CN103196176A

CN103196176A - 太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统

Info

Publication number: CN103196176A
Application number: CN2013101400064A
Authority: CN
Inventors: 刘猛; 满宇松; 黄春雨; 刘学丽; 李子桥
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-22
Also published as: CN103196176B

Abstract

本发明公开了一种太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，太阳能集热器阵列的出水口分别通过三通阀接保温水箱和蓄热池，蓄热池出水口接联箱，联箱一路出水口接太阳能集热器阵列进水口，联箱另一路出水口接保温水箱进水口；空气源热泵与保温水箱连接。本发明热效率高，能够通过蓄热池对太阳能进行显热储备调剂，蓄热再用。能够根据太阳能的强度方便地调整供热策略，并在需要时通过空气源热泵辅助加热，整个系统使用灵活。由于空气源热泵具有灵活、高效节能等优点，所以将空气源热泵与太阳能进行结合使用供热水，可弥补太阳能的不足。本发明通过旁通管的热水可维持沼气池在适当温度，保证沼气产生稳定与高效。

Description

太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统

技术领域

本发明涉及家庭日常供热，具体涉及太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，属于供热技术领域。

背景技术

在一些农村地区，太阳能热水器使用较多。这种太阳能热水器往往是独户使用，户与户之间彼此独立，没有形成一个联合体。而且在一天的不同时段，由于太阳光照强度不同，太阳能集热器贡献的热能存在较大的差异，中午光照通常最强，但使用热水量往往较少，而到了晚上，正是大量使用热水的时候，此时光照却完全没有。因此，如何将太阳能蓄积起来在需要的时候再释放出来，这是一个需要解决的问题，否则太阳能集热器的效能难以真正地充分发挥。同时，太阳能具有间歇性和不稳定性等特点，使得太阳能的大规模应用受到制约。

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出一种热效率高、能够蓄热再用的太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，包括太阳能集热器阵列、保温水箱，其特征在于：所述太阳能集热器阵列的出水口接三通阀的第一端子，三通阀的第二端子通过管路Ⅰ接保温水箱的进水口，三通阀的第三端子通过管路Ⅱ接蓄热池的进水口，蓄热池的出水口通过管路Ⅴ接联箱，联箱的一路出水口通过管路Ⅲ接太阳能集热器阵列的进水口，联箱的另一路出水口通过管路Ⅳ接保温水箱的进水口，保温水箱的一路出水口通过管路接联箱的另一路进水口；一空气源热泵与保温水箱连接以在需要时由空气源热泵将保温水箱中的水加热；所述蓄热池包括由保温材料构成的池体，在池体内设有换热管和蓄热材料，换热管埋设于蓄热材料中，换热管的两端构成蓄热池的进水口和出水口。

进一步地，所述太阳能集热器阵列由若干太阳能集热器连接而成，太阳能集热器又由若干热管式真空管构成，热管式真空管由连通的冷凝管和蒸发管两段构成，冷凝管和蒸发管内部为真空，冷凝管直径大于蒸发管直径，在蒸发管上设有金属吸热板；所有的热管式真空管并排设置并与联集管垂直，热管式真空管的冷凝管并排安装于联集管管腔中，联集管的两端分别设有该太阳能集热器的进水口和出水口。

所述联集管外壁背面靠近进水口端设有金属加热片，联集管其余外壁上被保温层覆盖；每组太阳能集热器设有太阳能聚光碗，太阳能聚光碗朝向金属加热片用于通过金属加热片把光汇聚加热联集管。本发明把光汇聚加热区域定为未经集热器热管冷凝段加热的部分。

所述保温水箱分别通过缓冲保温水箱接用户，缓冲保温水箱与用户一一对应。

所述蓄热材料为砾石和泥浆的混合料。

所述联箱的另一路出水口与保温水箱的进水口之间设有沼气池，所述管路Ⅳ从沼气池中穿过用于对沼气原料加热，管路Ⅳ在沼气池中弯曲形成盘管，在保温水箱进水口和沼气池之间的管路Ⅳ上设有传感电子阀。系统在沼气池通往保温水箱处增加了传感电子阀，其作用是当沼气池内盘管泄漏导致沼料进入管道中时截止该通路，防止沼料污染水箱。

所述保温水箱顶部设有高压阀；在太阳能集热器阵列底部设有放空阀。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明热效率高，能够通过蓄热池对太阳能进行显热储备调剂，蓄热再用。

2、能够根据太阳能的强度方便地调整供热策略，并在需要时通过空气源热泵辅助加热，整个系统使用灵活。由于空气源热泵具有灵活、高效节能等优点，所以将空气源热泵与太阳能进行结合使用供热水，可弥补太阳能的不足。

3、本发明利用农村地区闲置土地多的优势，提出太阳能集热阵列与空气源热泵联合集中供热水系统，降低了维护工作量，提高了制热水效率，提高了村镇规整度。

4、本发明通过旁通管的热水可维持沼气池在适当温度，保证沼气产生稳定与高效。

5、通过对每户单独设置缓冲保温水箱，当阳光充足时，可以从保温水箱内放出部分达到使用要求温度的热水进入缓冲保温水箱，之后对保温水箱进行加水。这样不仅保证了不会因保温水箱内热水温度过高造成的太阳能利用率降低，而且满足了各户家庭对热水的短时需求。

本发明特别适合农村地区使用，实现户与户之间的联合供热。

附图说明

图1-本发明系统结构示意图。图中箭头表示水流走向。

图2-本发明太阳能集热块结构示意图。

具体实施方式

参见图1，从图上可以看出，本发明太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，包括太阳能集热器阵列1和保温水箱2，所述太阳能集热器阵列1的出水口接三通阀3的第一端子，三通阀的第二端子通过管路Ⅰ4接保温水箱2的进水口，三通阀的第三端子通过管路Ⅱ5接蓄热池6的进水口，蓄热池的出水口通过管路Ⅴ接联箱7，联箱7的一路出水口通过管路Ⅲ8接太阳能集热器阵列1的进水口，联箱的另一路出水口通过管路Ⅳ9接保温水箱2的进水口。保温水箱2的一路出水口通过管路接联箱的另一路进水口。一空气源热泵10与保温水箱2连接以在需要时由空气源热泵10将保温水箱2中的水加热。所述蓄热池6包括由保温材料构成的池体，在池体内设有换热管11和蓄热材料12，换热管11埋设于蓄热材料12中，换热管的两端构成蓄热池的进水口和出水口。如果是在农村，蓄热池通常在地上挖坑而形成，坑壁设置保温材料。所述蓄热材料为砾石和泥浆的混合料。

参见图2，太阳能集热器阵列由若干太阳能集热器连接而成，太阳能集热器又由若干热管式真空管构成。热管式真空管由连通的冷凝管13和蒸发管14两段构成，冷凝管和蒸发管内部为真空，冷凝管直径大于蒸发管直径，在蒸发管14上设有金属吸热板15。所有的热管式真空管并排设置并与联集管16垂直，热管式真空管的冷凝管13并排安装于联集管16管腔中，联集管16的两端分别设有该太阳能集热块的进水口17和出水口18。太阳能集热器之间的连接根据需要可以采用并联或串联结构，也可以采用混联结构。本结构的太阳能集热器热效率高。

为了更好地吸收太阳能，本发明在联集管外壁背面靠近进水口端设有金属加热片，联集管其余外壁上被保温层19覆盖；每组太阳能集热器设有与金属加热片对应的太阳能聚光碗，太阳能聚光碗朝向金属加热片用于通过金属加热片把光汇聚加热联集管。本发明把光汇聚加热区域定为未经集热器热管冷凝段加热的部分。

所述保温水箱2分别通过缓冲保温水箱20接用户，缓冲保温水箱20与用户一一对应。通往用户的缓冲保温水箱的作用是在保温水箱达到要求时释放一部分热水进入缓冲保温水箱，以保证非供热水时间（供热水时间可定位下午5点至晚11点）给少部分需要热水的居民使用。也缓解了保温水箱1满水满热后太阳能集热器效率低的问题。

保温水箱内采用直接进水且集热器进水从下部进，热泵从中部进，水箱上层连接用户取水。保温水箱2顶部设有高压阀21，以在压力过高时通过高压阀泄压。在太阳能集热器阵列1底部设有放空阀22。当冬季太阳能集热器阵列内水温很低，低于控制系统预设温度时，放空阀22开启，放空集热器阵列内水，防止结冰而冻坏集热器。

研究表明，对于同一种沼气原料，35℃条件下一个月的沼气产气量总量相当于15℃条件下十二个月的产气总量，可见温度对沼气发酵的重要性。鉴于此，本发明在联箱7的另一路出水口与保温水箱2的进水口之间设有沼气池23，所述管路Ⅳ9从沼气池23中穿过，管路Ⅳ在沼气池中弯曲形成盘管用于对沼气原料加热。为加强扰动以增加换热系数，在沼气池加装搅拌机构，同时可以防止长时间使用后换热盘管外侧的结垢。在保温水箱进水口和沼气池之间的管路Ⅳ9上设有传感电子阀24。系统在沼气池通往保温水箱处增加了传感电子阀24，其作用是当沼气池内盘管泄漏导致沼料进入管道中时截止该通路，防止沼料污染水箱。

K J Chae, Am Jang等人通过在25℃，30℃，35℃三种不同温度下进行的厌氧发酵试验得出在30℃和35℃下产气量是相近的，要比25℃下的产气量高13%-17%，并且发酵温度维持在30℃左右时，池容产气率维持在0.5-1.0m³/(m^-3d^-1)左右，一个20m³的沼气池日产气10-20 m³。而每年300-400 m³沼气便可供一个4口之家一年每日三餐炊事用燃料，每日沼气照明2h。所以对于供给对象为多户，使沼气池保持在30℃进行中温发酵，该设计完全能够与系统供热水一样满足多户供应。

若要保证沼气中温发酵工程稳定运行，保持恒定、高效的产气量，需要对沼气发酵料液的温度进行严格控制，采取适当的加热及保温措施，使发酵温度不随环境气温而变化，尤其要保证冬季的正常运行。现有沼气池加热方式主要包括电热膜加热、太阳能加热、化石能源热水锅炉加热、沼气锅炉加热、沼气发电余热利用和燃池式加热等。由于其各有局限且鉴于本供热水系统可以在冬季缺少太阳能时正常运行，通过对热水的适当旁通可以保证沼气池的正常稳定发酵。在对沼气池采取了保温措施后，即使在外界温度很低的情况下沼气池内温降也很小，因此对沼气池的加温可以采取间歇式的。

本发明对沼气池控制的几点说明：

1、当太阳能保温水箱内的水温T2 与沼气池内温度T1 差值为13℃时打开旁通阀，引导部分热水进入盘管加热沼液；当T2与T1差值小于5℃时关闭旁通阀。

2、在热水进入加热盘管前设置缓冲水箱，缓冲水箱联通自来水管。目的是防止通入热水温度过高，而温度过高易引起局部沼液温度过高降低效率；同时防止温度过高导致的外壁结壳，缓冲水箱将水温控制在30-35℃。

3、当保温水箱内温度低于40℃时关闭旁通阀、循环泵，减少低效率运行。

4、冬季沼气池温度较低时（小于25℃）且保温水箱水温低于40℃时，开启空气源热泵制热水加热沼液（仍以农村地区中午12点至下午4点启动空气源热泵为前提）。

5、沼气池的热量损失主要为进料和池壁散热，沼气池温度最低时刻应为进料时，为保证效率，应将进料时间控制在热泵工作时间（中午12点至下午4点），并在进料后开始加温。

本发明在需要控制的管路（如管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ和管路Ⅳ）上分别设有电磁阀，在太阳能集热器阵列的出水口、蓄热池、保温水箱和沼气池内分别设有检测水温的温度传感器，所有温度传感器的输出接控制单元，控制单元的输出分别接空气源热泵和所有电磁阀，由温度传感器检测出来的水温控制对应管路的通断和是否需要启动空气源热泵。

热水系统工作过程：

本发明涉及如下几路循环，根据需要可以进行自动切换：

循环1（太阳能加热水循环）：太阳能集热器阵列-三通阀-保温水箱-联箱-太阳能集热器阵列；循环1采用温差强制循环，即当太阳能集热器阵列出口水温度高于保温水箱底部某温度时（如8℃），启动循环水泵，迫使太阳能系统的水循环；

这一循环的具体工作过程是：当有阳光时，太阳能集热器蓄热加热冷水，从太阳能集热器阵列出来的热水经三通阀和管路Ⅰ进入保温水箱储存；初始进水控制在50%，当水温升高到一定程度后（未到可使用温度，仅是为了满足集热器效率而设定的上限温度如40°）再增至75%至100%（按水箱容积及热水需求量决定）。保温水箱水位采用机械式浮球阀进行自动控制，该种阀门结构简单，维修方便。另外，水位控制系统应保证空气源热泵机组启动前使保温水箱水位达到预设的高水位。

循环2（太阳能显热蓄热循环）：太阳能集热器阵列-三通阀-蓄热池-联箱-太阳能集热器阵列；当太阳能过足时（此时保温水箱1内应至少有50%达到使用要求温度的热水），关闭管路Ⅰ和管路Ⅳ，打开管路Ⅱ和管路Ⅲ，太阳能集热器阵列出来的热水通过三通阀进入蓄热池（农村地区不考虑美观、且蓄热池建造方便）进行显热蓄热，从蓄热池出来的温度降低的水流到联箱处，经管路Ⅲ回到太阳能集热器阵列。蓄热这块也是规定了时间段，比如中午12点到下午4，前提是保温水箱内水量水温满足要求。

循环3（热泵加热水循环）：保温水箱-空气源热泵-保温水箱；当太阳能不足时启动空气源热泵，即循环3工作。如果是农村地区使用，因为农村地区作息时间很规律，可以不需要像城市中24小时供热水，实际操作时热泵仅在下午3～4点开启，加热保温水箱内的水即可满足正常使用。

循环4（沼气池加热循环）：保温水箱-联箱-沼气池-传感电子阀-保温水箱（该循环允许循环1同时进行）。当保温水箱内的水温T2与沼气池内温度T1 差值为13℃时打开旁通阀，循环4启动，既沼气池控制第一条。

循环5（蓄热池放热）：当太阳能不足而蓄热池热量满足使用要求时，关闭管路Ⅰ和管路Ⅲ，从太阳能集热器阵列出来的热水依次通过三通阀、管路Ⅱ进入蓄热池，再通过联箱、沼气池和管路Ⅳ进入保温水箱供用户使用。此时视实际情况决定是否开启热泵辅助加热。

本发明保温水箱水位为自动控制方式，采用机械式浮球阀水位控制，结构简单，维修方便。水位控制系统应保证空气源热泵机组启动前使保温水箱水位达到预设的高水位。

针对不同季节设置用户热水供应温度，如夏季将热水供应温度设置在55℃，而春秋季节设定为48℃，冬季设定为43℃，这样可明显提高太阳能的效率而产更多的热水，减少空气源热泵运行时间。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，包括太阳能集热器阵列、保温水箱，其特征在于：所述太阳能集热器阵列的出水口接三通阀的第一端子，三通阀的第二端子通过管路Ⅰ接保温水箱的进水口，三通阀的第三端子通过管路Ⅱ接蓄热池的进水口，蓄热池的出水口通过管路Ⅴ接联箱，联箱的一路出水口通过管路Ⅲ接太阳能集热器阵列的进水口，联箱的另一路出水口通过管路Ⅳ接保温水箱的进水口，保温水箱的一路出水口通过管路接联箱的另一路进水口；一空气源热泵与保温水箱连接以在需要时由空气源热泵将保温水箱中的水加热；所述蓄热池包括由保温材料构成的池体，在池体内设有换热管和蓄热材料，换热管埋设于蓄热材料中，换热管的两端构成蓄热池的进水口和出水口。

2.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，其特征在于：所述太阳能集热器阵列由若干太阳能集热器连接而成，太阳能集热器又由若干热管式真空管构成，热管式真空管由连通的冷凝管和蒸发管两段构成，冷凝管和蒸发管内部为真空，冷凝管直径大于蒸发管直径，在蒸发管上设有金属吸热板；所有的热管式真空管并排设置并与联集管垂直，热管式真空管的冷凝管并排安装于联集管管腔中，联集管的两端分别设有该太阳能集热器的进水口和出水口。

3.根据权利要求2所述的太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，其特征在于：所述联集管外壁背面靠近进水口端设有金属加热片，联集管其余外壁上被保温层覆盖；每组太阳能集热器设有太阳能聚光碗，太阳能聚光碗朝向金属加热片用于通过金属加热片把光汇聚加热联集管。

4.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，其特征在于：所述保温水箱分别通过缓冲保温水箱接用户，缓冲保温水箱与用户一一对应。

5.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，其特征在于：所述蓄热材料为砾石和泥浆的混合料。

6.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，其特征在于：所述联箱的另一路出水口与保温水箱的进水口之间设有沼气池，所述管路Ⅳ从沼气池中穿过用于对沼气原料加热，在保温水箱进水口和沼气池之间的管路Ⅳ上设有传感电子阀。

7.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源热泵多户型供热水系统，其特征在于：所述保温水箱顶部设有高压阀；在太阳能集热器阵列底部设有放空阀。