一种耦合式太阳能蓄热供暖系统及其控制方法与流程

1.本发明属于涉及综合能源技术领域，涉及一种耦合式太阳能蓄热供暖系统及其控制方法，尤其适用于太阳能资源丰富的地区且具有稳定供暖需求的供暖系统。


背景技术：

2.随着住宅区的扩展和人们生活水平的提升，冬季供暖需求日益攀升。供暖是全球最大的终端能源消费领域，国际能源署数据显示，供热占全球终端能耗的50％，占全球二氧化碳排放量的40％。作为高碳排放行业，供暖的节能减排尚存巨大空间。富煤、贫油、少气的能源资源禀赋决定了我国供热要立足于煤炭高效利用，当前北方城市采暖供热主要来自热电联产和各类燃煤、燃气锅炉生产的热力，烧煤比重仍高达70-80％，过程中会产生大量二氧化碳，容易造成空气污染、资源浪费，不利于建设节约型、对环境友好型城市。
3.结合供暖需求日益增加背后巨大的节能减排潜力和国家“双碳”工作的相关部署，本发明通过利用太阳能为热源、采用电极热水锅炉为应急热源并利用蓄热水箱兼做节能调节热源，可以提高可再生能源利用率，保证供暖系统稳定可靠的同时降低了运行成本和碳排放量，具有广阔的应用前景。为此设计一种合式太阳能蓄热供暖系统及其控制方法。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可再生能源利用率高且系统稳定可靠、高效节能的耦合式太阳能蓄热供暖系统及其控制方法。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种耦合式太阳能蓄热供暖系统，包括供暖系统本体，所述供暖系统本体由太阳能集热器、电极热水锅炉、蓄热水箱、太阳能集热器循环水泵、分水器和集水器组成，之间通过管道进行连接，所述太阳能集热器的热水供水侧与蓄热水箱内设置的管壳式水-水换热器高温侧通过蓄热供水管道连接，其太阳能集热器的热水回水侧与蓄热水箱内设置的管壳式水-水换热器低温侧通过带有太阳能集热器循环水泵的蓄热回水管道连接，所述蓄热水箱分别通过供暖供水管道和供暖回水管道与分水器和集水器相连接，且供暖供水管道和供暖回水管道分别与电极热水锅炉的热水供水侧以及电极热水锅炉的热水回水侧相连接，并在供暖回水管道上还依次设置有电动开关阀、循环水泵和全自动水过滤器。
6.作为优选：所述太阳能集热器的蓄热供水管道上分别设置有电动三通调节阀，该电动三通调节阀与高温散热器旁通连接，并在高温散热器的前后两侧分别连接有温度传感器a和温度传感器b，用于监测其水温情况。
7.作为优选：所述太阳能集热器的蓄热回水管道上位于太阳能集热器循环水泵与蓄热水箱之间以及所述蓄热水箱的供暖回水管道上位于全自动水过滤器与集水器之间均连接有自动定压补水机组。
8.作为优选：所述蓄热水箱的供暖供水管道上设置有电动开关阀和温度传感器c，该温度传感器c用于监测储热水箱供暖水温，所述蓄热水箱的供暖回水管道为并联设置的两
条管路，其中一条管路上设置有至少一个蓄热水箱循环水泵，另一条管路上设置有至少一个电极热水锅炉循环水泵，并在蓄热水箱循环水泵和电极热水锅炉循环水泵的前后位于管路上分别设置有电动开关阀。
9.作为优选：所述蓄热水箱循环水泵和电极热水锅炉循环水泵的数量均为两个，之间分别并联排布，一个正常使用，另一个作为备用。
10.一种应用上述耦合式太阳能蓄热供暖系统的控制方法，所述控制方法将供暖系统分为三种供暖模式并进行对应控制，第一种供暖模式为太阳能集热器和蓄热水箱供暖，第二种供暖模式为电极热水锅炉供暖，第三种供暖模式为电极热水锅炉供暖的同时利用蓄热水箱进行蓄热。
11.作为优选：所述第一种供暖模式下，太阳能集热器、高温散热器、蓄热水箱、太阳能集热器循环水泵、蓄热水箱循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器运行；太阳能集热器利用太阳能制取的热水经蓄热供水管道进入蓄热水箱内置水-水换热器后加热蓄热水箱内的储水后在太阳能集热器循环水泵的作用下回到太阳能集热器；蓄热水箱内热水作为供暖供水经分水器供向供暖用户，自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后在蓄热水箱循环水泵作用下回到蓄热水箱，当太阳能资源无法有效保障且蓄热水箱供水温度能满足采暖需求时，太阳能集热器、高温散热器和太阳能集热器循环水泵停运，蓄热水箱、蓄热水箱循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器正常运行，且在第一种供暖模式下，太阳能集热器的蓄热供水管道上电动三通调节阀前温度传感器监测的水温t1大于等于95℃时，通过电动三通调节阀控制高温散热器的旁通水量保证电动三通调节阀后温度传感器监测的水温t2小于等于85℃且不低于80℃。
12.作为优选：所述第二种供暖模式下，电极热水锅炉、电极热水锅炉循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器运行；自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后在电极热水锅炉循环水泵的作用下回到电极热水锅炉，换热后作为供暖供水经分水器供向供暖用户。
13.作为优选：所述第三种供暖模式下，电极热水锅炉、蓄热水箱、电极热水锅炉循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器；自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后与蓄热水箱回水管道并联连接，在电极热水锅炉循环水泵的作用下进入电极热水锅炉，换热后的热水通过供水母管在电动调节阀分配水量后一部分作为供暖供水经分水器供向供暖用户、另一部分供至蓄热水箱进行蓄热。
14.作为优选：三种供暖模式优先采用第一种供暖模式；当第一种供暖模式的太阳能资源无法有效保障且蓄热水箱供水温度t3小于50℃时，切换至第二种供暖模式；在夜晚等谷电时间段切换至第三种供暖模式。
15.本发明的有益技术效果在于：(1)本发明通过利用太阳能资源与储热水箱耦合，可以提高可再生能源利用率、减少供暖系统的一次能源消耗从而降低供暖系统碳排放量；(2)通过利用电极热水锅炉为应急热源，保证供暖系统稳定可靠运行的同时进一步降低一次能源的消耗；(3)通过利用储热水箱兼做节能调节热源，有效降低供暖系统的运行费用，有助于能源的综合高效利用。
附图说明
16.图1为本发明所述耦合式太阳能蓄热供暖系统的系统示意图；
17.图2为第一种供暖模式下的流程示意图；
18.图3为第二种供暖模式下的流程示意图；
19.图4为第三种供暖模式下的流程示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。如图1所示，一种耦合式太阳能蓄热供暖系统，包括供暖系统本体，其所述供暖系统本体由太阳能集热器(1)、电极热水锅炉(2)、蓄热水箱(3)、太阳能集热器循环水泵(4)、分水器(10)和集水器(11)组成，之间通过管道进行连接，所述太阳能集热器(1)的热水供水侧与蓄热水箱(3)内设置的管壳式水-水换热器(12)高温侧通过蓄热供水管道(21)连接，其太阳能集热器(1)的热水回水侧与蓄热水箱(3)内设置的管壳式水-水换热器(12)低温侧通过带有太阳能集热器循环水泵(4)的蓄热回水管道(22)连接，所述蓄热水箱(3)分别通过供暖供水管道(23)和供暖回水管道(24)与分水器(10)和集水器(11)相连接，且供暖供水管道(23)和供暖回水管道(24)分别与电极热水锅炉(2)的热水供水侧以及电极热水锅炉(2)的热水回水侧相连接，并在供暖回水管道(24)上还依次设置有电动开关阀、循环水泵和全自动水过滤器(9)。
23.所述太阳能集热器(1)的蓄热供水管道(21)上分别设置有电动三通调节阀(f7)，该电动三通调节阀(f7)与高温散热器(7)旁通连接，并在高温散热器(7)的前后两侧分别连接有温度传感器a(13)和温度传感器b(14)，用于监测其水温情况。
24.所述太阳能集热器(1)的蓄热回水管道(22)上位于太阳能集热器循环水泵(4)与蓄热水箱(3)之间以及所述蓄热水箱(3)的供暖回水管道(24)上位于全自动水过滤器(9)与集水器(11)之间均连接有自动定压补水机组(8)。
25.所述蓄热水箱(3)的供暖供水管道(23)上设置有电动开关阀和温度传感器c(15)，该温度传感器c(15)用于监测储热水箱供暖水温，所述蓄热水箱(3)的供暖回水管道(24)为并联设置的两条管路，其中一条管路上设置有至少一个蓄热水箱循环水泵(5)，另一条管路上设置有至少一个电极热水锅炉循环水泵(6)，并在蓄热水箱循环水泵(5)和电极热水锅炉循环水泵(6)的前后位于管路上分别设置有电动开关阀。
26.所述蓄热水箱循环水泵(5)和电极热水锅炉循环水泵(6)的数量均为两个，之间分别并联排布，一个正常使用，另一个作为备用。
27.参照图1所示，所述电极热水锅炉2的热水供水侧设置电动开关阀f1、所述蓄热水箱循环水泵5后的供暖回水管道设置电动开关阀f2。所述分水器10的进水母管上设置电动
调节阀f3。所述电极热水锅炉循环水泵6前并联连接的全自动水过滤器9后的集水器11出水母管和蓄热水箱3的回水管道上分别设置电动开关阀f6和电动开关阀f4。所述蓄热水箱循环水泵5前与全自动水过滤器9后的集水器11出水母管连接的供暖回水管道上设置电动开关阀f5。所述太阳能集热器1的蓄热供水管道上设置电动三通调节阀f7与高温散热器7旁通连接。
28.一种应用上述耦合式太阳能蓄热供暖系统的控制方法，所述控制方法将供暖系统分为三种供暖模式并进行对应控制，第一种供暖模式为太阳能集热器和蓄热水箱供暖，第二种供暖模式为电极热水锅炉供暖，第三种供暖模式为电极热水锅炉供暖的同时利用蓄热水箱进行蓄热。
29.参照图2所示，在第一种供暖模式下，太阳能集热器、高温散热器、蓄热水箱、太阳能集热器循环水泵、蓄热水箱循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器运行；太阳能集热器利用太阳能制取的热水经蓄热供水管道进入蓄热水箱内置水-水换热器后加热蓄热水箱内的储水后在太阳能集热器循环水泵的作用下回到太阳能集热器；蓄热水箱内热水作为供暖供水经分水器供向供暖用户，自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后在蓄热水箱循环水泵作用下回到蓄热水箱，当太阳能资源无法有效保障且蓄热水箱供水温度能满足采暖需求时，太阳能集热器、高温散热器和太阳能集热器循环水泵停运，蓄热水箱、蓄热水箱循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器正常运行，且在第一种供暖模式下，太阳能集热器的蓄热供水管道上电动三通调节阀前温度传感器监测的水温t1大于等于95℃时，通过电动三通调节阀控制高温散热器的旁通水量保证电动三通调节阀后温度传感器监测的水温t2小于等于85℃且不低于80℃。
30.参照图3所示，在第二种供暖模式下，电极热水锅炉、电极热水锅炉循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器运行；自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后在电极热水锅炉循环水泵的作用下回到电极热水锅炉，换热后作为供暖供水经分水器供向供暖用户。
31.参照图4所示，在第三种供暖模式下，电极热水锅炉、蓄热水箱、电极热水锅炉循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器；自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后与蓄热水箱回水管道并联连接，在电极热水锅炉循环水泵的作用下进入电极热水锅炉，换热后的热水通过供水母管在电动调节阀分配水量后一部分作为供暖供水经分水器供向供暖用户、另一部分供至蓄热水箱进行蓄热。
32.三种供暖模式优先采用第一种供暖模式；当第一种供暖模式的太阳能资源无法有效保障且蓄热水箱供水温度t3小于50℃时，切换至第二种供暖模式；在夜晚等谷电时间段切换至第三种供暖模式。
33.不同供暖模式下的阀门开启情况如下表所示：
[0034] 第一种供暖模式第二种供暖模式第三种供暖模式f1开关开f2开关关f3开开开f4关关开f5开关关
f6关开开
[0035]
本文中所描述的具体实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种耦合式太阳能蓄热供暖系统，包括供暖系统本体，其特征在于：所述供暖系统本体由太阳能集热器（1）、电极热水锅炉（2）、蓄热水箱（3）、太阳能集热器循环水泵（4）、分水器（10）和集水器（11）组成，之间通过管道进行连接，所述太阳能集热器（1）的热水供水侧与蓄热水箱（3）内设置的管壳式水-水换热器（12）高温侧通过蓄热供水管道（21）连接，其太阳能集热器（1）的热水回水侧与蓄热水箱（3）内设置的管壳式水-水换热器（12）低温侧通过带有太阳能集热器循环水泵（4）的蓄热回水管道（22）连接，所述蓄热水箱（3）分别通过供暖供水管道（23）和供暖回水管道（24）与分水器（10）和集水器（11）相连接，且供暖供水管道（23）和供暖回水管道（24）分别与电极热水锅炉（2）的热水供水侧以及电极热水锅炉（2）的热水回水侧相连接，并在供暖回水管道（24）上还依次设置有电动开关阀、循环水泵和全自动水过滤器（9）。2.根据权利要求1所述的耦合式太阳能蓄热供暖系统，其特征在于：所述太阳能集热器（1）的蓄热供水管道（21）上分别设置有电动三通调节阀（f7），该电动三通调节阀（f7）与高温散热器（7）旁通连接，并在高温散热器（7）的前后两侧分别连接有温度传感器a（13）和温度传感器b（14），用于监测其水温情况。3.根据权利要求2所述的耦合式太阳能蓄热供暖系统，其特征在于：所述太阳能集热器（1）的蓄热回水管道（22）上位于太阳能集热器循环水泵（4）与蓄热水箱（3）之间以及所述蓄热水箱（3）的供暖回水管道（24）上位于全自动水过滤器（9）与集水器（11）之间均连接有自动定压补水机组（8）。4.根据权利要求3所述的耦合式太阳能蓄热供暖系统，其特征在于：所述蓄热水箱（3）的供暖供水管道（23）上设置有电动开关阀和温度传感器c（15），该温度传感器c（15）用于监测储热水箱供暖水温，所述蓄热水箱（3）的供暖回水管道（24）为并联设置的两条管路，其中一条管路上设置有至少一个蓄热水箱循环水泵（5），另一条管路上设置有至少一个电极热水锅炉循环水泵（6），并在蓄热水箱循环水泵（5）和电极热水锅炉循环水泵（6）的前后位于管路上分别设置有电动开关阀。5.根据权利要求3所述的耦合式太阳能蓄热供暖系统，其特征在于：所述蓄热水箱循环水泵（5）和电极热水锅炉循环水泵（6）的数量均为两个，之间分别并联排布，一个正常使用，另一个作为备用。6.一种如权利要求1至5中任一项所述耦合式太阳能蓄热供暖系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法将供暖系统分为三种供暖模式并进行对应控制，第一种供暖模式为太阳能集热器和蓄热水箱供暖，第二种供暖模式为电极热水锅炉供暖，第三种供暖模式为电极热水锅炉供暖的同时利用蓄热水箱进行蓄热。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述第一种供暖模式下，太阳能集热器、高温散热器、蓄热水箱、太阳能集热器循环水泵、蓄热水箱循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器运行；太阳能集热器利用太阳能制取的热水经蓄热供水管道进入蓄热水箱内置水-水换热器后加热蓄热水箱内的储水后在太阳能集热器循环水泵的作用下回到太阳能集热器；蓄热水箱内热水作为供暖供水经分水器供向供暖用户，自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后在蓄热水箱循环水泵作用下回到蓄热水箱，当太阳能资源无法有效保障且蓄热水箱供水温度能满足采暖需求时，太阳能集热器、高温散热器和太阳能集热器循环水泵停运，蓄热水箱、蓄热水箱循环水泵、自动定压补水机
组和全自动水过滤器正常运行，且在第一种供暖模式下，太阳能集热器的蓄热供水管道上电动三通调节阀前温度传感器监测的水温t1大于等于95℃时，通过电动三通调节阀控制高温散热器的旁通水量保证电动三通调节阀后温度传感器监测的水温t2小于等于85℃且不低于80℃。8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述第二种供暖模式下，电极热水锅炉、电极热水锅炉循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器运行；自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后在电极热水锅炉循环水泵的作用下回到电极热水锅炉，换热后作为供暖供水经分水器供向供暖用户。9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述第三种供暖模式下，电极热水锅炉、蓄热水箱、电极热水锅炉循环水泵、自动定压补水机组和全自动水过滤器；自供暖用户的供暖回水回到集水器后经全自动水过滤器进行水质处理后与蓄热水箱回水管道并联连接，在电极热水锅炉循环水泵的作用下进入电极热水锅炉，换热后的热水通过供水母管在电动调节阀分配水量后一部分作为供暖供水经分水器供向供暖用户、另一部分供至蓄热水箱进行蓄热。10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：三种供暖模式优先采用第一种供暖模式；当第一种供暖模式的太阳能资源无法有效保障且蓄热水箱供水温度t3小于50℃时，切换至第二种供暖模式；在夜晚谷电时间段切换至第三种供暖模式。

技术总结
一种耦合式太阳能蓄热供暖系统及其控制方法，包括供暖系统本体，所述供暖系统本体由太阳能集热器、电极热水锅炉、蓄热水箱、太阳能集热器循环水泵、分水器和集水器组成，太阳能集热器的热水供水侧与蓄热水箱内设置的管壳式水-水换热器高温侧通过蓄热供水管道连接，其太阳能集热器的热水回水侧与蓄热水箱内设置的管壳式水-水换热器低温侧通过带有太阳能集热器循环水泵的蓄热回水管道连接，蓄热水箱分别通过供暖供水管道和供暖回水管道与分水器和集水器相连接，供暖供水管道和供暖回水管道分别与电极热水锅炉的热水供水侧以及电极热水锅炉的热水回水侧相连接，并在供暖回水管道上还依次设置有电动开关阀、循环水泵和全自动水过滤器。动水过滤器。动水过滤器。


技术研发人员：白杨 曹明皓 李志统 刘靓侃 李忠 郭凯凯 吴越琼 赵劲潮 王坚 王豪
受保护的技术使用者：中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/11