一种集中式与分布式短期蓄热并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，特别涉及一种集中式与分布式短期蓄热并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的特点，造成了日间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。跨季节大规模蓄热水体，蓄热持续周期长和散热面积大，导致集中式短期蓄热水箱的热损失占比较大，尤其蓄热水池的设计蓄热温度较高时蓄热损失更为显著。因此当长、短期蓄热应用中均存在各自的优势与缺陷。


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式与分布式短期蓄热并联的太阳能供暖系统及方法，当夜间或阴雨天气等太阳能集热场不能收集到热量的情况，集中式短期蓄热水箱提供的热量不能满足热用户的供暖需求，此时通过空气源热泵提取空气中的热量储存在分布式短期蓄热水箱中，进而将热量输送至用户供暖系统。此外，空气源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：
6.一种集中式与分布式短期蓄热并联的太阳能供暖系统，包括短期集中蓄热的太阳能热源站、输配管线，分布式蓄热换热站以及用户供暖系统31；
7.所述分布式蓄热换热站设置有多组，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，其中集中蓄热水池与短期分布式蓄热水箱以并联的方式进行连接。
8.所述短期集中蓄热的太阳能热源站包括集中太阳能集热系统1和集中式短期蓄热水箱3，所述集中式短期蓄热水箱3具有热分层，上部的水温相对较高而下部水温相对较低，在所述集中式短期蓄热水箱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，分别用于在供暖季将集中太阳能集热系统产生的热量储存起来，和在供暖季将储存的热量输送至各热用户；
9.所述分布式蓄热换热站并联设置，所述太阳能热源站与并联起来的各分布式蓄热换热站和用户供暖系统通过输配管线相连，所述输配管线供暖供水管上设置第二换热管路热水管14，供暖回水管上设置第二换热管路冷水管15；
10.所述供暖供水管的输配管线上设置闸阀六11、温度传感器三16，所述供暖回水管
上的输配管线上设置闸阀七12、温度传感器四17。
11.所述第一换热器2的热源侧通过集热循环环路的供、回管与集中太阳能集热系统1中的太阳能集热器阵列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与集中式短期蓄热水箱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。
12.所述第一换热器2中流过高温防冻液，高温防冻液经第一换热器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，经第一换热器2加热后的第一循环管路热水经闸阀5流入集中式短期蓄热水箱3，供暖季时将集中太阳能集热系统1收集的热量储存在集中式短期蓄热水箱3中，供暖季有供暖需求时集中式短期蓄热水箱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加压回到集中式短期蓄热水箱3，如此反复循环；
13.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13加压下经输配管线送至各用户供暖系统31。
14.所述分布式蓄热换热站包括分布式短期蓄热水箱25，分布式短期蓄热水箱25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，所述分布式短期蓄热水箱25内温度均匀，侧壁和底部上设置有保温层和防水层，所述分布式短期蓄热水箱25设有安全阀25-1和实时监测水箱中水温的温度传感器25-2，分布式短期蓄热水箱25通过供暖供水管31-4和供暖回水管31-5与用户供暖系统31相连接。
15.分布式短期蓄热水箱25中存储分布式蓄热换热站内空气源热泵27提取的热量，闸阀十22串接在分布式短期蓄热水箱25与第三换热器21之间的热水流出管上，闸阀十一23串接在分布式短期蓄热水箱25与第三换热器21之间的冷水流入管上，热水循环泵五24串接在分布式短期蓄热水箱25与第三换热器21之间的冷水流入管上，热水循环泵六26串接在分布式短期蓄热水箱25与空气源热泵27之间的冷水流出管上。
16.所述用户供暖系统31来流热水在供暖循环泵28加压后经供暖供水管31-4流入分水器31-2，分水器31-2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31-3，经供暖回水管31-5流向相应的换热器加热，如此反复循环，从而满足热用户区供暖需求，闸阀十二29串接在第二换热管路热水管14与用户供暖系统31之间的供暖供水管上，闸阀十三30串接在第二换热管路冷水管15与用户供暖系统31之间的供暖回水管上。
17.一种集中式与分布式短期蓄热并联的太阳能供暖系统的控制方法，包括；在一种集中式与分布式短期蓄热并联的太阳能供暖系统中，太阳能热源站内集中式短期蓄热水箱3和分布式蓄热换热站内分布式短期蓄热水箱25以并联形式连接，且形成两级热源，可分别供暖热用户进行供热；
18.系统控制方法包括以下步骤；
19.仅当供暖季热用户需要供暖时，集中太阳能集热系统1中太阳能集热器阵列1-1接受太阳辐射，当辐照度超过设定值(如300w/
㎡
)，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；
20.温度传感器1-2温度高于集中式短期蓄热水箱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；
21.经第一换热器2加热后的第一循环管路热水经闸阀5流入集中式短期蓄热水箱3，供暖季时将集中太阳能集热系统1收集的热量储存在所述集中式短期蓄热水箱3中，供暖季有供暖需求时所述集中式短期蓄热水箱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加压回到集中式短期蓄热水箱3，如此反复循环；
22.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13加压下经输配管线送至各用户供暖系统31；
23.若在夜间或阴雨天气等太阳能集热场不能收集到热量的情况，集中式短期蓄热水箱3提供的热量不能满足热用户的供暖需求，即温度传感器三16的温度低于设定温度(如85℃)时，关闭集中式短期蓄热系统，开启分布式短期蓄热系统，开启空气源热泵27对并联的分布式短期蓄热系统内循环水进行加热，加热后的热水进入分布式短期蓄热水箱25中，高温水经第三换热器21换热变为低温水，换热后的低温水经热水循环泵五24加压回到所述分布式短期蓄热水箱25中，如此反复循环；经第三换热器21加热后的热水热水循环泵四20加压后输送至用户供暖系统31；
24.当热用户有供暖需求时，用户供暖系统31来流热水在供暖循环泵28加压后经供暖供水管31-4流入分水器31-2，分水器31-2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31-3，经供暖回水管31-5流向相应的换热器加热，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、温度传感器三16、温度传感器四17和温度传感器五25-2实时监测集中太阳能集热系统1出口防冻液温度、集中式短期蓄热水箱3低温水温度、第二换热器4进出口水温和分布式短期蓄热水箱25中水的温度，并将温度信号传输至系统控制器；
26.当供暖季热用户需要供暖时，所述太阳能集热器阵列1-1接受太阳辐射，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温度与集中式短期蓄热水箱低温水处温度(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，热水循环泵一7，关闭闸阀一1-4，使用三通阀1-3进口a及出口c，直至温度传感器一1-2温度(ts)与集中式短期蓄热水箱低温水处温度(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1-3进口a及出口b；
27.当所述温度传感器三16、温度传感器四17温差(t
16-t
17
)小于设定值减5℃(如30℃-5℃)，则调小闸阀六11开启程度，减少输配管线中循环热水流量，当所述温度传感器三16、温度传感器四17温差高于设定值加5℃(如30℃ 5℃)，则闸阀六11正常开启；
28.当第二换热管路热水管14中热水水温不能满足热用户的供暖需求，即温度传感器三16的温度低于设定温度(如85℃)时，关闭闸阀六11、闸阀七12及热水循环泵二10、热水循环泵三13，开启空气源热泵27从空气中提取热量，开启闸阀八18、闸阀九19、闸阀十22、闸阀十一23、闸阀十二29、闸阀十三30与热水循环泵四20、热水循环泵五24、热水循环泵六26及供暖循环泵28，热量储存于分布式短期蓄热水箱25，经第三换热器21换热进而输送至用户供暖系统31。
29.本发明的有益效果：
30.本发明提出一种集中式与分布式短期蓄热并联的太阳能供暖系统，将两短期蓄热通过并联的连接方式结合起来，互为补充，克服了短期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式短期蓄热水箱中，通过输配管线将热量输送至用户供暖系统。当夜间或阴雨天气等太阳能集热场不能收集到热量的情况，集中式短期蓄热水箱提供的热量不能满足热用户的供暖需求，此时通过空气源热泵提取空气中的热量储存在分布式短期蓄热水箱中，进而将热量输送至用户供暖系统。此外，空气源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.本发明在该系统中集中蓄热水池用于蓄存集中太阳能集热场的热量，分布式蓄热水箱用于蓄存由光伏、风力、水力等余电驱动的空气源热泵产热量，以并联形式连接后形成两级热源，然后二者可分别供暖热用户进行供热；所带来的有益效果是在集中式与分布式短期蓄热并联式系统集成了太阳能集热和空气源热泵两种热源，可起到热量互补效果，提高系统的稳定性，同时起到了消纳周边的光伏、风力、水力余电的作用，提高了城镇能源系统可再能源综合利用率。
附图说明
32.图1为本发明实施提供的一种集中式与分布式短期蓄热并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分布式短期蓄热水箱部分结构示意图。
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；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集中式短期蓄热水箱；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闸阀六；12闸阀七；13热水循环泵三；14第二换热管路热水管；15第二换热管路冷水管；16温度传感器三；17温度传感器四；18闸阀八；19闸阀九；20热水循环泵四；21第三换热器；22闸阀十；23闸阀十一；24热水循环泵五；25分布式短期蓄热水箱；25-1安全阀；25-2温度传感器五；26热水循环泵六；27空气源热泵；28供暖循环泵；29闸阀十二；30闸阀十三；31用户供暖系统；31-1y型过滤器；31-2分水器；31-3集水器；31-4供暖供水管；31-5供暖回水管。
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式与分布式短期蓄热并联的太阳能供暖系统包括：短期集中蓄热的太阳能热源站、输配管线，分布式蓄热换热站以及用户供暖系统(每个用户供暖系统配备一个分布式蓄热换热站)。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与集中式短期蓄热水箱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，分布式蓄热换热站内空气源热泵27提取的热量储存在分布式短期蓄热水箱25中，闸阀十22和闸阀十一23分别串接在热水流出管和冷水流入管上，热水循环泵五24和热水循环泵六26，分别串接在冷水流入、流出管上。
43.分布式短期蓄热水箱25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25-1。分布式短期蓄热水箱25内设有实时监测箱中水温的温度传感器五25-2，温度传感器五25-2通过线路连接至系统控制器。分布式短期蓄热水箱25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31包括：y型过滤器31-1、分水器31-2、集水器31-3。当用户有供暖需求时，来流高温热水经供暖循环泵28加压流入供暖供水管31-4，高温热水经分水器31-2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31-3，经供暖回水管31-5流向相应的换热器加热，如此反复循环，从而满足热用户区供暖需求，闸阀十二29与闸阀十三30分别串接在供暖供、回水管上。
45.第一换热器2、第二换热器4、第三换热器21均为板式换热器。
46.当供暖季热用户需要供暖时，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，使用三通阀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.当所述温度传感器三16、温度传感器四17温差(t
16-t
17
)小于设定值减5℃(如30℃-5℃)，则调小闸阀六11开启程度，减少输配管线中循环热水流量，当所述温度传感器三16、温度传感器四17温差高于设定值加5℃(如30℃ 5℃)，则闸阀六11正常开启。
48.当温度传感器三16的温度低于设定温度(如85℃)时，关闭闸阀六11、闸阀七12及热水循环泵二10、热水循环泵三13，开启空气源热泵27从空气中提取热量，开启闸阀八18、闸阀九19、闸阀十22、闸阀十一23、闸阀十二29、闸阀十三30与热水循环泵四20、热水循环泵五24、热水循环泵六26及供暖循环泵28，热量储存于分布式短期蓄热水箱25，经第三换热器21换热进而输送至用户供暖系统31。