CN107436055B - 一种太阳能跨季节储能三联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能跨季节储能三联供系统，包括至少一组热泵机组、至少一组多孔材料相变储能柱、至少一组热超导管排式真空集热器、管路球阀及循环泵；热泵机组包括蒸发器和冷凝器；多孔材料相变储能柱的输出管道和输入管道的端口与对应热泵机组的蒸发器的进口和出口连接，输出管道上设有循环泵；热超导管排式真空集热器与输出管道串联，连接处设有管路球阀；热泵机组的冷凝器对应连接建筑物内循环水管道。该系统利用太阳能集热、地源土壤储热及热泵机组的联用技术实现城市建筑物采暖—制冷—供热三联供，夏季制冷，冬季采暖/供应热水，以降低建筑物耗能指标，充分实现太阳能集热与跨季节储能的绿色零碳要求。

Description

一种太阳能跨季节储能三联供系统

技术领域

本发明属于能源技术领域，具体涉及一种太阳能跨季节储能三联供系统，广泛用于绿色建筑、设施农牧业温室、娱乐设施等的太阳能存储平衡利用、采暖供热、制冷空调等领域。

背景技术

近年来，随着太阳能事业的发展和建筑节能的要求，城市发展和人民生活水平不断提高，“太阳能与建筑一体化”和“全天候供热”已成为我国太阳能热利用的重要议题。“太阳能与建筑一体化”就是把太阳能中高温系列产品作为建筑部件安装，使其有机结合起来，符合建筑美学要求，并尽可能地利用太阳能等新能源和可再生能源替代常规能源以减少建筑能耗对常规能源的依赖，降低建筑能耗占我国总能耗的比例，并提高常规能源利用率。

我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区约占全国国土面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内。同时，地球表面浅层地热资源被作为较好的冷热源，地表浅层是一个巨大的热超导管排式真空集热器，太阳能的47％被地表吸收，因此地表浅层蕴涵着大量取之不尽的能量，超过人类每年利用能量的500倍，并且不受地域资源限制，无处不在。由于近乎无限且持续恒定的特点，使得地能成为最易被利用的清洁、可再生能源。

太阳能和地热能是取之不尽、用之不竭的洁净自然能源，都具有可持续、无污染、资源量大、分布广等特点。人们开发了各种太阳能和地热能利用设备，包括太阳能热水器、地源热泵等，具有良好的社会效益和环境效益，但同时遇到一些问题，如：采用太阳能采暖，有时由于受采光面积所限，供热负荷不足，同时，在非采暖季节热量无法利用，造成大量能源浪费；采用地热能采暖，由于没有热量回补或回补的热量不够，造成土壤温度下降，导致供热负荷不足。

如何用一个系统同时利用太阳能和地热能，实现两种热源的最优匹配，并同时满足建筑的供暖、制冷和制取生活热水的需要，是人们有待解决的问题。目前，随着将太阳能集热、地源热等技术被广泛应用，有效的改善了城市环境，并减少了化石能源的消耗，可该技术仍然存在热量不稳定，不连续等问题，如果把地源热技术、热泵技术、太阳能中高温集热技术结合利用不仅可解决以上存在问题，而且可提高可再生能源利用率，同时也实现了城市建筑冬季供热夏季跨季节储能制冷的目的。因此，研究开发一种太阳能中高温集热装置、跨季节储能装置、热泵设备三者相结合的系统在绿色节能城市应用尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种太阳能跨季节储能三联供系统，该系统利用太阳能集热、地源土壤储热及热泵机组的联用技术实现城市建筑物采暖—制冷—供热三联供，夏季制冷，冬季采暖/供应热水，以降低建筑物耗能指标，充分实现太阳能集热与跨季节储能的绿色零碳要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种太阳能跨季节储能三联供系统，所述的系统包括至少一组热泵机组、至少一组多孔材料相变储能柱、至少一组热超导管排式真空集热器、管路球阀及循环泵；所述的热泵机组包括蒸发器和冷凝器，热泵机组的蒸发器内与制冷剂进行换热，热泵机组通过耗费少量电对制冷剂压缩做功，将制冷剂高温气化，在冷凝器中循环管内冷水循环吸收制冷剂中的热量，使循环管内的水加热，加热后的热水在循环水泵作用下输送到建筑物内提供热水或采暖；所述的多孔材料相变储能柱的输出管道和输入管道的端口与对应热泵机组的蒸发器的进口和出口连接，多孔材料相变储能柱吸收固体相变材料和地源土壤中存储的热量，输出管道和输入管道内部充有工质液体，由工质液体将热量带出，通过输出管道上设有循环泵，由循环泵为工质液体流动提供动力；所述的热超导管排式真空集热器与输出管道串联，热超导管排式真空集热器收集太阳能转化的热能，由工质液体将热量带出，连接处设有管路球阀，由管路球阀控制输出管道与热超导管排式真空集热器的连通与断开；所述的热泵机组的冷凝器对应连接建筑物内循环水管道。

优选的，所述的热超导管排式真空集热器包括外管、内管、蒸发管、真空玻璃集热器和密封塞；所述的内管同心插入外管内部，外管的两端与内管外壁封闭焊接，形成同心套管换热结构；所述的蒸发管设置有多个且相互平行，每个蒸发管一端封闭另一端按照一定间距垂直焊接于水平的外管上；多个蒸发管与同心套管夹套之间形成一个相互连通的密闭管排腔体，管排腔体在真空状态下充入工质；每一个蒸发管穿过密封塞中心孔插入真空玻璃集热管中，密封塞将真空玻璃集热管开口处密封。

优选的，所述的多孔材料相变储能柱包括U形换热管、固体多孔材料和相变储能材料，多孔材料相变储能柱通过固体多孔材料发泡于U形换热管四周，并在固体多孔材料的空隙中填充相变储能材料；多孔材料相变储能柱置入到距地表深度为100-150米自由的地源土壤中，U形换热管的一端接入输出管道，另一端接入输入管道，U形换热管管内填充工质液体。多孔材料相变储能柱中的U形换热管内工质液体吸收相变储能材料和地源土壤中存储的热量，在循环泵的作用下，被抽吸循环流动到热泵机组的蒸发器内与制冷剂进行换热。

优选的，所述的固体多孔材料为高导热性高含铁矿石-水泥发泡多孔材料，孔隙率45-60％，孔隙率高，导热性较好。

优选的，所述的工质液体为甲醇、乙醇、丙酮或R22，充入的工质液体占管腔内体积的60-90％。

本发明中，在冬季供暖期，多孔材料相变储能柱和地源土壤将存储的热量经工质液体循环输送到热泵机组，热泵机组工作为建筑物提供热水或采暖。而夏季热泵机组通过内部换向阀切换做制冷运行，将建筑物内多余的热量输送到多孔材料相变储能柱和土壤中，达到建筑物内降温的目的。同时夏季阳光充裕，热超导管排式真空集热器将收集的热量通过管道内工质液体循环转移到多孔材料相变储能柱和土壤中，将热量存储，以待冬季供暖期使用，实现热量跨季存储。并在热超导管排式真空集热器的连通管道与多孔材料相变储能柱输出管道的连接处设有管路球阀，可实现热超导管排式真空集热器与多孔材料相变储能柱联用或断开。

本发明与其他热泵系统相比：系统高效节能，运行稳定可靠，热效率较高，维修费用低，使用寿命长。

本发明的优点是：

(1)本发明整合太阳能集热、地源跨季节储存与释放、高温供热与制冷三个过程，实现不同季节储/放热过程，达到建筑物内不同季节供水-采暖-制冷三联供的效果，从而解决了太阳能在利用过程中存在的不连续性、不稳定性和夏天能量富余且放弃利用，而冬季最冷季节能量不足的问题；

(2)本发明系统将多孔材料相变储能柱与热超导管排式真空集热器、热泵机组联合使用，热效率比单一设备运行，提高了60％左右，同时，本系统有效利用太阳能和地热资源，通过热泵提级，不消耗化石能源，无污染物排放，是绿色环保的技术；

(3)本发明将热超导管排式真空集热器将真空玻璃集热管集热和热超导管排有机融合，采用多个蒸发管共用一个水平套管的独特结构，同心套管间隙和蒸发管之间相互连通形成一个封闭腔体，腔体内部填充工质，实现了真空玻璃集热快速与内管工质液体热交换，达到高效吸收，真空保温，超低热阻传热，装置总热效率较高；

(4)本发明将多孔材料相变储能柱采用独特双U形换热管垂直交插设计，并填充高导热的固体多孔发泡材料和相变储能材料，充分提高了多孔材料相变储能柱储/放热速率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为热超导管排式真空集热器侧面剖视图；

图3为多孔材料相变储能柱的纵剖图；

图4为多孔材料相变储能柱的横剖图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明所述的一种太阳能跨季节储能三联供系统，包括热泵机组10、多孔材料相变储能柱11、热超导管排式真空集热器12、管路球阀及循环泵13；所述的热泵机组10包括蒸发器101和冷凝器102；所述的多孔材料相变储能柱11的输出管道110和输入管道111的端口与对应热泵机组10的蒸发器101的进口和出口连接，输出管道110上设有循环泵13；所述的热超导管排式真空集热器12与输出管道110串联，连接处设有管路球阀，管路球阀包括球阀14、球阀15和球阀16；所述的热泵机组10的冷凝器102对应连接建筑物内循环水管道。

如图2所示，所述的热超导管排式真空集热器12包括外管121、内管122、蒸发管123、真空玻璃集热器124和密封塞125；所述的内管122同心插入外管121内部，外管121的两端与内管122外壁封闭焊接，形成同心套管换热结构；所述的蒸发管123设置有多个且相互平行，每个蒸发管123一端封闭另一端按照一定间距垂直焊接于水平的外管121上；多个蒸发管123与同心套管夹套之间形成一个相互连通的密闭管排腔体；每一个蒸发管123穿过密封塞125中心孔插入真空玻璃集热管124中，密封塞125将真空玻璃集热管124开口处密封。

如图3和图4所示，所述的多孔材料相变储能柱11包括U形换热管113、固体多孔材料114和相变储能材料115，多孔材料相变储能柱11通过固体多孔材料114发泡于U形换热管113四周，并在固体多孔材料114的空隙中填充相变储能材料115；多孔材料相变储能柱11置入到距地表深度为100-150米自由的地源土壤116中，U形换热管113的一端接入输出管道110，另一端接入输入管道111，U形换热管113管内填充工质液体。

600kW装置系统设计：

1、热超导管排式真空集热器：集热效率65-75％，集热温度：<200℃。

规格：24支/>真空玻璃集热管；

主要材料：铝合金；

密闭管排腔体内工质：丙酮，填充60-80％。

2、多孔材料相变储能柱：固体多孔材料-相变储能材料-U形换热管

直径：100mm，长度：100-150m；

固体多孔材料：高导热性高含铁矿石-水泥发泡多孔材料，孔隙率45-60％；

U形换热管：1U或2U组合，铝材质；

相变储能材料：低温水不溶性氯化石蜡，融化温度28-30℃；

储热容量：180-400kJ/kg；

3、热泵机组：BSB-L400W/2，制热量：420kW/，制冷量400kW；

系统装置技术性能参数：

供热能力：600kW，

制冷能力：600kW；

采暖温度：45℃-65℃

空调温度：15℃-24℃

能效比：6-8；

储能比率：30％；

储能时间：6-8个月。

本发明的工作过程：在冬季供暖期，热超导管排式真空集热器12集热较少，可通过关闭球阀14和球阀15，打开球阀16，将热超导管排式真空集热器12不与多孔材料相变储能柱11的输出管道110接通，只有多孔材料相变储能柱11与热泵机组10联用，为建筑物内提供热水或采暖。具体为多孔材料相变储能柱11中的U形换热管113内工质液体吸收固体相变材料114和地源土壤116中存储的热量在循环泵13的作用下，被抽吸循环流动到热泵机组10的蒸发器101内与制冷剂进行换热，热泵机组10通过耗费少量电对制冷剂压缩做功，将制冷剂高温气化，在冷凝器102中循环管内冷水循环吸收制冷剂中的热量，使循环管内的水加热，加热后的热水在循环水泵作用下输送到建筑物内提供热水或采暖。

夏季阳光充裕，将热超导管排式真空集热器12的管道通过打开球阀14和球阀15，关闭球阀16，接入多孔材料相变储能柱11的输出管道110，热超导管排式真空集热器12将收集的热量通过内管122内流动工质液体传递到多孔材料相变储能柱11的相变储能材料115和地源土壤116中，实现热量存储。具体为太阳光照射到热超导管排式真空集热器12上，真空玻璃集热管124收集太阳能转化的热能，收集的热量将蒸发管123内的工质气化，气化的工质与内管122中循环流动的工质液体换热，内管122工质液体通过输出管道110在循环泵13的作用下将热量输送进入到U形换热管113中，而U形换热管113通过表面的固体多孔材料114将热量传递到固体相变材料114中并进一步传递给地源土壤116，实现夏季的热量反流入土壤储存，为冬季采暖期待用。同时，夏季为使建筑物内温度下降，热泵机组10做制冷运行，蒸发器101与冷凝器102之间的换向阀切换，热泵机组10内的压缩机对制冷剂做功，使制冷剂进行汽-液转化的循环，达到制冷的目的。其制冷过程为建筑物内的热量被循环管内水吸收，在循环水泵的作用下，水流经蒸发器101,并与蒸发器101内的制冷剂换热，通过压缩机做功将制冷剂吸收的热量在冷凝器102中与输出管道110内工质液体进行换热，之后，工质液体循环将吸收的热量转移至多孔材料相变储能柱11的相变储能材料115和地源土壤116中。如此循环，热泵机组10不断从室内取出多余的热量，达到使房间降温的目的。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种太阳能跨季节储能三联供系统，其特征在于，所述的系统包括至少一组热泵机组、多组多孔材料相变储能柱、多组热超导管排式真空集热器以及管路球阀和循环泵；所述的热泵机组包括蒸发器和冷凝器；多组所述多孔材料相变储能柱通过输入管道和输出管道并联连接后置入到地源土壤中，所述的多孔材料相变储能柱的输出管道和输入管道的端口与对应热泵机组的蒸发器的进口和出口连接，输出管道上设有循环泵；多组所述热超导管排式真空集热器之间串联连接，且多组所述的热超导管排式真空集热器与输出管道串联，连接处设有管路球阀；所述的热泵机组的冷凝器对应连接建筑物内循环水管道，所述多孔材料相变储能柱包括U形换热管、固体多孔材料和相变储能材料，多孔材料相变储能柱通过固体多孔材料发泡于U形换热管四周，并在固体多孔材料的空隙中填充相变储能材料；U形换热管的一端接入输出管道，另一端接入输入管道，U形换热管管内填充工质液体。

2.如权利要求1所述的一种太阳能跨季节储能三联供系统，其特征在于，所述的热超导管排式真空集热器包括外管、内管、蒸发管、真空玻璃集热器和密封塞；所述的内管同心插入外管内部，外管的两端与内管外壁封闭焊接，形成同心套管换热结构；所述的蒸发管设置有多个且相互平行，每个蒸发管一端封闭另一端按照一定间距垂直焊接于水平的外管上；多个蒸发管与同心套管夹套之间形成一个相互连通的密闭管排腔体；每一个蒸发管穿过密封塞中心孔插入真空玻璃集热管中，密封塞将真空玻璃集热管开口处密封。

3.如权利要求1所述的一种太阳能跨季节储能三联供系统，其特征在于，所述的多孔材料相变储能柱置入到距地表深度为100-150米左右的地源土壤中。

4.如权利要求3所述的一种太阳能跨季节储能三联供系统，其特征在于，所述的固体多孔材料为高导热性高含铁矿石-水泥发泡多孔材料，孔隙率45-60％。

5.如权利要求3所述的一种太阳能跨季节储能三联供系统，其特征在于，所述的工质液体为甲醇、乙醇、丙酮或R22，充入的工质液体占管腔内体积的60-90％。