太阳热的供热系统及其应用方式和一种供应热水装置

摘要

本发明公开了一种太阳热的供热系统及其应用方式和一种供应热水装置，解决一年四季太阳能集热器产生的高温和低温热能的全面利用问题。技术方案是在集热器、热水库、热用户等组成的供热系统中增设回水库，存储集热器产生的低温热能和高温热能，并利用太阳能将低温热能提升为高温热能并常年保温。本发明的供热热水装置在不使用循环水管和循环泵的情况下避免热水管中积存凉水。

说明书

一、技术领域

本发明属于有贮热体的太阳热的供热系统和供应热水技术领域。

二、技术背景

太阳能热的利用技术和产品很多，但是到目前为止应用不广，大多是小规模供应热水，其难点在于太阳能的季节分布不均：夏秋季气温高、太阳能辐射强，集热器产生高温太阳热，产热量大、出水温度高，但是热需求少，大多浪费；冬春季热需求旺，但是太阳辐射弱，集热器产生低温太阳热、且产热量少，不能满足供热需求。为了解决这一矛盾，人们对夏秋季太阳能储存到冬季使用、利用辅助热源提升冬春季集热器的出水温度做出了许多的探索和实践，《太阳能反季节蓄热采暖蓄冷降温技术》(申请号200610075643.8)就是其中一例。但是现有技术对利用夏秋季太阳能而不是热泵或燃料锅炉等辅助热源将冬春季中低温太阳热能提升为高温热能、营造低温蓄热区储存冬春季的低温太阳热缺乏切实可行的技术措施，现有关于蓄热或蓄冷的研究和实践大多集中在采用隔热性能尽可能强的保温材料构筑尽可能小的空间贮存尽可能多的热量或冷量，由于过度顾虑施工难度和投资风险，没有对利用现有材料实现大规模跨季节蓄热深入研究，以至于到目前为止没有出现利用太阳热集中供热系统的商业应用。

现有的供应热水方式为了避免热水管29寄存凉水，热水用户将这些凉水排放后才能得到热水，增设一个回水管，没有热水被使用的情况下，热水从回水管返回加热装置再进入热水管29。以此循环方式虽避免凉水在热水管29内的积存，但增加了一个回水管，而且也增加了循环泵的使用和循环泵的耗电。

三、发明内容

本发明所要解决的技术问题是：夏秋季的高温太阳热有效地贮存到冬季采暖供热，冬春季低温太阳热得到充分的利用，利用夏季太阳热提升冬春季贮存的低温太阳热；利用夏季的大气酷热部分加热库存液体，节省集热器的设置数量；在不使用循环管和循环泵的情况下避免供应热水管29内积存凉水的技术问题。

本发明采用的技术方案是：设容积大于5万m³的置保温蓄热库贮存集热器1转换的太阳热，保温蓄热库分为温度低于50℃的低温热液库3和温度高于50℃的高温热液库2；以同一集热器1为热源的所有供热系统的低温热液库3蓄满的合计水降温30℃所释放的热量大于集热器1全年产生热量的十分之一，以确保集热器1转换的太阳热得到充分利用；高温热液库2与低温热液库3可以分开设置，也可以同处一库；保温蓄热库内至少设置一个可上下移动的布液器10配合其他布液器9，存取液体8的过程中保持库内不同温度的液体8自然分层；设置散热装置，利用大气热能对库内低温液体8加热升温；供热时，通过可上下移动的布液器10抽取最低供热温度层的液体8供热；在贮热时，通过可上下移动的布液器10抽取被加热的液体8温度高于最高集热温度减40℃，即最高集热温度减抽取的被加热液体温度小于40℃；所有返回保温蓄热库的液体8均被输送到同温层。

在楼栋底层，供热管网的热液体通过自来水蓄热加热桶18内的加热管27加热自来水蓄热加热桶内18的自来水，垂直连接于自来水蓄热加热桶18顶部的热水管29，垂直延伸到最上层的热水用户。这样没有热水使用时，冷却的自来水下降到蓄热换热桶，蓄热换热桶内的热自来水上升到热水管29，以此保持热水管29内的自来水随时是热的，避免使用热水时现排放管子里积存的凉水。相对于采用增加凉水返回管和循环泵的循环方式，减少了循环管和循环泵的使用，避免了循环泵耗电。

保温蓄热库容积大于5万立方米，会有效降低单位液体的散热面积，因为物体的体积是直径的三次方函数，面积是直径的二次方函数，以正方体为例，体积增大1000倍，面积仅增大100倍。《新型建筑材料》2006年第11期作者：于晓，周爱军，期刊-核心期刊ISSN：1001-702X(2006)11-0033-02《VIP真空保温板》记载的真空保温板导热系数达到0.004w/m.k，如果将高温热液库2设计成边长100米的立方体，则其容积是100万立方米，用10厘米厚导热系数为0.004w/m.k的真空保温板保温，其蓄满90℃的水一年的散热量＝0.004w/m℃×0.1m×60000m²×70℃×24h×365＝174.2万千瓦时＝0.63万吉焦，100万立方米的水降温50℃释放的热量是16.6万吉焦，则高温热液库2年散热率小于其蓄热量的4％，利用现有低成本的保温材料和蓄热介质实现跨季节蓄热，使得夏季高温太阳热可以贮存到冬季使用。用可上下移动的布液器10抽取最低供热温度的液体供热、抽取被加热温度高于最高集热温度减40℃的液体8、将所有返回的液体8输送到同温层可以有效地增大保温蓄热库内液体的上下温差，有利于贮存低温太阳热，也有利于通过散热装置用夏季大气酷热加热保温蓄热库内的下层低温液体8从而使冬季的低温太阳热得到充分利用，也减小了集热器面积。所述的供应热水装置可在不设循环泵和返回管的情况下避免凉水在热水管中的积存。

用词解释

太阳热：是集热器将太阳光辐照能转换成热能并传递给工质的工质热。

低温太阳热：是温度低于50℃的工质热。

高温太阳热：是温度高于50℃的工质热。

同温层：指在保温蓄热库中低层的液体8的温度低，高层的液体8的温度高，某个高度的液体温度与所存入的液体温度相同，那么这个高度的层面就是同温层。

最高集热器温度：集热器存在一个最高集热温度，达到集热温度后工质温度不再升高，最高集热温度随太阳辐照的强弱和大气环境温度而高低变化。

最低供热温度：指户外温度和阳光辐照强度的不同，用户的热需求也不同，供热管径和泵速所允许的最低供热液体的温度，低于这个温度用户的热需求将不能完全满足。

四、附图说明

图1为本发明系统的原理图

图2为本发明容器(热水库、回水库、热罐、补给罐)的顶棚的保温结构图

图3为本发明供应热水装置示意图

附图标记对应的部件名称表

编号 名称              编号 名称                编号 名称

1    集热器            10   可上下移动的布液器  27   加热管

2    高温热液库        11   冷用户              29   热水管

3    低温热液库        12   阀门                30   吸收式制冷机

4    其他供热系统      13   保温蓄冷库          31   供热泵

5    热用户            14   蓄热循环泵          32   供冷泵

6    漂浮物            15   其他热源            33   冰浆

7    布液器            16   供热管              38   冰浆发生装置

8    液体              17   散热装置            39   换热器

9    布液器            18   自来水蓄热加热桶

20   自来水管

五、具体实施方式

实施例1

液体8是水；集热器1是集中设置在一地的大型集热器群，全年产生的可利用热量为1.89×10⁹MJ，给三个供热系统热供热，本系统是其中之一；第二能量源15是安装在多个楼顶和保温蓄热库和保温蓄冷库13的棚顶的集热器；热用户5是多个集中供热的热力站，冷用户11是多个集中供冷中间站；保温蓄热库的容积是500万立方米，上部为高温热液库2，下部为低温热液库3；采暖季前夕库内液体8温度全部大于50℃高温热液库2的容积为500万立方米；采暖末期库内90％的液体8温度低于50℃，低温热液库3的库容为450万立方米，此时保温蓄热库蓄满的水降温30℃所释放的热量为5.67×10⁸MJ，仅此一个低温热液库大于集热器1全年产生的可利用热量1.89×10⁹MJ的10分之1；保温蓄冷库13容积为500万立方米。集热器1将液体8加热后用管道输送到高温热液库2，抽取低温热液库3的液体返回集热器1，第二能量源15的将加热的液体管通过可上下移动的布液器10输送到高温热液库2液体的同温层，同时抽取低温热液库3下层的液体8返回第二能量源15。通过管道和泵使液体从高温热液库2上部到热用户5再返回到低温热液库3的同温层，以此形成供热循环。在夏季，抽取低温热液库3下层的液体到散热装置17与大气换热，升温后的液体8通过可上下移动的布液器10返回同温层；在冬季抽取保温蓄冷库13上层的液体通过散热装置17与大气换热，降温后的液体返回保温蓄冷库13底层，当保温蓄冷库13库内温度降到0℃、大气温度降到0℃以下时，抽取底层液体通过散热装置17和冰浆发生装置38得到含有冰浆33的液体返回保温蓄冷库13上层，冰浆33漂浮在上层；夏秋季需要时，抽取高温热液库2热液体加热吸收式制冷机30的蒸馏器，给热降温后的液体通过可上下移动的布液器10返回到高温热液库2的同温层，吸收式制冷机30蒸发侧冷却水可通过管道直接供冷，也可以通过循环对保温蓄冷库13的液体降温。通过管道和泵使液体从保温蓄冷库13下部到冷用户11再返回到保温蓄冷库13的上部，以此形成供冷循环。供热时，若最低供热温度为55℃，则通过可上下移动的布液器10抽取55℃温度层的液体8供热；在贮热时，若最高集热温度为95℃，则通过可上下移动的布液器10抽取库内80℃温度层的液体8，最高集热温度减抽取的被加热液体8温度为15℃，小于40℃。(参见图1)

在楼栋单元底层，安装自来水蓄热加热桶18通过加热管27壁加热蓄热换热桶内的自来水，供应热水的热水管29垂直连接于蓄热换热桶的顶部并且垂直延伸到最上层的热水用户(见图3)。

实施例2

液体是水和乙二醇混合的防冻液；集热器1全年产生的可利用热量为5×10⁷MJ，给三个供热系统热供热，本实施例是其中之一；热用户5是多栋住宅楼；高温热液库2、低温热液库3的容积是20万立方米。集热器1来的工质通过换热器39将液体8加热后用管道输送到高温热液库2同温层，抽取低温热液库3的液体返回换热器39。通过管道和泵使液体8从高温热液库2到用户供热，返回的液体8输送到高温热液库2或低温热液库3的同温层，以此形成供热循环。在热负荷小的时节，抽取低温热液库3上部的液体8供热，给热返回的液体8输送到低温热液库3的同温层。在夏季，抽取低温热液库3下层的液体到散热装置17与大气换热，升温后的液体8通过可上下移动的布液器10返回低温热液库3的同温层。(参见图2)