CN114440478B - 一种风热型太阳能自动采暖系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风热型太阳能自动采暖系统及其控制方法，包括太阳能集热器、风热加热室、辅热模组、气液换热器、储热水箱和采暖风机，风热加热室通过风管与太阳能集热器形成第一风热循环回路，辅热模组与风热加热室连通；气液换热器通过风管与太阳能集热器形成第二风热循环回路，且气液换热器通过水管与储热水箱形成热水循环回路；风热加热室以及气液换热器的两端分别设有阀门，热水循环回路中设有循环水泵，采暖风机设置在太阳能集热器进风端或出风端的风管上。本发明采用太阳能直接为空气加热，将热空气引入房间供暖，热效率高；可开启辅热模组加热，保证加热需求；还可切换热水功能，利用热空气制备生活热水，以增强本自动采暖系统的适用性。

Description

一种风热型太阳能自动采暖系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及房屋采暖技术领域，具体涉及一种风热型太阳能自动采暖系统及其控制方法。

背景技术

现有的太阳能热利用系统普遍采用太阳能集热板对液体热媒进行加热，然后通过管路将液体热媒带到各需求处进行热交换，从而实现太阳能的利用。或者通过太阳能光伏板将太阳能转换为电能，通过电能为电热设备供能从而提供房屋采暖或热水系统需要的温度。由于需进行多次转换，且转换过程能耗较高，该方式对太阳能的利用率较低，造成了能源浪费。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种风热型太阳能自动采暖系统及其控制方法，其采用太阳能直接为空气加热，加热后的空气可直接引入房间进行供暖，热效率高；在太阳能不足时可开启辅热模组加热，以保证加热需求；还可自由切换供暖功能和热水功能，利用加热后空气中的热量为热水系统加热，提供生活热水，增强了本自动采暖系统的适用性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种风热型太阳能自动采暖系统，包括太阳能集热器、风热加热室、辅热模组、气液换热器、储热水箱和采暖风机，所述风热加热室通过多条风管与太阳能集热器形成第一风热循环回路，所述辅热模组与风热加热室连通；所述气液换热器通过多条风管与太阳能集热器形成第二风热循环回路，所述气液换热器通过水管与储热水箱形成热水循环回路；所述风热加热室以及气液换热器的两端分别设有阀门，所述热水循环回路中设有循环水泵，所述采暖风机设置在太阳能集热器进风端或出风端的风管上。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述采暖系统还包括新风机，所述新风机设置在风热加热室内。

进一步，太阳能集热器包括多个呈阵列排布的太阳能集热板，每个太阳能集热板的底端设有密封的加热仓，相邻的所述加热仓通过连接管道连通。

进一步，所述气液换热器包括热媒共用箱，所述热媒共用箱内设有互不连通的热气通道与水流通道，流经所述热气通道的气体与流经水流通道的水在热媒共用箱内进行热交换。

进一步，所述辅热模组包括碳晶辅热、空气源辅热、天然气辅热或电辅热中的任意一种或多种组合。

进一步，所述采暖系统还包括温度监测模组，所述温度监测模组包括第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，所述第一温度传感器设置在风热加热室内，用于监测风热加热室的室温；所述第二温度传感器设置在太阳能集热器的出风端，用于监测太阳能集热器的温度；所述第三温度传感器设置在储热水箱上，用于监测水温。

进一步，所述采暖系统还包括湿度调节模组，所述湿度调节模组包括湿度传感器、湿度调节器和湿度调节风阀，所述湿度传感器和湿度调节器设置在风热加热室内，所述湿度传感器用于监测风热加热室内的湿度，所述湿度调节器用于增加或降低风热加热室的湿度；所述湿度调节风阀通过风管与外界风源连接，用于引入外界风源以调节风热加热室的湿度。

第二方面，基于上述的风热型太阳能自动采暖系统，本发明还提供一种控制方法，包括以下步骤：

切换供暖模式或热水模式；

当前为供暖模式时：

开启第一风热循环回路，关闭第二风热循环回路以及热水循环回路；

预设风热加热室的目标温度值t，目标温度值t需满足：t1≤t≤t2，其中t1为目标温度t的低温阈值，t2为目标温度t的高温阈值；预设太阳能集热器的温度阈值范围t3～t4；检测风热加热室的温度值T1以及太阳能集热器的温度值T2；

当t－T1＞3℃且T2－T1≥6℃时，开启采暖风机以及风热加热室两端的阀门，开始向风热加热室供暖；当T2－T1＜3℃时，关闭采暖风机以及风热加热室两端的阀门，停止向风热加热室供暖；当T1≥t2时，自动切换到热水模式；

当t－T1＞3℃且T2＜t3时，采暖风机不开启，启动辅热模组；直到T2≥t3并持续15分钟、且T2－T1≥6℃时，开启采暖风机以及风热加热室两端的阀门；当采暖风机持续运行5分钟且T2≥25℃，则关闭辅热模组；当关闭辅热模组十分钟后T2＜t3、且T2的上升值小于0.5℃，再次启动辅热模组、且开启采暖风机；

当T2≥t4且T1＜t2，采暖风机开启，辅热模组关闭；

当前为热水模式时：

关闭第一风热循环回路，开启第二风热循环回路以及热水循环回路；

预设热水加热温度阈值t5和热水停止加热温度阈值t6，检测太阳能集热器的温度值T2和储热水箱的水温T3；

当T2－T3≥t5时，采暖风机开启，循环水泵开启；

当T2－T3＜t6时，采暖风机关闭，循环水泵关闭。

进一步，所述步骤还包括：

当前为供暖模式时，设置湿度阈值s1、湿度阈值s2和湿度阈值s3，满足：s1＜s2＜s3，检测风热加热室的湿度值S1；

当湿度值S1小于湿度阈值s1时，开启第一风热循环回路的加湿功能；当湿度值S1大于湿度阈值s2时，关闭加湿功能；

当湿度值S1大于湿度阈值s3时，开启第一风热循环回路的干燥功能；当湿度值S1小于湿度阈值s2时，关闭干燥功能。

进一步，所述步骤还包括：当前为供暖模式时，开启第一风热循环回路的新风功能。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种风热型太阳能自动采暖系统及其控制方法，其采用太阳能直接为空气加热，加热后的空气可直接引入房间进行供暖，热转换效率高；在房间内铺设有辅热模组，在太阳能不足时可开启辅热模组加热，以保证加热需求；还可自由切换供暖功能和热水功能，利用太阳能加热后的空气中的热量为热水系统加热，提供生活热水，增强了本自动采暖系统的适用性。

附图说明

图1为本发明系统组成结构图；

图2为本发明控制原理简图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、采暖风机，2、风热加热室，3、风管，4、太阳能集热器，5、连接管道，6、湿度调节器，7、备用辅热模组，8、辅热模组，9、湿度调节风阀，10～13、阀门，14、气液换热器，15、储热水箱，16、新风机16，17、循环水泵，18、第一温度传感器，19、第二温度传感器，20、第三温度传感器，21、湿度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例提供一种风热型太阳能自动采暖系统，包括太阳能集热器4、风热加热室2、辅热模组8、气液换热器14、储热水箱15和采暖风机1，所述风热加热室2通过多条风管3与太阳能集热器4形成第一风热循环回路，所述辅热模组8与风热加热室2连通；所述气液换热器14通过多条风管3与太阳能集热器4形成第二风热循环回路，所述气液换热器14通过水管与储热水箱15形成热水循环回路；所述风热加热室2以及气液换热器14的两端分别设有阀门，所述热水循环回路中设有循环水泵17，所述采暖风机1设置在太阳能集热器4进风端或出风端的风管3上。

本实施例的方案中，采暖的房屋作为风热加热室2，太阳能集热器4和采暖风机1可设置在屋顶等采光条件好的位置，以最大范围地获取太阳能。太阳能集热器4收集太阳能，并将太阳能转换为热能为空气加热。为了便于控制系统进行远程操控，本实施例涉及的阀门均采用电动阀门。控制系统通过多个继电器或接触器实现对辅热模组8、各个阀门、采暖风机1、新风机16以及循环水泵17等设备的分别控制。如图1所示，当开闭阀门10和阀门11时，可开通或关闭第一风热循环回路；当开闭阀门12和阀门13时，可开通或关闭第二风热循环回路。在采暖模式下，开启第一风热循环回路、关闭第二风热循环回路，热空气通过风管3进入房屋，为房屋内部空间加热，换热后的空气在采暖风机1的驱动下，经风管3流回太阳能集热器4重新加热，实现了源源不断地利用太阳能为房屋供暖的目的。在光照不足的季节或天气，单纯采用太阳能供暖可能达不到期望的温度，房屋内铺设有辅热模组8，此时开启辅热模组8与太阳能共同为房屋供暖，实现了供暖方式的多样化。还可采用太阳能集热器4加热后的空气通过气液换热器14进行换热，为热水系统加热，此时开启第二风热循环回路、关闭第一风热循环回路，或将风热型太阳能采暖阵列做到足够需求而具备采暖和同时制备生活所需热水，实现能源的充分利用。在循环水泵17的驱动作用下，水流在热水循环回路中循环加热，直到达到期望的热水温度，加热后的水可作为生活用水使用。

在一种可能的实施例方式中，为了净化引入风热加热室2的热空气，所述采暖系统还包括新风机16，所述新风机16设置在风热加热室2内，用于对加热后的空气进行过滤、消毒等处理，同时使房屋内的空气形成内循环，以提升房屋内的空气换热效率。

如图1所示，太阳能集热器4包括多个呈阵列排布的太阳能集热板，每个太阳能集热板的底端设有密封的加热仓，相邻的所述加热仓通过连接管道5连通。太阳能集热板吸收太阳能并转化为热能，空气在采暖风机1的驱动作用下流经阵列排布的太阳能集热板下方的加热仓，被持续加热，实现了太阳能的利用。

进一步，所述气液换热器14包括热媒共用箱，所述热媒共用箱内设有互不连通的热气通道与水流通道，流经所述热气通道的气体与流经水流通道的水在热媒共用箱内进行热交换，水流将热气中的热量带出，实现了水的加热。

作为优选的方案，所述辅热模组8包括碳晶辅热、空气源辅热、天然气辅热或电辅热中的任意一种或多种组合，在已设置一种辅热模组8的基础上，还可在房屋内设置备用辅热模组7，以保障特殊情况下的采暖需求。如图2所示，控制系统输出220V控制信号，通过接触器提供电能、或控制辅助模组的热源设备运行停止。例如在房屋地面铺设碳晶辅热层，在房屋内安装空气源辅热(例如空调)，还可在房屋内设置壁炉、电暖气等各种辅助加热设施，作为太阳能加热不足时的补充，通过控制系统集中控制，以获得期望的房屋温度。

为了精确控制房屋以及热水系统的加热温度，需要在加热的同时实时监测房屋的温度变化情况。如图1所示，所述采暖系统还包括温度监测模组，所述温度监测模组包括第一温度传感器18、第二温度传感器19和第三温度传感器20，所述第一温度传感器18设置在风热加热室2内，用于监测房屋的室温；所述第二温度传感器19设置在太阳能集热器4的出风端，用于监测太阳能集热器4的温度；所述第三温度传感器20设置在储热水箱15上，用于监测水温。监测到的数据均送入控制系统，作为控制系统的对采暖系统运行状况判断的依据。

采用风热型采暖系统提供热空气时，可能会造成房屋内湿度变化，为了在保证房屋温度的同时具有较舒适的湿度，所述采暖系统还包括湿度调节模组，所述湿度调节模组包括湿度传感器21、湿度调节器6和湿度调节风阀9，所述湿度传感器21和湿度调节器6设置在房屋内，所述湿度传感器21用于监测房屋内的湿度，所述湿度调节器6用于增加或降低风热加热室2的湿度，可采用加湿器和除湿机、或者集加湿和除湿功能于一体的湿度调节设备；所述湿度调节风阀9通过风管3与外界风源连接，用于吹入干燥空气，通过外界风源以调节房屋的湿度。为了便于远程智能化控制，湿度调节风阀9采用电动阀，可通过控制系统远程调控其开度。

基于上述的风热型太阳能自动采暖系统，本实施例还提供一种控制方法，包括以下步骤：

A、根据实际需求，通过控制系统切换供暖模式或热水模式；

B、当前为供暖模式时：

开启第一风热循环回路，关闭第二风热循环回路以及热水循环回路；

预设风热加热室2的目标温度值t，目标温度值t需满足：t1≤t≤t2，其中t1为目标温度t的低温阈值，t2为目标温度t的高温阈值，本实施例中设置t1为12℃，t2为26℃；预设太阳能集热器4的温度阈值范围t3～t4，t3为15℃，t4为35℃；实时检测风热加热室2的温度值T1以及太阳能集热器4的温度值T2；

当t－T1＞3℃且T2－T1≥6℃时，开启采暖风机1以及风热加热室2两端的阀门，开始向风热加热室2供暖；当T2－T1＜3℃时，关闭采暖风机1以及风热加热室2两端的阀门，停止向风热加热室2供暖；当T1≥t2时，自动切换到热水模式；

当t－T1＞3℃且T2＜t3时，采暖风机1不开启，启动辅热模组8；直到T2≥t3并持续15分钟、且T2－T1≥6℃时，开启采暖风机1以及风热加热室2两端的阀门；当采暖风机1持续运行5分钟且T2≥25℃，则关闭辅热模组8；当关闭辅热模组8十分钟后T2＜t3、且T2的上升值小于0.5℃，再次启动辅热模组8、且开启采暖风机1；

当T2≥t4且T1＜t2，采暖风机1开启，辅热模组8关闭。

在供暖模式下，通过温差循环，温差可调节，优先利用太阳能，在太阳能不足导致温度偏低时才启动辅热模组8，充分利用了能源，避免造成能源浪费。

C、当前为热水模式时：

关闭第一风热循环回路，开启第二风热循环回路以及热水循环回路；

预设热水加热温度阈值t5和热水停止加热温度阈值t6，本实施例中设置t5为15℃，t6为7℃；实时检测太阳能集热器4的温度值T2和储热水箱15的水温T3；

当T2－T3≥t5时，采暖风机1开启，循环水泵17开启；

当T2－T3＜t6时，采暖风机1关闭，循环水泵17关闭。

只有当太阳能集热器4的温度值T2达到预设的加热温度时，才利用其为热水系统加热，如此反复，使得水箱水温持续升高，增加了热水加热的效率。

进一步，所述步骤B还包括：

当前为供暖模式时，设置湿度阈值s1、湿度阈值s2和湿度阈值s3，满足：s1＜s2＜s3，检测风热加热室2的湿度值S1；其中，由于人体较为舒适的空气湿度为45－65％，因此本实施例灵活设置湿度阈值s1为45％，湿度阈值s2为60％，湿度阈值s3为65％。为了实现更好的湿度控制效果，将s1、s2和s3的值进行灵活设置，但是需满足s1＜s2＜s3。

当湿度值S1小于湿度阈值s1时，开启第一风热循环回路的湿度调节器6向房屋内加湿，实现加湿功能；当湿度值S1大于湿度阈值s2时，关闭加湿功能；

当湿度值S1大于湿度阈值s3时，开启湿度调节风阀9，向房屋内吹入干燥空气，以降低房屋的湿度，从而实现了第一风热循环回路的干燥功能；当湿度值S1小于湿度阈值s2时，关闭干燥功能。

进一步，所述步骤B还包括：当前为供暖模式时，开启第一风热循环回路的新风机16，以净化吹入房屋内的热空气。

为了实现控制系统的智能化管理，可设置系统定时启动，定时关闭。例如每天可设置4个时间段自动开启和自动关闭，以满足不同用户的个性化需求。

工作原理：

如图1及图2所示，本实施例依托风热型太阳能集热阵列发明的一种自动控制的风热型太阳能采暖系统，包括风热型太阳能集热器4、设置于屋面的采暖风机1机组和可供选用的热泵或燃气等其他辅热模组8，风热型太阳能集热器4设有配套的太阳能控制器，风机机组上设有配套的风机控制器，可供选用的碳晶采暖、热泵或燃气等其他辅热模组8配置有辅热控制器；室内设置温度传感器和湿度传感器21，还设置湿度调节模块。根据使用需求还设有热水系统，利用太阳能集热器4加热的空气为热水系统供能，实现了太阳能的充分利用。采暖系统的上述各组成部分均受控制系统控制，各传感器实时采集系统的运行数据，以监控系统的运行状态；控制系统根据系统当前的运行状态，输出控制信号，通过各个接触器控制采暖系统或热水系统运行，同时可对房屋的温度与湿度进行控制。

本实施例的采暖系统采用太阳能直接为空气加热，加热后的空气可直接引入房间进行供暖，热转换效率高；在房间内铺设有辅热模组8，在太阳能不足时可开启辅热模组8加热，以保证加热需求；还可自由切换供暖功能和热水功能，利用太阳能加热后的空气中的热量为热水系统加热，从而制备热水，提供生活热水，增强了本自动采暖系统的适用性。

可采用采暖季采暖时风热型太阳能采暖阵列提供采暖所需热量，在其他季节由风液换热器换热加热储热水箱15，从而制备热水，提供生活用热水。或将风热型太阳能采暖阵列做到足够需求而具备采暖和同时制备生活所需热水，实现能源的充分利用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，包括太阳能集热器（4）、风热加热室（2）、辅热模组（8）、气液换热器（14）、储热水箱（15）和采暖风机（1），所述风热加热室（2）通过多条风管（3）与太阳能集热器（4）形成第一风热循环回路，所述辅热模组（8）与风热加热室（2）连通；所述气液换热器（14）通过多条风管（3）与太阳能集热器（4）形成第二风热循环回路，所述气液换热器（14）通过水管与储热水箱（15）形成热水循环回路；所述风热加热室（2）以及气液换热器（14）的两端分别设有阀门，所述热水循环回路中设有循环水泵（17），所述采暖风机（1）设置在太阳能集热器（4）进风端或出风端的风管（3）上；

风热型太阳能自动采暖系统的控制方法，包括以下步骤：

切换供暖模式或热水模式；

当前为供暖模式时：

开启第一风热循环回路，关闭第二风热循环回路以及热水循环回路；

预设风热加热室（2）的目标温度值t，目标温度值t需满足：t1≤t≤t2，其中t1为目标温度t的低温阈值，t2为目标温度t的高温阈值；预设太阳能集热器（4）的温度阈值范围t3~t4；检测风热加热室（2）的温度值T1以及太阳能集热器（4）的温度值T2；

当t-T1>3℃且T2－T1≥6℃时，开启采暖风机（1）以及风热加热室（2）两端的阀门，开始向风热加热室（2）供暖；当T2－T1<3℃时，关闭采暖风机（1）以及风热加热室（2）两端的阀门，停止向风热加热室（2）供暖；当T1≥t2时，自动切换到热水模式；

当t-T1>3℃且T2<t3时，采暖风机（1）不开启，启动辅热模组（8）；直到T2≥t3并持续15分钟、且T2－T1≥6℃时，开启采暖风机（1）以及风热加热室（2）两端的阀门；当采暖风机（1）持续运行5分钟且T2≥25℃，则关闭辅热模组（8）；当关闭辅热模组（8）十分钟后T2<t3、且T2的上升值小于0.5℃，再次启动辅热模组（8）、且开启采暖风机（1）；

当T2≥t4且T1<t2，采暖风机（1）开启，辅热模组（8）关闭；

当前为热水模式时：

关闭第一风热循环回路，开启第二风热循环回路以及热水循环回路；

预设热水加热温度阈值t5和热水停止加热温度阈值t6，检测太阳能集热器（4）的温度值T2和储热水箱（15）的水温T3；

当T2-T3≥t5时，采暖风机（1）开启，循环水泵（17）开启；

当T2-T3<t6时，采暖风机（1）关闭，循环水泵（17）关闭。

2.根据权利要求1所述一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，所述采暖系统还包括新风机（16），所述新风机（16）设置在风热加热室（2）内。

3.根据权利要求1所述一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，太阳能集热器（4）包括多个呈阵列排布的太阳能集热板，每个太阳能集热板的底端设有密封的加热仓，相邻的所述加热仓通过连接管道（5）连通。

4.根据权利要求1所述一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，所述气液换热器（14）包括热媒共用箱，所述热媒共用箱内设有互不连通的热气通道与水流通道，流经所述热气通道的气体与流经水流通道的水在热媒共用箱内进行热交换。

5.根据权利要求1所述一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，所述辅热模组（8）包括碳晶辅热、空气源辅热、天然气辅热或电辅热中的任意一种或多种组合。

6.根据权利要求1所述一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，所述采暖系统还包括温度监测模组，所述温度监测模组包括第一温度传感器（18）、第二温度传感器（19）和第三温度传感器（20），所述第一温度传感器（18）设置在风热加热室（2）内，用于监测风热加热室（2）的室温；所述第二温度传感器（19）设置在太阳能集热器（4）的出风端，用于监测太阳能集热器（4）的温度；所述第三温度传感器（20）设置在储热水箱（15）上，用于监测水温。

7.根据权利要求1所述一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，所述采暖系统还包括湿度调节模组，所述湿度调节模组包括湿度传感器（21）、湿度调节器（6）和湿度调节风阀（9），所述湿度传感器（21）和湿度调节器（6）设置在风热加热室（2）内，所述湿度传感器（21）用于监测风热加热室（2）内的湿度，所述湿度调节器（6）用于增加或降低风热加热室（2）的湿度；所述湿度调节风阀（9）通过风管（3）与外界风源连接，用于引入外界风源以调节风热加热室（2）的湿度。

8.根据权利要求1所述一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，所述控制方法还包括：

当前为供暖模式时，设置湿度阈值s1、湿度阈值s2和湿度阈值s3，满足：s1<s2<s3，检测风热加热室（2）的湿度值S1；

当湿度值S1小于湿度阈值s1时，开启第一风热循环回路的加湿功能；当湿度值S1大于湿度阈值s2时，关闭加湿功能；

当湿度值S1大于湿度阈值s3时，开启第一风热循环回路的干燥功能；当湿度值S1小于湿度阈值s2时，关闭干燥功能。

9.根据权利要求1或8所述一种风热型太阳能自动采暖系统，其特征在于，所述控制方法还包括：

当前为供暖模式时，开启第一风热循环回路的新风功能。