專利名稱：利用太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱的方法及其實(shí) 施系統(tǒng)，具體地說是在傳統(tǒng)的集中供熱聯(lián)合供熱系統(tǒng)中，用太陽能替代部分燃煤，大量減少 原煤的消耗，同時大量減少污染物的排放，可廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)集中供熱的區(qū)域，屬于集中供 熱技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能廣泛的存在于大自然，但由于其品位低，收集成本高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不好而沒 有在集中供熱領(lǐng)域使用。目前太陽能的熱收集已經(jīng)十分成熟，太陽能真空管的熱能收集效 率可達(dá)95%，但用太陽能真空管將水直接加熱到供熱溫度，需要極大的真空管集熱面積，需 要大量的真空管，投資巨大；另外，太陽能的間斷斷性和日照的不穩(wěn)定性也對連續(xù)供熱帶來 了困難。我國建筑能耗中80%是供冷供熱和供生活熱水，一般由集中供熱來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的 集中供熱完全由煤炭或燃?xì)馓峁嵩?，既完全由碳燃燒轉(zhuǎn)化為熱能。用太陽能、地?zé)崮艿鹊?品位的能源可以達(dá)到相應(yīng)效果，可我們大量使用的卻是高品位的能源，一些地方更是直接 用柴油或煤燒鍋爐取暖或供熱水，把高品位能源“大材小用”。將太陽能與集中供熱結(jié)合，實(shí)現(xiàn)太陽能部分替代傳統(tǒng)熱源并與傳統(tǒng)熱源運(yùn)行經(jīng)濟(jì) 性相當(dāng)?shù)男履茉垂岱绞健２粌H可以節(jié)省電能，即消耗少量電能而得到幾倍于電能的熱量， 而且可以有效地提高太陽能集熱器的效率，減少太陽能集熱的面積，降低初投資。目前太陽 能技術(shù)領(lǐng)域存在著嚴(yán)重的傳統(tǒng)技術(shù)偏見，使得太陽能集熱在提供大規(guī)模集中供熱中的應(yīng)用 明顯有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用太陽能_熱泵系統(tǒng)與集中供熱聯(lián)合供熱的方式形成新型供 熱模式，就是用太陽能集熱器在白天收集太陽輻射能并轉(zhuǎn)成熱能，以水作為傳熱介質(zhì)和儲 熱介質(zhì)，夜晚利用谷電驅(qū)動水源熱泵提取水中的熱量，將水中的熱量由熱泵升溫后送入供 熱管網(wǎng)。將太陽能與集中供熱結(jié)合起來，爭取用太陽能最大限度地代替燃煤，為節(jié)能減排做 出貢獻(xiàn)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是它是白天日照時間利用太陽能集熱器將太陽能最大限度的 收集起來，存放于低溫水池中，延長太陽能供熱的使用時間，此時的供熱是由集中供熱的熱 交換器提供；晚上用熱泵將存放于低溫水池中的熱量(并非是余熱)提取出來用于供熱，利 用夜間谷電時間，驅(qū)動熱泵運(yùn)行，可顯著降低運(yùn)行成本。這就是太陽能與集中供熱混合供熱 系統(tǒng)，它的混合模式是指白天由集中供熱工作，晚上由熱泵工作，而熱泵的熱源是白天通過 太陽能集熱器收集。即白天使用集中供熱，夜間使用太陽能_熱泵供熱，實(shí)現(xiàn)了太陽能與集中供熱的聯(lián)合供熱。這樣，既保證了在太陽能不足或設(shè)備出現(xiàn)故障時，仍可通過集中供熱系統(tǒng)完成供 熱，反之，當(dāng)集中供熱出現(xiàn)故障時，也可使用太陽能繼續(xù)供熱，提高了供熱的安全性；夜間采 用谷電為熱泵供電，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)方法是通過太陽能真空管集熱器，白天吸收太陽能熱量， 將蓄能循環(huán)水水溫加熱到15°C以上，將加溫后的水放入一個容量相當(dāng)?shù)乃刂校归g用熱 泵將水池中水的熱量提取出來送入供熱循環(huán)水，通過供熱管網(wǎng)為客戶供熱。本技術(shù)方案利用太陽能和熱泵(以下敘述中稱為‘太陽能_熱泵系統(tǒng)’)替代部分 傳統(tǒng)熱源的集中供熱設(shè)計(jì)方法是第一步，根據(jù)應(yīng)用的場合和用戶端散熱的設(shè)備確定熱負(fù)荷(單位W/m2)；該熱負(fù)荷，即房間的供熱負(fù)荷(Qg)系指為維持房間空氣的某一平均溫度而需要 提供的熱量，其值應(yīng)等于房間失熱量與得熱量的差值，即房間供熱熱負(fù)荷(Qg)=房間失熱量(Q失)_房間得熱量(Q失)對一般民用建筑(特別是居住建筑)而言，房間的得熱量包括人體、電器和炊事等 項(xiàng)散熱，為不穩(wěn)定且數(shù)量較小的得熱量，一般情況下多不予計(jì)算(作為安全度考慮，也有的 按建筑面積計(jì)算一定數(shù)量)。這時的房間熱負(fù)荷即簡化成等于該房間的失熱量。即Qg = Q 失=Qff+QF ο第二步，計(jì)算單位供熱面積日需求熱量熱負(fù)荷X時間X熱負(fù)荷系數(shù)(1天等于 3600 X 24 秒)該熱負(fù)荷系數(shù)是在設(shè)計(jì)供熱需求時，是按最冷溫度設(shè)計(jì)，但并不是每天都是最冷 溫度，由該系數(shù)折算實(shí)際供熱量；第三步，根據(jù)是實(shí)際情況設(shè)計(jì)太陽能-熱泵系統(tǒng)占總體供熱的比例，由此計(jì)算出 單位供熱面積太陽能_熱泵系統(tǒng)日提供熱量；第四步，選取適當(dāng)?shù)臒岜孟到y(tǒng)，確定其能效比；并由此計(jì)算出單位供熱面積由太陽 能集熱器日提供熱量；第五步，計(jì)算單位供熱面積需太陽能集熱器面積單位供熱面積由太陽能集熱器 日提供熱量/太陽能集熱器每天每平方米可收集的熱量；第六步，計(jì)算低溫蓄水池的容量所需供熱的面積X單位面積日需求熱量X熱泵 供熱的所占的比例/溫差/水的熱功當(dāng)量；第七步，計(jì)算所需的太陽能集熱器總面積所需供熱的面積X計(jì)算單位面積需太 陽能集熱器面積。由此設(shè)計(jì)出，所需的太陽能集熱器總面積(即規(guī)模)，和低溫蓄水池的容量；優(yōu)選地，第二步中所述的太陽能-熱泵系統(tǒng)占總體供熱的比例，由實(shí)施本技術(shù)方 案的區(qū)域的谷電時間來計(jì)算，具體是谷電時間/每天平均供熱需求時間其中每天平均供熱需求時間為24小時X熱負(fù)荷系數(shù)；實(shí)施這套方法的供熱系統(tǒng)包括安裝的室外的太陽能集熱器，蓄能循環(huán)水系統(tǒng)，低溫蓄水池，低溫蓄水池的補(bǔ)水系統(tǒng)，能量輸送循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)，熱泵供熱系統(tǒng)，二次循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)， 一次循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)，熱交換器。所述的太陽能集熱器一般采用太陽能真空管集熱器，設(shè)置在客戶的屋頂采集太陽能，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定一定的規(guī)模；目前，真空管太陽能集熱器已十分成熟，在我國已廣泛使用，能量收集與光照強(qiáng)度、氣溫、溫差等多種因素有關(guān)，通過被加熱水的溫度越低，收集的 效率越高，獲得的熱量越多。一般太陽能加熱水溫應(yīng)達(dá)到45°C以上，在這個溫度條件下，比 如沈陽地區(qū)一月份獲得太陽能每天6小時每平方米可收集約8. 64MJ熱量。如果太陽能真 空管集熱器加熱后的蓄能循環(huán)水的水溫為20°C，(這個溫度在通常情況下是沒有使用價(jià)值 的)每天受熱時間可延長兩小時，收集效率也提高，每天可收集熱量約13. 8MJ。太陽能的熱 收集能力可提高60%以上，為了保證太陽能集熱器中的水(本方案中稱為蓄能循環(huán)水)可以一直處于一個相 對低溫的狀態(tài)(大約20°C )，收集太陽能，配合太陽能集熱器設(shè)置一個低溫蓄水池，兩者之 間通過蓄能循環(huán)水系統(tǒng)連通；這樣，蓄能循環(huán)水在太陽能集熱器和低溫蓄水池之間不停地 循環(huán)流動，交換熱量，保持蓄能循環(huán)水的水溫在20°C左右，可以大大增加太陽能集熱器的收 集效率，并能很好儲存收集的熱量。所述的低溫蓄水池，水的溫度在5°C -20°C之間循環(huán)變化，而地表層土壤的溫度在 14°C -18°C左右，因池內(nèi)外沒有大的溫差，無需對低溫蓄水池做保溫措施就能長時間的保存 池內(nèi)水的溫度，節(jié)省大量的投資。設(shè)置低溫蓄水池時為減少投資，可用消防水池，因不消耗 水，對消防安全無影響。蓄水池容量只要按照前述計(jì)算方式，能將每日太陽能集熱器接受能 量吸收，并且保證在太陽能集熱器工作的時候蓄能循環(huán)水即可。如前分析，低溫蓄水池的采用降低了太陽能集熱器的能量收集溫度，從而大量減 少了太陽能集熱器的數(shù)量，用最小的太陽能面積獲得了最大的太陽能熱量，減少了投資和 占地面積。所述低溫蓄水池所儲存的實(shí)際上太陽能集熱器收集的能量，對儲存的熱量，在晚 間谷電時間，利用熱泵進(jìn)行提取使用，使低品位能源轉(zhuǎn)換為高品位能源，從經(jīng)濟(jì)的角度上 看，可以節(jié)省大量的費(fèi)用。而在高寒的時期，即使在適當(dāng)?shù)姆咫姇r間使用熱泵，從經(jīng)濟(jì)角度 來說也可以和傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)持平，但從節(jié)能減排的角度上看，使用熱泵供熱系統(tǒng)在 環(huán)境效益上有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。熱泵系統(tǒng)，主要包括冷凝器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器。其蒸發(fā)器一端與低溫蓄水池管路連 接，提取儲存在其中的太陽能，實(shí)現(xiàn)將低品位熱能提升到所需品位熱能，從而為客戶進(jìn)行供 熱。當(dāng)前水源熱泵在建筑領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用已經(jīng)比較廣泛，但應(yīng)用方式的優(yōu)化還在不斷地研 究和探索之中，從轉(zhuǎn)化性能上看一般可以獲得一個比較好的轉(zhuǎn)化效果。本技術(shù)方案中采用 的熱泵系統(tǒng)，其冷凝器輸出熱水最高溫度取42°C _48°C，蒸發(fā)器最低溫度取5°C -10°C，取能 效比為4左右。通常在選用能效比的時候考慮由供水溫度，排水溫度等因素。能效比的定 義是輸出總能量/輸入動力能量。二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)熱泵系統(tǒng)的冷凝器一端串聯(lián)入此網(wǎng)絡(luò)之中，加熱后的供熱 循環(huán)水由二次網(wǎng)供水管線送往客戶端；一次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)其中連接的是傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)，通過換熱器與二次網(wǎng) 供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)連接，將一次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)中供熱循環(huán)水的熱量傳遞到二次網(wǎng)供熱循環(huán) 水網(wǎng)絡(luò)，再送往客戶端。所述熱交換器位于一次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)和二次供熱水循環(huán)網(wǎng)絡(luò)之間，起到能量交 換的作用；
需要強(qiáng)調(diào)的是，在使用熱泵系統(tǒng)提取低溫蓄水池的能量的過程中，在夜間使用谷電運(yùn)行，可以減少運(yùn)行費(fèi)用。由于本技術(shù)方案是和傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)同時使用，一般來 說，白天關(guān)閉太陽能_熱泵，由集中供熱提供熱源為熱用戶供熱；并夜間關(guān)閉集中供熱熱源 或部分使用集中供熱熱源，主要由太陽能_熱泵為用戶供熱。這種安排是從供熱的安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，安全性是考慮太陽能在冬季并不穩(wěn) 定，連續(xù)幾天大雪會造成熱量不足；熱泵用電驅(qū)動，雖節(jié)能但費(fèi)用較高，用夜間的谷電就很 經(jīng)濟(jì)，單位產(chǎn)熱的價(jià)格與燃煤產(chǎn)熱價(jià)格相當(dāng)。因此，本技術(shù)方案利用太陽能提供熱量的比例就是由谷電運(yùn)轉(zhuǎn)時間來衡量的，約 占總熱量的45% _50%，這一比例即安全又經(jīng)濟(jì)。本技術(shù)方案的節(jié)能減排性能也非常明顯， 節(jié)能率達(dá)33% ；將發(fā)電煤耗都算進(jìn)來，節(jié)煤率和減排率都達(dá)到17%以上。實(shí)際運(yùn)行熱泵能 效比會達(dá)到4. 5-5以上，節(jié)煤率和減排率會達(dá)到20%以上，上述計(jì)算是采用最保守的數(shù)據(jù)。采用本技術(shù)方案，太陽能集熱器的數(shù)量大為減少，比完全使用太陽能供熱減少約 78 %，即減少了投資又減少了占屋頂面積。就節(jié)煤率和減排率17%來說，僅沈陽供熱面積就達(dá)2億平方米，年耗標(biāo)煤300多萬 噸，年C02排放800多萬噸；如果采用本發(fā)明技術(shù)方案，年節(jié)約標(biāo)煤57萬噸，年減C02排放 143萬噸。這是一個巨大的數(shù)字，如果全國廣泛用于供熱，那將為我國的節(jié)能減排工作做出 巨大貢獻(xiàn)！夏季可改變一下管道連接方法，實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)供冷模式運(yùn)行，將管路調(diào)整一下，利 用冬季輸送熱水的管路，夏季輸送低溫，熱泵的蒸發(fā)器轉(zhuǎn)成制冷工況，為客戶提供空調(diào)冷 源，一機(jī)多用。太陽能集熱器可生產(chǎn)熱水，提供大量廉價(jià)的熱水。冬、夏兩季使用，可大大提 高設(shè)備利用率，降低折舊成本，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)通過分布式太陽能-熱泵與集中供熱聯(lián)供技術(shù)充分利用了太陽能 的熱量，并將其熱量存放在蓄能水池中，夜間用谷電運(yùn)行熱泵將蓄能水池中的熱量提升溫 度后加熱二次供熱循環(huán)水，白天用太陽能再加熱蓄能水池中的水，周而復(fù)始，既利用了太陽 能的熱量，又具有與燃煤供熱相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性；當(dāng)太陽能-熱泵或集中供熱任一系統(tǒng)出現(xiàn)故 障時，另一系統(tǒng)仍可實(shí)現(xiàn)供熱，供熱安全性得到保證；還可根據(jù)實(shí)際需要，間斷或連續(xù)地開 啟太陽能-熱泵，獲得最佳的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；所有換熱站都安裝太陽能_熱泵，系統(tǒng)可獲得很 大熱量，并大量的替代原煤，原煤替代量約30%-50%或更高。不僅大量節(jié)約了燃料，而且 大量減少了二氧化碳等煙氣的排放及灰渣的排放，是降低煙塵污染的有效手段，既環(huán)保又 節(jié)能。而本技術(shù)方案中部分熱是由太陽能提供的，即部分利用了非碳能源——太陽能，約占 比例 30% -35% ο


圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式
供熱聯(lián)供連接示意圖；
具體實(shí)施例方式下面采用一個具體實(shí)施例，具體是結(jié)合能量的實(shí)際轉(zhuǎn)換對本發(fā)明的技術(shù)方案的方 法和實(shí)施系統(tǒng)過程做一下詳細(xì)的介紹本技術(shù)方案，在節(jié)省高品位能源，利用低品位能源方面，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，從以下分析可以得出以沈陽地區(qū)一月份一萬平米供熱建筑面積供熱需求為例，將本發(fā)明技術(shù)方案的設(shè) 計(jì)方法應(yīng)用于該例中根據(jù)一般情況下居家供熱場合和暖氣設(shè)備，維持最低的室內(nèi)溫度，取熱負(fù)荷為50W/m2 (1)計(jì)算單位供熱面積日需求熱量，為50 X 3600 X 24 X 0. 64/1000000 = 2. 76MJ/d. τα (2)其中，0.64指沈陽地區(qū)冬季熱負(fù)荷系數(shù)，在設(shè)計(jì)供熱需求時，是按最冷溫度設(shè)計(jì)， 但冬天并不是每天都是最冷溫度，由該系數(shù)折算實(shí)際供熱量，可理解為年平均熱需求；相應(yīng)的，單位面積年需熱量 2.76X152/1000 = 0.42GJ (3)其中，152為沈陽冬季平均供熱天數(shù)；一萬平方米供熱面積年需總熱量 0.42X10000 = 4200GJ (4)下面在此總供熱需求下，分配太陽能-熱泵供熱系統(tǒng)和傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的供熱 比例，以算出太陽能_熱泵供熱系統(tǒng)所需的太陽能集熱器面積和低溫蓄水池的容量。從經(jīng)濟(jì)角度來衡量，本技術(shù)方案利用太陽能-熱泵提供熱量的比例就是由谷電 運(yùn)轉(zhuǎn)時間來衡量的，根據(jù)前述沈陽地區(qū)冬季熱負(fù)荷系數(shù)0. 64，每天平均供熱需求時間為 24X0. 64 = 15. 36小時，而谷電時間一般夜間23點(diǎn)到早晨7點(diǎn)，8/15. 36 = 0. 52，將太陽 能-熱泵設(shè)置在約占總熱量的45% -50%，這一比例即安全又經(jīng)濟(jì)。本實(shí)施例中取45%。在此45%供熱比例下，采用具有低溫蓄水池的太陽能-熱泵系統(tǒng)時，沈陽地區(qū)一 月份每天太陽能集熱器平均每日每平方米可收集的熱量(因?yàn)樾钅苎h(huán)水的溫度可以保 持在20°C左右，持續(xù)收集熱量)計(jì)算單位供熱面積太陽能-熱泵系統(tǒng)日提供熱量-.2. 76X0. 45 = 1. 24MJ/d. m2
(5)計(jì)算單位供熱面積由太陽能集熱器日提供熱量1.24X3/4 = 0. 93MJ/d. m2
(6)其中，3/4為熱泵系統(tǒng)為能效比為4時，由太陽能集熱器提供熱量(即儲存在低溫 蓄水池中可被熱泵提取的熱量)的比例，其他的1/4熱泵的輸入能量提供。此時，單位供熱面積需太陽能集熱器面積0. 93/13. 8 = 0. 0674m2 (7)其中，使用本技術(shù)方案由于低溫蓄水池的使用，相對之下，延長了太陽能集熱器的 收集太陽能的時間，即所述沈陽地區(qū)一月份獲得太陽能集熱器每天每平方米可收集的熱量 為 13. 8MJ一萬平米供熱面積需太陽能集熱器面積0. 0674X10000 = 674m2 (8)計(jì)算低溫蓄水池的容積取決于總供熱能量和蓄能溫差，根據(jù)只要能將日接受能量 吸收即可的原則；以5 度溫差計(jì)算0· 93 X 10000/5/4. 18 = 445. 7T ； (9)其中4· 18為水的熱功當(dāng)量；取500T即可；一般的消防就可以滿足這個需求。在本技術(shù)方案專利采用的是太陽能_熱泵系統(tǒng)與集中供熱聯(lián)合供熱，太陽能_熱泵系統(tǒng)所占比例約45%，另55%用傳統(tǒng)供熱方式供熱，能量關(guān)系如下
太陽能-熱泵系統(tǒng)提供熱量 4200X45%= 1890GJ(10)熱泵輸入熱量1890/4 = 472. 5GJ(11)單位面積年耗熱泵熱量472. 5/10000 = 0. 047GJ/m2(12)單位面積熱泵折算耗電量472. 5X100/3600 = 13. 05kwh/m2 (13)根據(jù)單位面積年需熱量計(jì)算單位面積年折電量0. 42X1000000/3600 = 116. 7kwh(14)對于55%的傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)傳統(tǒng)熱源提供熱量4200-1890 = 2310GJ(15)單位面積年耗傳統(tǒng)熱量 2310/10000 = 0. 231GJ (16)對整個系統(tǒng)單位面積總耗熱量0. 231+0. 047 = 0. 278GJ(17)比較而言比完全傳統(tǒng)方式節(jié)約能量 0. 42-0. 278 = 0. 14GJ (18)比傳統(tǒng)方式供熱節(jié)能率 0.14/0.42 = 33%(19)對于不采用本發(fā)明技術(shù)方案的低溫蓄水池和熱泵系統(tǒng)的情況這種情況下，沈陽 地區(qū)一月份每天相當(dāng)于只有6小時(因?yàn)樾钅苎h(huán)水的溫度降不下來，影響收集效率)單位供熱面積需太陽能集熱器面積 2. 76/8. 64 = 0. 32m2 (20)其中8. 64為前面所述沈陽地區(qū)一月份太陽能集熱器平均每日每平方米可收集 的熱量。這時，一萬平米供熱面積需太陽能集熱器面積 0.32X10000 = 3200m2 (21)而采用本發(fā)明技術(shù)方案，如前(8)所述一萬平米供熱面積需太陽能集熱器面積為 674m2，節(jié)約鋪設(shè)面積近5倍；而鋪設(shè)面積過大也正是太陽能不能廣泛應(yīng)用于集中供熱一個
重要原因。本發(fā)明技術(shù)方案的熱泵系統(tǒng)分布式安裝在客戶端，在二次循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)處接入，由 于接入點(diǎn)溫度最低，因此可獲得最大的系統(tǒng)能效比。熱泵系統(tǒng)的能效比由供水溫度，排水溫 度等因素。能效比的定義是輸出總能量/輸入動力能量，本實(shí)施例中熱泵冷凝器輸出熱水 最高溫度取45°C，蒸發(fā)器最低溫度取7°C，取能效比為4。
熱泵輸出功率50X10000/1000000 = 0. 5MW(22)其中，50W/m2為如前所述的熱負(fù)荷；10000m為本實(shí)施例中的供熱面積；熱泵輸入功率0. 5/4 = 0. 125MW(23)熱泵年輸入熱量0. 125X3600X24X152X0. 64 = 0. 105 萬 GJ (24)單位面積年耗熱量0. 105/10000 = 0. 105GJ/m2(25)單位面積年耗電量0. 105X1000000/3600 = 29kwh/m2(26)按本實(shí)施例中的太陽能-熱泵系統(tǒng)提供45%的熱量計(jì)算，與(13)中的結(jié)果一致。29X45%= 13. 05kwh/m2 (27)本技術(shù)方案，在節(jié)省高品位能源，利用低品位能源方面，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，可 從以上分析可以得出。實(shí)施這套方法的供熱裝置包括安裝的室外的太陽能集熱器1，蓄能循環(huán)水系統(tǒng)，低溫蓄水池2，低溫蓄水池的補(bǔ)水系統(tǒng)，能量輸送循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)，熱泵供熱系統(tǒng)3，二次循環(huán)水 網(wǎng)絡(luò)4，一次循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)6，熱交換器5。蓄能系統(tǒng)工作過程如圖1所示，在有日照的白天，太陽能集熱器1接收太陽的輻 射，加熱由太陽能循環(huán)水泵10送出的低溫蓄水池2的蓄能循環(huán)水，具體過程是循環(huán)水泵 10工作，截止閥11、12打開；低溫蓄水池2的水經(jīng)，經(jīng)截止閥12、太陽能循環(huán)水泵10、單向 閥13送入太陽能集熱器1，經(jīng)輻射加溫后，經(jīng)截止閥11回到低溫蓄水池2。經(jīng)過白天的加 溫，將低溫蓄水池2的水溫加熱到25°C以上。熱泵供熱方式如圖1所示，啟動蒸發(fā)器循環(huán)水泵21，啟動供熱循環(huán)水泵41，啟動熱泵壓縮機(jī)31 ；截止閥22、23、24打開，低溫蓄水池2中的水經(jīng)閥22進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器32，被 熱泵蒸發(fā)器32吸收熱量后流出，經(jīng)截止閥24、蒸發(fā)器循環(huán)水泵21、單向閥25、閥16回到低 溫蓄水池2，此循環(huán)的動力由蒸發(fā)器循環(huán)水泵21提供；熱泵蒸發(fā)器32中的工質(zhì)液得到低溫 蓄水池2中水的熱量開始蒸發(fā)，而低溫水的溫度由25°C以上降低到10°C后送回低溫蓄水池 2 ；熱泵蒸發(fā)器32內(nèi)的工質(zhì)液蒸汽經(jīng)熱泵壓縮機(jī)31壓縮升壓后送入熱泵冷凝器33，熱泵冷 凝器33將50°C以上溫度釋放給二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4，將40°C以下溫度的二次供熱循環(huán) 水加熱到50°C ；二次供熱循環(huán)水在供熱循環(huán)泵41的推動下，由二次供熱循環(huán)水管經(jīng)截止閥 42、供熱循環(huán)泵41、截止閥43、熱泵冷凝器33、截止閥44、截止閥45、換熱器5、截止閥46、 單向閥47、截止閥48后管輸出送到客戶端，并重新進(jìn)入二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4的循環(huán)。此 時換熱器5的另一側(cè)的一次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)6處于關(guān)閉狀態(tài)，截止閥28和截止閥29關(guān)閉。 即換熱器不對二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4加熱。換熱器加熱方式啟動供熱循環(huán)水泵41，開啟截止閥61、截止閥62，一次供熱循環(huán) 水網(wǎng)絡(luò)6工作，熱泵系統(tǒng)3關(guān)閉，二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4中的水流經(jīng)熱泵冷凝器33時得不 到加溫，當(dāng)流經(jīng)換熱器3時，由換熱器5將40°C二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4中的水加熱到50°C; 在供熱循環(huán)泵41的推動下，經(jīng)截止閥42、供熱循環(huán)泵41、截止閥43、熱泵冷凝器33、截止閥 44、截止閥45、換熱器5、截止閥46、單向閥47、截止閥48后管輸出送到客戶端，并重新進(jìn)入 二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4的循環(huán)?；旌瞎岱绞絾诱舭l(fā)器循環(huán)水泵21，啟動供熱循環(huán)水泵41，啟動熱泵壓縮機(jī) 31，開啟閥61、閥61，熱泵工作過程如熱泵供熱方式所述，換熱器工作過程如換熱器加熱方 式，水循環(huán)方式也相同，這時二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4中的水經(jīng)兩次加溫，第一次由熱泵系統(tǒng) 3加熱，第二次由換熱器5加熱，加熱到所需溫度，這種方式可獲得更高的供熱溫度。運(yùn)行模式白天，開啟蓄能系統(tǒng)，讓低溫蓄水池的水溫從10°C升至20°C，夜間使用 谷電運(yùn)行熱泵，將蓄水池中的能量通過熱泵轉(zhuǎn)換成用來加熱二次網(wǎng)供熱循環(huán)水的熱量，夜 間谷電時間由熱泵系統(tǒng)供熱；白天由集中供熱換熱器供熱，既二次網(wǎng)供熱循環(huán)水由集中供 熱的換熱器加熱。這種運(yùn)行模式獲得熱量的單位成本比燃煤方式獲得熱量的單位成本略 低，因此具有很好的經(jīng)濟(jì)性，有推廣價(jià)值。同時熱泵系統(tǒng)夜間使用谷電，白天退出運(yùn)行，對電 網(wǎng)有很好的調(diào)節(jié)作用。這種運(yùn)行模式，可根據(jù)客戶的實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。故障運(yùn)行方式若熱泵系統(tǒng)發(fā)生故障，可關(guān)閉截止閥43、截止閥44，開啟截止閥491，二次供熱循 環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4中的水由換熱器5加熱，保證供熱正常進(jìn)行，此時可處理熱泵系統(tǒng)3故障，待故 障排除，再恢復(fù)原供熱狀況；
若換熱器系統(tǒng)故障，可關(guān)閉截止閥45、截止閥46，開啟截止閥492，二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4中的水由熱泵系統(tǒng)加熱，保證供熱正常進(jìn)行，此時可處理換熱器5故障，待故障排 除，再恢復(fù)原供熱狀況。太陽能-熱泵與集中供熱聯(lián)供系統(tǒng)，由于太陽能大量替代了原煤，大量的減少了二氧化碳等污染物的排放，可獲得很好的節(jié)能減排效果。太陽能的替代量視太陽能集熱器1 的面積和低溫蓄水池2的容量而定，一般可替代30% -50%左右。更大的太陽能替代量使 得投資巨大，經(jīng)濟(jì)性下降，再者安全性也不夠。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱設(shè)計(jì)方法，第一步，根據(jù)應(yīng)用的場合和用戶端散熱的設(shè)備確定熱負(fù)荷；第二步，計(jì)算單位面積日需求熱量熱負(fù)荷×?xí)r間×熱負(fù)荷系數(shù)；該熱負(fù)荷系數(shù)是在設(shè)計(jì)供熱需求時折算實(shí)際供熱量的參數(shù)；其特征在于第三步，根據(jù)是實(shí)際情況設(shè)計(jì)太陽能-熱泵系統(tǒng)占總體供熱的比例，由此計(jì)算出單位供熱面積太陽能-熱泵系統(tǒng)日提供熱量；第四步，選取熱泵系統(tǒng)，確定其能效比；并由此計(jì)算出單位供熱面積由太陽能集熱器日提供熱量；第五步，計(jì)算單位面積需太陽能集熱器面積單位供熱面積由太陽能集熱器日提供熱量/太陽能集熱器每天每平方米可收集的熱量；第六步，計(jì)算低溫蓄水池的容量所需供熱的面積×單位面積日需求熱量×熱泵供熱的所占的比例/溫差/水的熱功當(dāng)量；第七步，計(jì)算所需的太陽能集熱器總面積所需供熱的面積×計(jì)算單位面積需太陽能集熱器面積。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱設(shè)計(jì)方法，其特征 在于所述第三步中所述的陽能-熱泵系統(tǒng)占總體供熱的比例，由實(shí)施本技術(shù)方案的區(qū)域 的谷電時間來計(jì)算，具體是谷電時間/每天平均供熱需求時間；所述每天平均供熱需求時 間為24小時X熱負(fù)荷系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱設(shè)計(jì)方法，其特征 在于所述第六步的溫差取5°C計(jì)算。
4.利用太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱的實(shí)施系統(tǒng)，其特征在于包括太 陽能集熱器，蓄能循環(huán)水系統(tǒng)，低溫蓄水池，低溫蓄水池的補(bǔ)水系統(tǒng)，能量輸送循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)， 熱泵供熱系統(tǒng)，二次循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)，一次循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)，熱交換器；所述的太陽能集熱器設(shè)置在戶外，根據(jù)實(shí)際需要按權(quán)利要求1所述設(shè)計(jì)方法設(shè)置預(yù)定 的規(guī)模；所述的低溫蓄水池實(shí)際需要按權(quán)利要求1所述設(shè)計(jì)方法設(shè)置預(yù)定的規(guī)模，通過蓄能循 環(huán)水系統(tǒng)與太陽能集熱器聯(lián)通；所述熱泵系統(tǒng)，包括冷凝器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器；其蒸發(fā)器一端通過能量輸送循環(huán)水網(wǎng)絡(luò) 與低溫蓄水池管路連接，提取儲存在其中的太陽能；二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)熱泵系統(tǒng)的冷凝器一端串聯(lián)入此網(wǎng)絡(luò)之中，加熱后的供熱循環(huán) 水由二次網(wǎng)供水管線送往客戶端；一次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)其中連接的是傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)，通過換熱器與二次網(wǎng)供熱 循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)連接，將一次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)中供熱循環(huán)水的熱量傳遞到二次網(wǎng)供熱循環(huán)水網(wǎng) 絡(luò)，再送往客戶端；所述熱交換器位于一次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)和二次供熱水循環(huán)網(wǎng)絡(luò)之間，起到能量交換的 作用。
5.如權(quán)利要求4所述利用太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱的實(shí)施系統(tǒng)， 其特征在于所述熱泵系統(tǒng)其冷凝器輸出熱水最高溫度取42°C -48°C，蒸發(fā)器最低溫度取5°C _10°C，取能效比為4-5。
6.如權(quán)利要求5所述利用太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱的實(shí)施系統(tǒng)，其 特征在于所述熱泵系統(tǒng)其冷凝器輸出熱水最高溫度取45°C，蒸發(fā)器最低溫度取7°C，取能 效比為4。
7.—種如權(quán)利要求3所述系統(tǒng)的使用方法，其特征在于在谷電時間內(nèi)，運(yùn)行熱泵系統(tǒng)。
8.—種如權(quán)利要求7所述系統(tǒng)的使用方法，其特征在于同時，開通傳統(tǒng)集中供熱系 統(tǒng)，一同運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明技術(shù)方案利用太陽能和熱泵替代部分傳統(tǒng)熱源的集中供熱的實(shí)施系統(tǒng)，包括太陽能集熱器，蓄能循環(huán)水系統(tǒng)，低溫蓄水池，低溫蓄水池的補(bǔ)水系統(tǒng)，能量輸送循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)，熱泵供熱系統(tǒng)，二次循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)，一次循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)，熱交換器；其設(shè)計(jì)方法能使小規(guī)模的太陽能集熱器收集較多的太陽能，并將其熱量存放在低溫蓄水池中，谷電時間運(yùn)行熱泵將水池中的熱量提升溫度后加熱二次供熱循環(huán)水，白天用太陽能再加熱水池中的水，周而復(fù)始；所有換熱站都安裝太陽能-熱泵，系統(tǒng)可獲得很大熱量，并大量的替代原煤，原煤替代量約30％-50％或更高。不僅大量節(jié)約了燃料，而且大量減少了二氧化碳等煙氣的排放及灰渣的排放，既環(huán)保又節(jié)能。
文檔編號F24D11/02GK101813335SQ20101010927
公開日2010年8月25日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者單秋潔, 張巖, 張迪川, 焦洋, 王新北, 蘇壯強(qiáng), 苗豫東, 陳堅(jiān), 魏欣 申請人:沈陽聯(lián)美藍(lán)天環(huán)保新能源有限公司;沈陽市地源熱泵規(guī)劃建設(shè)管理辦公室