一种基于蓄能的太阳能制热制冷系统及其运行控制方法与流程

本发明涉及室内供暖/供冷/供生活热水领域，具体涉及一种基于蓄能的太阳能制热制冷系统及其运行控制方法。

背景技术：

我国建筑能耗不断增加，其中建筑供冷供热和生活热水能耗增长尤其快。传统的供冷、供热、供生活热水多采用煤、气、电作动力能源。这些不可再生能源不仅导致空气污染，还导致全球变暖。相比之下太阳能资源丰富，用之不竭，并且太阳能是一种洁净的清洁能源。大量的使用太阳能制冷制热，可减少在满足用户冷热需求及生活热水需求时对不可再生能源的依赖性，降低环境污染，缓解能源紧张短缺的形势。但太阳能是不稳定的能源，太阳能辐射不足时，无法满足供冷供热和热水需求。

目前的太阳能利用方式主要有两种，一种是利用太阳能发电来进行制冷制热的方式，但是这种方式使用光电能源导致太阳能的综合利用效率不高，无法实现极端低温的天气下太阳能的利用。另外一种是将太阳能与热泵结合的方式，但是这种方式只是采用传统的水箱储能，所以储热能力相对薄弱，在极端低温的天气下也无法保证用户的正常使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种不受太阳能辐射程度影响的制热制冷系统，提高太阳能利用率，以解决极端低温天气下客户的供冷供热及热水需求。

本发明提供的这种基于蓄能的太阳能制热制冷系统，主要包括太阳能光伏光热一体化组件、太阳能空调、pcm蓄能罐、热水箱和室内辐射板，太阳能光伏光热一体化组件的入口和出口分别与pcm蓄能罐、热水箱和太阳能空调连通形成循环回路；pcm蓄能罐和热水箱之间连通形成循环回路；pcm蓄能罐和太阳能空调连通形成闭合回路；太阳能空调和室内辐射板之间连通形成供冷回路；热水箱与室内辐射板之间连通形成供暖回路，热水箱连接有生活热水管；太阳能空调和热水箱与室内辐射板之间连通管道中的流体为水，其它设备之间连通管道中的流体为导热油；pcm蓄能罐和热水箱中分别设置辅助热源。

所述阳能光伏光热一体化组件包括太阳能集热器，太阳能集热器包括若干并列的真空管，真空管内的换热介质为导热油；真空管包括共轴向中心线套装的内、外玻璃管，两玻璃管之间为真空层，内玻璃管的外壁有吸热涂层、内壁设置有沿径向布置的板状翅片，板状翅片采用超导材料制作；真空管内的换热管采用螺旋紫铜管，沿内玻璃管轴向布置；内玻璃管中填充有相变材料，相变材料的填充高度为内玻璃管的四分之三；内玻璃管内沿轴向布置有橡胶管，橡胶管的下端为封闭端、上端为开口端，下端位于内玻璃管的底部、上端面高于内玻璃管内相变材料膨胀时的最高高度。

所述pcm蓄能罐、热水箱和太阳能空调均设置有多个入口和出口。

所述pcm蓄能罐上设置有a1、d1、f1三个入口和b1、c1、e1三个出口，热水箱有c2、b2、f2三个入口和a2、d2、e2三个出口，太阳能空调有a3、d3两个入口和b3、c3两个出口；太阳能光伏光热一体化组件的出口通过连接管道及四通阀分别与pcm蓄能罐a1入口、热水箱的c2入口和太阳能空调的a3入口连通；pcm蓄能罐的b1出口、热水箱的d2出口、太阳能空调的b3出口分别通过连接管道与太阳能光伏光热一体化组件的入口连通；pcm蓄能罐的c1出口与热水箱的b2入口、热水箱的a2出口与pcm蓄能罐的d1入口分别通过连接管道连通；pcm蓄能罐的e1出口与太阳能空调的a3入口、太阳能空调的b3出口与pcm蓄能罐的f1入口分别通过连接管道连通；太阳能空调的c3出口与室内辐射板的入口、室内辐射板的出口与太阳能空调的d3入口分别通过连接管道连通；热水箱的e2出口与室内辐射板的入口、室内辐射板的出口与热水箱的f2入口分别通过连接管道连通，热水箱的e2出口同时连接有生活热水管。

所述pcm蓄能罐和热水箱中的所述辅助热源为螺旋式电热管；热水箱连接有补水装置；pcm蓄能罐中有导热油和封装的相变材料。

所述pcm蓄能罐的a1入口与b1出口、d1入口与c1出口、e1出口与f1入口之间均通过螺旋紫铜管连接；热水箱的a2出口与b2入口、c2入口与d2出口均通过螺旋紫铜管连接；太阳能空调的a3入口与b3出口连通形成热媒通道，c3出口与d3入口连通形成冷媒通道。

所述pcm蓄能罐的c1出口与热水箱的b2入口之间的连接管道、pcm蓄能罐的e1出口和太阳能空调的a3入口之间的连接管道上分别连接有热循环泵；所述太阳能光伏光热一体化组件的入口管道上连接有循环泵。

所述pcm蓄能罐、热水箱和太阳能空调的各入口处均连接有闸阀和蝶阀，各连接管道外均设置有保温层。

所述pcm蓄能罐的d1入口与c1出口、e1出口与f1入口之间的螺旋式紫铜换热管分别连接第一温度传感器和第二温度传感器，所述热水箱中设置有一个温度传感器。

本发明还提供了一种利用前述系统的制热制冷方法，该方法根据不同季节采取不同运行方式，具体如下：

冬季制热水采暖模式

（a）在太阳辐射充足的情形下，开启太阳能光伏光热一体化组件为pcm蓄能罐、热水箱提供热量，热水箱内的热水为室内辐射板提供热源供暖，并供给生活热水；

（b）在太阳辐射不足的情形下，置于pcm蓄能罐内的第一温度传感器测得温度大于60℃时，pcm蓄能罐作为热源加热热水箱内的水，热水箱内的热水为室内辐射板提供热量并供给生活热水；若置于pcm蓄能罐内的第一温度传感器测得的温度小于60℃，给热水箱内的辅助热源通电加热热水箱中的水给室内辐射板提供热量并供给生活热水；

过渡季节单制热水模式

（a）在太阳辐射充足的情形下，开启太阳能光伏光热一体化组件为pcm蓄能罐、热水箱提供热量，热水箱供给生活热水；

（b）在太阳辐射不足的情形下，pcm蓄能罐内的第一温度传感器测得温度大于60℃时，pcm蓄能罐可作为热源加热热水箱内的水，热水箱供给生活热水；置于pcm蓄能罐内的第一温度传感器测得的温度小于60℃时，给热水箱中的辅助热源通电加热生活热水；

夏季制热水和空调模式

（a）在太阳辐射充足的情形下，开启太阳能光伏光热一体化组件为pcm蓄能罐、热水箱、太阳能空调提供热量，其中热水箱提供生活热水，太阳能空调供给通入内墙辐射板的冷媒水；

（b）在太阳辐射不足的情形下，pcm蓄能罐内的第二温度传感器测得温度大于100℃时，pcm蓄能罐为太阳能空调提供热源，太阳能空调为室内辐射板提供冷媒水；置于pcm蓄能罐内的第二温度传感器测得的温度小于100℃时，给pcm蓄能罐中的辅助热源通电，加热后的pcm蓄能罐为太阳能空调提供热源，太阳能空调为室内辐射板提供冷媒水。

本系统利用太阳能制冷制热的同时通过pcm蓄能罐储存一部分能量，提高了太阳能的利用率。在太阳辐射不足时，pcm蓄能罐储存的能量可作为冷/热源给系统中的用户终端供热/冷，提高系统的稳定性，避免因天气影响的太阳能辐射不足时系统的工作出现暂停，给用户带来不便。为了避免本系统的使用受冬季极端低温天气的影响，在pcm蓄能罐和热水箱中设置辅助热源，当pcm蓄能罐储存的能量不足时，可通过辅助热源来提供能量以满足用户的使用需求。

总之，本系统在太阳能辐射足时进行能量的储备供太阳能辐射不足时的应急补充，使系统不易受天气影响而无法正常运行，在冬季极端气候下蓄能罐储存的能量不能满足系统需求时通过辅助热源来补充能量以维持系统的正常运行，使本系统一年四季都能保证用户的正常需求，弥补了现有技术的不足。

附图说明

图1为本发明的设备布置示意图。

图2为图1中太阳能光伏光热一体化组件的太阳能集热器的结构示意图。

图3为图2中太阳能集热器的真空管的剖视结构示意图。

图4为图1中pcm蓄能罐的结构示意图。

图5为图1中热水箱的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中的基于蓄能的太阳能制热制冷系统由制热/冷侧、储热侧和用户侧三部分组成。制热/冷侧以导热油作为热/冷媒，利用太阳能来产生热能/冷能过程中涉及的系统结构，主要包括太阳能光伏光热一体化组件1、循环水泵2和太阳能空调6。太阳能光伏光热一体化组件完成系统的集热过程，用于供热/生活热水以及供给太阳能空调6所需的热媒水。储热侧将制热/冷侧产生的热能进行储存，并且向制热/冷侧、用户侧供热过程中涉及的系统结构，包括pcm蓄能罐3、热水箱4、热循环泵5。用户侧为经储热侧流出的热水或制热/冷侧流出的冷水在室内处理空气以及经储热侧流出的热水供给用户生活热水过程中涉及的系统结构，包括室内辐射板7、生活热水管9。制热/冷侧、储热侧和用户侧通过连接件相连形成完整的基于蓄能的太阳能制热制冷系统，连接件包括连接管道和四通换向阀10。

阳能光伏光热一体化组件1包括太阳能集热器11。如图2、图3所示，太阳能集热器11包括若干并联的真空管111和一个保温罐112，真空管111通过倾斜布置的金属支架113支撑。真空管111内的换热介质采用导热油，金属支撑架13的角度可根据不同地区的太阳能高度角进行调节。保温罐112位于真空管111的上方，固定于金属支架13上。真空管111包括内玻璃管1111、外玻璃管1112、换热管1113、橡胶管1114、板状翅片1115。

内玻璃管1111的外壁有吸热涂层，内玻璃管1111和外玻璃管1112之间为真空层。真空层可大大降低太阳能真空管向外散失的热损失。换热管1113采用螺旋紫铜管，管径约8-10mm,沿内玻璃管1111轴向布置。橡胶管1114的下端为封闭端、上端留有细小开口，沿内玻璃管1111轴向布置。板状翅片1115沿内玻璃管1111的径向布置于其内壁。板状翅片采用超导材料制作以提高换热效率。内玻璃管1111中填充有石蜡作为相变材料1116，其相变温度为130-150℃，填充体积占内玻璃管的四分之三，为了增加相变材料的导热系数，在其内部加入10%的按1:1比例混合的石墨与碳纤维的混合物。橡胶管1114的上端面高于相变材料膨胀时的最高高度，这样在相变材料不均匀融化时，相变材料膨胀后可挤压橡胶管14，从而防止内玻璃管1111胀裂。

如图1和图4所示，pcm蓄能罐上设置有a1、d1、f1三个入口和b1、c1、e1三个出口。a1入口与b1出口、d1入口与c1出口、e1出口与f1入口之间均通过螺旋紫铜管连接。

如图1和图5所示，热水箱有c2、b2、f2三个入口和a2、d2、e2三个出口。a2出口与b2入口、c2入口与d2出口均通过螺旋紫铜管连接。

如图1所示，太阳能空调有a3、d3两个入口和b3、c3两个出口。a3入口与b3出口之间通过螺旋紫铜管连通形成热媒通道，c3出口与d3入口之间通过螺旋紫铜管连通形成冷媒通道。

如图1所示，太阳能光伏光热一体化组件的出口通过连接管道及四通阀10分别与pcm蓄能罐a1入口、热水箱的c2入口和太阳能空调的a3入口连通，pcm蓄能罐的b1出口、热水箱的d2出口、太阳能空调的b3出口分别通过连接管道与太阳能光伏光热一体化组件1的入口连通形成一个循环回路。太阳能光伏光热一体化组件1的入口管道上连接有循环水泵2。

pcm蓄能罐的c1出口与热水箱的b2入口、热水箱的a2出口与pcm蓄能罐的d1入口分别通过连接管道连通形成一个循环回路。pcm蓄能罐的d1入口与c1出口、e1出口与f1入口之间的螺旋紫铜管分别连接第一温度传感器cgq1和第二温度传感器cgq2，热水箱4中设置有一个温度传感器cgq。

pcm蓄能罐的e1出口与太阳能空调的a3入口、太阳能空调的b3出口与pcm蓄能罐的f1入口分别通过连接管道连通一个闭合回路。

pcm蓄能罐的c1出口与热水箱的b2入口之间的连接管道、pcm蓄能罐的e1出口和太阳能空调的a3入口之间的连接管道上分别连接有热循环泵5。

pcm蓄能罐有导热油和封装的相变材料，相变材料采用相变温度为100℃的石蜡，同时在石蜡中加入5%-10%的石墨烯和碳纤维按1:1组成的混合物。导热油作为传热介质。

pcm蓄能罐和热水箱中设置有螺旋式电热管作为辅助热源，图2和图3中g1、h1和g2、h2分别为螺旋式电热管的外接接头。螺旋式电热管的设置可保证系统在太阳能不充足或者储存的热能不足时能够正常、稳定运行。

太阳能空调的c3出口与室内辐射板7的入口、室内辐射板7的出口与太阳能空调的d3入口分别通过连接管道连通形成供冷回路。

热水箱4的e2出口与室内辐射板7的入口、室内辐射板7的出口与热水箱4的f2入口分别通过连接管道连通形成供暖回路，热水箱4的e2出口同时连接有生活热水管9。热水箱4还连接有补水装置8，补水通过热水箱的i接口送入，如图3所示。补水装置用于补充供给生活热水以及供热过程中的水量散失。应尽量保证补水速度与生活热水取水的速度相当。

太阳能空调和热水箱与室内辐射板之间连接管道中的流体为水，其它设备之间连接管道中的流体为导热油。导热油可防止流体温度过高时蒸发。

pcm蓄能罐、热水箱和太阳能空调的各入口处均连接有闸阀和蝶阀以控制各连接管道中的流体流量，各连接管道外均设置有橡塑保温层，防止系统能量损失。

本发明根据不同季节太阳辐射是否充足采取不同运行方式，以此来提高太阳能利用率，提高系统稳定性。具体运行控制方法如下：

冬季制热水采暖模式

（a）当太阳辐射充足时，开启太阳能光伏光热一体化组件的入口、pcm蓄能罐a1入口，热水箱c2入口，室内辐射板入口处的闸阀，开启循环水泵；

（b）若太阳辐射不充足时，若置于pcm蓄能罐内的温度传感器cgq1测得温度大于60℃，再开启pcm蓄能罐d1入口、热水箱b2入口处的闸阀以及热循环泵；若置于pcm蓄能罐内的温度传感器cgq1测得的温度小于60℃，则给热水箱内的螺旋式电热管通电来加热热水箱中的水，从而为室内辐射板提供热量并供给生活热水。

过渡季节单制热水模式

（a）当太阳辐射充足时，开启太阳能光伏光热一体化组件的入口、pcm蓄能罐的a1入口、热水箱的c2入口处的闸阀；开启循环水泵；

（b）当太阳辐射不充足时，若pcm蓄能罐里的温度传感器cgq1测得温度大于60℃，开启pcm蓄能罐的d1入口、热水箱b2入口侧的闸阀；开启热循环泵；若pcm蓄能罐里的温度传感器cgq1测得温度小于60℃，则给热水箱内的螺旋式电热管通电来加热生活热水，并供给生活热水。

夏季制热水和空调模式：

（a）当太阳辐射充足时，开启太阳能光伏光热一体化组件1的入口、pcm蓄能罐3的a1入口、热水箱的c2入口、太阳能空调的a3和d3入口、室内辐射板7入口处的闸阀，开启循环水泵2；

（b）当太阳能辐射不充足时，若pcm蓄能罐3里的温度传感器cgq2测得温度大于100℃，pcm蓄能罐为太阳能空调6、热水箱4提供热源，再开启pcm蓄能罐3的d1入口、f1入口，热水箱的b2入口处的闸阀；开启热循环泵5。若pcm蓄能罐3里的温度传感器cgq2测得温度小于100℃，则给pcm蓄能罐3中的螺旋式电热管通电，加热后的pcm蓄能罐3为太阳能空调6和热水箱4提供热源。

以上三个季节的运行模式，皆于热水箱中的传感器cgq测得温度小于50℃时，开启热水箱中的螺旋式电热管来加热热水箱中的水。当热水箱中的温度传感器cgq测得温度大于100℃时，不对热水箱进行任何加热措施。

以上三种运行模式在用户侧的切换都可通过手动控制，用户可根据自身热舒适感以及对热水的需求调节运行模式，并可以根据室内负荷要求及生活热水要求情况，调节各开启闸阀处的蝶阀，控制水流量大小。从控制手段上实现系统的节能控制。

运用本发明时，为节约占地、美观，对于新建建筑可将制热/冷侧太阳能空调、储能侧各设备设置于地下室内；对于既有建筑为减少施工工程量，需要优化本系统的位置设计，从而有效降低施工成本。