CN105841222B - 一种基于跨季节水体储热的太阳能供热系统 - Google Patents

一种基于跨季节水体储热的太阳能供热系统 Download PDF

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Abstract

一种基于跨季节水体储热的太阳能供热系统，主要包括：太阳能集热系统，跨季节储热水体，热泵，缓冲水箱，热用户，辅助热源，换热器和控制系统。太阳能集热系统与跨季节储热水体相连通。跨季节储热水体与换热器相连。换热器与缓冲水箱直接相连通或通过热泵与缓冲水箱相连。缓冲水箱与热用户相连通。所述系统还设置有辅助热源，直接与缓冲水箱相连。本发明适用于我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区建筑供热。

Description

一种基于跨季节水体储热的太阳能供热系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能供热系统。
背景技术
太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。太阳能供热是降低我国北方建筑供热煤耗的有效途径之一。对于城镇居住建筑来说，由于建筑体形系数较小，建筑本体放置太阳能集热器的面积较小，无法像村镇单体建筑一样，实现太阳能建筑一体化。根据相关研究，集中型太阳能供热系统则是更加适用于城镇建筑的低碳化供热系统之一。集中型太阳能供热系统包括：集热系统、储热系统、末端供热系统、辅助热源系统和控制系统。其中，由于集中型热站多针对1000平米以上的建筑供热，因此储热系统的储热容量较大，可以实现长周期储热，即跨季节储热。根据储热介质的不同，跨季节储热系统可以分为：水体储热、土壤储热、岩体储热、含水层储热等形式。其中，水的比较和密度较大，单位体积的储热容量大，换热强度便于控制等优点，水体储热是未来具有发展前景的跨季节储热形式之一。
目前，该跨季节储热系统在国内鲜有相关研究及工程报道。在国外，丹麦是基于跨季节储热水体的太阳能集中型供热系统发展规模较大的地区。丹麦地区的系统首先将热量送至缓冲水箱中，当水箱温度达到80℃以上时，才考虑向跨季节储热水体放热，因此整个系统的控制复杂程度和难度有所增加，且增加了阀门的切换频率，阀门更易损坏，增加了后期系统的运营维护量。
发明内容
本发明的目的是解决太阳能供热系统存在的冬夏冷热不平衡问题，基于跨季节储热水体特点，开发一种适用于城镇建筑的太阳能供热系统，以降低用于我国北方城镇地区冬季供热的传统能源消耗。本发明通过合理的系统设计，能够最大程度提高太阳能供热保证率，同时确保稳定供热。
本发明的技术方案如下：
一种基于跨季节水体储热的太阳能供热系统，主要包括：太阳能集热系统，跨季节储热水体，热泵，缓冲水箱，热用户，辅助热源，水泵，阀门，换热器，以及控制系统。
所述的太阳能集热系统通过带有第一阀门的管路与跨季节储热水体相连。
所述的跨季节储热水体通过带有第五阀门的管路与换热器相连。跨季节储热水体的上部与换热器的入口相连，跨季节储热水体的下部与换热器的出口相连。
所述的换热器的出口通过两条并联管路与缓冲水箱入口相连。其中一条管路为：换热器通过带有第四阀门的管路与缓冲水箱直接相连。另外一条管路为：换热器的出口通过带有第三阀门的管路与热泵的入口相连，热泵的出口与缓冲水箱的入口相连。
所述的换热器的入口通过带有第六阀门和第七阀门的管路与缓冲水箱的出口相连。
所述的缓冲水箱与带有第五水泵的管路与热用户相连。
所述的辅助热源的入口通过带有第七阀门的管路与缓冲水箱的出口相连，辅助热源的出口通过带有第二阀门的管路与缓冲水箱的入口相连。
所述的太阳能集热系统的出口连接跨季节储热水体的上部和中部，太阳能集热系统的入口连接跨季节储热水体的下部。
控制系统与第一水泵、第二水泵、第三水泵、第四水泵和第五水泵，以及第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、和第八阀门连接，控制第一水泵、第二水泵、第三水泵、第四水泵和第五水泵的流量调节，以及第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、和第八阀门的开度调节。
本发明工作过程如下：
太阳能集热系统收集太阳能热量后，将热量输送并储存在跨季节储热水体中。当需要向热用户供热，且跨季节储热水体的水温能够满足热用户供热需要，则第四阀门、第六阀门和第七阀门开启，通过换热器将跨季节储热水体内蓄存的热量直接输送至缓冲水箱，再通过第五水泵将热量输送至热用户。当需要向热用户供热，但跨季节储热水体内水温不能够满足热用户供热需要时，则第三阀门、第六阀门和第八阀门开启，通过换热器将跨季节储热水体内蓄存的热量输送至热泵，将跨季节储热水体作为热泵的低位热源，热泵将水温提高后，输送至缓冲水箱中，再通过第五水泵，将热量输送至热用户。当需要向热用户供热，但跨季节储热水体内水温低，例如，已经达到10℃以下，导致热泵运行能效比过低，则第二阀门和第七阀门开启，利用辅助热源提高缓冲水箱水温，确保缓冲水箱内水温能够满足用户用热要求，再通过第五水泵，将热量输送至热用户。
本发明优先使用太阳能进行供热，最大程度提高太阳能供热保证率。利用跨季节储热水体，有效解决太阳能冬夏冷热不平衡问题，实现了太阳能的四季高效利用。合理设计了集热系统进出口与跨季节储热水体进出口的连接位置，尽可能避免跨季节储热水体内的冷热水掺混，提高跨季节储热水体的有效热量。本发明在我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区具有广泛的适用性。
本发明与丹麦地区的跨季节储热系统比较的主要区别在于：1)基于我国集中供热特点，多数情况下集中供热仅在冬季使用，其他季节基本无集中供热需求。而在丹麦，需要一年四季向用户供热，以满足采暖和生活热水要求。因此，在系统设计中，为了降低非采暖季的跨季节储热水体热损，本发明将太阳能集热系统出口热水送至跨季节储热水体的中部；2)本发明避免了阀门的频繁切换，更有利于减少系统的后期维护量。例如，本发明一年四季均将太阳能集热系统热量送至跨季节储热水体内，避免了阀门的频繁切换。
附图说明
图1是本发明基于跨季节水体储热的太阳能供热系统的结构示意图。
图中：1太阳能集热系统，2跨季节储热水体，3热泵，4缓冲水箱，5热用户，6辅助热源，7换热器，8控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步的说明本发明。
如图1所示，本发明基于跨季节水体储热的太阳能供热系统主要包括：太阳能集热系统1，跨季节储热水体2，热泵3，缓冲水箱4，热用户5，辅助热源6，换热器7，以及控制系统8。太阳能集热系统1通过带有第一阀门V-1的管路与跨季节储热水体2相连。跨季节储热水体2通过带有第五阀门V-5的管路与换热器7相连。跨季节储热水体2的上部与换热器7的入口相连，跨季节储热水体2的下部与换热器7的出口相连。换热器7的出口通过两条并联管路与缓冲水箱4的入口相连，其中一条管路为：换热器7通过带有第四阀门V-4的管路与缓冲水箱9直接相连，换热器7的出口与缓冲水箱7的入口相连；另外一条管路为：换热器7的出口通过带有第三阀门V-3的管路与热泵3的入口相连，热泵3的出口与缓冲水箱4的入口相连。换热器7的入口通过带有第六阀门V-6和第七阀门V-7的管路与缓冲水箱4的出口相连。缓冲水箱4与带有第五水泵P-5的管路与热用户相连。辅助热源6的入口通过带有第七阀门V-7的管路与缓冲水箱4的出口相连，辅助热源的出口通过带有第二阀门V-2的管路与缓冲水箱4的入口相连。太阳能集热系统的1出口连接跨季节储热水体2的上部和中部，太阳能集热系统1的入口连接跨季节储热水体2的下部。控制系统8与第一水泵P-1、第二水泵P-2、第三水泵P-3、第四水泵P-4和第五水泵P-5，以及第一阀门V-1、第二阀门V-2、第三阀门V-3、第四阀门V-4、第五阀门V-5、第六阀门V-6、第七阀门V-7和第八阀门V-8连接，控制第一水泵P-1、第二水泵P-2、第三水泵P-3、第四水泵P-4和第五水泵P-5的流量调节，以及第一阀门V-1、第二阀门V-2、第三阀门V-3、第四阀门V-4、第五阀门V-5、第六阀门V-6、第七阀门V-7和第八阀门V-8的开度调节。
本发明工作原理为：
太阳能集热系统1收集太阳能热量后，将热量输送并储存在跨季节储热水体2中。当需要向热用户供热，且跨季节储热水体2的水温能够满足热用户5供热需要，则第四阀门V-4、第六阀门V-6和第七阀门V-7开启，通过换热器7将跨季节储热水体2内蓄存的热量直接输送至缓冲水箱4，再通过第五水泵P-5将热量输送至热用户5。当需要向热用户5供热，但跨季节储热水体2内水温不能够满足热用户5供热需要时，则第三阀门V-3、第六阀门V-6和第八阀门V-8开启，通过换热器将跨季节储热水体2内蓄存的热量输送至热泵3，将跨季节储热水体作为热泵的低位热源，热泵3将水温提高后，输送至缓冲水箱4中，再通过第五水泵P-5，将热量输送至热用户5。当需要向热用户5供热，但跨季节储热水体2内水温低，例如，已经达到10℃以下，导致热泵3运行能效比过低，则第二阀门V-2和第七阀门V-7开启，利用辅助热源6提高缓冲水箱水温，确保缓冲水箱4内水温能够满足用户用热要求，再通过第五水泵P-5，将热量输送至热用户5。
本发明的优点在于：使用太阳能进行供热，最大程度提高太阳能供热保证率。利用跨季节储热水体，有效解决太阳能冬夏冷热不平衡问题，实现了太阳能的四季高效利用。合理设计了集热系统进出口与跨季节储热水体进出口的连接位置，尽可能避免跨季节储热水体内的冷热水掺混，提高跨季节储热水体的有效热量。本发明在我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区具有广泛的适用性。

Claims (3)

1.一种基于跨季节水体储热的太阳能供热系统，其特征在于：所述的基于跨季节水体储热的太阳能供热系统主要包括：太阳能集热系统(1)，跨季节储热水体(2)，热泵(3)，缓冲水箱(4)，热用户(5)，辅助热源(6)，换热器(7)，以及控制系统(8)；
所述的太阳能集热系统(1)通过带有第一阀门(V-1)的管路与跨季节储热水体(2)相连；
所述的跨季节储热水体(2)通过带有第五阀门(V-5)的管路与换热器(7)相连；跨季节储热水体(2)的上部与换热器(7)的入口相连，跨季节储热水体(2)的下部与换热器(7)的出口相连；
所述的换热器(7)的出口通过两条并联管路与缓冲水箱(4)的入口相连；其中一条为：换热器(7)通过带有第四阀门(V-4)的管路与缓冲水箱(4)直接相连，另外一条为：换热器(7)的出口通过带有第三阀门(V-3)的管路与热泵(3)的入口相连，热泵(3)的出口与缓冲水箱(4)的入口相连；
换热器(7)的入口通过带有第六阀门(V-6)和第七阀门(V-7)的管路与缓冲水箱(4)的出口相连；
缓冲水箱(4)与带有第五水泵(P-5)的管路与热用户(5)相连；
辅助热源(6)的入口通过带有第七阀门(V-7)的管路与缓冲水箱(4)的出口相连，辅助热源(6)的出口通过带有第二阀门(V-2)的管路与缓冲水箱(4)的入口相连。
2.按照权利要求1所述的基于跨季节水体储热的太阳能供热系统，其特征在于：太阳能集热系统(1)出口的连接跨季节储热水体(2)的上部的中部，太阳能集热系统(1)的入口连接跨季节储热水体(2)的下部。
3.按照权利要求1所述的基于跨季节水体储热的太阳能供热系统，其特征在于：控制系统(10)控制第一水泵(P-1)、第二水泵(P-2)、第三水泵(P-3)、第四水泵(P-4)和第五水泵(P-5)的流量调节，以及第一阀门(V-1)、第二阀门(V-2)、第三阀门(V-3)、第四阀门(V-4)、第五阀门(V-5)、第六阀门(V-6)、第七阀门(V-7)和第八阀门(V-8)的开度调节。
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