一种空气预热排空的供热供暖系统及排空程序

本发明涉及太阳能供冷供暖供热水，特别涉及一种空气预热排空的供热供暖系统。

背景技术：

1、我国北方牧区（如内蒙古等地区）冬季严寒漫长，分散居住的农牧户亟须清洁、高效的供暖方案。目前，太阳能与热泵等可再生能源耦合技术已逐步得到应用，但在极寒应用场景下，现有技术仍存在不足：

2、现有系统在集热单元的管道中常依赖化学防冻液，该方案会降低循环工质比热容导致能效受损，如果不添加防冻液，管道在寒冷的室外极易冻裂，增加耗材与维护成本。传统的集热单元在蓄热时，仅依靠防冻液或者水作为工质（doi： 10.1016/j.est.2026.121360）。然而，在环境温度低的早上，集热板单元将防冻液和工质水加热需要一定的时间和大量的太阳能。因此直接通入水或者防冻液作为工质进行集热的吸热效果不佳。

3、综上所述，针对牧区运维可达性差的现实特点，现有技术难以兼顾极寒防冻可靠性、纯水高效换热与免维护运行，业内亟待开发一种深度耦合、自适应防冻的节能供暖系统化解决方案。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术在极寒牧区供暖应用中存在的防冻液降效增本，以及系统缺乏自适应气液控制等问题，本发明旨在提供一种空气预热排空的供热供暖系统及排空程序。该系统利用水/空气作为循环工质以保证高换热能效，并通过特有的水箱气腔设计与相变储热耦合，实现管路的主动气驱防冻，满足牧区免维护、高可靠性的运行需求。

2、本发明采用的技术方案如下：一种空气预热排空的供热供暖系统，包括集热单元、用能单元、储能单元和空气源热泵；

3、所述集热单元包括pvt板和pt板，用于收集太阳能并产生电能与热能，pvt板和pt板之间通过管道并联，管道中工质为水或者空气中的一种，所述pvt板通过管道与补水装置连接；

4、所述用能单元包括地暖用户和热水用户，用能单元通过管道与储能水箱连接，完成热水和地暖供应；

5、所述储能单元包括储能水箱及内置的相变储能材料（pcm）；所述储能水箱由水和封装了相变储能材料的叠式圆盘组成，大量的叠式圆盘被浸没在水中；石蜡作为相变储能材料，在水温大于石蜡温度时，石蜡吸热熔化，水温低于石蜡时，石蜡凝固放热，水或者空气作为工质在集热单元与储能单元的管道中循环，使得水箱蓄热；

6、所述空气源热泵通过管道与集热单元连接，工质为水，利用pvt板产生的电驱动，二次加热pt板中的工质回到集热单元；所述空气源热泵包括蒸发器、冷凝器、膨胀阀和压缩机；所述冷凝器入口与集热单元管路连接，冷凝器出口与储能单元管路连接。

7、作为优选，所述储能水箱中叠式圆盘内相变储能材料为五水硫代硫酸钠、石蜡rt50、六水氯化钙、石蜡rt35中的一种。

8、作为优选，所述电加热器放置在储能水箱中，在极端天气储能水箱中温度低于45℃电加热器利用峰谷电价的电加热储能水箱中的水。

9、作为优选，所述系统中所有的管道均进行保温防护，保温层厚度为3cm。

10、上述一种空气预热排空的供热供暖系统的排空程序，包括以下步骤：

11、所述供热供暖系统根据环境温度或pt板温度执行操作，当pt板温度减去储能水箱的温度为小于2℃时，启动排空程序；排空程序利用储能水箱中的空气，经过风机抽进集热单元中的所有管道，且排空程序中第八阀门所在的管道存在5%的坡度，即靠近储能水箱的管道端口，其垂直高度低于靠近pt板的管道端口,利用风机将pt板及pvt板管道内的积水排空至储能单元的储能水箱，第八阀门安装在墙面的室内测，用于防止冷从其进入室内。

12、作为优选，当储能单元的储能水箱的出口水温高于pvt板的极限温度40℃时，影响其发电效率；储能单元的储能水箱中的水直接进入pt板，在pt板中吸热的水直接经过第四阀门和第八阀门回到储能水箱，此时补水装置中的水直接进入pvt板，带走pvt板中的热量，给储能水箱补水的同时给pvt板降温，增强pvt板的发电效率。

13、作为优选，当所述pt板处于启动初期，将储能水的第九阀门打开，空气从储能水箱进入集热单元，吸收pt板和pvt板管道中的热量，回到储能水箱，加热水箱中的水，由于空气的密度比水小，空气会再次回到水箱顶部，该设计利于寒冷季节集热单元的及时升温，也能在环境温度较低时增加集热单元的热量收益。

14、作为优选，当所述储能水箱中的水进入pvt板和pt板，再进入空气源热泵的冷凝器吸收管道中制冷剂的热量，再回到储能水箱；空气源热泵对水的二次加热使得水吸收更多的热量，增加整个系统的吸热效率。

15、本发明的有益效果是：太阳能集热单元产热和发电，减少能源消耗，pvt板的入口和补水装置连接可以降低pvt面板的温度，提高发电效率。整个集热单元和储能单元之间的管道在夜间可以排空，极大地减少了管道冻裂的风险，且集热单元和储能单元之间的管道在环境温度不稳定时，可以通入水箱中的空气进行循环蓄热，提高系统的蓄热效率。

1.一种空气预热排空的供热供暖系统，其特征在于：包括集热单元（1）、用能单元（2）、储能单元（3）和空气源热泵（4）；

2.根据权利要求1所述的一种空气预热排空的供热供暖系统，其特征在于：所述储能水箱（305）中叠式圆盘内相变储能材料为五水硫代硫酸钠、石蜡rt50、六水氯化钙、石蜡rt35中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种空气预热排空的供热供暖系统，其特征在于：所述电加热器（304）放置在储能水箱（305）中，在极端天气储能水箱中温度低于45℃电加热器（304）利用峰谷电价的电加热储能水箱（305）中的水。

4.根据权利要求3所述的一种空气预热排空的供热供暖系统，其特征在于：所述系统中所有的管道均进行保温防护，保温层厚度为3cm。

5.根据权利要求1、2、3或4所述一种空气预热排空的供热供暖系统的排空程序，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述一种空气预热排空的供热供暖系统的排空程序，其特征在于：当储能单元（3）的储能水箱(305)的出口水温高于pvt板（104）的极限温度40℃时，影响其发电效率；储能单元的储能水箱(305)中的水直接进入pt板（105），在pt板（105）中吸热的水直接经过第四阀门（106）和第八阀门（301）回到储能水箱（305），此时补水装置（100）中的水直接进入pvt板（104），带走pvt板（104）中的热量，给储能水箱（305）补水的同时给pvt板（104）降温，增强pvt板（104）的发电效率。

7.根据权利要求6所述一种空气预热排空的供热供暖系统的排空程序，其特征在于：当所述pt板（105）处于启动初期，将储能水箱（305）的第九阀门（302）打开，空气从储能水箱（305）进入集热单元，吸收pt板（105）和pvt板（104）管道中的热量，回到储能水箱（305），加热水箱中的水，由于空气的密度比水小，空气会再次回到水箱顶部。

8.根据权利要求7所述一种空气预热排空的供热供暖系统的排空程序，其特征在于：当所述储能水箱（305）中的水进入pvt板（104）和pt板（105），再进入空气源热泵（4）的冷凝器（110）吸收管道中制冷剂的热量，再回到储能水箱；空气源热泵（4）对水的二次加热使得水吸收更多的热量。