能量利用模块及能量利用系统的制作方法

本发明涉及一种可再生能源的利用技术，尤其是涉及太阳能利用技术领域。

背景技术

可再生能源的开发利用是当前能源领域的重要发展方向，太阳能具有取之不尽用之不完的巨大优势，但是受制于光照条件的的影响，需配备储能装置及辅助常规能源才能满足用户全天候使用的需求。此外，太阳能利用装置也会与其他可再生能源装置结合使用，形成“太阳能+”的产品，以降低常规能源的利用率。

现有的“太阳能+”产品，一般采用水箱储热，在与空气能、土壤能联合使用时，在结构上独立设计太阳能集热、空气能取热、土壤能取热装置，结构的整体集成度差，当系统热容量变化时，只能重新进行单独的设计，对系统热容量变化的适应性较差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集成度高的能量利用模块。

本发明的另一目的是提供一种集成度高、能量利用互补且整体能量保证率高的能量利用系统。

本发明的技术解决方案是：一种能量利用模块，包括两侧的混凝土基相变材料基座、分别设置在基座上的中空的立柱、设置在两个立柱之间的中空上桁架和下桁架、太阳能取热集管、回水管以及若干个顶部为冷凝端的太阳能热管式集热管，其中太阳能取热集管设置在上桁架内，回水管入口与太阳能取热集管出口连通，在下桁架内设有入口连通太阳能取热集管出口的相变储热集管，相变储热集管的出口与回水管出口并联连通，太阳能热管式集热管设置在上桁架和下桁架之间，且冷凝端嵌入太阳能取热集管内，在基座内设有串联或同程并联在相变储热集管上的换热盘管。

基座、立柱和上桁架、下桁架共同构成模块的基础框架，太阳能热管式集热管设置在上桁架和下桁架之间，太阳能集热管上部的冷凝端嵌入太阳能取热集管内，使热管内吸收太阳辐射热而汽化上升的工质与太阳能取热集管内的热媒(水)进行热交换。基座采用混凝土基相变材料做成，本身可以利用相变蓄热和取热，通过相变储热集管以串联或同程并联的方式连接各组换热盘管，将热量传入或取出基座内。利用基座进行储能，相比传统储热水箱，不占用地面空间，成本较低，便于模块化设置。能量利用模块将太阳能利用、相变储热利用相互结合起来，在太阳能蓄热过高时，可以通过相变储热进行储热和散热；在夜间或太阳被遮蔽的时候，通过相变储热补充热量，实现能量的综合利用。整体模块的集成度高，外观统一协调，便于组合，适应不同能量利用需求的场合使用。

在所述下桁架内设有入口连通太阳能取热集管出口的土壤储热集管，土壤储热集管的出口与所述回水管出口并联连通，在基座下方埋设有串联或同程并联在土壤储热集管上的u型地埋管。u型地埋管可以向基座下方的土壤进行散热或取热，通过土壤储热集管将能量输入或输出，实现向季节性土壤源的储热或取热。

还包括设置在两侧立柱之间的金属护栏，该金属护栏包括中空的上水平集管、下水平集管以及设置在上水平集管和下水平集管之间的若干个中空竖直管，上水平集管、下水平集管以及竖直管分别连通，下水平集管入口与所述太阳能取热集管出口或所述回水管出口并联连通，相应的上水平集管的出口与所述回水管出口或所述太阳能取热集管出口并联连通。各竖直管为同程式连接，确保流量分配均匀。金属护栏可以提高模块整体的结构强度，对太阳能集热管起到保护的作用，同时中空的集管内可以流通循环水，可独立作为空气源热泵的热源或冷源，也可以与太阳能集热器组合联合使用，进一步提高能量利用的效率。

所述回水管设置在所述下桁架内，所述太阳能取热集管出口通过设置在所述立柱内的连接管与所述回水管入口串联。利用下桁架内部空间，便于多个模块组合安装。

本发明的另一技术解决方案是：一种能量利用系统，其包括至少一个能量利用模块、循环水泵、辅助热源和热水用户，其中热水用户、辅助热源串联设置在所述能量利用模块的回水管出口和太阳取热集管入口之间，循环水泵设置在回水管或太阳能取热集管上，在所述回水管和太阳能取热集管之间设有带有旁通阀的旁通管，且旁通管位于循环水泵和热水用户之间，在所述太阳能取热集管上设有太阳能取热控制阀，在所述回水管上设有回水控制阀，在所述相变储热集管上设有相变储热控制阀。

热水用户和辅助热源串联设置在能量利用模块的回水管出口和太阳能取热集管之间，从而建立了热水循环利用系统，系统管路上设置循环水泵提供整个水循环的动力，通过辅助热源为系统提供补充热量，保证全年全天候的热水需求。旁通管用于保证热水用户不使用热水时，系统能正常循环，防止太阳能集热管过热或各管路内水结冻。各管路上设置有对应的控制阀，可以根据使用需求进行开关，从而分别将相变储热与太阳能集热进行组合。整个系统集成度高，可以根据能量需求进行组合，能量利用率高，能量利用方式可以充分互补，对不同能量需求场合的适用性强。

在土壤储热集管上设有土壤储热控制阀。将土壤源热能利用组合进系统中，进一步提高系统的集成度，

在所述下水平集管或上水平集管上设有空气集热控制阀，便于控制空气集热方式的使用。

所述辅助热源为燃气锅炉、电锅炉或热泵机组。可以适用现有装置中已经采取的热源方式，充分利用现有能量装置。

在所述旁通管和所述回水管之间设有与所述太阳能取热集管并联的供水旁通管，在供水旁通管上设有供水旁通阀。可以通过供水旁通管将太阳能集热管旁路出系统，只使用空气集热、相变储热和土壤热源，以增加能量利用系统可适应的需求场合。

本发明的优点是：实现了能量利用的模块化利用，系统容量扩展方便，能量利用方式互补，系统能量保证率高，可以在不同工况之间自由切换，成本低，施工维修方便，整体结构统一协调。

附图说明

附图1为本发明能量利用模块的结构示意图；

附图2为本发明能量利用模块地面下结构示意图；

附图3为本发明能量利用系统的结构示意图；

1、基座，2、立柱，3、上桁架，4、下桁架，5、太阳能取热集管，6、回水管，7、太阳能热管式集热管，8、冷凝端，9、相变储热集管，10、土壤储热集管，11、换热盘管，12、u型地埋管，13、金属护栏，14、上水平集管，15、下水平集管，16、竖直管，17、连接管，18、热水用户，19、辅助热源，20、循环水泵，21、旁通管，22、旁通阀，23、太阳能取热控制阀，24、回水控制阀，25、相变储热控制阀，26、土壤储热控制阀，27、空气集热控制阀，28、供水旁通管，29、供水旁通阀，30、地面。

具体实施方式

实施例：

参阅图1-2，为一种能量利用模块，包括两侧的混凝土基相变材料基座1、分别设置在基座1上的中空的立柱2、设置在两个立柱2之间的中空上桁架3和下桁架4、设置在两侧立柱2之间的金属护栏13、太阳能取热集管5、回水管6以及若干个顶部为冷凝端8的太阳能热管式集热管7，其中太阳能取热集管5设置在上桁架3内，回水管6入口与太阳能取热集管5出口连通，在下桁架4内设有入口分别并联连通太阳能取热集管5出口的相变储热集管9和土壤储热集管10，相变储热集管9和土壤储热集管10的出口与回水管6出口并联连通，太阳能集热管7设置在上桁架3和下桁架4之间，且冷凝端8嵌入太阳能取热集管5内，在基座1内设有串联或同程并联在相变储热集管9上的换热盘管11，在基座1下方埋设有串联或同程并联在土壤储热集管10上的u型地埋管12。金属护栏13包括中空的上水平集管14、下水平集管15以及设置在上水平集管14和下水平集管15之间的若干个中空竖直管16，上水平集管14、下水平集管15以及竖直管16分别连通，下水平集管15入口与太阳能取热集管5出口并联连通，上水平集管14的出口与回水管6出口并联连通，实现循环水在金属护栏13内的下进上出，或者下水平集管15入口与回水管6出口并联连通，上水平集管14的出口与太阳能取热集管5出口并联连通，实现循环水在金属护栏13内的上进下出。回水管6设置在下桁架4内，太阳能取热集管5出口通过设置在立柱2内的连接管17与回水管6入口串联。

基座1、立柱2和上桁架3、下桁架4共同构成模块的基础框架，两个基座1之间构成单模块，根据系统热容量需求，可以通过组合多个单模块而成。上桁架3和下桁架4及立柱2均为中空封闭的壳状结构，内部可以放置管路。太阳能热管式集热管7为一般的热管集热器，玻璃管内放置热管并抽真空，玻璃管的下端固定在下桁架4内，上端的冷凝端8嵌入在太阳能取热集管5内。太阳能集热管7竖直设置，一方面可以起到护栏的作用，另一方面用于收集太阳能，实现太阳能利用，将收集到的太阳能转移至太阳能取热集管5内流动的循环水中，通过回水管6将热水汇集输出。基座1采用混凝土基相变材料做成，本身可以利用相变蓄热和取热，可以作为短时热量存储介质；通过相变储热集管9以串联或同程并联方式连接各组换热盘管11，将热量传入或取出基座1内。基座1直接设置在地面以下，也可以部分埋设在地面下，相比传统储热水箱，不占用地面空间，成本较低，便于模块化设置。本实施例中，各组换热盘管11通过相变储热集管9进行串联设置，串联设置的优点是结构简单，只需要设置一根管路，缺点是管路总体阻力损失偏大；还可以适用同程并联设置，此时需要同时铺设两条相变储热集管，但管路总体阻力损失小，同程设置可以有效避免各组盘管的水力失调。本实施例中，u型地埋管12设置在基座1下方的土壤内，通过土壤储热集管10以串联方式连接各组u型地埋管12，实现季节性土壤源的取热和散热。同样u型地埋管12可以同程并联连接在土壤储热集管12上。相变储热集管9、土壤储热集管12的入口分别与太阳能取热集管5的出口并联，出口分别与回水管6出口并联，从而将太阳能利用、相变储热利用、土壤热源利用相互结合起来，在太阳能蓄热过高时，可以通过相变储热和土壤热源进行储热和散热，在夜间或太阳被遮蔽的时候，通过相变储热和土壤热源补充热量，实现能量的综合利用。整体模块的集成度高，外观统一协调，便于组合，适用于不同能量利用需求的场合。金属护栏13可以提高模块整体的结构强度，对太阳能集热管起到保护的作用，同时中空的集管内可以流通循环水，可独立作为空气源热泵的热源或冷源，也可以与太阳能集热器组合联合使用，进一步提高能量利用的效率

参阅图3，为本发明的一种能量利用系统，包括至少一个能量利用模块、循环水泵20、辅助热源19和热水用户18，其中能量利用模块的回水管6出口与循环水泵20入口串联，循环水泵20出口与辅助热源19入口连通，辅助热源19出口与热水用户18进口连通，热水用户18出口与能量利用模块的太阳能取热集管5入口串联，在循环水泵20出口和太阳能取热集管5入口之间设有旁通管21及旁通阀22，在太阳能取热集管5上设有太阳能取热控制阀23，在回水管6上设有回水控制阀24，在相变储热集管9上设有相变储热控制阀25，在土壤储热集管10上设有土壤储热控制阀26，在下水平集管15上设有空气集热控制阀27。在旁通管21出口和太阳能取热集管5出口之间设有供水旁通管28，在供水旁通管28上设有供水旁通阀29。循环水泵20还可以设置在太阳能取热集管5上。当辅助热源为热泵机组时，能量利用模块与热泵的蒸发器相连接，而热水用户则与热泵的冷凝器相连接。根据能量利用的要求，还可以组合加入多个能量利用模块，通过将出水管、太阳能取热集管分别串联或并联连接的方式接入系统内。

以下结合具体工况分别对管路及阀门的开闭进行说明：

1、当太阳能集热可以满足热水用户需求时，仅将太阳能集热管投入运行，其中关闭旁通阀22、供水旁通阀29、空气取热控制阀27、相变储热控制阀25、土壤储热控制阀26，打开太阳能取热控制阀23和回水控制阀24，循环水在太阳能取热集管5、回水管6、循环水泵20、热水用户18之间循环流动，将太阳能热管式集热管7获得的热能加热循环水，满足热水用户18的用热需求。

2、当太阳能集热可以满足热水用户需求且还有剩余时，剩余的热量可以先进行相变储热，即打开相变储热控制阀25，循环水进入换热盘管11，将热量输出至基座1内储存，当相变储热已满后，再进行土壤储热，即打开土壤储热控制阀26，循环水进入u型地埋管，将热量储存在土壤内。

3、当热水用户18没有热量需求时，打开旁通阀22，开启旁通循环，太阳能集热管7吸收的热量直接储存在相变材料和土壤内。

4、当太阳能集热无法完全满足热水用户18的需求时，可以采用太阳能-相变储热串联、或太阳能-土壤储热串联、或太阳能-空气能取热串联、或全部组合的运行方式，其中分别打开相变储热控制阀25、土壤储热控制阀26、空气取热控制阀27，分别从基座相变材料内、土壤内以及空气内取热利用。

5、在阴雨天时，可以直接采用相变储热、空气集热、土壤能集热单独或组合使用的方式进行供热。

6、在夏天使用空调模式下，或者冬天无阳光状态下，可以采用空气能、土壤能、相变储热方式运行，此状态下，关闭太阳能取热控制阀23和回水控制阀24，开启供水旁通阀29、相变储热控制阀25、土壤储热控制阀26、空气取热控制阀27，将太阳能集热装置切出。

7、夏天为防止太阳能集热管过热，可进入太阳能集热-空气能散热或太阳能集热-土壤能散热工况，此时打开太阳能取热控制阀23、土壤储热控制阀26、空气取热控制阀27，关闭回水控制阀24，从太阳能取热集管5收集的热水进入下水平集管15进入金属护栏内，通过空气散热，还可以进入u型地埋管12内，向土壤内散热。若此时热水用户18无热水需求，还可以打开旁通阀22，使太阳能集热管7收集的热能直接通过金属护栏和土壤散热。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。