专利名称：一种利用混凝土储热的太阳能采暖系统的制作方法
技术领域：
本发明属于能源类供应热技术领域，特别涉及一种利用混凝土储热的太阳能采暖方法和系统。
背景技术：
目前，对于城镇建筑来说，冬季采暖主要采用燃煤、燃气的方式来实现集中供暖。而对于非城镇居民而言，燃烧原煤或生物质能源是主要的采暖能源消耗体系。常规采暖方式的能源结构体系导致近年来环境污染指数越来越高，可入肺颗粒物指数(PM2. 5)逐年升高。随着化石能源危机的日益严重，以及对环境污染的加重，我国在十二五期间将大力发展可再生能源的利用，尤其是对太阳能资源的利用。太阳能采暖、太阳能空调以及太阳能热电联供等将得到广泛的研究和利用。但由于太阳能资源在时间上的非连续性特征，太阳能热利用系统中，在能量供给与需求间形成难以自然匹配的矛盾。采用储热系统协调太阳能供 给与需求之间的矛盾，是解决太阳能热利用的一种有效途径。专利CN101701732A报道了一种利用卵石蓄热的太阳能采暖系统。采用在地板下面铺设卵石来储存白天太阳能空气集热器获取的热量，以满足晚上的采暖需求。但由于卵石的导热系数较低，空气的热容小，利用卵石蓄热系统的效率相对较低，不能满足连续阴天的蓄热要求。专利CN201463074U报道了一种采用水窖作为蓄热装置的太阳能蓄热采暖装置。白天利用太阳能热水器的热水加热水窖中的水，晚上利用水窖的热水，为房间提供热量。此专利利用水窖的蓄热功能，在一定程度上满足了夜间的采暖需求，缓解了农村由于燃煤等采暖方式带来的C02排放。专利201110096656. 4报道了一种直接产生蒸汽的高温混凝土储热器。高温混凝土储热器包含充热和放热两套相互独立的管道，采用两种不同的流体实现充热和放热。白天太阳辐照强时，利用吸热器加热的导热油、熔融盐、高压水进行混凝土充热。当太阳不足或阴天时利用水进行放热，产生高温的水蒸汽，供汽轮机发电。通过利用高温混凝土，可以实现对太阳能的储存，缓解太阳能热发电系统中能量输入与供求不平衡的关系。
发明内容
本发明的目的是克服现有太阳能储热采暖系统不能同时满足采暖与储热需求的缺点，提出的一种太阳能采暖系统。本发明白天利用太阳能热水器提供的热量采暖，同时利用混凝土储热块储存太阳能的热量，使得在太阳能不足或夜间可以利用混凝土储热块储存的热量来米暖。本发明利用混凝土储热的太阳能采暖系统由太阳能热水器、储热水箱、太阳能热水器管路循环水泵、太阳能热水器管路截止阀、采暖管路截止阀、混凝土储热器、采暖管路循环水泵、采暖用户系统换热器、旁通阀、太阳能热水管道、采暖储热管道、采暖进水管道及采暖回水管道组成。其中储热水箱的下部开有储热水箱出水口，储热水箱的上部开有储热水箱回水口。太阳能热水器位于太阳能采暖系统的最顶层。储热水箱、太阳能热水器管路循环水泵和太阳能热水器管路截止阀位于太阳能热水器的下部，储热水箱、太阳能热水器管路循环水泵和太阳能热水器管路截止阀三者处于同一平面上。太阳能热水器可以是平板式热水器，也可以是真空管式热水器。储热水箱主要用于储存从太阳能热水器中出来的热水，并起到一定的储热功能。利用混凝土储热的太阳能采暖系统根据功能的不同分为两个循环回路太阳能热水器循环管路和采暖储热管路。所述的太阳能热水器、储热水箱、太阳能热水器管路截止阀和太阳能热水器管路循环水泵通过太阳能热水管道依次顺序连接，组成太阳能热水器循环管路。太阳能热水器位于太阳能采暖系统的最顶层。储热水箱、太阳能热水器管路截止阀和太阳能热水器管路循环水泵位于太阳能热水器的下部。通过太阳能热水器管路循环水泵将储热水箱中的水从太阳能热水器的进水口泵送到太阳能热水器中，加热后的水依靠重力作用，从太阳能热水器的出水口流回到储热水箱中。
所述的储热水箱、采暖管路循环水泵、采暖管路截止阀、旁通阀、混凝土储热器和采暖用户系统换热器位于同一平面。储热水箱、采暖管路循环水泵、采暖管路截止阀、混凝土储热器和采暖用户系统换热器通过采暖储热管道和采暖回水管道依次顺序连接，组成采暖储热管路主回路。储热水箱、采暖管路循环水泵、旁通阀和采暖用户系统换热器通过采暖进水管道和采暖回水管道依次顺序连接，组成采暖储热管道旁路。采暖管路循环水泵位于储热水箱的下部，通过采暖储热管道相互连接。采暖管路截止阀和旁通阀的一端通过采暖储热管道和采暖进水管道与采暖管路循环水泵相连接，采暖管路截止阀的另一端通过采暖储热管道和混凝土储热器连接，旁通阀的另一端通过采暖进水管道和采暖用户换热器相连接。采暖用户系统换热器和储热水箱通过采暖回水管道相连接。所述的混凝土储热器由高性能的混凝土块和换热管道组成。所述的高性能混凝土块由于在材料内部加入了高导热率的材料,相对于传统的固体储热介质,混凝土块的导热系数较高，热学和力学性能稳定，易于维护，在停用时无需专门处理，且成本低，使用寿命长，适合大规模地利用混凝土块作为固体储热材料。所述的换热管道内置于混凝土块中，与混凝土块组成一体，构成混凝土储热器。换热管道在混凝土储热器中呈三角形排布或四边形排布。为了实现与混凝土之间的高效导热，换热管道可以是光滑管道，也可以是带翅片的换热管道。由于不受混凝土储热器内部结构的影响，太阳能热水器中的传热介质可以是水或者防冻液。利用混凝土储热的太阳能采暖系统中设置了储热水箱和混凝土储热器两个储热装置，可以实现液体储热和固体储热相结合的运行方式，利用储热水箱来储存太阳能集热器传热流体提供的部分热量，同时利用混凝土储热器容积大的特点，将大部分的热量储存在固体储热介质中，有效地缓解太阳能供给与需求之间不匹配的问题。本发明工作过程如下白天本发明采暖系统利用太阳能热水器中的传热流体加热所述的储热水箱的水，通过所述的采暖管路循环水泵，使储热水箱中的热水进入混凝土储热器中进行充热。高温热水进入到换热管道中与混凝土块进行热传导，将热量传给混凝土储热块。从混凝土储热块中出来的中温热水，进入到采暖用户系统换热器中，与采暖系统中的循环水换热，提供采暖所需的热负荷。夜间，通过采暖管路循环水泵使储热水箱中的水进入混凝土储热器的换热管道中，与混凝土块进行热交换，通过混凝土块的放热，提取混凝土块中的热量，使从储热水箱中出来的水达到一定温度，进入到采暖用户系统换热器中，与供暖系统中的循环水换热，满足夜间的采暖需求。通过混凝土储热器的充放热，可以实现利用太阳能热水器提供的热量来满足白天与夜间的采暖需求。本发明结构简单，混凝土储热器、储热水箱与太阳能热水器相结合，利用混凝土储热器的充放热特性，以及储 热水箱的储水和储热功能，在太阳能充足的情况下，实现白天和夜间的采暖需求，有效的减少冬季采暖过程中的燃煤用量，减少由于采暖而造成的环境污染。
图I本发明利用混凝土储热的太阳能采暖系统示意图；图2本发明混凝土储热器主视图；图3本发明混凝土储热器俯视图；图4本发明混凝土储热器左视图；图中1太阳能热水器、2储热水箱、3太阳能热水器管路循环水泵、4太阳能热水器管路截止阀、5采暖管路截止阀、6混凝土储热器、7采暖管路循环水泵、8采暖用户系统换热器、9储热水箱出水口、10储热水箱回水口、11采暖出水口、12采暖回水口、13旁通阀、14太阳能热水管道、15采暖储热管道、16采暖进水管道、17采暖回水管道、18混凝土块、19换热管道、20水平主流体管道、21竖直主流体管道、22混凝土储热器进水口、23混凝土储热器出水口。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。图I所示为本发明利用混凝土储热的太阳能采暖系统。如图I所示，本发明由太阳能热水器I、储热水箱2、太阳能热水器管路循环水泵3、太阳能热水器管路截止阀4、采暖管路截止阀5、混凝土储热器6、采暖管路循环水泵7、采暖用户系统换热器8，旁通阀13、太阳能热水管道14、采暖储热管道15、采暖进水管道16，以及采暖回水管道17组成。太阳能热水器I、储热水箱2、太阳能热水器管路截止阀4和太阳能热水器管路循环水泵3通过太阳能热水管道14依次顺序连接，组成太阳能热水器循环管路。太阳能热水器I位于太阳能采暖系统的最顶层。储热水箱2、太阳能热水器管路截止阀4和太阳能热水器管路循环水泵3位于太阳能热水器I的下部。通过太阳能热水器管路循环水泵3将储热水箱2中的水从太阳能热水器I的进水口泵送到太阳能热水器I中，加热后的水依靠重力作用，从太阳能热水器I的出水口流回到储热水箱2中。储热水箱2、采暖管路循环水泵7、采暖管路截止阀5、混凝土储热器6和采暖用户系统换热器8位于同一平面。储热水箱2、采暖管路循环水泵7、采暖管路截止阀5、混凝土储热器6和采暖用户系统换热器8通过采暖储热管道15和采暖回水管道17依次顺序连接，组成采暖储热管路主回路；储热水箱2、采暖管路循环水泵7、旁通阀13和采暖用户系统换热器8通过采暖进水管道16和采暖回水管道17依次顺序连接，组成采暖储热管道旁路；采暖管路循环水泵7位于储热水箱2的下部，采暖管路循环水泵7通过采暖储热管道15与储热水箱2连接；采暖管路截止阀5的一端通过采暖储热管道14与采暖管路循环水泵7连接，旁通阀13的一端通过采暖进水管道16与采暖管路循环水泵7相连接；采暖管路截止阀5的另一端通过采暖储热管道14与混凝土储热器6连接，旁通阀13的另一端通过采暖进水管道16与采暖用户换热器8相连接。采暖用户系统换热器8和储热水箱2通过采暖回水管道17相连接。所述的储热水箱出水口 9位于储热水箱2的下部，并与采暖管路循环水泵7相连接，储热水箱回水口 10位于储热水箱2的上部，通过采暖回水管道17与采暖用户系统换热器8相连接。图2、图3和图4为混凝土储热器6的结构图。如图2、图3和图4所示，所述的混凝土储热器6由混凝土块18、换热管道19、水平主流体管路20和竖直主流体管道21组成。换热管道19嵌入混凝土块18内部，当储热水箱2中的水经混凝土储热器进水口 22流过换热管道19时，热水的热量通过换热管道19与混凝土块18进行换热，混凝土储热器6完成充 热/放热过程。竖直主流体管道21与换热管道19相连接，竖直主流体管道21与水平主流体管道20垂直相交，储热水箱2中出来的水进入到水平主流体管道20后，均匀分布到竖直主流体管道21中，再进入到换热管道19中，与混凝土块18进行热交换，最后经竖直主流体管道21、水平主流体管道20和混凝土储热器出水口 23流出，进入到采暖用户换热器8中。为了提高热传导率，换热管道19可以是光管，也可以为翅片管。本发明的工作过程分为充热和采暖阶段以及放热和采暖阶段。充热和采暖阶段白天，太阳能热水器I吸收太阳能，加热太阳能热水器I中的传热流体。当太阳能热水器I中传热流体的温度与储热水箱2的温差达到AT ^ 2°C时，太阳能热水器循环水泵3启动，太阳能热水器I中的传热流体进入到储热水箱2中，与储热水箱中的水进行换热。当储热水箱2中水的温度T达到50°C< T ( 70°C时，采暖管道循环水泵7启动，热水从位于储热水箱2底部的储热水箱出水口 9流出，通过旁通阀13进入到采暖用户换热器8中。当储热水箱2中水的温度T ^ 70°C时，采暖管道循环水泵7启动，热水从位于储热水箱2底部的储热水箱出水口 9流出，通过采暖管道截止阀5进入到混凝土储热器6中对混凝土储热器6充热。从混凝土储热器6中出来的水进入到采暖用户换热器8中。进入到采暖用户换热器8中的热水与从采暖回水口 12进入采暖用户换热器8中的水换热后，从储热水箱回水口 10回到储热水箱2中。采暖热水从采暖回水口 12进入到采暖用户换热器8中与混凝土储热器6换热后从采暖出水口 11流出，进入到采暖用户中。由于混凝土储热器6的充热温差小于20°C，在白天8小时太阳充足情况下，利用混凝土储热的太阳能采暖系统，可以同时满足采暖与储热的要求。同时储热水箱2可以储存一定温度的热水，为夜间混凝土储热器6的放热提供一定温度的中温水，降低混凝土储热器6的放热温差，延长混凝土储热器6的放热时间，更好的利用混凝土储热器6的热量来实现夜间的采暖。放热和采暖阶段夜间，从储热水箱2中出来的中温水经过采暖管道循环水泵7加压后，经采暖管道截止阀从混凝土进水口 18进入到混凝土储热器6中，与高温混凝土块14进行热交热，达到一定温度后，从混凝土出水口 19流出，进入到采暖用户换热器8中与采暖用水换热，实现夜间混凝土的放热与采暖。
通过利用混凝土的放热特性，可以实现在夜间无太阳能的情况下的采暖需求。当混凝土储热器6达到一定体积后，可以满足夜间12小时的采暖需求。储热水箱2和混凝土储热器6联合储热的采暖系统，不仅可以利用太阳能热水器的热量实现白天和夜晚的采暖需求，还可以有效地降低常规能源的利用，减少可入肺颗粒物指数(PM2. 5)的排放。
权利要求
1.一种利用混凝土储热的太阳能采暖系统，其特征在于所述的太阳能采暖系统由太阳能热水器(I)、储热水箱(2)、太阳能热水器管路循环水泵(3)、太阳能热水器管路截止阀(4)、采暖管路截止阀(5)、混凝土储热器(6)、采暖管路循环水泵(7)、采暖用户系统换热器(8)、旁通阀(13)、太阳能热水管道(14)、采暖储热管道(15)、采暖进水管道(16)，以及采暖回水管道(17)组成；所述的储热水箱(2)的下部开有储热水箱出水口(9)，储热水箱(2)的上部开有储热水箱回水口(10);太阳能热水器(I)位于太阳能采暖系统的最顶层；储热水箱(2 )、太阳能热水器管路循环水泵(3 )和太阳能热水器管路截止阀(4 )位于太阳能热水器(I)的下部，储热水箱(2 )、太阳能热水器管路循环水泵(3 )和太阳能热水器管路截止阀(4 )三者处于同一平面；太阳能热水器(I)、储热水箱(2)、太阳能热水器管路截止阀(4)和太阳能热水器管路循环水泵(3)通过太阳能热水管道(14)顺序依次连接，组成太阳能热水器循环管路；储热水箱(2)、采暖管路循环水泵(7)、采暖管路截止阀(5)、混凝土储热器(6)和采暖用户系统换热器(8)位于同一平面；储热水箱(2)、采暖管路循环水泵(7)、采暖管路截止阀(5)、混凝土储热器(6)和采暖用户系统换热器(8)通过采暖储热管道(15)和采暖回水管道(17)依次顺序连接，组成采暖储热管路主回路；储热水箱(2)、采暖管路循环水泵(7)、旁通阀(13)、和采暖用户系统换热器(8)通过采暖进水管道(16)和采暖回水管道(17)依次顺序连接，组成采暖储热管道旁路；采暖管路循环水泵(7)位于储热水箱(2)的下部，采暖管路循环水泵(7)通过采暖储热管道(15)与储热水箱(2)连接；采暖管路截止阀(5)的一端通过采暖储热管道(15)与采暖管路循环水泵(7)连接，旁通阀(13)的一端通过采暖进水管道(16)与采暖管路循环水泵(7)相连接；采暖管路截止阀(5)的另一端通过采暖储热管道(15)与混凝土储热器(6)连接，旁通阀(13)的另一端通过采暖进水管道(16)与采暖用户换热器(8)相连接；采暖用户系统换热器(8)和储热水箱(2)通过采暖回水管道(17)相连接。
2.按照权利要求I所说的利用混凝土储热的太阳能采暖系统，其特征在于所述的混凝土储热器(6)由混凝土块(18)、换热管道(19)、水平主流体管路(20)和竖直主流体管道(21)组成；所述的换热管道(19)嵌入混凝土块(18)内部，竖直主流体管道(21)与换热管道(19)相连接，竖直主流体管道(21)与水平主流体管道(20)垂直相交；所述的换热管道(19)在混凝土储热器(6)中呈三角形或四边形排布。
3.按照权利要求2所说的利用混凝土储热的太阳能采暖系统，其特征在于所述的换热管道(19)是光滑管道或带翅片的管道。
4.按照权利要求I所说的利用混凝土储热的太阳能采暖系统，其特征在于太阳能热水器(I)中的传热介质是水或防冻液。
全文摘要
一种利用混凝土储热的太阳能采暖系统。由太阳能热水器、储热水箱、太阳能热水器管路循环水泵、太阳能热水器管路截止阀、采暖管路截止阀、混凝土储热器、采暖管路循环水泵、采暖用户系统换热器、旁通阀、太阳能热水管道、采暖储热管道、采暖进水管道及采暖回水管道组成太阳能热水器循环管路和采暖储热管路。所述的混凝土储热器由混凝土块和换热管道组成。换热管道内置于混凝土块中。白天太阳能热水器传热流体的热量储存在储热水箱中，储热水箱中的热水为混凝土储热器充热，充热后的中温水进入采暖用户系统换热器中，供采暖用。夜间，储热水箱中的中温水进入混凝土储热块，混凝土储热块放热，加热换热管道中的水，提供夜间采暖所需的热负荷。
文档编号F24D11/00GK102865615SQ20121032139
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年9月3日
发明者王艳, 白凤武, 菅泳仿, 王志峰, 徐超, 李鑫, 邵继新, 田斌守 申请人:中国科学院电工研究所