CN108458493A - 双温区蓄能供热型太阳能热水系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双温区蓄能供热型太阳能热水系统及其工作方法,用于普通生活家庭提供生活热水,或者提供给散热器用以冬季供暖;夏季运行时,复合相变蓄能材料在高相变温区蓄能和释能,通过重力热管直接加热储水箱中循环水;过渡季节和冬季运行时,复合相变蓄能材料在低相变温区蓄能和释能,热量同时传递给重力热管和热泵蒸发器,启动热泵循环,实现制热水。与现有技术相比,本发明的有益效果在于:可分季节按不同运行模式最大化利用太阳能,能效比高,结构简单紧凑,冬季防冻裂防热损失,全面提高系统冬夏两季的能效。
Description
技术领域
本发明属于太阳能热利用领域,涉及一种双温区蓄能供热型太阳能热水系统及其工作方法。
背景技术
随着国民经济迅速发展和人民生活水平的提高,人们对普及热水供应并提高热水供应技术的要求越来越迫切,采暖和生活热水的能源需求成为一般民用建筑物能源消耗的重要部分。据电力规划设计总院发布的《中国能源发展报告2016》,2016年一次能源中煤炭消费仍占较大比重,建筑用能同比增长7.0%,在提高现有能源利用率的基础上,开发和利用可再生能源是确保中国能源供需平衡的必要条件。
太阳能是一种可再生清洁能源,《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》指出我国可再生能源开发潜力很大,鼓励有条件的地区发展太阳能取暖。目前,太阳能热水器已得到快速发展,但因太阳能本身的不稳定性和间歇性,使其不宜作为供热水系统的唯一热源,需要与辅助加热设备一起使用,增加了能耗。
热泵节能优势明显,太阳能与热泵联合运行可同时提高太阳能集热效率和热泵的性能系数。但是太阳辐射受各种复杂气象因素的影响强度随时变化,从而导致太阳能热泵系统性能波动大,在阴雨天和日照时间短的冬季,很难实现全天候供热水。而相变蓄能技术可以将白天充足的太阳能储存起来到辐射强度不足时再利用,对系统的稳定性和高效运行起到了重要作用。且利用潜热蓄能,蓄能密度大、相变过程近似等温、温度变化范围小。
目前的蓄能型太阳能热泵系统所用蓄能材料只有一个相变点,无法满足冬夏两季太阳辐射强度差异大、集热器内温度不同时的储能需求。集热器、蓄热器、蒸发器分开布置,系统相对复杂,制造成本高,利用载热介质从蓄热器中取出热量作为热泵低位热源,二次传热热损失大,且水系统在冬季夜间有管路冻裂的危险。
中国专利CN200810020470.9“复合源集热/蓄能/蒸发一体化热泵热水系统”中,热泵蒸发器以U形管形式布置在太阳能真空集热管中,每根蒸发管与太阳能真空集热管中间以相变材料填充构成集热/蓄能/蒸发器,然后和空气源热泵的蒸发器并联,根据太阳辐射可以切换运行模式,但需要全年开启压缩机,系统能耗较高。
中国专利CN201410161999.8“一种全天候运行的高效蓄能型太阳能热泵供热方法”中,利用振荡热管做媒介将集热器中相变材料储存的热量传递给复合换热器,夏季直接加热复合换热器中循环水,冬季热量传递给复合换热器中蒸发器,提高了热泵系统的制热效率,但是复合换热器结构复杂,加工难度大,焊点多而易泄露。
上述两个专利中,冷凝器和水箱均为分开布置,系统占地面积较大,管路多传热损失大,且未考虑到不同季节集热器内温度的不同带来的影响。
发明内容
针对现有蓄能型太阳能热泵供热系统的缺陷,本发明提供一种双温区蓄能、双温区运行模式的太阳能供热系统及方法,目的在于合理有效地利用复合相变蓄能材料实现对太阳能分季节蓄能,并通过重力热管高效传热、热泵循环节能供热,减少传统太阳能热泵系统多级中间换热的热损失及制造成本,优化蓄能型太阳能热泵热水系统的整体性能,实现对太阳能分季节最大化利用。
为了解决上述问题,本发明采用的技术方案如下:
双温区蓄能供热型太阳能热水系统,包括储水箱和太阳能反射板,储水箱一端进水,另一端出水,还包括双温区蓄能型太阳能集热器、热泵制冷剂回路和重力热管;储水箱设于双温区蓄能型太阳能集热器上方,双温区蓄能型太阳能集热器包括至少两根太阳能真空集热管,太阳能真空集热管内填充有复合相变蓄能材料;太阳能真空集热管设于太阳能反射板的向阳面;热泵制冷剂回路包括以制冷剂管路依次串联的热泵蒸发器、压缩机、冷凝器和电子膨胀阀,热泵蒸发器的蒸发管路以U形管的形式布置在太阳能真空集热管内,并采用并联的方式连接,冷凝器的冷凝管路以环绕的方式布置于储水箱内;重力热管的冷凝段插入储水箱下端,并在连接处做密封处理,重力热管的蒸发段插入太阳能真空集热管内。
储水箱中水的流向与冷凝器内的制冷剂的流向形成逆流传热,且储水箱的热水出水口通过出水阀设于冷凝器进储水箱处的上方,储水箱的冷水进水口通过进水阀设于冷凝器出储水箱处的下方。
重力热管的蒸发段布置在太阳能真空集热管的向阳面,热泵蒸发器的蒸发管路布置在太阳能真空集热管的背阴面。复合相变蓄能材料由高熔点相变材料和低熔点相变材料复合而成,复合相变蓄能材料采用62#石蜡和癸酸或采用62#石蜡和月桂酸。
复合相变蓄能材料根据不同季节分高温区蓄热模式和低温区蓄热模式,高温区蓄热模式时复合相变蓄能材料在高相变温区蓄能和释能,低温区蓄热模式时复合相变蓄能材料在低相变温区蓄能和释能,具体过程如下:
(1)高温区蓄热模式:夏季时,太阳辐射充足,双温区蓄能型太阳能集热器内温度高,高熔点相变材料先以固态显热蓄热,达到相变温度后继续以潜热形式蓄热;而低熔点相变材料先以固态显热蓄热,达到相变温度后利用潜热蓄热,相变完成后继续以液态显热蓄热;夜间复合相变蓄能材料释能时稳定在高相变温区;
(2)低温区蓄热模式:过渡季节或冬季时,太阳辐射不足,双温区蓄能型太阳能集热器内温度低,达不到高熔点相变材料的相变温度,高熔点相变材料始终以固态显热形式蓄热,未发生相变;低熔点相变材料分别以固态显热、相变潜热储存太阳能,夜间复合相变蓄能材料释能时稳定在低相变温区。
冷凝管路的环绕半径为储水箱半径的2/3到3/4之间。
储水箱的容积为150L-250L,其外表面裹覆保温层,储水箱的上方设有安全阀,下方设有排污阀。
双温区蓄能供热型太阳能热水系统的工作方法,双温区蓄能供热型太阳能热水系统的工作方法包括高温区工作模式和低温区工作模式,按重力热管的热管工质循环和热泵的制冷剂循环,具体过程如下:
(1)高温区工作模式
夏季时,关闭压缩机,热泵制冷剂回路停止工作,只有重力热管在工作;
热管工质循环:太阳能真空集热管中的复合相变蓄能材料在高温相变温区蓄能和释能,传递的瞬时太阳能或者白天储存夜间放出的热量足够多,重力热管的蒸发段吸收这部分能量后,热管工质吸热汽化进入重力热管的冷凝段,随后在冷凝段放热,热管工质释放的热量直接加热储水箱中的水,冷凝后的热管工质在重力作用下返回蒸发段继续吸收复合相变蓄能材料的热量,如此循环往复完成热管工质循环;
(2)低温区工作模式
过渡季节及冬季时,重力热管和热泵制冷剂回路同时工作;
热管工质循环:太阳能真空集热管中的复合相变蓄能材料在低温相变温区蓄能和释能,复合相变蓄能材料温度高于储水箱内的循环水温时,重力热管将复合相变蓄能材料传递的或者白天储存夜间放出的一部分热量传给储水箱中的循环水;复合相变蓄能材料温度低于储水箱内的循环水温时,重力热管工质循环停止,且不进行反向传热;
热泵的制冷剂循环:布置在太阳能真空集热管内的热泵蒸发器的蒸发管路中的制冷剂得到复合相变蓄能材料传递或释放的另一部分热量后汽化成制冷剂蒸气,制冷剂蒸气经压缩机加压后进入冷凝器,冷凝器中制冷剂蒸气释放热量直接加热储水箱中的循环水,制冷剂蒸气放出热量后冷却凝结为制冷剂液体,制冷剂液体通过电子膨胀阀节流降压,再进入热泵蒸发器的蒸发管路中,继续吸收来自复合相变蓄能材料的热量,如此周而复始完成热泵制冷剂循环;
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:利用复合相变蓄能材料实现对太阳能分季节双温区蓄能、供热,高温区时,关闭热泵循环,通过重力热管高效直接传热,低温区时启动热泵循环节能供热,用以提供生活热水或者提供给散热器用来冬季供暖,具有以下优点:
(1)分季节最大化利用太阳能:利用复合相变蓄能材料的不同蓄热模式,结合不同的工作模式,夏季,太阳辐射强时,系统切换到高温区蓄能模式和高温区工作模式,复合相变蓄能材料在高相变温区蓄热和释热,系统利用重力热管加热水模式;过渡季节或冬季,太阳辐射弱时,系统切换到低温区蓄热模式和低温区工作模式,复合相变蓄能材料在低相变温区蓄热和释热,重力热管根据储水箱内水温的高低工作或停止工作,同时利用热泵系统辅助加热水模式,克服单一相变材料无法满足不同太阳辐射下不同蓄热要求,对太阳能利用率低的缺点。如低熔点相变材料在夏季蓄热时温度不够高,不能直接加热热水;高熔点相变材料在冬季相变温度过高,作为热泵蒸发器侧低温热源存在品位浪费。
(2)系统能效比更高:夏季直接利用重力热管小温差无动力高效供热,不需启动压缩机,比现有的太阳能热泵系统节能;冬季时启动热泵循环供热,由于相变材料实现对太阳能的集热及移峰填谷,能向热泵蒸发器持续提供相对稳定的热量,减少对太阳辐射强度的依赖性,比现有的太阳能热泵系统性能更稳定,夜间效率更高。
(3)装置构造简单更紧凑:热泵蒸发器和重力热管的蒸发段均布置在太阳能真空集热管内,复合相变蓄能材料填充在热泵蒸发器、重力热管的蒸发段与太阳能真空集热管之间,热泵蒸发器或重力热管的蒸发段可直接从复合相变蓄能材料得热,而冷凝器放置在储水箱中可直接放热给储水箱中循环水,减少中间传热环节。水箱放置在双温区蓄能型太阳能集热器上部,重力热管的冷凝段直接插入储水箱下端,占地面积小。
(4)冬季太阳能真空集热管防冻裂防热损失:太阳能真空集热管内是干式传递,冬季不会被冻裂,且重力热管具有单向传热特点,当太阳能真空集热管内的复合相变蓄能材料温度比储水箱的循环水低时,不存在热量的反向传递。
附图说明
图1是本发明的双温区蓄能供热型太阳能热水系统的结构示意图,
图2是太阳能真空集热管的结构示意图,
图3是太阳能真空集热管的横截面示意图。
其中, 1-双温区蓄能型太阳能集热器、2-重力热管、3-热泵蒸发器、4-压缩机、5-循环水出水阀、6-冷凝器、7-储水箱、8-循环水进水阀、9-电子膨胀阀、10-制冷剂管路、11-太阳能反射板、12-太阳能真空集热管、13-复合相变蓄能材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图中包括以下部件:1-双温区蓄能型太阳能集热器、2-重力热管、3-热泵蒸发器、4-压缩机、5-循环水出水阀、6-冷凝器、7-储水箱、8-循环水进水阀、9-电子膨胀阀、10-制冷剂管路、11-太阳能反射板、12-太阳能真空集热管和13-复合相变蓄能材料。
如图1-3所示,双温区蓄能供热型太阳能热水系统,包括储水箱和太阳能反射板,储水箱一端进水,另一端出水,还包括双温区蓄能型太阳能集热器、热泵制冷剂回路和重力热管;储水箱设于双温区蓄能型太阳能集热器上方,双温区蓄能型太阳能集热器包括至少两根太阳能真空集热管,太阳能真空集热管内填充有复合相变蓄能材料;太阳能真空集热管设于太阳能反射板的向阳面;热泵制冷剂回路包括以制冷剂管路依次串联的热泵蒸发器、压缩机、冷凝器和电子膨胀阀,热泵蒸发器的蒸发管路以U形管的形式布置在太阳能真空集热管内,并采用并联的方式连接,冷凝器的冷凝管路以环绕的方式布置于储水箱内;重力热管的冷凝段插入储水箱下端,并在连接处做密封处理,重力热管的蒸发段插入太阳能真空集热管内。
储水箱中水的流向与冷凝器内的制冷剂的流向形成逆流传热,且储水箱的热水出水口通过出水阀设于冷凝器进储水箱处的上方,储水箱的冷水进水口通过进水阀设于冷凝器出储水箱处的下方。
重力热管的蒸发段布置在太阳能真空集热管的向阳面,热泵蒸发器的蒸发管路布置在太阳能真空集热管的背阴面。
太阳能反射板为采用铝、铝合金或不锈钢材料抛光而成的金属板,用来将太阳光反射到太阳能真空集热管背阴面,增加太阳能真空集热管对太阳辐射的吸收面积。
复合相变蓄能材料由高熔点相变材料和低熔点相变材料复合而成,复合相变蓄能材料采用62#石蜡和癸酸或采用62#石蜡和月桂酸,等。
复合相变蓄能材料根据不同季节分高温区蓄热模式和低温区蓄热模式,高温区蓄热模式时复合相变蓄能材料在高相变温区蓄能和释能,低温区蓄热模式时复合相变蓄能材料在低相变温区蓄能和释能,具体过程如下:
(1)高温区蓄热模式:夏季时,太阳辐射充足,双温区蓄能型太阳能集热器内温度高,高熔点相变材料先以固态显热蓄热,达到相变温度后继续以潜热形式蓄热;而低熔点相变材料先以固态显热蓄热,达到相变温度后利用潜热蓄热,相变完成后继续以液态显热蓄热;夜间复合相变蓄能材料释能时稳定在高相变温区;
(2)低温区蓄热模式:过渡季节或冬季时,太阳辐射不足,双温区蓄能型太阳能集热器内温度低,达不到高熔点相变材料的相变温度,高熔点相变材料始终以固态显热形式蓄热,未发生相变;低熔点相变材料分别以固态显热、相变潜热储存太阳能,夜间复合相变蓄能材料释能时稳定在低相变温区。
冷凝管路的环绕半径为储水箱半径的2/3到3/4之间。
储水箱的容积为150L-250L,其外表面裹覆保温层,储水箱的上方设有安全阀,下方设有排污阀。
双温区蓄能供热型太阳能热水系统的工作方法,双温区蓄能供热型太阳能热水系统的工作方法包括高温区工作模式和低温区工作模式,按重力热管的热管工质循环和热泵的制冷剂循环,具体过程如下:
(1)高温区工作模式
夏季时,关闭压缩机,热泵制冷剂回路停止工作,只有重力热管在工作;
热管工质循环:太阳能真空集热管中的复合相变蓄能材料在高温相变温区蓄能和释能,传递的瞬时太阳能或者白天储存夜间放出的热量足够多,重力热管的蒸发段吸收这部分能量后,热管工质吸热汽化进入重力热管的冷凝段,随后在冷凝段放热,热管工质释放的热量直接加热储水箱中的水,冷凝后的热管工质在重力作用下返回蒸发段继续吸收复合相变蓄能材料的热量,如此循环往复完成热管工质循环;
(2)低温区工作模式
过渡季节及冬季时,重力热管和热泵制冷剂回路同时工作;
热管工质循环:太阳能真空集热管中的复合相变蓄能材料在低温相变温区蓄能和释能,复合相变蓄能材料温度高于储水箱内的循环水温时,重力热管将复合相变蓄能材料传递的或者白天储存夜间放出的一部分热量传给储水箱中的循环水;复合相变蓄能材料温度低于储水箱内的循环水温时,重力热管工质循环停止,且不进行反向传热;
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以上所述仅为本发明的优选例实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.双温区蓄能供热型太阳能热水系统,包括储水箱和太阳能反射板,储水箱一端进水,另一端出水,其特征在于:还包括双温区蓄能型太阳能集热器、热泵制冷剂回路和重力热管;储水箱设于双温区蓄能型太阳能集热器上方,双温区蓄能型太阳能集热器包括至少两根太阳能真空集热管,太阳能真空集热管内填充有复合相变蓄能材料;太阳能真空集热管设于太阳能反射板的向阳面;热泵制冷剂回路包括以制冷剂管路依次串联的热泵蒸发器、压缩机、冷凝器和电子膨胀阀,热泵蒸发器的蒸发管路以U形管的形式布置在太阳能真空集热管内,并采用并联的方式连接,冷凝器的冷凝管路以环绕的方式布置于储水箱内;重力热管的冷凝段插入储水箱下端,并在连接处做密封处理,重力热管的蒸发段插入太阳能真空集热管内。
2.根据权利要求1所述的双温区蓄能供热型太阳能热水系统,其特征在于:储水箱中水的流向与冷凝器内的制冷剂的流向形成逆流传热,且储水箱的热水出水口通过出水阀设于冷凝器进储水箱处的上方,储水箱的冷水进水口通过进水阀设于冷凝器出储水箱处的下方。
3.根据权利要求1所述的双温区蓄能供热型太阳能热水系统,其特征在于:重力热管的蒸发段布置在太阳能真空集热管的向阳面,热泵蒸发器的蒸发管路布置在太阳能真空集热管的背阴面。
4.根据权利要求1所述的双温区蓄能供热型太阳能热水系统,其特征在于:复合相变蓄能材料由高熔点相变材料和低熔点相变材料复合而成,复合相变蓄能材料采用62#石蜡和癸酸或采用62#石蜡和月桂酸。
5.根据权利要求1所述的双温区蓄能供热型太阳能热水系统,其特征在于:复合相变蓄能材料根据不同季节分高温区蓄热模式和低温区蓄热模式,高温区蓄热模式时复合相变蓄能材料在高相变温区蓄能和释能,低温区蓄热模式时复合相变蓄能材料在低相变温区蓄能和释能,具体过程如下:
(1)高温区蓄热模式:夏季时,太阳辐射充足,双温区蓄能型太阳能集热器内温度高,高熔点相变材料先以固态显热蓄热,达到相变温度后继续以潜热形式蓄热;而低熔点相变材料先以固态显热蓄热,达到相变温度后利用潜热蓄热,相变完成后继续以液态显热蓄热;夜间复合相变蓄能材料释能时稳定在高相变温区;
(2)低温区蓄热模式:过渡季节或冬季时,太阳辐射不足,双温区蓄能型太阳能集热器内温度低,达不到高熔点相变材料的相变温度,高熔点相变材料始终以固态显热形式蓄热,未发生相变;低熔点相变材料分别以固态显热、相变潜热储存太阳能;夜间复合相变蓄能材料释能时稳定在低相变温区。
6.根据权利要求1所述的双温区蓄能供热型太阳能热水系统,其特征在于:冷凝管路的环绕半径为储水箱半径的2/3到3/4之间。
7.根据权利要求1所述的双温区蓄能供热型太阳能热水系统,其特征在于:储水箱的容积为150L-250L,其外表面裹覆保温层,储水箱的上方设有安全阀,下方设有排污阀。
8.根据权利要求1所述的双温区蓄能供热型太阳能热水系统的工作方法,其特征在于:双温区蓄能供热型太阳能热水系统的工作方法包括高温区工作模式和低温区工作模式,按重力热管的热管工质循环和热泵的制冷剂循环,具体过程如下:
(1)高温区工作模式
夏季时,关闭压缩机,热泵制冷剂回路停止工作,只有重力热管在工作;
热管工质循环:太阳能真空集热管中的复合相变蓄能材料在高温相变温区蓄能和释能,传递的瞬时太阳能或者白天储存夜间放出的热量足够多,重力热管的蒸发段吸收这部分能量后,热管工质吸热汽化进入重力热管的冷凝段,随后在冷凝段放热,热管工质释放的热量直接加热储水箱中的水,冷凝后的热管工质在重力作用下返回蒸发段继续吸收复合相变蓄能材料的热量,如此循环往复完成热管工质循环;
(2)低温区工作模式
过渡季节及冬季时,重力热管和热泵制冷剂回路同时工作;
热管工质循环:太阳能真空集热管中的复合相变蓄能材料在低温相变温区蓄能和释能,复合相变蓄能材料温度高于储水箱内的循环水温时,重力热管将复合相变蓄能材料传递的或者白天储存夜间放出的一部分热量传给储水箱中的循环水;复合相变蓄能材料温度低于储水箱内的循环水温时,重力热管工质循环停止,且不进行反向传热;
热泵的制冷剂循环:布置在太阳能真空集热管内的热泵蒸发器的蒸发管路中的制冷剂得到复合相变蓄能材料传递或释放的另一部分热量后汽化成制冷剂蒸气,制冷剂蒸气经压缩机加压后进入冷凝器,冷凝器中制冷剂蒸气释放热量直接加热储水箱中的循环水,制冷剂蒸气放出热量后冷却凝结为制冷剂液体,制冷剂液体通过电子膨胀阀节流降压,再进入热泵蒸发器的蒸发管路中,继续吸收来自复合相变蓄能材料的热量,如此周而复始完成热泵制冷剂循环。
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