CN206352853U - 高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统，利用太阳能与建筑地基蓄能结合解决冬季采暖、太阳能与空气源热泵结合解决生活热水。包括太阳能集热器、蓄热盘管、保温地基蓄热层、板式换热器、暖风机、空气源热泵、热水箱、膨胀水箱、蓄热循环泵、供暖循环泵、热泵循环泵、阀门等。非采暖季太阳能集热器加热生活热水储存水箱，不足时空气源热泵辅助加热。采暖季一部分热水流入蓄热盘管储存备用或通过暖风机向室内供暖，另一部分流入板式换热器加热生活用水。当太阳辐射较弱时则由建筑地基蓄热层流入暖风机向室内供暖，空气源热泵在温度较高的白天运行加热生活热水以储存备用。本实用新型利用可再生能源进行多能互补解决了高寒地区冬季采暖与生活用热问题，可实现建筑近零能耗运行。

Description

高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统

技术领域

本实用新型属于利用可再生能源进行能质兼顾的多能互补采暖及供热范畴，尤其涉及利用高寒地区丰富的太阳能与建筑地基蓄能结合解决冬季采暖，太阳能与空气源热泵结合解决全年生活热水供应，实现高寒地区建筑的近零能耗。

背景技术

（1）高寒地区一般是指海拔高、纬度高、常年低温的地区，在我国高寒地区是指青藏高原、黄土高原等部分地区。这些地区春秋两季较短，夏季几乎不需要利用设备来降温，冬季采暖时间比较漫长，且对采暖的要求较高。由于我国高寒地区绝大部分位于经济欠发达地区，市政建设成本较高，常规能源缺乏，因此冬季采暖及全年热水供应问题一直难以得到有效解决。

（2）高寒地区居民大多采用分散的居住方式，架设管网的施工难度大，周期长，投资大，因此很难形成有组织的采暖及供热管网系统。多数居民依靠牛粪、枯枝、煤炭等局部采暖，严重破坏生态平衡和自然环境。与此同时，高寒地区属于煤、气、油缺乏地区，电力供应也很紧张，每年冬季都有停电现象发生，考虑电采暖及供热是不可行的。因此，本实用新型积极响应国家“十三五”期间解决高寒高海拔地区供暖政策，提出了使用可再生能源进行多能互补采暖及供热系统，符合绿色环保生态发展的理念。

（3）太阳能作为一种分布广泛、取之不尽的清洁能源，受到我国高度重视，而我国太阳能集热器的应用领域不再局限于提供生活热水，正逐步向采暖应用方向拓展。我国许多学者就高寒地区特有气候条件，通过研究证明完全有可能通过太阳能实现建筑冬季采暖及全年供热，但如何将白天丰富的太阳能跨时空蓄存一直阻碍着太阳能采暖发展。传统水箱蓄热量小，无法容纳大面积采暖所需的热量。土壤是热惰性较强的物质，暴露于外部气象条件下的土壤表面温度波动会随着深度的增加而发生较大幅度的衰减，土壤廉价且可就地取材，因此本实用新型提出将高寒地区丰富的太阳能与建筑地基蓄能结合解决冬季利用太阳能采暖问题。

（4）空气源热泵作为热泵技术的一种，有着“大自然能量的搬运工”的美誉，使用成本低、易操作、效果好、安全、干净等多重优势。通过消耗少量电能驱动压缩机运转，实现对无处不在的空气低品位能量的转移，无需复杂的配置。作为可再生能源，在我国需求越来越迫切，其节能、环保、安全、舒适的优势十分突出。因此本实用新型提出太阳能与空气源热泵多能互补解决全年生活热水供应，显著提高可再生能源利用率，实现高寒地区建筑的近零能耗，将进一步解决我国节能减排的难题。

发明内容

本实用新型提出利用高寒地区丰富的太阳能与建筑地基蓄能结合解决冬季采暖，太阳能与空气源热泵结合解决全年生活热水供应，是一种适用于高寒地区采暖及供热新方法、节能减排新模式，将可再生能源最大化利用，实现高寒地区建筑的近零能耗。

高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统，包括太阳能集热器、蓄热盘管、保温地基蓄热层、板式换热器、暖风机、空气源热泵、热水箱、膨胀水箱、蓄热循环泵、供暖循环泵、热泵循环泵、阀门等，本实用新型通过如下技术方案实现：

非采暖季晴天时，太阳能集热器吸收太阳辐射加热循环水，通过板式换热器加热自来水储存在热水箱供生活热水；当太阳辐射较弱的阴雨天、夜间或者生活热水需求较大时，运行空气源热泵辅助加热水箱热水，满足居民非采暖季节时全天热水需求。采暖季晴天时，太阳能集热器吸收太阳辐射加热循环水，一部分热水流入蓄热盘管储存备用或可根据需要通过暖风机向室内供暖，另一部分热水流入板式换热器加热自来水储存在热水箱供生活热水；当太阳辐射较弱的阴雨天气或者夜间时，关闭太阳能集热器，将建筑地基蓄能流入暖风机向室内采暖，也可以通过传热能力较强的地面、柱子、墙面、楼板向室内供暖，围护结构内表面温度高，热环境更舒适。生活热水则由空气源热泵在温度较高的白天运行储存在热水箱提供，高寒地区白天的室外气温要显著高于夜间，这使得白天运行空气源热泵的制热季节性能系数显著提高，利于节能。

本实用新型太阳能集热器作为主要热源，空气源热泵作为辅助热源。太阳能集热器与建筑地基蓄能结合解决冬季采暖，太阳能集热器与空气源热泵结合解决全年生活热水供应。采用板式换热器作为太阳能集热器热量交换过程的中间换热器，板式换热器具有传热系数高、结构紧凑、组装灵活及拆卸清洗方便的特点，可以用增减板片数量来变换换热面积，以适应热负荷的变化。

本实用新型的空气源热泵规格参数由太阳能集热器面积及热水箱容积优化匹配。在空气源热泵和热水箱之间设置循环管道，通过热泵循环泵实现空气源热泵与热水箱之间换热，使热水箱的水升温以供生活热水。与此同时，热水箱具有良好的保温措施，水箱的材质、管道布置等设计均符合《建筑给水排水设计规范》GB50015有关规定。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型提出了一种适用于高寒地区太阳能采暖新方法，将蓄热盘管埋于保温地基蓄热层并且与建筑一体化设计施工，巧妙利用建筑地基庞大的蓄热性能替换传统蓄热水箱，解决了太阳能间歇性和不稳定的缺点，具有跨时空蓄能的显著优点。

（2）本实用新型利用太阳能集热器为主，空气源热泵为辅的多能互补形式替代传统单一化石燃料，提供稳定且高品质的能源，满足室内采暖及居民生活热水需求，显著提高可再生能源利用率，对节能减排具有积极作用。

（3）本实用新型根据建筑热负荷及热水需求的变化规律，合理规划整个能量利用机制。太阳能集热器在非采暖季太阳能较强时供热，在采暖季太阳能较强时既蓄能采暖又供热；空气源热泵在非采暖季太阳能较弱的阴雨天及夜晚时作为辅助热源加热生活热水，在采暖季温度较高的白天时储存热水在水箱，保证居住者一年四季生活热水连续不断。

（4）本实用新型解决了高寒地区现有采暖及供热技术中比较单一缺陷，需要较少耗电设备，实现高寒地区建筑的近零能耗，具有较好地经济效益和运用前景。

附图说明

图1为本实用新型高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统示意图。

图中：1-太阳能集热器、2-蓄热盘管、3-保温地基蓄热层、4-板式换热器、5-空气源热泵、6-热水箱、7-暖风机、8-膨胀水箱、9-蓄热循环泵、10-采暖循环泵、11-热泵循环泵、阀门（12-19）。

具体实施方案

图1为本实用新型高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统示意图，以下将结合图1详细说明本实用新型的具体实施方案，以便更清楚、直观地理解本实用新型的实质。它包括了太阳能集热器（1）、蓄热盘管（2）、保温地基蓄热层（3）、板式换热器（4）、空气源热泵（5）、热水箱（6）、暖风机（7）、膨胀水箱（8）、蓄热循环泵（9）、采暖循环泵（10）、热泵循环泵（11）、阀门（12-19）。

本系统包括4个内部循环回路：（一）、加热自来水回路由太阳能集热器（1）、蓄热循环泵（9）、阀门（12、15、16）、板式换热器（4）组成。全年时段，太阳能集热器（1）吸收太阳辐射加热循环水，根据需求流入板式换热气（4），加热自来水储存于热水箱（6）以供生活热水。当太阳辐射较弱的阴雨天、夜间或生活热水需求较大时，通过空气源热泵（5）辅助加热水箱（6）热水。

（二）、建筑地基蓄能回路由太阳能集热器（1）、蓄热盘管（2）、保温地基蓄热层（3）、蓄热循环泵（9）、阀门（12、13、14、15）组成。非采暖季时，关闭阀门（13、14），停止向建筑地基蓄能；采暖季时，太阳能集热器（1）吸收太阳辐射加热水，根据采暖需求流入蓄热盘管（2）向建筑地基蓄能，实现太阳能跨时空蓄能。

（三）、太阳能采暖回路由太阳能集热器（1）、采暖循环泵（10）、阀门（12、15、17）、暖风机（7）组成；采暖季晴天时，太阳能集热器（1）吸收太阳辐射加热循环水，根据室内采暖需求流入暖风机（7）。

（四）、地基蓄能采暖循环回路由蓄热盘管（2）、保温地基蓄热层（3）、采暖循环泵（10）、阀门（13、14、17）、暖风机（7）组成。若采暖季太阳辐射较弱的阴雨天及夜晚时，关闭阀门（12、15）、停止运行太阳能集热器（1）、打开阀门（13、14、17）、开启采暖循环泵（10），保温地基蓄热层（3）通过暖风机（7）向房间释放蓄热供暖，与此同时，还可以通过传热能力较强的地面、基柱、墙体及楼板向房间散热。若出现极端寒冷夜晚时，微开阀门（12、15），可以分流部分热量进入太阳能集热器（1）管路，防止冻裂。

太阳能集热器（1）面积由当地太阳辐射强度、建筑物采暖负荷及生活热水需求等优化匹配，安装方位、安装倾角、前后排间距由建筑所在地理位置决定。

蓄热盘管（2）呈回字型布置于保温地基蓄热层（3），其管径、管长、间距由房间热负荷及保温地基蓄热层（3）蓄热潜力等优化匹配，保温地基蓄热层（3）四周均设置一定厚度的保温材料，防止蓄能散失。膨胀水箱（8）为整个系统运行提供补水。

板式换热器（4）作为太阳能集热板（1）热量交换过程的中间换热器，可以增减板式换热器（4）板片数量来变换换热面积，以适应建筑热负荷的变化。

空气源热泵（5）的规格参数根据太阳能集热器（1）面积及热水箱（6）容积优化匹配，在空气源热泵（5）和热水箱（6）之间设置循环管道，通过热泵循环泵（11）、阀门（19）实现空气源热泵（5）与热水箱（6）之间换热，使热水箱（6）的水升温以供生活热水。

Claims (3)

1.一种高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统，包括太阳能集热器（1）、蓄热盘管（2）、保温地基蓄热层（3）、板式换热器（4）、空气源热泵（5）、热水箱（6）、暖风机（7）、膨胀水箱（8）、蓄热循环泵（9）、采暖循环泵（10）、热泵循环泵（11）、阀门；加热自来水回路由太阳能集热器（1）、蓄热循环泵（9）、板式换热器（4）及阀门连接构成；建筑地基蓄能回路由太阳能集热器（1）、蓄热盘管（2）、保温地基蓄热层（3）、蓄热循环泵（9）及阀门连接构成；太阳能采暖回路由太阳能集热器（1）、采暖循环泵（10）、暖风机（7）及阀门连接构成；地基蓄能采暖回路由蓄热盘管（2）、保温地基蓄热层（3）、采暖循环泵（10）、暖风机（7）及阀门连接构成。

2.根据权利要求1所述的一种高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统，其特征是：在空气源热泵（5）和热水箱（6）之间设置循环管道，通过热泵循环泵（11）、阀门实现空气源热泵（5）与热水箱（6）之间换热。

3.根据权利要求1所述的一种高寒地区近零能耗建筑的多能互补采暖及供热系统，其特征是：多能互补形式以太阳能集热器（1）为主，空气源热泵（5）为辅，太阳能集热器（1）与建筑地基蓄能结合解决冬季采暖，太阳能集热器（1）与空气源热泵（5）结合解决全年生活热水供应。