CN211400376U - 使用建材化pv/t板及蓄能型建材的太阳能热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，包括MPPT太阳能控制器、光伏逆变器、主制冷剂循环管路、副制冷剂循环管路、热水箱循环管路及蓄能循环管路；所述主制冷剂循环管路、副制冷剂循环管路分别为PV/T热泵循环管路、风冷换热器热泵循环管路，PV/T热泵循环管路与风冷换热器热泵循环管路并联；集热水箱用换热器通过生活用集热水箱换热管路连接集热水箱；缓冲水箱用换热器通过蓄能型建材换热管路连接缓冲水箱；墙体内嵌式PV/T板出口连接MPPT太阳能控制器。本实用新型的有益效果是：本实用新型采用的墙体内嵌式PV/T发电/集热/蒸发板可以实现与建筑立面墙体的结合，嵌入向阳面墙体中，不占用高层建筑的屋顶空间，可以实现每家每户的安装。

Description

使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统
技术领域
本实用新型涉及带有蓄能结构的太阳能热泵技术，通过建材化蓄能单元实现建筑一体化，特别涉及一种使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统。
背景技术
中国作为全球第一能源消费大国和二氧化碳排放量最大的国家，节能减排的压力日益严峻，同时伴随着环境及大气污染问题，能源结构转型迫在眉睫。可再生能源的开发利用成为有效的解决途径之一，其中太阳能以普遍性、永久性、无污染性成为首选。现主要利用太阳能的形式有光电和光热，已在人类生产生活的各个领域中有着十分广泛的应用，但由于太阳能存在不稳定性、低能量密度、持续性差等缺点，在高效稳定利用太阳能方面还存在诸多瓶颈，影响着分布式能源推进的进程。太阳能电池板发电效率也因太阳能电池板温度的升高而锐减。
为克服太阳能系统能量利用率低的问题，前人已发明了PV/T技术，其耦合了光伏组件和集热器，降低光伏组件温度提高电效率的同时回收废热，能够极大的减少常规电力消耗，从而提高综合能量利用效率。但由于热电输出的不稳定性的特点，对建筑节能稳定性调控带来障碍，使得该技术在推广时受到限制。为解决系统输出不稳定的问题，前人提出了耦合蓄能设备的太阳能系统，而蓄能设备的使用可以大大降低太阳能热泵系统的不稳定性，但由于蓄能设备需要额外提供安装位置，在土地资源稀缺的城市地区推广缺少实用性和经济性。此外，以水和空气作为换热介质的PV/T板由于成本低廉，结构简单已在市场上进行推广，但由于其换热效果较差，热迁移能力较弱，总体效率不及以制冷剂为介质的直膨式PV/T板。此外，由于城市土地资源稀缺，太阳能组件与建筑一体化成为主流。在城市化的大趋势下，建筑的分布式能源利用已成为推进我国能源转换的中坚力量，如何高效利用太阳能及稳定系统输出成为太阳能分布式能源利用系统推广的关键。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，实现太阳能的高效利用及高度的建筑一体化，该系统综合能量利用率高，并利用相变材料和建筑热容减少蓄能设备的占地面积。
这种使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，包括MPPT太阳能控制器、光伏逆变器、主制冷剂循环管路、副制冷剂循环管路、热水箱循环管路及蓄能循环管路；
所述主制冷剂循环管路、副制冷剂循环管路分别为PV/T热泵循环管路、风冷换热器热泵循环管路，PV/T热泵循环管路与风冷换热器热泵循环管路并联；PV/T热泵循环管路包括墙体内嵌式PV/T板、压缩机、集热水箱用换热器、缓冲水箱用换热器和电子膨胀阀，电子膨胀阀连接墙体内嵌式PV/T板入口，墙体内嵌式PV/T板出口通过压缩机分别连接集热水箱用换热器入口和缓冲水箱用换热器入口，集热水箱用换热器出口和缓冲水箱用换热器出口连接电子膨胀阀；风冷换热器热泵循环管路包括风冷换热器、压缩机、集热水箱用换热器、缓冲水箱用换热器和电子膨胀阀，电子膨胀阀连接风冷换热器入口，风冷换热器出口通过压缩机分别连接集热水箱用换热器入口和缓冲水箱用换热器入口；
集热水箱用换热器通过生活用集热水箱换热管路连接集热水箱，所述热水箱循环管路包括集热水箱、生活热水供应端和自来水补水端，集热水箱入口连接自来水补水端，集热水箱出口连接生活热水供应端；
缓冲水箱用换热器通过蓄能型建材换热管路连接缓冲水箱，所述蓄能循环管路包括缓冲水箱、墙体蓄能型建材和地板蓄能型建材，缓冲水箱出口分别连接墙体蓄能型建材入口和地板蓄能型建材入口，墙体蓄能型建材出口和地板蓄能型建材出口分别连接缓冲水箱入口；
墙体内嵌式PV/T板出口连接MPPT太阳能控制器，MPPT太阳能控制器分别连接直流负载和光伏逆变器，光伏逆变器连接交流负载。
作为优选：所述墙体内嵌式PV/T板为嵌入建筑立面的PV/T板，从外到内分别为太阳能电池板、EVA胶膜、吹胀板和绝热材料，PV/T板与建筑接触处通过断热铝合金封装；墙体内嵌式PV/T板由光伏组件与单面吹胀的吹胀板层压而成，光伏组件与吹胀板之间通过EVA胶粘连；墙体内嵌式PV/T板表面喷涂电镀黑铬选择性涂层。
作为优选：所述吹胀板为全铝板单面吹胀而成，其顶面为平板并通过EVA胶与太阳能电池板背面压制紧密贴合，其底面为制冷剂流道，制冷剂流道为六边形及棋盘型耦合流道；吹胀板内侧布置绝热材料。
作为优选：蓄能型建材为埋入地板中的套管式管路，并与地暖管路相耦合，套管内管内为蓄热循环介质，套管外管内为相变材料；外层维护结构采用普通混凝土或泡沫混凝土；普通混凝土或泡沫混凝土上方为实木地板或瓷砖，普通混凝土或泡沫混凝土下方为聚苯乙烯板和建材混凝土。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型采用的墙体内嵌式PV/T发电/集热/蒸发板可以实现与建筑立面墙体的结合，嵌入向阳面墙体中，不占用高层建筑的屋顶空间，可以实现每家每户的安装；并且通过该PV/T板嵌入墙体的设计，有效的提高传热热阻，相比于普通墙体具有更好的围护结构，降低室内负荷。
2、本实用新型采用流道设计优化的直膨式吹胀板，相比传统水基、空气基的PV/T板和未经流道设计优化的直膨式吹胀板具有较高的效率，实现高效的集热及太阳能电池板的降温；流道设计优化的吹胀板具有更小的压力损失、更好的传热效果和更均匀的温度分布，为系统的稳定运行奠定基础；
3、本实用新型采用蓄能型建材，利用套管将换热介质与储能材料分离，并埋入地板，利用相变材料及建筑热容蓄能，相比传统的蓄能设备，有效减少占地面积，白天多余热量可以存储至蓄能型建材中从而减少夜间系统运行时间，减少常规电力消耗，实现节能减排，并提高系统运行的稳定性和推广的经济性。
4、本实用新型采用并联的风冷换热器加强系统运行的稳定性，将墙体内嵌式PV/T发电/集热/蒸发板与风冷换热器并联，使得该系统在全天、全气候条件下能够稳定输出，相比单一能量输入系统具有更高的效率和更好的运行稳定性。
5、本实用新型的系统与建筑集成度高，不仅墙体内嵌式PV/T板可以和建筑立面或屋顶结合，而且蓄能设备也与建筑一体化，大大减少土地资源匮乏城市地区的设备占地面积；该系统集发电/集热/蓄能于一体，外界条件良好的情况下可以实现建筑零能耗或向外输出电能，为绿色建筑的推广提供了一种可行性方案。
附图说明
图1为使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统的系统循环原理图；
图2为蓄能型建材单元的剖面图；
图3为墙体内嵌式PV/T发电/集热/蒸发板安装示意图。
附图标记说明：1-MPPT太阳能控制器；2-压缩机；3-风扇；4-风冷换热器；5-集热水箱用换热器；6-集热水箱；7-生活热水供应端；8-自来水补水端；9-墙体蓄能型建材；10-直流负载；11-交流负载；12-光伏逆变器；13-墙体内嵌式PV/T板；14-三通阀；15-电子膨胀阀；16-缓冲水箱用换热器；17-循环泵；18-电磁阀；19-缓冲水箱；20-地板蓄能型建材；21-套管外管；22-相变材料；23-蓄热循环介质；24-套管内管；25-实木地板或瓷砖；26-普通混凝土或泡沫混凝土；27-聚苯乙烯板；28-建材混凝土；29-太阳光；30-墙体；31-电力输出；32-制冷剂出口；34-制冷剂进口。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
所述使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，同时利用光伏发电技术和直膨式PV/T热泵技术，不仅降低了光伏组件温度提高发电效率，而且提高了热泵的蒸发温度从而提高系统效率；蓄能型建材的使用加强了建筑一体化，提高了该系统推广的经济性和可行性，实现发电/集热/蓄能等多种功能。
如图1-3所示，所述使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，包括MPPT太阳能控制器1、光伏逆变器12、电磁阀V1-V8、三通阀14、循环泵P1-P3、主制冷剂循环管路、副制冷剂循环管路、热水箱循环管路及蓄能循环管路。
所述主制冷剂循环管路、副制冷剂循环管路分别为PV/T热泵循环管路、风冷换热器热泵循环管路，PV/T热泵循环管路与风冷换热器热泵循环管路并联；PV/T热泵循环管路包括墙体内嵌式PV/T板13、压缩机2、换热器和电子膨胀阀15，电子膨胀阀15连接墙体内嵌式PV/T板13入口，墙体内嵌式PV/T板13出口通过压缩机2分别连接集热水箱用换热器5入口和缓冲水箱用换热器16入口，集热水箱用换热器5出口和缓冲水箱用换热器16出口分别连接电子膨胀阀15。风冷换热器热泵循环管路包括风冷换热器4、压缩机2、换热器和电子膨胀阀15，电子膨胀阀15连接风冷换热器4入口，风冷换热器4出口通过压缩机2分别连接集热水箱用换热器5入口和缓冲水箱用换热器16入口，集热水箱用换热器5出口和缓冲水箱用换热器16出口分别连接电子膨胀阀15。
集热水箱用换热器5通过生活用集热水箱换热管路连接集热水箱6，所述热水箱循环管路包括集热水箱6、生活热水供应端7和自来水补水端8，集热水箱6入口连接自来水补水端8，集热水箱6出口连接生活热水供应端7。
缓冲水箱用换热器16通过蓄能型建材换热管路连接缓冲水箱19，所述蓄能循环管路包括缓冲水箱19、墙体蓄能型建材9和地板蓄能型建材20，缓冲水箱19出口分别连接墙体蓄能型建材9入口和地板蓄能型建材20入口，墙体蓄能型建材9出口和地板蓄能型建材20出口分别连接缓冲水箱19入口。
墙体内嵌式PV/T板13出口连接MPPT太阳能控制器1，MPPT太阳能控制器1分别连接直流负载10和光伏逆变器12，光伏逆变器12连接交流负载11。
所述墙体内嵌式PV/T板13为嵌入建筑立面的PV/T板(如图3所示)，从外到内分别为太阳能电池板、EVA胶膜、高效吹胀板、绝热材料，PV/T板与建筑接触处采用断热铝合金封装；所述墙体内嵌式PV/T板13由光伏组件与单面吹胀的吹胀板层压而成，中间由EVA胶粘连，有效的减少空气热阻，增加传热效率；墙体内嵌式PV/T板13表面通过喷涂电镀黑铬选择性涂层用以增强吸收能力；吹胀板为全铝板单面吹胀而成，顶面为光滑的平板，并通过EVA胶与太阳能电池板背面压制紧密贴合，底面为制冷剂流道，为优化设计的六边形及棋盘型耦合流道；吹胀板内侧通过布置绝热材料减少向环境的热量损失，从而提高热泵效率。
蓄能型建材为埋入地板中的套管式管路，与地暖管路相耦合，套管内管24内为蓄热循环介质23(循环水)，套管外管21内封相变材料22，内外管均采用高导热率管材从而提高换热性能，外层维护结构根据实际情况采用普通混凝土或泡沫混凝土26，实现相变材料和建筑热容的蓄热功能。普通混凝土或泡沫混凝土26上方为实木地板或瓷砖25，下方为聚苯乙烯板27和建材混凝土28。
所述使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统的运行方法，包括以下步骤：
晴天工况下，系统以墙体内嵌式PV/T板13为主要部件，按发电/集热/蓄能的模式工作，主制冷剂循环管路中经电子膨胀阀15膨胀后干度较低的制冷剂通过墙体内嵌式PV/T板13吸收太阳能电池产生的热量，从而吸热蒸发，体积逐渐膨胀，由墙体内嵌式PV/T板13出口出流后进入压缩机2，再与换热器(集热水箱用换热器5、缓冲水箱用换热器16)连通构成封闭的PV/T热泵循环；而经制冷剂蒸发吸热的太阳能电池板温度也将得到大幅度的降低，从而提高发电效率，实现高效的发电和集热；太阳能电池板产生的直流电通过MPPT太阳能控制器1可供直流负载10使用，其余电能通过光伏逆变器12转化为交流电后并入国家电网或提供该系统用电需求；集热水箱6通过生活用集热水箱换热管路与集热水箱用换热器5换热，加热水箱中储水，满足生活需求；蓄能型建材通过蓄能循环管路与缓冲水箱用换热器16换热，将热量转移和存储在相变材料及建筑本身的热容中，实现削峰填谷的功能，减少额外蓄能装置的占地面积，实现建筑一体化，有效提高系统和建筑耦合的兼容性；
雨天或夜晚工况下，系统以风冷换热器4为主要部件，按集热/蓄能的模式工作，副制冷剂循环管路接通，经电子膨胀阀15膨胀后干度较低的制冷剂通过风冷换热器4吸收空气或雨水中的热量，从而吸热蒸发，体积逐渐膨胀，由风冷换热器4出口出流后进入压缩机12，再与换热器(集热水箱用换热器5、缓冲水箱用换热器16)连通构成封闭的风冷换热器热泵循环；该工况下太阳能电池板发电线路、墙体内嵌式PV/T板及主制冷剂循环管路不参与工作，其余部件及循环管路与晴天工况保持一致；该工况下可以实现集热及蓄能功能；
若太阳辐照强度不高，可将墙体内嵌式PV/T板13与风冷换热器4的管路同时开启，不仅吸收太阳能，也吸收空气热能，并联的风冷换热器4的管路开度由电磁阀V1控制，根据天气条件精确控制从光伏组件和空气吸热的比例；
调整电磁阀V2、V6、V7、V8可控制存储至蓄能型建材中的热量；调整电磁阀V3、V5可控制存储至集热水箱6中的热量，集热水箱6通过电磁阀V4补水；进一步地，将热量收集至集热水箱6中，若达到生活热水供应温度及水量，则切换电磁阀将热量收集存储至蓄能型建材中。
可根据外界条件自动调节工作模式，设备稳定性及利用率高，蓄能型建材的使用有效减少系统工作时长，降低能耗，节能效果显著，实现用户热需求削峰填谷的功能，并通过蓄能装置的建材化实现建筑一体化，减少额外蓄能设备的占地面积，提高大规模推广的经济性和可行性。
所述使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统可以有效克服系统综合能源利用效率低下、系统输出不稳定和额外占地面积的问题。系统采用高效的直膨式PV/T板并将其与建筑立面结合，提高综合能源利用效率，并将蓄能设备与建筑一体化，形成蓄能型建材，利用相变材料和建筑热容蓄能，有效减少占地面积，另通过并联风冷换热器的布置实现系统全天、全气候条件的稳定输出。该系统设备组成简单、建筑一体化程度高、综合能源利用率高、节能效果显著，在分布式能源推广和绿色建筑的发展中具有重要意义。

Claims (4)

1.一种使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，其特征在于：包括MPPT太阳能控制器(1)、光伏逆变器(12)、主制冷剂循环管路、副制冷剂循环管路、热水箱循环管路及蓄能循环管路；
所述主制冷剂循环管路、副制冷剂循环管路分别为PV/T热泵循环管路、风冷换热器热泵循环管路，PV/T热泵循环管路与风冷换热器热泵循环管路并联；PV/T热泵循环管路包括墙体内嵌式PV/T板(13)、压缩机(2)、集热水箱用换热器(5)、缓冲水箱用换热器(16)和电子膨胀阀(15)，电子膨胀阀(15)连接墙体内嵌式PV/T板(13)入口，墙体内嵌式PV/T板(13)出口通过压缩机(2)分别连接集热水箱用换热器(5)入口和缓冲水箱用换热器(16)入口，集热水箱用换热器(5)出口和缓冲水箱用换热器(16)出口连接电子膨胀阀(15)；风冷换热器热泵循环管路包括风冷换热器(4)、压缩机(2)、集热水箱用换热器(5)、缓冲水箱用换热器(16)和电子膨胀阀(15)，电子膨胀阀(15)连接风冷换热器(4)入口，风冷换热器(4)出口通过压缩机(2)分别连接集热水箱用换热器(5)入口和缓冲水箱用换热器(16)入口；
集热水箱用换热器(5)通过生活用集热水箱换热管路连接集热水箱(6)，所述热水箱循环管路包括集热水箱(6)、生活热水供应端(7)和自来水补水端(8)，集热水箱(6)入口连接自来水补水端(8)，集热水箱(6)出口连接生活热水供应端(7)；
缓冲水箱用换热器(16)通过蓄能型建材换热管路连接缓冲水箱(19)，所述蓄能循环管路包括缓冲水箱(19)、墙体蓄能型建材(9)和地板蓄能型建材(20)，缓冲水箱(19)出口分别连接墙体蓄能型建材(9)入口和地板蓄能型建材(20)入口，墙体蓄能型建材(9)出口和地板蓄能型建材(20)出口分别连接缓冲水箱(19)入口；
墙体内嵌式PV/T板(13)出口连接MPPT太阳能控制器(1)，MPPT太阳能控制器(1)分别连接直流负载(10)和光伏逆变器(12)，光伏逆变器(12)连接交流负载(11)。
2.根据权利要求1所述的使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，其特征在于：所述墙体内嵌式PV/T板(13)为嵌入建筑立面的PV/T板，从外到内分别为太阳能电池板、EVA胶膜、吹胀板和绝热材料，PV/T板与建筑接触处通过断热铝合金封装；墙体内嵌式PV/T板(13)由光伏组件与单面吹胀的吹胀板层压而成，光伏组件与吹胀板之间通过EVA胶粘连；墙体内嵌式PV/T板(13)表面喷涂电镀黑铬选择性涂层。
3.根据权利要求2所述的使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，其特征在于：所述吹胀板为全铝板单面吹胀而成，其顶面为平板并通过EVA胶与太阳能电池板背面压制紧密贴合，其底面为制冷剂流道，制冷剂流道为六边形及棋盘型耦合流道；吹胀板内侧布置绝热材料。
4.根据权利要求1所述的使用建材化PV/T板及蓄能型建材的太阳能热泵系统，其特征在于：蓄能型建材为埋入地板中的套管式管路，并与地暖管路相耦合，套管内管(24)内为蓄热循环介质(23)，套管外管(21)内为相变材料(22)；外层维护结构采用普通混凝土或泡沫混凝土(26)；普通混凝土或泡沫混凝土(26)上方为实木地板或瓷砖(25)，普通混凝土或泡沫混凝土(26)下方为聚苯乙烯板(27)和建材混凝土(28)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110966779A (zh) * 2019-12-06 2020-04-07 浙江浙能技术研究院有限公司 一种使用建材化pv/t板及蓄能型建材的太阳能热泵系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110966779A (zh) * 2019-12-06 2020-04-07 浙江浙能技术研究院有限公司 一种使用建材化pv/t板及蓄能型建材的太阳能热泵系统

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