专利名称：适用于轨道交通基地的空气源热泵辅助太阳能热水系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及轨道交通节能技术领域以及太阳能热利用技术领域， 尤其涉及轨道交通车辆基地动态热水需求下的热泵辅助太阳能热水系统。
背景技术：
全球性石化能源的紧缺以及温室效应的加剧给环境和社会发展带来了 很多负担，作为应对，近年来太阳能等可再生能源的开发及利用发展迅速。
在建筑能源消耗构成中，热水使用造成的能耗约占30%左右，而采用太阳能 热水系统能使热水能耗降低到先前的30% 70%左右。虽然太阳能热水系统 具有如此的节能潜力，但它同时也存在一些问题。太阳能热水器以太阳能 为热源，而太阳能具有很强的变动性，夜间或者阴雨天气下能不能有效的 工作。因此，尽管太阳能热水器在住宅中的普及率已经较高，但是在其他 场合，由于对供热稳定性要求较高，独立的太阳能热水系统并不常见，而 是与其他辅助热源协同运作，包括电加热、燃气锅炉及空气源热泵等。研 究表明目前情况下，与其他几种类型的辅助加热相比，空气源热泵系统产 出生活热水时在经济性和加热效率方面具有优势，同时其应用场合及时间 也不受限制。因此热泵辅助的太阳能热水系统已经有了不少设计及应用， 比如申请号CN200720081186. 3的专利给出了一种空气源热泵辅助加热太阳 能热水设备。该设备采用空气源热泵进一步加热空气太阳能集热器热水箱 中的热水，达到需求的热水温度。这种空气源热泵辅助太阳能热水系统以 及其它类似的装置或系统，面向的对象都以家庭为主，适用于单一的小量 的热水需求，而在其他应用场合的效果并不理想。
3对于轨道交通地铁车辆基地来说，其对热水的要求有很多自身特点 一是热水需求时间长，车辆维护工作要求一天24小时都有充足的工作热水 及洗浴热水；二是热水消耗量的动态性强，这与车辆维护工作自身较大的 随机性有关，热水消耗量时大时小；三是热水消耗量大，这由车辆维护工 作特点决定。针对以上这些特点，车辆的基地的热水系统与一般性的太阳 能热水系统在结构上有所差异，热水量需求大的特点决定系统应该能够充 分利用太阳能以获得较高的节能及经济效益，热水需求的持续性及动态性 又要求系统的辅助热源具有较快的反应速度以及灵活性。
如何设计一种能够有效的满足上述需求的适用于轨道交通基地的空气 源热泵辅助太阳能热水系统是技术人员要解决的问题。 发明内容
本实用新型需要解决的技术问题是提供了一种适用于轨道交通基地的 空气源热泵辅助太阳能热水系统，旨在解决上述的问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的
本实用新型包括 一个蓄热水箱， 一个连接蓄热水箱的太阳能集热器 阵列；还包括 一个空气源热泵， 一个串接在蓄热水箱和用户之间的缓冲 热水箱；所述的空气源热泵与缓冲热水箱相接。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是能够提高太阳能利用率， 节约能源消耗，并随时保证热水供应能满足需求。
图l为本实用新型结构示意图2为图1中太阳能集热器阵列示意图3为图2中单个太阳能集热器结构示意图4为图1中中缓冲热水箱结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述 由图l可见本实用新型包括 一个蓄热水箱2， 一个连接蓄热水箱2 的太阳能集热器阵列l;还包括 一个空气源热泵4， 一个串接在蓄热水箱 2和用户之间的缓冲热水箱3;所述的空气源热泵4与缓冲热水箱3相接；
在太阳能集热器阵列1、蓄热水箱2以及缓冲热水箱3中分别安置一个
连接监控中心的温度传感器(图中未示)；
所述的安置在太阳能集热器阵列1中的温度传感器是在位于与太阳能
集热器阵列1出口最接近的水箱中；所述的安置在蓄热水箱2中的温度传
感器是在位于蓄热水箱上部，液面之下接近液面处；所述的安置在缓冲热
水箱3中的温度传感器是在缓冲热水箱中部；
所述的太阳能集热器阵列1是平板集热器或真空管集热器； 所述的太阳能集热器阵列1与蓄热水箱2的连接是通过一个管道上的
集热泵5连接的；所述的集热泵5在蓄热水箱2下部出口与太阳能集热器
阵列l之间；
所述的蓄热水箱2与缓冲热水箱3连接是通过一个连通管6连接的； 所述的连通管6与蓄热水箱2相连的一端低于与缓冲热水箱3相连的一端； 所述的蓄热水箱2和缓冲热水箱3的液面高度相同。 本实用新型主要原理是通过太阳能集热器和大型蓄热水箱来尽可能的 收集利用免费、清洁的太阳能，并将能量续存在蓄热水箱中。由于太阳能 在不同天气、不同时刻下强度不同，因此其供热能力也有所差异，为了保 证在强太阳辐照和弱太阳辐照天气下太阳能都能得到充分的利用，蓄热水 箱的蓄热容量相对较大。所以在长期连续运行的系统中，其中大部分时间 下蓄热水箱的温度并不能满足使用需求。为此，本实用新型中设置了一台 空气源热泵来辅助供热，保证末端热水温度。太阳能集热和热泵联合运作 模式下，二者的工作状态需要协调好。由于太阳能热水在运行期间基本上是免费的，而热泵热水则需要按产热比例消耗一定的电能，所以联合运行 时，应该以太阳能为主、热泵为辅，才能具有较高的经济收益及节能效果。 然而，前面提到在系统运行的大部分时间，单靠太阳能集热器并不能保证 热水温度，所以作为辅助的空气源热泵的运行需要遵循两个原则其一是 开启时间要少，尽量保证太阳能负担主要负荷；其二是要保证系统出水温度 满足末端需求。上述两条原则在实际运行时有一定的矛盾性，由于太阳能 对蓄热水箱的加热是一个逐渐进行的过程，如果空气源热泵随时保证蓄热 水箱的温度达到使用要求，则在晴天午间等辐照强烈的时刻，由于太阳能 得热大大提高导致蓄热水箱的温度过高，这样不但系统漏热增加，而且过 高的热水温度会降低太阳能集热器的集热效率，就是说在这种情况下太阳 能的利用度被降低了，在总供热负荷相当的情况下，相应的热泵消耗的电 量就增加了，降低了系统的经济性和节能效果。在这种规模的太阳能热水 系统中，目前对于太阳辐射强度的变化还无法给予较为准确的预测，就是 说采用前馈预测控制的方法来控制热泵运行的方案在复杂度和可行性方面 是不现实的。针对这种情况，本实用新型采用了串联在系统中的缓冲热水 箱来应对。缓冲热水箱串联在蓄热水箱和用户之间，容量相对蓄热水箱来 说要小很多，水箱的液面之下，设置了螺旋形盘管，作为空气源热泵机组 的冷凝器。当缓冲热水箱的温度低于末端需求温度时，热泵机组开始运行， 通过冷凝器盘管迅速加热缓冲热水箱中的热水，直到达到设定温度为止。 缓冲水箱通过一个连通管道与蓄热水箱相连，在缓冲热水箱的热水被消耗 之后，根据连通器原理，蓄热水箱中的热水会从该联通管道进入缓冲热水 箱对消耗掉的热水进行补充。如此，在太阳能集热效率和利用度都较高的 同时，末端的热水温度也得到了保证。
太阳能集热器可以采用平板集热器或真空管集热器或其他类型的集热 器。实际应该采用何种集热器需要根据系统规模、使用要求以及当地气候决定。 一般情况下，对于该系统比较适合的集热器形式为平板集热器。由 于蓄热水箱的温度较低，此时平板集热器一般比真空管等其他形式的集热 器具有更高的效率。根据系统设计热负荷，在楼顶或其他空旷地带设置集 热器阵列。轨道交通车辆基地一般面积较大并且以低层建筑为主，所以具 有足够的空间来放置集热器阵列。集热器阵列由若干独立的集热器按照一 定的串联、并联形式组成。每个集热器上部自身带有独立小水箱，水箱内 部沿水平方向布置有螺旋形换热盘管。采用换热盘管之后，集热器和水箱 就成了独立的两个循环，这样集热器内部的工质除了水之外，还可以采用 其他的防冻液，可以保证在冬季也能顺利运行。
集热器水箱内部的换热盘管通往所述蓄热水箱，由一台集热水泵驱动 内部循环。蓄热水箱的容量较大以充分吸收利用太阳能，蓄热水箱通往集 热器阵列的一对进出口，分别位于水箱上、下部。水箱里的热水通过下部 出口流向集热器阵列，并通过上部出口流回来，这样由于水箱的分层作用， 位于水箱下部温度稍低的冷进入集热器阵列后能换热更充分。该循环回路 中的集热泵的运行受监控系统调节。蓄热水箱内部配有补水系统，比如浮 球阀补水器或其他类型的补水器，补水系统维持了蓄热水箱内部的蓄水量。 蓄热水箱容器周围具有保温结构以削减热量散失，保温结构可以是常用的 高分子材料绝热层或者其他形式的高温层。蓄热水箱接近一半高度处伸出 一根联通管，另一端与缓冲热水箱相连。该联通管需要倾斜布置，位于蓄 热水箱侧的一端偏低，位于缓冲热水箱侧的另一端偏高。根据流体温度和 密度的关系，采用这种倾斜的联通管，可以防止缓冲热水箱中温度较高的 热水流入蓄热水箱中温度较低的热水中，从而保证缓冲热水箱温度始终较 高。
缓冲热水箱内部沿竖直方向安置有螺旋形换热盘管，用作空气源热泵 的冷凝器。该冷凝器通过管道与空气源热泵主机相连。在缓冲热水箱的上
7部和下部各有一个出口，热泵内的循环工质从水箱上部的出口流入缓冲热 水箱中的冷凝器，然后再从下部出口回到热泵主机。缓冲水箱接近上部的 地方，是通过热水使用末端的出口，在热水被消耗的同时，蓄热水箱中的 热水通过联通管补充进来，维持缓冲热水箱内的水位稳定。该出口和冷凝 器盘管之间，被竖直隔板隔开，以保证从蓄热水箱流入缓冲热水箱的水在 离开缓冲热水箱被送往热水使用末端之前能流经整个换热盘管而被充分加 热。缓冲热水箱周围也需要进行保温处理，保温结构可以是常用的高分子 材料绝热层或者其他形式的高温层。
监控系统包括温度传感器和控制器，通过监视系统中集热器、蓄热水 箱和缓冲热水箱的温度，确定系统的运行方式，继而调节集热泵和空气源 热泵的运行。其中集热器内的温度传感器位于与集热器阵列出口最接近的 集热器的水箱中。蓄热水箱内的温度传感器位于蓄热水箱上部，液面之下 接近液面处。缓冲热水箱内的温度传感器位于缓冲热水箱中部。温度信号
被送往控制核心，控制核心可以是单片机、PLC、或电脑等。控制核心根据 编写在内部的控制程序以及接收到的温度信号，确定系统的运行状态，继 而调节集热泵和空气源热泵的运行。
如图1所示，本实用新型主要包括太阳能集热器阵列l，蓄热水箱2， 缓冲热水箱3以及空气源热泵4几部分。太阳能集热器阵列1与蓄热水箱2 之间通过管道相连，管道上串联有集热泵5。当集热泵5运行时，蓄热水箱 2内的水流经位于集热器阵列中的换热盘管，从而加热蓄热水箱2内部的热 水。蓄热水箱2与缓冲热水箱3之间通过倾斜的连通管6道相连。该连通 管6道将蓄热水箱2和缓冲热水箱3联合成一个连通器，使得在缓冲热水 箱3中的热水被消耗后能够从蓄热水箱2中得到补充，维持缓冲热水箱3 中的热水容量。空气源热泵4的冷凝器盘管内置于缓冲热水箱3中，当空 气源热泵4运行时，能够迅速加热缓冲热水箱3的热水，满足热水末端温度需求。
本实用新型中的太阳能集热器阵列1的具体构形如图2所示，由若干 独立集热器通过一定的串联、并联方式组成。对于连续运行的太阳能热水 系统，集热器阵列的串联、并联形式对集热效率的影响不大，主要的作用 就是通过合理的串联、并联方式来使得集热器阵列的总流量和压力损失能 与集热泵5的额定流量及压头相匹配。
其中作为集热器阵列1的基本组成单元的单个集热器，其一个实例的 构造如图3所示，主要由一个平板型集热器主体和位于其上部的一个带有 螺旋形换热盘管11的集热器蓄水箱10组成。平板型集热器主体与目前常 见的平板型集热器相同，主要由吸热板7、吸热涂层8、工质流动通道9、 玻璃盖板、保温层、壳体和支架组成。其中位于吸热板上的集热工质的流 道方向为自上而下，并沿水平方向按并联方式排布在与集热板上。集热工 质流道上端和下端分别汇入各自的总管，上端总管13接入集热器水箱的上 部，下端总管12接入集热器水箱的下部，这样在集热器接受太阳辐照时， 不同温度下水的密度差驱动集热器水箱下部温度较低的水流入集热板上的 流道中被加热，然后流回集热器水箱上部，从而是集热水箱内的总体水温 得到提升。集热器水箱内部沿水平方向排布了螺旋形换热盘管，在集热泵5 的驱动下，蓄热水箱2中的水经过集热器水箱进出口 14及15，从螺旋形换 热盘管11内部流过，被集热器蓄水箱10中的热水加热。
作为本实用新型的另一个实例，组成集热器阵列1的单个集热器也可 以是真空管集热器等其他形式的集热器。
本实用新型中的蓄热水箱2为带有保温的大容量水箱。水箱内部设有 补水器，维持水箱内液位。补水器可以是浮球阀补水器或者带有液位传感 器的电磁阀等其他形式的补水器。蓄热水箱2通往集热器阵列的管道，其 进口和出口分别位于蓄热水箱2的上部和下部，水箱里下部温度较低的水从下部出口流出，进入集热器阵列被加热，然后再从上部入口流回。
本实用新型中的缓冲热水箱3的具体结构如图4所示。缓冲热水箱3 的容量较小，以与空气源热泵4的供热能力相匹配。缓冲热水箱3被隔板 17分隔成一大一小两个部分。较大的一侧内部具有一个沉浸式螺旋形换热 盘管16，即为空气源热泵4的冷凝器。通向空气源热泵4机组的管道在缓 冲热水箱3的上部和下部各有一个出口，空气源热泵4机组中的工作工质 从上部进口 19流入冷凝器，加热缓冲热水箱3中的热水之后经由下部出口 20流出，回到空气源热泵4机组。在缓冲热水箱3这一侧的中上部，具有 一个出口21，通向热水使用末端。缓冲热水箱3被隔板分成的较小的一部 分，被用作从蓄热水箱2补充进来的热水的流道。隔板在缓冲热水箱3的 垂直壁面上固定，并且与缓冲热水箱3的顶盖或箱底都没有密封连接。这 样，在缓热水箱中的热水被送往使用末端时，根据连通器原理，蓄热水箱2 中的热水通过倾斜连通管6以及缓冲热水箱补水入口 18流入缓冲热水箱3 中隔板17分隔出的较小的一部分，然后进一步流向水箱底部穿过隔板下方 的通道，接着沿冷凝器盘管方向上升被充分加热，最后从该侧中上部的出 口流出，被送往热水使用末端。
权利要求1.一种适用于轨道交通基地的空气源热泵辅助太阳能热水系统，包括一个蓄热水箱(2)，一个连接蓄热水箱(2)的太阳能集热器阵列(1)；其特征在于还包括一个空气源热泵(4)，一个串接在蓄热水箱(2)和用户之间的缓冲热水箱(3)；所述的空气源热泵(4)与缓冲热水箱(3)相接。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于在太阳能集热器阵列(l)、蓄热水箱(2)以及缓冲热水箱(3)中分别安置一个连接监控中心的温度传感器。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述的安置在太阳能集热器阵列(1)中的温度传感器是在位于与太阳能集热器阵列(1)出口最接近的水箱中；所述的安置在蓄热水箱(2)中的温度传感器是在位于蓄热 水箱上部，液面之下接近液面处；所述的安置在缓冲热水箱(3)中的温度 传感器是在缓冲热水箱中部。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的太阳能集热器阵 列(1)是平板集热器或真空管集热器。
5. 根据权利要求1或4所述的系统，其特征在于所述的太阳能集热 器阵列(1)与蓄热水箱(2)的连接是通过一个管道上的集热泵(5)连接 的；所述的集热泵(5)在蓄热水箱(2)下部出口与太阳能集热器阵列(1) 之间。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的蓄热水箱(2) 与缓冲热水箱(3)连接是通过一个连通管(6)连接的；所述的连通管(6) 与蓄热水箱(2)相连的一端低于与缓冲热水箱(3)相连的一端。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的蓄热水箱(2) 和缓冲热水箱(3)的液面高度相同。
专利摘要本实用新型涉及一种适用于轨道交通基地的空气源热泵辅助太阳能热水系统，包括一个蓄热水箱(2)，一个连接蓄热水箱(2)的太阳能集热器阵列(1)；还包括一个空气源热泵(4)，一个串接在蓄热水箱(2)和用户之间的缓冲热水箱(3)；所述的空气源热泵(4)与缓冲热水箱(3)相接；本实用新型的有益效果是能够提高太阳能利用率，节约能源消耗，并随时保证热水供应能满足需求。
文档编号F24J2/20GK201293395SQ20082015324
公开日2009年8月19日 申请日期2008年9月19日 优先权日2008年9月19日
发明者宋兆培, 清 温, 王晓保, 翟晓强 申请人:上海申通轨道交通研究咨询有限公司