一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统及方法

1.本发明涉及太阳能供暖技术领域，特别涉及一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统及方法。


背景技术：

2.太阳能供暖是现阶段太阳能热利用技术中的重要技术分支。虽然太阳能资源总量巨大，但由于太阳辐射存在日波动和季节波动的特点，造成了太阳能供暖系统供暖间歇不稳定。现阶段低成本的热水蓄热是缓解太阳能供暖不稳定的最为有效的方式。
3.根据太阳能供暖蓄热水体规模的大小一般可分跨季节长期和短期蓄热两种方式。短期蓄热系统具有造价低，热损失小，但热存储量有限的特点，因此一般常用于用户或小规模太阳能供暖系统中。而对于大规模区域太阳能供暖系统，为利用供暖季以外的太阳能集热量提高太阳能保证率，通常采用跨季节大规模蓄热水体，由于跨季节蓄热水体蓄热持续周期长和散热面积大，导致跨季节蓄热水池的热损失占比较大，尤其蓄热水池的设计蓄热温度较高时蓄热损失更为显著。因此当短期蓄热与集中跨季节蓄热技术单独应用时均存在一定的优势与缺陷。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统及方法，将两种蓄热方式结合起来，互为补充，克服了上述两种蓄热方式单独应用的缺陷。将太阳能集热场收集的热量存储于集中跨季节蓄热水池中，通过远距离输配管线将热量低温输送至短期分布式蓄热的分布式换热站，热量经由换热站内的水-水换热热泵换热提质，然后将提温后的热水存储于短期蓄热水箱中，最后由循环增压泵和分水器向各热用户进行供暖。此外，换热热泵消耗的电力优先采用风电和光伏等余电，从而起到了消纳可再生能源余电的作用，减少供热系统运行的碳排放量。本发明的设计能够有效提高太阳能供暖系统的能源利用率及保障系统的稳定性，有益于太阳能集中供暖系统在我国太阳能资源丰富的城镇地区推广使用。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统，包括集中跨季节蓄热的太阳能热源站和短期分布式蓄热的分布式换热站；短期分布式蓄热的分布式换热站设置有多组，相互之间并联设置；
7.所述太阳能热源站与各分布式换热站通过远距离输配管线连接，其中集中跨季节蓄热水池与短期分布式蓄热水箱以串联的方式进行连接。
8.所述太阳能热源站包括集中太阳能集热系统1和跨季节蓄热水池3，所述集中太阳能集热系统1与第一换热器2相连，所述跨季节蓄热水池3具有热分层，上部的水温相对较高而下部水温相对较低，在所述跨季节蓄热水池3高温水和低温水处各设置一温度传感器与
两根管线，两根管线分别与第一换热器2和第二换热器4相连接，所述第一换热器2用于在非供暖季将集中太阳能集热系统产生的热量储存起来，所述第二换热器4用于在供暖季将储存的热量输送至各热温度传感器用户；
9.所述集中太阳能集热系统1包括用于接受太阳辐射的太阳能集热器阵列1-1，所述太阳能集热器阵列1-1与第一换热器2通过管线相连，管线上设置有温度传感器1-2，高温防冻液通过第一换热器2换热后，经集热循环泵1-4加压流入集热器阵列1-1，经第一换热器2加热后的第一循环管路热水经闸阀5流入跨季节蓄热水池3，第一换热器2的热源侧通过集热循环环路的供、回管与太阳能集热器阵列1-1相连接，第一换热器2的换热侧通过第一换热管路热水管2-1和第一换热管路冷水管2-2与跨季节蓄热水池3相连接，闸阀二5串接在第一换热管路热水管2-1上，闸阀三6，热水循环泵一7串接在第一换热管路冷水管2-2上。
10.所述第二换热器4加热后的第二换热管路热水在热水循环泵15加压下经远距离输配管线送至各热用户区的短期分布式蓄热的分布式换热站。
11.所述短期分布式蓄热的分布式换热站包括水-水换热热泵18和短期蓄热水箱19，所述水-水换热热泵18与短期蓄热水箱19相连，短期蓄热水箱19连接用户供暖系统26；
12.短期分布式蓄热的分布式换热站内热量经短期蓄热水箱热水流入管19-3储存在短期蓄热水箱19中，短期蓄热水箱19中冷水经短期蓄热水箱冷水流出管19-4流出，热水循环泵四22串接在短期蓄热水箱冷水流出管19-4上；
13.短期蓄热水箱19的供暖供水管19-5和供暖回水管19-6连接用户供暖系统26，闸阀十24和闸阀十一25分别串接在供暖供水管19-5和供暖回水管19-6上，供暖循环泵23串接在供暖供水管19-5上。
14.所述短期蓄热水箱19供暖供水口设置在中上部，供暖回水口设置在中下部，且下部设置补水口，短期蓄热水箱19顶部设置有安全阀19-1，侧面设置有实时监测水箱中水温的温度传感器19-2，短期蓄热水箱19通过供暖供水管19-5和供暖回水管19-6与用户供暖系统26相连接。
15.所述供暖回水管19-6与用户供暖系统26连接处设置有y型过滤器26-1，用户供暖系统26内部设置有分水器26-2和集水器26-3。
16.所述第一换热器2、第二换热器4均为板式换热器。
17.一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统的控制方法，包括；
18.在一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统中，太阳能热源站的集中跨季节蓄热水池3充当一级低温蓄热体，短期分布式蓄热换热站内分布式蓄热水箱19充当二级供热蓄热体，即一级蓄热体中的蓄存的低温热水经过水-水换热热泵18提质增温后再流入短期分布式蓄热水箱19，然后再向各供暖热用户进行供热；
19.其控制主要分为太阳能热源站集蓄热和系统供暖用热水输配两大部分，控制方法包括以下步骤；
20.集中太阳能集热系统1中太阳能集热器阵列1-1全年接受太阳辐射，当辐照度超过设定值(如300w/
㎡
)，且温度传感器1-2温度低于设定温度(如80℃)时对防冻液进行预热，使循环环路内防冻液温度均衡；辐照度超过设定值(如300w/
㎡
)，且温度传感器1-2温度高于设定温度(如80℃)时通过第一换热器2向外换热；
21.温度传感器1-2温度高于跨季节蓄热水池低温水处热水温度传感器3-1温度加10
℃，高温防冻液通过第一换热器2，经第一换热器2换热后，管道中的防冻液由高温变为低温，经集热循环泵1-4加压流入集热器阵列1-1，准备下一轮循环；
22.经第一换热器2加热后的第一循环管路热水经闸阀5流入跨季节蓄热水池3，非供暖季时将集中太阳能集热系统1收集的热量储存在跨季节蓄热水池3中，供暖季有供暖需求时所述跨季节蓄热水池3中的高温水流经第二换热器换热4变成低温水，换热后的低温水经热水循环泵10加压回到所述跨季节蓄热水池3，如此反复循环；
23.当热用户需要供暖时，经第二换热器4加热后的第二换热管路热水在热水循环泵15加压下经远距离输配管线送至各热用户区的短期分布式蓄热的分布式换热站，若此时循环热水低于短期蓄热水箱19温度的最低设定值(如40℃)，则启动水-水换热热泵18对循环热水进行加热，加热后进入所述短期蓄热水箱19；
24.当热用户有供暖需求时，所述短期蓄热水箱19中高温热水在供暖循环泵23加压后经供暖供水管19-5流入分水器26-2，分水器26-2中的高温热水在用户散热末端放热后变为低温冷水，低温冷水回到集水器26-3，经供暖回水管19-6进入短期蓄热水箱19中，如此反复循环，从而满足热用户区供暖需求；
25.温度传感器一1-2、温度传感器二3-1、温度传感器三11、温度传感器四12和温度传感器五19-2实时监测集中太阳能集热系统1出口防冻液温度、跨季节蓄热水池3低温水温度、第二换热器4进出口水温和短期蓄热水箱19中水的温度，并将温度信号传输至系统控制器：
26.当所述太阳能集热器阵列1-1接受太阳辐射，当辐照度超过设定值(如300w/
㎡
)时开启闸阀1-4，集热循环泵1-6，使用三通阀1-3进口a及出口b；辐照度超过设定值(如300w/
㎡
)，且温度传感器1-2温度与跨季节蓄热水池低温水处温度(t
3-1
)之差大于10℃(t
1-2-t
3-1
》10℃)，开启闸阀二5、闸阀三6，热水循环泵7，关闭闸阀一1-4，使用三通阀一1-3进口a及出口c，直至温度传感器一1-2温度(ts)与跨季节蓄热水池低温水处温度(t
3-1
)之差减小到2℃(t
1-2-t
3-1
《2℃)，关闭闸阀二5、闸阀三6，热水循环泵一7，开启闸阀一1-4，使用三通阀一1-3进口a及出口b；
27.当温度传感器三11、温度传感器四12温差(t
11-t
12
)小于设定值减5℃(如30℃-5℃)，则调小闸阀六13开启程度，减少远距离输配管线中循环热水流量，当温度传感器三11、温度传感器四12温差高于设定值加5℃(如30℃ 5℃)，则闸阀六13正常开启；
28.当第二换热管路热水管16中热水水温低于短期蓄热水箱19水温最低设计值(如40℃)时，启动水-水换热热泵18对第二换热管路热水管16中热水进行加热，加热后进入短期蓄热水箱19；当温度传感器五19-2检测到短期蓄热水箱中水温大于设计平均值(如50℃)时，将此信号传输至系统控制器，关闭水-水换热热泵18与闸阀八20、闸阀九21。
29.本发明的有益效果：
30.本发明提出一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统，将两种蓄热方式结合起来，互为补充，克服了上述两种蓄热方式单独应用的缺陷。将太阳能集热场收集的热量存储于集中跨季节蓄热水池中，通过远距离输配管线将热量低温输送至短期分布式蓄热的分布式换热站，热量经由换热站内的水-水换热热泵换热提质，然后将提温后的热水存储于短期蓄热水箱中，最后由循环增压泵和分水器向各热用户进行供暖。此外，换热热泵消耗的电力优先采用风电和光伏等余电，从而起到了消纳可再生能源余电的作用，减少
供热系统运行的碳排放量。本发明的设计能够有效提高太阳能供暖系统的能源利用率及保障系统的稳定性，有益于太阳能集中供暖系统在我国太阳能资源丰富的城镇地区推广使用。
31.本发明中集中跨季节蓄热水池可充当一级低温蓄热体，分布式蓄热水箱充当二级供热蓄热体，即一级蓄热体中的蓄存的低温热水经过水-水换热热泵提质增温后再流入短期分布式蓄热水箱，然后再向各供暖热用户进行供热；所带来的有益效果是在保证用户供暖热媒温度达标的基础上能够有效降低跨季节大规模蓄热水体和长距离输热管网的热媒温度，进而降低系统的热量损失，提高太阳能保证率。
附图说明
32.图1为本发明实施提供的一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统的系统图。
33.图2为本发明实施提供的集中太阳能集热系统的系统图。
34.图3为本发明实施提供的短期分布式蓄热的分布式换热站部分结构示意图。
35.图4为本发明实施提供的用户供暖系统部分结构示意图。
36.图5为本发明实施提供的系统控制流程图。
37.附图标记：
38.1集中太阳能集热系统；1-1太阳能集热器阵列；1-2温度传感器一；1-3三通阀一；1-4闸阀一；1-5定压膨胀罐；1-6集热循环泵；2第一换热器；2-1第一换热管路热水管；2-2第一换热管路冷水管；3跨季节蓄热水池；3-1温度传感器二；4第二换热器；5闸阀二；6闸阀三；7热水循环泵一；8闸阀四；9闸阀五；10热水循环泵二；11温度传感器三；12温度传感器四；13闸阀六；14闸阀七；15热水循环泵三；16第二换热管路热水管；17第二换热管路冷水管；18水-水换热热泵；19短期蓄热水箱；19-1安全阀；19-2温度传感器五；19-3短期蓄热水箱热水流入管；19-4短期蓄热水箱冷水流出管；19-5供暖供水管；19-6供暖回水管；20闸阀八；21闸阀九；22热水循环泵四；23供暖循环泵；24闸阀十；25闸阀十一；26用户供暖系统；26-1y型过滤器；26-2分水器；26-3集水器。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
40.如图1所示，本实施例提供的一种集中跨季节与短期分布式蓄热串联的太阳能供暖系统包括：集中跨季节蓄热的太阳能热源站、远距离输配管线，短期分布式蓄热的分布式换热站以及用户供暖系统(每个用户供暖系统配备一个短期分布式蓄热的分布式换热站)。其中各个短期分布式蓄热的分布式换热站及用户供暖系统并联起来并通过远距离输配管线与太阳能热源站相连接，各个管路为维修与控制需求安装必要的阀门与循环泵。
41.如图2所示，集中太阳能集热系统1包括：太阳能集热器阵列1-1、温度传感器一1-2、三通阀一1-3、闸阀一1-4、定压膨胀罐1-5、集热循环泵1-6。其中定压膨胀阀1-5通过间接管接于集热循环回路。第一换热器2的热源侧通过集热循环环路的供、回管与太阳能集热器阵列1-1相连接，第一换热器2的换热侧通过第一换热管路热水管2-1和第一换热管路冷水管2-2与跨季节蓄热水池3相连接，闸阀二5串接在第一换热管路热水管2-1上，闸阀三6，热
水循环泵一7串接在第一换热管路冷水管2-2上。
42.如图3所示，短期分布式蓄热的分布式换热站内热量经短期蓄热水箱热水流入管19-3储存在短期蓄热水箱19中，短期蓄热水箱19中冷水经短期蓄热水箱冷水流出管19-4流出，且热水循环泵四22串接在短期蓄热水箱冷水流出管19-4上；短期蓄热水箱19为满足用户供暖需求通过供暖供水管19-5和供暖回水管19-6连接用户供暖系统26，闸阀十24和闸阀十一25分别串接在供暖供水管19-5和供暖回水管19-6上，供暖循环泵23串接在供暖供水管19-5上。
43.短期蓄热水箱19的供暖供水口设置在中上部，供暖回水口设置在中下部，且下部设置补水口，上部设置安全阀19-1。短期蓄热水箱19内设有实时监测箱中水温的温度传感器五19-2，温度传感器五19-2通过线路连接至系统控制器。短期蓄热水箱19中水温设置最高设计值、最低设计值、设计平均值，短期蓄热水箱内温度均匀，侧壁和底部上设置有保温层和防水层。
44.如图4所示，用户供暖系统26包括：y型过滤器26-1、分水器26-2、集水器26-3、供暖供水管19-5、供暖回水管19-6。当用户有供暖需求时，所述短期蓄热水箱中高温热水经供暖循环泵23加压流入供暖供水管19-5，高温热水经分水器26-2在用户散热末端放热后变为低温冷水，低温冷水回到集水器26-3，经供暖回水管19-6进入短期蓄热水箱中，如此反复循环，从而满足热用户区供暖需求。
45.第一换热器2、第二换热器4均为板式换热器。
46.当所述太阳能集热器阵列1-1接受太阳辐射，当辐照度超过设定值(如300w/
㎡
)时开启闸阀一1-4，集热循环泵1-6，使用三通阀一1-3进口a及出口b；辐照度超过设定值(如300w/
㎡
)，且所述温度传感器一1-2温度与温度传感器二3-1温度之差大于10℃(t
1-2-t
3-1
》10℃)，开启闸阀二5、闸阀三6，热水循环泵一7，关闭闸阀一1-4，使用三通一1-3进口a及出口c，直至所述温度传感器一1-2温度与温度传感器二3-1温度之差减小到2℃(t
1-2-t
3-1
《2℃)，关闭闸阀二5、闸阀三6，热水循环泵一7，开启闸阀一1-4，使用三通阀一1-3进口a及出口b。
47.当所述温度传感器三11、温度传感器四12温差(t
11-t
12
)小于设定值减5℃(如30℃-5℃)，则调小闸阀六13开启程度，减少远距离输配管线中循环热水流量，当所述温度传感器三11、温度传感器四12温差高于设定值加5℃(如30℃ 5℃)，则闸阀六13正常开启。
48.当第二换热管路热水管16中热水水温低于短期蓄热水箱19水温最低设计值(如40℃)时，启动水-水换热热泵18对第二换热管路热水管16中热水进行加热，加热后进入短期蓄热水箱19；当温度传感器五19-2检测到短期蓄热水箱中水温大于设计平均值(如50℃)时，将此信号传输至系统控制器，关闭水-水换热热泵18与闸阀20、21。