基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖系统及方法

1.本发明属于太阳能供暖技术领域，具体涉及一种基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖系统及方法。


背景技术：

2.在中国北方地区，空间供暖能耗在建筑能耗中占有很大比例，而目前煤炭、天然气和电力仍然是用于空间供暖的主要能源形式。中国北方太阳能资源丰富，所以利用太阳能实现建筑清洁供暖是助力双碳目标如期实现的重要途径。
3.太阳能不仅能量密度低，而且太阳辐照强度也存在日波动和季节波动的特点，这势必导致太阳能在空间供暖稳定性上存在极大缺陷。在中国北方地区，夏季太阳光照充足，而冬季供暖需求旺盛，所以为太阳能供暖系统配备低成本的蓄热系统是实现太阳能“夏储冬用”，解决太阳能供需季节不匹配的关键技术手段。
4.大型跨季节地下蓄热水箱储热由于原理简单，建造成本低且单位体积蓄热密度大，在工程实践中得到了广泛使用。但是大型跨季节地下蓄热水箱由于散热面积大、储热时间长也存在散热损失大的问题。此外，蓄热水箱为了满足供热需求，设计蓄热温度普遍较高，这也进一步加剧了蓄热水箱热损。因此，寻求一种储热效率高且储热成本低的太阳能跨季节储热供暖系统具有很强的工程应用价值。


技术实现要素：

5.为了克服上述太阳能供暖系统跨季节储热热损失大的问题，本发明提供一种基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖系统及方法，通过将储热系统中心位置的高温圆柱形储热水箱与外侧的低温同心环状水箱串联布置，对太阳能集热器加热后的热水进行温度梯度存储，同时外侧的低温环状水箱在空间位置上起到遮热板的作用，可以大幅减少储热损失，提高太阳能利用率。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖系统，该系统通过动态切换工作模式实现跨季节储热及冬季供暖，包括太阳能集热供热储热回路、跨季节储热水箱供暖回路、二次侧供暖回路以及热泵辅助供暖回路；
8.所述太阳能集热供热储热回路包括板式集热器、跨季节储热水箱和板式逆流换热器，板式集热器的出口与分流阀三的入口相连，分流阀三的出口工质选择性的与跨季节储热水箱入口一或板式逆流换热器入口相连，跨季节储热水箱出口一及板式逆流换热器的出口与混流阀一的入口相连，混流阀一的出口经给水泵一后与板式集热器的入口相连；
9.所述跨季节储热水箱供暖回路包括跨季节储热水箱和板式逆流换热器，跨季节储热水箱出口二与分流阀二入口相连，经混流阀三和给水泵二后进入板式逆流换热器，板式逆流换热器出口经分流阀一后与跨季节储热水箱入口二相连；所述板式逆流换热器一、二次侧流量由给水泵二和给水泵四控制；
10.所述热泵辅助供暖回路包括跨季节储热水箱、缓冲水箱、光伏板和水源热泵，跨季节储热水箱出口二与分流阀二的入口相连，分流阀二的出口与给水泵三的入口相连，给水泵三出口与水源热泵热源侧入口相连，水源热泵热源侧出口经混流阀二和分流阀一后与跨季节储热水箱入口二相连；缓冲水箱出口二经分流阀四分流后与水源热泵负荷侧入口相连，水源热泵负荷侧出口与混流阀四的入口相连，混流阀四的出口与缓冲水箱入口二相连，水源热泵热源侧和负荷侧回路共同构成二次侧供暖回路，光伏板用于为水源热泵提供电源；
11.所述二次侧供暖回路包括缓冲水箱、混流阀五、温控阀及用户侧热负荷，位于缓冲水箱顶部的缓冲水箱出口一及温控阀的出口一分别与混流阀五的两个入口相连，混流阀五的出口通过给水泵五与用户侧热负荷相连进行供热，供热后的低温回水进入温控阀，温控阀的出口二与缓冲水箱入口一相连。
12.本发明进一步的改进在于，该系统过程循环工质为液相水。
13.本发明进一步的改进在于，所述跨季节储热水箱入口一设置在内层圆柱形储热水箱顶部，内层圆柱形储热水箱底部与外层环状储热水箱顶部入口通过水箱内部连接管相连，跨季节储热水箱形成中心部位圆柱形储热水箱温度较高，外侧环状储热水箱温度较低的温度空间位置分布。
14.本发明进一步的改进在于，所述外侧环状储热水箱在跨季节储热水箱中起到遮热板的作用，根据传热学基本原理，遮热板的引入在原有热阻网络图中增加两个表面热阻和一个空间热阻，在各表面发射率均为ε的情况下，遮热板的引入将使热损失减少近一半。
15.本发明进一步的改进在于，所述跨季节储热水箱中心部位的圆柱形储热水箱和外侧环状储热水箱会自动形成热分层，即水箱上部工质温度高，水箱下部工质温度低。
16.本发明进一步的改进在于，所述缓冲水箱受工质密度差影响自然形成热分层，温度较高的工质位于缓冲水箱上部，温度较低的工质位于缓冲水箱下部。
17.本发明进一步的改进在于，所述用户侧热负荷的数据根据建筑结构，通过sketchup和trnsys软件模拟计算获得。
18.本发明进一步的改进在于，所述温控阀根据缓冲水箱顶部温度和供暖回水温度，动态调控流量分配，保证供暖温度基本稳定在供暖温度设定值。
19.基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖方法，该方法基于所述的基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖系统，包括：
20.非供暖季，当集热器出口水温与储热水箱顶部温度之差大于等于10℃时，给水泵一运行，分流阀三开启出口一，板式集热器向跨季节储热水箱储热，当跨季节储热水箱的中心圆柱状储热水箱顶部温度达到90℃后，分流阀三开启出口二，给水泵二和给水泵四开始运行，板式集热器向缓冲水箱储热；当集热器出口水温与储热水箱顶部温度之差小于10℃时，给水泵一停止运行；
21.供暖季，当太阳法向辐照强度大于冬季设定值且板式集热器出口水温与缓冲水箱顶部温差大于10℃时，给水泵二和给水泵四开启，板式集热器通过板式逆流换热器向缓冲水箱供热，系统处于直连供暖模式；当太阳法向辐照强度大于冬季设定值且板式集热器出口水温与缓冲水箱顶部温差小于等于10℃时，给水泵一运行，分流阀三开启出口一，板式集热器向跨季节储热水箱储热；当太阳法向辐照强度小于等于冬季设定值时，若缓冲水箱顶
部温度大于等于65℃，温控阀和给水泵五开始运行，系统处于缓冲水箱供暖模式；当太阳法向辐照强度小于等于冬季设定值时，若缓冲水箱顶部温度小于65℃且跨季节储热水箱顶部温度与缓冲水箱顶部温差大于等于10℃，分流阀二开启出口二，同时给水泵二开始运行，系统处于跨季节储热水箱供暖模式；当太阳法向辐照强度小于等于冬季设定值时，若缓冲水箱顶部温度小于65℃且跨季节储热水箱顶部温度与缓冲水箱顶部温差小于10℃，分流阀二开启，分流阀一开启，给水泵三、给水泵五和给水泵六开始运行，系统处于水源热泵供暖模式。
22.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
23.本发明提供的一种基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖系统，耦合了太阳能集热、跨季节储热以及水源热泵作为冬季供暖热量来源，保证了冬季绿色能源供暖的可靠性。通过对系统中分流阀、混流阀、温控阀及给水泵的动态控制，实现了多种运行模式的智能切换，解决了传统太阳能供暖系统能量季节供需不匹配的问题。
24.本发明提出的基于遮热板原理的跨季节储热，将中心位置的高温圆柱形储热水箱作为一级储热载体，外侧的低温同心环状水箱作为二级储热载体，通过二者的串联布置巧妙实现了蓄热工质的温度梯度存储；同时外侧的环状水箱在空间位置上可以起到遮热板的作用，进而减少跨季节储热损失，解决太阳能供暖跨季节储热效率低的问题。
25.本发明提供的基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖方法，集热器启停、热泵启停均采用先进的温差控制，即集热器出口水温与储热水箱顶部温度之差大于等于10℃时集热泵开始运行，小于5℃时集热泵停止运行，热泵的启停控制原理与集热器类似。上述温差控制在保证集热和供暖效果的基础上，不仅可以有效抑制系统波动性，还可以减少集热泵和热泵的启停次数，提高设备的使用寿命。
附图说明
26.图1为本发明系统的结构框图。
27.图2为跨季节储热水箱结构示意图。
28.图3为缓冲水箱进出口示意图。
29.图4为锅炉辅热太阳能供暖系统仿真模拟界面。
30.图5为热泵辅热太阳能供暖系统仿真模拟界面。
31.图6为锅炉辅热太阳能供暖系统总能耗模拟结果图。
32.图7为热泵辅热太阳能供暖系统总能耗模拟结果图。
33.附图标记说明：
34.1为板式集热器，2为跨季节储热水箱，3为分流阀三，4为给水泵三，5为混流阀三，6为混流阀四，7为缓冲水箱，8为光伏板，9为水源热泵，10为给水泵五，11为给水泵六，12为用户侧热负荷，13为混流阀五，14为温控阀，15为分流阀四，16为给水泵四，17为板式逆流换热器，18为给水泵二，19为混流阀二，20为分流阀二，21为分流阀一，22为混流阀一，23为给水泵一。
35.2-1为跨季节储热水箱入口一，2-2为跨季节储热水箱出口一，2-3为跨季节储热水箱入口二，2-4为跨季节储热水箱出口二，2-5为中心高温圆柱形跨季节储热水箱，2-6为低温环状跨季节储热水箱，2-7为水箱内部连接管，2-8为内外侧水箱加强筋。
36.7-1为缓冲水箱出口一，7-2为缓冲水箱入口一，7-3缓冲水箱出口二，7-4为缓冲水箱入口二。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明作进一步详细说明，其内容是对本发明的解释而非限定。
38.如图1所示：本发明由四个回路构成，分别是太阳能集热供热储热回路、跨季节储热水箱供暖回路、二次侧供暖回路以及热泵辅助供暖回路，四个回路协调运行完成多种工作模式的动态切换。
39.所述太阳能集热供热储热回路中经板式集热器1加热后的高温水与分流阀三3的入口相连，分流阀三3可以根据控制信号选择性的开启出口一或出口二。在跨季节储热水箱储热模式下，分流阀三3开启出口一并与跨季节储热水箱入口一2-1相连，此时跨季节储热水箱出口一2-2开启并与混流阀一22入口相连，混流阀一22出口的水经给水泵一23加压后进入板式集热器1进行循环加热；在太阳能直连供热模式下，分流阀三3开启出口二并与混流阀三5相连，经过给水泵二18加压后进入板式逆流换热器17完成对缓冲水箱7内部水的加热，板式逆流换热器17的出口经混流阀二19后进入分流阀一21，此时分流阀一21开启阀门二并与混流阀一22相连，经给水泵一23加压后进入板式集热器1进行循环加热。
40.所述跨季节储热水箱供暖回路中跨季节储热水箱出口二2-4与分流阀二20入口相连，此时分流阀二20开启出口二并与混流阀三5的入口相连，混流阀三5的出口与给水泵二18相连，加压后进入板式逆流换热器17完成对缓冲水箱7内部水的加热，板式逆流换热器17的出口经混流阀二19后与分流阀一21入口相连，供热后的低温水经由分流阀一21的出口一回到跨季节储热水箱2底部。
41.所述二次侧供暖回路中缓冲水箱7上层的高温水由缓冲水箱出口一7-1进入混流阀13与供暖回水混合，达到温控阀14设定的供暖温度后进入用户侧热负荷12进行供暖，供热后的低温回水流经温控阀14后，一部分通过温控阀14的出口一进入缓冲水箱7，另一部分则通过温控阀14的出口二与混流阀13的入口相连直接进行冬季供暖。
42.所述热泵辅助供暖回路中跨季节储热水箱2上部的高温水经由跨季节储热水箱出口二2-4进入分流阀二20，分流阀二20的出口与给水泵三4的入口相连，经给水泵三4加压后进入水源热泵9热源侧，高温水在水源热泵9中完成供热后经混流阀二19和分流阀一21回到跨季节储热水箱2；缓冲水箱7上部的高温水经过缓冲水箱出口二7-3进入分流阀四15，分流后进入水源热泵9负荷侧，在水源热泵9中吸热升温后的高温水经混流阀四6后通过缓冲水箱入口二7-4回到缓冲水箱7，用于二次侧供暖。
43.作为本发明一个较优的实施例，所述板式集热器1根据《太阳能供热采暖技术规范》确定集热面积及安装倾角。
44.作为本发明一个较优的实施例，跨季节储热水箱2和缓冲水箱7具有良好的温度分层，高温水由顶部入口进入，低温水由底部入口进入，多种工作模式进行切换时不破坏温度分层。
45.作为本发明一个较优的实施例，所述给水泵皆为变频泵，可根据控制信号进行变流量控制。
46.作为本发明一个较优的实施例，光伏板8连接有储能电池组，储能电池组与水源热
泵9连接。
47.作为本发明一个较优的实施例，水源热泵9连接有外部电源，在储能电池组电力不足时为水源热泵9提供电力，保障冬季供暖。
48.作为本发明一个较优的实施例，跨季节储热水箱2的储水容积为3500m3，埋藏深度为1.5m。
49.作为本发明一个较优的实施例，板式集热器1和光伏板8均设有方位角调节机构和俯仰角调节机构。
50.作为本发明一个较优的实施例，中心位置的高温圆柱形储热水箱2-5与外侧的低温同心环状水箱2-6在顶部和侧面均包覆有保温层。
51.作为本发明一个较优的实施例，中心位置的高温圆柱形储热水箱2-5与外侧的低温同心环状水箱2-6均在高度方向上设有5个温度传感器，采集到的温度数据作为控制系统的输入信号。
52.作为本发明一个较优的实施例，板式逆流换热器17的一、二次侧运行流量可根据具体工程应用情况做相应调整，同时为了保证换热器换热效率，一、二次侧换热温差应大于10℃。
53.上述基于遮热板原理的跨季节串联储热太阳能供暖系统包括以下工作模式：
54.夏季储热模式：经板式集热器1加热后的高温水与分流阀三3的入口相连，分流阀三3可以根据控制信号选择性的开启出口一或出口二。当太阳法向辐照强度大于设定值(200w/m2)且跨季节储热水箱2顶部温度小于设定值时，分流阀三3开启出口一并与跨季节储热水箱入口一2-1相连，此时跨季节储热水箱出口一2-2开启并与混流阀一22入口相连，混流阀一22出口的水经给水泵一23加压后进入板式集热器1进行循环加热，系统在跨季节储热水箱储热模式下运行；当太阳法向辐照强度大于设定值且跨季节储热水箱2顶部温度大于等于设定值时，分流阀三3开启出口二，给水泵二18和给水泵四16开始运行，太阳能集热系统向缓冲水箱储热。
55.冬季供暖模式：当太阳法向辐照强度大于冬季设定值(600w/m2)且板式集热器1出口水温与缓冲水箱7顶部温差大于10℃时，给水泵二18和给水泵四16开启，驱动板式逆流换热器17一次侧和二次侧工质流动换热，此时板式集热器1通过板式逆流换热器17向缓冲水箱7供热，系统处于直连供暖模式；当太阳法向辐照强度大于冬季设定值(600w/m2)且板式集热器1出口水温与缓冲水箱7顶部温差小于等于10℃时，给水泵一运行，分流阀三3开启出口一，板式集热器1向跨季节储热水箱2储热；当太阳法向辐照强度小于等于冬季设定值(600w/m2)时，若缓冲水箱7顶部温度大于等于65℃，温控阀14和给水泵五10开始运行，系统处于缓冲水箱供暖模式；当太阳法向辐照强度小于等于冬季设定值(600w/m2)时，若缓冲水箱7顶部温度小于65℃且跨季节储热水箱2顶部温度与缓冲水箱7顶部温差大于等于10℃，分流阀二20开启出口二，同时给水泵二18和给水泵四16开始运行，驱动板式逆流换热器17一次侧和二次侧工质流动换热，系统处于跨季节储热水箱供暖模式；当太阳法向辐照强度小于等于冬季设定值(600w/m2)时，若缓冲水箱7顶部温度小于65℃且跨季节储热水箱2顶部温度与缓冲水箱7顶部温差小于10℃，分流阀二20开启，分流阀一21开启，给水泵三4、给水泵五10和给水泵六11开始运行，系统处于水源热泵供暖模式。
56.请参阅图4和图5，通过trnsys仿真模拟软件，搭建太阳能跨季节储热锅炉辅热供
暖系统模型和太阳能跨季节储热热泵辅热供暖系统模型，在上述先进温差控制策略下对河北某地区3000m2建筑进行供暖模拟。
57.请参阅图6和图7，在相同的建筑热负荷和控制策略下，应用热泵作为辅助热源进行冬季供暖供暖季月能耗均低于锅炉辅热能耗，在系统运行首年，本系统与太阳能跨季节储热锅炉辅热系统相比，累积能耗减少141248kwh，节约能耗61％。
58.上述实施例的描述是为了方便该领域的技术人员充分理解和使用该发明。熟悉本领域的技术人员显然可以对上述实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。