CN102985763B - 太阳能热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能热系统，其具有提高的使用效率，能够将在集热单元中所获得的热量迅速地用于加热及热水供应负载，并能够以稳定的方式进行操作。为此，所述太阳能热系统包括：太阳能集热器，其用于吸收太阳热量并加热接纳于其中的热媒；蓄热箱，其用于容纳加热水，所述蓄热箱在其内部的上部及下部处分别包括第一蓄热换热器及第二蓄热换热器，所述第一蓄热换热器及所述第二蓄热换热器通过蓄热管连接至所述太阳能集热器，所述蓄热箱包括用于将加热回流水扩散至内部的扩散器；压力传感器及循环泵，所述压力传感器用于感测所述蓄热管中的压力，且所述循环泵用于向所述热媒施加压力及使所述热媒循环，所述压力传感器及所述循环泵连接至所述蓄热管；热媒补充水箱，其通过压力泵连接至所述蓄热管，以补充所述热媒的缺乏；辅助锅炉，其具有加热水出口及加热水回流端口，所述加热水出口通过用于控制加热水供应的三通阀而连接至所述蓄热箱的加热水供应管，且所述加热水回流端口通过用于控制所述加热水回流的三通阀而连接至所述蓄热箱的所述扩散器；止回阀，其连接于用于控制所述加热水供应的所述三通阀与所述辅助锅炉的所述加热水回流端口之间；以及加热负载，其连接至所述辅助锅炉的所述加热水出口及用于控制所述加热水回流的所述三通阀。

Description

太阳能热系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能热系统，更具体而言，涉及如下一种太阳能热系统，其具有提高的使用效率，能够将在集热单元中所获得的热量迅速地用于加热及热水供应负载，并能够以稳定的方式进行操作。
背景技术
一般而言，太阳能热系统被构造成包括集热单元、蓄热单元、以及使用单元，且为如下的系统，即其通过换热器而将集热单元中所收集的热量存储于蓄热单元中，并容许使用单元使用所存储的热量作为加热及热水供应热源。
所存在的问题在于：现有的太阳能热系统昂贵，在加热情形中，系统的使用效率为40%～50%，这是微不足道的，系统常常会由于过热而发生故障，等等。
换言之，当流经加热负载的加热回流水的温度高于蓄热箱的下部的温度时，蓄热箱中会分散有温度分层，使得所存储的热值不足以用作加热源。当加热系统的设计出错时，辅助锅炉可在如下加热条件下加热蓄热箱中的水，即通过太阳热量来进行预热，并在蓄热箱的下部处与集热器进行热交换，以依序地对水进行加热。因此，当一直像冬季一样需要热源时，负载响应速度实际上很慢，从而使总体系统效率劣化。
此外，现有的太阳能热系统的问题在于：甚至在热媒循环线路中发生泄漏时也不存在警报系统，消费者会直接补充与自然减少的量一样多的水，且在夏季所存储的水的温度会上升至80℃或更高，使得在使用热水时可能发生烫伤。
此外，当系统过热时，所收集的热量会被释放至安装于集热单元中的AC电源热辐射器（heat radiator），从而可增大外部电源的使用。
发明内容
[技术问题]
本发明是用于改进上述问题的发明，且本发明的目的在于提供一种太阳能热系统，其中，将加热水流经加热负载之前及之后的温度进行相互比较，以对加热循环流量进行可变的流量控制，从而尽最大可能地降低加热回流水的温度，并根据加热回流水的温度来改变加热回流水被引入至蓄热箱中时所流经的通道，以最大程度地利用所存储热值的热源，从而提高系统的使用效率。
此外，本发明的另一目的在于提供一种太阳能热系统，其中，通过控制集热器热媒循环流量的可变流量来升高热媒温度，并在蓄热箱的下部及上部中形成通道，以与热媒进行热交换，从而能够将在集热单元中所获得的热量迅速地用于加热及热水供应负载。此外，本发明的再一目的在于提供一种太阳能热系统，其中，在集热单元中安装有压力传感器且在热媒补充水箱中安装有止回阀，以在预定的压力以下时通知进行自动补充热媒及产生泄漏警报，热媒补充水箱中安装有低水位传感器以通知补充热媒，从而防止操作错误，采用混合阀的旁通线路安装于热水供应出口及直接水（冷水）入口中，以供应适当温度的热水，并在蓄热箱的上部的温度高于预定温度时发出警报，并通过DC电源热辐射器来释放所存储的热，并通过安装于蓄热箱的上部处的太阳能PV（photovoltaic，光伏）模块来致动循环泵，从而实现系统的稳定运行。
[技术方案]
在一个总体方面，一种太阳能热系统包括：太阳能集热器，其用于吸收太阳热量并加热接纳于其中的热媒；蓄热箱，其用于容纳加热水，所述蓄热箱在其内部的上部及下部处分别包括第一蓄热换热器及第二蓄热换热器，所述第一蓄热换热器及所述第二蓄热换热器通过蓄热管连接至所述太阳能集热器，所述蓄热箱还包括用于将加热回流水扩散至内部的扩散器；压力传感器及循环泵，所述压力传感器用于感测所述蓄热管中的压力，且所述循环泵用于向所述热媒施加压力并且使所述热媒循环，所述压力传感器及所述循环泵连接至所述蓄热管；热媒补充水箱，其通过压力泵连接至所述蓄热管，以补充所述热媒的缺乏；辅助锅炉，其具有加热水出口及加热水回流端口，所述加热水出口通过用于控制加热水供应的三通阀而连接至所述蓄热箱的加热水供应管，且所述加热水回流端口通过用于控制所述加热水回流的三通阀而连接至所述蓄热箱的所述扩散器；止回阀，其连接于用于控制所述加热水供应的所述三通阀与所述辅助锅炉的所述加热水回流端口之间；以及加热负载，其连接至所述辅助锅炉的所述加热水出口及用于控制所述加热水回流的所述三通阀。
所述扩散器可分别设置于所述蓄热箱的中部及下部，设置于所述中部及所述下部处的所述扩散器连接至具有连接至加热回流水管的入口的三通阀的不同出口，且具有连接至加热回流水管的入口的所述三通阀的开口被控制为使所述加热回流水流至比所述蓄热箱的预定高度处的所述加热回流水的温度具有更高温度的部分。
所述蓄热箱可包括蓄热箱热水换热器，所述蓄热箱热水换热器的入口连接至直接水管，与所述蓄热箱热水换热器的出口相连的热水管通过辅助锅炉的热水换热器连接至混合阀，所述直接水管连接至所述混合阀的一侧，同时所述混合阀的热水入口及出口以及直接水入口处分别设置有温度传感器，且排出水的温度是根据由设置于所述混合阀的所述入口及所述出口处的所述温度传感器所感测到的温度而控制的。
用于感测所述蓄热箱的上部、中部及下部处的温度的上部温度传感器、中部温度传感器及下部温度传感器可被构造成控制所述加热回流水的流入位置以及集热管的所述热媒的流入位置。
热辐射器可通过热辐射管而连接至所述蓄热箱的所述上部，以通过将所述蓄热箱中的所述加热水循环至外部来辐射热量，所述热辐射管的一端可连接至二通阀及循环泵，同时太阳能PV模块可连接至所述热辐射器，以通过从所述太阳能PV模块供应的电源来驱动所述热辐射器。
[有利效果]
如上所述，根据本发明的实施例，可对加热循环流量执行可变的流量控制，以最大程度地降低加热回流水，且最大程度地利用加热源中所存储的热值，实现对加热及热水供应负载的快速响应，以大大地提高系统效率，并检测热媒的缺乏状态以通知用户补充热媒，恒定地保持热水供应温度，减少功耗，并将辅助锅炉的启动最小化。
附图说明
图1是图示根据本发明的太阳能热系统的总体系统图的图；
图2是图示图1所示太阳能集热系统的系统图的图；
图3是图示图1所示太阳能加热系统的系统图的图；以及
图4是图示图1所示太阳能热水供应系统的系统图的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地阐述本发明的示例性实施例的构造及操作。
图1图示根据本发明示例性实施例的太阳能热系统的总体系统图，且所述太阳能热系统被构造为主要包括：太阳能集热器10，其用于吸收太阳能并将太阳能转换成热量；蓄热箱20，其用于存储太阳能集热器10中所吸收的热量；辅助换热器30，其用于将在蓄热箱20中被预热的加热水或热水加热至预定温度；加热负载40，其使用所存储的热量；热媒补充水箱50，其用于补充太阳能集热器10的蓄热管中的不足的热媒；混合阀60，其用于供应处于预定温度的热水；热辐射器70，其用于在蓄热箱20的蓄热温度处于预定或更高温度时辐射热量；以及太阳能PV模块80，其用于将阳光转换成电能，以提供热辐射器70的驱动电源。
在下文中，将更详细地阐述每一系统的系统图。图2是图示图1所示太阳能集热系统的系统图的图。
第一蓄热换热器21及第二蓄热换热器22在集热管11与集热管12之间串联连接，集热管11安装于太阳能集热器10的热媒出口处，太阳能集热器10安装于建筑物外部并收集太阳热量，且集热管12安装于热媒入口处，其中，第一蓄热换热器21安装于蓄热箱20内部的上部处，且第二蓄热换热器22安装于蓄热箱20内部的下部处。因此，在太阳能集热器10中被加热的热媒被循环至第一蓄热换热器21及第二蓄热换热器22，使得容纳于蓄热箱20内的加热水通过与第一蓄热换热器21及第二蓄热换热器22进行热交换而被加热。
此外，集热管11与三通阀V1相连接，集热管11用于连接太阳能集热器10与安装于蓄热箱20的上部处的第一蓄热换热器21，且所述三通阀V1用于改变集热管11的通道，以使集热管11的通道经由第一蓄热换热器21而形成于第二蓄热换热器22中，或直接形成于第二蓄热换热器22中而不经过第一蓄热换热器21。因此，在太阳能集热器10中，流经集热管11的热媒可经由第一蓄热换热器21及第二蓄热换热器22而被循环至太阳能集热器10，或仅经由第二蓄热换热器22且不经过第一蓄热换热器21而被循环至太阳能集热器10。
在热媒经由第一蓄热换热器21在蓄热箱20中循环的情形中，当蓄热箱20的蓄热量被实质地消耗时，即当由上部温度传感器TC4感测到的水温小于预定温度、且存在使上部的水温被迅速地蓄热的热值需求时，对热值需求的响应速度快。
集热管11与可测量太阳能集热器10温度的温度传感器TC1相连接，且集热管12与用于感测集热管12内的压力的压力传感器13相连接并与循环泵14相连接，循环泵14用于使热媒经由集热管11和12而在太阳能集热器10与蓄热箱20之间循环。
当集热管12内的热媒的温度过度升高时，压力传感器13会检测集热管12内的压力，以防止压力上升至设定值以上，并将所检测到的压力传递至用于控制太阳能热系统的总体操作的控制器（未图示）。
控制器通过温度传感器TC1来确定由太阳能集热器10所获得的热值，以当所获得的热值增大时增大循环泵14的转数并增大流量，从而增大蓄热值，并当所获得的热值为小时减小循环泵14的转数并减小流量，从而防止循环泵14被频繁地打开/关闭，以增大循环泵14的防水性并减少功耗。
此外，当通过集热管12而循环的热媒不足时，集热管12的一端经由压力泵15而与用于补充热媒的热媒补充水箱50相连接。低水位传感器51安装于热媒补充水箱50内，以将所检测到的信号传递至控制器，且当从热媒补充水箱50接收到低水位检测信号时，控制器会通过普通的警报装置来通知用户热媒不足。
此外，蓄热箱20的上部、中部及下部分别安装有上部温度传感器TC4、中部温度传感器TC3及下部温度传感器TC2，以在每一位置处检测蓄热箱20内的加热水的温度并将所感测到的温度传递至控制器。
此外，蓄热箱20的上部经由热辐射管而与热辐射器70相连接，并在热辐射管的一个通路上与二通阀71及循环泵72相连接。此外，热辐射器70与太阳能PV模块80相连接，以通过从太阳能PV模块80提供的电源而不是通过商业电源来驱动热辐射器70。
因此，当通过上部温度传感器TC4所测得的蓄热箱20的上部温度高于预定温度时，控制器会启动警报装置并启动安装于蓄热箱20的上部处的热辐射器70及循环泵72，以排出所存储的热值。热辐射器70及循环泵72是由从太阳能PV模块80提供的电源驱动，以通过不使用商业电源来节省电源成本。
图3是图示图1所示太阳能加热系统的系统图的图。
安装于蓄热箱20的上部的一部分处的出口与加热水供应管41相连接，且加热水供应管41经由用于控制加热水供应的三通阀V4而与辅助锅炉30的加热水出口相连接，并与加热负载40的一端相连接。
辅助锅炉30的加热水回流端口及加热负载40的另一端经由三通阀V3而与加热回流水管42相连接，且与用于控制加热水回流的三通阀V3的另一端相连接的加热回流水管42与安装于蓄热箱20中的扩散器23及24相连接。
扩散器23及24将回流的加热水喷射至蓄热箱20中，以使回流的加热水迅速扩散于蓄热箱20中，从而迅速地进行热交换。如图所示，扩散器23安装于蓄热箱20的中部处，且扩散器24可安装于蓄热箱20的下部处。在此种情形中，可将通道改变为使经过加热回流水管42回流的加热水根据其温度而通过三通阀V2被供应至中部扩散器23或下部扩散器24。
此外，加热水供应管41的一端或加热回流水管42的一端设置有用于循环加热水的循环泵44。在图示的实例中，循环泵44安装于加热回流水管42中。在具有所述结构的加热系统中，将根据蓄热箱的温度与加热回流水的温度之间的差值来描述加热通道。
首先，将描述蓄热箱20中的加热水的温度高于由用户设定的温度的情形，其中，控制器确定由蓄热箱20中的温度传感器TC2～TC4所感测的温度高于由用户设定的加热温度，使得三通阀V4被控制为形成从蓄热箱20至加热负载40的通道，而三通阀V3被控制为形成从加热负载40至蓄热箱20的通道。因此，通过蓄热箱20的加热水供应管41排出的加热水被重复地循环，即通过加热负载40直接回流至蓄热箱20、换热并随后被排出。
其次，将描述蓄热箱中的下部处的加热水的温度低于由用户设定的温度但上部处的加热水的温度高于由用户设定的温度的情形，其中，控制器根据由蓄热箱20中的温度传感器TC2～TC4所感测的温度而确定下部处的温度低于由用户设定的加热温度且上部处的温度高于由用户设定的温度。
相应地，三通阀V4被控制为形成从蓄热箱20至加热负载40的通道，而三通阀V3被控制为形成从加热负载40至蓄热箱20的通道，具体地说，三通阀V2被控制为形成从三通阀V3至位于中部处的扩散器23的通道。因此，通过蓄热箱20的加热水供应管41排出的加热水被重复地循环，即通过加热负载40而回流至蓄热箱20的中部位置、换热并随后被排出。
再次，将描述蓄热箱20中的加热水的温度低于由用户设定的温度的情形，其中，控制器确定由蓄热箱20中的温度传感器TC2～TC4所感测的温度低于由用户所设定的加热温度，使得三通阀V4被控制为形成使通往蓄热箱20的通道被阻断的通道，而三通阀V3被控制为形成从加热负载40至辅助换热器30的通道。因此，通过在辅助换热器30中进行热交换而被加热的加热水被重复地循环，即通过加热负载40而直接回流至辅助换热器30、换热并随后被排出。
如上所述，由于蓄热箱20具有位于上部处的水的温度高且位于下部处的水的温度低的分层结构，因此，通过将经加热负载40而回流的加热水的温度与蓄热箱20中的预定高度处的温度进行比较，蓄热箱20加热其中的加热水或利用外部辅助换热器30来加热所述加热水，从而可尽可能多地利用蓄热箱20中的热值。
此外，控制器通过使用设置于加热负载40的前端及后端处的温度传感器TC8及TC9来比较加热水在流经加热负载40之前及之后的温度，从而控制加热循环流量的可变流量，即控制循环泵的操作程度（RPM）。
此外，用于控制加热水供应的三通阀V4的另一通道端口通过止回阀43而连接至辅助锅炉30的加热水回流端口。止回阀43容许通过加热水供应管41而从蓄热箱20供应的热水被供应至辅助锅炉30并在必要时进行热交换，但其会防止通过加热负载40及用于控制加热水回流的三通阀V3而回流至辅助锅炉30的加热水流入加热水供应管41中。
图4显示图1所示的太阳能热水供应系统。
蓄热箱20中设置有蓄热箱热水换热器25，蓄热箱热水换热器25具有与直接水管61相连接的入口，热水管62的一端连接至蓄热箱热水换热器25的出口，热水管62的另一端通过设置于辅助锅炉30中的热水换热器31而连接至混合阀60。直接水管61直接连接至混合阀60的另一侧，且热水阀63连接至其它一侧。此外，混合阀60的热水入口、出口及直流入口处分别设置有温度传感器TC5、TC7及TC6，以感测热水及直接水的温度。因此，控制器通过将由温度传感器TC5、TC6及TC7所感测的温度与用户所设定的热水温度进行比较来控制混合阀60的开口程度。换言之，混合阀60通过分别控制经热水管62而流入的热水的量以及经直接水管61而流入的直接水的量来提供处于用户所设定的温度的热水。因此，可通过防止意外地排出高温热水来防止烫伤。
直接水管61总是打开的，以使当用户打开设置于房间中的热水阀63时，能够通过热水管62将由蓄热箱20或辅助锅炉30加热的热水供应至热水阀63，并通过经直接水管61而在内部流动的直接水的压力来排出热水。
附图标记和符号的说明
10：太阳能集热器
11，12：集热管
13：压力传感器
14：循环泵
15：压力泵
20：蓄热箱
21：第一蓄热换热器
22：第二蓄热换热器
23，24：扩散器
25：蓄热箱热水换热器
30：辅助换热器
40：加热负载
41：加热水供应管
42：加热回流水管
43：止回阀
50：热媒补充水箱
51：低水位传感器
60：混合阀
61：直接水管
62：热水管
63：热水阀
70：热辐射器
71：二通阀
72：循环泵
80：太阳能光伏（PV）模块
V1-V4：三通阀
TC1-TC9：温度传感器

Claims (6)

1.一种太阳能热系统，其包括：
太阳能集热器，其用于吸收太阳热量并加热接纳于其中的热媒；
蓄热箱，其用于容纳加热水，所述蓄热箱在其内部的上部及下部处分别包括第一蓄热换热器及第二蓄热换热器，所述第一蓄热换热器及所述第二蓄热换热器通过蓄热管连接至所述太阳能集热器，所述蓄热箱还包括用于将加热回流水扩散至内部的扩散器；
压力传感器及循环泵，所述压力传感器用于感测所述蓄热管中的压力，且所述循环泵用于向所述热媒施加压力及使所述热媒循环，所述压力传感器及所述循环泵连接至所述蓄热管；
热媒补充水箱，其通过压力泵连接至所述蓄热管，以补充所述热媒的缺乏；
辅助锅炉，其具有加热水出口及加热水回流端口，所述加热水出口通过用于控制加热水供应的三通阀而连接至所述蓄热箱的加热水供应管，且所述加热水回流端口通过用于控制加热水回流的三通阀而连接至所述蓄热箱的所述扩散器；
止回阀，其连接于用于控制加热水供应的所述三通阀与所述辅助锅炉的所述加热水回流端口之间；以及
加热负载，其连接至所述辅助锅炉的所述加热水出口及用于控制加热水回流的所述三通阀，
其中，所述扩散器分别设置于所述蓄热箱的中部及下部，设置于所述中部及所述下部处的所述扩散器连接至具有连接至加热回流水管的入口的三通阀的不同出口，且具有连接至加热回流水管的入口的所述三通阀的通道被控制为使所述加热水流至比所述蓄热箱的预定高度处的所述加热回流水的温度具有更高温度的部分。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述蓄热箱包括蓄热箱热水换热器，所述蓄热箱热水换热器的入口连接至直接水管，与所述蓄热箱热水换热器的出口相连的热水管通过所述辅助锅炉的热水换热器连接至混合阀，所述直接水管连接至所述混合阀的一侧，同时所述混合阀的热水入口及出口以及直接水入口处分别设置有温度传感器，且排出水的温度是根据由设置于所述混合阀的所述入口及所述出口处的所述温度传感器所感测到的温度而控制的。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述蓄热箱的上部、中部及下部处设置有用于感测温度的上部温度传感器、中部温度传感器及下部温度传感器，以控制所述加热回流水的流入位置以及所述集热管的所述热媒的流入位置。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述蓄热箱的所述上部通过热辐射管而连接至热辐射器，以通过将所述蓄热箱中的所述加热水循环至外部来辐射热量，所述热辐射管的一端连接有二通阀及循环泵，同时太阳能PV模块连接至所述热辐射器，所述热辐射器由从所述太阳能PV模块供应的电源来驱动，且当由设置于所述太阳能集热器的出口处的热水温度传感器所感测到的温度高于预定温度时，所述加热水会被循环至所述热辐射器以防止过热。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述直接水管连接至设置于所述热水出口处的所述混合阀，以控制所排出的热水的温度。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述热媒补充水箱中设置有低水位传感器，以自动地补充所述热媒并产生泄漏警报。
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