CN109579327A - 太阳能热集热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制热介质冻结并且兼具较高的集热效率和经济性的太阳能热集热系统。太阳能热集热系统(1)具有：第1热介质配管(31)，其将来自太阳能热集热器(10)的热介质返回到蓄热槽(20)的槽上部；第2热介质配管(32)，其将存在于蓄热槽(20)的槽下部的热介质供给到太阳能热集热器(10)；第3热介质配管(37)，其将来自太阳能热集热器(10)的热介质返回到蓄热槽(20)的槽下部；三通阀(45)，其将向蓄热槽(20)返回的热介质的路径在第1热介质配管(31)与第3热介质配管(37)之间切换；以及冻结抑制泵(41)，其被设置于第2热介质配管(32)，使热介质循环。

Description

太阳能热集热系统

技术领域

本发明涉及太阳能热集热系统。

背景技术

以往，已知有利用可再生能量的太阳能热集热系统。太阳能热集热系统被构成为以对太阳能热进行集热的太阳能热集热器和对集热到的太阳能热进行蓄热的蓄热槽为主体。若将太阳能热集热系统较大地分类，则根据集热回路的形态而存在开放型系统和密闭型系统这2个类型。

然而，在对集热回路的热介质使用了水等的情况下，根据使用环境的不同，在冬季会发生热介质冻结的问题。在开放型系统中，通过利用太阳能热集热器的设置高度，从而将到蓄热槽的热介质配管设定为下坡，并通过使太阳能热集热器及热介质配管的热介质落水，从而抑制了冻结。另一方面，在密闭型的系统中，因为无法利用热介质的落水，所以通过对热介质使用防冻液，从而实现了冻结的抑制。不过，因为防冻液价格昂贵，所以已知分割成包含容积较大的蓄热槽的回路和集热回路，并将两者用热交换器进行热连接的构成(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2013-164173号公报

但是，在专利文献1所公开的构成的情况下，不仅需要追加热交换器，还需要进行系统构成及控制的大幅变更，另外，在集热回路侧也会产生设计变更，因此，有可能导致系统整体成本增加。另外，在利用热交换器的情况下，因为需要温度差，所以需要将集热温度设定得较高，有可能导致集热效率降低。

发明内容

本发明欲解决的技术问题

本发明是鉴于该情况而完成的，其目的在于提供一种抑制热介质冻结并兼具经济性和较高的集热效率的太阳能热集热系统。

用于解决问题的技术方案

为了解决该问题，本发明提供一种太阳能热集热系统，其包括：太阳能热集热器，其利用太阳能热来加热热介质；以及蓄热槽，其贮存由太阳能热集热器加热后的热介质。该太阳能热集热系统具有：第1热介质配管，其将来自太阳能热集热器的热介质返回到蓄热槽的槽上部；第2热介质配管，其将存在于蓄热槽的槽下部的热介质供给到太阳能热集热器；第3热介质配管，其将来自太阳能热集热器的热介质返回到蓄热槽的槽下部；切换单元，其将向蓄热槽返回的热介质的路径在第1热介质配管与第3热介质配管之间切换；以及冻结抑制泵，其被设置于第2热介质配管，使热介质循环。

此处，本发明也可以是，还具有被设置于第2热介质配管并在太阳能热的集热时使热介质循环的集热泵。在此情况下，优选的是，第2热介质配管包括绕过集热泵的旁路配管，冻结抑制泵被设置于旁路配管并且与集热泵相比泵容量更小。

另外，在本发明中，也可以是，冻结抑制泵被与在太阳能热的集热时使热介质循环的集热泵兼用。

另外，本发明也可以是，还具有：热介质温度传感器，其对流入到太阳能热集热器中的热介质的温度进行检测；以及控制部，其基于热介质温度传感器的检测结果来控制切换单元及冻结抑制泵。

另外，在本发明中，优选的是，控制部在由热介质温度传感器检测的热介质的温度为判定热介质的低温状态的判定温度以下的情况下，使冻结抑制泵起动，并且将切换单元从第1热介质配管切换到第3热介质配管。

另外，在本发明中，优选的是，控制部在冻结抑制泵的起动后由热介质温度传感器检测的热介质的温度比判定温度上升了预定温度以上的情况下，使冻结抑制泵停止。

发明效果

根据本发明，能够提供一种抑制热介质冻结并且兼具经济性和较高的集热效率的太阳能热集热系统。

附图说明

图1是示意性地示出本实施方式涉及的太阳能热集热系统的构成的图。

图2是示出本实施方式涉及的太阳能热集热系统的动作的流程图。

图3是说明热介质的循环状态的图。

图4是说明切换单元的变形例的图。

附图标记说明

1 太阳能热集热系统

10 太阳能热集热器

20 蓄热槽

20a～20e 连接部

30 热介质配管

31 第1热介质配管

32 第2热介质配管

35 热介质去程配管

36 热介质返回配管

37 第3热介质配管

38 旁路配管

40 集热泵

41 冻结抑制泵

45 三通阀(切换单元)

50 控制器(控制部)

51 热介质温度传感器

具体实施方式

以下，说明本实施方式涉及的太阳能热集热系统1。此处，图1是示意性地示出本实施方式涉及的太阳能热集热系统1的构成的图。

太阳能热集热系统1是对太阳能热进行集热并将该集热到的太阳能热进行蓄热、或者供给到热利用设备的系统。热利用设备是指利用热来进行运转等的设备，例如、利用热进行驱动的吸收式冷温水机等冷暖气设备系统、利用热来将被供给的水煮沸并进行供热水的供热水系统属于该热利用设备。太阳能热集热系统1被构成为以太阳能热集热器10、蓄热槽20、热介质配管30以及控制器50为主体。

太阳能热集热器10利用太阳能热来加热热介质。太阳能热集热器10被设置在屋顶、阳台等日照好的场所。从低成本地构筑太阳能热集热系统1的角度考虑，对热介质使用了水。

蓄热槽20对热介质所保有的热即由太阳能热集热器10集热的热(太阳能热)进行蓄热、或者将蓄热到的热供给到热利用设备。蓄热槽20由在内部贮存热介质的罐构成，包括：躯体部21、第1端壁22以及第2端壁23。躯体部21是沿着轴向成为长边的中空圆筒状的构件，例如被以轴向沿着上下方向的方式配置。第1端壁22具有向上侧膨出的形状，被配置在躯体部21的上端并将其封闭。第2端壁23具有向下侧膨出的形状，被配置在躯体部21的下端并将其封闭。

在蓄热槽20设置有与热介质配管30连接的5个连接部20a～20e。第1连接部20a及第2连接部20b被设置在蓄热槽20的槽上部。另外，第3连接部20c、第4连接部20d及第5连接部20e被设置在蓄热槽20的槽下部。

具体而言，第1连接部20a被设置在第1端壁22的顶部(朝上的顶部)，第2连接部20b被设置在躯体部21的上端。另外，第3连接部20c及第4连接部20d被设置在躯体部21的下端，第5连接部20e被设置在第2端壁23的顶部(朝下的顶部)。

此外，槽上部及槽下部只不过是示出相对的上下关系，并非仅限定性地表示蓄热槽20的上侧区域及下侧区域。

热介质配管30是供热介质流动的配管，包括：第1热介质配管31、第2热介质配管32、热介质去程配管35以及热介质返回配管36。

第1热介质配管31及第2热介质配管32是构成对太阳能热集热器10与蓄热槽20之间进行连接的集热回路的配管。第1热介质配管31是将来自太阳能热集热器10的热介质(由太阳能热加热后的热介质)返回到蓄热槽20的槽上部的配管。第1热介质配管31被连接于太阳能热集热器10和蓄热槽20的第1连接部20a。第2热介质配管32是将来自蓄热槽20的热介质(低温区域的热介质)供给到太阳能热集热器10的配管。第2热介质配管32被连接于蓄热槽20的第3连接部20c和太阳能热集热器10。

在第2热介质配管32上设置有作为使热介质循环的驱动源的集热泵40。通过使集热泵40起动，从而热介质在太阳能热集热器10与蓄热槽20之间循环。通过该热介质的循环，由太阳能热集热器10集热到的太阳能热被蓄热到蓄热槽20。

热介质去程配管35及热介质返回配管36是构成将蓄热槽20和热利用设备(未图示)连接的回路的配管。

热介质去程配管35是将贮存在蓄热槽20中的热介质供给到热利用设备的配管。热介质去程配管35被连接于蓄热槽20的第2连接部20b和热利用设备。热介质返回配管36是将在热利用设备中被热利用后的热介质返回到蓄热槽20的配管。热介质返回配管36被连接于热利用设备和蓄热槽20的第4连接部20d。

另外，在本实施方式的太阳能热集热系统1中，热介质配管30还包括第3热介质配管37。第3热介质配管37是为了抑制热介质冻结而准备的配管。该第3热介质配管37是将来自太阳能热集热器10的热介质返回到蓄热槽20的槽下部的配管。在本实施方式中，第3热介质配管37是将其配管上游侧与第1热介质配管31共有的构成，从第1热介质配管31的途中分支，其端部被连接于蓄热槽20的第5连接部20e。此外，也可以是采用将第3热介质配管37直接连接于太阳能热集热器10的出口部并使第1热介质配管31和第3热介质配管37并列的配管构成。

另外，太阳能热集热系统1包括切换单元，将从太阳能热集热器10返回到蓄热槽20的热介质的路径在第1热介质配管31与第3热介质配管37之间切换。在本实施方式中，切换单元由被设置在第3热介质配管37与第1热介质配管31的分支点的三通阀45构成。

另外，第2热介质配管32包括绕过集热泵40的旁路配管38。利用该旁路配管38，将比集热泵40靠上游侧和比集热泵40靠下游侧相互连接。

在旁路配管38上设置有作为使热介质循环的驱动源的冻结抑制泵41。通过使该冻结抑制泵41起动，从而即使在使集热泵40停止的状态下，也能够使热介质在太阳能热集热器10与蓄热槽20之间循环。通过利用热介质的循环使热介质流动，从而能够抑制热介质的冻结。

另外，在本实施方式中，冻结抑制泵41被设定为比集热泵40的泵容量小的泵容量。例如，冻结抑制泵41的泵容量被设定为集热泵40的泵容量的10％左右。

控制器50是担任太阳能热集热系统1的控制的控制部。对控制器50，作为控制输入，输入来自各种传感器等的信号。控制器50基于控制输入来进行各种的运算，将根据运算结果的控制输出向太阳能热集热系统1的各部输出。作为控制器50，能够使用被以CPU、ROM、RAM、I/O接口为主体而构成的微型计算机。

在与本实施方式的关系中，在第2热介质配管32上设置有热介质温度传感器51，对被供给到太阳能热集热器10的热介质的温度进行检测。控制器50基于热介质温度传感器51的检测结果，来控制三通阀45及冻结抑制泵41。

以下，说明本实施方式涉及的太阳能热集热系统1的动作。此处，图2是示出本实施方式的太阳能热集热系统1的动作的流程图。该流程图所示的处理被以预定的周期调用，并由控制器50执行。

首先，在步骤1(S1)中，控制器50利用热介质温度传感器51来检测热介质的温度。

在步骤2(S2)中，控制器50判断热介质的温度是否为判定温度以下。该判定温度是用于判定热介质的低温状态的参数，是基于热介质的冻结温度而预先设定的(例如3℃)。在热介质的温度为判定温度以下的情况下，在步骤2中被肯定判定，前进到步骤3(S3)。另一方面，在热介质的温度比判定温度高的情况下，在步骤2中被否定判定，前进到后述的步骤10(S10)。

在步骤3中，控制器50使冻结抑制泵41起动。

在步骤4(S4)中，控制器50控制三通阀45，将向蓄热槽20返回的热介质的路径切换到第3热介质配管37侧。

通过起动冻结抑制泵41，从而蓄热槽20的热介质被吸入到第3连接部20c，并流出到第2热介质配管32。顺便说明，在会发生热介质的冻结的夜晚等的情况下，蓄热槽20内的热介质具有从下方到上方而从低温变成高温的温度分布。另外，第3连接部20c位于蓄热槽20的槽下部。因此，通过起动冻结抑制泵41，从而存在于蓄热槽20下层的热介质，即，低温区域的热介质流出到第2热介质配管32。该低温区域的热介质经由旁路配管38及第2热介质配管32而被送到太阳能热集热器10。被送到太阳能热集热器10的热介质一旦经由了第1热介质配管31之后，流过三通阀45及第3热介质配管37，从第5连接部20e流入到蓄热槽20的内部。因为第5连接部20e与第3连接部20c同样位于蓄热槽20的槽下部，所以经由了第3热介质配管37的热介质返回到蓄热槽20的下层(低温区域的热介质所存在的层)。即，通过利用了第3热介质配管37的热介质的循环，从而不必搅拌蓄热槽20内的高温域的热介质，就能够使低温区域的热介质循环(参照图3)。这样的一系列的流程中示出的低温区域的热介质的循环相当于抑制热介质冻结的控制(冻结抑制控制)。

在步骤5(S5)中，控制器50将控制标志F设定为“1”。

在步骤6(S6)中，控制器50判断热介质的温度是否比判定温度上升了预定温度ΔT(例如3℃)以上。在有预定温度ΔT以上的温度上升的情况下，在步骤6中被肯定判定，前进到步骤7(S7)。另一方面，在没有预定温度ΔT以上的温度上升的情况下，在步骤6中被否定判定，结束本例程(返回)。

在步骤7中，控制器50使冻结抑制泵41停止。

在步骤8(S8)中，控制器50控制三通阀45，将向蓄热槽20返回的热介质的路径从第3热介质配管37侧切换到第1热介质配管31侧。

在步骤9(S9)中，控制器50将控制标志F重置为“0”。

另一方面，在步骤10中，控制器50判断控制标志F是否为“1”。在冻结抑制控制为执行中的情况下，因为控制标志F为“1”，所以在步骤10被肯定判定，前进到步骤6。另一方面，在冻结抑制控制未被进行的情况下，因为控制标志F为“0”，所以在步骤10中被否定判定，结束本例程(返回)。

这样，本实施方式涉及的太阳能热集热系统1包括冻结抑制泵41以及第3热介质配管37，所以能够使被贮存在蓄热槽20内的低温区域的热介质，即，比外气温更温暖的热介质在太阳能热集热器10与蓄热槽20之间循环。由此，热介质会流动，所以能够抑制热介质的冻结。

而且，根据本实施方式，因为能够利用热介质的循环作用来抑制冻结，所以不需要对热介质使用防冻液。因此，不需要采用使用了热交换器的构成，也不需要热交换器的追加、系统构成及控制的大幅变更、集热回路侧的设计变更，因此，能够抑制成本升高。另外，因为能够使太阳能热集热器10与蓄热槽20共有热介质，所以不需要如使用热交换器的情况那样的温度差。由此，能够实现集热效率的提高。另外，因为不需要使用防冻液，所以在回路内不需要膨胀罐，也不需要进行防冻液的管理。由此，能够简单地进行系统管理。这样，根据本实施方式涉及的太阳能热集热系统1，能够提供抑制热介质冻结、并且兼有经济性和较高的集热效率的系统。

另外，根据本实施方式，因为使用将热介质返回到蓄热槽20的槽下部的第3热介质配管37来使低温区域的热介质循环，所以低温区域的热介质不会被返回到存在于蓄热槽20的槽上部的高温域的热介质。因此，因为存在于蓄热槽20的槽上部的高温域的热介质不被搅拌，能够持续停留，所以能够抑制热介质的极端的温度降低。

另外，根据本实施方式，在将太阳能热的集热时起动的集热泵40绕过的旁路配管38上设置有与集热泵40相比泵容量小的冻结抑制泵41。在防止热介质冻结的情况下，不需要如进行太阳能热的集热时那样积极地使热介质循环。因此，冻结抑制泵41是较小的泵容量就足够。另外，通过使用泵容量较小的冻结抑制泵41，从而能够抑制系统的能量消耗。由此，能够降低系统的运转成本。

另一方面，也可以不设置冻结抑制泵41，而是使集热泵40起动，为了抑制冻结而进行热介质的循环。根据该构成，因为冻结抑制泵41被与在太阳能热的集热时使热介质循环的集热泵40兼用，所以能够用简单的系统构成实现冻结抑制。

另外，根据本实施方式，当判断由热介质温度传感器51检测的热介质的温度为判定温度以下时，利用控制器50使冻结抑制泵41起动，并且，将三通阀45从第1热介质配管31侧切换到第3热介质配管37侧。由此，在发生热介质冻结的状况下，因为热介质的循环被实时地开始，所以能够适当地抑制热介质的冻结。

另外，根据本实施方式，在热介质的温度比判定温度上升了预定温度ΔT以上的情况下，使冻结抑制泵41停止。由此，只要在热介质发生冻结那样的期间，冻结抑制泵41就使热介质循环。其结果，因为能够使冻结抑制泵41有效率地动作，所以能够抑制系统的能量消耗。由此，能够降低系统的运转成本。

此外，在本实施方式中，作为将从太阳能热集热器10返回到蓄热槽20的热介质的路径在第1热介质配管31与第3热介质配管37之间进行切换的切换单元，利用了三通阀45。但是，如图4所示，也可以在第3热介质配管37设置二通换向阀46，并且在第1热介质配管31(比第3热介质配管37与第1热介质配管31的分支点靠下游侧)设置二通换向阀47，利用这些二通换向阀46、47来构成切换单元。在此情况下，控制器50控制二通换向阀46、47，以使二通换向阀46、47的动作成为相反的关系。例如，如果将二通换向阀46设为开，则将二通换向阀47设为闭。

以上，说明了本实施方式涉及的太阳能热集热系统，但是，本发明不限定于本实施方式，当然能够在其发明的范围内进行各种变更。

作为热介质，不限于水，能够对可能冻结的各种热介质适用。另外，本系统中，作为热介质，也可以使用防冻液、或者水和防冻液的混合液。

Claims (6)

1.一种太阳能热集热系统，其包括：

太阳能热集热器，其利用太阳能热来加热热介质；以及

蓄热槽，其贮存由所述太阳能热集热器加热后的热介质，

在所述太阳能热集热系统中，具有：

第1热介质配管，其将来自所述太阳能热集热器的热介质返回到所述蓄热槽的槽上部；

第2热介质配管，其将存在于所述蓄热槽的槽下部的热介质供给到所述太阳能热集热器；

第3热介质配管，其将来自所述太阳能热集热器的热介质返回到所述蓄热槽的槽下部；

切换单元，其将向所述蓄热槽返回的热介质的路径在所述第1热介质配管与所述第3热介质配管之间切换；以及

冻结抑制泵，其被设置于所述第2热介质配管，使热介质循环。

2.如权利要求1所述的太阳能热集热系统，其中，

还具有集热泵，该集热泵被设置于所述第2热介质配管，在太阳能热的集热时使热介质循环，

所述第2热介质配管包括绕过所述集热泵的旁路配管，

所述冻结抑制泵被设置于所述旁路配管，并且与所述集热泵相比泵容量更小。

3.如权利要求1所述的太阳能热集热系统，其中，

所述冻结抑制泵被与在太阳能热的集热时使热介质循环的集热泵兼用。

4.如权利要求1-3中任一项所述的太阳能热集热系统，其中，还具有：

热介质温度传感器，其对流入到所述太阳能热集热器中的热介质的温度进行检测；以及

控制部，其基于所述热介质温度传感器的检测结果来控制所述切换单元及所述冻结抑制泵。

5.如权利要求4所述的太阳能热集热系统，其中，

所述控制部在由所述热介质温度传感器检测的热介质的温度为判定热介质的低温状态的判定温度以下的情况下，使所述冻结抑制泵起动，并且将所述切换单元从所述第1热介质配管切换到所述第3热介质配管。

6.如权利要求5所述的太阳能热集热系统，其中，

所述控制部在所述冻结抑制泵的起动后，在由所述热介质温度传感器检测的热介质的温度比所述判定温度上升了预定温度以上的情况下，使所述冻结抑制泵停止。