CN103234232B - 一种太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置 - Google Patents

一种太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，包括太阳能集热器，保温储水箱以及采暖用热交换水箱，还设有第一热管，第二热管，保温上集水管和保温下集水管；所述保温上集水管和保温下集水管之间通过若干带有电动阀的管道连通；所述保温上集水管与采暖用热交换水箱之间通过第一热管换热；所述保温下集水管与保温储水箱之间通过第二热管换热。本发明通过热管能够将太阳能集热器吸收太阳能产生的热量快速传递到室内，使室内温度快速提升；将生活热水箱和集热器分离，可以在不便于放置大水箱的地方更方便的使用热水；系统的运行与室外空气温度的变化有效一一对应控制，系统的自动化程度较高，室内的空气环境更为舒适。

Description

一种太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能综合供热系统，特别是一种太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置。
背景技术
资源、能源和环境问题是制约我国经济和社会发展的三大考验，建筑能耗，包括建造能耗、生活使用能耗、采暖空调能耗等，是我国能源消耗中的重要组成部分，约占全社会总能耗的30%，其中最主要的采暖和空调能耗占到20%。因此，建筑节能对于节约能源、降低有害物质的排放，改善地球热环境，实现可持续发展具有非常重要的作用。目前，国家对于建筑节能和节能改造技术非常重视，相继出台了一批节能法规、政策，用以加快建筑节能实施步伐。其中充分利用太阳能，使用绿色能源，节能减排、构建节能建筑的重要组成部分。
目前大多采用利用太阳能加热供暖用水技术，即通过管道的铺设，将供暖用水输送到地暖管内循环流动，加热地面混凝土覆盖层，通过地面以辐射和对流的传热方式向室内供热的供暖方式，是对房间热微气候进行调节的节能供暖系统。公告号为CN101586827A的中国专利文献公开了一种太阳能地面供暖系统，包括太阳能集热器、温度传感器、中央控制器、混水装置，太阳能集热器的两端通过太阳能供水管、太阳能回水管分别与储热水箱连接，在太阳能供水管上装有太阳能循环水泵并与储热水箱连接，在储热水箱上装有温度传感器，温度传感器通过控制线和中央控制器连接，在辅助热源上通过供暖主回水管和供暖主供水管和混水装置连接，在供暖主回水管上装有辅助热源电动二通阀、供暖循环水泵，在中央控制器上通过控制线与辅助热源、温度传感器、辅助热源电动二通阀、储热水箱电动二通阀、供暖循环水泵、混水装置、地面供暖系统相连。该专利中，热水箱与太阳能集热器连通，形成一个水循环系统，这样当集热器与水箱的距离较大时，中间热损失相对较大，降低了热效率。
公告号为CN102661615A的中国专利文献公开了一种住宅太阳能水暖一体综合供热系统，包括真空管太阳能集热器，与太阳能集热器连通的集热器进水管和集热器出水管，设在楼内的贮热管道，设在贮热管道上的换热器，以及与换热器连通的生活热水管和热水使用终端，所述集热器出水管与贮热管道直接连通、成为贮热管道的一部分，贮热管道又通过设有切换阀门的连接水管与所述集热器进水管连通；所述集热器进水管和贮热管道通过供暖管道与设在室内的低温辐射供暖分集水器连接成一循环水路；所述真空管太阳能集热器还通过集热器进水管和贮热管道与市政供暖热水管道连接成一循环水路。该专利中，集热器主要是集中放置于屋面，贮热管道内水通过贮热管道内部的盘管换热，这样贮热管道内部嵌套有盘管，管径较大，对建筑的面积使用率可能会产生一定影响。
发明内容
本发明提供一种太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，要解决传统的太阳能综合供热系统，太阳能集热器与水箱高效率远距离换热的技术问题。
一种太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，包括太阳能集热器，生活用保温储水箱以及采暖用热交换水箱，还设有第一热管，第二热管，保温上集水管和保温下集水管；
所述保温上集水管和保温下集水管之间通过带有电动阀的管道连通；
所述保温上集水管与采暖用热交换水箱之间通过第一热管换热；
所述保温下集水管与生活用保温储水箱之间通过第二热管换热。
通过太阳能集热器加热保温下集水管，因保温上集水管和保温下集水管之间设有管道连通，通过水的流通循环，保温上集水管内的水的温度也同时上升，通过第一热管汲取保温上集水管中的热量，输送到采暖用热交换水箱，再通过低温地板辐射向室内供热；
通过第二热管汲取保温下集水管中的热量，输送到生活用保温储水箱，加热生活用保温储水箱内的水。
热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外。
由于热管具有高效导热的特性，可以将通过太阳能集热器加热的保温上集水管中的热量通过热管快速传递到采暖用热交换水箱，再通过低温地板辐射供热，使室内温度快速提升。
所述生活用保温储水箱上设有热水出水管、自来水进水管、排气管和电子液位计。
为了通过测试室外温度来控制所述电动阀的开关，还设有用于采集室外温度的温度传感器，该温度传感器用于向所述电动阀提供控制信号。
为了减少冬季和夏季保温上集水管和保温下集水管之间水压波动，使整个系统运行更稳定，所述的保温上集水管和保温下集水管上分别设有缓冲罐。
为了减少储水装置与空气的热交换，所述的保温上集水管、保温下集水管、生活用保温储水箱和采暖用热交换水箱的外部分别设有保温层。
为了区分冬季与夏季系统，所述保温上集水管和保温下集水管之间通过两条管道形成循环回路，这两条管道上均设有所述的电动阀。
所述的第一热管包括蒸发段、冷凝段以及并联在蒸发段、冷凝段之间的若干热交换支路，所述蒸发段、冷凝段分别穿套在保温上集水管和采暖用热交换水箱上。
所述的第二热管包括蒸发段、冷凝段以及并联在蒸发段、冷凝段之间的若干热交换支路，所述蒸发段、冷凝段分别穿套在保温下集水管和生活用保温储水箱上。
所述的太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置有两个工况：
1）当外界温度≥20℃时：当温度传感器测得室外空气温度≥20℃时，温度传感器电信号关闭电动阀，保温上集水管和保温下集水管连接关断，太阳能集热器吸收热量仅使保温下集水管水温升高，通过第二热管对生活用保温储水箱内的生活用水进行加热。
2）当外界温度≤20℃时：当温度传感器测得室外空气温度≤20℃时，温度传感器电信号开启电动阀，保温上集水管和保温下集水管连通。太阳能集热器吸收太阳能热量使保温下集水管水温升高，保温上集水管和保温下集水管通过之间的管道进行水循环，保温上集水管温度升高，通过第一热管蒸发端从所处的上集水管吸收热量，交换至采暖用热交换水箱，通过低温地板辐射供室内采暖，同时通过第二热管汲取保温下集水管中的热量，输送到生活用保温储水箱，加热保温储水箱内的生活用水。
本发明的有益效果：通过热管能够将太阳能集热器吸收太阳能产生的热量快速传递到室内，使室内温度快速提升；几乎没有热损失的情况下可以将生活热水箱和太阳能集热器较远距离分离，可以将采暖换热器与热源较远距离分离，可以在不便于放置大水箱的地方更方便的使用热水；系统的运行与室外空气温度的变化有效一一对应控制，系统的自动化程度较高，室内的空气环境更为舒适。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括太阳能集热器6、生活用保温储水箱7、保温下集水管4、第二热管5、保温上集水管3，采暖用热交换水箱1、第一热管2，地板辐射供热盘管16、电动阀10、电动阀11、温度传感器15、缓冲罐8、缓冲罐9、热水出水管12、自来水进水管13、排气管14和电子液位计。
保温上集水管3和保温下集水管4之间通过两条管道形成循环回路，这两条管道分别设有电动阀10和电动阀11。
当两个电动阀打开时，通过太阳能集热器6加热保温下集水管4，因保温上集水管3和保温下集水管4之间设有管道连通，太阳能集热器6为太阳能真空管或太阳能平板集热器，可以将太阳能转化成热能，加热保温下集水管4中的水，使水温升高，密度减小，热水向上运动，而比重大的保温上集水管3内的冷水下降，水流循环，使保温上集水管3内水温同时升高。
当两个电动阀关闭时，保温上集水管3和保温下集水管4之间水流没有进行循环流动，太阳能集热器6仅加热保温下集水管4中的水。
保温上集水管3与采暖用热交换水箱1之间通过第一热管2换热，第一热管2汲取保温上集水管3中的热量，输送到采暖用热交换水箱1，再通过低温地析辐射向室内的地板辐射供热盘管16供热。
保温下集水管4与生活用保温储水箱7之间通过第二热管5换热，通过第二热管5汲取保温下集水管4中的热量，输送到生活用保温储水箱7，加热生活用保温储水箱7内的水。
热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外。
由于热管的快速导热的特性，可以将通过太阳能集热器加热的保温上集水管3中的热量通过热管快速传递到采暖用热交换水箱1，使室内温度快速提升。
热管内充注的工质可以选用无水乙醇、甲醇、蒸馏水、乙二醇或者丙酮。
保温上集水管3和保温下集水管4分别设有缓冲罐8和缓冲罐9，构成系统稳压模块，其作用是缓冲系统的压力波动，使系统工作更平稳。
为了通过测试室外温度来控制所述电动阀的开关，还设有用于采集室外温度的温度传感器15，该温度传感器15用于向电动阀提供控制信号，温度传感器15与电动阀10和电动阀11构成温度自动控制系统，用于检测室外温度，通过温度传感器控制保温上集水管3与保温下集水管4的连通还是隔断，起到切换工况的作用。
排气管14与电子液位计更便于生活用保温储水箱7的使用，其中排气管14使生活用保温储水箱7箱内与箱外压力平衡，电子液位计使用户可以随时查看水箱内水位高低。
第一热管2包括蒸发段、冷凝段以及并联在蒸发段、冷凝段之间的若干热交换支路，蒸发段、冷凝段分别穿套在保温上集水管和采暖用热交换水箱1上。
第二热管5包括蒸发段、冷凝段以及并联在蒸发段、冷凝段之间的若干热交换支路，蒸发段、冷凝段分别穿套在保温下集水管4和生活用保温储水箱1上。
太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置有两个工况：
1）当外界温度≥20℃时：当温度传感器15测得室外空气温度≥20℃时，温度传感器15发出电信号，控制关闭两个电动阀，阻断保温上集水管3和保温下集水管4之间的连通，太阳能集热器6吸收热量仅使保温下集水管水温4升高，通过第二热管5对生活用保温储水箱7内的生活用水进行加热。
2）当外界温度≤20℃时：当温度传感器15测得室外空气温度≤20℃时，温度传感器15发出电信号，控制打开两个电动阀，保温上集水管3和保温下集水管4连通。太阳能集热器6吸收太阳能热量使保温下集水管4水温升高，保温上集水管3和保温下集水管4通过之间的管道进行水循环，保温上集水管3温度升高，第一热管2蒸发端从所处的保温上集水管3吸收热量，交换至采暖用热交换水箱1。同时通过第二热管5汲取保温下集水管4中的热量，输送到生活用保温储水箱7，加热生活用保温储水箱7内的生活用水。
节能效果分析：
以杭州地区为例：
设某住户居住面积(采暖面积)100m2,常住人数为3人，太阳能系统主要提供地板辐射采暖和生活热水。
杭州的日照属中国二类地区，全年365天中，晴天占70％，阴雨天气为30％，太阳能保证率设计为55％，太阳辐照量为4068.653MJ／(m2·a)，年日照小时数1819.9h。
考虑冬季采取要求，将太阳能集热器6安装倾角设为48°,此时冬季得热量最多，且集热器表面所获太阳辐射量在全年都较稳定，符合实际使用特点。
夏季（外界温度≥20℃）测算：
假设该户在安装太阳能集热系统前，夏季采用电热水器提供洗浴用水。
根据《建筑给水排水设计规范》，用水量按每人次淋浴热水量40L考虑，取杭州地区常年冷水供水平均水温10℃，淋浴热水温度40℃考虑，平均每人每次淋浴耗能:
Q1=40L×(40℃-10℃)×(4.19×103J/kg·℃)=5028000J
按每度电能热功当量3617000J/kWh计算，考虑热水器加热效率0.9，每人次淋浴用电量:
W1=5028000/(3617000×0.90)=1.544kWh
按每人每月淋浴25次、每户3人，该户住宅夏季洗浴用电：
Wt1=3人×25次×3月×1.544kWh/人·次=347.4kWh。
若改为太阳能热水系统，则热水部分无耗电Wt2=0kWh。
则整个夏季实际节电：
△W1=Wt1-Wt2=347.4kWh
按杭州市日照情况设计，太阳能集热面积计算如下：
F=L·C·ΔT/H·η·K1·K2
式中：
H：太阳辐射量,杭州市为4068.653MJ/(m2·a)；
F：太阳能热水器集热面积；
η：热水器日平均效率，一般为0.5；
K1：容积系数，取1.0；
K2：系统热损系数，取0.8；
L：产水量(三口之家按300L/d计算)；
C：工质比热容，4.19KJ/kg·℃；
ΔT：冷热水温差，按夏天淋浴用水量最大时计算，热水40℃，冷水25℃，温差15℃。
根据以上计算，该户需太阳能集热器面积约为Ac=3m2。
冬季（外界温度≤20℃时）测算：
以室内散热为地板辐射采暖系统来说，它的供水温度一般≤60℃，系统供回水温差不宜超过10℃,而对于太阳能地板辐射采暖系统而言，供水温度应选35-50℃，且系统的工作压力应≤0.8MPa（DBJ/T01-49-2000.低温热水地板辐射供暖应用技术规程．北京：电子出版社，2000）。这里假设系统设计供回水温度分别为40℃、30℃，供回水温差为10℃。
考虑到杭州气候条件、住房墙体结构及太阳辐射等，估算冬季室内采暖热负荷为50W/m2,则该住户的室内热负荷：
P2=50×100=5kW
假设该户在安装太阳能集热辐射供暖前，冬季采用热泵空调维持室温。
假定该住户采用一级能效（能效比3.4）的空调产品，每天空调使用10小时，则空调耗电量最少为：
W3=5×10/(1+3.4)=11.36kWh/d
冬季采暖耗电量为：
Wt3=11.36×90/1000=1022.7kWh
热水循环流量为：
G2=5/(4.19×10)=0.12kg/s≈0.12L/s
若改为太阳能辐射供暖，假定完全满足供暖要求，此时系统耗电为集热水泵耗电及供暖水泵耗电之和：
设住户太阳能集热水箱设在屋顶，则估算热水回路总阻力损失为12m，则热水水泵实际耗功：
P3=0.12×12×1×9.81=14.1W
集热水泵耗功依然是4.71kW,根据实际情况，每天运行10小时，则冬季太阳能系统总耗功：
Wt4=（4.71+14.1）×10×90/1000=16.9kWh
整个供暖季实际节电：
△W2=Wt3-Wt4=344kWh=1005.8kWh。
综上所述，本发明可以收集太阳能热量传至室内，降低冬季室内热负荷的同时可以提供生活热水，减少供应热水和采暖所需消耗的能源；通过热管能够将太阳能集热器吸收太阳能产生的热量快速传递到室内，使室内温度快速提升；系统的运行与室外空气温度的变化有效一一对应控制，系统的自动化程度较高，室内的空气环境更为舒适。

Claims (6)

1.一种太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，包括太阳能集热器(6)，生活用保温储水箱(7)以及采暖用热交换水箱(1)，其特征在于，还设有第一热管(2)，第二热管(5)，保温上集水管(3)和保温下集水管(4)；
所述保温上集水管(3)和保温下集水管(4)之间通过带有电动阀(10、11)的管道连通；
所述保温上集水管(3)与采暖用热交换水箱(1)之间通过第一热管(2)换热；
所述保温下集水管(4)与生活用保温储水箱(7)之间通过第二热管(5)换热；
还设有用于采集室外温度的温度传感器(15)，该温度传感器(15)用于向所述电动阀(10、11)提供控制信号；
所述保温上集水管(3)和保温下集水管(4)之间通过两条管道形成循环回路，这两条管道上均设有所述的电动阀。
2.如权利要求1所述的太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，其特征在于，所述生活用保温储水箱(7)上设有热水出水管(12)、自来水进水管(13)、排气管(14)和电子液位计。
3.如权利要求1所述的太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，其特征在于，所述的保温上集水管(3)和保温下集水管(4)上分别设有缓冲罐(8、9)。
4.如权利要求1所述的太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，其特征在于，所述的采暖用热交换水箱(1)、保温上集水管(3)、保温下集水管(4)和生活用保温储水箱(7)的外部分别设有保温层。
5.如权利要求1所述的太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，其特征在于，所述的第一热管(2)包括蒸发段、冷凝段以及并联在蒸发段、冷凝段之间的若干热交换支路，所述蒸发段、冷凝段分别穿套在保温上集水管(3)和采暖用热交换水箱(1)上。
6.如权利要求1所述的太阳能驱动的热管式建筑热水及采暖装置，其特征在于，所述的第二热管(5)包括蒸发段、冷凝段以及并联在蒸发段、冷凝段之间的若干热交换支路，所述蒸发段、冷凝段分别穿套在保温下集水管(4)和生活用保温储水箱(7)上。
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