CN103017239A - 一种太阳能相变蓄热供暖、供热水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能相变蓄热供暖、供热水系统，该系统主要包括太阳能集热器（1）、辅助热源（2）、太阳能循环泵（4）、相变蓄热箱（5）、板式换热器（6）、采暖循环泵（9）、供暖末端（10），它们之间用水管联通，安装阀门调节；太阳能集热器与辅助热源串联或并联；相变蓄热箱根据需要采用0~100℃以内的相变材料；当系统刚开启时，太阳能集热器热水通过板式换热器直接与采暖回水换热，当有富余热量时，可先储存在相变蓄热箱内，当太阳辐射不足时再与采暖回水换热；本发明利用太阳能集热器的多种管路、阀门组合方式，以及相变蓄热材料蓄热量大、温度稳定的蓄热特点，可以解决太阳辐射不稳定的缺点，使开启辅助热源时间缩短；节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能采暖技术，尤其是一种太阳能相变蓄热供暖、供热水系统。
背景技术
太阳能作为一种可再生的清洁能源已经受到人们的广泛关注，随着环境的持续恶化，低碳、绿色的人居环境已经成为了全球可持续发展的远景目标。根据人居环境的需要，建筑供暖是很多寒冷地区必须面对的高能耗行业。大量的能耗需求使能源使用逐年攀升，由最初的煤炭供暖到近年来的燃气、热泵供暖，无一不是在消耗着大量基础能源的前提下完成的。因此，寻求一种新的供暖方式，以节约能源、保护环境为中心，以清洁型可再生能源替代传统能源，成为现代建筑供暖的新趋势。太阳能作为世界上最丰富、最具发展潜力的能源资源——太阳能的利用技术，一直备受世界各国关注。
目前，太阳能技术已经在世界各地得到了长足的发展，但是由于太阳能的不稳定性和间歇性，在太阳辐射较强时会有剩余热量无法被有效利用，太阳辐射较弱时又不能提供足够的能量供建筑物使用。而现有的大多数太阳能蓄热供暖技术，不能用太阳能集热器直接供暖，导致在早上太阳辐射较弱、相变蓄热箱还不能供暖时要一直开启辅助热源，使太阳不能得到充分利用。而且，在太阳辐射较弱的天气，太阳能集热器出口和相变蓄热箱放热温度可能一直低于供暖温度，此时只能用辅助热源供热，而太阳能资源完全得不到利用，因此，这些技术并不利于节约能源。
本系统与之前公布的CN 101832590 A“太阳能供暖系统及其采暖和热水供应的方法”结构相似，但本系统的特点在于利用太阳能集热器使热水达到供暖温度而没有富裕热量蓄积时可直接向末端供暖和利用相变蓄热材料蓄热，从而最大可能的减少辅助热源开启时间，减小储热箱的体积，从而最大程度的利用太阳能供暖，更好的实现可再生能源的利用。另外，CN 101832590 A“太阳能供暖系统及其采暖和热水供应方法”中设备比较多，控制复杂。本系统在达到相同功能的前提下尽可能减少设备，减少投资，本系统还利用相变蓄热材料蓄热来取代水箱，减少了设备的占地面积，更方便用户使用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种以太阳能作为主要热源，太阳能集热器可直接供暖、供热水，也可与蓄能和辅助热源相结合的供暖、供热水方式，可适用于多种不同建筑的太阳能相变蓄热供暖、供热水系统。
为此，本发明采取了如下技术方案：1、太阳能相变蓄热供暖、供热水系统包括主要由太阳能集热器（1）、板式换热器（6）、供暖末端（10）组成的太阳能集热器直接供暖不蓄热循环回路Ⅰ，包括主要由太阳能集热器（1）、板式换热器（6）、相变蓄热箱（5）、供暖末端（10）组成的太阳能集热器直接供暖和蓄热循环回路Ⅱ，包括主要由太阳能集热器（1）、相变蓄热箱（5）、供暖末端（10）组成的太阳能和相变蓄热箱串联供暖循环供暖回路Ⅲ，包括主要由相变蓄热箱（5）、供暖末端（10）组成的相变蓄热箱供暖循环供暖回路Ⅳ，包括主要由辅助热源（2）、板式换热器（12）、供暖末端（10）组成的辅助热源供暖循环供暖回路Ⅴ，其特征在于：
A、所述的太阳能集热器直接供暖不蓄热循环供暖回路Ⅰ包括太阳能集热器（1）、板式换热器（6）、太阳能循环泵（11）、乙二醇定压箱（3）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10），各个部件之间用水管联通；
B、所述的太阳能集热器直接供暖加蓄热循环供暖回路Ⅱ包括太阳能集热器（1）、板式换热器（6）、太阳能循环泵（4）、太阳能循环泵（11）、乙二醇定压箱（3）、相变蓄热箱（5）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10），各个部件之间用水管联通；
C、所述的太阳能和相变蓄热箱串联供暖循环供暖回路Ⅲ包括太阳能集热器（1）、相变蓄热箱（5）、太阳能循环泵（4）、乙二醇定压箱（3）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10），各个部件之间用水管联通；
D、所述的相变蓄热箱供暖循环供暖回路Ⅳ包括相变蓄热箱（5）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10），各个部件之间用水管联通。
E、所述的辅助热源供暖循环供暖回路Ⅴ包括辅助热源（2）、辅助热源循环泵（17）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10）， 各个部件之间用水管联通；
2、根据权利要求1所述的太阳能复合式相变蓄热供暖、供热水系统，其特征在于：所述的供暖输出循环回路，供暖末端形式可以是地板辐射供暖、散热器供暖，也可以是风机盘管等形式
3、太阳能复合式相变蓄热供热水系统包括主要由太阳能集热器（1）、板式换热器（12）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的太阳能集热器直接供热水不蓄热回路Ⅵ，包括主要由太阳能集热器（1）、板式换热器（12）、相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的太阳能集热器直接供热水和蓄热回路Ⅶ，包括主要由太阳能集热器（1）、相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的太阳能和相变蓄热箱串联供热水回路Ⅷ，包括主要由相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的相变蓄热箱供热水回路Ⅸ，包括主要由辅助热源（2）、板式换热器（12）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的辅助热源供热水回路Ⅹ。
A、所述的太阳能集热器直接供热水不蓄热回路Ⅵ包括太阳能集热器（1）、太阳能循环泵（11）、乙二醇定压箱（3）、板式换热器（12）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
B、所述的太阳能集热器直接供热水和蓄热回路Ⅶ包括太阳能集热器（1）、板式换热器（12）、太阳能循环泵（11）、乙二醇定压箱（3）、相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
C、所述的太阳能和相变蓄热箱串联供热水回路Ⅷ包括太阳能集热器（1）、相变蓄热箱（13）、太阳能循环泵（4）、乙二醇定压箱（3）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
D、所述的相变蓄热箱供热水回路Ⅸ包括相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
E、所述的辅助热源供热水回路Ⅹ包括辅助热源（2）、辅助热源循环泵（17）、板式换热器（12）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
4、根据权利要求1所述的太阳能相变蓄热供暖、供热水系统和权利要求3所述的太阳能复合式相变蓄热供热水系统，其特征在于所述的辅助热源可以是水源热泵、地源热泵、锅炉或者其他形式的辅助热源，可以与太阳能集热器采取并联的形式；
5、根据权利要求1所述的太阳能相变蓄热供暖、供热水系统和权利要求3所述的太阳能复合式相变蓄热供热水系统，其特征在于：所述的相变蓄热箱（5）、相变蓄热箱（12）中的蓄热材料可以是石蜡、脂肪酸等有机物，也可以是水和盐等无机物，亦包括上述封装之后的相变蓄热材料，其相变温度在0~100℃；
6、根据权利要求1所述的太阳能相变蓄热供暖、供热水系统和权利要求3所述的太阳能复合式相变蓄热供热水系统，其特征在于：该系统不仅可用于建筑采暖，也可用于建筑供生活热水，以及两者的联合使用。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明利用蓄热材料收集太阳能，利用相变蓄热材料特殊的吸热和放热功能，在太阳辐射较强时剩余热量被储存在相变蓄热箱中，当太阳辐射较弱时利用相变蓄热箱中的热量为建筑物供暖，避免了太阳能资源的浪费，更好的利用了太阳能为建筑供暖；
（2）本发明采用相变蓄热材料进行蓄热，相变材料热密度大、蓄热器结构紧凑、体积小、热效率高、吸热放热温度恒定、易与运行系统匹配、易于控制，为用户节省空间且更方便用户使用；
（3）本发明可以利用太阳能集热器直接供暖、相变蓄热箱供暖、辅助热源与太阳能系统串联等形式减少辅助热源开启时间，提高辅助热源的效率，更好的利用能源，降低运行费用；
（4）本发明可以同时供暖、供热水，避免了传统供暖中只能供暖，不能供热水的弊端，方便用户使用；
（5）本发明适用于一般居住建筑和公共建筑，使用范围广。
附图说明
附图1太阳能复合式相变蓄热供暖、供热水系统。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
太阳能相变蓄热供暖、供热水系统，主要包括太阳能集热器（1）、辅助热源（2）、乙二醇定压箱（3）、太阳能循环泵（4）、相变蓄热箱（5）、板式换热器（6）、板式换热器（12）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）、供暖末端（10）、太阳能循环泵（11）、相变蓄热箱（13）、生活热水泵（14）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）、辅助热源循环泵（17）、控制器（18）。它们之间用水管联通，并安装阀门调节。
本发明将太阳能供暖系统与相变蓄热结合，利用相变蓄热材料特殊的吸热和放热功能，以及控制各个阀门和系统的启闭来实现供暖的目的。系统运行模式是基于温度进行转换控制，整个过程由温度通过控制器控制各个系统的开启和关闭。
假定下面的实施例子中采用的供暖供回水温度为50/40 oC。生活热水供水温度为50 oC。
实施例1：太阳能复合式相变蓄热供暖、供热水系统。系统详细构成及连接方式见附图1。该系统可以实现太阳能集热器直接供暖、供热水，避免了刚开启太阳能系统时由于要把相变蓄热箱加热到需要的供暖温度而导致辅助热源开启时间过长；可以在太阳辐射较强时将热量储存起来，在太阳辐射弱时利用相变蓄热箱中储存的热量供暖。
该系统中太阳能集热器系统通过板式换热器与采暖水、生活热水进行换热来供暖、供热水，并与相变蓄热箱组成串并联系统，当太阳辐射较强时将多余的热量储存起来，在太阳辐射弱时用相变蓄热箱供暖、供热水；与辅助热源组成并联系统，当太阳能集热器和相变蓄热箱都不能供暖、供热水时辅助热源系统供暖、供热水。
太阳能系统属于闭式系统，系统压力小，这样太阳能集热器的选型有更大的范围，也不需在采暖水中加防冻液。太阳能集热器系统要根据当地具体的气候条件、建筑面积、采暖负荷等因素确定，该系统对太阳能集热器系统没有具体的要求，可以依据现有的技术基础选型。板式换热器要根据太阳能集热器中水流量、温度和采暖供回水流量和温度进行选择。相变蓄热箱中相变蓄热材料为现有成熟产品，可为无机水和盐PCM，或石蜡类，或脂肪酸材料等。相变蓄热箱的中蓄热温度、蓄热材料和体积要根据当地的太阳辐射、采暖供回水、太阳能集热器类型和面积及经济合理等因素确定。辅助热源系统的选型要综合太阳能集热器系统、相变蓄热箱和采暖系统综合考虑。
本发明可用于一般居住建筑和公共建筑，使用范围广，对已有供暖、供热水系统的建筑也可以在原有基础上进行改造，且比较容易实施。
本发明太阳能复合式相变蓄热供暖、供热水系统的运行过程如下：
运行方式1：太阳能系统开启，太阳能集热器中热水与通过板式换热器直接供暖、供热水；蓄热系统和辅助热源系统关闭。系统供暖、供热水由太阳能系统独立承担。
运行方式2：太阳能系统开启，太阳能集热器中热水一部分通过板式换热器直接供暖、供热水，一部分向相变蓄热箱中供热，使多余的热量储存在相变蓄热箱中，辅助热源系统关闭。系统供暖、供热水由太阳能系统独立承担。
运行方式3：太阳能系统开启，太阳能集热器直接供暖、供热水系统和辅助热源系统关闭，蓄热系统开启，利用相变蓄热箱中蓄积的热量供暖、供热水，系统供暖、供热水由太阳能系统独立承担。
运行方式4：太阳能系统和辅助热源系统关闭，蓄热系统开启，利用相变蓄热箱中蓄积的热量供暖、供热水，系统供暖、供热水还是由太阳能独立承担。
运行方式5：太阳能集热器系统和蓄热系统关闭，辅助热源系统开启。系统供暖、供热水由辅助热源系统独立承担。
从不同运行方式的特点，可以得到不同天气的运行方式。
| 运行方式1 | 运行方式2 | 运行方式3 | 运行方式4 | 运行方式5 | |
| 晴天 | √ | √ | √ | √ | 根据需要 |
| 多云 | √ | √ | √ | √ | √ |
| 阴雨天 | 根据需要 | √ |
本发明太阳能复合式相变蓄热供暖、供热水系统在不同天气的控制方式是：
晴天：当太阳辐射基本能满足整天的采暖负荷时，则不需运行方式5，从早上开启太阳能系统开始，依次运行方式1、2、3、4；若太阳辐射不能满足整天的采暖负荷，从早上开启太阳能系统开始，依次运行方式1、2、3、4、5。
多云：此时太阳辐射一般不能满足整天的采暖负荷，从早上开启太阳能系统开始，依次运行方式1、2、3、4、5。
阴雨天：阴雨天太阳辐射量很少，方式2、3、4基本不能运行。在阴天太阳辐射强的时候可能可以运行方式1，但主要还是运行方式5，在雨天则只能运行方式5。
实施例1的工作和控制过程是：
1、供暖和供热水时，优先考虑使用太阳能，太阳能循环系统启停采用温度控制。当太阳能集热器（1）出口水温小于55oC时，温度传感器A向控制器（18）输入温度信号，控制器（18）发出控制命令，关闭阀门19、20、21、22、25、26、27、28、31、32，开启阀门23、24、29、30、33、34、35、36，启动辅助热源（2）、辅助热源循环泵（17）、采暖循环泵（9）、生活热水泵（14），使太阳能集热器（1）出口水温未达到55oC之前，辅助热源（2）独立运行，系统供暖、供热水由辅助热源独立承担。
2、当太阳能集热器（1）出口水温大于55oC未达到60oC之前，温度传感器A向控制器（18）输入温度信号，控制器（18）发出控制命令，太阳能循环系统开启，辅助热源系统关闭，关闭阀门19、20、21、22、27、28、33、34、35、36，开启阀门23、24、25、26、29、30、31、32，启动太阳能循环泵（11），使供暖由太阳能集热器（1）直接供暖，不向相变蓄热箱（5）中蓄热，太阳能集热器（1）直接供暖、供热水，系统供暖、供热水由太阳能系统独立承担。
3、当太阳能集热器（1）出口水温大于60oC时，温度传感器A向控制器（18）输入温度信号，控制器（18）发出控制命令，关闭阀门21、22、27、28、33、34、35、36，开启阀门19、20、23、24、25、26、29、30、31、32，开启太阳能循环泵（4）和太阳能循环泵（11），使太阳能循环系统一方面直接供暖、供热水，一方面向相变蓄热箱（5）中蓄热。此时系统供暖仍由太阳能集热器直接供暖、供热水，系统供暖、供热水由太阳能循环系统独立承担。
4、当相变蓄热箱中供暖出口水温大于50oC时，温度传感器B、C向控制器（18）输入温度信号，控制器（18）发出控制命令，关闭阀门23、24、25、26、29、30、31、32、33、34，开启阀门19、20、21、22、27、28，关闭太阳能循环泵（11）、开启太阳能循环泵（4），停止太阳能集热器（1）直接供暖、供热水，只蓄热，转为相变蓄热箱（5）供暖、供热水。此时相变蓄热供暖系统和太阳能循环系统独立运行，系统供暖由相变蓄热供暖 系统独立承担。
5、当相变蓄热箱中出口水温大于55oC时，温度传感器B、C向控制器（18）输入温度信号，控制器（18）发出控制命令，太阳能循环系统关闭，关闭阀门19、20，关闭太阳能循环泵（4），太阳能集热器（1）处于闷晒状态，防止供暖、供热水系统过热，当相变蓄热箱（5）中供暖出口水温小于45oC时，温度传感器B、C向控制器（18）输入温度信号，控制器（18）发出控制命令，开启太阳能循环泵（4），太阳能循环系统重新开启。
Claims (6)
1.太阳能相变蓄热供暖、供热水系统包括主要由太阳能集热器（1）、板式换热器（6）、供暖末端（10）组成的太阳能集热器直接供暖不蓄热循环回路Ⅰ，包括主要由太阳能集热器（1）、板式换热器（6）、相变蓄热箱（5）、供暖末端（10）组成的太阳能集热器直接供暖和蓄热循环回路Ⅱ，包括主要由太阳能集热器（1）、相变蓄热箱（5）、供暖末端（10）组成的太阳能和相变蓄热箱串联供暖循环供暖回路Ⅲ，包括主要由相变蓄热箱（5）、供暖末端（10）组成的相变蓄热箱供暖循环供暖回路Ⅳ，包括主要由辅助热源（2）、板式换热器（12）、供暖末端（10）组成的辅助热源供暖循环供暖回路Ⅴ，其特征在于：
A、所述的太阳能集热器直接供暖不蓄热循环供暖回路Ⅰ包括太阳能集热器（1）、板式换热器（6）、太阳能循环泵（11）、乙二醇定压箱（3）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10），各个部件之间用水管联通；
B、所述的太阳能集热器直接供暖加蓄热循环供暖回路Ⅱ包括太阳能集热器（1）、板式换热器（6）、太阳能循环泵（4）、太阳能循环泵（11）、乙二醇定压箱（3）、相变蓄热箱（5）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10），各个部件之间用水管联通；
C、所述的太阳能和相变蓄热箱串联供暖循环供暖回路Ⅲ包括太阳能集热器（1）、相变蓄热箱（5）、太阳能循环泵（4）、乙二醇定压箱（3）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10），各个部件之间用水管联通；
D、所述的相变蓄热箱供暖循环供暖回路Ⅳ包括相变蓄热箱（5）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10），各个部件之间用水管联通；
E、所述的辅助热源供暖循环供暖回路Ⅴ包括辅助热源（2）、辅助热源循环泵（17）、采暖供水管（7）、采暖回水管（8）、采暖循环泵（9）及供暖末端（10）， 各个部件之间用水管联通。
2.根据权利要求1所述的太阳能复合式相变蓄热供暖、供热水系统，其特征在于：所述的供暖输出循环回路，供暖末端形式可以是地板辐射供暖、散热器供暖，也可以是风机盘管等形式。
3.太阳能复合式相变蓄热供热水系统包括主要由太阳能集热器（1）、板式换热器（12）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的太阳能集热器直接供热水不蓄热回路Ⅵ，包括主要由太阳能集热器（1）、板式换热器（12）、相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的太阳能集热器直接供热水和蓄热回路Ⅶ，包括主要由太阳能集热器（1）、相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的太阳能和相变蓄热箱串联供热水回路Ⅷ，包括主要由相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的相变蓄热箱供热水回路Ⅸ，包括主要由辅助热源（2）、板式换热器（12）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）组成的辅助热源供热水回路Ⅹ；
A、所述的太阳能集热器直接供热水不蓄热回路Ⅵ包括太阳能集热器（1）、太阳能循环泵（11）、乙二醇定压箱（3）、板式换热器（12）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
B、所述的太阳能集热器直接供热水和蓄热回路Ⅶ包括太阳能集热器（1）、板式换热器（12）、太阳能循环泵（11）、乙二醇定压箱（3）、相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
C、所述的太阳能和相变蓄热箱串联供热水回路Ⅷ包括太阳能集热器（1）、相变蓄热箱（13）、太阳能循环泵（4）、乙二醇定压箱（3）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
D、所述的相变蓄热箱供热水回路Ⅸ包括相变蓄热箱（13）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14），各个部件之间用水管联通；
E、所述的辅助热源供热水回路Ⅹ包括辅助热源（2）、辅助热源循环泵（17）、板式换热器（12）、生活热水箱（15）、生活热水补水箱（16）及生活热水泵（14）， 各个部件之间用水管联通。
4.根据权利要求1所述的太阳能相变蓄热供暖、供热水系统和权利要求3所述的太阳能复合式相变蓄热供热水系统，其特征在于所述的辅助热源可以是水源热泵、地源热泵、锅炉或者其他形式的辅助热源，可以与太阳能集热器采取并联的形式。
5.根据权利要求1所述的太阳能相变蓄热供暖、供热水系统和权利要求3所述的太阳能复合式相变蓄热供热水系统，其特征在于：所述的相变蓄热箱（5）、相变蓄热箱（12）中的蓄热材料可以是石蜡、脂肪酸等有机物，也可以是水和盐等无机物，亦包括上述封装之后的相变蓄热材料，其相变温度在0~100℃。
6.根据权利要求1所述的太阳能相变蓄热供暖、供热水系统和权利要求3所述的太阳能复合式相变蓄热供热水系统，其特征在于：该系统不仅可用于建筑采暖，也可用于建筑供生活热水，以及两者的联合使用。
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