CN207907328U - 热水型太阳能空气能热电联产一体化系统 - Google Patents

热水型太阳能空气能热电联产一体化系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种热水型太阳能空气能热电联产一体化系统，包括储水箱、第一水泵、太阳能集热器、低位侧换热器、压缩膨胀双功能机头、永磁电动发电一体化电机、高位侧换热器、膨胀阀、工质泵和第二水泵；低位侧换热器采用风冷，低位侧换热器工质侧的一端口通过压缩膨胀双功能机头后连接至高位侧换热器工质侧的一端口，高位侧换热器工质侧的另一端口与低位侧换热器工质侧的另一端口并联有两旁路，通过调整阀门的导通或关闭，利用太阳能与空气能实现采暖期采暖，非采暖期发电，全年供热水的建筑需求；空气源热泵成本低，安装简单，能效高，环保，预热时间短，可以很快达到室温要求，适合作为太阳能采暖系统的辅助热源。

Description

热水型太阳能空气能热电联产一体化系统
技术领域
本实用新型属于太阳能空气能利用技术领域，尤其涉及一种热水型太阳能空气能热电联产一体化系统。
背景技术
近年来，随着城市化建设的持续发展以及人们对居住、工作环境舒适性要求的不断提高，迎来了建筑行业的快速成长，建筑能耗呈现出持续上升的态势。北方地区的冬季采暖是建筑能耗的主要组成部分。截止2016年，我国北方地区城乡建筑采暖总面积约206亿平方米。其中，城镇建筑采暖面积141亿平方米，农村建筑采暖面积65亿平方米。我国北方地区采暖使用能源以燃煤为主，燃煤采暖面积约占总采暖面积的83％。采暖用煤年消耗约4亿吨标煤，其中散烧煤(含低效小锅炉用煤)约2亿吨标煤，主要分布在农村地区。北方地区供热平均综合能耗约22千克标煤/平方米，其中城镇约19千克标煤/平方米，农村约27千克标煤/平方米。当前我国北方地区清洁采暖比例低，特别是部分地区冬季大量使用散烧煤，大气污染排放量大。因此积极推进清洁采暖，应是当前治理北方地区冬季雾霾的重点工作。
太阳能取之不尽、用之不竭，无需开采和运输，是开发和利用新能源与可再生能源的重要内容，有着巨大的市场前景。我国太阳能资源十分丰富，三分之二的地区年辐射总量大于5020MJ/m2，年日照时数在2200h以上，具有有效开发利用的良好条件。低温太阳能的热利用是最直接的方案，发展也最为迅速，太阳能热水器、采暖技术等越来越受到人们的重视。我国主要采暖区在北方，又恰好是太阳能资源比较丰富的地区。尤其是在需要采暖的季节，晴天比较多，为太阳能采暖提供了基本的条件。太阳能适合与其他能源结合，实现热水、供暖复合系统的应用，是热网无法覆盖时有效的分散供暖方式。特别适用于办公楼，教学楼等只在白天使用的建筑。在国家10部委发布的《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》中提出，要积极推进太阳能与常规能源的融合，采取集中式与分布式结合的方式进行建筑供暖。鼓励在条件适宜的中小城镇、民用及公共建筑上推广太阳能供暖系统。在农业大棚、养殖场等用热需求大，且与太阳能特性匹配的行业，充分利用太阳能供热。努力实现到2021年我国太阳能供暖面积达到5000万平方米的目标。
太阳能供热采暖系统设时，从经济效益和热量稳定输出的角度考虑，必须有辅助热源。当太阳能不足时，作为太阳能供热采暖系统的补充热源。空气源热泵成本低，安装简单，能效高，预热时间短，可以很快达到室温要求，在太阳能采暖中得到了广泛的应用。
实用新型内容
由于太阳能日照时间有限，易受气候的影响，造成传统太阳能采暖系统需要增设辅助热源，从而增加了设备的投资以及运行成本。此外，太阳能资源冬夏能量不均衡，蓄能困难，造成非采暖期热量过剩，系统设备闲置等问题。为了探寻适宜于广大北方地区的新型采暖技术和替代能源，将热水型太阳能采暖、空气源热泵、低温发电技术有机的耦合在一起，构成太阳能、空气能综合利用系统，实现太阳能资源全年范围内最大化的利用，采暖期采暖，非采暖期发电，同时还可以根据需要提供生活热水。有效的解决传统太阳能采暖系统中非采暖期热量过剩、系统设备闲置等问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种热水型太阳能空气能热电联产一体化系统，包括储水箱、第一水泵、太阳能集热器、低位侧换热器、压缩膨胀双功能机头、永磁电动发电一体化电机、高位侧换热器、膨胀阀、工质泵和第二水泵；上述各设备和阀体之间通过连接管路连接，连接关系如下：所述储水箱内设有两路盘管，从而将所述储水箱的腔体分为壳程、第一个管程和第二管程，所述储水箱的壳程设有两组进出口，所述太阳能集热器的出口端经过所述储水箱的壳程后经过所述第一水泵后连接至所述太阳能集热器的进口端，形成太阳能热水循环管路；所述储水箱的壳程通过所述第二水泵与高位侧换热器的水侧连接；所述储水箱的第一管程串联在采暖供-回水管路上，所述储水箱的第二管程串联在自来水管路与生活热水管路之间；采暖供水管路、采暖回水管路、自来水管路和生活热水管路上均设有截止阀；所述压缩膨胀双功能机头与所述永磁电动发电一体化电机连接；所述低位侧换热器采用风冷，包括工质侧和风机，所述低位侧换热器的工质侧的一端口通过所述压缩膨胀双功能机头后连接至所述高位侧换热器的工质侧的一端口，所述高位侧换热器的工质侧的另一端口与所述低位侧换热器的工质侧的另一端口并联有第一旁路和第二旁路，其中，第一旁路上设有膨胀阀，第一旁路上，位于所述膨胀阀的进口处设有一个截止阀，位于所述膨胀阀的出口处设有热泵单向阀；第二旁路上设有工质泵，第二旁路上，位于所述工质泵的进口处设有一个截止阀，位于所述工质泵的出口处设有发电单向阀。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提出的热水型太阳能空气能热电联产一体化系统利用热水型太阳能采暖、空气源热泵以及有机朗肯循环低温发电技术的有机耦合，构成太阳能空气能综合利用系统。实现在采暖期采暖，非采暖期实施太阳能热发电，同时还可以根据需要全年提供生活热水的功能。其主要有益效果如下：
1.热水型太阳能空气能热电联产一体化系统利用太阳能与空气能实现采暖期采暖，非采暖期发电，全年供热水的建筑需求；此外，空气源热泵成本低，安装简单，能效高，预热时间短，可以很快达到室温要求，非常适合作为太阳能采暖系统的辅助热源。因此该一体化系统是适宜于我国广大北方地区采暖的可再生能源新型应用技术，可有效的改善传统采暖方式给我国能源与环境带来的双重压力。
2.热水型太阳能空气能热电联产一体化系统，基于有机朗肯循环利用非采暖期太阳能集热器中产生的大量低温热水输出清洁电能供给建筑使用，实现了太阳能的最大化应用。有效的解决了由于太阳能冬夏能量不均衡，蓄能困难，造成的传统太阳能采暖系统非采暖期热量过剩的问题。同时，空气源热泵与低温发电系统的有机耦合，一机多用，降低了常规太阳能空气源热泵复合式采暖系统的投资回收期以及设备长期闲置带来的能源浪费和经济损失。
附图说明
图1是热水型太阳能空气能热电联产一体化系统的结构简图。
图中：1-储水箱，2-第一水泵，3-太阳能集热器，4-低位侧换热器，5-压缩膨胀双功能机头，6-永磁电动发电一体化电机，7-高位侧换热器，8-膨胀阀，9-工质泵，10-风机，11-第二水泵，V1～V6-截止阀，C1-热泵单向阀，C2-发电单向阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。
本实用新型提出的热水型太阳能空气能热电联产一体化系统将热水型太阳能采暖、空气源热泵以及有机朗肯循环低温发电技术有机的耦合在一起，构成太阳能空气能综合利用系统，实现采暖期采暖，非采暖期发电的全年运行方式，同时还可以根据需要全年提供生活热水，实现太阳能资源全年范围内最大化的利用。
该系统的主要特征在于：采暖期利用太阳能与空气能的供暖供热水过程；在非采暖期利用太阳能与空气能的热发电及供热水过程。相比于传统的太阳能和空气源热泵采暖系统，该系统具备供热与发电的双重功能，可全年运行。
如图1所示，本实用新型提出的一种热水型太阳能空气能热电联产一体化系统，包括储水箱1、第一水泵2、太阳能集热器3、低位侧换热器4、压缩膨胀双功能机头5、永磁电动发电一体化电机6、高位侧换热器7、膨胀阀8、工质泵9和第二水泵11。
上述各设备和阀体之间通过连接管路连接，连接关系如下：
所述储水箱1内设有两路盘管，从而将所述储水箱1的腔体分为壳程、第一个管程和第二管程，所述储水箱1的壳程设有两组进出口，所述太阳能集热器3的出口端经过所述储水箱1的壳程后经过所述第一水泵2后连接至所述太阳能集热器3的进口端，形成太阳能热水循环管路；所述储水箱1的壳程通过所述第二水泵11与高位侧换热器7的水侧连接。
所述储水箱1的第一管程串联在采暖供-回水管路上，所述储水箱1的第二管程串联在自来水管路与生活热水管路之间；采暖供水管路、采暖回水管路、自来水管路和生活热水管路上均设有截止阀。
所述压缩膨胀双功能机头5与所述永磁电动发电一体化电机6连接；所述低位侧换热器4采用风冷，包括工质侧和风机10，所述低位侧换热器4的工质侧的一端口(采暖期时该端口为工质的出口端，非采暖期时该端口为工质的进口端)通过所述压缩膨胀双功能机头5后连接至所述高位侧换热器7的工质侧的一端口(采暖期时该端口为工质的进口端，非采暖期时该端口为工质的出口端)，所述高位侧换热器7的工质侧的另一端口(采暖期时该端口为工质的出口端，非采暖期时该端口为工质的进口端)与所述低位侧换热器4的工质侧的另一端口(采暖期时该端口为工质的进口端，非采暖期时该端口为工质的出口端)并联有第一旁路和第二旁路，其中，第一旁路上设有膨胀阀8，第一旁路上，位于所述膨胀阀8的进口处设有一个截止阀V5，位于所述膨胀阀8的出口处设有热泵单向阀C1；第二旁路上设有工质泵9，第二旁路上，位于所述工质泵9的进口处设有一个截止阀V6，位于所述工质泵9的出口处设有发电单向阀C2。
本实用新型热水型太阳能空气能热电联产一体化系统可以分为太阳能集热器热水系统，空气源热泵低温发电一体化系统，供暖水系统以及生活热水供应系统等四个主要部分。其中太阳能集热器热水系统主要由储水箱、水泵以及太阳能集热器等组成；空气源热泵低温发电一体化系统由低位侧换热器，压缩膨胀双功能机头，永磁电动发电一体化电机，高位侧换热器，膨胀阀、工质泵、单向阀、风机等组成；供暖水系统由采暖供回水管路、储水箱以及建筑供暖系统等组成；生活热水供应系统则由自来水管路、生活热水供水管路、储水箱以及建筑热水供应系统等组成。
利用上述热水型太阳能空气能热电联产一体化系统，可以通过调整阀门的导通或关闭，实现在采暖期利用太阳能空气源热泵供暖供热水，在非采暖期利用太阳能发电并提供热水。
在采暖期，当太阳能不足时，空气源热泵低温发电一体化系统以空气源热泵模式运行，从低位热源空气能中提取热量并提高其品位，辅助低温太阳能集热器为建筑物供暖，同时可供给生活热水。而在非采暖期，系统转为低温发电运行模式，在保证用户生活热水的前提下，以空气能为冷源，将太阳能集热器中吸收的低温热能通过有机朗肯循环一部分转化为电能供建筑使用。
1.太阳能空气源热泵供暖供热水系统
在采暖期，关闭第二旁路上的截止阀V6，同时，打开其他截止阀V1～V5，进入太阳能空气源热泵供暖供热水系统运行模式；具体过程是：启动第一水泵2，将储水箱1中的水打入太阳能集热器3中吸热升温后送回储水箱1，完成太阳能集热器热水循环。当太阳能不足时，启动永磁电动发电一体化电机6以电动模式运行驱动压缩膨胀双功能机头5以压缩模式运行将低位换热器4中产生的干饱和气态有机工质加压升温后送入高位换热器7中放热凝结为饱和液体，经过截止阀V5，进入膨胀阀8降压降温为低干度湿蒸气，然后再经过热泵单向阀C1后被引入到低位换热器4中吸热蒸发为干饱和蒸气完成空气源热泵工质侧循环。在空气源热泵低位风侧，启动风机10实现空气与热泵工质的强制对流换热，将空气能传递给工质。在空气源热泵高位水侧，启动第二水泵11将储水箱1中的水打入高位侧换热器7中吸热升温后送入储水箱1完成循环。太阳能集热器热水系统或空气源热泵系统制备的热水储存在储水箱1中用于采暖与供应生活热水。其中，采暖回水经过截止阀V2进入储水箱1中的内置盘管吸热升温后经过截止阀V1排出供给建筑采暖完成供暖水循环；自来水经过截止阀V4进入储水箱1中的内置盘管吸热升温后经过截止阀V3排出供给建筑生活热水。
2.热水型太阳能发电供热水系统
在非采暖期，关闭设置在采暖供水管路、采暖回水管路和第一旁路上的截止阀V1、V2、V5，同时，打开其他截止阀V3、V4、V6，进入热水型太阳能发电供热水运行模式。具体过程是：启动第一水泵2将储水箱1中的水打入太阳能集热器3中吸热升温后送入储水箱1完成太阳能集热器热水循环，用于低温发电与生活热水供应；同时，启动工质泵9，低位侧换热器4中产生的饱和液态有机工质经过截止阀V6进入工质泵9被加压升温后，经过发电单向阀C2打入高位侧换热器7中吸热蒸发为高压高温的干饱和蒸气，进入压缩膨胀双功能机头5以膨胀模式运行，同时驱动永磁电动发电一体化电机6以发电模式运行产生电能并输出，膨胀后的低压低温气态工质进入低位侧换热器4中凝结为饱和液体完成低温发电工质侧循环；在低温发电低位风侧，启动风机10实现空气与发电工质的强制对流换热，将工质中的热量传递给空气，释放到大气中；在低温发电高位水侧，启动第二水泵11将储水箱1中的水打入高位侧换热器7中放热降温后送入储水箱1完成低温发电热水循环；在生活热水供应系统中自来水经过截止阀V4进入储水器1中的的第二管程吸热升温后经过截止阀V3排出供给建筑生活热水。
以天津市为例，本实用新型提出的热水型太阳能空气能热电联产一体化系统全年内产生的经济以及环境效益分析如下。
天津市位于东经117°10′，北纬39°06′，属于我国太阳能资源很丰富的地区，全年辐射量在5040～6300MJ/m2之间，相当于172～215kg标准煤燃烧所发出的热量。根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》，天津市太阳能工程设计所用的各月气象参数如表1所示，其中：
Ta——月平均室外气温，℃；
Ht——水平面太阳总辐射月平均日辐照量，MJ/(m2·d)；
Hd——水平面太阳散射辐射月平均日辐照量，MJ/(m2·d)；
Hb——水平面太阳直射辐射月平均日辐照量，MJ/(m2·d)；
H——倾角等于当地纬度倾斜表面上太阳总辐射月平均日辐照量，MJ/(m2·d)；
H0——大气层上界面上太阳总辐射月平均日辐照量，MJ/(m2·d)；
Sm——月日照小时数，h；
Kt——大气晴朗指数。
表1天津市太阳能工程设计所用的各月气象参数
由于不同建筑类型对于生活热水的需求不尽相同，因此本次计算中不涉及生活热水的供应。取天津市采暖期为11月15日至3月15日，共121天。以倾角等于当地纬度倾角平面上的月平均日辐射量，进行单位平方太阳能集热器采光面积热水型太阳能空气能热电联产一体化系统采暖期供热量、非采暖期发电量的计算。其中基于采光面积的太阳能集热器工作效率取50％；管路和水箱的热损失率为10％；取低温发电运行模式机组的发电效率为6％；天津市供热计量价格每千瓦时0.25元；太阳能热发电上网电价为每千瓦时1.15元。此外，热力与标准煤的折算系数按热量当量值进行计算，而电力的折标系数则根据电力行业2016年度发展报告取0.315kg/(kW·h)，同时取单位标煤CO2排放量为2.65kg/kg，SO2排放量为1.49g/kg，NOx排放量为1.37g/kg。相关计算结果表2所示。
表2热水型太阳能空气能热电联产一体化系统经济与环境效益计算结果
从表2可以得出，以天津市为例，对于单位平方太阳能集热器采光面积，本实用新型提出的热水型太阳能空气能热电联产一体化系统，太阳能采暖期供热量为915kW·h，非采暖期发电量为24kW·h，全年的经济收益总值为91元，节省标煤39kg，CO2、SO2、NOx减排量分别为103kg、58g、53g。可见，热水型太阳能空气能热电联产一体化系统的实施将会带来一定的经济与环境效益。
尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (1)

1.一种热水型太阳能空气能热电联产一体化系统，包括储水箱(1)、第一水泵(2)、太阳能集热器(3)、低位侧换热器(4)、压缩膨胀双功能机头(5)、永磁电动发电一体化电机(6)、高位侧换热器(7)、膨胀阀(8)、工质泵(9)和第二水泵(11)；
上述各设备和阀体之间通过连接管路连接，连接关系如下：
所述储水箱(1)内设有两路盘管，从而将所述储水箱(1)的腔体分为壳程、第一个管程和第二管程，所述储水箱(1)的壳程设有两组进出口，所述太阳能集热器(3)的出口端经过所述储水箱(1)的壳程后经过所述第一水泵(2)后连接至所述太阳能集热器(3)的进口端，形成太阳能热水循环管路；所述储水箱(1)的壳程通过所述第二水泵(11)与高位侧换热器(7)的水侧连接；
所述储水箱(1)的第一管程串联在采暖供-回水管路上，所述储水箱(1)的第二管程串联在自来水管路与生活热水管路之间；采暖供水管路、采暖回水管路、自来水管路和生活热水管路上均设有截止阀；
所述压缩膨胀双功能机头(5)与所述永磁电动发电一体化电机(6)连接；
其特征在于：
所述低位侧换热器(4)采用风冷，包括工质侧和风机(10)，所述低位侧换热器(4)的工质侧的一端口通过所述压缩膨胀双功能机头(5)后连接至所述高位侧换热器(7)的工质侧的一端口，所述高位侧换热器(7)的工质侧的另一端口与所述低位侧换热器(4)的工质侧的另一端口并联有第一旁路和第二旁路，其中，第一旁路上设有膨胀阀(8)，第一旁路上，位于所述膨胀阀(8)的进口处设有一个截止阀(V5)，位于所述膨胀阀(8)的出口处设有热泵单向阀(C1)；第二旁路上设有工质泵(9)，第二旁路上，位于所述工质泵(9)的进口处设有一个截止阀(V6)，位于所述工质泵(9)的出口处设有发电单向阀(C2)。
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