CN115614803A - 基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统及采暖方法，其中，系统包括：光伏直流供电装置，用于吸收光能，并将所述光能转化为电能；加热层，所述加热层设置在建筑墙体的一侧，与所述光伏直流供电装置的输出连接，用于将所述电能转化为热能，以对室内进行加热。本申请造价低廉、结构简单、易于实现，能够实现冬季完全依靠太阳能取暖不需要任何辅热设施，同时非供暖季还能实现光伏板发电入网，带来经济效益。
Description
技术领域
本申请涉及光伏采暖技术领域，特别涉及一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统及其方法。
背景技术
北方供暖和农村住宅这两类建筑中，能源消耗中使用煤的比例高于电，在北方供暖分项中用煤的比例超过了80％，农村住宅中用煤的比例约为60％，这会导致大量的直接二氧化碳排放。
要实现碳中和目标，光伏行业将得到大力发展，2030年，将光伏和采暖相结合能够实现零碳采暖，并且在未来电力行业结构变化的基础上，离网运行能够降低对电网的依赖和冲击。
已有的光伏采暖技术费用高昂，例如利用光伏板发电经逆变后加热电暖器，白天多余电力蓄存在蓄电池内，然后进行分时采暖，但是蓄电池会大幅度增加系统的成本，降低系统的经济性；也有不采用蓄电池而直接利用市电进行补充的，但是利用市政电网进行电采暖的运行费用很高，而且能效比低，造成能源的浪费。
发明内容
本申请提供一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统及采暖方法，造价低廉、结构简单、易于实现，能够实现冬季完全依靠太阳能取暖不需要任何辅热设施，同时非供暖季还能实现光伏板发电入网，带来经济效益。
本申请第一方面实施例提供一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统，包括：光伏直流供电装置，用于吸收光能，并将所述光能转化为电能；加热层，所述加热层设置在建筑墙体的一侧，与所述光伏直流供电装置的输出连接，用于将所述电能转化为热能，以对室内进行加热。
可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：保温层，所述保温层设置在所述加热层的一侧。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述保温层包括：蓄热墙体，所述蓄热墙体设置在所述加热的一侧，对所述加热层的产生的热能进行存储。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述保温层包括：保温材料，所述保温材料设置于所述加热层和所述建筑墙体之间，或设置于所述加热层远离室内侧的一侧。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述光伏直流供电装置包括：
光伏板；
第一直流断路器，所述第一直流断路器一端与所述光伏板连接；
DC/DC转换器；所述DC/DC转换器第一输入端与所述光伏板连接，第二端输入与所述第一直流断路器的另一端连接，第三端输入端接地；
二极管，所述二极管与所述DC/DC转换器的输出端连接；
第二直流断路器，所述第二直流断路器一端与所述DC/DC转换器的输出端连接，另一端连接所述加热层。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述保温层厚度由室内温度、室外温度和/或所述建筑墙体热阻确定。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述加热层由电热膜和/或电热丝组成。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述电热膜或所述电热丝的数量由室内负荷确定。
本申请第二方面实施例提供一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖方法，用于上述实施例所述的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统，采暖方法包括以下步骤：获取室内温度与室外温度的温度差值及建筑墙体热阻，并根据所述温度差值和所述建筑墙体热阻确定采暖策略；根据所述采暖策略确定采暖系统的设备选型与加热层的加热时间和加热功率，并根据确定出的加热时间和加热功率控制所述加热层进行加热；采集当前温度差值，判断当前温度差值是否满足加热条件，在不满足所述加热条件时，控制所述加热层停止加热，反之，继续加热。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述加热条件包括：所述当前温度差值小于预设阈值。
本申请实施例的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统及采暖方法，通过优化设计采暖末端结构，能够通过强化围护结构降低采暖需求，同时利用蓄热墙体平抑光伏发电造成的供暖功率的波动性，满足夜晚和阴天条件下的采暖需求，简化原有的复杂控制过程，实现系统完全离网运行，真正实现零碳供热，对建筑采暖领域实现碳中和具有重要意义。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统结构示意图；
图2为根据本申请实施例提供的一种具体地基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统结构图；
图3为根据本申请实施例提供的另一种具体地基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统结构图；
图4为根据本申请实施例提供的再一种具体地基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统结构图；
图5为根据本申请实施例提供的一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖方法的流程图。
附图标记：1—光伏板，2—直流断路器，3—DC/DC转换器，4—直流断路器，5—二极管，6—接地，7—蓄热墙体，8—电热丝，9—保温材料，10—建筑墙体。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
具体而言，图1为根据本申请实施例提供的一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统结构示意图。
如图1所示，该基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统包括：光伏直流供电装置100 和加热层200。
其中，光伏直流供电装置100，用于吸收光能，并将光能转化为电能。加热层200，加热层设置在建筑墙体的一侧，与光伏直流供电装置的输出连接，用于将电能转化为热能，以对室内进行加热。
在本申请的实施例中，光伏直流供电装置100包括：
光伏板1；
第一直流断路器2，第一直流断路器2一端与光伏板1连接；
DC/DC转换器3；DC/DC转换器3第一输入端与光伏板1连接，第二端输入与第一直流断路器2的另一端连接，第三端输入端接地6；
二极管5，二极管5与DC/DC转换器2的输出端连接；
第二直流断路器4，第二直流断路器4一端与DC/DC转换器3的输出端连接，另一端连接加热层。
其中，如图2所示，光伏板1可以设置在屋顶。光伏板所产生的直流电经DC/DC转换器调压后直接驱动末端电热丝，不需要进行交直流转化，从而减少转换损失。DC/DC转换器能够在离网状态下按照最大功率点跟踪运行，保证在不同辐照强度下系统维持较高的发电效率。
本申请的实施例采暖使用电力全部来自于光伏板，实现了零碳采暖，而且几乎没有运行成本，非采暖季还能接入村级直流微网或逆变上网带来经济效益，回收出投资。
在本申请的实施例中，基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统10还包括：保温层，保温层设置在加热层的一侧。
在本申请的实施例中，保温层包括：蓄热墙体7，蓄热墙体设置在加热的一侧，对加热层的产生的热能进行存储。利用蓄热墙体将光伏板白天发电所产生的热量蓄存起来，能够满足夜晚和阴天时的采暖需求。蓄热墙体，其墙砖尽量选用比热容较大的砖，增加其储热能力。
采用墙体储热的方式代替储电，大大降低了投资成本，白天蓄存的热量能够满足夜晚和阴天时的需求，维持较高的室内温度。
在本申请的实施例中，保温层包括：保温材料9，保温材料设置于加热层和建筑墙体之间，或设置于加热层远离室内侧的一侧。
保温材料具备阻燃特性，保证高温运行下的安全性。
蓄热墙体和保温材料厚度的设计，一方面能够增加房间的整体保温性能，另一方面通过热阻比例的控制，能够使得光伏板所产生直流电驱动的电热丝产热能够绝大部分向室内传递，并蓄存在蓄热墙体内，避免热量的浪费。蓄热墙体通过热对流和热辐射方式同时向室内供热，提升房间热舒适性。
如图2所示，系统包括光伏板、直流断路器、DC/DC转换器、二极管、接地、蓄热墙体、电热膜或电热丝、保温材料、建筑墙体以及相关连接电路。
光伏板经直流断路器和DC/DC转换器入口相连，DC/DC转换器出口经直流断路器和电热丝相连，DC/DC转换器出口还与二极管相连，DC/DC转换器与接地相连，上述共同组成光伏直流供电系统；建筑墙体室内侧铺设保温材料，保温材料外铺设电热丝，电热丝外再砌蓄热墙体，上述共同组成蓄热采暖末端。
光伏直流供电装置可完全在离网状态下运行，不依赖于市政电网补充能量，DC/DC转换器带有最大功率追踪功能，可以在不同辐照强度下保证光伏板的发电效率维持较高水平，调节电压并输出直流电。
在本申请的实施例中，保温层厚度由室内温度、室外温度和/或建筑墙体热阻确定。
蓄热采暖末端能够整体提升房间的围护结构保温性能，降低热需求，并且通过对电热丝两侧蓄热墙体和保温板厚度的设计，控制室外传热热阻大于室内传热热阻，使得直流电经电热丝产生的热量能够绝大部分向室内传递，并蓄存在蓄热墙体内。
在本申请的实施例中，加热层由电热膜和/或电热丝组成。
在本申请的实施例中，电热膜或电热丝的数量由室内负荷确定。
电热丝安装数量按照房间负荷确定，多根的电热丝采用并联的方式连接，保证较高的工作表面温度；电热丝也可由直流电热膜替代。
本申请的实施例开发了相应的系统模拟程序，能够根据不同的光伏发电输入模拟室内和墙体内的温度和传热量的变化，能够指导系统优化设计。蓄热墙体厚度、保温材料厚度和电热丝数量经模拟优化确定，所采用的模拟方法为建筑模拟领域的差分法，能够计算整个采暖季的室内温度、墙体温度的变化，以及热量的传递。
综上，在光伏侧，光伏产生直流电经DC/DC变流器最大功率点寻优后供给电热丝加热。在户内采暖侧，使用保温材料和蓄热墙体增加导热热阻，使绝大部分热量都向室内方向传递，蓄存在墙体内。白天蓄存的热量能够满足夜晚采暖使用，晴天蓄存热量能够满足阴天使用，使得离网条件下仍能够满足用户的供热需求。
下面结合附图和具体实施例对本申请的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统进行说明。
本申请的实施例列举了几种保温层和建筑墙体的位置关系，如图2所示，保温材料、电热丝和蓄热墙体均置于建筑墙体内。如图3所示，保温材料置于建筑墙体外，电热丝和蓄热墙体均置于建筑墙体内，此时建筑墙体和蓄热墙体共同承担蓄热作用。如图4所示，保温材料和电热丝均置于建筑墙体外，此时建筑墙体承担蓄热作用。
在采暖系统设计时，应用建筑模拟差分法对房间蓄热采暖系统进行建模，计算整个采暖季房间的热负荷。在明确进行改造的建筑墙体后，根据模拟结果的优化分析确定蓄热墙体和保温材料厚度，以及电热丝数量、布置间距和串并联方式。最终确定屋顶光伏板装机容量和DC/DC转换器选型。
确定选型并实施后的实际工作流程为：
在白天时利用DC/DC转换器控制光伏板在当前辐射强度下的最大功率点发电，经直流断路器作为DC/DC转换器的输入，DC/DC转换器输出侧经直流断路器接入电热丝产生热量，实现光伏发电直驱采暖。
按照本申请所提出的模拟程序对电热丝功率和蓄热墙体、保温材料的厚度所进行的优化设计，白天电热丝产生的热量在保温材料的作用下大部分向蓄热墙体侧传递，一部分蓄存在墙体内，其余以对流和辐射换热的形式供给室内，同时墙体温度不断上升。由于保温材料的作用，仅少量热量经建筑墙体向室外传递。
在夜晚或阴天情况下，较高温度的蓄热墙体则以对流和辐射换热的形式加热室内空气，维持室温。
在初末寒期采暖负荷较低情况下，可以通过直流断路器开关控制电热丝白天加热时长，从而避免室温过热。
在用户侧直流断路器开关时，采用二极管进行直流灭弧，保障运行安全。
对于外立面可以铺设保温材料的房间，可以将保温材料置于建筑墙体外侧，此时建筑墙体内侧安装电热丝和蓄热墙体，建筑墙体和蓄热墙体均参与热量蓄存。
如室内空间不便于安装蓄热墙体，则也可以将电热丝置于建筑墙体和保温材料之间，利用建筑墙体本身蓄存热量。
本申请实施例的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统，在采暖设备侧，通过将墙体蓄热、电热丝和围护结构保温相结合，在采暖末端处提出了蓄热式光伏电加热的结构，能够将白天蓄存多余的热量供给夜晚和阴天使用，维持室内采暖温度。在光伏发电侧，冬天采暖季为纯离网系统，通过DC/DC转换器实现最大功率追踪，能够在不同辐照强度下系统维持较高的发电效率。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖方法。
图5为根据本申请实施例提供的一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖方法的流程图。
如图5所示，该基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖方法用于上述的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统，采暖方法包括以下步骤：
步骤S101，获取室内温度与室外温度的温度差值及建筑墙体热阻，并根据温度差值和建筑墙体热阻确定采暖策略。
具体地，在温度差值大于一定值时，采暖策略可以为不间断持续加热。对此，不做具体限定。
步骤S102，根据采暖策略确定采暖系统的设备选型与加热层的加热时间和加热功率，并根据确定出的加热时间和加热功率控制加热层进行加热。
步骤S103，采集当前温度差值，判断当前温度差值是否满足加热条件，在不满足加热条件时，控制加热层停止加热，反之，继续加热。
可选地，加热条件包括：当前温度差值小于预设阈值。
需要说明的是，前述对基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统实施例的解释说明也适用于该实施例的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖方法，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖方法，优化设计采暖末端结构，能够通过强化围护结构降低采暖需求，同时利用蓄热墙体平抑光伏发电造成的供暖功率的波动性，满足夜晚和阴天条件下的采暖需求，简化原有的复杂控制过程，实现系统完全离网运行，真正实现零碳供热，对建筑采暖领域实现碳中和具有重要意义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
Claims (10)
1.一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统，其特征在于，包括：
光伏直流供电装置，用于吸收光能，并将所述光能转化为电能；
加热层，所述加热层设置在建筑墙体的一侧，与所述光伏直流供电装置的输出连接，用于将所述电能转化为热能，以对室内进行加热。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
保温层，所述保温层设置在所述加热层的一侧。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述保温层包括：
蓄热墙体，所述蓄热墙体设置在所述加热的一侧，对所述加热层的产生的热能进行存储。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述保温层包括：
保温材料，所述保温材料设置于所述加热层和所述建筑墙体之间，或设置于所述加热层远离室内侧的一侧。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光伏直流供电装置包括：
光伏板；
第一直流断路器，所述第一直流断路器一端与所述光伏板连接；
DC/DC转换器；所述DC/DC转换器第一输入端与所述光伏板连接，第二端输入与所述第一直流断路器的另一端连接，第三端输入端接地；
二极管，所述二极管与所述DC/DC转换器的输出端连接；
第二直流断路器，所述第二直流断路器一端与所述DC/DC转换器的输出端连接，另一端连接所述加热层。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述保温层厚度由室内温度、室外温度和/或所述建筑墙体热阻确定。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热层由电热膜和/或电热丝组成。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电热膜或所述电热丝的数量由室内负荷确定。
9.一种基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖方法，其特征在于，用于权利要求1-8任一项所述的基于墙体蓄热的离网式光伏直驱采暖系统，采暖方法包括以下步骤：
获取室内温度与室外温度的温度差值及建筑墙体热阻，并根据所述温度差值和所述建筑墙体热阻确定采暖策略；
根据所述采暖策略确定采暖系统的设备选型与加热层的加热时间和加热功率，并根据确定出的加热时间和加热功率控制所述加热层进行加热；
采集当前温度差值，判断当前温度差值是否满足加热条件，在不满足所述加热条件时，控制所述加热层停止加热，反之，继续加热。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述加热条件包括：
所述当前温度差值小于预设阈值。
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