CN103925635A - 一种全天候太阳能供能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于暖通空调技术应用领域，涉及室内热舒适度调节和系统节能过程，特别涉及一种全天候太阳能供能系统，该系统由太阳能集热单元、辅助热源、相变蓄热单元、生活热水罐、吸收式制冷机、固体调湿装置以及毛细管空调末端组成；所述其他辅助设备包括太阳能集热循环泵、辅助热源循环泵、蓄热循环泵、生活热水罐加热泵、吸收式制冷机热水循环泵、吸收式制冷机冷水循环泵、固体调湿装置热水循环泵、毛细管空调末端循环泵，电动三通调节阀、电动两通阀、电动两通阀、电动两通阀及电动两通阀等。它充分利用太阳能资源，实现节能和提高室内环境热舒适度的功能。

Description

一种全天候太阳能供能系统
技术领域
本发明属于暖通空调技术应用领域，涉及室内热舒适度调节和系统节能过程，特别涉及一种全天候太阳能供能系统。
背景技术
能源短缺和环境污染是二十一世纪人类面临的首要问题，在各领域大力发展节能减排技术、寻求清洁可再生能源替代日渐枯竭的传统化石能源被认为是未来社会发展的唯一出路，也是国家中长期科学和技术发展规划纲要中重点发展的技术方向之一。这包含了两层含义，一是发展传统能源的节能技术和系统，二是寻找新能源和充分利用可再生能源。建筑能耗是整个社会能耗环节的重要组成部分，而以采暖空调为代表的能耗又占建筑总能耗的50％左右。采暖设备每年不仅消耗大量的煤炭、天然气、燃油等化石能源，而且会产生严重的环境污染和碳排放集中超标问题。发展建筑节能技术对减少整个社会的能源消耗并降低碳排放和缓解环境污染压力至关重要。发展建筑节能的手段同样从两方面入手，一是发展减少能源的消耗(如墙体保温、玻璃隔热、合理建筑结构等)的方法，二是使用可再生能源而减少对传统化石能源的消耗(如太阳能利用、地源热泵、水源热泵、空气源热泵等)。
我国北方地区太阳能辐射分布非常丰富。以西安为例，西安在热工分区中处于寒冷地区的南端，最冷月平均温度0～－10℃，采暖期有四个月，采暖所消耗的能耗占整个建筑能耗的50％。供暖期间的日平均总辐射量可达5～10MJ/m2，太阳能具有重要的利用价值。然而太阳能是一种不稳定的能源，在使用中受季节、气象、地域等因素影响较大，尤其是夜晚，无法提供充足和持续的能量供应。目前太阳能规模化热利用的最大障碍是太阳能的获取受制于气候因素，且不能全天候稳定供热。太阳能蓄热技术利用蓄热材料的相变蓄热，可以有效的减小蓄积能量所需的容积，可以实现太阳能的充分和持续稳定利用，是解决这一问题的良好途径。
毛细管网辐射制冷技术已经在高档住宅和公共建筑中逐步得到了应用，并即将成为夏季供冷的重要方式和发展的方向之一，低温毛细管辐射采暖技术借鉴辐射供冷技术和地板采暖技术，以明敷或暗敷的塑胶材料毛细管网为辐射末端装置，依靠毛细管网提供较大的辐射换热面积和均匀的壁面温度，达到无吹风感的舒适采暖效果。毛细管网的另一个显著特点是管道中介质流速低，进出口的换热温差较小，一般只有2～4℃，按照我国采暖设计标准，冬季室内供暖设计温度为18～20℃，因此，毛细管网内供暖介质的温度可以在30～35℃之间，供冷介质可以在18～21℃之间，大大降低了对空调对供暖和供冷介质的温度要求，为低品位能源的利用提供了可行性。
申请号为201010509782.3的中国专利公开了一种利用太阳能的毛细管网热泵系统，适用于中央空调系统，该系统在冬季气候环境恶劣时利用热泵系统提高水的温度(28～32℃)输送至毛细管网系统，该系统容易受气候的影响，热泵机组在北方环境温度更低的地区其效率会受到影响。申请号为201010611919.6的中国专利公开了一种太阳能、热泵与毛细管网复合热水采暖制冷装置，该装置采用储热水箱来储存太阳能的能量，在水箱温度不足时，利用水源热泵来提升水箱的温度，这种装置对于太阳能的储存属于显热存储，储热水箱的体积较大，会导致系统庞大，不宜有效推广。申请号为201110190676.8的中国专利公开了一种利用毛细管网和相变蓄热材料的室内地热采暖结构，该结构将相变蓄热材料和毛细管网设备铺设在用户地板下，这种结构将相变蓄热材料铺设在用户地板下所带来的潜在危害是蓄热材料的热胀冷缩对用户地板的破坏以及带来的维修不便。在申请号为201120081136.1的中国专利、申请号为201110160980.8的中国专利专利以及申请号为201010509781.9的中国专利中都提出了地源热泵或者水源热泵系统与太阳能、毛细管网系统配合的供暖方式，这种结构方式虽然也利用了太阳能，但在夜晚时间段仍然必须开启热泵来补充能量，而且系统比较复杂。申请号为200920350744.0的中国专利公布了一种基于溶液除湿的新型地源热泵毛细管顶板空调系统，该系统直接利用地源热泵为热源，没有使用太阳能这种清洁能源。
有效的利用太阳能这种清洁能源，增加室内环境的热舒适度，必须全面考虑太阳能的全天候使用和能源的连续供应，以及保证室内热舒适度冬、夏季高效利用的方法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种采用太阳能蓄热、吸收式制冷、固体调湿及毛细管网辐射的全天候太阳能供能系统。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括由太阳能集热单元、相变蓄热单元、生活热水罐、吸收式制冷机、固体调湿装置以及毛细管空调末端，并由管道和相对应的控制阀门相连组成夏季热源供应系统和冬季热源供应系统；
夏季热源供应系统的连接方式为：
太阳能集热单元与用于存贮和释放热量的相变蓄热单元相连，相变蓄热单元将热量分两路送出，一路连通到生活热水罐的入口上，另一路连通到吸收式制冷机的热源入口上；吸收式制冷机的冷冻水出口分为两路，一路与毛细管空调末端的入口相连，另一路将冷冻水送入固体调湿装置第一入口；
冬季热源供应系统的连接方式为：
太阳能集热单元与相变蓄热单元相连进行蓄热，相变蓄热单元将热量分三路送出，第一路连通到生活热水罐的入口上，第二路连通到毛细管空调末端的入口上，第三路与固体调湿装置的第二入口相连通，实现加湿。
所述的夏季热源供应系统，吸收式制冷机的冷却水出口与固体调湿装置的第二入口相连，实现除湿再生。
所述的相变蓄热单元的入口处还连接有在相变蓄热单元的热恋不能满足系统用量时的辅助热源。
所述的太阳能集热单元和辅助热源与相变蓄热单元之间的回路上均设置有为各自循环回路提供动力的太阳能集热循环泵和辅助热源循环泵。
所述的太阳能集热单元安装于屋面上，太阳能集热器采用平板式、热管式或者玻璃真空管式的太阳能集热器；辅助热源安装于机房内，辅助热源采用锅炉或燃气壁挂炉。
所述的相变蓄热单元的出口处设置有为供热循环提供动力的蓄热循环泵；生活热水罐的入口、吸收式制冷机的热源入口以及毛细管空调末端的入口分别设置有为各自循环提供动力的生活热水罐加热泵、吸收式制冷机热水循环泵以及毛细管空调末端循环泵；吸收式制冷机的冷冻水出口处设置有为冷冻水循环提供动力的吸收式制冷机冷水循环泵，固体调湿装置的第二入口处设置有固体调湿装置热水循环泵。
所述的相变蓄热单元安装于机房内，相变蓄热单元内设置有蓄热管和取热管，蓄热管和取热管采用交错排列的方式均布在相变蓄热单元中；生活热水罐安装于机房内，采用容积式热交换器。
所述的吸收式制冷机安装于机房内，采用溴化锂单效热水吸收式制冷机；其热源是由太阳能集热单元或辅助热源提供的70～85℃低温热水，制备16～20℃的高温冷冻水，冷却水水温为30～35℃，一部分回收作为固体调湿装置再生利用，一部分排至室外。
所述的固体调湿装置安装于机房内，采用固态二氧化硅作为调湿介质；固体调湿装置内置空气过滤器、风机及自动控制器，通过风管与空调房间连接，将处理过的空气送入空调房间。
所述的毛细管空调末端布置在空调房间的屋顶或墙壁内侧，毛细管的内径为2～4mm，冬季采用30～35℃低温热水辐射供暖，夏季采用16～20℃的高温冷水辐射供冷。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用现有成熟的太阳能热利用技术，在现有太阳能集热器温度下，利用相变蓄热技术、吸收式制冷技术、固体调湿技术以及毛细管网低温辐射特性实现低品位能源的梯级利用和能量的二次分配，提高热量的利用效率。该系统首先，通过蓄热技术对太阳能进行充分利用和储存，有效地利用太阳能这种可再生清洁能源，获得稳定的热源供应；第二，冬季通过毛细管网实现低温热水采暖；第三，夏季通过吸收式制冷机为末端提供高温冷水，一方面通过毛细管网实现高温冷水供冷，另一方面，通过固体调湿装置，调节室内湿度，实现湿度调节。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
其中，1为太阳能集热单元；2为辅助热源；3为相变蓄热单元；4为生活热水罐；5为吸收式制冷机；6为固体调湿装置；7为毛细管空调末端；8为太阳能集热循环泵；9为辅助热源循环泵；10为蓄热循环泵；11为生活热水罐加热泵；12为吸收式制冷机热水循环泵；13为吸收式制冷机冷水循环泵；14为固体调湿装置热水循环泵；15为毛细管空调末端循环泵；16为电动三通调节阀；17为第一电动两通阀；18为第二电动两通阀；19为第三电动两通阀；20为第四电动两通阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括由太阳能集热单元1、相变蓄热单元3、生活热水罐4、吸收式制冷机5、固体调湿装置6以及毛细管空调末端7，并由管道和相对应的控制阀门相连组成夏季热源供应系统和冬季热源供应系统；
太阳能集热单元1安装于屋面上，太阳能集热器采用平板式、热管式或者玻璃真空管式的太阳能集热器；辅助热源2安装于机房内，辅助热源采用锅炉或燃气壁挂炉。
相变蓄热单元3的入口处连接有在相变蓄热单元3的热恋不能满足系统用量时的辅助热源2。太阳能集热单元1和辅助热源2与相变蓄热单元3之间的回路上均设置有为各自循环回路提供动力的太阳能集热循环泵8和辅助热源循环泵9。
相变蓄热单元3的出口处设置有为供热循环提供动力的蓄热循环泵10；生活热水罐4的入口、吸收式制冷机5的热源入口以及毛细管空调末端7的入口分别设置有为各自循环提供动力的生活热水罐加热泵11、吸收式制冷机热水循环泵12以及毛细管空调末端循环泵15；吸收式制冷机5的冷冻水出口处设置有为冷冻水循环提供动力的吸收式制冷机冷水循环泵13，固体调湿装置6的第二入口处设置有固体调湿装置热水循环泵14。相变蓄热单元3安装于机房内，相变蓄热单元内设置有蓄热管和取热管，蓄热管和取热管采用交错排列的方式均布在相变蓄热单元3中；生活热水罐4安装于机房内，采用容积式热交换器。
吸收式制冷机5安装于机房内，采用溴化锂单效热水吸收式制冷机；其热源是由太阳能集热单元1或辅助热源2提供的70～85℃低温热水，制备16～20℃的高温冷冻水，冷却水水温为30～35℃，一部分回收作为固体调湿装置再生利用，一部分排至室外。
固体调湿装置6安装于机房内，采用固态二氧化硅作为调湿介质；固体调湿装置6内置空气过滤器、风机及自动控制器，通过风管与空调房间连接，将处理过的空气送入空调房间。
毛细管空调末端7布置在空调房间的屋顶或墙壁内侧，毛细管的内径为2～4mm，冬季采用30～35℃低温热水辐射供暖，夏季采用16～20℃的高温冷水辐射供冷。
另外，本发明还设有用于调节切换夏季热源供应系统和冬季热源供应系统的其他辅助设备，包括电动三通调节阀16、第一电动两通阀17、第二电动两通阀18、第三电动两通阀19及第四电动两通阀20等。均布置在机房内，并通过管道相连。其中，第一电动两通阀17和第二电动两通阀18汇合后，连接到电动三通阀16的一端，电动三通阀16的另一端与毛细管空调末端循环泵15相连通，电动三通阀16的第三个接口与毛细管空调末端7循环回管相连通。
具体的连接方式：
1)夏季热源供应系统：
太阳能集热单元1与用于存贮和释放热量的相变蓄热单元3相连，相变蓄热单元3将热量分两路送出，一路连通到生活热水罐4的入口上，另一路连通到吸收式制冷机5的热源入口上；吸收式制冷机5的冷冻水出口分为两路，一路与毛细管空调末端7的入口相连，另一路将冷冻水送入固体调湿装置6第一入口；吸收式制冷机5的冷却水出口与固体调湿装置6的第二入口相连，实现除湿再生。
2)冬季热源供应系统：
太阳能集热单元1与相变蓄热单元3相连进行蓄热，相变蓄热单元3将热量分三路送出，第一路连通到生活热水罐4的入口上，第二路连通到毛细管空调末端7的入口上，第三路与固体调湿装置6的第二入口相连通，实现加湿。
本发明的原理为：
夏季，通过太阳能集热，蓄热，实现生活热水和吸收式制冷的热源供应。具体的流程是：太阳能集热单元1出口的热水经太阳能集热循环泵8送入相变蓄热单元3，实现蓄热，通过蓄热循环泵10将存贮的热量分两路送出：一路经由生活热水罐加热泵11加热生活热水罐4；另一路经由吸收式制冷机热水循环泵12为吸收式制冷机5提供热源。由吸收式制冷机5制备的冷冻水由吸收式制冷机热水循环泵12分两路送出：一路经由电动两通阀18、电动三通调节阀16、毛细管空调末端循环泵15为毛细管空调末端7提供冷水；另一路送入固体调湿装置6。由吸收式制冷机5排放的冷却水可回收利用，经由电动两通阀19、固体调湿装置热水循环泵14进入固体调湿装置6，实现除湿再生。在夏季制冷时，关闭第一电动两通阀17，开启第二电动两通阀18，开启第三电动两通阀19，关闭第四电动两通阀20。当相变蓄热单元3的热量不能满足系统用量时，通过辅助热源2为相变蓄热单元3蓄热。
冬季，通过太阳能集热，蓄热，实现生活热水和供暖的热源供应。具体的流程是：太阳能集热单元1出口的热水经太阳能集热循环泵8送入相变蓄热单元3，实现蓄热，通过蓄热循环泵10将存贮的热量分三路送出：一路经由生活热水罐加热泵11加热生活热水罐4；第二路经由电动两通阀17、电动三通调节阀16、毛细管空调末端循环泵15为毛细管空调末端7提供热水；第三路经由电动两通阀20、固体调湿装置热水循环泵14进入固体调湿装置6，实现加湿。在夏季制冷时，开启第一电动两通阀17，关闭第二电动两通阀18，关闭第三电动两通阀19，开启第四电动两通阀20。当相变蓄热单元3的热量不能满足系统用量时，通过辅助热源2为相变蓄热单元3蓄热。
本发明的优点：
本发明针对全天候有效利用太阳能这种清洁能源，从太阳能的存贮，夏季的吸收式制冷和固体调湿以及末端低品位能源的高效使用几个环节来进行设计。充分考虑到太阳能全年的使用，尤其是，夏季过剩热量有效利用，以及毛细管网低温辐射供冷、供暖对冷热源温度的要求不高的优势，利用太阳能集热单元采集热量，通过相变蓄热单元进行存贮以及供热，并通过阀门以及相应循环泵的配合工作，最终全面合理的使用太阳能资源，实现节能和提高室内环境热舒适度的功能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种全天候太阳能供能系统，其特征在于：包括由太阳能集热单元(1)、相变蓄热单元(3)、生活热水罐(4)、吸收式制冷机(5)、固体调湿装置(6)以及毛细管空调末端(7)，并由管道和相对应的控制阀门相连组成夏季热源供应系统和冬季热源供应系统；
夏季热源供应系统的连接方式为：
太阳能集热单元(1)与用于存贮和释放热量的相变蓄热单元(3)相连，相变蓄热单元(3)将热量分两路送出，一路连通到生活热水罐(4)的入口上，另一路连通到吸收式制冷机(5)的热源入口上；吸收式制冷机(5)的冷冻水出口分为两路，一路与毛细管空调末端(7)的入口相连，另一路将冷冻水送入固体调湿装置(6)第一入口；
冬季热源供应系统的连接方式为：
太阳能集热单元(1)与相变蓄热单元(3)相连进行蓄热，相变蓄热单元(3)将热量分三路送出，第一路连通到生活热水罐(4)的入口上，第二路连通到毛细管空调末端(7)的入口上，第三路与固体调湿装置(6)的第二入口相连通，实现加湿。
2.根据权利要求1所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的夏季热源供应系统，吸收式制冷机(5)的冷却水出口与固体调湿装置(6)的第二入口相连，实现除湿再生。
3.根据权利要求1所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的相变蓄热单元(3)的入口处还连接有在相变蓄热单元(3)的热恋不能满足系统用量时的辅助热源(2)。
4.根据权利要求3所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的太阳能集热单元(1)和辅助热源(2)与相变蓄热单元(3)之间的回路上均设置有为各自循环回路提供动力的太阳能集热循环泵(8)和辅助热源循环泵(9)。
5.根据权利要求2或4所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的太阳能集热单元(1)安装于屋面上，太阳能集热器采用平板式、热管式或者玻璃真空管式的太阳能集热器；辅助热源(2)安装于机房内，辅助热源采用锅炉或燃气壁挂炉。
6.根据权利要求1、2或3所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的相变蓄热单元(3)的出口处设置有为供热循环提供动力的蓄热循环泵(10)；生活热水罐(4)的入口、吸收式制冷机(5)的热源入口以及毛细管空调末端(7)的入口分别设置有为各自循环提供动力的生活热水罐加热泵(11)、吸收式制冷机热水循环泵(12)以及毛细管空调末端循环泵(15)；吸收式制冷机(5)的冷冻水出口处设置有为冷冻水循环提供动力的吸收式制冷机冷水循环泵(13)，固体调湿装置(6)的第二入口处设置有固体调湿装置热水循环泵(14)。
7.根据权利要求6所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的相变蓄热单元(3)安装于机房内，相变蓄热单元内设置有蓄热管和取热管，蓄热管和取热管采用交错排列的方式均布在相变蓄热单元(3)中；生活热水罐(4)安装于机房内，采用容积式热交换器。
8.根据权利要求1或2所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的吸收式制冷机(5)安装于机房内，采用溴化锂单效热水吸收式制冷机；其热源是由太阳能集热单元(1)或辅助热源(2)提供的70～85℃低温热水，制备16～20℃的高温冷冻水，冷却水水温为30～35℃，一部分回收作为固体调湿装置再生利用，一部分排至室外。
9.根据权利要求1或2所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的固体调湿装置(6)安装于机房内，采用固态二氧化硅作为调湿介质；固体调湿装置(6)内置空气过滤器、风机及自动控制器，通过风管与空调房间连接，将处理过的空气送入空调房间。
10.根据权利要求1所述的全天候太阳能供能系统，其特征在于：所述的毛细管空调末端(7)布置在空调房间的屋顶或墙壁内侧，毛细管的内径为2～4mm，冬季采用30～35℃低温热水辐射供暖，夏季采用16～20℃的高温冷水辐射供冷。
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