CN110345548B - 一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统及其控制方法，发明人通过研究一天当中太阳辐射的强度变化，以及现有供暖水箱内水温变化，设计了一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统及其控制方法，引入相变材料以达到能量的“削峰填谷”作用；太阳辐射充足时，可以将多余的能量储存至相变材料，减小热水与外界之间的温差，从而减少热量散失，提高太阳能利用率；在太阳辐射不足时，由相变材料所储能量进行末端供暖；再配合新型热水回路，能较好的分配和使用热量，提高太阳能利用率，减少能源的浪费。

Description

一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统及其控制方法

技术领域

本发明属于集热耦合相变蓄热材料采暖技术领域，特别涉及一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统及其控制方法。

背景技术

太阳能供暖系统是指将分散的太阳能通过太阳能集热器把太阳能转换成热水，然后通过将热水输送到发热末端来提供建筑供热需求的一种采暖系统；太阳能供暖技术对我国建筑节能有着非常积极的作用，是今后太阳能光热利用的新方向；尤其是对我国北方太阳能充足的偏远山区，采用太阳能供暖更加灵活且成本比集中供暖更加便宜。

如图1所示为现有的比较常见的一种太阳能供暖系统的结构示意简图，包括太阳能集热器、供暖水箱、辅助加热装置、以及设置在室内的风机盘管；其工作原理为：

太阳能集热循环：太阳能集热循环为温差控制，系统通过比较太阳能集热器温度T1和水箱的温度T2控制集热器循环泵P1启停，当集热器温度高于水箱温度设定值时，循环泵P1启动，太阳能集热器不断将水箱中的热水加热；当温差低于设定值时，循环泵P1停止；

辅热加热循环：辅热加热为温度控制；系统通过检测水箱中温度T2是否达到设定温度，确定辅助加热装置是否开启；当遇到太阳辐射不足或阴雨天时，太阳能集热器无法提供足够的热能时，检测到水箱中温度T2低于设定温度，辅助加热装置开启，检测到水箱中温度T2高于设定温度辅助加热装置关闭；

室内加热循环：检测到室内温度T3低于设定温度，循环泵P2启动、风机盘管启动，热水循环至风机盘管对室内进行加热；当检测到室内温度T3高于设定温度，循环泵P2关闭、风机盘管关闭。

上述太阳能供暖系统虽然已经应用于工程实际，但其依然存在供暖温度波动大、太阳能利用率低、引用辅助能源后浪费能源等问题；图2所示为发明人采集的实际数据，所绘制的现有的上述太阳能供暖系统一天内水箱温度变化曲线图，从图中可以看出，一天当中，在凌晨4时到8时时间段内太阳辐射强度为零，但是为了满足末端供暖，只能启动辅助加热装置将水温提升，在图中表现为曲线上下波动；在12时至20时时间段内，太阳辐射充足，温度远远超过供暖需求，该时间段内不能及时被利用，热水与外界具有较大的温差，造成热损严重，降低了太阳能利用率；发明人通过研究一天当中太阳辐射的强度变化，以及现有供暖水箱内水温变化，设计了一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统及其控制方法，引入相变材料以达到能量的“削峰填谷”作用；太阳辐射充足时，可以将多余的能量储存至相变材料，减小热水与外界之间的温差，从而减少热量散失，提高太阳能利用率；在太阳辐射不足时，由相变材料所储能量进行末端供暖；再配合新型热水回路，能较好的分配和使用热量，提高太阳能利用率，减少能源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统及其控制方法，本系统中引入相变材料以达到能量的“削峰填谷”作用；太阳辐射充足时，可以将多余的能量储存至相变材料，减小热水与外界之间的温差，从而减少热量散失，提高太阳能利用率；在太阳辐射不足时，由相变材料所储能量进行末端供暖；再配合新型热水回路，能较好的分配和使用热量，提高太阳能利用率，减少能源的浪费。

本发明采用的技术方案如下：一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统,包括太阳能集热器、供暖水箱、设置在室内的风机盘管、以及蓄热水箱；其特征是：

所述太阳能集热器与供暖水箱之间通过送水管路一、回水管路一连接；所述送水管路一用于将太阳能集热器内加热后的热水向供暖水箱输送，送水管路一上设置闸阀G2、G3；所述回水管路一用于将供暖水箱内的水向太阳能集热器输送进行加热，回水管路一上设置闸阀G1和循环泵P1；

所述供暖水箱与风机盘管之间通过送水管路二、回水管路二连接；所述送水管路二用于将供暖水箱内热水向风机盘管内的盘管输送，热水流经盘管后从回水管路二输送回到供暖水箱；所述送水管路二上设置闸阀G8和循环泵P3；所述回水管路二上设置闸阀G9；

所述蓄热水箱内部填充有相变蓄热体，并安装有电加热装置，相变蓄热体内部填充有相变材料；所述蓄热水箱设置有热水进口一、冷水进口二和一个热水出口；所述蓄热水箱的热水进口一通过进水管路一连接在送水管路一上，进水管路一与送水管路一的连接端位于闸阀G2和闸阀G3之间；进水管路一上设置闸阀G4；所述蓄热水箱的冷水进口二通过进水管路二连接在回水管路二上，进水管路二与回水管路二的连接端位于闸阀G9右侧，靠近风机盘管；进水管路二上设置闸阀G5和循环泵P2；所述蓄热水箱的热水出口通过出水管路一连接在送水管路二上，出水管路一与送水管路二的连接端位于闸阀G8和循环泵P3右侧，靠近风机盘管；所述出水管路一上设置闸阀G6；所述出水管路一上还设置有出水管路二，出水管路二与出水管路一连接端位于闸阀G6左侧、靠近蓄热水箱；出水管路二另一端连接在送水管路一上，位于闸阀G2、G3右侧、靠近供暖水箱；出水管路二上设置闸阀G7；所述进水管路一用于将太阳能集热器内热水输送至蓄热水箱进行蓄热；所述进水管路二用于将流经风机盘管的水输送至蓄热水箱进行加热；所述出水管路一用于将蓄热水箱内热水输送至风机盘管；所述出水管路二用于将蓄热水箱内热水输送至供暖水箱；温度高于相变材料相变温度的热水流经蓄热水箱后温度降低，相变材料存储一部分热能；温度低于相变材料相变温度的水流经蓄热水箱后温度升高，相变材料存储的热能释放。

进一步，所述蓄热水箱内部被上下两块均流板分隔为上、中、下三个空间，所述的均流板为表面均匀分布通孔的板，蓄热水箱设置的热水进口一、冷水进口二连通下部空间，下部空间内安装电加热装置，蓄热水箱设置的热水出口连通上部空间；中部空间内填充相变蓄热体，相变蓄热体之间留有让水通过的间隙。

进一步，所述相变蓄热体的形状为球形，其内部填充的相变材料的相变温度为45℃。

进一步，所述闸阀G1-闸阀G9采用电动闸阀。

进一步，还包括设置在太阳能集热器内的温度传感器T1，设置在蓄热水箱内的温度传感器T2，设置在室内的温度传感器T3，控制器；所述控制器连接温度传感器T1、T2、T3接收温度信息，连接控制闸阀G1-闸阀G9开启或关闭，连接控制电加热装置开启或关闭。

上述的太阳能和相变材料耦合的供暖系统的控制方法，其特征在于：包括5个模式：

模式一：如图5所示，当45℃<T1<50℃时，闸阀G1、G2、G3、G8、G9打开，闸阀G4、G5、G6、G7关闭，泵P1、P3工作，即传统太阳能供暖系统，由太阳能集热器的热水直接进入供暖水箱，供暖水箱的热水再进入风机盘管进行末端供暖；

模式二：如图6所示，当T1>50℃时,闸阀G1、G2、G4、G7、G8、G9打开，闸阀G3、G5、G6关闭，泵P1、P3工作，此时，太阳能集热器的热水温度较高，热水先经过相变蓄热水箱，将满足供暖温度的其他能量吸收，根据相变材料的特性，吸收能量后的热水仍能保持45℃，即达到了能量的“削峰”作用，被吸收了热量的热水再进入供暖水箱后再进行末端供暖；

模式三：当恢复至45℃<T1<50℃时，闸阀G1、G2、G3、G8、G9开启，闸阀G4、G5、G6、G7关闭，泵P1、P3工作，即与模式一相同；

模式四：如图7所示，当T1<45℃、T2>45℃时闸阀G1、G2、G3、G4、G7、G8、G9关闭，闸阀G5、G6开启，泵P2工作，即由相变蓄热水箱直接进行末端供暖，此时热水温度能保持在45℃左右，蓄热水箱的供回水均不再通过供暖水箱，从而减少热损，延长放热时间，即达到了能量的“填谷”作用；

模式五：当T1<45℃、T2<45℃时，闸阀和泵的开关与模式四相同，不同的是启用电加热装置，当温度低于45℃时打开，高于50℃时关闭。

进一步，当在高谷电价时，即用电高峰期，电加热由热水温度决定是否开启，即当T1<45℃、T2<45℃时打开，高于50℃时关闭；当在低谷电价时，电加热一直打开直至相变材料蓄热完全，将储存的能量用于高谷电价期间，减少电力成本及电厂负荷。

本发明的有益效果在于：发明人通过研究一天当中太阳辐射的强度变化，以及现有供暖水箱内水温变化，设计了一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统及其控制方法，引入相变材料以达到能量的“削峰填谷”作用；太阳辐射充足时，可以将多余的能量储存至相变材料，减小热水与外界之间的温差，从而减少热量散失，提高太阳能利用率；在太阳辐射不足时，由相变材料所储能量进行末端供暖；再配合新型热水回路，能较好的分配和使用热量，提高太阳能利用率，减少能源的浪费。

附图说明

图1为现有的一种太阳能供暖系统的结构示意简图。

图2为现有太阳能供暖系统一天内水箱温度变化曲线图。

图3为本发明的整体结构示意图。

图4为本发明的蓄热水箱的结构示意图。

图5为模式一、三的结构示意图。

图6为模式二的结构示意图。

图7为模式四、五的结构示意图。

图中：太阳能集热器1，供暖水箱2，风机盘管3，蓄热水箱4，送水管路一5，回水管路一6，闸阀G2 7，闸阀G3 8，闸阀G1 9，循环泵P1 10，送水管路二11，回水管路二12，闸阀G813，循环泵P3 14，闸阀G9 15，相变蓄热体16，电加热装置17，热水进口一18，冷水进口二19，热水出口20，进水管路一21，闸阀G4 22，进水管路二23，闸阀G5 24，循环泵P2 25，出水管路一26，闸阀G6 27，出水管路二28，闸阀G7 29，均流板30。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图3所示，一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统,包括太阳能集热器1、供暖水箱2、设置在室内的风机盘管3、以及蓄热水箱4；

所述太阳能集热器1与供暖水箱2之间通过送水管路一5、回水管路一6连接；所述送水管路一5用于将太阳能集热器1内加热后的热水向供暖水箱2输送，送水管路一5上设置闸阀G2 、G3 ；所述回水管路一6用于将供暖水箱2内的水向太阳能集热器1输送进行加热，回水管路一6上设置闸阀G1和循环泵P1；

所述供暖水箱2与风机盘管3之间通过送水管路二11、回水管路二12连接；所述送水管路二11用于将供暖水箱2内热水向风机盘管3内的盘管输送，热水流经盘管后从回水管路二12输送回到供暖水箱2；所述送水管路二11上设置闸阀G8和循环泵P3；所述回水管路二12上设置闸阀G9；

如图4所示，所述蓄热水箱4内部填充有相变蓄热体16，并安装有电加热装置17，相变蓄热体16内部填充有相变材料；所述蓄热水箱4设置有热水进口一18、冷水进口二19和一个热水出口20；所述蓄热水箱4的热水进口一18通过进水管路一21连接在送水管路一5上，进水管路一21与送水管路一5的连接端位于闸阀G2和闸阀G3之间；进水管路一21上设置闸阀G4；所述蓄热水箱4的冷水进口二19通过进水管路二23连接在回水管路二12上，进水管路二23与回水管路二12的连接端位于闸阀G9右侧，靠近风机盘管3；进水管路二23上设置闸阀G5和循环泵P2；所述蓄热水箱4的热水出口20通过出水管路一26连接在送水管路二11上，出水管路一26与送水管路二11的连接端位于闸阀G8和循环泵P3右侧，靠近风机盘管3；所述出水管路一26上设置闸阀G6；所述出水管路一26上还设置有出水管路二28，出水管路二28与出水管路一26连接端位于闸阀G6左侧、靠近蓄热水箱4；出水管路二28另一端连接在送水管路一5上，位于闸阀G2、G3右侧、靠近供暖水箱2；出水管路二28上设置闸阀G7；所述进水管路一21用于将太阳能集热器1内热水输送至蓄热水箱4进行蓄热；所述进水管路二23用于将流经风机盘管3的水输送至蓄热水箱4进行加热；所述出水管路一26用于将蓄热水箱4内热水输送至风机盘管3；所述出水管路二28用于将蓄热水箱4内热水输送至供暖水箱2；温度高于相变材料相变温度的热水流经蓄热水箱后温度降低，相变材料存储一部分热能；温度低于相变材料相变温度的水流经蓄热水箱后温度升高，相变材料存储的热能释放。

进一步，如图4所示，上述蓄热水箱4内部被上下两块均流板30分隔为上、中、下三个空间，所述的均流板30为表面均匀分布通孔的板，蓄热水箱4设置的热水进口一18、冷水进口二19连通下部空间，下部空间内安装电加热装置17，蓄热水箱4设置的热水出口20连通上部空间；中部空间内填充相变蓄热体16，相变蓄热体16之间留有让水通过的间隙；其中上述相变蓄热体16的形状为球形，其内部填充的相变材料的相变温度为45℃；该蓄热水箱4的结构优势在于，从热水进口一18、冷水进口二19进入的水会均匀散开流过中部空间的相变蓄热体16，这样中部空间填充的球形相变蓄热体16就能充分利用，避免水流只在局部流动，造成的相变蓄热体16利用率不高，且球形相变蓄热体16与水的接触面积相较于其他形状更大，换热效率更高；球形相变蓄热体16的形状填充在中部空间会自然形成缝隙，保证水流通过。

进一步，上述闸阀G1-闸阀G9采用电动闸阀。

进一步，供暖系统还包括设置在太阳能集热器1内的温度传感器T1，设置在蓄热水箱4内的温度传感器T2，设置在室内的温度传感器T3，控制器；所述控制器连接温度传感器T1、T2、T3接收温度信息，控制器连接控制闸阀G1-闸阀G9开启或关闭，控制器连接控制电加热装置17开启或关闭。

上述太阳能和相变材料耦合的供暖系统的控制方法，包括5个模式：

模式一：如图5所示，当45℃<T1<50℃时，闸阀G1、G2、G3、G8、G9打开，闸阀G4、G5、G6、G7关闭，泵P1、P3工作，即传统太阳能供暖系统，由太阳能集热器的热水直接进入供暖水箱，供暖水箱的热水再进入风机盘管进行末端供暖；

模式二：如图6所示，当T1>50℃时,闸阀G1、G2、G4、G7、G8、G9打开，闸阀G3、G5、G6关闭，泵P1、P3工作，此时，太阳能集热器的热水温度较高，热水先经过相变蓄热水箱，将满足供暖温度的其他能量吸收，根据相变材料的特性，吸收能量后的热水仍能保持45℃，即达到了能量的“削峰”作用，被吸收了热量的热水再进入供暖水箱后再进行末端供暖；

模式三：当恢复至45℃<T1<50℃时，闸阀G1、G2、G3、G8、G9开启，闸阀G4、G5、G6、G7关闭，泵P1、P3工作，即与模式一相同；

模式四：如图7所示，当T1<45℃、T2>45℃时闸阀G1、G2、G3、G4、G7、G8、G9关闭，闸阀G5、G6开启，泵P2工作，即由相变蓄热水箱直接进行末端供暖，此时热水温度能保持在45℃左右，蓄热水箱的供回水均不再通过供暖水箱，从而减少热损，延长放热时间，即达到了能量的“填谷”作用；

模式五：当T1<45℃、T2<45℃时，闸阀和泵的开关与模式四相同，不同的是启用电加热装置，当温度低于45℃时打开，高于50℃时关闭。

进一步优化设计为：当在高谷电价时，即用电高峰期，电加热由热水温度决定是否开启，即当T1<45℃、T2<45℃时打开，高于50℃时关闭；当在低谷电价时，电加热一直打开直至相变材料蓄热完全，将储存的能量用于高谷电价期间，减少电力成本及电厂负荷。

本系统中引入相变材料以达到能量的“削峰填谷”作用；太阳辐射充足时，可以将多余的能量储存至相变材料，减小热水与外界之间的温差，从而减少热量散失，提高太阳能利用率；在太阳辐射不足时，由相变材料所储能量进行末端供暖；再配合新型热水回路，能较好的分配和使用热量，提高太阳能利用率，减少能源的浪费。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种太阳能和相变材料耦合的供暖系统，包括太阳能集热器、供暖水箱、设置在室内的风机盘管、以及蓄热水箱；其特征是：

所述太阳能集热器与供暖水箱之间通过送水管路一、回水管路一连接；所述送水管路一用于将太阳能集热器内加热后的热水向供暖水箱输送，送水管路一上设置闸阀G2、G3；所述回水管路一用于将供暖水箱内的水向太阳能集热器输送进行加热，回水管路一上设置闸阀G1和循环泵P1；

所述供暖水箱与风机盘管之间通过送水管路二、回水管路二连接；所述送水管路二用于将供暖水箱内热水向风机盘管内的盘管输送，热水流经盘管后从回水管路二输送回到供暖水箱；所述送水管路二上设置闸阀G8和循环泵P3；所述回水管路二上设置闸阀G9；

所述蓄热水箱内部填充有相变蓄热体，并安装有电加热装置，相变蓄热体内部填充有相变材料；所述蓄热水箱设置有热水进口一、冷水进口二和一个热水出口；所述蓄热水箱的热水进口一通过进水管路一连接在送水管路一上，进水管路一与送水管路一的连接端位于闸阀G2和闸阀G3之间；进水管路一上设置闸阀G4；所述蓄热水箱的冷水进口二通过进水管路二连接在回水管路二上，进水管路二与回水管路二的连接端位于闸阀G9右侧，靠近风机盘管；进水管路二上设置闸阀G5和循环泵P2；所述蓄热水箱的热水出口通过出水管路一连接在送水管路二上，出水管路一与送水管路二的连接端位于闸阀G8和循环泵P3右侧，靠近风机盘管；所述出水管路一上设置闸阀G6；所述出水管路一上还设置有出水管路二，出水管路二与出水管路一连接端位于闸阀G6左侧、靠近蓄热水箱；出水管路二另一端连接在送水管路一上，位于闸阀G2、G3右侧、靠近供暖水箱；出水管路二上设置闸阀G7；所述进水管路一用于将太阳能集热器内热水输送至蓄热水箱进行蓄热；所述进水管路二用于将流经风机盘管的水输送至蓄热水箱进行加热；所述出水管路一用于将蓄热水箱内热水输送至风机盘管；所述出水管路二用于将蓄热水箱内热水输送至供暖水箱；温度高于相变材料相变温度的热水流经蓄热水箱后温度降低，相变材料存储一部分热能；温度低于相变材料相变温度的水流经蓄热水箱后温度升高，相变材料存储的热能释放；

所述蓄热水箱内部被上下两块均流板分隔为上、中、下三个空间，所述的均流板为表面均匀分布通孔的板，蓄热水箱设置的热水进口一、冷水进口二连通下部空间，下部空间内安装电加热装置，蓄热水箱设置的热水出口连通上部空间；中部空间内填充相变蓄热体，相变蓄热体之间留有让水通过的间隙；

所述相变蓄热体的形状为球形，其内部填充的相变材料的相变温度为45℃；

所述闸阀G1-闸阀G9采用电动闸阀；

供暖系统还包括设置在太阳能集热器内的温度传感器T1，设置在蓄热水箱内的温度传感器T2，设置在室内的温度传感器T3，控制器；所述控制器连接温度传感器T1、T2、T3接收温度信息，连接控制闸阀G1-闸阀G9开启或关闭，连接控制电加热装置开启或关闭。

2.根据权利要求1所述的太阳能和相变材料耦合的供暖系统的控制方法，其特征在于：包括5个模式：

模式一：当45℃<T1<50℃时，闸阀G1、G2、G3、G8、G9打开，闸阀G4、G5、G6、G7关闭，泵P1、P3工作，即传统太阳能供暖系统，由太阳能集热器的热水直接进入供暖水箱，供暖水箱的热水再进入风机盘管进行末端供暖；

模式二：当T1>50℃时,闸阀G1、G2、G4、G7、G8、G9打开，闸阀G3、G5、G6关闭，泵P1、P3工作，此时，太阳能集热器的热水温度较高，热水先经过相变蓄热水箱，将满足供暖温度的其他能量吸收，根据相变材料的特性，吸收能量后的热水仍能保持45℃，即达到了能量的“削峰”作用，被吸收了热量的热水再进入供暖水箱后再进行末端供暖；

模式三：当恢复至45℃<T1<50℃时，闸阀G1、G2、G3、G8、G9开启，闸阀G4、G5、G6、G7关闭，泵P1、P3工作，即与模式一相同；

模式四：当T1<45℃、T2>45℃时闸阀G1、G2、G3、G4、G7、G8、G9关闭，闸阀G5、G6开启，泵P2工作，即由相变蓄热水箱直接进行末端供暖，此时热水温度能保持在45℃左右，蓄热水箱的供回水均不再通过供暖水箱，从而减少热损，延长放热时间，即达到了能量的“填谷”作用；

模式五：当T1<45℃、T2<45℃时，闸阀和泵的开关与模式四相同，不同的是启用电加热装置，当温度低于45℃时打开，高于50℃时关闭；

当在高谷电价时，即用电高峰期，电加热由热水温度决定是否开启，即当T1<45℃、T2<45℃时打开，高于50℃时关闭；当在低谷电价时，电加热一直打开直至相变材料蓄热完全，将储存的能量用于高谷电价期间，减少电力成本及电厂负荷。

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