以作为供暖使用，从而可降低辅助热源系统的使用时间和频率以节约供暖成本，该系统并且与现有的供暖设施的兼容性很好。本发明太阳能供暖系统能够满足民众基本的供暖供热需求，特别适合条件比较艰苦的小范围人群聚居区进行使用。

本发明太阳能供暖系统中蓄能系统的主要特点为：

(1)蓄能罐建设在地下，充分利用了土壤本身的保温性和地热效应，减少了热量损耗；

(2)蓄能罐采用正圆柱体形状建造，以尽量保证最大体积/表面积之比；从而尽量保证在热量损失最少的情况下储存最多能量；

(3)蓄能罐所储存的低温热能可以提供温度为40-50℃的低温热水，该低温热水可直接由太阳能加热；进行低温储存时其热量损耗远小于高温储热。

本发明中热泵系统的主要特点为：

(1)可将40-50℃的低温热源提升转化为70-80℃的高温热源，从而可以直接向建筑物中的室内供暖系统提供高温热水，而不用改动建筑物原有的供暖系统；

(2)热泵系统是通过消耗一部分高品位能量把热量从低温热源转移到高温热源中的一种设备装置，本发明中的热泵系统由太阳能提供稳定的低温热源，其能效比COP＞1∶4，是低碳环保与节能的优先选择。

本发明太阳能供暖系统充分考虑了太阳能采集系统的实用化和规模化，大量采用现有的成熟技术及利用现有建筑物原有的供暖设备，既可以直接利用太阳能来为建筑物供暖，又不用大幅改动现有建筑的建筑结构以及室内原有的供暖管网，从而节约了大量经费，为真正的太阳能供暖的实用化、规模化发展打下坚实的基础，为低碳生活和新能源建设真正走入人们的生活提出一条切实可行的方案。

附图说明

图1为本发明太阳能供暖系统的原理框图；

图2为热能采集区的原理框图；

图3为热量储存及交换区的原理框图；

图4为供暖区的原理框图；

图5为系统热能循环线路示意图；

图6为地下半圆型蓄水池的原理示意图；

图7为太阳能保证率f与地下水池半径的关系曲线图；

图8为对应太阳能集热器面积A＝100m²，不同地下水池体积的蓄水温度全年变化的曲线图；

图9为对应半径R＝6m，不同太阳能集热器面积情况下的蓄水温度全年变化的曲线图；

图10为系统在A＝100m²，R＝6m的情况下保温层厚度对蓄水温度的影响示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例中，该太阳能供暖系统主要包括采暖单元、热存储及交换单元、以及供暖单元，上述三个单元分别对于按功能划分的三个区，即热能采集区、热存储及交换区、以及供暖区。该太阳能供暖系统中还包括有管网阀门系统、发电系统和控制系统。

其中，采暖单元中包括有太阳能采集系统和辅助热源系统，所述热存储及交换单元中包括有对所述采暖单元中的热能进行存储的蓄能系统和能提升蓄能系统中存储的热能的温度的热泵系统，所述供暖单元包括室内供暖系统和生活用水系统。所述蓄能系统设置在地面以下，所述采暖单元、蓄能系统、热泵系统、供暖单元依次连通以进行热交换。

1.热能采集区

如图1所示，采暖单元设于热能采集区内。本实施例中，如图2所示，采暖单元包括太阳能采集系统和辅助热源系统，所述太阳能采集系统和辅助热源系统分别与蓄能系统连通以进行热交换。太阳能采集系统将采集得到的温度为30-60℃的低温热能提供给热存储及交换单元中的蓄能系统，当太阳能不足时，由辅助热源系统为蓄能系统提供低温热能，以保证蓄能系统中的热量平衡。

在天气晴好、阳光充足的时候，由太阳能采集系统收集太阳能，太阳能采集系统主要包括多个太阳能采集器，使用时所述多个太阳能采集器通过循环工质将低温热能送到蓄能系统进行存储。在因太阳光不足而造成太阳能采集系统所提供的热量有限的时候，启用辅助热源系统，以保证蓄能系统中热量的平衡。

1.1太阳能采集系统

太阳能采集系统也称为太阳能集热系统，主要包括有太阳能采集器(又叫太阳能集热器)、设于太阳能采集器内的循环工质、以及循环泵等。太阳能采集器可以采用真空式太阳能采集器或平板式太阳能采集器。

在太阳能集热系统中，通过太阳能采集器将光能转化为热能，使循环工质加热后迅速升温，利用循环泵使循环工质(循环工质通常可采用水、氨水混合物、以及R-22等)与蓄能系统之间进行热交换，并将热交换后的低温工质送回太阳能采集器中，如此循环往复。

对于必须设置在室外的太阳能采集系统，可以采用类似温室大棚的防护棚室进行覆盖保护，所述防护棚室具有防风沙和风雪的功能，防护棚室的顶盖可活动开启和关闭。在条件允许时打开棚帐的顶盖，由太阳能采集器进行采热工作；环境恶劣时则关闭棚帐的顶盖以保护太阳能采集器。

1.2辅助热源系统

辅助热源系统主要可采用低温锅炉或其他供热设备。

在本实施例中，辅助热源系统采用建筑物原有的室内供暖系统中的供暖设备，如电锅炉、燃油锅炉等，以作为在夜间或深冬极限天气下的热能辅助来源。使用时，只需对建筑物中原有供暖系统稍加改造，将其中的锅炉设备并入本发明太阳能供暖系统中的管网阀门系统中即可。

2.热存储及交换区

如图1所示，热存储及交换单元设于热存储及交换区内。如图3所示，本实施例中，热存储及交换单元中包括有蓄能系统和热泵系统。蓄能系统主要用于存储低温热量，热泵系统主要用于将蓄能系统中的低温热源提升为高温热源，热泵系统可采用高温水源热泵机组。

在正常工作时，蓄能系统中维持低温热能储存的存储温度为40-50℃，通过热交换器作为高温水源热泵机组的热端(蒸发端)使用，所述高温水源热泵机组可将蓄能系统中的低温热源提升为高温热源，通过热交换器可将蓄能系统中的低温热水变成温度为70-90℃的高温热水进入供暖区的供暖管网中。

2.1蓄能系统

蓄能系统包括蓄能罐和存储在蓄能罐中的蓄能介质，本实施例中，所述蓄能介质采用水。

蓄能罐中所储存的热水直接由太阳能采集系统提供，由于低温储存时的热量损耗远小于高温储热，因而蓄能罐中的热水温度保持为40-50℃的低温热水。蓄能罐中可以保持常年温度为40-50℃的水温以提供给热泵系统进行使用。

蓄能罐建设于地下，由于土壤具有蓄能、稳定性及延迟性等特点，因而可以将其作为存储太阳能的蓄热装置，储存热量以供太阳能不足时使用。

本实施例中，所述蓄能罐包括罐体和敷设于罐体内的保温层，所述罐体采用水泥或者金属制成，保温层采用保温材料制成。所述保温材料可以采用发泡泡沫塑料，矿棉，玻璃棉等材料。

图6所示为设于地下的半圆型的地下水池的原理示意图，由于该地下水池与周围土壤间的换热十分复杂，为简化计算，假设土壤和流体的热物性都为常数；土壤的传热形式为导热；不考虑土壤热湿迁移对整个系统的影响；加热流体的流量为常量；该蓄水池上壁敷设有保温层，保温层下表面与水直接接触；地下水池圆弧形的外表面与地下土壤直接接触，则土壤周围的温度场为二维的非稳态温度场，其导热方程为：

$\mathrm{\ρc}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ},t)}{\∂t}=|\frac{1}{r^2}\frac{\∂}{\∂r}\left({\mathrm{\λr}}^2\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ},t)}{\∂r}\right)+\frac{1}{r^2\sin \mathrm{\θ}}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{\λ}\sin \mathrm{\θ}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ},t)}{\∂\mathrm{\θ}}\right)|$

其中，ρ-土壤的密度，kg/m³；c-土壤的比热，kJ/(kg·℃)；T(r，θ，t)-土壤某时刻的温度，℃；t-蓄热的时间，s；λ-土壤的导热系数，w/(m·℃)；a-土壤的导温系数，m²/s；r-土壤中某点到圆心的半径，m；θ-土壤某点与圆心连线和垂直线的角度。

上述公式是计算将容器埋藏到土壤之后热损失的一个方程式，主要可用于建立地下蓄能系统的热损失模型。

表1是地下水池中的保温材料与建筑材料的不同热系数表。

假设该地下水池上层土壤的厚度为1m，地下水池的顶层与周围混凝土的厚度为0.3m，保温层厚度为0.3m。假设该太阳能供暖系统从4月16日开始运行吸收太阳热量，通过变换不同的太阳能集热器面积A和地下水池半径R，可以得出不同的太阳能供暖系统的全年太阳能保证率f(指所利用的太阳能与采暖负荷的比率)。

图7所示为太阳能保证率f与地下水池半径的关系曲线图。从该图中可看出，若想提高整个太阳能供暖系统的太阳能保证率f，首先，地下水池必须足够大，只有地下水池中储备了足够多的水，才能保证有足够多的热量供给用户冬季使用，所以对大面积的太阳能集热器必须搭配较大体积的地下水池才能保证整个系统能以较高的利用率运行。但是地下水池的体积也不能过大，因为随着地下水池体积增大，其与外界接触的面积也会增大，从而导致地下水池中的热损失加快。

图8所示为太阳能集热器面积A＝100m²，不同体积的地下水池的蓄水温度全年变化的曲线图。根据该图可知，在系统保温程度较好且太阳能集热器面积一定的情况下，地下水池的半径存在一个合理的范围，在这个范围中，整个系统的太阳能保证率f相差不多。考虑到系统经济性，实际工程应该在此范围中选择较小的地下水池半径。

图9所示为对应地下水池半径R＝6m，不同太阳能集热器面积情况下的蓄水温度全年变化的曲线图。可见对应地下水池半径R＝6m，3种不同的太阳能集热器面积A(面积分别为100m²、80m²、60m²)能供热的能量差别很大，在此条件下，太阳能集热器面积大的系统可以使相同体积的水升温更高，储存更多的热量，冬季满足更大的用户热负荷。

如图10所示为系统在太阳能集热器面积A＝100m²，地下水池半径R＝6m的情况下，地下水池中敷设的保温层厚度对蓄水温度的影响曲线图。由图可见，保温层的厚度对蓄水温度的影响很大，但是随着保温层的进一步加厚，保温层厚度对蓄水水温的影响逐渐变小。

综上所述，可以得出的综合结论是：地下水池的形状要求为其体积与地下水池自身的表面积之比值越大越好。考虑到施工性的要求，本实施例中，将蓄能罐的形状制成圆柱体形。所述蓄能罐可以放置在地面以下1-20米处，本实施例中蓄能罐放置在地面以下6米处。对于太阳能采集器的面积当然是越大越好，但是考虑到实际情况，一般而言，对应于每平方米太阳能集热器的面积，蓄能罐的容积为40-100L。优选的是，每平方米太阳能集热器采光面积所对应的蓄能罐的容积为75L。

本实施例中，生活用水系统与蓄能系统连通以进行热交换。生活用水中的饮用水由蓄能系统产生的余热进行防冻。对于用户冬季的生活饮用水，可以通过在蓄能罐外设置其他设备来完成，比如可采用饮用水水箱，将该饮用水水箱直接放置在蓄能罐上，或者是围绕放置在蓄能罐周围(图中未示出)，主要是利用蓄能罐的温度消融饮用水中的冰块，以方便当地民众使用。

2.2热泵系统

本实施例中，热泵系统采用高温热泵系统。高温热泵系统是热存储及交换单元中进行热交换的核心部件，其与室内的供暖管网连接以用于进行热交换。其中，高温热泵系统采用水-水高温热泵机组，其主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和降压阀组成。蒸发器吸热后使其中的工质(可采用含氟工质，如R-134a)变为高温低压过热气体，该过热气体在压缩机中经过绝热压缩变为高温高压的气体，再经冷凝器定压冷凝为低温高压的液体，放出工质中的气化热，与冷凝水进行热交换，可将冷凝水加热成为热水，供用户使用；同时，液态工质再经过降压阀绝热节流后变为低温低压液体，并回到蒸发器定压吸收热源热量，蒸发变为过热蒸汽，从而完成一个循环过程。

太阳能和热泵技术是节约常规化石型能源使用最有前途的两种技术，本发明太阳能供暖系统将两者有机结合起来，更能达到优势互补的目的。本发明中，由太阳能集热器为热泵系统中的蒸发器提供热源。

为了能直接利用建筑物原有的室内供暖系统中的供暖管网(如暖气片)进行供暖，可设定最终进入室内供暖管网的入水口的热水是温度为70-90℃的高温热水。

“热泵”是一种从自然界(空气、水或土壤)中获取低位热，经过电力做功转换，使低位热源流向高位热源的节能型加热装置。它利用氟利昂介质的物理特性，通过输入电能将其压缩、释放，利用其状态改变时，特有的低温物理特性吸收周边的低位热量的一种加热设备。

高温热泵的“高温”是相对于目前占市场主导地位的最高热水出水温度在55℃以下的热泵产品而言。一般而言，高温热泵是指制热出水温度能够达到80度以上的热泵，而对制热出水温度达到65度的热泵称为中温热泵或者中高温热泵。

高温热泵系统按照取热来源不同一般分为水源热泵、空气源热泵和地源热泵三种。本实施例采用高温水源热泵机组。本实施例中，通过蓄能罐可以为高温热泵系统提供稳定的低温热能，能效比COP可参考地源热泵取值，其采用的工作原理也与之类似。

众所周知，在其他边界条件一致时；当热能温度与环境温度温差越小时，其热散失越慢，热损耗越小；而与环境温差越大时，其热散失越快，热损耗越大。因此，对于热量的存储，越接近环境温度的低温(与环境温差小)热损耗越小，其存储更为节约能源；而对于建筑物中的供暖系统而言，则越是高温(与环境温差大)则供暖效果越好。可见，低温蓄能与高温供暖是一对矛盾体。本发明系统通过在热量存储与交换区采用设于地下的蓄能系统进行低温蓄热，再通过高温热泵系统将低温热量提升为高温热量供给供暖区使用，很好的解决了这个矛盾。

本实施例中的高温热泵系统可采用北京清源世纪科技有限公司开发的QYHP系列的高温水源热泵机组，或者采用类似功能的其他设备。该高温热泵系统可直接把30-60℃的低温地热水加热到70-90℃，适用于各种供暖系统，在高寒地区采用本发明太阳能供暖系统中的热存储及交换单元以取代燃煤锅炉对用户进行供暖，在保证供暖效果的基础上可极大地节省能源消耗，并且仍可利用建筑物原有的暖气片热水式热力循环系统，改造成本低。

如图4所示，本实施例中，高温热泵系统同时也与生活用水系统连通以进行热交换。通过室内供暖系统回到高温热泵系统之间回水管道中的热量与生活热水管道进行热交换，从而可以为用户提供生活热水。

本实施例中采用的高温热泵系统，其主要特点为：

(1)可将40-50℃的低温热源提升转化为70-90℃的高温热源，从而可以直接向建筑物的供暖管网提供高温热水，而不用改动建筑物原有的供暖系统；

(2)该热泵系统是通过消耗一部分高品位能量把热量从低温热源转移到高温热源中的一种设备装置，通过由太阳能提供稳定的低温热源，其能效比COP＞1∶4，是低碳环保与节能的优先选择。

图5所示为本发明太阳能供暖系统的热能循环线路示意。

在本实施例中，辅助热源系统可采用建筑物原有的室内供暖系统中的供暖设备，即锅炉系统。首先，在热能采集区主要由太阳能采集系统提供低温热源，将循环工质加热到50℃左右，然后送到蓄能系统中与之进行热交换。辅助热源系统主要是在日照不足和无日照时，为蓄能系统提供低温热源，使蓄能罐中保持50℃左右的水温。该循环为独立循环，设为T1循环。

在热存储及交换区中，主要采用高温热泵系统将低温热源提升为高温热源。将T1循环中的蓄能罐作为蒸发器的热量来源，将50℃左右的低温热源在高温热泵系统的冷凝器端提升为70-90℃左右的高温热水，经过热交换后，提供给供暖区进行使用。上述循环为独立循环，设为T2循环。期中，高温热泵系统的供电可采用柴油机发电或电网供电，也可以采用斯特林机组供电。

供暖区主要由建筑物中原有的室内供暖系统略加改动形成，将之改造为室内供暖系统中的供暖管网与高温热泵系统连通。在本实施例中，室内供暖管网从T2循环得到80℃左右的热水供暖，其回水温度在60℃左右；利用该回水余热可以提供50℃生活热水使用。该循环为独立循环，设为T3循环。

3.供暖区

如图1所示，供暖区主要由室内供暖系统和生活用水系统构成。

3.1室内供暖系统

室内供暖系统由建筑物原有的供暖管网(暖气片)略加改动形成。

3.2生活用水系统

生活用水系统与蓄能系统、热泵系统分别连通以进行热交换。生活用水主要包括生活热水和饮用水。其中，生活热水是通过蓄能罐的余热以及高温热泵系统的回水进行提供。具体可以在蓄能罐的上方或周围设置一生活热水用水箱，利用蓄能罐的余热将其加热并通过输出管网输送给民众使用，饮用水则由蓄能罐产生的热量防冻，通过在蓄能罐的上方或周围设置一个饮用水水箱，是利用蓄能罐的温度消融饮用水中的冰块，以方便民众使用。

4.发电系统

发电系统主要用于提供整个系统的电力供应。考虑到系统的独立运行能力，因此要求备有发电系统。发电系统可以采用燃料(柴油、汽油)发电机、小型风力发电机或者太阳能斯特林发电机，在条件允许的地区也可直接采用电网供电。

本实施例中，采用传统的燃料发电机对整个系统进行供电。

5.控制系统及管网阀门系统

管网阀门系统包括整个太阳能供暖系统中，各个单元之间或者部件中的连接管道以及管道上的阀门。这些连接管道主要用于循环工质进入、流出以进行热交换。

控制系统通过控制管网阀门系统中的阀门切换，从而可调节整个系统回路中循环工质的温度，使其达到设计要求，并且在太阳能供应不足时可以自动启动辅助热源系统，以及在环境恶劣时关闭棚帐的顶盖以保护太阳能采集器，在需要或可以采集太阳能时再打开防护棚室的顶盖，并使太阳能采集器重新投入使用。

由于整个系统中包括有控制系统，因而整个系统的运行可按照设定程序自动运行，无需人员照看操作。

本实施例中的太阳能供暖系统是一种太阳能复合利用系统，采用太阳能、锅炉(辅助热源系统)与高温热泵系统联合的供暖模式，该系统在热存储与交换区采用设于地下的蓄能系统进行低温蓄热，再通过高温热泵系统将低温热量提升为高温热量提供给供暖区使用，特别是，蓄能系统可选择由太阳能采集系统或辅助热源系统提供低温热源，该低温热源作为高温热泵系统的低温热量来源，再由高温热泵系统将低温热能提升为高温热能之后供给建筑物使用。

本发明太阳能供暖系统特别适合为小范围人群聚居的高寒高海拔地区(西藏高原地区)冬季供暖期进行使用，系统运行后可极大的减少冬季对于传统能源的需求，从而降低供暖供热的成本。而整套系统可以大量采用建筑物原有的供暖系统，因而施工与改建的难度和成本都较低，可以很快速的投入实际使用。该系统规模化运用，对于广大的太阳能丰富且地广人稀区域的能源供应是一个很好的解决方案，极大的减轻了电网的负担。而且由于本发明解决了太阳能采暖的实用化问题，可以直接利用广大城市建筑物的原有供暖系统，经济而又实惠。并且，由于本系统完全采用清洁能源，因此对于二氧化碳的排放量减少能起到积极的作用，符合国家提出的低碳经济，低碳生活的目标，具有节能减排、节能环保的功能。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种太阳能供暖系统，包括采集太阳能并将之转化为热能的采暖单元、热存储及交换单元、以及供暖单元，其特征在于所述热存储及交换单元中包括有对所述采暖单元中的热能进行存储的蓄能系统和能提升蓄能系统中存储的热能的温度的热泵系统，所述蓄能系统设置在地面以下，所述采暖单元、蓄能系统、热泵系统、供暖单元依次连通以进行热交换。

2.根据权利要求1所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述蓄能系统包括设置于地下的蓄能罐和存储于蓄能罐中用于进行热交换的蓄能介质；所述蓄能罐放置在地面以下1-20米处。

3.根据权利要求2所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述蓄能罐包括罐体和敷设于罐体内的保温层，所述罐体采用水泥或金属材料制成，保温层采用保温材料制成。

4.根据权利要求3所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述蓄能罐的罐体为圆柱体形；所述蓄能介质采用水或者相变材料。

5.根据权利要求1所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述采暖单元包括太阳能采集系统，所述供暖单元包括室内供暖系统。

6.根据权利要求5所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述太阳能采集系统放置在防护棚室内，所述防护棚室的顶盖可活动开启和关闭；所述室内供暖系统采用建筑物原有的供暖系统中的供暖管网。

7.根据权利要求5所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述采暖单元中还包括有能为蓄能系统提供热能的辅助热源系统，所述辅助热源系统与蓄能系统连通以进行热交换。

8.根据权利要求7所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述辅助热源系统采用建筑物原有的室内供暖系统中的供暖设备。

9.根据权利要求5所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述供暖单元中还包括有生活用水系统，所述生活用水系统与蓄能系统连通以进行热交换；或者所述生活用水系统与所述室内供暖系统中的回水管连通以进行热交换。

10.根据权利要求1-9之一所述的太阳能供暖系统，其特征在于该太阳能供暖系统还包括有用于对整个太阳能供暖系统进行供电的发电系统；该太阳能供暖系统还包括有对整个太阳能供暖系统进行自动控制的控制系统。

11.根据权利要求1-9之一所述的太阳能供暖系统，其特征在于所述蓄能系统可将所存储的热能的温度保持为30-60℃的低温热能，优选为40-50℃，所述热泵系统可将蓄能系统中所存储的低温热能提升到温度为70-90℃的高温热能。

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