基于太阳能的多能源互补供热装置的制作方法

本发明涉及太阳能与供热产品，具体而言，涉及一种基于太阳能的多能源互补供热装置。

背景技术：

近年来，社会与经济的发展对能源的需求日益增长，与此同时，为实现降低化石燃料使用，减少温室气体排放，控制环境污染，新能源与可再生能源的开发和利用受到人们广泛的关注，特别是在我国大力推广的建筑节能方面的应用，如在北方地区清洁取暖工作中，采用新能源与可再生能源是实现清洁取暖“热源侧”改造的重要途径。

相对传统化石能源，单一使用一种新能源或可再生能源仍存在能源供应在时空上分布不均匀、投入不稳定、系统易受客观因素影响等问题。以太阳能为例，我国太阳能资源丰富，但由于其能流密度低、波动不连续，传统太阳能采暖循环供能与建筑负荷不匹配，采暖循环保证率低；单一使用空气源热泵又会出现在低温、高湿条件下机组运行效率低，机组易结霜等问题；热泵能源转换效率较高，由于制热工况下水温高于环境温度，蒸发温度较高，故具备较好的运行效率和能效比，但缺点是需要地下水、地表水源源不断地为其提供热量，其使用受到地热资源禀赋和开发规定的限制。相比之下，多能源互补供热系统将改善上述问题，两种或多种能源系统相互结合使用，既能发挥各自优势，也可以弥补各自的不足，提升系统的经济效益和环境效益。我国一些地区已建立一些多能源互补系统的示范工程，但其中系统形式复杂、专业化程度高、操作繁琐、造价较高等问题阻碍了其进一步的推广。

研发一种基于太阳能的基于太阳能的多能源互补供热装置，是促进我国建筑节能与清洁取暖工作的关键技术，对推进我国新能源与可再生能源走入千家万户具备重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种基于太阳能的多能源互补供热装置，为建筑供热采暖并提供生活热水，其能够合理地利用多种能源，并且操作比较简单。

本发明是这样实现的：

一种基于太阳能的多能源互补供热装置，用于给采暖设备供应热量及提供生活热水，包括：

太阳能集热器及贮热水箱，所述贮热水箱内包括第一换热器及第二换热器；所述太阳能集热器与所述贮热水箱通过管道连接，所述热量能够从所述太阳能集热器传递到所述贮热水箱中；

辅助热源系统，所述辅助热源系统与所述贮热水箱连接；

热泵机组，所述热泵机组与所述贮热水箱通过管道连接，所述热量能够从所述贮热水箱传到所述热泵机组中，所述贮热水箱为所述热泵机组提供源侧供水；

热量能够从所述贮热水箱可选择地传递到所述采暖设备或所述热泵机组中；热量能够通过所述热泵机组提升品质间接传递到所述采暖设备中；

所述热量能够从所述热泵机组进一步提升热源品质传递到所述采暖设备中；

生活热水设备，所述生活热水设备与所述贮热水箱通过管道连接。

进一步，

所述热泵机组包括第一进水管、第一出水管、第二进水管及第二出水管；

所述贮热水箱通过出水管道与所述热泵机组及所述采暖设备连接；所述贮热水箱通过回水管道与所述热泵机组及所述采暖设备连接；

所述第一出水管及所述第二进水管分别与所述回水管道连接，在所述回水管道上，所述第一出水管相对于所述第二进水管更靠近所述贮热水箱；

所述第一进水管及所述第二出水管分别与所述出水管道连接；在所述出水管道上，所述第一进水管相对于所述第二出水管更靠近所述贮热水箱；

所述第一进水管、所述第二进水管均设置有第一通断阀门组；所述出水管道上所述第一进水管与所述第二出水管之间，设置有第二通断阀门组；所述回水管道上所述第一出水管与所述第二进水管之间，也设置有第二通断阀门组。

进一步，

所述回水管道上，在所述第一出水管与所述贮热水箱之间设置有三通调节阀，所述三通调节阀的一个管路与所述出水管道连接，连接位置位于所述第一进水管与所述贮热水箱之间。

进一步，

所述太阳能集热器与所述贮热水箱连接的管道上设置有循环水泵。

进一步，

所述回水管道和所述出水管道上均设置有循环水泵。

进一步，

还包括自动控制系统、多个温度传感器、多个流量传感器，所述温度传感器设置于所述贮热水箱中、所述太阳能集热器内部、采暖循环供水管路、热源循环供水管路，所述流量传感器设置于集热循环、热源循环、采暖循环管路上。

进一步，

还包括自动控制系统，所述温度传感器与所述流量传感器均与所述自动控制系统信号输入端连接；所述自动控制系统输出端与第一通断阀门组、第二通断阀门组连接，控制阀门的通断状态；所述自动控制系统输出端与所述热泵机组、所述循环水泵、所述辅助热源系统连接，其中所述循环水泵包括集热器入口前循环水泵、回水管道上的循环水泵及所述出水管道上的循环水泵，控制以上设备的启停状态；

所述回水管道上，在所述第一出水管与所述贮热水箱之间设置有三通调节阀，所述自动控制系统输出端与所述三通调节阀连接，控制所述回水管道的旁通流量。

进一步，

所述自动控制系统包括控制系统设备与操作面板。

进一步，

所述基于太阳能的多能源互补供热装置还包括壳体，所述热泵机组、所述循环水泵、所述第一通断阀门组和第二通断阀门组、所述三通调节阀、所述温度传感器、所述流量传感器、所述自动控制系统、所述供水管路、所述回水管路及相关管路组件均设置在所述壳体内，其中所述操作面板外露于外壳表面。

进一步，

所述自动控制系统包括控制系统设备与操作面板，所述控制系统设备与操作面板设置在所述壳体上，所述操作面板外露于外壳表面。

本发明的有益效果是：

本发明通过上述设计得到的基于太阳能的多能源互补供热装置，该装置面向户用，集成度更高，规模更小，使用更加方便。使用时，太阳能集热器吸收热量并将其传递至集热循环工质，被加热的集热循环工质通过管路与第一换热器与贮热水箱进行换热。当贮热水箱中的水温足够高时，贮热水箱通过热交换将热量直接输送到采暖设备中进行供热；当水温比较低时，贮热水箱中的低温热量直接输送到热泵机组中，热泵机组工作通电后，在内部将低温水中的热量进行吸收并进一步提升热源品质，对与采暖设备连接的管道中的水进行加热升温，升温后的水通过传递给采暖设备。当贮热水箱中的水温更低时，即导致进入热泵机组的源侧进水温度低于机组工作控制下限时，启动辅助热源系统对贮热水箱中的水进行加热即可。

相对既有太阳能供热采暖循环，本装置可提升太阳能热利用温度区间，并提升太阳能利用时间，同时降低太阳能集热器工质平均温度，提升太阳能集热器集热效率与太阳能有用得热量，进一步提升供热系统的太阳能保证率，同时提升可再生能源与清洁能源的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的基于太阳能的多能源互补供热装置的工作原理图；

图2是本发明实施方式提供的与自动控制系统连接的温度传感器、流量传感器与控制设备示意图；

图3是本发明实施方式提供的热泵机组的结构示意图；

图4是本发明实施方式提供的壳体的结构示意图。

图标：101-基于太阳能的多能源互补供热装置；102-集热循环；103-热源循环；104-采暖循环；105-自动控制系统；1-太阳能集热器；2-集热循环水泵；3-贮热水箱；4-第一换热器；5-第二换热器；6-辅助热源系统；7-热源循环水泵；8-三通调节阀；9-第一通断阀门组；10-第二通断阀门组；11-热泵机组；111-第一进水管；112-第一出水管；113-第二进水管；114-第二出水管；12-采暖循环水泵；13-采暖设备；14-生活热水设备；151-第一温度传感器；152-第二温度传感器；153-第三温度传感器；154-第四温度传感器；155-第五温度传感器；156-第六温度传感器；161-第一流量传感器；162-第二流量传感器；163-第三流量传感器；200-壳体。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

如图1，本实施例提供了一种基于太阳能的多能源互补供热装置101，主要包括太阳能集热器1、热泵机组11、辅助热源系统6及采暖设备13等。太阳能集热器1与贮热水箱3连接，贮热水箱3分别与热泵机组11及辅助热源系统6连接；采暖设备13分别与热泵机组11及贮热水箱3连接，并且热量能够从贮热水箱3可选择地通过换热传递到采暖设备13或直接输送到热泵机组11中，热量通过热泵机组11提升温度传递到采暖设备13中。

如图1，基于太阳能的多能源互补供热装置101主要包括集热循环102、热源循环103及采暖循环104。上述三个循环系统相互配合作用构成了整个基于太阳能的多能源互补供热装置101。

如图1和图2，太阳能集热循环102主要包括多个太阳能集热器1及贮热水箱3，太阳能集热器1通过管道与贮热水箱3连接，管道上设置有水泵。贮热水箱3中设置有第一换热器4及第二换热器5。

太阳能集热器1吸收太阳能热量之后将集热器内部的集热工质进行加热，加热后的集热工质通过管道进入到贮热水箱3中，并通过第一换热器4将热量传递给贮热水箱3中的水。贮热水箱3上还设置有出水管道和回水管道，第二换热器5与出水管道及回水管道连接。贮热水箱3中的水将热量通过第二换热器5传递到出水管道中。

如图1和3，热泵机组11包括本体、第一进水管111、第一出水管112、第二进水管113及第二出水管114。贮热水箱3通过出水管道与热泵机组11及采暖设备13连接；贮热水箱3通过回水管道与热泵机组11及采暖设备13连接。回水管道和出水管道上均设置有水泵，其中，回水管道的水泵靠近采暖设备13，出水管道上的水泵靠近贮热水箱3。

第一出水管112及第二进水管113分别与回水管道连接，在回水管道上，第一出水管112相对于第二进水管113更靠近贮热水箱3。第一进水管111及第二出水管114分别与出水管道连接；在出水管道上，第一进水管111相对于第二出水管114更靠近贮热水箱3。第一进水管111、第二进水管113均设置有第一通断阀门组9；出水管道上，在第一进水管111与第二出水管114之间设置有第二通断阀门组10，回水管道上，在第一出水管112与第二进水管113之间设置有第二通断阀门组10。

如图2，基于太阳能的多能源互补供热装置101还包括自动控制系统105、多个温度传感器及多个流量传感器。温度传感器包括位于阳能集热器内部第一温度传感器151，位于贮热水箱的上部的第二温度传感器152、中部的第三温度传感器153、下部的第四温度传感器154，热源循环103的供水管路155，采暖循环的供水管156。流量传感器包括位于集热循环102管路上的第一流量传感器161，位于热源循环管路上的第二温度传感器162及位于采暖循环管路上的第三温度传感器163。温度传感器和流量传感器与自动控制系统105的输入端连接。

进一步，自动控制系统105的信号输出端控制设备包括：第一通断阀门组9、第二通断阀门组10、三通调节阀8、热泵机组11、集热循环水泵2、热源循环水泵7、采暖循环水泵12、采暖设备13。以上与自动控制系统105的输出端电性相连。回水管道上，在第一出水管112与贮热水箱3之间设置有三通调节阀8，三通调节阀8的一个管路与出水管道连接，连接位置位于第一进水管111与贮热水箱3之间。

自动控制系统105控制器可以采用plc或者单片机，第一通断阀门组9与第二通断阀门组10上均设置有通断执行器、三通调节阀8上设置有液压执行器。在自动控制系统105的作用下，以上执行器可以控制上述阀门流量调节。

如图1和图4，进一步，基于太阳能的多能源互补供热装置101还包括壳体200。热泵机组11、辅助热源系统6、集热循环水泵2、热源循环水泵7、采暖循环水泵12、第一通断阀门组9、第二通断阀门组10、三通调节阀8、温度传感器151～156、流量传感器161～163、自动控制系统105、回水管道及出水管道及管路组件均设置在壳体200内。自动控制系统105还包括了操作面板，操作面板设置在壳体200上并外露与表面。

本装置的运行策略包括集热控制策略、热源控制策略及末端控制策略。集热控制策略根据太阳辐照、集热温度等参数进行智能化判定，末端控制可维持房间温度在用户要求范围内，根据采暖循环104供水温度控采暖设备13与采暖循环水泵12的启停，热源控制可实现多能源的切换，包括三种运行模式。

基于太阳能的多能源互补供热装置101三种工作模式的原理如下：

直接换热模式，当太阳能比较充足时，贮热水箱3内的水温比较高，自动控制系统105根据输入信号将第一进水管111及第二进水管113上的第一通断阀门组9关闭，将第二通断阀门组10打开，系统切换到直接换热模式，即贮热水箱3与采暖循环104直接换热，加热采暖循环回水。

联合热泵模式，当太阳能比较弱时，贮热水箱3内的水温较低，不足以直接对建筑进行供热采暖，但高于驱动热泵机组最低热源水温度时；此时，自动控制系统105根据输入信号，将热泵机组11第一进水管111及第二进水管113上的第一通断阀门组9打开，将第二通断阀门组10关闭，并启动热泵机组11，系统切换到联合热泵模式。

辅助热源模式，该模式在以下两种情况下启动，一种是贮热水箱3出水温度低于热泵机组水源侧最低温度，一种是用户有生活热水需求，但热水出水温度达不到设定温度时。这种模式下启动辅助热源，从而维持热泵机组的正常运行，防止工作报警，或使生活热水的温度达到要求。

多功能互补供热装置的有益效果在于：

通过优化太阳能集热系统、热泵机组11系统和辅助热源系统6的运行方式，在保证供热需求的基础上，充分利用太阳能等新能源与可再生能源，形成能源互补与耦合供热的模式，且该装置面向户用，集成度更高，装置规模更小，使用更加方便。

从可利用水温区间上，既有太阳能采暖循环中，贮热水箱3中的蓄水温度需高于末端采暖供水温度，对于直接式系统一般在45℃以上才能投入使用，对于间接式系统一般在55℃以上才能间接投入使用，可利用水温区间分别为45～95℃或55～95℃。本发明采用热泵机组提取低温热源，水温高于10℃时就可参与热泵模式供暖，可利用温差是既有太阳能采暖循环的1.45或2.12倍。

从辅助能源系统选择上，可以使燃气、油、煤锅炉，电加热，生物质锅炉等。辅助能源系统的设置，可以有效地避免了极端天气对供热的影响。如持续一到两周的雾霾天气、连续阴天等极端天气，调节贮热水箱3的温度，使其达到热泵机组的热源温度要求。

从辅助能源系统运行上，传统太阳能采暖循环中，在太阳辐照不足或无阳光时，辅助能源必须满足最大热负荷的要求，很大程度导致了能源的浪费，太阳能保证率较低，本发明在供热工况下，辅助热源仅在热源水温度低于热泵水源侧最低进水温度时启用。降低了辅助供热装置的工作负荷。在生活热水工况下，辅助热源可仅加热生活热水取水点处的局部温度，而不必加热整个水箱，在满足用户热水需求的同时更加节能。

从太阳能利用上，由于贮热水箱3可利用水温区间扩大，太阳能集热系统的工作温度区间也相应扩大，一方面提升了太阳能集热循环102开启时间，一方面由于热泵机组11在热源侧进水温度高于10℃时就可使用，故太阳能集热器1中的集热循环工质平均温度降低，平均归一化温差减小，太阳能集热器1的集热效率与太阳能集热量均有所提升，进一步提高系统的太阳能保证率与供暖稳定性。

从换热方式上，装置中三个循环系统均为独立的闭式系统，其中集热循环系统、热源循环系统与贮热水箱3间接连接，提高了贮热水箱3内部的蓄水水质，确保生活热水供应安全、卫生。

从运行稳定性上，自控系统的集热控制策略、热源控制策略及末端控制策略确保了太阳能集热器1、热泵机组11、辅助热源系统6、末端采暖设备13等在安全、高效的状态下运行，系统具备报障及报警的功能。

从系统集成上，该装置相对传统太阳能供热采暖循环，面向户式建筑研发，集成度更高，规模大幅度减小，大部分设备及管路集成化安装在保护壳体200中，可隔绝噪音，增强排热，提高美观度。特点为体积小巧，便于移动和安装，便于用户操作使用。

从安装和使用上，该产品装配化程度高，安装和调试过程转移至工厂完成，自动控制系统高度集成，操作简便，用户可与传统空调器一样对装置进行开关、模式及温度等调节。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。