CN111189232A - 一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统 - Google Patents

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何一坚
陈齐飞
李宗凯
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Abstract

本发明公开了一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，蓄水箱分为加热水箱和恒温水箱两部分，加热水箱连通加热设备，加热设备包括太阳能集热器和空气源热泵，太阳能集热器和空气源热泵并联蓄水箱，蓄水箱上设有出水端口和进水端口，太阳能集热器和空气源热泵均装有通信控制模块，太阳能集热器由一级控制器控制，空气源热泵由二级控制器控制。在严寒地区中热用户家庭采用太阳能集热器与空气源热泵复合供热系统通过合适的控制方式复合起来进行供热，最大程度的发挥各自的长处，保证热水在全年每天24h不间断的供应，充分利用两种供热技术优化系统来实现优化节能的目的。

Description

一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统
技术领域
本发明涉及供热系统技术领域，尤其涉及一种适用于严寒地区的太阳能与空气源热泵复合供热系统。
背景技术
近几年，居民能源消费在我国能源消费当中的占比仅次于工业能源浪费。且随着社会经济及科技事业的发展，建筑能耗也随之增长，在建筑能耗中，使用能耗约为建造能耗的15倍左右，而在使用能耗中，供热和空调能耗是占比最高的部分，特别是在北方的严寒地区，供热能耗几乎占总使用能耗的35％。另外，目前北方大部分地区采用燃煤供热的情况较多，这也造成了严重的空气污染问题，重度雾霾天气频发，因此供热系统的节能减排工作迫在眉睫，如何采用更加高效、节能、环保的系统及设备来制备生活热水，在能源优化的研究工作中具有重要的理论及现实意义。常规的太阳能热水系统受阴雨天气和季节的影响很大，特别是在严寒地区，太阳辐射的波动性较大，使得太阳能供热系统的运行效率大大降低。单一依靠太阳能热水系统还存在热量供求不匹配的问题，在晚上的生活热水高峰期太阳能集热器所能提供的热量较少，需要借助电加热等辅助加热设备。
在国家大力倡导能源结构转型、可持续发展的政策引导下，热泵作为一种高效、环保的供热手段在全国获得了大范围的推广和应用，并取得了较好的节能减排效果，其中空气源热泵热水系统是热效率较高的装置，不受阴雨天气的影响能够在一年四季保持稳定运行，但是相对于太阳能供热系统而言，消耗的电量仍然较高。因此需要开发一套运行高效的太阳能与空气源热泵复合的供热系统。
相变材料是近年来国内外在能源利用和材料科学方面开发研究十分活跃的领域。相变材料在其物相变化过程中，可以利用较高的相变潜热从环境中吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量，从而达到能量储存和释放及调节能量需求和供给失配的目的。在太阳能供热系统中，借助相变材料的这一特性，可以缓解部分因太阳能辐射波动造成的系统运行不稳定问题以及热量供求不匹配的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的状况，提供一种结构紧凑合理的一种太阳能与空气源热泵复合的供热系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，该系统包括进水端口、出水端口、蓄水箱和加热设备；
所述蓄水箱包括恒温水箱和加热水箱；所述进水端口通过管路连接加热水箱，所述出水端口通过管路连接恒温水箱，所述的加热水箱连通加热设备；
所述加热设备包括太阳能集热器和空气源热泵，所述的太阳能集热器和空气源热泵并联到蓄水箱；
所述太阳能集热器的进水管和热水出水管均与蓄水箱中的加热水箱连接，所述太阳能集热器由通信控制模块控制；所述集热器的通信控制模块能独立控制太阳能集热器的上水、循环供热；
所述空气源热泵的进水管和热水出水管均与蓄水箱中的加热水箱连接，所述空气源热泵由通信控制模块控制；所述空气源热泵的通信控制模块能独立控制空气源热泵的取水、循环供热和防冻循环；
所述的集热器和空气源热泵的通信控制模块之间通过信号线连接进行通信，太阳能通信控制模块设有对空气源热泵通信控制模块读写数据的控制单元，空气源热泵通信控制模块设有接收、执行太阳能通信控制模块发送的指令的执行单元。
进一步地，所述太阳能集热器和空气源热泵的热水出水管均设置有排气阀。
进一步地，所述太阳能集热器的进水管或热水出水管设置有循环泵，所述的循环泵上设有开关阀。
进一步地，所述空气源热泵的进水管或热水出水管设置有循环泵，所述的循环泵上设有开关阀。
进一步地，所述的出水端口连接日常生活热水存放设备或日常供暖设备。
进一步地，所述的恒温水箱和加热水箱之间连通的管道上设置有变频水泵，所述的变频水泵流量能够根据加热设备的总加热功率增大而增加，随总加热功率下降而减少。
进一步地，所述的恒温水箱和加热水箱中均设有温度传感器。
本发明的有益效果：本发明提供了一种适用于严寒地区的太阳能与空气源热泵复合供热系统，在太阳能辐射充足时，可利用太阳能辐射替代一部分空气源热泵的负荷，且可利用保温水箱将白天超负荷的太阳能辐射储存下来，弥补太阳能辐射不充足时的供热量，持续为热用户提供合适温度的热水。高效的利用了太阳能和空气源热泵这种环保制热技术，为严寒地区的供暖节省了大量资源。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于实例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好的说明本实施例，附图某些部件会有所省略；对于本领域技术人员来说，附图中某些工质结构及其说明可能省略是可以理解的。
参照附图1，该太阳能与空气源热泵复合的供热系统，包括进水端口6、出水端口5和加热设备，所述的进水端口6和出水端口5通过管线连接加热设备，所述的进水端口6通过管道连接蓄水箱，所述的蓄水箱包括恒温水箱4和加热水箱7，所述的加热水箱7连通加热设备，所述的加热设备包括太阳能集热器10和空气源热泵1，所述的太阳能集热器10与加热水箱7连接的管道上设有循环泵9，所述的循环泵9上设有开关阀，所述的太阳能集热器10上的热水出水管上设有第一排气阀8，所述的空气源热泵1上的热水出水管上设有第二排气阀2，所述的太阳能集热器10和空气源热泵1并联接入加热水箱7，所述的加热水箱上设有进水端口6。所述的出水端口5连接生活热水存放设备或日常供暖设备。
所述的恒温水箱4和加热水箱7之间设有的管道上设有变频水泵12，能根据加热设备总加热功率的不同改变向保温水箱供水的流量。
所述的恒温水箱4和加热水箱7中均设有温度传感器。
所述的太阳能集热器10、空气源热泵1和循环泵9均由通信控制模块控制，通信控制模块之间通过信号线进行通信，太阳能通信控制模块设有对空气源热泵通信控制模块读写数据的控制单元，空气源热泵通信控制模块设有接收、执行加热等指令的执行单元。
所述的太阳能通信控制模块设有检测加热水箱7水温的检测单元。
太阳能通信控制模块具有可根据加热水箱温度、用水量等数据综合判断是否需要启动空气能热泵，以达到优化节能的目的。
本发明的具体实施过程如下：太阳能集热器10可通过太阳能通信控制模块11控制空气源热泵1的运行，根据天气条件的不同，分为三种运行模式：太阳能集热器10单独运行(模式1)、太阳能集热器10与空气源热泵1共同运行加热(模式2)、空气源热泵1单独运行(模式3)。在两个通信控制模块的控制逻辑作用下能够实现优先使用太阳能进行供热，在太阳能辐射不足，无法使加热水箱7的温度达到恒温水箱4设定温度时，太阳能通信控制模块11向空气源热泵通信控制模块3发出开启指令，开启空气源热泵1进行辅助加热，在夜晚没有太阳能的情况下采用空气源热泵1单独供热模式。当用户热负荷增大或加热设备总加热功率增大时，变频水泵能够增大向保温水箱供水的流量。该系统既满足了系统在全年不同工况下稳定、可靠的运行，又具有较好的经济性。三种运行模式分别如下；
模式1：在太阳辐射充足的天气条件下，如夏季晴天，且太阳能集热器10单独对加热水箱7进行加热能够使温度达到恒温水箱设定温度的要求时，仅使用太阳能集热器而不向空气源热泵通信控制模块3发出开启指令。待加热水箱7水温达到设定温度时，即可通过水泵将热水送入恒温水箱4中。
模式2：在太阳辐射不充足的情况下，如阴雨天气或冬季，且太阳能集热器10单独运行无法满足恒温水箱设定温度的要求时，则由太阳能通信控制模块11向空气源热泵通信控制模块3发出开启指令，即采用太阳能加热为主，空气源热泵1进行辅助加热的方式，将加热水箱7的温度升高到恒温水箱4的设定温度，随后空气源热泵停止工作，热水在变频水泵12的作用下被送入恒温水箱4中。空气源热泵相当于替代了传统太阳能热水器中电加热辅助装置。
模式3：在连续的阴雨雪天气，系统可利用的太阳辐射极少，则由空气源热泵单独对加热水箱7进行加热，待温度达到恒温水箱4的设定温度后，热水在变频水泵12的作用下被送入恒温水箱4中，且空气源热泵停止工作。
太阳能集热器采用温差控制的方式，一般在加热水箱下部和集热器出水口设置温差控制器，太阳能循环水泵开启的温差一般取5～10℃，停止温差为2～5℃。另外，还需采取防过热控制及防冻循环控制以确保太阳能集热器的使用安全。
在通信控制的控制逻辑中，需优先保证使用太阳能。太阳能加热不能满足恒温水箱4的温度需求时再开启空气源热泵1。太阳能通信控制模块检测加热水箱7的温度，当加热水箱7的最高水温低于恒温水箱5的温度时，向空气源热泵通信控制模块3发出开启指令。
恒温水箱4和加热水箱7的补水采用液位控制。
本发明在寒冷地区的热用户家庭采用太阳能与空气源热泵复合系统实现供热，充分发挥两种加热方式的优点，对两种工作方式的配合进行了优化，保证系统在全年每天24h的稳定可靠运行，充分利用太阳能进行加热达到节能环保的目的。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，其特征在于，该系统包括进水端口、出水端口、蓄水箱和加热设备；
所述蓄水箱包括恒温水箱和加热水箱；所述进水端口通过管路连接加热水箱，所述出水端口通过管路连接恒温水箱，所述的加热水箱连通加热设备；
所述加热设备包括太阳能集热器和空气源热泵，所述的太阳能集热器和空气源热泵并联到蓄水箱；
所述太阳能集热器的进水管和热水出水管均与蓄水箱中的加热水箱连接，所述太阳能集热器由通信控制模块控制；所述集热器的通信控制模块能独立控制太阳能集热器的上水、循环供热；
所述空气源热泵的进水管和热水出水管均与蓄水箱中的加热水箱连接，所述空气源热泵由通信控制模块控制；所述空气源热泵的通信控制模块能独立控制空气源热泵的取水、循环供热和防冻循环；
所述的集热器和空气源热泵的通信控制模块之间通过信号线连接进行通信，太阳能通信控制模块设有对空气源热泵通信控制模块读写数据的控制单元，空气源热泵通信控制模块设有接收、执行太阳能通信控制模块发送的指令的执行单元。
2.根据权利要求1所述的一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，其特征在于，所述太阳能集热器和空气源热泵的热水出水管均设置有排气阀。
3.根据权利要求1所述的一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，其特征在于，所述太阳能集热器的进水管或热水出水管设置有循环泵，所述的循环泵上设有开关阀。
4.根据权利要求1所述的一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，其特征在于，所述空气源热泵的进水管或热水出水管设置有循环泵，所述的循环泵上设有开关阀。
5.根据权利要求1所述的一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，其特征在于，所述的出水端口连接日常生活热水存放设备或日常供暖设备。
6.根据权利要求1所述的一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，其特征在于，所述的恒温水箱和加热水箱之间连通的管道上设置有变频水泵，所述的变频水泵流量能够根据加热设备的总加热功率增大而增加，随总加热功率下降而减少。
7.根据权利要求1所述的一种严寒地区太阳能与空气源热泵复合供热系统，其特征在于，所述的恒温水箱和加热水箱中均设有温度传感器。
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