CN201636957U - 办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，空气源热泵机组分别连接采暖热水箱、生活热水箱，采暖热水箱连接太阳能集热器阵列，采暖热水箱与生活热水箱连接，采暖热水箱还连接地板采暖末端。地板采暖末端位于办公楼室内地板层中，在地板采暖末端和采暖热水箱之间设有采暖循环泵。采暖热水箱的内部装有换热盘管。太阳能集热器阵列由数个平板集热器通过串、并联结构组成。本实用新型针对办公楼的建筑特点和采暖及热水用能特征，利用空气源热泵辅助的低品位太阳能热水系统来实现冬季高效供暖以及全年热水供应，达到较高的经济性和能源利用效率。本实用新型的有益效果是：在办公楼的采暖及热水需求下，能够提高太阳能利用率，节约能源消耗。

Description

办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统

技术领域

本实用新型涉及建筑节能技术以及太阳能热利用技术，涉及办公楼冬季采暖及生活热水需求下的空气源热泵辅助太阳能热利用系统，尤其涉及一种办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统。

背景技术

全球性石化能源的紧缺以及温室效应的加剧给环境和社会发展带来了很多负担，作为应对，近年来太阳能等可再生能源的开发及利用发展迅速。另一方面，近年来在生产及生活过程中人们对热舒适要求逐渐提高，建筑环节中所消耗的能源也相应地逐年增长，夏季空调和冬季采暖消耗了大量宝贵的电力资源并对电网容量提出了挑战。中国中部和南部大部分地区都没有冬季集中供暖的基础设施，其中以长江流域广大地区为代表的夏热冬冷地区冬季环境温度依然较低，因此存在着供暖需求。目前这些地区普遍采用风冷式热泵来采暖，但是受所处环境限制，这种采暖方式一般效率较低，而且冬季采暖能耗很大。因此，如果在上述地区采用太阳能采暖，可以因地制宜，在满足采暖需求的同时节约能源。

办公楼一般具有相对较高的热舒适要求，是城市中的耗能大户。将太阳能用于办公楼的冬季采暖，将具有明显的节能效果，这是由多方面因素决定的。除了太阳能采暖基本很少消耗电力外，还在于太阳能采暖与办公楼的匹配。

首先是能量品位的一致性。太阳能是一种品位较低的能源，如果被用于发电，那么由于提升能量品位需要很多额外的支出，最终总体效率也不高。而相反的是，太阳能转化成可利用的热能的能力相对高很多，特别适合用于办公楼这种对冬季采暖、热水供应等热量要求较高的场所。在办公楼中采用地板采暖系统与太阳能热水系统结合，从舒适性和能量品位的角度来看，都具有较高的匹配性。

其次是太阳能集热器比较容易与办公楼有机结合，实现建筑一体化。采用目前成熟的平板集热器，可以安装在楼顶与坡屋面集成，也可以安装在外立面上与办公楼墙面集成。从暖通设计方面考虑，办公楼中接近屋面以及靠近外墙的地方，正是最需要热量的地方。因此太阳能集热器在上述位置集成后，也能提高热量输运的总体效率。

上述几个方面反映了太阳能采暖与办公楼具有形式上和应用上的多方面的匹配，这使得在实际应用过程中更容易达到舒适与节能的效果。

办公楼的冬季持续的采暖对于供热稳定性有较高要求，而太阳能受不可控环境因素的影响，在稳定性方面则非常欠缺，具有强烈的变动性。为了弥补这一缺陷，在系统中需要设置辅助热源以维持系统稳定工作。对于办公楼来说，根据其规模采用空气源热泵机组作为辅助热源，在稳定性、效率和联合运行经济性方面综合考虑则具有较大优势，因此在实用性方面采用集中的空气源热泵机组作为辅助热源。

目前，太阳能热水及采暖联合系统已经有了一些应用。中国专利申请号200710063483.X公开了一种太阳能采暖及热水联供机组。这种机组将压缩式热泵机组串联进入太阳能集热器中，具有较高的集成度。但是，受压缩机循环压差限制，这种系统只能制作小型化产品，而不适用于办公楼这种较大规模的场合。

同样，中国专利申请号200610111393.9中设计的燃气辅助的采暖热水两用装置和中国专利申请号200820028069.5中设计的全自动太阳能采暖地板热辐射系统，都是针对小型家庭用户设计的集成产品，着眼于功能的实现，然而与办公楼的规模以及热舒适要求不匹配。

如何设计一种能够有效满足办公楼冬季采暖及热水供应的空气源热泵辅助太阳能采暖及热水联合系统，保证系统运行的稳定性及能量效率，是技术人员需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的任务是提供一种适用于办公楼的节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，解决了上述现有技术所存在的问题。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，包括：一个采暖热水箱，一个连接采暖热水箱的太阳能集热器阵列，一个连接采暖热水箱的生活热水箱，一个连接采暖热水箱的地板采暖末端；还包括：一个同时连接采暖热水箱及生活热水箱的空气源热泵机组，一台位于采暖热水箱与太阳能集热器阵列之间的集热循环泵，以及一个控制系统；

所述空气源热泵机组分别连接采暖热水箱、生活热水箱，所述采暖热水箱连接太阳能集热器阵列，采暖热水箱与生活热水箱连接，采暖热水箱还连接地板采暖末端；

所述地板采暖末端位于办公楼室内地板层中，在地板采暖末端和采暖热水箱之间设有一台采暖循环泵；

所述采暖热水箱的内部装有换热盘管；

所述太阳能集热器阵列由数个平板集热器通过串、并联结构组成；

所述太阳能集热器阵列与采暖热水箱间接相连，即热水从太阳能集热器阵列流经采暖热水箱的换热盘管内部再流出水箱。

所述空气源热泵机组与采暖热水箱和生活热水箱之间的连接，经由一个电动三通阀来连接。

所述电动三通阀位于空气源热泵机组的进水管路上，电动三通阀的出口通向空气源热泵机组，电动三通阀的两个进口分别连接采暖热水箱和生活热水箱。

所述空气源热泵机组和电动三通阀之间设有一台热水循环泵。

所述采暖热水箱与生活热水箱通过一个倾斜连通管相连接，该倾斜连通管与采暖热水箱相连的一端为高端，与生活热水箱相连的一端为中端。

采用本实用新型的办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，能够充分利用太阳能提供冬季采暖及制取生活热水，达到热舒适和节能效果。同时该系统还能够解决太阳能自身不稳定性带来的问题，使得生活热水供应和采暖都能得到保障。

本实用新型针对办公楼的建筑特点和采暖及热水用能特征，利用空气源热泵辅助的低品位太阳能热水系统来实现冬季高效供暖以及全年热水供应，达到较高的经济性和能源利用效率。

本实用新型的有益效果是：在办公楼的采暖及热水需求下，能够提高太阳能利用率，节约能源消耗。

附图说明

附图为本实用新型的一种办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统的结构示意图。

图中标号：

1为太阳能集热器阵列，2为采暖热水箱，3为生活热水箱，4为空气源热泵机组，5为地板采暖末端，6为换热盘管，7为连通管，8为电动三通阀，9为集热循环泵，10为热水循环泵，11为采暖循环泵，12为补水器，13为生活热水出水口。

具体实施方式

参看附图，本实用新型的一种办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统主要由一个太阳能集热器阵列1、一个采暖热水箱2、一个生活热水箱3、一个地板采暖末端5、一个空气源热泵机组4、一个集热循环泵9以及一个控制系统组成。采暖热水箱2既连接太阳能集热器阵列1，又连接生活热水箱3，还连接地板采暖末端5。空气源热泵机组4同时连接采暖热水箱2及生活热水箱3。集热循环泵9安置在采暖热水箱2与太阳能集热器阵列1之间。

太阳能集热器阵列1采用多个平板集热器按照一定的串、并联方式组成，可以根据具体情况集成在屋面或者集成在外立面，也可以采用部分屋面集成、部分外立面集成的安装方式。办公楼一般有较大的外围护结构面积，所以具有足够的空间来放置集热器阵列。每个平板集热器采用不带有水箱的直通式结构。在太阳能集热器阵列1和采暖热水箱2之间接近太阳能集热器阵列1入口的地方，设置集热循环泵9。太阳能集热循环的设计循环温差为10℃，根据循环温差和当地太阳辐照情况可以选用合适的串、并联形式及集热循环泵9的规格，使得在该设计循环温差下集热器阵列的总流量和压力损失与集热循环泵9的额定流量及压头相匹配。太阳能集热器阵列1内部的工作介质，优先选用适合在冬季工作的防冻液，这样在冬季夜间环境温度较低时管路也不会被冻坏。

采暖热水箱2内部设置有连接太阳能集热器阵列1的换热盘管6，该换热盘管6在水箱内部沿竖直方向螺旋形排布，按照内部液体流动方向，上部为其入口，下部为其出口。在太阳能集热泵运行时，太阳能集热器阵列1中的热水由水箱上部进入换热盘管6，在液体向下流动的同时对采暖热水箱2中的储水进行加热并降低自身温度，最后从水箱下部流出，经由集热循环泵9回流到太阳能集热器阵列1。

采暖热水箱2另一对进出口通往地板采暖末端5。采暖热水箱2中的储水从水箱上部流向地板采暖末端5，而从地板采暖末端5中流回的热水则从下部进入采暖热水箱2。流经地板采暖末端5的热水直接来自采暖热水箱2，中间没有附加换热器。

采暖热水箱2还有一对进出口通向空气源热泵机组4。采暖热水箱2中的储水从水箱下部流向空气源热泵机组4，而从空气源热泵机组4中流回的热水则从上部进入采暖热水箱2。通向空气源热泵机组4的热水直接来自采暖热水箱2，中间没有附加换热器。

采暖热水箱2除了上述三对进出口之外，还通过一根连通管7与生活热水箱3连接。连通管7与采暖热水箱2相连的一端位于采暖热水箱2中部，在运行期间会有部分热水从该连通管7流向生活热水箱3。

采暖热水箱2内部布置了补水器12，补水器12的另一端直接接入自来水管路。在本实施例中补水器12采用浮球阀形式，当然液位式补水器等其他形式的补水器也能满足要求。当采暖热水箱2水位下降时，补水器12开启对采暖热水箱2中的储水进行补充，从而维持采暖热水箱2内部水量。

地板采暖末端5位于采暖房间内，在本实施例中为置于地板结构中按照“回”字形排布的热水盘管，也可以采取其他形式的盘管布置方式。除了最基本的热水盘管之外，在不同的应用场合下地板采暖末端5可能还包括分集水器及排气阀等其他调节装置，不过这在地板采暖领域已经是很成熟的技术，在本实用新型中就不再敷述。

在地板采暖末端5和采暖热水箱2之间接近地板采暖末端5入口的管路上设置采暖循环泵11，采暖热水箱2中的热水经由采暖循环泵11流入地板采暖末端5，对地板结构进行加热，然后流回到采暖热水箱2。本实用新型中采用的地板采暖系统作为办公楼的供暖末端，主要基于能量使用效率方面的考虑。常规太阳能集热的工作温度都较低，如果与普通的室内换热器相配合，则太阳能集热效率衰减很严重。而地板采暖的热水需求温度较低，一般不超过55℃，在非严寒地区采暖温度更低。除此之外，国内外的研究表明，由于地板采暖中辐射的存在以及地板层的蓄热效果，对于连续运行的地板采暖系统，室内有效温度对采暖供水并不敏感。这就是说，对于办公楼这种部分房间全天都需要供暖的情况，地板采暖用的热水温度可以根据当地气候进一步降低，在这种情况下，采用地板采暖的形式能够使得太阳能集热器保持高效运行。

生活热水箱3位于采暖热水箱2旁边，其高度与采暖热水箱2一致，容量可根据末端热水需求而确定。生活热水箱3和采暖热水箱2之间通过一根倾斜的连通管7相连。该倾斜连通管7与采暖热水箱2相连的一端为高端，即位置较高；倾斜连通管7与生活热水箱3相连的一端为中端，即位于生活热水箱3的中上部。

在生活热水箱3和采暖热水箱2之间采用连通管7，主要是基于节能考虑。在办公楼中，生活热水的温度和地板采暖热水的温度并不相同，生活热水的温度一般在50℃～60℃，而基于节能考虑在大部分情况下地板采暖热水的温度都低于50℃，所以生活热水箱3的温度一般比采暖热水箱2温度高。在能源方面，对于上述两种不同的温度需求，空气源热泵机组的效率基本不会受到影响，而太阳能集热器的效率则有显著的改变。为了提高作为主要热源的太阳能集热器的效率，本实用新型中把低温热水的供应交由太阳能集热器阵列1负责，而进一步加热到较高的生活热水温度则交由空气源热泵机组4负责，而该连通管7恰好能达到该目的。当生活热水箱3中的热水被送往末端消耗掉时，生活热水箱3中的液位降低，于是一部分热水从采暖热水箱2中经由连通管7补充进来，这部分补水在采暖热水箱2中是被太阳能集热器进行初步加热的，进而在生活热水箱3中被空气源热泵机组4进一步加热到更高的温度，这样通过能量的梯级利用提高了系统的效率，达到了节能效果。由于温度较高的水相对温度较低的水更倾向于向上浮，所以在该倾斜的连通管中，热水的流向基本上是单向的，不会出现生活热水箱3中温度较高的热水流回采暖热水箱2的情况。

在生活热水箱3上部设置一个生活热水出水口13，当生活热水末端阀门开启时，热水经由该出水口13流向各种生活热水消耗末端。

采暖热水箱2和生活热水箱3以并联的方式与空气源热泵机组4连接，在空气源热泵机组4进水管上设置一个电动三通阀8，对流经采暖热水箱2和生活热水箱3的水量进行调节。该电动三通阀8的出口通向空气源热泵机组4，电动三通阀8的两个进口分别与采暖热水箱2和生活热水箱3的出口连接。在空气源热泵机组4和电动三通阀8之间的空气源热泵机组4进水管路上设置了一台热水循环泵10，用以驱动该环路的热水循环。该热水循环泵10入口与三通阀出口管路相连，热水循环泵10出口与空气源热泵机组4入口管路相连。

空气源热泵机组4的形式及规格根据系统设计热水负荷确定，在有多种产品备选的情况下尽量选用工作区间大的变频产品，保证在缺乏太阳能的阴雨环境下系统能有足够的出力。空气源热泵机组本身已经属于很成熟的产品，本实用新型中不进一步敷述。

本实用新型的控制系统装有中控电脑及温度传感器。本实施例中设置的多个温度传感器分别位于太阳集热器阵列出口、采暖热水箱中部、生活热水箱中部、地板采暖出口、地板表面、室内空间等处。在中控电脑上安装有系统专用控制程序，可按照默认值运行，也可以自行设定控制标准。中控电脑根据接收到的传感器的温度信号，确定下一步的系统工作状态，并向集热循环泵、采暖循环泵、热水循环泵以及电动三通阀发送动作信号。

当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对上述实施例的变换、变型都将落在本实用新型权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，包括：一个采暖热水箱，一个连接采暖热水箱的太阳能集热器阵列，一个连接采暖热水箱的生活热水箱，一个连接采暖热水箱的地板采暖末端，其特征在于，还包括：一个同时连接采暖热水箱及生活热水箱的空气源热泵机组，一台位于采暖热水箱与太阳能集热器阵列之间的集热循环泵，以及一个控制系统；

所述空气源热泵机组分别连接采暖热水箱、生活热水箱，所述采暖热水箱连接太阳能集热器阵列，采暖热水箱与生活热水箱连接，采暖热水箱还连接地板采暖末端；

所述地板采暖末端位于办公楼室内地板层中，在地板采暖末端和采暖热水箱之间设有一台采暖循环泵；

所述采暖热水箱的内部装有换热盘管；

所述太阳能集热器阵列由数个平板集热器通过串、并联结构组成；

所述太阳能集热器阵列与采暖热水箱间接相连，即热水从太阳能集热器阵列流经采暖热水箱的换热盘管内部再流出水箱。

2.根据权利要求1所述的办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，其特征在于，所述空气源热泵机组与采暖热水箱和生活热水箱之间的连接，经由一个电动三通阀来连接。

3.根据权利要求2所述的办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，其特征在于，所述电动三通阀位于空气源热泵机组的进水管路上，电动三通阀的出口通向空气源热泵机组，电动三通阀的两个进口分别连接采暖热水箱和生活热水箱。

4.根据权利要求2所述的办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，其特征在于，所述空气源热泵机组和电动三通阀之间设有一台热水循环泵。

5.根据权利要求1所述的办公楼节能环保型太阳能地板采暖及热水系统，其特征在于，所述采暖热水箱与生活热水箱通过一个倾斜连通管相连接，该倾斜连通管与采暖热水箱相连的一端为高端，与生活热水箱相连的一端为中端。

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