一种基于太阳能和热泵的跨季节相变储热供能系统的制作方法

1.本实用新型涉及太阳能供暖领域，具体是一种基于太阳能和热泵的跨季节相变储热供能系统。


背景技术：

2.太阳能供暖技术响应了国家节能减排、建设美丽中国的号召，有广阔的应用前景。尤其是在农村地区人员密度小，采用集中供热不经济，因此采用一家一户的分散式供暖更加贴合实际。太阳能供暖技术不同于传统的锅炉供暖方式的既浪费能源又污染环境，它利用太阳能这一清洁能源，符合国家节能减排的理念。但太阳辐射强度大小伴随着偶然性，单独使用太阳能供暖不能保证供暖的稳定性。申请号201810338532.4的文献中公开了一种太阳能辅助地源热泵系统，该系统介绍了以太阳能作为辅助热源的地源热泵供暖系统，但此系统没有考虑到对夏季太阳能的充分利用。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于太阳能和热泵的跨季节相变储热供能系统。
4.本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于太阳能和热泵的跨季节相变储热供能系统，其特征在于，该供能系统包括太阳能集热器、水泵一、保温水箱、热泵、水泵三、相变蓄热结构、地暖、跨季节蓄热装置和通断阀；
5.所述热泵包括水泵二、膨胀阀、蒸发器、冷凝器和压缩机；蒸发器的制冷剂进口通过管路与冷凝器的制冷剂出口相连，管路上设置有膨胀阀；蒸发器的制冷剂出口通过管路与冷凝器的制冷剂进口相连，管路上设置有压缩机；
6.所述太阳能集热器的出口管路上设置有水泵一且管路末端分为两条一级支路，一条一级支路上设置有通断阀一且末端与保温水箱的第一进水口相连，另一条一级支路上设置有通断阀四且末端分为三条二级支路，第一条二级支路与蒸发器的进水口相连，第二条二级支路上设置有通断阀五且末端与跨季节蓄热装置的进水口相连，第三条二级支路上设置有通断阀十；冷凝器的出水口管路上设置有通断阀六；保温水箱的第二出水口管路上设置有通断阀八；设置有通断阀十的二级支路的末端、保温水箱的第二出水口管路的末端与冷凝器的出水口管路的末端合并为一条管路，管路上设置有水泵三，管路末端分为两条支路，一条支路上设置有通断阀九且末端与相变蓄热结构的进水口相连，另一条支路与地暖的进水口相连；
7.保温水箱的第一出水口管路上设置有通断阀二；相变蓄热结构的出水口管路的末端与地暖的出水口管路的末端合并为一条管路，管路末端分为三条支路，第一条支路上设置有通断阀七且末端与冷凝器的进水口相连，第二条支路上设置有通断阀十一，第三条支路上设置有通断阀十二且末端与保温水箱的第二进水口相连；具有通断阀十一的支路的末端与跨季节蓄热装置的出水口管路的末端合并为一条管路，管路上设置有通断阀十三，此
管路的末端与保温水箱的第一出水口管路的末端合并为一条管路且末端与太阳能集热器的进口相连；
8.保温水箱具有第三进水口和第三出水口；第三进水口外接市政供水管网的自来水，第三出水口用于供应用户生活用热水。
9.与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：
10.(1)本实用新型采用太阳能、相变蓄热、跨季节蓄热和热泵相耦合的供暖方式，以面对不同的天气状况。跨季节土壤蓄热，解决了夏季太阳能热量过剩问题，实现了非供暖季节太阳能的有效利用。与热泵进行耦合，弥补了连续阴天太阳能热量不足的问题。地暖下铺设相变蓄热材料，可将晴天过多的太阳能热量储存起来，晚上可以关掉设备，依靠相变蓄热材料进行辐射散热，以达到节能的目的。
11.(2)本实用新型在太阳辐射强度大时，直接用太阳能集热器进行供暖同时给蓄热材料蓄热，到晚上关掉设备，由蓄热材料放热供暖。在太阳辐射强度不大时，启动热泵进行补充，同时用太阳能集热器给蒸发器换热，提高热泵的效率。在没有太阳辐射时，启动热泵供热，这时可取用夏季向土壤蓄存的热量。如此可最大限度地利用太阳能，保证冬季不间断供热，同时提高热泵的效率。
附图说明
12.图1是本实用新型太阳能
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热泵
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跨季节及相变蓄热相结合系统的结构示意图。
13.图中：1、太阳能集热器；2、y型过滤器一；3、水泵一；4、通断阀一；5、通断阀二；6、通断阀三；7、通断阀四；8、通断阀五；9、通断阀六；10、通断阀七；11、通断阀八；12、通断阀九；13、保温水箱；14、热泵；15、y型过滤器二；16、水泵二；17、膨胀阀；18、蒸发器；19、冷凝器；20、压缩机；21、y型过滤器三；22、水泵三；23、相变蓄热结构；24、地暖；25、跨季节蓄热装置；26、通断阀十；27、通断阀十一；28、通断阀十二；29、通断阀十三。
具体实施方式
14.下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本技术权利要求的保护范围。
15.本实用新型提供了一种基于太阳能和热泵的跨季节相变储热供能系统(简称供能系统)，其特征在于，该供能系统包括太阳能集热器1、水泵一3、保温水箱13、热泵14、水泵三22、相变蓄热结构23、地暖24、跨季节蓄热装置25和通断阀；
16.所述热泵14包括水泵二16、膨胀阀17、蒸发器18、冷凝器19和压缩机20；蒸发器18的制冷剂进口通过管路与冷凝器19的制冷剂出口相连，管路上设置有膨胀阀17；蒸发器18的制冷剂出口通过管路与冷凝器19的制冷剂进口相连，管路上设置有压缩机20；
17.所述地暖24的下方铺设相变蓄热结构23，相变蓄热结构23的外侧整体设置保温材料；
18.所述太阳能集热器1的出口管路上设置有水泵一3且管路末端分为两条一级支路，一条一级支路上设置有通断阀一4且末端与保温水箱13的第一进水口相连，另一条一级支路上设置有通断阀四7且末端分为三条二级支路，第一条二级支路与蒸发器18的进水口相连，第二条二级支路上设置有通断阀五8且末端与跨季节蓄热装置25的进水口相连，第三条
二级支路上设置有通断阀十26；冷凝器19的出水口管路上设置有通断阀六9；保温水箱13的第二出水口管路上设置有通断阀八11；设置有通断阀十26的二级支路的末端、保温水箱13的第二出水口管路的末端与冷凝器19的出水口管路的末端合并为一条管路，管路上设置有水泵三22，管路末端分为两条支路，一条支路上设置有通断阀九12且末端与相变蓄热结构23的进水口相连，另一条支路与地暖24的进水口相连；
19.保温水箱13的第一出水口管路上设置有通断阀二5；相变蓄热结构23的出水口管路的末端与地暖24的出水口管路的末端合并为一条管路，管路末端分为三条支路，第一条支路上设置有通断阀七10且末端与冷凝器19的进水口相连，第二条支路上设置有通断阀十一27，第三条支路上设置有通断阀十二28且末端与保温水箱13的第二进水口相连；具有通断阀十一27的支路的末端与跨季节蓄热装置25的出水口管路的末端合并为一条管路，管路上设置有通断阀十三29，此管路的末端与保温水箱13的第一出水口管路的末端合并为一条管路且末端与太阳能集热器1的进口相连。
20.保温水箱13具有第三进水口和第三出水口；第三进水口外接市政供水管网的自来水，第三出水口用于供应用户生活用热水。
21.优选地，跨季节蓄热装置25包括壳体、地埋蓄热盘管换热器、蓄热材料和保温材料；壳体外侧整体包裹保温材料，内部设置有地埋蓄热盘管换热器，地埋蓄热盘管换热器间隙设置有蓄热材料。所述地埋蓄热盘管换热器选用汉克威牌板式换热器，型号为300型
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60层不锈钢板。所述蓄热材料采用沙子、土壤或岩土体等。
22.优选地，所述相变蓄热结构23的外侧的保温材料和跨季节蓄热装置25的保温材料均选用保温棉。
23.优选地，按照流体流动方向，水泵前均设置有y型过滤器，用于过滤流体，防止水泵堵塞损坏，具体是：水泵一3前设置有y型过滤器一2，水泵二16前设置有y型过滤器二15，水泵三22前设置有y型过滤器三21。
24.优选地，相变蓄热结构23内填充有低温相变材料；低温相变材料选用石蜡或石蜡基固
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固相变储能材料，这种材料是通过物理吸附，以石蜡为基体相变材料，活性炭为吸附材料，通过机械搅拌共混制得，当活性炭含量大于15％时，石蜡在相变过程中能保证良好的机械强度。
25.优选地，所述保温水箱13内设置有水位检测装置；水位检测装置采用waaax型号液位传感器。
26.优选地，通断阀一4、通断阀二5、通断阀三6、通断阀四7、通断阀五8、通断阀六9、通断阀七10、通断阀八11、通断阀九12、通断阀十26、通断阀十一27、通断阀十二28和通断阀十三29均采用悦尔08
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50系列水阀。
27.优选地，所述水泵一3、水泵二16和水泵三22采用美伦艾特1wzb
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15z型水泵。
28.优选地，所述太阳能集热器1选用板式集热器。
29.优选地，所述热泵14选用海尔空调云暖系列rf100rxsavc(g)
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b型空气源热泵。
30.优选地，太阳能集热器1、保温水箱13和热泵14置于屋顶，跨季节蓄热装置25位于地下。
31.本实用新型的工作流程是：
32.(一)夏季模式：夏季日间光照充足，通断阀四7、通断阀五8、通断阀一4、通断阀二
5、通断阀三6和通断阀十三29打开，水泵一3启动，一方面太阳能集热器1的热水经y型过滤器一2、水泵一3和通断阀一4到达保温水箱13，为日常生活提供热水，之后流经通断阀二5回到太阳能集热器1；另一方面太阳能集热器1的热水经y型过滤器一2、水泵一3、通断阀四7和通断阀五8到达跨季节蓄热装置25进行蓄热，作为跨季节蓄热，到冬季取用，之后流经通断阀十三29回到太阳能集热器1。
33.(二)冬季模式：
34.模式一、白天当日照充足时，太阳能集热器1中的水温较高，即保温水箱13中的水温大于地暖24进口温度的设定值(本实施例为50℃)；此时水泵一3和水泵三22启动，通断阀一4、通断阀二5、通断阀三6、通断阀八11和通断阀十二28打开；太阳能集热器1的热水经y型过滤器一2、水泵一3和通断阀一4到达保温水箱13；通过通断阀三6接入自来水对保温水箱13中热水进行降温，使保温水箱13中的温度等于地暖24进口温度的设定值50℃，同时为日常生活提供热水，此时保温水箱13的水流经通断阀八11、y型过滤器三21和水泵三22到达地暖24，对房间进行供暖；之后经过通断阀十二28回到保温水箱13；若此时保温水箱13水量较多，便可打开通断阀九12，对相变蓄热材料层23进行蓄热；
35.夜间便可关掉所有水泵和所有通断阀，利用相变蓄热材料层23对房间进行辐射供暖；若此时室内温度仍达不到要求，热泵14启动；压缩机20和水泵三22开启，通断阀六9和通断阀七10打开；制冷剂经过压缩，在冷凝器19中放热，经过膨胀阀17，在蒸发器18中吸热，周而复始；冷凝器19的热水经通断阀六9、y型过滤器三21和水泵三22到达地暖24，对房间进行供暖；回水经过通断阀七10回到冷凝器19，完成循环。
36.模式二、当白天日照不足时，太阳能集热器1中的水温不高，即保温水箱13中水温低于地暖24进口温度的设定值；此时水泵一3、水泵二16和水泵三22启动，通断阀四7、通断阀十三29、通断阀六9和通断阀七10打开；通断阀一4和通断阀二5关闭；太阳能集热器1的热水经y型过滤器一2、水泵一3和通断阀四7进入蒸发器18，后经y型过滤器二15、水泵二16和通断阀十三29回到太阳能集热器1，使太阳能集热器1中的热水为蒸发器18提供低品位热源；压缩机20开启，制冷剂经过压缩，在冷凝器19中放热，经过膨胀阀17，在蒸发器18中吸热，周而复始；冷凝器19的热水经通断阀六9、y型过滤器三21和水泵三22到达地暖24，对房间进行供暖，回水经过通断阀七10回到冷凝器19，完成循环。
37.模式三、当白天没有日照时，太阳能集热器1不能发挥作用，保温水箱13中的温度不能满足地暖24进口温度的设定值；
38.(1)当跨季节蓄热装置25的热水温度可以满足地暖24进口温度的设定值时，水泵三22开启、通断阀五8、通断阀十26和通断阀十一27打开；夏季储存在跨季节蓄热装置25中的热量，随热水经通断阀五8、通断阀十26、y型过滤器三21和水泵三22进入地暖24；回水经通断阀十一27回到跨季节蓄热装置25；
39.(2)随着跨季节蓄热装置25中的热量被不断利用，跨季节蓄热装置25的热水温度不能满足地暖24的进口温度设定值时，水泵二16和水泵三22开启，通断阀五8、通断阀六9和通断阀七10打开；其余通断阀关闭；跨季节蓄热装置25的水经通断阀五8进入蒸发器18，为蒸发器18提供低品位热源，后经y型过滤器二15和水泵二16回到跨季节蓄热装置25；压缩机20开启，制冷剂经过压缩，在冷凝器19中放热，经过膨胀阀17，在蒸发器18中吸热，周而复始；冷凝器19的热水经通断阀六9、y型过滤器三21和水泵三22到达地暖24，对房间进行供
暖，回水经过通断阀七10回到冷凝器19，完成循环。
40.实施例1
41.本实用新型供能系统相比传统的热泵供暖，在相同热量输出条件下的能耗最小，且具备显著的节能效果。
42.假设用户供暖面积100m2，供热热指标40w/m2，总热负荷100
×
40＝4000w，总热量4000
×
3600＝14400kwh。热泵制热cop为3，热泵功率p＝4000/3＝1333w。
43.假设供热季为5个月(150天
×
24＝3600h)，供能系统连续运行，单一热泵供热季总耗能为4798.8kwh。若太阳能集热面积10m2一天可以集热17kwh，供热季按一半的天气是晴天，总共可以集热1275kwh。
[0044][0045]
上述示例保守估计了太阳能的集热量，且没有考虑跨季节蓄热的热量，若考虑这些情况，本实用新型供能系统可以节省更多能源。
[0046]
若1度电按0.55元计算，4798.8kwh需要2639.34元，3523.8kwh需要1938.09元，一个供暖季可节省701.25元。这些设备使用寿命为10年，10年可节省7012.5元，若考虑阶梯用电的情况，消耗电量越多则花费就越多，相反用本实用新型供能系统就越省钱。
[0047]
实施例2
[0048]
跨季节蓄热装置采用地埋管蓄热，将u型管打入30m以下的竖井，在蓄热过程中将太阳能通过水等介质储存在土壤和岩石中，到冬季供暖时，再通过水等介质将竖井旁边土壤和岩石的热量交换出来。通常选取易挖掘的地面、较大的土壤比热容、较高的土壤导热系数以及地下水渗透系数(k<10
‑
10
m/s)。
[0049]
热扩散率和导热系数较小的土质(如粘土)热量向外扩散范围较小，热损失较小，有利于热量的储存，适合长期储能；热扩散率和导热系数较大的土质结构(如沙土)是较好的低温热源，这种土质中热量向远处扩散的较快的是较好的散热介质。沙子密度1500kg/m3，热容800j/kg
·
k，每立方沙子可蓄热量：1500
×
0.8
×
30＝36000kj，沙子温度从65℃降到35℃，36000kj＝10kwh，若有30m3沙子就可以储存300kwh热量。
[0050]
若用热泵进行供暖时，也可以使用跨季节蓄热装置的热量，提高蒸发器温度，从而提高制热系数，使热泵制热效率增加，节约电能。
[0051]
本实用新型未述及之处适用于现有技术。