CN111023231A - 太阳能-水源热泵联合供暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种太阳能‑水源热泵联合供暖系统，包括相变蓄热模块，相变蓄热模块依次与蒸发器和太阳能集热器构成回路，蒸发器与冷凝器构成回路；其中，各个回路的连接管路上均设置有控制所在管路通断的阀门。解决了现有太阳能供暖系统供暖不持续、以及相变储热装置存储能量利用率较低的问题。
Description
【技术领域】
本发明属于清洁供暖技术领域，具体涉及一种太阳能-水源热泵联合供暖系统。
【背景技术】
目前，用于建筑供热的能源消耗不断增加，能源紧缺和环境污染形式日益严峻，节能减排已经成为了全社会的共同目标和和责任。太阳能是一种可再生的清洁能源，有效的利用太阳能是未来解决能源紧缺等问题的有效手段，利用太阳能供热采暖是太阳能利用的一个重要方面。但太阳能辐射具有不稳定的弊端，阴雨天和夜间无日照时不能产生热水，造成供暖间断或不稳定现象。
现有的太阳能供暖系统一般设有保温水箱来保证用户的热水需要，但由于蓄热水箱利用水的显热存储热量，导致保温水箱占地面积较大，且取热过程中水温降幅较大，储能密度较低，有效取热时间较短。相变储热具有储能密度高和操作期间温度变化小等优点成为目前研究的热点。现有技术中有将太阳能与相变蓄热装置结合的多种应用结合，但无法解决系统在相变储热装置蓄热期间连续向外界供暖问题，即该系统不利于实现全天供暖。此外，在实际的蓄热应用中，对取热流体出口温度有着明确的要求，一般而言取热温度应高于40℃，由于换热温差的存在，在取热终止状态储热装置内储热材料温度远高于40℃，导致储热装置储存的一部分较低品位热能无法有效利用。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种太阳能-水源热泵联合供暖系统，以解决现有太阳能供暖系统供暖不持续、以及相变储热装置存储能量利用率较低的问题。
本发明采用以下技术方案：太阳能-水源热泵联合供暖系统，包括相变蓄热模块，相变蓄热模块依次与蒸发器和太阳能集热器构成回路，蒸发器与冷凝器构成回路；其中，各个回路的连接管路上均设置有控制所在管路通断的阀门；
太阳能集热器，用于对太阳能供热循环管道内的循环水进行加热，并将加热后的循环水输送至储热模块进行储热；
蒸发器，用于对经储热模块输送来的低温循环水的余热进行再回收；还用于将其收集的热量通过热流体传递至泠凝器；
冷凝器，用于接收蒸发器传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，当将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。
进一步的，太阳能集热器并联有管路，管路用于实现选择太阳能集热器是否接入太阳能-水源热泵联合供暖系统。
进一步的，相变蓄热模块与换热器构成回路；
储热模块，用于在其放热状态下，输送热流体至换热器进行换热，并将换热后的热流体返回至储热模块；
换热器，用于接收储热模块传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，当将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。
进一步的，换热器的进出口分别连有采暖回收管路和采暖供水管路。
本发明采用的第二种技术方案，太阳能-水源热泵联合供暖系统的供热方法，供热方法包括以下内容：太阳能集热器对供热循环管道内的循环水进行加热，并将加热后的循环水输送至储热模块进行一次储热，一次储热后的循环水输送至蒸发器进行二次储热，二次储热后的循环水再返回太阳能集热器。
进一步的，蒸发器吸收从储热模块流出的低温供暖循环水的热量，并将其传递至泠凝器；采暖回水在冷凝器中被加热至目标温度后输送至用户侧完成供暖。
进一步的，储热模块在其放热状态下，输送热流体至换热器进行换热，并将换热后的热流体返回至储热模块；换热器接收储热模块传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。
本发明的有益效果是：(1)利用相变储热装置替换蓄热水箱，节省系统占地面积；并延长系统有效取热时间。(2)将太阳能、水源热泵和相变蓄热装置进行耦合，在白天利用太阳能集热器对相变储热装置进行蓄热；在用热端需要用热时段启动循环水泵，相变蓄热装置开始放热，向外界提供热水。当相变储热装置处于蓄热阶段时，开启水源热泵，此阶段由水源热泵向外界提供用热需求。从而可实现用户侧全天候不间断的采暖需求。(3)利用水源热泵对相变储热装置内存储的剩余热量进行深度回收，提高储热装置的利用率；此外还可降低太阳能集热器入口流体温度，增大换热温差，提高换热效率。
【附图说明】
图1为本发明太阳能-水源热泵联合供暖系统的结构示意图。
其中，3.换热器，4.相变蓄热模块，5.第一循环泵，6.第二阀门，8.第四阀门，9.第五阀门，10.太阳能集热器，11.第六阀门，12.第二循环泵，13.蒸发器，14.第七阀门，15.第八阀门，16.压缩机，17.冷凝器，18.膨胀阀。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种太阳能-水源热泵联合供暖系统，如图1所示，包括相变蓄热模块4，储热模块4为双通道相变储热模块，相变蓄热模块4依次与蒸发器13和太阳能集热器10构成回路，蒸发器13与冷凝器17构成回路；其中，各个回路的连接管路上均设置有控制所在管路通断的阀门；太阳能集热器10，用于对太阳能供热循环管道内的循环水进行加热，并将加热后的循环水输送至储热模块4进行储热；蒸发器13，用于对经储热模块4输送来的低温循环水的余热进行再回收，实现热能梯级利用；还用于将其收集的热量通过热流体传递至泠凝器17；冷凝器17，用于接收蒸发器13传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，当将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。
其中，太阳能集热器10并联有管路，管路上设置第八阀门15，管路用于实现选择太阳能集热器10是否接入太阳能-水源热泵联合供暖系统。相变蓄热模块4与换热器3构成回路；储热模块4，用于在其放热状态下，输送热流体至换热器3进行换热，并将换热后的热流体返回至储热模块4；换热器3，用于接收储热模块4传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，当将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖换热器3的进出口分别连有采暖回收管路和采暖供水管路。
本发明提供了太阳能-水源热泵联合供暖系统的供热方法，采用上述的太阳能-水源热泵联合供暖系统，供热方法包括以下内容：太阳能集热器10对供热循环管道内的循环水进行加热，并将加热后的循环水输送至储热模块4进行一次储热，一次储热后的循环水输送至蒸发器13进行二次储热，二次储热后的循环水再返回太阳能集热器10。
蒸发器13吸收从储热模块4流出的低温供暖循环水的热量，并将其传递至泠凝器17；采暖回水在冷凝器17中被加热至目标温度后输送至用户侧完成供暖。
储热模块在其放热状态下，输送热流体至换热器进行换热，并将换热后的热流体返回至储热模块；换热器接收储热模块传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。
本发明的太阳能-水源热泵联合供暖系统中，各个模块的功能为：太阳能集热器10，用于对太阳能供热循环管道内的循环水进行加热，并将加热后的循环水输送至储热模块4进行储热；蒸发器13，用于对经储热模块4输送来的低温循环水的余热进行再回收；还用于将其收集的热量通过热流体传递至泠凝器17；冷凝器17，用于接收蒸发器13传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，当将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。储热模块4，用于在其放热状态下，输送热流体至换热器3进行换热，并将换热后的热流体返回至储热模块4；换热器3，用于接收储热模块4传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，当将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。具体使用中可以根据需要组合连接各个模块单元，以完成所需实现的功能。
如图1所示，第二阀门6设置在换热器3与相变蓄热模块4之间，第四阀门8、第五阀门9依次设置在相变蓄热模块4与太阳能集热器10之间，第六阀门11设置在太阳能集热器10与蒸发器13之间，第七阀门14设置在相变蓄热模块4与蒸发器13之间，第八阀门15设置在太阳能集热器10的并联管路上。
在该系统中，充分利用电网中的谷电、峰电的电价政策，实现电网的削峰填谷，满足清洁供暖的要求。该系统将太阳能、水源热泵和相变蓄热技术进行耦合，可实现用户侧全天候不间断的采暖需求，同时还可降低采暖成本。在该系统中，利用水源热泵对经过相变蓄热装置换热后的较高温度热水的余热进行深度回收，从而有效提高太阳能的利用效率。
一种相变蓄热耦合太阳能及水源热泵的清洁供暖系统，主要包括太阳能集热器供热循环系统、相变蓄热装置、水源热泵系统以及供暖系统，其中，相变蓄热装置与水源热泵系统串联于太阳能集热器供热循环系统。
太阳能集热器供热循环系统：相变蓄热装置4、第四阀门8、第五阀门9、太阳能集热器10、第六阀门11、第二循环泵12、蒸发器13、第七阀门14依次通过供热循环管路连接，第八阀门15设置在太阳能集热器10的旁路管道上。
相变蓄热装置：相变蓄热装置4的一端传热流体进口与太阳能集热器10热水出口连接，对应的传热流体出口与蒸发器13冷冻水进口连接。相变蓄热模块4的另一端传热流体进口与第一循环泵5流体出口连接，与之对应的传热流体出口与换热器3的热流体进口连接。
水源热泵系统：蒸发器13、压缩机16、冷凝器17、膨胀阀18依次通过制冷剂工质循环管路连接。
供暖系统：采暖回水管路分别与换热器3冷却水进口以及换热器3冷流体进口连接。
相变蓄热装置包括外壳和内胆壳，外壳与内胆壳间隙是保温材料，内胆壳内是相变材料。相变材料可选用结晶水合盐或石蜡类，相变温度为40℃-85℃。相变蓄热装置内布置两根螺旋盘管，以减小蓄热器内的死角。相变蓄热装置中的螺旋盘管是螺距和螺旋弯曲半径不同的两种螺旋盘管，外螺旋管弯曲半径和螺距较大，螺旋圈数较小，相对于内管而言。其中，内螺旋盘管与电加热锅炉供热循环系统相连接，外螺旋盘管与太阳能集热器供热循环系统相连接。相变蓄热装置内的两根螺旋盘管与太阳能集热器相连接时，要保证在相变蓄热装置的蓄热阶段满足传热流体的进口方式为热流下进上出。相变蓄热装置内的螺旋盘管材质可选用304、316L不锈钢或铜合金，换热管可为光滑管、波纹管或翅片管，换热管的直径可在5-15mm之间。
供回水管路的输出温度以及流量的调节由供暖控制系统控制。
太阳能集热器和相变蓄热装置进出口、供回水管道均设有温度探头，所有温度探头均与控制器连接。
相变蓄热装置内的温度探头套有测温盲管，可防止相变材料对温度探头的腐蚀，探头和盲管内的间隙填充有高导热性的粉体材料，以便减小传热热阻。测温盲管安装时需防止其与
换热管壁、内胆壳壁以及螺旋盘管支撑固定件的接触，布置于装置中心位置。
本发明太阳能-水源热泵联合供暖系统的供热方法，包括以下内容：采用太阳能-水源热泵联合供暖系统，太阳能集热器10对供热循环管道内的循环水进行加热，并将加热后的循环水输送至储热模块4进行一次储热，一次储热后的循环水输送至蒸发器13进行二次储热，二次储热后的循环水再返回太阳能集热器10。蒸发器13吸收从储热模块4流出的低温供暖循环水的热量，并将其传递至泠凝器17；采暖回水在冷凝器17中被加热至目标温度后输送至用户侧完成供暖。
实施例1
太阳能集热器10单独作为系统热源，此种工况适用于白天光照充足，太阳能集热器10对供热循环管道内的循环水进行加热，此时第四阀门8、第五阀门9、第六阀门11、第七阀门14处于开启状态，第八阀门15处于关闭状态，被加热的循环水在相变蓄热装置4内通过换热盘管将大部分热量传递给相变材料中，并以大量潜热和少部分显热的形式储存在相变材料中，换热降温后的循环水从蒸发器13冷冻水入口进入，充当水源热泵系统的低温热源，被进一步冷却降温的循环水在第二循环泵12的作用下，被输送至太阳能集热器10中加热，从而完成一个供热循环。
实施例2
当外界采暖需求较小时，首先利用水源热泵系统进行供暖，采暖回水在冷凝器17中被加热至目标温度后输送至用户侧。
当外界采暖需求较大时，仅仅依靠水源热泵供暖无法满足，此时还需启动相变装置4进行辅助供暖。打开第二阀门6，启动第一循环泵5，此时相变蓄热装置4处于释热状态，相变材料将储存的热量传递给循环水，升温后的热流体在换热器3中加热采暖回水，完成供暖。
实施例3
当夜间相变蓄热装置4处于蓄热状态而外界需要采暖时，关闭第五阀门9和第六阀门11，打开第八阀门15，启动第二循环泵12，低温循环水被输送至相变蓄热装置4中进取热，升温后的循环水作为水源热泵的热源，由热泵系统完成供暖需求。
本发明利用相变储热装置替换蓄热水箱，节省系统占地面积；并延长系统有效取热时间。将太阳能、水源热泵和相变蓄热装置进行耦合，在白天利用太阳能集热器对相变储热装置进行蓄热；在用热端需要用热时段启动循环水泵，相变蓄热装置开始放热，向外界提供热水。当相变储热装置处于蓄热阶段时，开启水源热泵，此阶段由水源热泵向外界提供用热需求。从而可实现用户侧全天候不间断的采暖需求。利用水源热泵对相变储热装置内存储的剩余热量进行深度回收，提高储热装置的利用率；此外还可降低太阳能集热器入口流体温度，增大换热温差，提高换热效率。
Claims (7)
1.太阳能-水源热泵联合供暖系统，其特征在于，包括相变蓄热模块(4)，所述相变蓄热模块(4)依次与蒸发器(13)和太阳能集热器(10)构成回路，所述蒸发器(13)与冷凝器(17)构成回路；其中，各个回路的连接管路上均设置有控制所在管路通断的阀门；
所述太阳能集热器(10)，用于对太阳能供热循环管道内的循环水进行加热，并将加热后的循环水输送至所述储热模块(4)进行储热；
所述蒸发器(13)，用于对经所述储热模块(4)输送来的低温循环水的余热进行再回收；还用于将其收集的热量通过热流体传递至所述泠凝器(17)；
所述冷凝器(17)，用于接收所述蒸发器(13)传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，当将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。
2.如权利要求1所述的太阳能-水源热泵联合供暖系统，其特征在于，所述太阳能集热器(10)并联有管路，所述管路用于实现选择所述太阳能集热器(10)是否接入所述太阳能-水源热泵联合供暖系统。
3.如权利要求1或2所述的太阳能-水源热泵联合供暖系统，其特征在于，所述相变蓄热模块(4)与所述换热器(3)构成回路；
所述储热模块(4)，用于在其放热状态下，输送热流体至换热器(3)进行换热，并将换热后的热流体返回至所述储热模块(4)；
所述换热器(3)，用于接收所述储热模块(4)传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。
4.如权利要求3所述的太阳能-水源热泵联合供暖系统，其特征在于，所述换热器(3)的进出口分别连有采暖回收管路和采暖供水管路。
5.太阳能-水源热泵联合供暖系统的供热方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任意一项所述的太阳能-水源热泵联合供暖系统，供热方法包括以下内容：太阳能集热器(10)对供热循环管道内的循环水进行加热，并将加热后的循环水输送至所述储热模块(4)进行一次储热，一次储热后的循环水输送至所述蒸发器(13)进行二次储热，二次储热后的循环水再返回所述太阳能集热器(10)。
6.如权利要求5所述的供热方法，其特征在于，所述蒸发器(13)吸收从储热模块(4)流出的低温供暖循环水的热量，并将其传递至所述泠凝器(17)；采暖回水在冷凝器(17)中被加热至目标温度后输送至用户侧完成供暖。
7.如权利要求5所述的供热方法，其特征在于，所述储热模块(4)在其放热状态下，输送热流体至换热器(3)进行换热，并将换热后的热流体返回至所述储热模块(4)；所述换热器(3)接收所述储热模块(4)传送来的热流体，并利用该热流体将其接收到的采暖回水进行加热，将采暖回水加热至目标温度后再输送至用户侧完成供暖。
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