CN210601842U - 一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，包括集热系统、储热系统和供热管网及末端，所述集热系统与储热系统之间、储热系统与供热管网及末端之间设置有换热系统，所述的集热系统为多块太阳能利用率高的平板型太阳能集热器，所述供热系统上还设置有防冻装置和防过热系统。本实用新型解决了过冷情形下供热系统不能运行、过热情形下供热系统无法保证安全运行的问题，有效提高系统运行的稳定性，从而从整体上保证了整个太阳能集中供热系统的经济性和安全性，有利于太阳能集中供热系统在高寒高海拔地区的实施和推广。

Description

一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能供热系统，具体而言，涉及一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统。

背景技术

太阳能供热系统分为分散式和集中式，分散式太阳能供热系统受集热面积限制，无法满足中高层建筑全部住户的安装需求，尤其是中高层建筑底层的住户热水需长距离输送，温度的降低会造成极大的能源和水资源浪费；集中供热可更有效地利用地面空旷区域面积，且系统整洁美观。

专利CN203687391U公开了一种高海拔地区全自动平板太阳能集中供热水系统，在高海拔地区建筑上实现全天候恒温恒压供水，而且运行成本经济。

该专利主要考虑的是在高海拔地区太阳能供热不足时恒温恒压供水，但是，高海拔地区昼夜温差大，冬季的夜晚气温往往在零度以下，且多极端天气，如冰雹等；并且，而太阳能是一种强不稳定热源，其自身的波动性和不连续性与建筑采暖系统对于热量供应连续性和稳定性的需求存在矛盾。太阳能采暖系统需要储热来调节热量供给与需求之间的不匹配，当系统短期集热量过剩时，还有可能出现集热器与储热水箱的过热。因此，该方案不能解决太阳能自身存在波动性和不连续性的条件下保障供热系统的稳定运行的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，以解决在高寒高海拔地区太阳能供热系统稳定、高保证率、高可靠性运行的问题。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，包括依次设置的集热系统、储热系统和供热管网及末端，所述集热系统与储热系统之间、储热系统和供热管网及末端之间设置有换热系统，所述的集热系统为多块平板型太阳能集热器，所述平板型太阳能集热器采用多支路并联的方式构成集热阵列，所述支路包含串联连接的6～10块平板型太阳能集热器；所述储热系统包含多个并联方式连接的储热水箱，所述储热水箱一端通过换热系统连接集热系统、另一端通过换热系统连接供热管网及末端，单个所述储热水箱与供热管网及末端连通时其余储热水箱与供热管网及末端断开；所述供热系统上还设置有防冻装置和防过热系统。

进一步的，所述集热器上设置有吸热板，所述防冻装置为与吸热板连接的传热通道，所述传热通道内填充有具有防冻功能的传热介质，所述传热通道外设置有保温材料。

进一步的，所述传热介质为55％乙二醇水溶液，所述的保温材料为聚氨酯发泡。

进一步的，所述集热器的安装倾角为40～60°。

进一步的，所述集热器的安装倾角为45°。

进一步的，所述集热器的最小安装间距满足：

式中：

D-集热器与集热器前后排最小间距，m；

H-前排集热器与后排集热器最低点垂直距离，m；

αs-冬至日正午的太阳高度角，°；

γ₀-冬至日正午太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的夹角，°。

进一步的，所述防过热系统为在集热系统与换热系统之间设置的冷却塔。

进一步的，所述换热系统与供热管网及末端之间设置有辅助热源，所述辅助热源的供热功率大于供热系统负荷的65％。

进一步的，所述辅助热源为多台柴油锅炉或电锅炉。

进一步的，所述集热系统与换热系统之间设置有缓冲水箱。

有益效果：

在本实用新型采用多块平板型太阳能集热器构成集热系统，通过提高太阳能集热器的太阳能利用率，减少集热过程中的局部高温；设置多个储热水箱单独换热、单独供热的形式，保证了储热和供热稳定性；针对高寒高海拔地区太阳能波动大、昼夜温差大导致的供热系统过冷或者过热的情形，设置有防冻装置和防过热系统，解决了过冷情形下系统不能运行、过热情形下供热系统无法保证安全运行的问题，有效提高系统运行的稳定性，从而从整体上保证了整个太阳能集中供热系统的经济性和安全性，能够为高寒高海拔地区提供一个高保证率、高可靠性的太阳能集中供热系统，有利于太阳能集中供热系统在高寒高海拔地区的实施和推广。

附图说明

在附图中：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是采暖季集热器安装倾角与斜面累积辐照度的关系图；

图3是严寒期集热器安装倾角与斜面累积辐照度的关系图；

图4是本实用新型缓冲水箱的位置关系图；

图5是本实用新型冷却塔的位置关系图；

图6是本实用新型辅助热源的位置关系图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型涉及一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，包括依次设置的集热系统、储热系统和供热管网及末端，所述集热系统与储热系统之间、储热系统和供热管网及末端之间设置有换热系统，所述的集热系统为多块平板型太阳能集热器，所述平板型太阳能集热器采用多支路并联的方式构成集热阵列，所述支路包含串联连接的6～10块平板型太阳能集热器；所述储热系统包含多个并联方式连接的储热水箱，所述储热水箱一端通过换热系统连接集热系统、另一端通过换热系统连接供热管网及末端，单个所述储热水箱与供热管网及末端连通时其余储热水箱与供热管网及末端断开；所述供热系统上还设置有防冻装置和防过热系统。

平板型太阳能集热器的数量由整个太阳能集中供热系统的功率、太阳能转换效率等多个因素确定系统集热面积，由系统集热面积以及每块平板型太阳能集热器的面积确定；储热水箱的体积由系统运行的保证率、系统集热面积等因素确定，为防止单个水箱同时完成储热与供热时运行成本高、运行安全性不能保障，采用多个储热水箱并联方式储热和供热。

本实施例的工作原理，通过集热系统的太阳能集热器吸收太阳能转换为集热器内流体的热能，经换热系统将储热系统内的冷水加温后热水存储于储热系统内。每个支路6～10块平板型太阳能集热器，既能保证系统集热，又防止了串联过多的平板型太阳能集热器后造成的进出水温过高、局部过热风险，确保了集热的均匀性、连续性和稳定性。在储热系统的储热水箱内逐个换热，优先调用温度最低的储热水箱进行换热，在所有储热水箱的水温达到设定温度后开启防过热系统，自动保持整个系统在设定温度范围内。在需要供热的时候，单个储热水箱内的热水经换热系统调整温度后通过供热管网对用户末端供热，在单个储热水箱内的热水不足时其余储热水箱再逐个与供热管网连接，优先调用温度最高的水箱供热。集热器在集热阶段有三种工况：自循环预热；与换热系统换热；经防过热系统散热。在自循环预热阶段，吸收太阳能对供热系统进行预热，确保在低温状态下供热系统的缓慢启动，为后续供热系统的集热创造条件；当集热系统吸收大量的热能后，进入与换热系统换热的工况中，与储热水箱逐个换热；在储热水箱内的温度均达到设定温度后，为防止集热系统内温度持续升高，开启防过热系统散热的工况。

本实施例采用多块平板型太阳能集热器构成集热系统，通过提高太阳能集热器的太阳能利用率，减少集热过程中的局部高温；设置多个储热水箱单独换热、单独供热的形式，保证了储热和供热稳定性和系统灵活性；针对高寒高海拔地区太阳能波动大、昼夜温差大导致的供热系统过冷或者过热的情形，设置有防冻装置和防过热系统，解决了过冷情形下不能运行、过热情形下供热系统无法保证安全运行的问题，有效提高系统运行的稳定性，从而从整体上保证了整个太阳能集中供热系统的经济性和安全性，能够为高寒高海拔地区提供一个高保证率、高可靠性的太阳能集中供热系统，有利于太阳能集中供热系统在高寒高海拔地区的实施和推广。

作为具体的结构，所述集热器上设置有吸热板，所述防冻装置为与吸热板连接的传热通道，所述传热通道内填充有具有防冻功能的传热介质，所述传热通道外设置有保温材料。

作为具体的措施，所述传热介质为55％乙二醇水溶液，所述的保温材料为聚氨酯发泡。

高寒高海拔地区，极端低温可达-40℃，使用抗低温的55％乙二醇水溶液(带有缓蚀剂和防泡沫添加剂)作为工作传热介质，从而满足低温要求，通过聚氨酯发泡材料对传热通道进行保温，减少热量的散失，提高太阳能的利用率。

作为提高太阳能利用率的具体措施，所述集热器的安装倾角为40～60°，优选的，所述集热器的安装倾角为45°。

采用各向同性天空散射模型，根据每一时刻统计平均的单位面积散射辐射Id、直射辐射Ib及总辐射I，计算倾斜表面单位面积的逐时辐照度IT：

式中，斜面直射辐射与水平面直射辐射的几何因子Rb由下式计算

其中—β为集热板相对于水平面的倾角，°；

I_b—逐时直射辐射强度，W/m²；

I_d—逐时散射辐射强度，W/m²；

I—逐时太阳总辐射强度，W/m²；

R_b—倾斜平面的直射辐射与水平面直射辐射的比率，几何因子；

ρ_g—地面辐射反射比，0.30；

θ—倾斜表面入射角；

θz—天顶角；

对集热器斜面总辐照度的逐时计算结果进行累加，可以得到一段时间内的集热器斜面累加辐照度。输入高寒高海拔地区的平均数值，整个取暖期斜面累加辐照度与集热器安装倾角之间的关系如图2所示，严寒期(11月1日-2月28日)斜面累积辐照度与集热器安装倾角的关系如图3所示。

为高保证率太阳能系统，初末寒期太阳能得热量通常会超过用户侧热量需求，因此考虑以严寒期集热器斜面累积辐照度最高来优化集热器的安装倾角，确定集热器正南向安装，根据图2与图3可知，安装倾角控制在40～60°时太阳能的吸收效率最高，优选安装倾角为45°，此时不论是取暖期还是严寒期均能取得较大的累计辐照。

作为提高太阳能利用率的具体措施，按照全年不遮挡计算安装间距，要求保障冬至日正午前后日照时间4小时不遮挡。最小间距满足：

式中：

D-集热器与集热器前后排最小间距，m；

H-前排集热器与后排集热器最低点垂直距离，m；

αs-冬至日正午的太阳高度角，°；

γ₀-冬至日正午太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的夹角，°。

冬至日正午太阳高度最低，再输入高寒高海拔地区的平均数值，计算结果在2～3m，根据安装时的具体情况进行适当调整，确保平板型太阳能集热器之间不会发生互相遮挡的情形。

进一步的，如图4所示，所述防过系统为设置在集热系统与换热系统之间设置的冷却塔。

系统过热将会对系统的运行安全产生极大的影响，冷却塔从系统安全角度考虑，冷却塔功率按照系统集热功率的峰值选取，水箱水温75℃的情况下，集热器集热效率约为50％。

进一步的，如图6所示，所述换热系统与供热管网及末端之间设置有辅助热源，所述辅助热源的供热功率大于供热系统负荷的65％，所述辅助热源为多台柴油锅炉或电锅炉。

太阳能是一种强不稳定热源。其自身的波动性和不连续性与建筑采暖系统对于热量供应连续性和稳定性的需求存在矛盾。这导致太阳能采暖系统需要储热来调节热量供给与需求之间的不匹配，还需要辅助热源对太阳能进行补充。供热功率按照大于系统负荷65％进行匹配。使用柴油锅炉或者电锅炉作为辅助热源，均可满足供热要求。供热功率为负荷的65％，是考虑经济性和运行情况的结果，在极端情况下完全失去太阳能而仅仅依靠辅助热源的热能，能保证供热系统的基本供热要求。

为保持供热系统的稳定运行，如图5所示，所述集热系统与换热系统之间设置有缓冲水箱。

缓冲水箱布置在太阳能集热器出口之后，板式换热器入口之前，其主要是缓冲因太阳辐射强度急剧变化而导致的集热系统出水温度明显变化，有益于系统控制的稳定性。由于水箱具有一定的体积，当水箱入口温度变化时，流入水箱的流体需要与水箱内的存水混合后再进入换热器，在混合过程中，流体的温度波动被中和，控制温度波动的范围。

影响缓冲水箱缓冲能力的参数是水箱体积，缓冲水箱的体积不能太小，否则由于对于温度波动的控制能力较弱；而高温承压水箱的价格较高，因此出于经济性的考虑，缓冲水箱体积也并非越大越好。因此需要综合考虑以上因素确定缓冲水箱的体积。此外，缓冲水箱的缓冲能力还与系统流量和运行温度有关。设计缓冲水箱体积时，按照安装缓冲水箱后集热系统温度波动范围控制在无缓冲水箱情况下的一半以上进行设计，确保供热系统的平稳运行。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，包括依次设置的集热系统、储热系统、供热管网及末端，所述集热系统与储热系统之间、储热系统与供热管网及末端之间设置有换热系统，

所述的集热系统为多块平板型太阳能集热器，所述平板型太阳能集热器采用多支路并联的方式构成集热阵列，所述支路包含串联连接的6～10块平板型太阳能集热器；

所述储热系统包含多个并联方式连接的储热水箱，所述储热水箱一端通过换热系统连接集热系统、另一端通过换热系统连接供热管网及末端，单个所述储热水箱与供热管网及末端连通时其余储热水箱与供热管网及末端断开；

所述供热系统上还设置有防冻装置和防过热系统。

2.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述集热器上设置有吸热板，所述防冻装置为与吸热板连接的传热通道，所述传热通道内填充有具有防冻功能的传热介质，所述传热通道外设置有保温材料。

3.根据权利要求2所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述传热介质为55％乙二醇水溶液，所述的保温材料为聚氨酯发泡。

4.根据权利要求1或2所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述集热器的安装倾角为40～60°。

5.根据权利要求4所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述集热器的安装倾角为45°。

6.根据权利要求1或2所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述集热器的最小安装间距满足：

式中：

D-集热器与集热器前后排最小间距，m；

H-前排集热器与后排集热器最低点垂直距离，m；

αs-冬至日正午的太阳高度角，°；

γ₀-冬至日正午太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的夹角，°。

7.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述防过热系统为在集热系统与换热系统之间设置的冷却塔。

8.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述换热系统与供热管网及末端之间设置有辅助热源，所述辅助热源的供热功率大于供热系统供热负荷的65％。

9.根据权利要求8所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述辅助热源为多台柴油锅炉或电锅炉。

10.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区太阳能集中供热系统，其特征在于，所述集热系统与换热系统之间设置有缓冲水箱。

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