CN102913978B - 可再生能源与建筑一体化综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可再生能源与建筑一体化综合利用系统。其特点是：包括通过管路依次连通的室外地能换热系统(5)、地源热泵机组(6)和室内采暖空调末端系统(3)，还包括与该室内采暖空调末端系统(3)并联的室内地暖管网(4)；该地源热泵机组(6)通过管路与储水罐连通，该储水罐还通过管路分别与自来水管网(8)和室内供水管网(2)连通，并且该储水罐还通过管路与太阳能集热器(9)连通；还包括系统控制器(10)，以及太阳能光伏组件(1)。本发明具备以下几项优点：可将现行的采暖、制冷所运用的普通能源跟换为可再生清洁能源，节能减排，极大地改善城市环境；实现太阳能光伏、光热以及地源热能源的综合建筑一体化应用。

Description

可再生能源与建筑一体化综合利用系统

技术领域

本发明涉及一种可再生能源与建筑一体化综合利用系统。

背景技术

可再生能源是可以永续利用的能源资源，如水能、风能、太阳能、地源热和生物质能等，不存在资源枯竭问题。我国太阳能较丰富的区域占国土面积的2／3以上，年辐射量超过6000MJ／m²，每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿tce的能量；按德国、西班牙，丹麦等风电发展迅速的国家的经验进行类比分析，我国可供开发的风能资源量可能超过30亿kW；海洋能资源技术上可利用的资源量估计约为4亿-5亿kW；地热资源的远景储量为1353亿tce，探明储量为31.6亿tce；总之我国可再生能源资源丰富，具有大规模开发的资源条件和技术潜力，可以为未来社会和经济发展提供足够的能源，开发利用可再生能源大有可为。

能源的紧缺提出了对可再生能源的需求，而太阳能作为一种可以在任何太阳存在的地方都可以使用的能源受到广泛的关注，它的使用已经从最初在边远地区和缺电地区的使用，逐渐的转移到发达国家城市的使用；从简单的使用和安装太阳电池板，到现在能够把太阳电池板和建筑进行比较好的结合，使得太阳能光伏发电得到更广阔的发展空间。一般来说将太阳电池组件安装在住房或建筑物的屋顶，引出端经过控制器及逆变器与公共电网连接，由光伏方阵及电网并联向用户供电，这就组成了户用并网光伏系统。它具有调峰、环保的功能，另外也可以用太阳光伏发电的玻璃幕墙代替普通的幕墙玻璃，这样即可以做建材又可以发电，进一步降低光伏发电的成本，非常独特，成为城市里一道美丽的风景线，也可以直接用电池组件做建筑材料。

太阳能光热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来，将光能转换成热能加以利用。太阳能装置与建筑结合不是简单相加，而是让太阳能装置成为建筑的一部分，在太阳能为用户提供热水的同时，也为整个建筑的节能减排发挥作用。单机入户，阳台壁挂式，分体承压式便是我们针对不同类型的建筑采取的集热方案。如分体承压式太阳能热水系统就是采用分体式结构，使集热器与水箱分离，满足高层住宅用户安装使用需要；模块化的集热器设计实现了太阳能与建筑的完美结合。据了解，太阳能热水系统可以实现建筑节能10％至15％，而太阳能供暖和空调系统进入住宅解决方案，将为建筑能耗节省45％左右。

地热能是天生就储存在地下的，不受天气状况的影响，既可作为基本负荷能使用，也可根据需要提供使用，仅地下10千米厚的一层，储热量就达1.05×10²⁶焦耳，相当于9.95×10¹⁵标准煤所释放的热量。地温循环能科学地满足不同地温特性、不同气候特性、不同冷暖特性的需求，与传统采暖空调方式相比，在环保节能、冷暖热联供、舒适自然、稳定可靠、费用低廉、操控简便等方面具有很强的经济技术综合优势，是解决低密度建筑物中冷、暖、热水一体化供应方案的最佳选择。

从目前可再生能源的资源状况和技术发展水平看，今后发展较快的可再生能源除水能外，主要是生物质能、风能、地热能和太阳能。生物质能利用方式包括发电、制气、供热和生产液体燃料，将成为应用最广泛的可再生能源技术。风力发电技术已基本成熟，经济性已接近常规能源，在今后相当长时间内将会保持较快发展。太阳能发展的主要方向是光伏发电和热利用，近期光伏发电的主要市场是并网发电和偏远地区的独立供电。太阳能热利用的发展方向是太阳能光热一体化建筑，并以常规能源为补充手段，实现全天候供热，提高太阳能供热的可靠性，在此基础上进一步向太阳能供暖和制冷的方向发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种可再生能源与建筑一体化综合利用系统，能够实现节能减排。

一种可再生能源与建筑一体化综合利用系统，其特别之处在于：包括通过管路依次连通的室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统，还包括与该室内采暖空调末端系统并联的室内地暖管网；该地源热泵机组通过管路与储水罐连通，该储水罐还通过管路分别与自来水管网和室内供水管网连通，并且该储水罐还通过管路与太阳能集热器连通；还包括系统控制器，该系统控制器分别与地源热泵机组和储水罐的控制部分电连接，以及太阳能光伏组件，该太阳能光伏组件与前述地源热泵机组和系统控制器电连接从而供电。

其中在储水罐与自来水管网连接处安装有电动阀，该电动阀的控制部分与系统控制器电连接。

其中储水罐分别通过供水管和回水管与太阳能集热器连通，在该供水管上安装有电动阀，该电动阀的控制部分与系统控制器电连接。

其中在回水管上安装有水泵，该水泵的控制部分与系统控制器电连接。

其中在储水罐和地源热泵机组之间的管路上安装有水泵，该水泵的控制部分与系统控制器电连接。

其中在储水罐和室内供水管网连通的管路上安装有水泵，该水泵的控制部分与系统控制器电连接。

其中太阳能光伏组件还与室内采暖空调末端系统电连接从而供电。

其中系统控制器采用工控机。

进一步的，其中工控机还分别与单片机或PLC连接。

其中储水罐的控制部分包括安装在储水罐内管路上的电动阀和储水罐内的温度传感器。

其中系统控制器还分别与安装在室外的温度传感器、安装在室内的温度传感器和安装在太阳能集热器上的温度传感器连接。

本发明的综合利用系统主要具备以下几项优点：(1)可将现行的采暖、制冷所运用的普通能源跟换为可再生清洁能源，节能减排，极大地改善城市环境；(2)实现太阳能光伏、光热以及地源热能源的综合建筑一体化应用；(3)不仅可以大量节约常规电能和煤炭的消耗，还可以弥补单一供电方式因为环境、设备故障等原因所产生的影响；(4)通过控制系统，可以有效控制太阳能光伏、光热以及地源热能源的互补使用，使其更加有效利用能源；(5)建立系统服务平台研究解决光伏能源、光热能源、地缘热能三种能源的综合利用的控制系统，实现无人值守、自动报警、自动分析，自动切换三者之间的供热需求。

附图说明

附图1为本发明的逻辑原理框图。

附图2为本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种可再生能源与建筑一体化综合利用系统，包括通过管路依次连通的室外地能换热系统5、地源热泵机组6和室内采暖空调末端系统3，还包括与该室内采暖空调末端系统3并联的室内地暖管网4；该地源热泵机组6通过管路与储水罐连通，该储水罐还通过管路分别与自来水管网8和室内供水管网2连通，并且该储水罐还通过管路与太阳能集热器9连通；还包括系统控制器10，该系统控制器10分别与地源热泵机组6和储水罐的控制部分电连接，以及太阳能光伏组件1，该太阳能光伏组件1与前述地源热泵机组6和系统控制器10电连接从而供电。

其中在储水罐与自来水管网8连接处安装有电动阀，该电动阀的控制部分与系统控制器10电连接，储水罐分别通过供水管和回水管与太阳能集热器9连通，在该供水管上安装有电动阀，该电动阀的控制部分与系统控制器10电连接。在回水管上安装有水泵7，该水泵7的控制部分与系统控制器10电连接，在储水罐和地源热泵机组6之间的管路上安装有水泵7，该水泵7的控制部分与系统控制器10电连接，在储水罐和室内供水管网2连通的管路上安装有水泵7，该水泵7的控制部分与系统控制器10电连接。

其中太阳能光伏组件1还与室内采暖空调末端系统3电连接从而供电。系统控制器10采用工控机，该工控机还可以分别与单片机或PLC连接，从而采集包括温度在内的各项信息，并且控制地源热泵机组6、各处电动阀、水泵7等的动作。储水罐的控制部分包括安装在储水罐内管路上的电动阀和储水罐内的温度传感器。系统控制器10还分别与安装在室外的温度传感器、安装在室内的温度传感器和安装在太阳能集热器9上的温度传感器连接。

本发明针对城镇民用建筑中的新建建筑，将根据项目涉及的建筑形式，通过采取太阳能集中收集+分户供给系统，在经济技术合理前提下，通过太阳能光电、光热和地源热泵单元的推广应用，替代建筑用生活热水和制冷采暖的常规能源耗量。

1)选用太阳能光热+地源热泵的热水及采暖单元形式：

采用国内外成熟经验，确定针对多层、高层新建和既有建筑全年用太阳能生活热水系统形式(涉及住宅和公共建筑，系统形式包括平屋顶和坡屋顶，阳台栏板及外墙挂板安装形式)，同时配套地源热泵单元进行冬季采暖和夏季制冷。

地源热和太阳能相结合，既可以克服地源热泵长期连续从土壤取热(或蓄热)，会使土壤的温度场长期得不到有效恢复，从而造成土壤温度不断降低(或升高)的局限性，又可以克服太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素影响的局限性。由于太阳能的供热作用，可以实现系统向地下排热与取热的平衡，从而使得地下温度场保持稳定的变化，机组运行工况稳定。

2)选用适用的太阳能集热器9及地源热泵类型：

结合太阳能集热器9和热泵产品的生产种类、使用环境和安装条件等情况，确定质量可靠、易于维护、使用寿命长的符合系统技术要求的太阳能集热器9和地源热泵类型。

例如以每个单元用户组成一个用水系统，将储水罐放置在阁楼层，每栋楼在屋顶设置统一太阳能集热器9，为各户水箱供应热量，每户设置分户水箱自己供水，由于集热面积的加大，保证了热水供应，同时电辅加热系统能够保证用户在冬季和阴雨天气的热水供应。太阳能与地源热泵单元联合运行，具有很大的灵活性，弥补了单独地源热泵的不足，一年四季可以利用，提高了装置的利用系数。太阳能的总量虽然很大，但其能流密度较低，如果单独采用太阳能供暖系统，势必造成采集热量所需的太阳能集热器9面积较大；同时由于太阳辐射强度随着季节、早晚、昼夜有规律地变化，因此太阳能利用还存在着间歇性及不稳定性的问题，这些问题都可通过与地源热泵单元的联合运行得到解决。

3)太阳能集热器9与建筑一体化：

太阳能技术与建筑的结合，要以建筑为主体，围绕建筑设计和建筑功能为中心，做到太阳能集热器9与建筑物的有机结合，进行多层和高层太阳能生活热水系统与建筑结合典型示范。太阳能集热器9坡屋面和阳台栏板安装形式对应系统设计的优化，包括针对公共建筑的储水罐集中设置和针对住宅分户计费的储水罐分置形式。将集合住宅中大量重复的建筑构件如遮阳板、阳台等与太阳能集热器9有机整合，在供给能源的同时可以为建筑更加美观。本发明的系统用于任何需要辅助采暖、通风或补充新鲜空气的建筑，系统安装简便，能安在任何不燃墙体的外侧及墙体现有开口的周围，便于旧建筑的改造。

本发明的工作原理及应用方法如下：

本发明的综合利用系统包括太阳能集热器9、地源热泵机组6、储水罐、系统控制器10、太阳能光伏组件1等。系统拟定采用光伏发电能量作为主要电源，市电作为补充电源，并采用太阳能集热器9、地源热泵机组6等作为能量转换装置。

在本系统中地源热能是作为一种热能来使用的，将地下热能通过地埋换热管与建筑内热能进行交换，从而达到冬季供热和夏季制冷的效果。

太阳能集热器9可以吸收太阳光中大量的能量，从而提升地源热能，并能满足用户生活热水用量。

太阳能光伏组件1作为可再生能源综合利用项目的唯一高品质能源，为地源热泵机组6和系统控制器10等提供电能，使得地源热泵的介质发生温度变化。

通过系统控制器10进行监控，根据用户要求进行室内供热或者制冷，可以做到根据用户设定系统能自行解决光伏能源、光热能源、地源热能三种能源的综合利用的控制系统，实现无人值守、自动报警、自动分析，自动切换三者之间的供热需求。

系统具体配套结构如下：

冬天建筑物内需要取暖和使用热水，在白天的时候将由系统控制器10控制采用太阳能集热器9为介质加温(这时水温可以达到35度)，然后将升温后的介质抽入地源热泵机组6当中利用压缩机对冷媒做功，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。

晚上的时候利用系统控制器10自动控制检测夜间和阴天，将载热流体不通过太阳能集热器9直接进入地源热泵机组6通过压缩机进行室内的热量交换。同时将热水供应给室内生活区使用。

夏天建筑物内需要制冷和使用热水，这就可以通过系统控制器10直接使用太阳能集热器9进行生活热水的供应，然后再由系统控制器10直接将地下水抽入地源热泵机组6内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13℃以下冷风的形式为房间供冷。

系统控制器10使用太阳能光伏组件1发电来控制地源热能和太阳能集热的综合应用，并且为地源热泵机组6提供电能。从根本上断绝了能量的浪费和污染物的排放。系统控制器10可放置在室内阳台或者阁楼等使用率较少的地点。太阳能光伏组件1则利用建筑物周围墙面将PV板与墙面材料一起进行集成。现代建筑支撑系统和维护系统的分离使PV板能象木材、金属、石材、混凝土等预制板样成为建筑外围护系统的贴面材料。即能解决建筑物的保温还能充分的实现光伏发电。PV板墙面一体化主要有PV板外墙装饰板和PV板玻璃幕墙(或玻璃窗)两种方式。

太阳能光电玻璃作为建筑物的外围护构件，太阳能光电玻璃将光电技术融入玻璃，突破了传统玻璃幕墙单一的围护功能，把以前被当做有害因素而屏蔽在建筑物表面的太阳光，转化为能被人们利用的电能，同时这种复合材料不多占用建筑面积。

Claims (1)

1. 一种可再生能源与建筑一体化综合利用系统，其特征在于：包括通过管路依次连通的室外地能换热系统（5）、地源热泵机组（6）和室内采暖空调末端系统（3），还包括与该室内采暖空调末端系统（3）并联的室内地暖管网（4）；该地源热泵机组（6）通过管路与储水罐连通，该储水罐还通过管路分别与自来水管网（8）和室内供水管网（2）连通，并且该储水罐还通过管路与太阳能集热器（9）连通；还包括系统控制器（10），该系统控制器（10）分别与地源热泵机组（6）和储水罐的控制部分电连接，以及太阳能光伏组件（1），该太阳能光伏组件（1）与前述地源热泵机组（6）和系统控制器（10）电连接从而供电；

其中在储水罐与自来水管网（8）连接处安装有电动阀，该电动阀的控制部分与系统控制器（10）电连接；

其中储水罐分别通过供水管和回水管与太阳能集热器（9）连通，在该供水管上安装有电动阀，该电动阀的控制部分与系统控制器（10）电连接；

其中在回水管上安装有水泵（7），该水泵（7）的控制部分与系统控制器（10）电连接；

其中在储水罐和地源热泵机组（6）之间的管路上安装有水泵（7），该水泵（7）的控制部分与系统控制器（10）电连接；

其中在储水罐和室内供水管网（2）连通的管路上安装有水泵（7），该水泵（7）的控制部分与系统控制器（10）电连接；

其中太阳能光伏组件（1）还与室内采暖空调末端系统（3）电连接从而供电；

其中系统控制器（10）采用工控机；

其中工控机还分别与单片机或PLC连接；

其中储水罐的控制部分包括安装在储水罐内管路上的电动阀和储水罐内的温度传感器；

其中系统控制器（10）还分别与安装在室外的温度传感器、安装在室内的温度传感器和安装在太阳能集热器（9）上的温度传感器连接。