CN216244563U - 一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置，包括太阳能光热转换器、热水平衡水箱、空气源热泵提热器、转换调节阀、用能用户、智能控制柜及循环水泵与循环管路。本实用新型充分发挥太阳能的初级能源作用，再结合热泵空气能的能效优势，作为二级再热达到目标温度进行储存或直接供给；在控制逻辑上通过用户需求与实时监测系统运行状况，采用多种模式自动切换，实现多源联合梯级利用的运行目标，不仅达到了多能利用的效果，而且提高了系统的智能水平和运行能效，为多源系统综合设计与高效应用提供更多的实施理念，在清洁用能方面发挥了产能、供能的重要作用。

Description

一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置

技术领域

本实用新型属于清洁供能领域，采用多能互补与多源耦合方式，制取一定温度的热水以满足生产生活需求。该装置利用绿色无污染的太阳能以及通过热泵技术提取大气中的能量，从而产生所需的热水。在两级加热过程中不仅降低了换热温差，而且提高了系统加热效率，整体提升了综合能效，在清洁用能方面发挥了产能、供能的重要作用，本实用新型为一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置。

背景技术

当下随着清洁能源的逐步深入应用，形成了天然气、地热、工业余热、太阳能、空气能、电能等多种能源的非单一利用综合用能系统，加上多年成熟的热泵技术融合，为清洁产能与供能提供了多种解决思路与应用方案。目前应用较多的采用地热与热泵的结合，联合开发利用诺大的地热资源，利用水源型、土壤型以及干热岩等各种形式，发挥热泵的先天性能高的优势，应用于大型的集中式系统能够最大限度地提升系统能效，提高能源利用率。

当前在太阳能使用方面略显有些不足，由于太阳能受气候条件的影响较大，自然环境的变化也对太阳能的应用增加了难度，单独利用太阳能在全国大部分地区都不具备先天的条件，与其他形式的能源(如热泵、空气能、电能)形成互补和协同梯级利用将会大大提高太阳能资源的使用系数，作为低品位的基础能量发挥辅助作用。特别是十四五期间，随着对能源结构的调整与探索应用，原有的单一能源需演变为多能联合的综合利用，此外单一的太阳能主要应用为分户式太阳能生活热水，农村地区则为单一的太阳能集热装置，在城镇则演变为太阳能与电能辅助的相互结合。能源联合系统虽有多能补充，然而在实际应用中往往蜕变为一种或两种能源的相互独立使用，缺少能源的耦合与梯级利用，为了发挥多能系统的综合能效优势，让太阳能与热泵空气能在相互联合协同的基础上，通过系统设置与控制逻辑双重管控，更多地生产与供给清洁热水，为小型集中式和部分分散式用户解决日常用热的问题，同时为清洁供能提供更多的应用案例与多源协同梯级利用的赋能系统。

本实用新型装置以采用太阳能和热泵空气能两种能源联合形式，在系统设计上应用梯级用热理念，充分发挥太阳能的初级能源作用，再结合热泵空气能的能效优势，作为二级再热达到目标温度进行储存或直接供给；在控制逻辑上通过用户需求与实时监测系统运行状况，采用多种模式自动切换，实现多源联合梯级利用的运行目标，不仅达到了多能利用的效果，而且提高了系统的智能水平和运行能效，为多源系统综合设计与高效应用提供更多的实施理念。

实用新型内容

本实用新型在于设计一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置，本装置主要由太阳能光热转换器、热水平衡水箱、空气源热泵提热器、转换调节阀、用能用户、智能控制柜及循环水泵与循环管路共同构成。本装置将产能、供能与用能统筹考虑，实现系统设计、输配与控制管理的综合应用。

本装置一方面考虑到太阳能的低品位能量，另一方面从系统能效出发，在太阳能利用的基础上与热泵结合，发挥热泵优势与太阳能助热的耦合作用。此外，本装置设计了太阳能管路的防冻模式，有利于在我国寒冷地区应用，避免目前大规模的太阳能系统出现冬季冻裂现象，增加了本装置的应用范围和应对不良天气的能力。在系统使用方面，本装置首先尽可能多的充分利用天然太阳能资源进行水箱的初级升温，达到一定温度后再根据用户需求进行空气源热泵的梯级加热，或进行热能的短暂储存以备使用，这样不仅利用了太阳能还改善了热泵工作的实际工况，有利提高热泵能效，进而提升本装置的系统效率。

本实用新型采用的技术方案为一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置，热水平衡水箱7通过光热循环水泵4和光热供水管路2与太阳能光热转换器1连接，太阳能光热转换器1通过光热回水管路3与热水平衡水箱7连接；光热循环水泵4的进水口与光热回水管路3之间设有太阳能管路调节阀5。热水平衡水箱7通过空气源热泵循环水泵8与空气源热泵提热器9连接供水，空气源热泵提热器9与热水平衡水箱7连接回水。

热水平衡水箱7通过用户循环水泵12与用能用户13连接供水，用能用户13与热水平衡水箱7连接回水。

空气源热泵提热器9与热水平衡水箱7的回水管路，以及用能用户13与热水平衡水箱7的回水管路之间通过连通管路进行连接；热水平衡水箱7与用户循环水泵12的管路中，热水平衡水箱7与连通管路之间设有用户直供调节阀11；空气源热泵提热器9与热水平衡水箱7的回水管路中，连通管路与热水平衡水箱7之间设有水箱回水调节阀10。

进一步地，所述的热水平衡水箱7中设有水箱液位与温度传感器6。

进一步地，所述的水箱液位与温度传感器6与控制器14连接。

进一步地，光热循环水泵4、太阳能管路调节阀5、空气源热泵循环水泵8、空气源热泵提热器9、水箱回水调节阀10、用户直供调节阀11、用户循环水泵12和用能用户13均与控制器14连接。

为实现上述效果特设计本装置，主要包括四个循环系统：

第一个是太阳能光热转换循环，由太阳能光热转换器1、光热供水管路2、光热回水管路3、光热循环水泵4与热水平衡水箱7组成，主要利用太阳能对热水箱进行初级加热，最大程度地进行热量储备。

第二个是水箱再热循环，由热泵循环水泵8、空气源热泵提热器9、水箱回水调节阀10与热水平衡水箱7组成，在无负荷、低负荷条件下对水箱按设定的储热温度进行热量储存。

第三个是储热水箱直供循环，由用户直供调节阀11、用户循环水泵12、用能用户13与热水平衡水箱7组成，在用户低负荷、水箱储热满足条件下直接为用户供能，减少空气源热泵提热器9的工作时间，不仅降低了运行费用，而且提高了系统运行效率。

第四个是梯级用能耦合循环，由热泵循环水泵8、空气源热泵提热器9、用户循环水泵12、用能用户13与热水平衡水箱7组成，根据用户负荷需求，在热水箱初级加热的基础上，再经过空气源热泵进行二级提热，达到用户所需的目标温度后由用户循环水泵完成对用能用户的供给，并回到热水平衡水箱。

本装置设计的特殊之处在于：首先增加了太阳能管路调节阀5，提高了本装置的防冻能力，使本装置应用区域得到扩展，不仅仅是温和与夏热冬冷地区，在寒冷地区也能稳定使用，在检测到有结冰风险的情况下开启调节阀5形成低温保护循环，不但能够防冻而且也避免了热水箱的能量损失。其次增加了用户直供调节阀11，在太阳能充足、用户低负荷时可直接利用水箱储热满足用户需求，减少为用户供能的能源消耗，提高供能效率与系统能效。最后增加了水箱回水调节阀10，采用梯级加热的串联方式为用户供给热水，此方式改善了空气源热泵的实际使用工况，有利于提升热泵的性能系数，产能与用能的同步进行有助于提高供给输配的使用率，较低温度的储热减少了热能损失，间接提高了能源利用率。本装置从使用角度出发进行设计，综合考虑实际使用的多种模式，从能源高效利用角度通过控制器实现该装置的有效管控，到达预期的使用目的。

附图说明

图1是一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置构成图。

1—太阳能光热转换器； 2—光热供水管路；

3—光热回水管路； 4—光热循环水泵；

5—太阳能管路调节阀； 6—水箱液位与温度传感器；

7—热水平衡水箱； 8—空气源热泵循环水泵；

9—空气源热泵提热器； 10—水箱回水调节阀；

11—用户直供调节阀； 12—用户循环水泵；

13—用能用户； 14—控制器

具体实施方式

下述结合图1对本实用新型进行描述。

本实用新型装置为一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置，本装置主要通过光热转换器充分利用绿色太阳能作为一级加热手段，将平衡水箱进行初次提温。水箱达到一定温度后若不满足用户需求则经过空气源热泵进一步提温，最终达到热水供应要求，直接供给用户；若水箱温度满足用户需求，则无需经过空气源热泵提温直接由水箱供给用户使用；在用户需求较小或短时无需求时，利用空气源热泵为水箱提温储热。

在上述各循环过程中通过温度监测数据与调节阀的自动切换达到供能与储能过程的转换，通过多种模式转换能够最大程度的满足用户需求且提升系统能效，利用梯级加热与自动调控，实现供能过程的智能管理，进而有效提升本装置的效益。

具体步骤如下：

第一：太阳能预加热运行，在白天时间太阳能管路循环水泵4运行，太阳能光热转换器1通过吸收太阳能的热量并转换给内部的循环水，循环水进入热水平衡水箱7储存，低温水再次进行光热循环并被不断加热，如此往复直至水箱达到一定温度。若室外太阳能不足以把循环水加热至水箱当前储存的温度时，循环水泵4停止工作，此时若室外温度较低且有结冰风险则太阳能管路调节阀5和循环水泵4开启，形成低温保护循环。

第二：水箱达到一定温度后，若不满足储热温度要求，用户无负荷、低负荷条件下，通过热泵循环水泵8、空气源热泵提热器9和水箱回水调节阀10为水箱再一次提温加热，达到储热温度后完成热量储存。

第三：水箱达到储热温度后，若满足用户温度需求，则直接利用用户直供调节阀11，通过用户循环水泵12完成对用能用户13的热量供给。

第四：若水箱储热温度无法满足用户温度需求，则通过热泵循环水泵8，经过空气源热泵提热器9梯级升温，达到目标温度后再通过用户循环水泵12对用能用户13进行热量输配。

本装置设计主要为多源协同供能提供能源利用模式，利用梯级加热理念提高供能能效，不仅扩大了使用范围，而且为清洁供能提供更多的应用实践。从清洁用能角度提升热水供应的情节率，利用天然的太阳能与空气能，通过热泵逐级提高热量品质，发挥多源协同的耦合作用以满足用户的实际用热需求。本装置注重系统设计与运行控制两大方面，对具有生活热水与供暖需求的小型集中式用户和部分分散建筑的热水供应具有很大的推广意义，进而更大地发挥多能梯级利用的应用价值。

Claims (4)

1.一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置，其特征在于：热水平衡水箱(7)通过光热循环水泵(4)和光热供水管路(2)与太阳能光热转换器(1)连接，太阳能光热转换器(1)通过光热回水管路(3)与热水平衡水箱(7)连接；光热循环水泵(4)的进水口与光热回水管路(3)之间设有太阳能管路调节阀(5)；热水平衡水箱(7)通过空气源热泵循环水泵(8)与空气源热泵提热器(9)连接供水，空气源热泵提热器(9)与热水平衡水箱(7)连接回水；

热水平衡水箱(7)通过用户循环水泵(12)与用能用户(13)连接供水，用能用户(13)与热水平衡水箱(7)连接回水；

空气源热泵提热器(9)与热水平衡水箱(7)的回水管路，以及用能用户(13)与热水平衡水箱(7)的回水管路之间通过连通管路进行连接；热水平衡水箱(7)与用户循环水泵(12)的管路中，热水平衡水箱(7)与连通管路之间设有用户直供调节阀(11)；空气源热泵提热器(9)与热水平衡水箱(7)的回水管路中，连通管路与热水平衡水箱(7)之间设有水箱回水调节阀(10)。

2.根据权利要求1所述的一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置，其特征在于：所述的热水平衡水箱(7)中设有水箱液位与温度传感器(6)。

3.根据权利要求2所述的一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置，其特征在于：所述的水箱液位与温度传感器(6)与控制器(14)连接。

4.根据权利要求1所述的一种空气源与光热协同梯级加热的多源供能装置，其特征在于：光热循环水泵(4)、太阳能管路调节阀(5)、空气源热泵循环水泵(8)、空气源热泵提热器(9)、水箱回水调节阀(10)、用户直供调节阀(11)、用户循环水泵(12)和用能用户(13)均与控制器(14)连接。

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