CN109268925A - 一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，由太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统及控制系统组成；太阳能光热系统通过一号水箱与空气源热泵系统相连接，空气源热泵系统通过二号水箱与末端用户系统相连接；控制系统用于控制太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统的工作；太阳能光热系统包括太阳能集热器、自来水补水管；空气源热泵系统包括空气源热泵机组；末端用户系统包括末端用户设备；本发明实现优先和最大化利用太阳能可再生能源、利用空气能来保证热水系统热量和温度需求的目的，同时具有灵活的控制系统，不仅便利了运营，同时实现了显著的能源节约、降低了建筑热水系统的运营成本。

Description

一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统
技术领域
本发明涉及一种集中热水系统，尤其涉及一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统。
背景技术
在我国，商业建筑热水主要采用煤炭锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、电锅炉等形式提供，民用建筑热水主要采用电热水器、燃气热水器、太阳能热水器等形式提供。以上几种形式的能耗利用率不高，造成能源的大量浪费，尤其是传统燃煤或燃油供暖会造成的大气污染，不适用于大力推广应用，因此使用清洁能源是顺应时代的趋势，对我国缓解和解决大气污染具有重要意义。目前，虽然太阳能和空气源热泵集中热水系统已有应用，但仍存在着一些缺陷：
1、未能充分利用太阳能
常规的太阳能和空气源热泵集中热水系统只有一个热水箱，自来水先经过供水管由水泵输送至太阳能集热器加热后，立即输送至热水箱中，由空气源热泵机组通过不断循环加热来实现热水温度要求。这个过程中，自来水仅循环一次太阳能光热系统，没有充分利用太阳能资源，造成资源浪费。
2、控制系统不够灵活
民用建筑集中热水系统的传统控制系统中控制模式和输出信号一经程序编制后，只能通过机房内的设备监控系统进行调整，不能实现客户端模式的移动灵活控制；并且传统的控制系统的控制功能单一，不能灵活的针对功能需求进行控制，使用性差，应用范围十分局限，不利于运营管理和成本节约。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，由太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统及控制系统组成；太阳能光热系统通过一号水箱与空气源热泵系统相连接，空气源热泵系统通过二号水箱与末端用户系统相连接；控制系统用于控制太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统的工作；
太阳能光热系统包括太阳能集热器、一号水泵、自来水补水管、一号供水管、一号回水管；自来水补水管连接在一号水箱上，用于一号水箱的补水，保证一号水箱的液位和水量；
一号供水管一端连接在一号水箱一侧的下部、另一端与太阳能集热器相连接，一号供水管上设置有一号水泵；一号回水管一端连接在一号水箱的顶部、另一端与太阳能集热器的相连接；一号供水管为太阳能光热系统的供水管路，一号水箱内的水经一号供水管由一号水泵输送至太阳能集热器进行加热，太阳能集热器中被加热的水经一号回水管回到一号水箱中；
空气源热泵系统包括二号供水管、二号水泵、三号供水管、二号回水管、空气源热泵机组；二号供水管一端连接在一号水箱的另一侧下部、另一端与二号水箱相连接，二号供水管上设置有二号水泵，一号水箱内的水经二号供水管由二号水泵输送至二号水箱中，补充二号水箱中热水消耗；
三号供水管一端连接在二号水箱的一侧下部、另一端与空气源热泵机组相连接；二号回水管一端连接在二号水箱的顶部、另一端与空气源热泵机组相连接；三号供水管为空气源热泵系统的供水管路，二号水箱内的水经三号供水管输送至空气源热泵机组中进一步加热，加热后的水经由二号回水管回收到二号水箱中；
末端用户系统包括四号供水管、三号水泵、末端用户设备、三号回水管；四号供水管的一端连接在二号水箱的另一侧下部、另一端与连接在末端用户设备上，四号供水管上设置有三号水泵；三号回水管一端连接在二号水箱的顶部、另一端与用户端设备相连接；四号供水管为末端用户系统的供水管路，二号水箱的热水经四号供水管由四号水泵输送至末端用户设备上，末端用户设备内剩余的水低于设定温度时，经由三号回水管回收到二号水箱中。
进一步地，一号水箱和二号水箱的内部均设有保温层。
进一步地，一号供水管、一号回水管、二号供水管、三号供水管、二号回水管、四号供水管、三号回水管上均包裹有保温材料。
进一步地，一号水泵、二号水泵、三号水泵均设置有配套的电磁阀，分别为一号电磁阀、二号电磁阀、三号电磁阀。
进一步地，三号回水管上设置有四号电磁阀。
本发明采用太阳能集热与空气源热泵联合集中加热的控制系统方式，实现优先和最大化利用太阳能可再生能源、利用空气能来保证热水系统热量和温度需求的目的，不仅可以有效确保用户端所需的热水量，同时仅通过少部分用电就能调动可再生能源和清洁能源，大大降低化传统能源消耗和环境污染；同时，由于具有灵活的控制系统，能够实现客户端监测，也将大大提高该集中热水系统的运营准确性和舒适性，具有运营费用低、节约环保的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：1、一号水箱；2、太阳能集热器；3、一号水泵；4、自来水补水管；5、一号供水管；6、一号回水管；7、二号供水管；8、二号水泵；9、二号水箱；10、三号供水管；11、二号回水管；12、空气源热泵机组；13、四号供水管；14、三号水泵；15、末端用户设备；16、三号回水管；17、一号电磁阀；18、二号电磁阀；19、三号电磁阀；20、四号电磁阀；21、温度传感器一；22、温度传感器二；23、温度传感器三；24、温度传感器四；25、温度传感器五；26、液位传感器一；27、液位传感器二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，由太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统及控制系统组成；太阳能光热系统通过一号水箱1与空气源热泵系统相连接，空气源热泵系统通过二号水箱9与末端用户系统相连接；控制系统用于控制太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统的工作；
太阳能光热系统包括太阳能集热器2、一号水泵3、自来水补水管4、一号供水管5、一号回水管6；自来水补水管4连接在一号水箱1上，用于一号水箱1的补水，保证一号水箱1的液位和水量；
一号供水管5一端连接在一号水箱1一侧的下部、另一端与太阳能集热器2相连接，一号供水管5上设置有一号水泵3；一号回水管6一端连接在一号水箱1的顶部、另一端与太阳能集热器2的相连接；一号供水管5为太阳能光热系统的供水管路，一号水箱1内的水经一号供水管5由一号水泵3输送至太阳能集热器2进行加热，太阳能集热器2中被加热的水经一号回水管6回到一号水箱1中；
空气源热泵系统包括二号供水管7、二号水泵8、三号供水管10、二号回水管11、空气源热泵机组12；二号供水管7一端连接在一号水箱1的另一侧下部、另一端与二号水箱9相连接，二号供水管7上设置有二号水泵8，一号水箱1内水的温度达到设定值Tx后经二号供水管7由二号水泵8输送至二号水箱9中，补充二号水箱9中热水消耗；
三号供水管10一端连接在二号水箱9的一侧下部、另一端与空气源热泵机组12相连接；二号回水管11一端连接在二号水箱9的顶部、另一端与空气源热泵机组12相连接；三号供水管10为空气源热泵系统的供水管路，二号水箱9内的水经三号供水管10输送至空气源热泵机组12中进一步加热，加热后的水经由二号回水管11回收到二号水箱9中；
末端用户系统包括四号供水管13、三号水泵14、末端用户设备15、三号回水管16；四号供水管13的一端连接在二号水箱9的另一侧下部、另一端与连接在末端用户设备15上，四号供水管13上设置有三号水泵14；三号回水管16一端连接在二号水箱9的顶部、另一端与用户端设备15相连接；四号供水管13为末端用户系统的供水管路，二号水箱9的热水达到设定值Ty后经四号供水管13由四号水泵17输送至末端用户设备15上，末端用户设备15内剩余的水低于设定温度时，经由三号回水管16回收到二号水箱9中。
控制系统包括智能控制箱(即智能控制箱)、传感器、云服务器、客户终端，传感器通过无线信号(GPRS或5G)与智能控制箱(数据采集器)相连接，智能控制箱(数据采集器)将采集数据信息进一步传输到云服务器，云服务器将数据信息分析后传输至客户终端，实现客户端实时监测；客户终端根据需求将调控指令发送至云服务器，云服务器将指令信息传输至智能控制箱(数据采集器)，再由智能控制箱(数据采集器)输出指令DO实现具体设备运行状态的调控，从而实现客户端的远程调控。
其中，传感器包括温度传感器、液压传感器、水压传感器；温度传感器为六个，分别为温度传感器一21、温度传感器二22、温度传感器三23、温度传感器四24、温度传感器五25；温度传感器一21设置在一号回水管6上，为太阳能集热器顶部温度传感器；温度传感器二22设置在一号水箱1内，为一号水箱的温度传感器；温度传感器三23设置在一号供水管5上，为防冻循环温度传感器，安装在管路最低温度点处；温度传感器四24设置在二号水箱9内，为二号水箱的温度传感器；温度传感器五25设置在三号回水管16上，为末端用户系统的供水管路的温度传感器。
液压传感器为两个，分别为液位传感器一26、液位传感器二27，液位传感器一26设置在一号水箱内1，液位传感器二27设置在二号水箱9内，分别检测一号水箱、二号水箱内的水量情况；水压传感器设置在三号回水管16内，用于调节末端用户系统供水管路(即四号供水管)的水压。
客户终端可以是电脑或手机。通过手机上的app、登录网页等方式，可以接收到由云服务器传输过来的监测实时数据，并且在数据出现异常时，通过手机app、登录网页方式借助云服务器传输指令到智能控制器(数据采集器)，实现设备运营的远程控制或者报警。通过手机app、登录网页等移动控制方式，用户可以远程配置智能控制箱(数据采集器)，智能控制箱(数据采集器)通过接收传感器采集到的数据，可以根据设定的参数自动控制集中热水系统的开启、关闭、参数调整。
此外，一号水泵3、二号水泵8、三号水泵14均设置有配套的电磁阀，分别为一号电磁阀17、二号电磁阀18、三号电磁阀19，用于实现水泵的自动打开或关闭，并且三号回水管16上设置有四号电磁阀20，便于自动将末端用户设备内的水回收再次加热。其中，一号水泵是太阳能光热系统的循环泵，也是防冻循环泵；二号水泵是一号水箱相二号水箱供水的循环泵；三号水泵是二号水箱向末端用户设备供水的循环泵。
进一步地，为了增强防冻性能，在一号水箱1和二号水箱9的内部均设有保温层，在一号供水管5、一号回水管6、二号供水管7、三号供水管10、二号回水管11、四号供水管13、三号回水管16上均包裹有保温材料。
对于控制系统，能够控制太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统的工作，还能够通过控制作用以防止管道冻裂，增加了产品的使用寿命，具体的为：
1)控制系统控制太阳能光热系统、空气源热泵系统的工作方法为：
太阳能充足时，启动晴天模式，考虑到白天太阳能充足，因此太阳能光热系统为主要热水加热系统，空气源热泵热水为辅助加热系统；
一号水箱1通过连接的自来水补水管4保证一号水箱1的水量，一号水箱1内的水量达到一号水箱容纳量最大值时，一号水箱1内的一号液位传感器26将检测到液位信号传递给智能控制箱，智能控制箱接收到液压信号后控制一号水泵3及一号电磁阀18打开，一号水箱1内的水会不断输送至太阳能集热器2中加热，加热后的水输送回一号水箱1内；
当一号水箱1内的温度传感器二22检测到水的温度达到设定值Tx后，将温度信号传递给智能控制箱，智能控制箱在接收到温度信号之后控制二号水泵8及二号电磁阀19开启，二号水泵8将一号水箱1内的热水全部输送至二号水箱9中，同时，智能控制箱开启空气源热泵机组12运行，循环加热二号水箱9内的热水；当二号水箱9内的水量不足时，液位传感器二27检测到水位低于设定的最低水位并将水位信息传递给智能控制箱，智能控制箱在接收到水位信号之后控制二号水泵8及二号电磁阀19开启；
当二号水箱9内的温度传感器四24检测到温度达到设定值Ty后，将温度信号传递给智能控制箱，智能控制箱在接收到温度信号之后控制三号水泵14及三号电磁阀19开启，三号水泵14将二号水箱9内的水输送到末端用户设备中，供用户使用热水；
光照不充足时，启动阴天模式，此时太阳能光热系统效率较低，太阳能光热系统为辅助加热系统，空气源热泵系统作为主要加热系统；
当一号水箱1处的温度传感器二22检测到温度低于设定值Tx后，将温度信号传递给智能控制箱，智能控制箱在接收到温度信号之后控制二号水泵8及二号电磁阀19开启，二号水泵8将一号水箱1内的热水全部输送至二号水箱9中，同时，智能控制箱开启空气源热泵机组12运行，循环加热二号水箱内9的热水；
同理，当二号水箱9内的温度传感器四24检测到温度达到设定值Ty后，将温度信号传递给智能控制箱，智能控制箱在接收到温度信号之后控制三号水泵14及三号电磁阀19开启，三号水泵14将二号水箱9内的水输送到末端用户设备中，供用户使用热水。
对于设定值Tx、设定值Ty,则是根据天气、季节等因素确定，同时也可以通过客户终端进行实时监测与控制调整。
不需要热水供应或热水供应需求量少时：对于太阳能光热系统，温度传感器一21的温度值T1与温度传感器二22的温度值T2的差值≤2℃(即T1-T2≤2℃)时，一号水泵3关闭，太阳能加热系统停止加热；为保持热水随时且持续供应，当T1与T2的温度差值≥5℃(即T1-T2≥5℃)时，一号水泵3开启，太阳能加热系统开始加热；对于空气源热泵系统，当二号水箱内的温度传感器四24的温度值T4≥Ty时，空气源热泵机组12关闭，空气源热泵系统停止工作。
2)控制系统控制末端用户系统的工作方法为：
对于末端用户设备采用变频恒压的的方式供应热水，当末端用户设备放水后，四号供水管13的水压降低，水压传感器检测到水压值低于设定值后，启动增压水泵使水压达到设定值，保证快速供水；当三号回水管16内的温度传感器五25检测到水温低于设定值Tz时，将温度信号传递给智能控制箱，智能控制箱在接收到温度信号之后控制四号电磁阀20开启，将水循环回二号水箱9内，再次进行加热；当二号水箱9内的温度传感器四24检测到温度达到设定值Ty后，再次将水输送到末端用户设备中,其中，设定值Tz通常不高于设定值Ty。
3)控制系统控制管道防冻的工作方法为：
当温度传感器一21的温度值T1或温度传感器三23的温度值T3低于防冻温度设定值(默认10℃)时，一号水泵3及一号电磁阀17打开，进行循环防冻；当T1、T3均与防冻温度设定值的差值不小于5℃时，防冻循环停止。
本发明提供了一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，作为一种高效洁净的新型热水制备方式，将两种可再生能源综合利用，实现优势互补，广泛推广应用于各种建筑中。特别是在太阳能资源十分丰富的地区，将热泵技术和太阳能热利用技术有机结合起来，以空气源热泵作为传统太阳能热水器的辅助热源，可弥补太阳能热利用技术稳定性不足的缺憾，并实现其高效率、全天候运行。同时本发明的热水系统中设置了两个水箱，即一号水箱和二号水箱。一号水箱为太阳能加热水箱及自来水补水箱；二号水箱为空气源加热水箱，并向末端用户系统(即室内末端)供热水，同时末端用户系统回水回至二号水箱。
本发明的有益效果为：
1、通过二号供水管、二号水泵和二号电磁阀实现一号水箱内的热水在特定时段满足特定要求后导入到二号水箱中，控制更加灵活。
2、优先最大化利用太阳能，设计太阳能光热系统以及一号水箱，同时一号水箱连接有自来水补水管，让自来水通过太阳能光热系统不断循环加热、达到较高的温度后再进入下一程序空气源热泵热水系统中去。
3、空气源热泵系统的运行时间降低，并不是连续运行的，由于上一程序太阳能光热系统中热水温度较高，因此空气源热泵系统所需要提供的热量降低，设备运行时间响应降低。
4、一号热水水箱和二号水箱内部均设有保温层，各管路上均包裹有保温材料，用于降低其与外界空气因热交换而造成的能量损失。
5、采用更为灵活的客户终端监控方式，客户终端可以是电脑或手机。通过手机上的app、登录网页等方式，可以接收到由云服务器传输过来的监测实时数据，并且在数据出现异常时，通过手机app、登录网页方式借助云服务器传输指令到智能控制器(数据采集器)，实现设备运营的远程控制或者报警。通过手机app、登录网页等移动控制方式，用户可以远程配置智能控制箱(数据采集器)，智能控制箱(数据采集器)通过接收传感器采集到的数据，可以根据设定的参数自动控制集中热水系统的开启、关闭、参数调整。
6、控制系统还能控制管道防冻，极大的提供高了太阳能和空气源热泵集中热水系统的使用寿命，实用性强，运行的安全性更高。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，其特征在于：所述热水系统由太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统及控制系统组成；所述太阳能光热系统通过一号水箱(1)与空气源热泵系统相连接，空气源热泵系统通过二号水箱(9)与末端用户系统相连接；所述控制系统用于控制太阳能光热系统、空气源热泵系统、末端用户系统的工作；
所述太阳能光热系统包括太阳能集热器(2)、一号水泵(3)、自来水补水管(4)、一号供水管(5)、一号回水管(6)；所述自来水补水管(4)连接在一号水箱(1)上，用于一号水箱(1)的补水，保证一号水箱(1)的液位和水量；
所述一号供水管(5)一端连接在一号水箱(1)一侧的下部、另一端与太阳能集热器(2)相连接，一号供水管(5)上设置有一号水泵(3)；所述一号回水管(6)一端连接在一号水箱(1)的顶部、另一端与太阳能集热器(2)的相连接；所述一号供水管(5)为太阳能光热系统的供水管路，一号水箱(1)内的水经一号供水管(5)由一号水泵(3)输送至太阳能集热器(2)进行加热，太阳能集热器(2)中被加热的水经一号回水管(6)回到一号水箱(1)中；
所述空气源热泵系统包括二号供水管(7)、二号水泵(8)、三号供水管(10)、二号回水管(11)、空气源热泵机组(12)；所述二号供水管(7)一端连接在一号水箱(1)的另一侧下部、另一端与二号水箱(9)相连接，二号供水管(7)上设置有二号水泵(8)，一号水箱(1)内的水经二号供水管(7)由二号水泵(8)输送至二号水箱(9)中，补充二号水箱(9)中热水消耗；
所述三号供水管(10)一端连接在二号水箱(9)的一侧下部、另一端与空气源热泵机组(12)相连接；所述二号回水管(11)一端连接在二号水箱(9)的顶部、另一端与空气源热泵机组(12)相连接；所述三号供水管(10)为空气源热泵系统的供水管路，二号水箱(9)内的水经三号供水管(10)输送至空气源热泵机组(12)中进一步加热，加热后的水经由二号回水管(11)回收到二号水箱(9)中；
所述末端用户系统包括四号供水管(13)、三号水泵(14)、末端用户设备(15)、三号回水管(16)；所述四号供水管(13)的一端连接在二号水箱(9)的另一侧下部、另一端与连接在末端用户设备(15)上，四号供水管(13)上设置有三号水泵(14)；所述三号回水管(16)一端连接在二号水箱(9)的顶部、另一端与用户端设备(15)相连接；所述四号供水管(13)为末端用户系统的供水管路，二号水箱(9)的水经四号供水管(13)由四号水泵(17)输送至末端用户设备(15)上，末端用户设备(15)内剩余的水经由三号回水管(16)回收到二号水箱(9)中。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，其特征在于：所述一号水箱(1)和二号水箱(9)的内部均设有保温层。
3.根据权利要求2所述的基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，其特征在于：所述一号供水管(5)、一号回水管(6)、二号供水管(7)、三号供水管(10)、二号回水管(11)、四号供水管(13)、三号回水管(16)上均包裹有保温材料。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，其特征在于：所述一号水泵(3)、二号水泵(8)、三号水泵(14)均设置有配套的电磁阀，分别为一号电磁阀(17)、二号电磁阀(18)、三号电磁阀(19)。
5.根据权利要求4所述的基于太阳能和空气源热泵的集中热水系统，其特征在于：所述三号回水管(16)上设置有四号电磁阀(20)。
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