CN107702185B - 一种太阳能综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能综合利用系统，包括太阳能集热单元、水箱和地暖盘管；水箱通过隔板分为热水层、温水层和低温水层三层，太阳能集热板组通过三个支路与水箱的三个层接通，水箱的第二层与地暖盘管、太阳能集热板组形成回路，水箱的第一层与水浴等生活用水管路连接，第三层与厨房等生活用水管路连接。本发明通过对三个支路温控阀的阈值设定，实现了不同温控阀的智能开启，使不同温度的水进入到与之相应的水箱分层中，再根据实际生活需求，将不同温度层的出水口接入不同温度用水需求的管道上，满足洗浴用水、厨房用水和地辐热用水温度的同时，提高了热水合理分配使用率。

Description

一种太阳能综合利用系统

技术领域

本发明属于太阳能与建筑一体化设计领域，具体涉及一种太阳能智能综合利用系统。

背景技术

太阳能建筑是可再生能源利用的有效手段，其中太阳能采暖对降低能源消耗和提高建筑室内热舒适具有重要意义。目前太阳能采暖末端形式以低温地板辐射采暖为主，但是由于一方面在同一功能房间中整体统一盘管间距导致房间内部尤其是进深大房间不同辐照区域出现热不均匀性现象；另一方面太阳能集热器不同时段所获得的不同温度热水量在同一水箱中混合，无法针对不同时段不同使用功能热水需求予以合理的热量分配利用，造成太阳能利用率低，因此有进一步改进的必要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种太阳能综合利用系统，解决现有技术中房间热不均匀性及太阳能利用率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种太阳能综合利用系统，包括太阳能集热单元、水箱和地暖盘管；

所述的太阳能集热单元包括太阳能集热板组、遮阳单元、传感器和控制单元；

所述的太阳能集热板组的倾斜角度可调；

所述的控制单元与传感器、太阳能集热板组、遮阳单元连接，调节遮阳单元的开闭和太阳能集热板组的倾斜角度；

所述的水箱通过隔板分为第一层、第二层和第三层，所述的太阳能集热板组通过三个支路与水箱的三个层接通，所述的三个支路上均设有温控阀；所述的太阳能集热板组与水箱的连接管路上设有自动排气阀；

所述的水箱的第一层的出水处与水浴等生活用水管路连接；

所述的水箱的第二层的出水处通过分集水器与地暖盘管的进水口连接，所述的地暖盘管的出水口通过回水管与太阳能集热板组连接，且回水管与水箱的第三层的接通；

所述的水箱第一层与第二层之间通过连接管接通，所述的连接管上设有第四温控阀；

所述的水箱的第三层的出水处与厨房等生活用水管路连接。

本发明还具有如下区别技术特征：

水箱第一层进水口处设有第一温控阀，所述的第一温控阀的水温阈值不小于60℃；水箱第二层进水口处设有第二温控阀，所述的第二温控阀的水温阈值处于50℃和60℃之间；水箱第三层进水口处设有第三温控阀，所述的第三温控阀的水温阈值处于30℃和50℃之间。

所述的水箱有多个，相邻水箱的同一温度层之间通过连接管接通，连接管上设有球阀；所述的多个水箱的第二层通过连接管并联在分集水器上，所述的连接管上设有电动阀；所述的水箱的第一层和第二层中设有电加热装置。

所述的水箱的第二层与分集水器的连接管路上设有第五温控阀，该管路还与自来水管道连接；所述的水箱的第一层与自来水管道连接；所述的回水管与自来水管道连接。

所述的地暖盘管根据房间不同辐照区划分盘管间距形式，按照近窗户密布区域、中间疏布区域和远窗户常规区域铺设盘管。

所述的窗体为双层玻璃窗，所述的双层玻璃窗的外层窗倾斜，倾斜角度根据当地的地理纬度来设定，以最大化获得太阳能；所述的太阳能集热板组设于双层玻璃窗的中间夹层中，所述的遮阳单元和传感器设于外层窗上。

所述的双层玻璃窗的外层窗和内层窗上均设有可开启扇，所述的可开启扇的一端可绕窗体转动，可开启扇的另一端通过伸缩杆与窗体底部连接；所述的控制单元控制可开启扇的开闭。

所述的传感器包括辐射热流传感器、光传感器和温度传感器。

所述的太阳能集热板组包括太阳能集热板、固定架和转轴，所述的转轴安装在墙体的预埋件上；固定架为镀锌钢架，与转轴刚性连接；所述的太阳能集热板安装在固定架上。

遮阳单元包括电机、转动系统、百叶和拉绳，所述的电机与转动系统连接，所述的拉绳与转动系统连接，所述的百叶通过拉绳串接；电机带动转动系统转动，进而控制拉绳改变百叶的旋转角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过对第一温控阀、第二温控阀、第三温控阀的阈值设定，实现了不同温控阀的智能开启，使不同温度的水进入到与之相应的水箱分层中；然后通过根据实际生活需求，将不同温度层的出水口接入不同温度用水需求的管道上，满足洗浴用水、厨房用水和地辐热用水温度的同时，提高了热水合理分配使用率。

(2)本发明在热水层和温水层之间设置第四温控阀，通过第四温控阀的智能开启，使热水层过多热水进入到温水层中，实现热水的有效利用；而且本发明可根据住户实际需要的用水量，太阳能板组机构中太阳能集热板数量及水箱容量可以并联数组。

(3)本发明将太阳能集热板组设于双层玻璃窗之间的夹层中，并将外层窗设置为倾斜，倾斜角度根据当地的地理纬度来设定；在不影响建筑外立面设计及安全要求的前提下，既保证了太阳能集热面积和窗体面积最优化，又提高了太阳能与建筑一体化程度。

(4)本发明利用控制单元对窗户外层中遮阳百叶系统、中空玻璃窗可开启扇和太阳能板组机构进行集中控制，实现了窗户的智能开启及太阳能板组机构的智能旋转。不但提高了太阳能板的集热效率，而且改善了因太阳能集热管路中工质温度过高所引起的室内热舒适性差的问题；并且也提高了窗户在过渡季和夏季的通风效率及冬季的保温效果。

(5)本发明在地暖盘管布置中，利用南向同一功能房间中不同辐照区划分盘管间距形式，按照近窗户密布区域、中间疏布区域和远窗户常规区域予以铺设盘管，改善了房间不均匀受热现象。

(6)本发明专利结合了测量部件、控制部件和执行部件，实现了测控和机电的一体化，使装置使用更方便且有很好的推广和实用价值，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的系统的整体结构示意图。

图2是本发明的集热板组与窗体一体化的智能窗体结构示意图；(a)是窗体结构侧视图，(b)是窗体结构的正视图，(c)是太阳能集热板的结构示意图。

图3是本发明的太阳能集热的分层蓄水装置的结构示意图。

图中各标号表示为：1-水箱，2-地暖盘管，3-窗体，4-太阳能集热板组，5-遮阳单元，6-传感器，7-控制单元，9-自动排气阀，10-水浴等生活用水管路，11-分集水器，12-回水管，13-连接管，14-第四温控阀，15-厨房等生活用水管路，16-球阀，17-电动阀，18-电加热装置，19-第五温控阀，20-自来水管道，21-混合泵；

(1-1)-第一层，(1-2)-第二层，(1-3)-第三层，(1-4)-隔板，(1-5)-壳体，(1-6)-保温层，进水管(1-7)，出水管(1-8)；

(3-1)-外层窗，(3-2)-内层窗，(3-3)-可开启扇，(3-4)-中间夹层，(3-5)-伸缩杆；

(4-1)-太阳能集热板，(4-2)-固定架，(4-3)-转轴；

(5-1)-电机，(5-2)-转动系统，(5-3)-百叶，(5-4)-拉绳；

(6-1)-辐射热流传感器，(6-2)-光传感器，(6-3)-温度传感器，(6-4)-底板；

(8-1)-第一温控阀，(8-2)-第二温控阀，(8-3)-第三温控阀。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例给出一种太阳能综合利用系统，包括太阳能集热单元、水箱1和地暖盘管2；

太阳能集热单元包括太阳能集热板组4、遮阳单元5、传感器6和控制单元7；太阳能集热板组4包括太阳能集热板4-1、固定架4-2和转轴4-3，转轴4-3安装在墙体的预埋件上；固定架4-2为镀锌钢架，与转轴4-3刚性连接；太阳能集热板4-1安装在固定架4-2上，太阳能集热板4-1可绕转轴4-3转动，使得集热板的的倾斜角度可调。太阳能集热板4-1为全玻璃真空集热管，集热管中工质为水。太阳能集热板4-1的数量可根据常住人口数量及房间面积大小计算，并联数组。

遮阳单元5包括电机5-1、转动系统5-2、百叶5-3和拉绳5-4，电机5-1与转动系统5-2连接，拉绳5-4与转动系统5-2连接，百叶5-3通过拉绳5-4串接；电机带动转动系统转动，进而控制拉绳改变百叶的旋转角度。

辐射热流传感器6-1、光传感器6-2和温度传感器6-3分别连接在控制单元7上，辐射热流传感器6-1、光传感器6-2和温度传感器6-3监测室外温度、太阳高度角变化及太阳辐射强度，将信号传递至控制单元7。辐射热流传感器6-1设有所属城市太阳辐射强度阈值，大于此值时，百叶5-3将关闭，即与太阳光线垂直；温度传感器6-3设有所属城市的高温、中温、低温三种阈值，高温或低温时均关闭可开启扇3；中温且太阳辐射强度为正值时打开可开启扇3-3，已达到通风效果。

水箱1通过隔板1-4分为第一层1-1、第二层1-2和第三层1-3，第一层为热水层，第二层为温水层，第三层为低温水层，每层均连接有一个进水管1-7和一个出水管1-8，每个进水管1-7上设有均一个温控阀。太阳能集热板4-1的集热管通过三个支路与水箱的三个层接通，其连接管路上设有自动排气阀9，以排水加热过程中产生的气体。

水箱第一层1-1进水管1-7上设有第一温控阀8-1，第一温控阀8-1的水温阈值不小于60℃；水箱第二层1-2的进水管1-7上设有第二温控阀8-2，第二温控阀8-2的水温阈值处于50℃和60℃之间；水箱第三层1-3的进水管1-7上设有第三温控阀8-3，第三温控阀8-3的水温阈值处于30℃和50℃之间。

第一层1-1和第二层1-2通过连接管13接通，连接管13上设有第四温控阀14，当温水层(第二层)水量不够或热水层(第一层)水量过多时，热水通过连接管13进入温水层。

水箱的第一层1-1的出水管1-8与水浴等卫生间用水管路10连接，供洗浴等生活热水；水箱的第三层1-3的出水管1-8与厨房等生活用水管路15连接，供洗菜等生活热水。

水箱的第二层1-2通过连接管13和分集水器11与地暖盘管2的进水口连接，供地辐热采暖，地暖盘管2根据南向同一功能房间不同辐照区划分盘管间距形式，按照近窗户密布区域、中间疏布区域和远窗户常规区域铺设盘管。地暖盘管2的出水口通过回水管12与太阳能集热板4-1的集热管连接，且回水管12与水箱的第三层1-3的接通。

水箱第二层1-2与分集水器11的连接管路上设有第五温控阀19，该管路还通过混合泵21和电动阀17与自来水管道20连接，当盘管所需水温较低时，将水箱第二层中的水和自来水管道混合后流入分集水器11中。

水箱的第一层1-1和第二层1-2中可设置电加热装置18，当蓄水箱热水层和温水层的出水温度达不到温控阀所设阈值时，电加热装置18开始加热，以分别满足淋浴热水和地辐热采暖需要。

为满足大量用水并减少水箱的占地面积，可将水箱1设置多个，可根据住户实际需要的用水量确定水箱的数量。相邻水箱的同一温度层之间通过连接管13接通，连接管13上设有球阀16；多个水箱的第二层1-2通过连接管13并联在分集水器11上，连接管13上设有电动阀17。

另一个技术方案与实施例1的区别在于：太阳能集热板组4、遮阳单元5、传感器6和控制单元7设于窗体3上；窗体3为双层玻璃窗，双层玻璃窗的外层窗3-1倾斜，倾斜角度根据当地的地理纬度来设定，以最大化获得太阳能。双层玻璃窗的外层窗3-1和内层窗3-2的下半部分均设有可开启扇3-3，可开启扇3-3的一端可绕窗体3转动，可开启扇的另一端通过伸缩杆3-5与窗体底部连接。太阳能集热板组4设于双层玻璃窗的中间夹层3-4中，遮阳单元5设于外层窗3-1上；辐射热流传感器6-1、光传感器6-2和温度传感器6-3设于底板6-4上，底板6-4安装在外层窗3-1上。控制单元7还与窗体3、太阳能集热板组4和遮阳单元5连接。

本发明的太阳能综合利用系统的控制方法，具体包括：

早晨，当辐射热流传感器6-1感应到太阳辐射强度，即太阳辐射强度大于零时，若温度传感器6-3感应到室外温度值小于当地最热月的温度平均值且不小于当地最冷月的温度平均值时(比如夏季和部分过渡季上午)，控制单元7块控制开窗控制器打开中空玻璃窗可开启扇3-3及旋转太阳能集热板4-1，并使两者的倾角为所属城市的纬度角度；同时光传感器6-2开始追踪太阳高度角变化情况，控制模块控制开窗控制器旋转太阳能集热板4-1以及控制中遮阳系统旋转百叶5-3，以使太阳能集热板4-1始终保持与太阳光线垂直、百叶5-3始终保持与太阳光线平行，以保证太阳能最大化集热面积。

但若温度传感器6-4感应到室外温度值小于当地最冷月的温度平均值时(比如冬季和部分过渡季上午)，控制模块控制开窗控制器关闭室内、外中空玻璃窗可开启扇3-3，避免室外冷风进入室内，太阳能集热板4-1仍然保持工作状态。太阳能集热板4-1集热开始后，根据太阳能集热板通过收集不同时段太阳能加热出不同温度的水，出水端分别通过三种温控阀阈值设定(不小于60℃、不小于50℃且小于60℃、不小于30℃且小于50℃)控制进入水箱1的热水层、温水层、低温水层，热水层直接供洗浴等生活热水，温水层直接供地辐热采暖，低温水层直接供洗菜等生活热水和太阳能集热板补水。当温水层水量不够或热水层水量过多时，热水通过连接管进入温水层，水箱热水层和温水层的出水温度达不到温控阀14所设阈值时，电辅加热器18开始加热，以分别满足淋浴热水和地辐热采暖需要。其中

水箱1的温水层接地暖盘管2，自来水经过混水泵21与水箱的温水层出水管中的水混合，通过温控阀19控制达到地辐热采暖所需的温度，经过分集水器11分别控制供白天时段房间盘管系统(比如卧室、起居室、厨房和卫生间)。房间盘管系统的回水经过分集水器11及混水泵21回入到太阳能集热板4-1中，若水量不足，可通过水箱的低温层水或自来水进行补水。水箱的热水层与温水层通过连接管13相通，当温水层水量不够或热水层水量过多时，热水通过连接管进入温水层，供(贮)热水箱热水层和温水层的出水温度达不到温控阀14所设阈值时，电辅加热器18开始加热，以满足地辐热采暖需要。

中午，当辐射热流传感器6-1感应到太阳辐射强度大于当地辐射强度最大月的平均值时，若温度传感器6-3感应到室外温度值小于当地最热月的温度平均值且不小于当地最冷月的温度平均值时(比如部分过渡季和夏季)，控制模块控制中遮阳百叶系统旋转关闭，即与太阳光线垂直，达到太阳能集热板停止集热的目的，但此时中空玻璃窗可开启扇3-3仍然开启，以增强室内外通风；

若温度传感器感应到室外温度值不小于当地最热月的温度平均值时(比如夏季正午时刻)，控制单元7控制开窗控制器关闭室内、外中空玻璃窗可开启扇3-3，避免室外热(冷)风进入室内。

若温度传感器感应到室外温度值小于当地最冷月的温度平均值时(比如冬季)，控制单元控制旋转太阳能集热板4-1，使其倾角为所属城市的纬度角度；同时光传感器6-2开始追踪太阳高度角变化情况，控制单元控制开窗控制器旋转太阳能集热板4-1以及控制中遮阳系统旋转百叶5-3，以使太阳能集热板4-1始终保持与太阳光线垂直、百叶始终保持与太阳光线平行，以保证太阳能最大化集热面积。当太阳能集热板4-1集热开始后，水箱1及地辐热工作情况同上午时段。

下午，当辐射热流传感器感应到太阳辐射强度大于零小于当地辐射强度最大月的平均值时，若温度传感器感应到室外温度值不小于当地最热月的温度平均值时(比如夏季)和小于当地最冷月的温度平均值时(比如冬季)，控制单元7控制中遮阳百叶3-3旋转打开，并使百叶3-3保持与太阳光线平行，以保证太阳能最大化集热面积；控制单元7控制开窗控制器关闭室内、外中空玻璃窗可开启扇3-3，避免室外热(冷)风进入室内。若温度传感器感6-3应到室外温度值小于当地最热月的温度平均值且不小于当地最冷月的温度平均值时(比如夏季和过渡季)，控制单元控制开窗控制器打开中空玻璃窗可开启扇，以增强室内外通风。当太阳能集热板4-1集热开始后，分层水箱及地辐热工作情况同上午时段。

夜晚，当辐射热流传感器感应到太阳辐射强度小于零时，若温度传感器感应到室外温度值不小于当地最热月的温度平均值时(比如夏季)和小于当地最冷月的温度平均值时(比如冬季)，控制模块控制开窗控制器关闭中空玻璃窗可开启扇3-3及旋转太阳能集热板4-1为垂直状态，百叶5-3关闭；若温度传感器6-3感应到室外温度值小于当地最热月的温度平均值且不小于当地最热月的温度平均值时(比如夏季和过渡季)，控制模块控制开窗控制器打开中空玻璃窗可开启扇，以增强室内外通风。水箱1的温水层(第一层1-2)接房间地暖盘管2，自来水经过混水泵21与水箱1的温水层出水管1-8中的水混合，通过温控阀19控制达到地辐热采暖所需的温度，经过分集水器11分别控制供夜晚时段房间盘管系统(比如卧室和卫生间)。房间盘管系统的回水经过分集水器11及混水泵21回入到太阳能集热板4-1的管道中，若水量不足，可通过水箱的低温层(第三层1-3)中的水或自来水进行补水。水箱的热水层(第一层1-1)与温水层通过连接管13相通，当温水层水量不够或热水层水量过多时，热水通过连接管进入温水层，水箱热水层和温水层的出水温度达不到温控阀14所设阈值时，电加热装置18开始加热，以满足地辐热采暖需要。

Claims (7)

1.一种太阳能综合利用系统，其特征在于：包括太阳能集热单元、水箱（1）和地暖盘管（2）；

所述的太阳能集热单元包括太阳能集热板组（4）、遮阳单元（5）、传感器（6）和控制单元（7）；

所述的太阳能集热板组（4）的倾斜角度可调；

所述的控制单元（7）与传感器（6）、太阳能集热板组（4）、遮阳单元（5）连接，调节遮阳单元的开闭和太阳能集热板组的倾斜角度；

所述的水箱（1）通过隔板（1-4）分为第一层（1-1）、第二层（1-2）和第三层（1-3），所述的太阳能集热板组（4）通过三个支路与水箱的三个层接通，所述的三个支路上均设有温控阀；所述的太阳能集热板组（4）与水箱（1）的连接管路上设有自动排气阀（9）；

所述的水箱的第一层（1-1）的出水处与水浴生活用水管路（10）连接；

所述的水箱的第二层（1-2）的出水处通过分集水器（11）与地暖盘管（2）的进水口连接，所述的地暖盘管（2）的出水口通过回水管（12）与太阳能集热板组（4）连接，且回水管（12）与水箱的第三层（1-3）的接通；

所述的水箱第一层（1-1）与第二层（1-2）之间通过连接管（13）接通，所述的连接管（13）上设有第四温控阀（14）；

所述的水箱的第三层（1-3）的出水处与厨房生活用水管路（15）连接；

水箱第一层（1-1）进水口处设有第一温控阀（8-1），所述的第一温控阀（8-1）的水温阈值不小于60℃；

水箱第二层（1-2）进水口处设有第二温控阀（8-2），所述的第二温控阀（8-2）的水温阈值处于50℃和60℃之间；

水箱第三层（1-3）进水口处设有第三温控阀（8-3），所述的第三温控阀（8-3）的水温阈值处于30℃和50℃之间；

所述的水箱（1）有多个，相邻水箱的同一温度层之间通过连接管（13）接通，连接管（13）上设有球阀（16）；所述的多个水箱的第二层（1-2）通过连接管（13）并联在分集水器（11）上，所述的连接管（13）上设有电动阀（17）；

所述的水箱的第一层（1-1）和第二层（1-2）中设有电加热装置（18）；所述的水箱的第二层（1-2）与分集水器（11）的连接管路上设有第五温控阀（19），该管路还与自来水管道（20）连接；所述的水箱的第一层（1-1）与自来水管道（20）连接；所述的回水管（12）与自来水管道（20）连接。

2.如权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的地暖盘管（2）根据房间不同辐照区划分盘管间距形式，按照近窗户密布区域、中间疏布区域和远窗户常规区域铺设盘管。

3.如权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：窗体（3）为双层玻璃窗，所述的双层玻璃窗的外层窗（3-1）倾斜，倾斜角度根据当地的地理纬度来设定，以最大化获得太阳能；

所述的太阳能集热板组（4）设于双层玻璃窗的中间夹层（3-4）中，所述的遮阳单元（5）和传感器（6）设于外层窗（3-1）上。

4.如权利要求3所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的双层玻璃窗的外层窗（3-1）和内层窗（3-2）上均设有可开启扇（3-3），所述的可开启扇（3-3）的一端可绕窗体转动，可开启扇的另一端通过伸缩杆（3-5）与窗体底部连接；所述的控制单元（7）控制可开启扇（3-3）的开闭。

5.如权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的传感器（6）包括辐射热流传感器（6-1）、光传感器（6-2）和温度传感器（6-3）。

6.如权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的太阳能集热板组（4）包括太阳能集热板（4-1）、固定架（4-2）和转轴（4-3），所述的转轴（4-3）安装在墙体的预埋件上；固定架（4-2）为镀锌钢架，与转轴（4-3）刚性连接；所述的太阳能集热板（4-1）安装在固定架（4-2）上。

7.如权利要求1所述的太阳能综合利用系统，其特征在于：遮阳单元（5）包括电机（5-1）、转动系统（5-2）、百叶（5-3）和拉绳（5-4），所述的电机（5-1）与转动系统（5-2）连接，所述的拉绳（5-4）与转动系统（5-2）连接，所述的百叶（5-3）通过拉绳（5-4）串接；电机带动转动系统转动，进而控制拉绳改变百叶的旋转角度。

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