CN104165401A - 一种高效的太阳能和空气源热泵联合集热系统 - Google Patents

Abstract

一种高效的太阳能和空气源热泵联合集热系统，包括储热水箱、恒温水箱、太阳能集热器、空气源热泵、集热循环泵、回水循环泵、信号采集器、电磁阀、连接管道以及控制器；信号采集器包括温度传感器、水位传感器以及流量传感器；系统的典型特征在于：只使用一个水泵就能完成制热水工作所需的涉及两个水箱各自的水循环和相互之间的热水抽送；使得能够根据太阳光照的不同情况有选择的使两个加热装置即空气源热泵和太阳能集热器单独或者联合进行制热水工作。

Description

一种高效的太阳能和空气源热泵联合集热系统

技术领域

本技术方案涉及太阳能热水器领域，尤其涉及一种太阳能和空气源热泵联合集热系统。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，人类对能源的需求逐渐趋向高水平和高质量。自然界赋予我们的一次性能源如石油煤炭是有限的，况且，各种一次性能源所带来的污染问题摆在人们面前并得到了世界各国的高度重视。生物质能、潮汐能、风能和太阳能等可再生能源越来越受到人们的关注，人们很自然地把部分目光投向了人类赖以生存的太阳。许多利用太阳能的产品应运而生，太阳能热水器其中之一，太阳能热水器以其节约能源且对环境无污染的特点，自问世以来一直深受广大个人和单位用户的欢迎。太阳能是永不枯竭的清洁能源，量大，资源丰富，绿色环保，是可再生能源应用的主要应用方向之一。但太阳能也具有一些固有的缺点：(1)太阳能的能流密度低，即使在太阳能资源较丰富的沙漠地区，考虑到太阳集热系统的效率和热损失，每平米集热器面积实际采集到的年平均太阳能辐射照度不到1OOW，而且因地而异，因时而变。(2)太阳能具有间歇性和不可靠性。太阳能的辐照度受气候条件等各种因素的影响不能维持常量，如果遇上连续的阴雨天气太阳能的供应就会中断。此外，太阳能是一种辐射能，具有即时性，太阳能自身不易储存，必须即时转换成其它形式能量才能利用和储存。空气源热泵技术是可再生能源应用的另一个主要应用方向之一，利用空气热能资源进行供热，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内也得到了日益广泛的应用。但是空气源热泵的运转本身需要耗费电能。因此，将太阳能和空气热源这两种可再生和可持久利用的能源结合起来，利用各自的优点，综合利用加热生产和生活用水是当然之选。但是，两者结合涉及到如何做到高效节能和及时足量供应热水问题，因此必须合理考虑储热水箱和水循环管路的设计安排。以期实现高效节能和供热水时效的双重目的。本发明正是基于此目的而提出的技术方案。

发明内容

       本技术方案的目的在于提供一种太阳能和空气源热泵联合集热系统，包括系统的组成和管路(水流通路)连接方式，具体方案如下：

一种高效的太阳能和空气源热泵联合集热系统，包括储热水箱、恒温水箱、太阳能集热器、空气源热泵、集热循环泵、回水循环泵、信号采集器、电磁阀、连接管道以及控制器；其中，储热水箱用于接收自来水管送入的冷水并将其暂存至其被加热到第一目标温度为止；恒温水箱用于接收和储存来自储热水箱的热水并对各楼层供应热水；太阳能集热器用于收集太阳能以加热流经它的水；空气源热泵采用压缩机换热方法用于收集空气热能并对流经它的水进行加热；集热循环泵用于实现水循环或者将储热水箱中的热水抽送到恒温水箱中、或者将将恒温水箱中的因自然散热导致低于第二目标温度的热水抽送到储热水箱中 ；回水循环泵用于对各楼层的供热水管加压使供热水管中的水能够回流到恒温水箱以阻止供热水管中的水因长时间自然散热而降温过多变成冷水；信号采集器包括温度传感器、水位传感器以及流量传感器；其中，温度传感器用于采集储热水箱、恒温水箱、太阳能集热器以及回水管的水温信息；水位传感器用于采集储热水箱、恒温水箱的水位信息；流量传感器用于采集恒温水箱对各楼层的供热水总流量；连接管道用于对储热水箱、恒温水箱、太阳能集热器、空气源热泵、集热循环泵、回水循环泵以及各楼层的供热水管之间的管路连接； 电磁阀用于控制连接管道的水路通断；控制器与信号采集器通过信号线连接，以信号采集器提供的信号作为输入并以适当的控制策略对空气源热泵、集热循环泵、回水循环泵以及电磁阀进行控制。

       更具体的，温度传感器共有五个，编号为零至四号，包括放置于恒温水箱内底部的零号温度传感器、放置于储热水箱内底部的三号温度传感器、放置于太阳能集热器的进水端的一号温度传感器和出水端的二号温度传感器、以及放置于回水管上的四号温度传感器；水位传感器共有两个，编号为零号和一号，包括设置于储热水箱内的一号水位传感器和设置于恒温水箱内的零号水位传感器；电磁阀共有七个，编号为零至六号，包括零号电磁阀、一号电磁阀、二号电磁阀、三号电磁阀、四号电磁阀、五号电磁阀和六号电磁阀；连接管道具有十一条，编号为一至十一号，包括一号连接管道、二号连接管道、三号连接管道、四号连接管道、五号连接管道、六号连接管道、七号连接管道、八号连接管道、九号连接管道、十号连接管道和十一号连接管道，其中十一号连接管道又称为回水管。

       所有的水泵即集热循环泵和回水循环泵的两端即出水端和进水端都配套附装有截止阀和压力表，在出水端都附装有止回阀，为叙述方便，在下一段管路连接方式的描述中就不再提及这些水泵的附属装置了。

具体的管路连接方式如下：储热水箱顶部的冷水入口通过零号电磁阀连接自来水进水管，储热水箱顶部的第一热水入口通过二号连接管道接太阳能集热器的出水端，储热水箱底部的热水出口依序通过四号连接管道、一号电磁阀和五号连接管道接三号电磁阀的下端和集热循环泵的进水端，三号电磁阀的上端则通过九号连接管道接恒温水箱底部的热水出口；集热循环泵的出水端通过六号连接管道接空气源热泵的进水口；空气源热泵的出水口则通过七号连接管道连至三条支路：第一支路是依序通过五号电磁阀和八号连接管道至太阳能集热器的进水端，第二支路是依序通过二号电磁阀和三号连接管道至储热水箱顶部的第二热水入口，第三支路是依序通过四号电磁阀和一号连接管道至恒温水箱顶部的热水入口；恒温水箱底部的供水出口依序通过回水循环泵、十号连接管道连接至各楼层的供热水管，其中，恒温水箱底部的供水出口连接回水循环泵的进水端，回水循环泵的出水端与十号连接管道相连；恒温水箱顶部的回水入口依序通过六号电磁阀和回水管连接至各楼层的供热水管。

以上管路连接方式的典型特征是：两个水箱即储热水箱和恒温水箱中的水从各自水箱的底部的热水出口流出后分别经由受两个电磁阀即一号电池阀和三号电磁阀分别控制通断的两条管道通路即四号连接管道和五号连接管道共同构成的管道通路以及九号连接管道构成的管道通路汇合至管道三叉连接点后再流经集热循环泵和空气源热泵，之后受三个电磁阀即二号电磁阀、四号电磁阀和五号电磁阀控制进入三条支路即第一支路、第二支路和第三支路之一，最终再进入两个水箱之一；这种管路连接方式能够实现：只使用一个水泵即集热循环泵就能完成制热水工作所需的涉及两个水箱即储热水箱和恒温水箱各自的水循环和相互之间的热水抽送；使得能够根据太阳光照的不同情况有选择的使两个加热装置即空气源热泵和太阳能集热器单独或者联合进行制热水工作。

实施本技术方案的有益效果是：只需使用一个水泵即能完成制热水工作所需的各种水循环和水的抽送转移。使作为主要制热设备的太阳能集热器与作为辅助制热设备的空气源热泵可以单独或者联合完成制热工作，兼顾节能效率和加热速度。

附图说明

       图1是本技术方案的设备组成及管路连接示意图，图中的箭头指示方向为管路中的水流方向。

具体实施方式

       下面结合附图，更具体的说明本技术方案。

       一种高效的太阳能和空气源热泵联合集热系统，包括储热水箱W1、恒温水箱W0、太阳能集热器H1、空气源热泵P1、集热循环泵B1、回水循环泵B0、信号采集器、电磁阀、连接管道以及控制器；其中，储热水箱W1用于接收自来水管送入的冷水并将其暂存至其被加热到第一目标温度为止；恒温水箱W0用于接收和储存来自储热水箱W1的热水并对各楼层供应热水；太阳能集热器H1用于收集太阳能以加热流经它的水；空气源热泵P1采用压缩机换热方法用于收集空气热能并对流经它的水进行加热；集热循环泵B1用于实现水循环或者将储热水箱W1中的热水抽送到恒温水箱W0中、或者将将恒温水箱W0中的因自然散热导致低于第二目标温度的热水抽送到储热水箱W1中 ；回水循环泵B0用于对各楼层的供热水管加压使供热水管中的水能够回流到恒温水箱W0以阻止供热水管中的水因长时间自然散热而降温过多变成冷水；信号采集器包括温度传感器、水位传感器以及流量传感器Q0；其中，温度传感器用于采集储热水箱W1、恒温水箱W0、太阳能集热器H1以及回水管11的水温信息；水位传感器用于采集储热水箱W1、恒温水箱W0的水位信息；流量传感器Q0用于采集恒温水箱W0对各楼层的供热水总流量；连接管道用于对储热水箱W1、恒温水箱W0、太阳能集热器H1、空气源热泵P1、集热循环泵B1、回水循环泵B0以及各楼层的供热水管之间的管路连接； 电磁阀用于控制连接管道的水路通断；控制器与信号采集器通过信号线连接，以信号采集器提供的信号作为输入并以适当的控制策略对空气源热泵P1、集热循环泵B1、回水循环泵B0以及电磁阀进行控制。

       更具体的，温度传感器共有五个，编号为零至四号，包括放置于恒温水箱W0内底部的零号温度传感器T0、放置于储热水箱W1内底部的三号温度传感器T3、放置于太阳能集热器H1的进水端的一号温度传感器T1和出水端的二号温度传感器T2、以及放置于回水管11上的四号温度传感器T4；水位传感器共有两个，编号为零号和一号，包括设置于储热水箱W1内的一号水位传感器L1和设置于恒温水箱W0内的零号水位传感器L0；电磁阀共有七个，编号为零至六号，包括零号电磁阀D0、一号电磁阀D1、二号电磁阀D2、三号电磁阀D3、四号电磁阀D4、五号电磁阀D5和六号电磁阀D6；连接管道具有十一条，编号为一至十一号，包括一号连接管道1、二号连接管道2、三号连接管道3、四号连接管道4、五号连接管道5、六号连接管道6、七号连接管道7、八号连接管道8、九号连接管道9、十号连接管道10和十一号连接管道11，其中十一号连接管道11又称为回水管，即回水管11。

       为方便阅读，多个设备包含的水路入口和水路出口命名罗列如下：

储热水箱W1：     顶部的冷水入口、顶部的第一热水入口、顶部的第二热水入口、底部的热水出口；

恒温水箱W0：     顶部的热水入口、底部的热水出口、顶部的回水入口、底部的供水出口；

太阳能集热器H1：  出水端、进水端；

空气源热泵P1：    出水口、进水口；

集热循环泵B1：    出水端、进水端；

回水循环泵B0：    出水端、进水端；

       特别指出，在所有的水泵即集热循环泵B1和回水循环泵B0的两端即出水端和进水端都配套附装有截止阀和压力表，在出水端都附装有止回阀，为叙述方便，在后文的描述中就不再提及这些水泵的附属装置了。

具体的管路连接方式如下：储热水箱W1顶部的冷水入口通过零号电磁阀D0连接自来水进水管，储热水箱W1顶部的第一热水入口通过二号连接管道2接太阳能集热器H1的出水端，储热水箱W1底部的热水出口依序通过四号连接管道4、一号电磁阀D1和五号连接管道5接三号电磁阀D3的下端和集热循环泵B1的进水端，三号电磁阀D3的上端则通过九号连接管道9接恒温水箱W0底部的热水出口；集热循环泵B1的出水端通过六号连接管道6接空气源热泵P1的进水口；空气源热泵P1的出水口则通过七号连接管道7连至三条支路：第一支路是依序通过五号电磁阀D5和八号连接管道8至太阳能集热器H1的进水端，第二支路是依序通过二号电磁阀D2和三号连接管道3至储热水箱W1顶部的第二热水入口，第三支路是依序通过四号电磁阀D4和一号连接管道1至恒温水箱W0顶部的热水入口；恒温水箱W0底部的供水出口依序通过回水循环泵B0、十号连接管道10连接至各楼层的供热水管，其中，恒温水箱W0底部的供水出口连接回水循环泵B0的进水端，回水循环泵B0的出水端与十号连接管道10相连；恒温水箱W0顶部的回水入口依序通过六号电磁阀D6和回水管11连接至各楼层的供热水管。

       本技术方案涉及三种水循环:即第一水循环、第二水循环和第三水循环，在这三种水循环中，集热循环泵B1均开启工作。 

第一水循环是涉及储热水箱W1与空气源热泵P1以及太阳能集热器H1的水循环，在此水循环过程中，二号电磁阀D2、三号电磁阀D3和四号电磁阀D4关闭，一号电磁阀D1和五号电磁阀D5打开，储热水箱W1中的水在重力作用下从储热水箱W1底部的热水出口流出，依序流经四号连接管道4、一号电磁阀D1、五号连接管道5、集热循环泵B1并在集热循环泵B1的加压作用下，继续流经六号连接管道6、空气源热泵P1、七号连接管道7、五号电磁阀D5、八号连接管道8、太阳能集热器H1、二号连接管道2、储热水箱W1顶部的第一热水入口，最终回归进入储热水箱W1；在第一水循环时，空气源热泵P1根据需要开启或停止制热工作；

第二水循环是涉及储热水箱W1与空气源热泵P1的水循环，在此水循环过程中，一号电磁阀D1和二号电磁阀D2打开，三号电磁阀D3、四号电磁阀D4和五号电磁阀D5关闭，空气源热泵P1开启制热工作，储热水箱W1中的水在重力作用下从储热水箱W1底部的热水出口流出，依序流经四号连接管道4、一号电磁阀D1、五号连接管道5、集热循环泵B1并在集热循环泵B1的加压作用下，继续流经六号连接管道6、空气源热泵P1、七号连接管道7、二号电磁阀D2、三号连接管道3、储热水箱W1顶部的第二热水入口，最终回归进入储热水箱W1；

第三水循环是涉及恒温水箱W0与空气源热泵P1的水循环，在此水循环过程中，一号电磁阀D1、二号电磁阀D2和五号电磁阀D5关闭，三号电磁阀D3和四号电磁阀D4打开，空气源热泵P1开启制热工作，恒温水箱W0中的水在重力作用下从恒温水箱W0底部的热水出口流出，依序流经九号连接管道9、三号电磁阀D3、集热循环泵B1并在集热循环泵B1的加压作用下、继续流经六号连接管道6、空气源热泵P1、七号连接管道7、四号电磁阀D4、一号连接管道1、恒温水箱W0顶部的热水入口，最终回归进入恒温水箱W0；

本技术方案还涉及两种热水抽送，即第一热水抽送和第二热水抽送，在这两种热水抽送中，集热循环泵B1均开启工作。

第一热水抽送是将储热水箱W1中的达到第一目标温度的水转移到恒温水箱W0中，在第一热水抽送过程中，二号电磁阀D2、三号电磁阀D3和五号电磁阀D5关闭，一号电磁阀D1和四号电磁阀D4打开，储热水箱W1中的水在重力作用下从储热水箱W1底部的热水出口流出，依序流经四号连接管道4、一号电磁阀D1、五号连接管道5、集热循环泵B1并在集热循环泵B1的加压作用下，继续流经六号连接管道6、空气源热泵P1、七号连接管道7、四号电磁阀D4、一号连接管道1、恒温水箱W0顶部的热水入口，最终进入恒温水箱W0；在第一热水抽送时，空气源热泵P1停止制热工作；

第二热水抽送是将恒温水箱W0中的因自然散热导致低于第二目标温度的水转移到储热水箱W1中，在第二热水抽送过程中，一号电磁阀D1、二号电磁阀D2和四号电磁阀D4关闭，三号电磁阀D3和五号电磁阀D5打开，恒温水箱W0中的水在重力作用下从恒温水箱W0底部的热水出口流出，依序流经九号连接管道9、三号电磁阀D3、集热循环泵B1并在集热循环泵B1的加压作用下、继续流经六号连接管道6、空气源热泵P1、七号连接管道7、五号电磁阀D5、八号连接管道8、太阳能集热器H1、二号连接管道2、储热水箱W1顶部的第一热水入口，最终进入储热水箱W1；在第二热水抽送过程中时，空气源热泵P1根据需要开启或停止制热工作；

以上所述的三种水循环和两种热水抽送，任何时刻只能择一进行；在进行第一水循环或者第二热水抽送时，空气源热泵P1根据需要开启或停止制热工作；当太阳能辐射充足时，为了节能空气源热泵P1 应当停止制热工作而让太阳能集热器H1独立完成制热水工作，当太阳能辐射不充足或者遇到需要快速制造热水以满足需求的时间段空气源热泵P1应当开启制热工作。

以上管路连接方式的典型特征是：两个水箱即储热水箱W1和恒温水箱W0中的水从各自水箱的底部的热水出口流出后分别经由受两个电磁阀即一号电池阀D1和三号电磁阀D3分别控制通断的两条管道通路即四号连接管道4和五号连接管道5共同构成的管道通路以及九号连接管道9构成的管道通路汇合至管道三叉连接点12后再流经集热循环泵B1和空气源热泵P1，之后受三个电磁阀即二号电磁阀D2、四号电磁阀D4和五号电磁阀D5控制进入上述的三条支路即第一支路、第二支路和第三支路之一，最终再进入两个水箱之一；这种管路连接方式能够实现：只使用一个水泵即集热循环泵B1就能完成制热水工作所需的涉及两个水箱即储热水箱W1和恒温水箱W0各自的水循环和相互之间的热水抽送；使得能够根据太阳光照的不同情况有选择的使两个加热装置即空气源热泵P1和太阳能集热器H1单独或者联合进行制热水工作。

本技术方案制热水的方法是：

通过一号水位传感器L1检测储热水箱W1的水位，并判断该水位是否低于设定的第一低水位或者达到设定的第一满水位，如果低于设定的第一低水位，则禁止第一热水抽送并打开零号电磁阀D0对储热水箱W1进行补水；如果达到设定的第一满水位，则关闭零号电磁阀D0以停止对储热水箱W1补水。并且禁止第二热水抽送。

通过零号水位传感器L0检测恒温水箱W0的水位，并判断该水位是否低于设定的第二低水位或者达到设定的第二满水位。当该水位达到第二满水位时，禁止第一热水抽送，当该水位低于第二低水位时，禁止第二热水抽送。

通过一号温度传感器T1检测太阳能集热器H1的进水端的温度，通过二号温度传感器T2检测太阳能集热器H1的出水端的温度，太阳能集热器H1的出水端的温度与太阳能集热器H1的进水端的温度的算术差称为太阳能集热器效果温度差；通过三号温度传感器T3检测储热水箱W1内水的温度；如果太阳能集热器H1的出水端的温度高于储热水箱W1内水的温度并且太阳能集热器效果温度差大于或等于第一设定温差，则进行第一水循环并且空气源热泵P1停止制热工作；如果太阳能集热器H1的出水端的温度低于或等于储热水箱W1内水的温度或者太阳能集热器效果温度差小于或等于第二设定温差则进行第二水循环并且空气源热泵P1开启制热工作；如果太阳能集热器H1的出水端的温度高于储热水箱W1内水的温度并且太阳能集热器效果温度差小于第一设定温差但大于第二设定温差，则继续进行正在执行的第一水循环或者第二水循环；无论是在进行第一水循环还是第二水循环，当通过三号温度传感器T3检测到储热水箱W1内水的温度达到第一目标温度时，停止正在进行的第一水循环或者第二水循环并启动第一热水抽送，将储热水箱W1中的热水抽送到恒温水箱W0中。上述的第一设定温差大于第二设定温差，两者均为正数。

通过零号温度传感器T0检测恒温水箱W0内水的温度，当该温度低于第二目标温度，并且太阳能集热器效果温度差小于第一设定温差时进行第三水循环，并持续到该温度高于第二目标温度时，停止第三水循环；当该温度低于第二目标温度，并且太阳能集热器效果温度差大于等于第一设定温差而且满足第二抽送的条件时则进行第二热水抽送。上述的第二目标温度低于第一目标温度。

本技术方案供应热水的方法是：

通过四号温度传感器T4检测回水管11内水的温度，当该温度低于第四目标温度时，打开六号电磁阀D6并启动回水循环泵B0工作，当回水管11内水的温度高于第三目标温度或者恒温水箱W0的水位低于设定的第二低水位时，关闭六号电磁阀D6并且使回水循环泵B0停止工作；当回水管11内水的温度高于或者等于第四目标温度并且小于第三目标温度时，六号电磁阀D6的开闭状态和回水循环泵B0的启停状态保持；上述的第二目标温度高于第三目标温度，第三目标温度高于第四目标温度。

Claims (1)

1. 一种高效的太阳能和空气源热泵联合集热系统，包括储热水箱W1、恒温水箱W0、太阳能集热器H1、空气源热泵P1、集热循环泵B1、回水循环泵B0、信号采集器、电磁阀、连接管道以及控制器；信号采集器包括温度传感器、水位传感器以及流量传感器Q0；电磁阀共有七个，编号为零至六号，包括零号电磁阀D0、一号电磁阀D1、二号电磁阀D2、三号电磁阀D3、四号电磁阀D4、五号电磁阀D5和六号电磁阀D6；连接管道具有十一条，编号为一至十一号，包括一号连接管道、二号连接管道、三号连接管道、四号连接管道、五号连接管道、六号连接管道、七号连接管道、八号连接管道、九号连接管道、十号连接管道和十一号连接管道，其中十一号连接管道又称为回水管；

其特征在于：管路连接方式使两个水箱即储热水箱W1和恒温水箱W0中的水从各自水箱的底部的热水出口流出后分别经由受两个电磁阀即一号电池阀D1和三号电磁阀D3分别控制通断的两条管道通路即四号连接管道和五号连接管道共同构成的管道通路以及九号连接管道构成的管道通路汇合至管道三叉连接点后再流经集热循环泵B1和空气源热泵P1，之后受三个电磁阀即二号电磁阀D2、四号电磁阀D4和五号电磁阀D5控制进入三条支路即第一支路、第二支路和第三支路之一，最终再进入两个水箱之一；

具体的管路连接方式是：储热水箱W1顶部的冷水入口通过零号电磁阀D0连接自来水进水管，储热水箱W1顶部的第一热水入口通过二号连接管道接太阳能集热器H1的出水端，储热水箱W1底部的热水出口依序通过四号连接管道、一号电磁阀D1和五号连接管道接三号电磁阀D3的下端和集热循环泵B1的进水端，三号电磁阀D3的上端则通过九号连接管道接恒温水箱W0底部的热水出口；集热循环泵B1的出水端通过六号连接管道接空气源热泵P1的进水口；空气源热泵P1的出水口则通过七号连接管道连至三条支路：第一支路是依序通过五号电磁阀D5和八号连接管道至太阳能集热器H1的进水端，第二支路是依序通过二号电磁阀D2和三号连接管道至储热水箱W1顶部的第二热水入口，第三支路是依序通过四号电磁阀D4和一号连接管道至恒温水箱W0顶部的热水入口；恒温水箱W0底部的供水出口依序通过回水循环泵B0、十号连接管道连接至各楼层的供热水管，其中，恒温水箱W0底部的供水出口连接回水循环泵B0的进水端，回水循环泵B0的出水端与十号连接管道相连；恒温水箱W0顶部的回水入口依序通过六号电磁阀D6和回水管连接至各楼层的供热水管。