CN104456699B - 一种面向被动房的空气式太阳能热水新风系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，包括太阳能集热器、热水箱、水箱进风管、水箱出风管、第一换热盘管、第二换热盘管、第一室内进风管、第二室内进风管和全热交换器；其中，太阳能集热器的输出端通过水箱进风管连接热水箱的气体输入端；热水箱的气体输出端通过水箱出风管连接太阳能集热器的输入端；热水箱的液体输出端连接第一换热盘管的输入端和第二换热盘管的输入端，第一换热盘管的输出端和第二换热盘管的输出端连接热水箱的液体输入端；第一换热盘管设置在第一室内进风管中，第二换热盘管设置在第二室内进风管中；第一室内进风管通过全热交换器连接第二室内进风管；本发明采用换热盘管对新风进行预热，最大限度的保证进入室内空气的洁净无污染。

Description

一种面向被动房的空气式太阳能热水新风系统

技术领域

本发明涉及太阳能，具体地，涉及一种面向被动房的空气式太阳能热水新风系统。

背景技术

近年来，很多国家和地区越来越重视发展的可持续性，不断加大对可再生能源的研发和投入。作为清洁能源之一的太阳能，已经受到重视并得到了广泛的应用。比如光伏发电系统，技术迅速进步，且相关制造产业和开发利用规模逐渐扩大，成为可再生能源发展的重要领域。

太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、光—化学利用、光—生物利用四类。在四类太阳能利用方式中，光—热转换的技术最成熟，产品也最多，成本相对较低。如：太阳能热水器、开水器、干燥器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制冷器等。太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高，但应用还不普遍。在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。

随着人们环保意识的不断加强，越来越多的消费者也倾向于选择太阳能热水器。但是现在太阳能热水器主要用于洗浴，大大限制了太阳能热水器的使用范围。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向被动房的空气式太阳能热水新风系统。

根据本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，包括太阳能集热器、热水箱、水箱进风管、水箱出风管、第一换热盘管、第二换热盘管、第一室内进风管、第二室内进风管和全热交换器；

其中，所述太阳能集热器的输出端通过水箱进风管连接所述热水箱的气体输入端；所述热水箱的气体输出端通过水箱出风管连接所述太阳能集热器的输入端；

所述热水箱的液体输出端连接第一换热盘管的输入端和第二换热盘管的输入端，所述第一换热盘管的输出端和所述第二换热盘管的输出端连接所述热水箱的液体输入端；所述第一换热盘管设置在第一室内进风管中，所述第二换热盘管设置在第二室内进风管中；所述第一室内进风管通过所述全热交换器连接所述第二室内进风管；

所述太阳能集热器用于加热所述热水箱中的水；所述第一换热盘管用于加热第一室内进风管中的空气；所述第二换热盘管用于加热第二室内进风管中的空气。

优选地，还包括第一室内出风管和第二室内出风管；

所述第二室内出风管通过所述全热交换器连接所述第一室内出风管；第一室内出风管和第二室内出风管用于将室内的污浊空气经换热后排出。

优选地，所述热水箱包括热水存储部和空气循环加热部；

所述热水存储部设置在所述空气循环加热部内侧；所述热水存储部和空气循环加热部之间为空气循环通道；

所述太阳能集热器的输出端连接所述空气循环通道的气体输入端；所述空气循环通道的气体输出端连接所述太阳能集热器的输入端；

所述热水存储部的液体输出端连接第一换热盘管的输入管和第二换热盘管的输入管，所述第一换热盘管的输出管和所述第二换热盘管的输出管连接所述热水存储部的液体输入端。

优选地，还包括电加热器；所述电加热器连接所述热水存储部；用于加热所述热水存储部中的水。

优选地，还包括循环水泵，所述循环水泵设置在所述热水存储部的液体输出端与第一换热盘管的输入管、第二换热盘管的输入管之间。

优选地，还包括第一风机和第二风机；

所述第一风机设置在所述第一室内进风管的进风端部；所述第二风机设置在所述水箱出风管的进风端部。

优选地，所述太阳能集热器的数量为多个；

多个所述太阳能集热器的输出端通过水箱进风管连接所述热水箱的气体输入端；所述热水箱的气体输出端通过水箱出风管连接多个所述太阳能集热器的输入端。

优选地，还包括第一电磁阀和第二电磁阀；

所述第一电磁阀设置在所述第一换热盘管的输入管的端部；所述第二电磁阀设置在所述第二换热盘管的输入管的端部。

优选地，包括热水循环模式和新风预热、加温模式；

所述热水循环模式具体为，将太阳能集热器1内的热量储存在热水箱中，一部分用于生活热水，另一部分经第一换热盘管、第二换热盘管换热后进行新风预热、加温；

所述新风预热、加温模式具体为，

阶段一：室外的新风经第一换热盘管预热，进入全热交换器；

阶段二：通过第二换热盘管预热后的室外新风，经全热交换器全热回收后；

阶段三：通过全热交换器的新风再次经过第二换热盘管加热后进入室内。

生活热水模式具体为通过阀门关闭第一换热盘管的预热和第二换热盘管的加温功能，将太阳能集热器收集的热量储存在热水箱中，用于生活热水；全热交换器8对室内空气进行调节；

热水模式具体为：

当太阳能集热器出口温度T1与热水箱内的温度T2差值大于第一设定值时，即T1-T2≥第一设定值，打开第二风机；

当太阳能集热器1出口温度T1与热水箱3内的温度T2差值小于第二设定值时，即T1-T2≤第一设定值，关闭第二风机，第二设定值小于第一设定值；

热水箱3内的温度T2≤第三设定值时，电加热器开启对热水箱内的水进行加热；当囊式换热水箱内的温度T2≥第四设定值时，电加热器16关闭，第三设定值小于第四设定值。

新风预热模式具体为通过循环水泵将热水箱内的热水通过第一换热盘管对新风进行预热，当新风温度达到设定值时，第一电磁阀12关闭，保证新风温度在第五设定值以上。

新风加温模式具体为通过循环水泵将换热水箱内的热水通过第二换热盘管对经全热交换后的新风进行加温，当新风温度达到设定值时，第一电磁阀关闭，保证新风温度在第六设定值以上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用换热盘管对新风进行预热，最大限度的保证进入室内空气的洁净无污染；

2、本发明中太阳能集热器质采用循环空气，从根本上解决了太阳能供热系统在高寒地区可能出现的冻裂、泄漏、过热等安全隐患问题，同时集热/蓄热一体化，大大简化了太阳能供热系统，降低了太阳能供热系统成本，确保了太阳能供热系统的长寿命；

3、本发明热起动快，与建筑用热匹配性好，太阳升起，即可供热。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的春夏秋季工作原理示意图；

图2为本发明的冬季工作原理示意图；

图3为本发明的结构示意图。

图中：

1为太阳能集热器；

2为水箱进风管；

3为热水箱；

4为热水箱的液体输入端；

5为第二室内进风管；

6为第二换热盘管；

7为第一室内出风管；

8为全热交换器；

9为第二室内出风管；

10为第一风机；

11为第一室内进风管；

12为第一电磁阀；

13为第二电磁阀；

14为循环水泵；

15为热水箱的液体输出端；

16为电加热器；

17为水箱出风管；

18为手动调节风阀；

19为第一换热盘管；

20为第二风机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，包括太阳能集热器1、热水箱3、全热交换器8、水箱进风管2、水箱出风管17、第一换热盘管19、第二换热盘管6、第一室内进风管11和第二室内进风管5；

其中，所述太阳能集热器1的输出端通过水箱进风管2连接所述热水箱3的气体输入端；所述热水箱3的气体输出端通过水箱出风管17连接所述太阳能集热器1的输入端；所述热水箱3的液体输出端连接第一换热盘管19的输入管和第二换热盘管6的输入管，所述第一换热盘管19的输出管和所述第二换热盘管6的输出管连接所述热水箱3的液体输入端；所述第一换热盘管19设置在第一室内进风管11中，所述第二换热盘管6设置在第二室内进风管5中；所述第一室内进风管11通过所述全热交换器8连接所述第二室内进风管5；所述太阳能集热器1用于加热所述热水箱3中的水；所述第一换热盘管19用于加热第一室内进风管11中的空气；所述第二换热盘管6用于加热第二室内进风管5中的空气。

本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，还包括第一室内出风管7和第二室内出风管9；

所述第二室内出风管9通过所述全热交换器8连接所述第一室内出风管7；第一室内出风管7和第二室内出风管9用于将室内的污浊空气经换热后排出。

所述热水箱3包括热水存储部和空气循环加热部；所述热水存储部设置在所述空气循环加热部内侧；所述热水存储部和空气循环加热部之间为空气循环通道；所述太阳能集热器1的输出端连接所述空气循环通道的气体输入端；所述空气循环通道的气体输出端连接所述太阳能集热器1的输入端；所述热水存储部的液体输出端连接第一换热盘管19的输入端和第二换热盘管6的输入管，所述第一换热盘管19的输出管和所述第二换热盘管6的输出管连接所述热水存储部的液体输入端。

本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统还包括电加热器16；所述电加热器16连接所述热水存储部；用于加热所述热水存储部中的水。

本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统还包括循环水泵14，所述循环水泵14设置在所述热水存储部的液体输出端与第一换热盘管19的输入管、第二换热盘管6的输入管之间。

本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统还包括第一风机10和第二风机20；所述第一风机10设置在所述第一室内进风管11的进风端部；所述第二风机20设置在所述水箱出风管的进风端部。

所述太阳能集热器1的数量为多个；多个所述太阳能集热器1的输出端通过水箱进风管2连接所述热水箱3的气体输入端；所述热水箱3的气体输出端通过水箱出风管17连接多个所述太阳能集热器1的输入端。

本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统还包括第一电磁阀12和第二电磁阀13；所述第一电磁阀12设置在所述第一换热盘管19的输入管的端部；所述第二电磁阀13设置在所述第二换热盘管6的输入管的端部。所述热水箱3采用多功能囊式换热水箱。

本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，在冬季包括太阳能空气集热器热水换热循环模式及新风预热、加温模式，具体为：

热水循环模式：通过温差循环，将太阳能集热器1内的热量储存在多功能囊式换热水箱中，一部分用于生活热水，另一部分经换热盘管换热后进行新风预热、加温；

新风预热、加温模式：

阶段一(太阳能预热)：室外-15℃的新风经第一换热盘管19预热，保证进入全热交换器8的新风温度在0℃以上；

阶段二(全热交换)：通过第二换热盘管6预热达到0℃以上的室外新风，经全热交换器8全热回收后温度提高至15℃以上；

阶段三(太阳能加温)：通过全热交换器8后新风温度提高至15℃以上，此时的新风再次经过第二换热盘管6换热至20℃后进入室内

本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，在春、夏、秋季主要为生活热水模式。通过阀门关闭新风换热盘管预热、加温功能，太阳能集热器1与热水箱之间通过温差循环，将太阳能集热器1收集的热量储存在多功能囊式换热水箱中，用于生活热水；此时全热交换器8单独运行并对室内空气进行调节。

本发明提供的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统包括如下模式：

热水模式：

①当太阳能集热器1出口温度T1与热水箱3内的温度T2差值大于20℃时，即T1-T2≥20℃(可设定)，打开第二风机20；

②当太阳能集热器1出口温度T1与热水箱3内的温度T2差值小于10℃时，即T1-T2≤10℃(可设定)，关闭第二风机20；

③热水箱3内的温度T2≤42℃(可设定)时，电加热器16开启对热水箱内的水进行加热；当囊式换热水箱内的温度T2≥45℃(可设定)时，电加热器16关闭。

新风预热模式：

新风预热模式启动时，通过循环水泵14将热水箱3内的热水通过第一换热盘管19对新风进行预热，当新风温度达到设定值时，第一电磁阀12关闭，保证新风温度在0℃以上。

新风加温模式：

新风加温模式启动时，通过循环水泵14将换热水箱3内的热水通过第二换热盘管6对经全热交换后的新风进行加温，当新风温度达到设定值时，第一电磁阀13关闭，保证新风温度在20℃以上。

本实施例中，总需热量计算(主要包括新风预热、加温、生活热水耗热量)

(1)新风预热耗热量计算：

①住宅每户新风量计算：

V＝n×S×h×％

其中：

V-每户套间所需新风量，m³/h

n-新风换气次数，0.3次/h；

S-住宅每户套内净面积，123.48㎡；

h-住宅每户室内净高，2.8m

％-考虑到用户装修、家具等物品的空间占用，实际净容积会减少，设计计算中，取实际净容积为结构净容积的85％。

经计算：V＝88.162m³/h

②新风预热耗热量计算：

根据设计指标要求(室外平均温度-15℃时，保持进入全热回收器新风温度0℃以上)，计算每居室新风耗热量Q₁：

Q₁＝C₁×m₁×△t₁×t；

m₁＝ρ₁×V；

其中：

C₁－空气比热，kJ/(kg·℃)；1.005kJ/(kg·K)；

m₁－空气质量，kg；

ρ₁－空气密度，kg/m³；1.293kg/m³；

V-每户套间所需新风量，m³/h

△t₁－温差，13.4K(空气调节室外计算温度-13.4℃，进入全热回收器的新风温度0℃以上)—(空气调节室外计算温度-13.4℃数据来源于《青海省海东市乐都区丽水湾小区被动式低能耗建筑项目计算报告》)；

T-新风预热运行时间，24h；

经计算：Q₁＝36.8MJ。

(2)新风升温段耗热量计算：

根据设计指标要求(新风经全热回收器热回收后新风温度15℃，进入室内温度要求20℃)，计算每居室新风耗热量Q₁：

Q₁＝C₁×m₁×△t₂×T；

m₁＝ρ₁×V

其中：

C₁－空气比热，kJ/(kg·℃)；1.005kJ/(kg·K)；

m₁－空气质量，kg；

ρ₁－空气密度，kg/m³；1.293kg/m³；

V₁-每户套间所需新风量，m³/h

△t₂－温差，5K(新风经全热回收器热回收后新风温度15℃，进入室内温度要求20℃)；

T-新风预热运行时间，24h；

经计算：Q₂＝13.8MJ。

(3)生活热水耗热量计算:

①自来水初温度确定

根据建筑物类型及《建筑给水排水设计规范》GB50015－2009(表5.1.1-1)及海东地区水文资料数据，海东地区自来水年平均温度选取8℃。

②生活热水日均需热量Q₂：

Q₃＝C₃m₃△t₃；

其中：

C₃－水的比热，kJ/(kg·℃)；4.182kJ/(kg·K)；

ρ₃－水的密度，kg/m³；1.0kg/m³；

△t₃－水箱温差，取37K(初温度为8℃，终温度为45℃)；

V₃－热水体积,m³，0.10m³；(数据来源于《青海.海东市乐都区“丽水湾”小区采暖通风方案设计所需的参数》二、采暖、新风及热水设计参数)

经计算生活用水日均需热量Q₃＝15.47MJ。

(4)“炫风”太阳能热水、新风复合系统总耗热量Q计算：

系统总耗热量Q主要包括两部分：新风预热耗热量Q1、生活热水耗热量Q2。

Q＝Q₁+Q₂+Q₃＝36.8+13.8+15.47＝66.0MJ

2、“炫风”太阳能热水、新风复合系统集热面积计算

经计算:集热总面积为：Ac＝8.38㎡。

现计划安装3台“炫风”PCM空气式太阳能集热器(2台型号为ZN-12D58-1800的空气集热器，每台集热面积为1.6㎡，1台型号为ZN-38D58-1800的空气集热器，集热面积为5.1㎡)，集热总面积为8.3㎡。

3、“炫风”太阳能热水、新风复合系统换热水箱容积计算

A、新风热负荷当量水箱容积计算：

V₁＝(Q₁+Q₂)/(C₂×ρ₂×△t₂)

其中：

V_1—当量水箱容积，L；

Q_1—新风预热耗热量，36.8MJ；

Q_2—新风升温耗热量，13.8MJ；

ρ₂－水的密度，kg/m³；1.0kg/m³；

C₂－水的比热，kJ/(kg·℃)；4.182kJ/(kg·K)；

△t₂－当量水箱温差，取30K(水初温度为45℃，终温度为15℃)；

经计算：V₁＝402L。

B、生活热水容积

根据客户生活热水需求情况，生活热水容积V₂＝100L。(数据来源于《青海.海东市乐都区“丽水湾”小区采暖通风方案设计所需的参数》二、采暖、新风及热水设计参数)

C、水箱总容积

水箱容积V＝V₁+V₂＝402L+100L＝502L，

由于本公司“炫风”PCM空气集热器具有蓄热能力，综合多种因素，选取300L气/水换热水箱作为换热水箱，换热水箱的主要作用为热能缓冲与提供热水。

4.风机与风管设计与选型

(1)、风机参数设计计算

风机与风管设计计算：型号为ZN-12D58-1800的“炫风”空气集热器每台集热器的进风量设计为100m³/h，型号为ZN-38D58-1800的“炫风”空气集热器每台集热器的进风量设计为250m³/h，

总风量为：2×100+1×250＝450m³/h

风力损失：系统中选用最不利环路的阻力进行计算，系统设计风压包含包括风道风压损失和集热器压力损失。型号为ZN-12D58-1800的“炫风”空气集热器单台压力损失约为80Pa，两台并联压力损失为110Pa，型号为ZN-38D58-1800的“炫风”空气集热器单台压力损失约为250Pa，系统3台并联压力损失选取最大单台压力损失：250Pa。

对一般地通风系统，风管的阻力损失值△P(Pa)可按下式计算：

△P₂＝Pm×L(1+k)

Pm:单位长度风管的摩擦阻力，一般0.8-1.5Pa/m，选取1Pa/m。

L:送回风管总长度(L最远选取12米，)

K:局部压力损失与摩擦压力损失的比值，弯头、三通少时，取K＝1.0-2.0；弯头、三通较多时，取K＝3.0-5.0。选取3，

△P₂＝1×12×(1+3)＝48Pa

则整个集热系统风力压损为：250+48＝298Pa

风机选取参数：风量为900m³/h，风压为590Pa。

(2)、风管设计

根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003)要求，一般钢板及非金属风管风速规定：主干管：6-14m/s，支管：2-8m/s

根据假定流速法计算主干管风管的管径：

风量为：450m³/h，假定流速为：10m/s

风管断面积为：S＝流量/速度＝450/3600/10＝0.0125㎡

根据风管截面积计算及现场实际安装情况：选取矩形风管尺寸为180×200mm,风管截面积为0.036mm²(风管尺寸与集热器联箱尺寸)

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，包括太阳能集热器、热水箱、水箱进风管、水箱出风管、第一换热盘管、第二换热盘管、第一室内进风管、第二室内进风管和全热交换器；

其中，所述太阳能集热器的输出端通过水箱进风管连接所述热水箱的气体输入端；所述热水箱的气体输出端通过水箱出风管连接所述太阳能集热器的输入端；

所述热水箱的液体输出端连接第一换热盘管的输入端和第二换热盘管的输入端，所述第一换热盘管的输出端和所述第二换热盘管的输出端连接所述热水箱的液体输入端；所述第一换热盘管设置在第一室内进风管中，所述第二换热盘管设置在第二室内进风管中；所述第一室内进风管通过所述全热交换器连接所述第二室内进风管；

所述太阳能集热器用于加热所述热水箱中的水；所述第一换热盘管用于加热第一室内进风管中的空气；所述第二换热盘管用于加热第二室内进风管中的空气。

2.根据权利要求1所述的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，还包括第一室内出风管和第二室内出风管；

所述第二室内出风管通过所述全热交换器连接所述第一室内出风管；第一室内出风管和第二室内出风管用于将室内的污浊空气经换热后排出。

3.根据权利要求1所述的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，所述热水箱包括热水存储部和空气循环加热部；

所述热水存储部设置在所述空气循环加热部内侧；所述热水存储部和空气循环加热部之间为空气循环通道；

所述太阳能集热器的输出端连接所述空气循环通道的气体输入端；所述空气循环通道的气体输出端连接所述太阳能集热器的输入端；

所述热水存储部的液体输出端连接第一换热盘管的输入管和第二换热盘管的输入管，所述第一换热盘管的输出管和所述第二换热盘管的输出管连接所述热水存储部的液体输入端。

4.根据权利要求3所述的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，还包括电加热器；

所述电加热器连接所述热水存储部；用于加热所述热水存储部中的水。

5.根据权利要求3所述的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，还包括循环水泵，所述循环水泵设置在所述热水存储部的液体输出端与第一换热盘管的输入管、第二换热盘管的输入管之间。

6.根据权利要求1所述的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，还包括第一风机和第二风机；

所述第一风机设置在所述第一室内进风管的进风端部；所述第二风机设置在所述水箱出风管的进风端部。

7.根据权利要求1所述的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，所述太阳能集热器的数量为多个；

多个所述太阳能集热器的输出端通过水箱进风管连接所述热水箱的气体输入端；所述热水箱的气体输出端通过水箱出风管连接多个所述太阳能集热器的输入端。

8.根据权利要求1所述的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，还包括第一电磁阀和第二电磁阀；

所述第一电磁阀设置在所述第一换热盘管的输入管的端部；所述第二电磁阀设置在所述第二换热盘管的输入管的端部。

9.根据权利要求1所述的面向被动房的空气式太阳能热水新风系统，其特征在于，包括热水循环模式和新风预热、加温模式；

所述热水循环模式具体为，将太阳能集热器1内的热量储存在热水箱中，一部分用于生活热水，另一部分经第一换热盘管、第二换热盘管换热后进行新风预热、加温；

所述新风预热、加温模式具体为，

阶段一：室外的新风经第一换热盘管预热，进入全热交换器；

阶段二：通过第一换热盘管预热后的室外新风，经全热交换器全热回收后；

阶段三：通过全热交换器的新风再次经过第二换热盘管加热后进入室内。