一种梯级热能利用装置的制作方法

1.本实用新型涉及储热设备技术领域，具体涉及一种梯级热能利用装置。


背景技术：

2.目前，集中生活热水的供应强调供水的舒适、稳定、可靠、连续；同时还需要兼顾节约能源、绿色低碳；传统太阳能热水系统采用光热系统，系统需要克服集热管液体的承压、过热、爆管、防冻、结垢等系列问题，管理成本昂贵，远达不到设计寿命，建筑工程普遍抵触太阳能光热利用。
3.现有集中生活热水制热需要太阳能、热泵等可再生能源，由于可再生能源的不稳定性、低密度等特点，通常采用体积庞大的贮热箱将可再生能源的热能贮存起来，以满足在夜间或高峰期供热水。此类制热、贮热系统在工程应用中存在以下问题：
4.1.现有集中太阳能热水制热系统需要庞大的贮热箱；系统需要防过热、寒冷地区需要防冻，还需要设置防爆等安全措施，导致系统复杂，维护管理成本昂贵。
5.2.开式贮热箱体存在水质污染隐患，开式箱体无法充分利用一次冷水水压，热水需再次加压，存在较大的能源浪费，同时冷热水压力不同源，具有不利于压力平衡的问题。
6.3.如果采用闭式贮热箱，体积庞大、臃肿不堪，占用大量机房空间，存在冷温水滞水现象、滋生细菌。工程安装困难、维护管理成本较高。
7.4.为保障供热稳定性，贮热箱的贮存水温需长期保存在50℃以上。一般太阳能光热系统与热泵系统为并联状态，互相干扰，利用率低下，在冬季上述问题尤其明显。
8.5.太阳能光热系统复杂，防过热、防爆晒、防冻等工程难度较大，管理成本昂贵。
9.6.常规贮热箱受高度限制，无法有效利用温度分层。在夜间等低负荷工况下，贮热系统内依然保持高温状态，存在较大的散热损失。


技术实现要素：

10.鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种梯级热能利用装置，用以解决现有技术中的上述问题中的一者或多者。
11.本实用新型的目的是这样实现的：
12.一种梯级热能利用装置，包括：
13.壳体，具有安装空间；
14.梯级贮热段，具有多个贮热段，设于壳体的安装空间内，用于储存不同温度的水；
15.光伏电加热系统，包括光伏发电系统和电加热器，电加热器设于贮热段内，与光伏发电系统连接；
16.空气源热泵机组，空气源热泵机组与至少一个贮热段相连通。
17.进一步地，还包括中央控制器，中央控制器用于控制光伏发电系统和市政电力对贮热段内的水进行加热，以及控制各贮热段向负载用热机构提供热水。
18.进一步地，壳体的安装空间内还设有保温层，保温层围绕梯级贮热段设置。
19.进一步地，光伏发电系统包括太阳能光伏板，太阳能光伏板设于壳体的顶部。
20.进一步地，电加热器为为24v直流电加热棒，加热器通过导线与太阳能光伏板连接。
21.进一步地，加热器还通过变压器与市政电力连接。
22.进一步地，梯级贮热段包括依次连通的高温贮热段、中温贮热段和低温贮热段，高温贮热段、中温贮热段、低温贮热段分别包括多个独立且连通的贮热罐，贮热罐之间通过连接管连通。
23.进一步地，还包括高温消毒管路，消毒管路上设置消毒装置；高温消毒管路的一端连接高温贮热段，另一端连接低温贮热段；需要高温消毒时，高温贮热段、中温贮热段、低温贮热段以及高温消毒管路形成流体循环路径，利用空气源热泵机组或光伏电加热将系统热水温度升至60℃以上；流体循环路径上设置热水循环泵，为流体循环提供动力。
24.进一步地，壳体具有第一安装空间和第二安装空间，高温贮热段、中温贮热段、低温贮热段集成设于第一安装空间内；第二安装空间内安装有外接的管路网以及空气源热泵机组、热水循环泵、中央控制器和消毒装置。
25.进一步地，管路网上还设有恒温混水阀和热计量表。
26.进一步地，第二安装空间内还安装有膨胀罐，膨胀罐接入管路网。
27.与现有技术相比，本实用新型提供的梯级热能利用装置，由光伏电加热系统统代替了太阳能光热系统，基于光伏发电系统耦合热泵制热，不仅克服了传统光热系统与热泵系统互相干扰的问题，实现了光伏发电加热与热泵加热的梯级利用，而且提高贮热系统的热能利用效率，并减小贮热系统的热量流失、降低工程综合成本。
附图说明
28.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本实用新型的梯级热能利用装置的控制逻辑示意图；
30.图2为本实用新型的梯级热能利用装置的结构示意图
31.图3为本实用新型的梯级热能利用装置的内部贮热罐的布置示意图。
32.附图标记：
33.1-光伏发电系统；2-市政电力；3-热泵循环泵；4-高温贮热段；5-中温贮热段；6-低温贮热段；7-空气源热泵机组；8-热水循环泵；9-中央控制器；10-消毒装置；11-恒温混水阀；12-热计量表；13-膨胀罐；14-排污口；15-壳体；16-保温层；17-安装底座；18-贮热罐；19-连接管；20-冷水给水。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.为便于对本技术实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本技术实施例的限定。
36.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，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。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实用新型中的具体含义。
37.全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在
……
上方”、“下”和“在
……
上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
38.本实用新型的一个具体实施例，如图1至图2所示，公开了一种梯级热能利用装置，包括：
39.壳体15，具有安装空间；
40.梯级贮热段，具有多个贮热段，多个贮热段集成设于壳体15的安装空间内，用于储存不同温度的水；
41.光伏电加热系统，包括光伏发电系统1和电加热器，电加热器设于贮热段内，与光伏发电系统1连接；
42.空气源热泵机组7，空气源热泵机组7通过热泵循环泵3与至少一个贮热段相连通，用于加贮热段内的热水。
43.本实施例中，梯级贮热段包括依次连通的高温贮热段4、中温贮热段5和低温贮热段6，高温贮热段4、中温贮热段5、低温贮热段6之间通过连接管19连接，连接管19上设置多个阀门，以控制连接管19上不同位置的连通状态，如图3所示。高温贮热段4、中温贮热段5、低温贮热段6分别包括多个独立且连通的贮热罐18，贮热罐18之间通过连接管19连通，多个贮热罐被划分为高温、中温、低温贮热段，并相互相连通，以构成梯级贮热罐，贮热罐利用水温的梯度变化，实现热能的梯级能量贮存，高温贮热段中的热水优先得到利用。采用多个独立设置的贮热罐构建梯级储水空间，贮热罐的积较小、容易生产、安装、维护。示例性的，高温贮热段4包括两个贮热罐18，中温贮热段5包括三个贮热罐18，低温贮热段6包括两个贮热罐18，每个贮热罐的体积为1-2m3。
44.本实施例中，梯级热能装置还包括高温消毒管路，消毒管路上设置消毒装置，可选的，消毒装置为aot热水消毒装置，高温消毒管路的一端连接高温贮热段4另一端连接低温贮热段6；需要高温消毒时，高温贮热段4、中温贮热段5、低温贮热段6以及高温消毒管路形成流体循环路径，利用空气源热泵机组7和/或光伏电加热将系统热水温度升至60℃以上，实现高温消毒的技术要求；流体循环路径上设置热水循环泵8，为流体循环提供动力。其中，热水循环泵8具有用于散热的通风口，通风口上设有滤网，以防蚊虫进入。在高温消毒状态下，市电热源与低温贮热段相连通，对低温贮热段内的水进行加热，且低温贮热段依次与中温贮热段和高温贮热段相连通，并通过消毒管路实现系统中热水循环流动，进而实现循环消毒。
45.本实施例中，壳体15的形状可以为规则的形状，如方形、梯形等，还可以根据实际场地条件将壳体15设计为非规则形状。
46.在其中一种可选实施方式中，壳体15具有第一安装空间和第二安装空间，高温贮热段4、中温贮热段5、低温贮热段6集成设于第一安装空间内；第二安装空间内安装外接的管路网，以及空气源热泵机组7、热水循环泵8和消毒装置10。管路网上设置的出水口通过回水管路与负载用热机构连通。
47.进一步地，壳体15的安装空间内还设有保温层，保温层围绕梯级贮热段设置。具体的，保温层16设置在壳体15的第一安装空间外设置有，保温层16由贮热罐与壳体15内壁之间采用橡胶发泡工艺形成，保温层厚度不小于50mm。
48.在其中一种可选实施方式中，贮热罐18竖向布置在安装底座17上，且贮热罐18的轴线互相平行。采用此结构布置方式，使得多个贮热罐18的结构更加紧凑，减小装置整体体积。
49.本实施例中，管路网上还设有恒温混水阀11和热计量表12，管路网上还接入冷水给水20，恒温混水阀11能够根据需要调节冷热水混水温度，热计量表12用于记录热量数据。
50.进一步的，第二安装空间内还安装有膨胀罐13，膨胀罐13的出水口接入管路网，以保证系统内流体压力稳定。
51.本实施例中，梯级热能装置还设有排污口14，排污口14通过排污管路接入管路网。定期对梯级热能装置的内部管路及贮热罐进行清洗，通过排污口排出污水。
52.本实施例中，用电相关的设备、电线电缆接头均采用密封防水措施，防水性能等级不低于ip55。
53.本实施中，梯级热能利用装置还包括中央控制器9，中央控制器9安装在壳体的第二安装空间内，中央控制器9用于控制光伏发电系统和市政电力对贮热段内的水进行加热，以及控制各贮热段向负载用热机构提供热水。其中，优先采用光伏发电系统1提供的电能对梯级贮热段内的水进行加热，且优先向负载用热机构提供高温度的热水。
54.本实施例中，高温贮热段4、中温贮热段5、低温贮热段6内均设置温度探头，温度探头与中央控制器9连接。中央控制器9通过温度探头分别实时检测高、中、低温贮热段的温度；中央控制器通过温度探头实时监测负载用热机构的回水管路的温度，负载用热机构通过回水管路与中温贮热段5相连通，中央控制器通过温度探头实时检测系统出水口位置温度。
55.本实施例中，高温贮热段4内储存的高温水温度为50-65℃，中温贮热段5内储存的中温水温度为45-50℃，低温贮热段6内储存的低温水温度为40-45℃；当贮热罐内小于45℃的热水由空气源热泵机组加热，超过45℃的热水由光伏电加热，从而实现可再生能源热能梯级利用。利用不同贮热段的水温梯度变化，实现热能的梯级能量贮存，高温度热水优先得到利用，高温贮热段与低温贮热段水温差约10℃。
56.可选的，空气源热泵机组7还与市政电力连接。空气源热泵机组7的启停受贮热罐温度、管理时间控制，定时开启，当贮热罐温度≥50℃时，空气源热泵机组停止运转。
57.本实施例中，光伏发电系统1包括适宜建筑屋顶、地面安装的各种光伏系统，夏热冬暖地区采用光伏直接驱动空气源热泵机组，用来制备生活热水；其他建筑气候分区采用光伏直接加热并耦合热泵梯级加热热水。光伏发电系统包括太阳能光伏板，太阳能光伏板设于壳体的顶部。
58.本实施例中，电加热器为24v直流电加热棒，加热器通过导线与太阳能光伏板连
接，采用直流电加热；进一步地，市政电力2经过变压器与至少一个电加热器连接，可以采用变压器将市政电力变压成24v为直流电加热棒供电加热。
59.装置运行过程中，通过中央控制器控制，贮热罐优先采用太阳能发电进行加热；当贮热罐温度≥50℃时，空气源热泵机组停止运转；贮热罐温度小于50℃时且同时接到其他信号时，中央控制器控制空气源热泵机组开启。当光伏发电系统1提供的电压不够时，及时接通调压后的市政电力2，利用光伏发电系统1与市政电力保证供电的持续可靠性，以此保证装置的正常运行。
60.在其中一种可选实施方式中，光伏电加热系统与高温贮热段相连的其中一个中温贮热段的贮热罐直接相连；市政电力与低温贮热段相连的其中一个中温贮热段的贮热罐直接相连，且市政电力通过开关控制阀与直接与低温贮热段相连；低温贮热段通过热泵循环泵3与空气源热泵机组相连通。
61.在其中一种可选实施方式中，本实施例的梯级热能利用装置还包括室外温度传感器和直流电压识别装置，室外温度传感器用于监测室外温度，并将实时监测的温度数据传输至中央控制器，直流电压识别装置用于识别判断光伏发电系统1提供的电压是否达到所需24v电压。示例性的，在一定时间(如10分钟)不能满足所需24v电压，当室外温度≥20℃，中央控制器9控制空气源热泵连续加热到水温至55℃；当室外温度小20℃，中央控制器9控制空气源热泵连续加热到水温至45℃，然后切换由市政热力加热到60℃。
62.示例性的，对于不同地区，梯级热能装置的运行状态可以差异化设置，具体如下：对于夏热冬暖地区，如广州、广西，采用光伏发电系统1直接驱动空气源热泵机组7加热热水，若光伏发电系统1不足，则采用市政电力补充；生活热水制热均来自空气源热泵机组；对于非夏热冬暖地区，如上海、北京，采用光伏电加热系统直接加热热水，市政电力驱动空气源热泵机组7加热热水，实现光伏加热与热泵梯级能源利用。
63.示例性的，对于不同季节，梯级热能装置的运行状态可以差异化设置，具体如下：冬季可以联合加热，夏季可以仅空气源热泵加热。
64.夏热冬暖地区光伏发电系统1直接驱动空气源热泵机组7的制热量与消耗功率之比最低cop不低于2.0；
65.非夏热冬暖地区空气源热泵机组7制热最高温度50℃，白天采用光伏电加热系统加热贮热罐18热水到60-65℃，实现不同能源的阶梯式利用，最大化提高新能源利用率。
66.需要说明的是，本实施例的中央控制器9用于控整个梯级热能装置的运行过程，可以实现智能自动化控制，还可以实现智能远程控制。中央控制器9至少包括以下控制内容：控制光伏电源优先得到利用，当贮热罐温度超过95℃时，切断光伏电源；根据温度和定时器控制空气源热泵的启停；根据温度控制热水循环泵的启停；控制市政电力加热水温到65-70℃，并启动热水循环泵以实现系统进行高温消毒；还包括控制管路网上的阀门，实现控制不同分支管路的连通状态。
67.与现有技术相比，本实施例提供的梯级热能利用装置至少具有如下有益效果之一：
68.1、本技术利用太阳能和空气能进行制热，由光伏电加热系统统代替了太阳能光热系统，太阳能光伏板发电通过导线与贮热罐内的直流电加热器连接，直流电加热器对内部储存的水进行加热，利用贮热罐储存由电能转变为热水的热能；机组贮热罐同时连接空气
源热泵机组，利用空气源热泵机组加热，贮热罐内水温度≤50℃时开启空气源热泵机组，便于提高热泵cop值，光伏发电用于热水50-65℃阶段的加热，实现可在再生能源的梯级利用，提高了新能源利用效率。
69.2、将贮热罐、管路、循环泵、保温材料、壳体等附配件通过预制集成加工成为一个整体，采用工厂预制、现场冷连接的装配式工艺，实现制热设备的集成化、标准化、装配化，便于运输和安装，有效利用了异形空间，可直接放置在屋顶、室外地面，可不需要室内机房，从而节约梯级热能利用装置的占用面积，显著节省土建成本，降低投资，有利于节能减碳、实现双碳目标，还可有效避免因设计人的选型参数不同造成的设计差异性，大幅度提高工程技术与经济合理性。
70.3、可以实现高温消毒，只需要将低温贮热段加热到高温状态后，并通过循环泵进行系统循环即可整体循环消毒，系统杀菌方式更节能有效。满足热水水质卫生安全的需要，减少消毒设备的管理成本和事故安全风险。
71.以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。