專利名稱：適用于軌道交通基地的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及軌道交通節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域以及太陽能熱利用技術(shù)領(lǐng)域， 尤其涉及軌道交通車輛基地動(dòng)態(tài)熱水需求下的熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全球性石化能源的緊缺以及溫室效應(yīng)的加劇給環(huán)境和社會(huì)發(fā)展帶來了 很多負(fù)擔(dān)，作為應(yīng)對，近年來太陽能等可再生能源的開發(fā)及利用發(fā)展迅速。
在建筑能源消耗構(gòu)成中，熱水使用造成的能耗約占30%左右，而采用太陽能 熱水系統(tǒng)能使熱水能耗降低到先前的30% 70%左右。雖然太陽能熱水系統(tǒng) 具有如此的節(jié)能潛力，但它同時(shí)也存在一些問題。太陽能熱水器以太陽能 為熱源，而太陽能具有很強(qiáng)的變動(dòng)性，夜間或者陰雨天氣下能不能有效的 工作。因此，盡管太陽能熱水器在住宅中的普及率已經(jīng)較高，但是在其他 場合，由于對供熱穩(wěn)定性要求較高，獨(dú)立的太陽能熱水系統(tǒng)并不常見，而 是與其他輔助熱源協(xié)同運(yùn)作，包括電加熱、燃?xì)忮仩t及空氣源熱泵等。研 究表明目前情況下，與其他幾種類型的輔助加熱相比，空氣源熱泵系統(tǒng)產(chǎn) 出生活熱水時(shí)在經(jīng)濟(jì)性和加熱效率方面具有優(yōu)勢，同時(shí)其應(yīng)用場合及時(shí)間 也不受限制。因此熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)已經(jīng)有了不少設(shè)計(jì)及應(yīng)用， 比如申請?zhí)朇N200720081186. 3的專利給出了一種空氣源熱泵輔助加熱太陽 能熱水設(shè)備。該設(shè)備采用空氣源熱泵進(jìn)一步加熱空氣太陽能集熱器熱水箱 中的熱水，達(dá)到需求的熱水溫度。這種空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)以 及其它類似的裝置或系統(tǒng)，面向的對象都以家庭為主，適用于單一的小量 的熱水需求，而在其他應(yīng)用場合的效果并不理想。
3對于軌道交通地鐵車輛基地來說，其對熱水的要求有很多自身特點(diǎn) 一是熱水需求時(shí)間長，車輛維護(hù)工作要求一天24小時(shí)都有充足的工作熱水 及洗浴熱水；二是熱水消耗量的動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，這與車輛維護(hù)工作自身較大的 隨機(jī)性有關(guān)，熱水消耗量時(shí)大時(shí)??；三是熱水消耗量大，這由車輛維護(hù)工 作特點(diǎn)決定。針對以上這些特點(diǎn)，車輛的基地的熱水系統(tǒng)與一般性的太陽 能熱水系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有所差異，熱水量需求大的特點(diǎn)決定系統(tǒng)應(yīng)該能夠充 分利用太陽能以獲得較高的節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益，熱水需求的持續(xù)性及動(dòng)態(tài)性 又要求系統(tǒng)的輔助熱源具有較快的反應(yīng)速度以及靈活性。
如何設(shè)計(jì)一種能夠有效的滿足上述需求的適用于軌道交通基地的空氣 源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)是技術(shù)人員要解決的問題。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型需要解決的技術(shù)問題是提供了一種適用于軌道交通基地的 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，旨在解決上述的問題。
為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本實(shí)用新型包括 一個(gè)蓄熱水箱， 一個(gè)連接蓄熱水箱的太陽能集熱器 陣列；還包括 一個(gè)空氣源熱泵， 一個(gè)串接在蓄熱水箱和用戶之間的緩沖 熱水箱；所述的空氣源熱泵與緩沖熱水箱相接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是能夠提高太陽能利用率， 節(jié)約能源消耗，并隨時(shí)保證熱水供應(yīng)能滿足需求。

圖l為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1中太陽能集熱器陣列示意圖3為圖2中單個(gè)太陽能集熱器結(jié)構(gòu)示意圖4為圖1中中緩沖熱水箱結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述 由圖l可見本實(shí)用新型包括 一個(gè)蓄熱水箱2， 一個(gè)連接蓄熱水箱2 的太陽能集熱器陣列l(wèi);還包括 一個(gè)空氣源熱泵4， 一個(gè)串接在蓄熱水箱 2和用戶之間的緩沖熱水箱3;所述的空氣源熱泵4與緩沖熱水箱3相接；
在太陽能集熱器陣列1、蓄熱水箱2以及緩沖熱水箱3中分別安置一個(gè)
連接監(jiān)控中心的溫度傳感器(圖中未示)；
所述的安置在太陽能集熱器陣列1中的溫度傳感器是在位于與太陽能
集熱器陣列1出口最接近的水箱中；所述的安置在蓄熱水箱2中的溫度傳
感器是在位于蓄熱水箱上部，液面之下接近液面處；所述的安置在緩沖熱
水箱3中的溫度傳感器是在緩沖熱水箱中部；
所述的太陽能集熱器陣列1是平板集熱器或真空管集熱器； 所述的太陽能集熱器陣列1與蓄熱水箱2的連接是通過一個(gè)管道上的
集熱泵5連接的；所述的集熱泵5在蓄熱水箱2下部出口與太陽能集熱器
陣列l(wèi)之間；
所述的蓄熱水箱2與緩沖熱水箱3連接是通過一個(gè)連通管6連接的； 所述的連通管6與蓄熱水箱2相連的一端低于與緩沖熱水箱3相連的一端； 所述的蓄熱水箱2和緩沖熱水箱3的液面高度相同。 本實(shí)用新型主要原理是通過太陽能集熱器和大型蓄熱水箱來盡可能的 收集利用免費(fèi)、清潔的太陽能，并將能量續(xù)存在蓄熱水箱中。由于太陽能 在不同天氣、不同時(shí)刻下強(qiáng)度不同，因此其供熱能力也有所差異，為了保 證在強(qiáng)太陽輻照和弱太陽輻照天氣下太陽能都能得到充分的利用，蓄熱水 箱的蓄熱容量相對較大。所以在長期連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)中，其中大部分時(shí)間 下蓄熱水箱的溫度并不能滿足使用需求。為此，本實(shí)用新型中設(shè)置了一臺(tái) 空氣源熱泵來輔助供熱，保證末端熱水溫度。太陽能集熱和熱泵聯(lián)合運(yùn)作 模式下，二者的工作狀態(tài)需要協(xié)調(diào)好。由于太陽能熱水在運(yùn)行期間基本上是免費(fèi)的，而熱泵熱水則需要按產(chǎn)熱比例消耗一定的電能，所以聯(lián)合運(yùn)行 時(shí)，應(yīng)該以太陽能為主、熱泵為輔，才能具有較高的經(jīng)濟(jì)收益及節(jié)能效果。 然而，前面提到在系統(tǒng)運(yùn)行的大部分時(shí)間，單靠太陽能集熱器并不能保證 熱水溫度，所以作為輔助的空氣源熱泵的運(yùn)行需要遵循兩個(gè)原則其一是 開啟時(shí)間要少，盡量保證太陽能負(fù)擔(dān)主要負(fù)荷；其二是要保證系統(tǒng)出水溫度 滿足末端需求。上述兩條原則在實(shí)際運(yùn)行時(shí)有一定的矛盾性，由于太陽能 對蓄熱水箱的加熱是一個(gè)逐漸進(jìn)行的過程，如果空氣源熱泵隨時(shí)保證蓄熱 水箱的溫度達(dá)到使用要求，則在晴天午間等輻照強(qiáng)烈的時(shí)刻，由于太陽能 得熱大大提高導(dǎo)致蓄熱水箱的溫度過高，這樣不但系統(tǒng)漏熱增加，而且過 高的熱水溫度會(huì)降低太陽能集熱器的集熱效率，就是說在這種情況下太陽 能的利用度被降低了，在總供熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)那闆r下，相應(yīng)的熱泵消耗的電 量就增加了，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果。在這種規(guī)模的太陽能熱水 系統(tǒng)中，目前對于太陽輻射強(qiáng)度的變化還無法給予較為準(zhǔn)確的預(yù)測，就是 說采用前饋預(yù)測控制的方法來控制熱泵運(yùn)行的方案在復(fù)雜度和可行性方面 是不現(xiàn)實(shí)的。針對這種情況，本實(shí)用新型采用了串聯(lián)在系統(tǒng)中的緩沖熱水 箱來應(yīng)對。緩沖熱水箱串聯(lián)在蓄熱水箱和用戶之間，容量相對蓄熱水箱來 說要小很多，水箱的液面之下，設(shè)置了螺旋形盤管，作為空氣源熱泵機(jī)組 的冷凝器。當(dāng)緩沖熱水箱的溫度低于末端需求溫度時(shí)，熱泵機(jī)組開始運(yùn)行， 通過冷凝器盤管迅速加熱緩沖熱水箱中的熱水，直到達(dá)到設(shè)定溫度為止。 緩沖水箱通過一個(gè)連通管道與蓄熱水箱相連，在緩沖熱水箱的熱水被消耗 之后，根據(jù)連通器原理，蓄熱水箱中的熱水會(huì)從該聯(lián)通管道進(jìn)入緩沖熱水 箱對消耗掉的熱水進(jìn)行補(bǔ)充。如此，在太陽能集熱效率和利用度都較高的 同時(shí)，末端的熱水溫度也得到了保證。
太陽能集熱器可以采用平板集熱器或真空管集熱器或其他類型的集熱 器。實(shí)際應(yīng)該采用何種集熱器需要根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、使用要求以及當(dāng)?shù)貧夂驔Q定。 一般情況下，對于該系統(tǒng)比較適合的集熱器形式為平板集熱器。由 于蓄熱水箱的溫度較低，此時(shí)平板集熱器一般比真空管等其他形式的集熱 器具有更高的效率。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，在樓頂或其他空曠地帶設(shè)置集 熱器陣列。軌道交通車輛基地一般面積較大并且以低層建筑為主，所以具 有足夠的空間來放置集熱器陣列。集熱器陣列由若干獨(dú)立的集熱器按照一 定的串聯(lián)、并聯(lián)形式組成。每個(gè)集熱器上部自身帶有獨(dú)立小水箱，水箱內(nèi) 部沿水平方向布置有螺旋形換熱盤管。采用換熱盤管之后，集熱器和水箱 就成了獨(dú)立的兩個(gè)循環(huán)，這樣集熱器內(nèi)部的工質(zhì)除了水之外，還可以采用 其他的防凍液，可以保證在冬季也能順利運(yùn)行。
集熱器水箱內(nèi)部的換熱盤管通往所述蓄熱水箱，由一臺(tái)集熱水泵驅(qū)動(dòng) 內(nèi)部循環(huán)。蓄熱水箱的容量較大以充分吸收利用太陽能，蓄熱水箱通往集 熱器陣列的一對進(jìn)出口，分別位于水箱上、下部。水箱里的熱水通過下部 出口流向集熱器陣列，并通過上部出口流回來，這樣由于水箱的分層作用， 位于水箱下部溫度稍低的冷進(jìn)入集熱器陣列后能換熱更充分。該循環(huán)回路 中的集熱泵的運(yùn)行受監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)。蓄熱水箱內(nèi)部配有補(bǔ)水系統(tǒng)，比如浮 球閥補(bǔ)水器或其他類型的補(bǔ)水器，補(bǔ)水系統(tǒng)維持了蓄熱水箱內(nèi)部的蓄水量。 蓄熱水箱容器周圍具有保溫結(jié)構(gòu)以削減熱量散失，保溫結(jié)構(gòu)可以是常用的 高分子材料絕熱層或者其他形式的高溫層。蓄熱水箱接近一半高度處伸出 一根聯(lián)通管，另一端與緩沖熱水箱相連。該聯(lián)通管需要傾斜布置，位于蓄 熱水箱側(cè)的一端偏低，位于緩沖熱水箱側(cè)的另一端偏高。根據(jù)流體溫度和 密度的關(guān)系，采用這種傾斜的聯(lián)通管，可以防止緩沖熱水箱中溫度較高的 熱水流入蓄熱水箱中溫度較低的熱水中，從而保證緩沖熱水箱溫度始終較 高。
緩沖熱水箱內(nèi)部沿豎直方向安置有螺旋形換熱盤管，用作空氣源熱泵 的冷凝器。該冷凝器通過管道與空氣源熱泵主機(jī)相連。在緩沖熱水箱的上
7部和下部各有一個(gè)出口，熱泵內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)從水箱上部的出口流入緩沖熱 水箱中的冷凝器，然后再從下部出口回到熱泵主機(jī)。緩沖水箱接近上部的 地方，是通過熱水使用末端的出口，在熱水被消耗的同時(shí)，蓄熱水箱中的 熱水通過聯(lián)通管補(bǔ)充進(jìn)來，維持緩沖熱水箱內(nèi)的水位穩(wěn)定。該出口和冷凝 器盤管之間，被豎直隔板隔開，以保證從蓄熱水箱流入緩沖熱水箱的水在 離開緩沖熱水箱被送往熱水使用末端之前能流經(jīng)整個(gè)換熱盤管而被充分加 熱。緩沖熱水箱周圍也需要進(jìn)行保溫處理，保溫結(jié)構(gòu)可以是常用的高分子 材料絕熱層或者其他形式的高溫層。
監(jiān)控系統(tǒng)包括溫度傳感器和控制器，通過監(jiān)視系統(tǒng)中集熱器、蓄熱水 箱和緩沖熱水箱的溫度，確定系統(tǒng)的運(yùn)行方式，繼而調(diào)節(jié)集熱泵和空氣源 熱泵的運(yùn)行。其中集熱器內(nèi)的溫度傳感器位于與集熱器陣列出口最接近的 集熱器的水箱中。蓄熱水箱內(nèi)的溫度傳感器位于蓄熱水箱上部，液面之下 接近液面處。緩沖熱水箱內(nèi)的溫度傳感器位于緩沖熱水箱中部。溫度信號(hào)
被送往控制核心，控制核心可以是單片機(jī)、PLC、或電腦等。控制核心根據(jù) 編寫在內(nèi)部的控制程序以及接收到的溫度信號(hào)，確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，繼 而調(diào)節(jié)集熱泵和空氣源熱泵的運(yùn)行。
如圖1所示，本實(shí)用新型主要包括太陽能集熱器陣列l(wèi)，蓄熱水箱2， 緩沖熱水箱3以及空氣源熱泵4幾部分。太陽能集熱器陣列1與蓄熱水箱2 之間通過管道相連，管道上串聯(lián)有集熱泵5。當(dāng)集熱泵5運(yùn)行時(shí)，蓄熱水箱 2內(nèi)的水流經(jīng)位于集熱器陣列中的換熱盤管，從而加熱蓄熱水箱2內(nèi)部的熱 水。蓄熱水箱2與緩沖熱水箱3之間通過傾斜的連通管6道相連。該連通 管6道將蓄熱水箱2和緩沖熱水箱3聯(lián)合成一個(gè)連通器，使得在緩沖熱水 箱3中的熱水被消耗后能夠從蓄熱水箱2中得到補(bǔ)充，維持緩沖熱水箱3 中的熱水容量?？諝庠礋岜?的冷凝器盤管內(nèi)置于緩沖熱水箱3中，當(dāng)空 氣源熱泵4運(yùn)行時(shí)，能夠迅速加熱緩沖熱水箱3的熱水，滿足熱水末端溫度需求。
本實(shí)用新型中的太陽能集熱器陣列1的具體構(gòu)形如圖2所示，由若干 獨(dú)立集熱器通過一定的串聯(lián)、并聯(lián)方式組成。對于連續(xù)運(yùn)行的太陽能熱水 系統(tǒng)，集熱器陣列的串聯(lián)、并聯(lián)形式對集熱效率的影響不大，主要的作用 就是通過合理的串聯(lián)、并聯(lián)方式來使得集熱器陣列的總流量和壓力損失能 與集熱泵5的額定流量及壓頭相匹配。
其中作為集熱器陣列1的基本組成單元的單個(gè)集熱器，其一個(gè)實(shí)例的 構(gòu)造如圖3所示，主要由一個(gè)平板型集熱器主體和位于其上部的一個(gè)帶有 螺旋形換熱盤管11的集熱器蓄水箱10組成。平板型集熱器主體與目前常 見的平板型集熱器相同，主要由吸熱板7、吸熱涂層8、工質(zhì)流動(dòng)通道9、 玻璃蓋板、保溫層、殼體和支架組成。其中位于吸熱板上的集熱工質(zhì)的流 道方向?yàn)樽陨隙?，并沿水平方向按并?lián)方式排布在與集熱板上。集熱工 質(zhì)流道上端和下端分別匯入各自的總管，上端總管13接入集熱器水箱的上 部，下端總管12接入集熱器水箱的下部，這樣在集熱器接受太陽輻照時(shí)， 不同溫度下水的密度差驅(qū)動(dòng)集熱器水箱下部溫度較低的水流入集熱板上的 流道中被加熱，然后流回集熱器水箱上部，從而是集熱水箱內(nèi)的總體水溫 得到提升。集熱器水箱內(nèi)部沿水平方向排布了螺旋形換熱盤管，在集熱泵5 的驅(qū)動(dòng)下，蓄熱水箱2中的水經(jīng)過集熱器水箱進(jìn)出口 14及15，從螺旋形換 熱盤管11內(nèi)部流過，被集熱器蓄水箱10中的熱水加熱。
作為本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)例，組成集熱器陣列1的單個(gè)集熱器也可 以是真空管集熱器等其他形式的集熱器。
本實(shí)用新型中的蓄熱水箱2為帶有保溫的大容量水箱。水箱內(nèi)部設(shè)有 補(bǔ)水器，維持水箱內(nèi)液位。補(bǔ)水器可以是浮球閥補(bǔ)水器或者帶有液位傳感 器的電磁閥等其他形式的補(bǔ)水器。蓄熱水箱2通往集熱器陣列的管道，其 進(jìn)口和出口分別位于蓄熱水箱2的上部和下部，水箱里下部溫度較低的水從下部出口流出，進(jìn)入集熱器陣列被加熱，然后再從上部入口流回。
本實(shí)用新型中的緩沖熱水箱3的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。緩沖熱水箱3 的容量較小，以與空氣源熱泵4的供熱能力相匹配。緩沖熱水箱3被隔板 17分隔成一大一小兩個(gè)部分。較大的一側(cè)內(nèi)部具有一個(gè)沉浸式螺旋形換熱 盤管16，即為空氣源熱泵4的冷凝器。通向空氣源熱泵4機(jī)組的管道在緩 沖熱水箱3的上部和下部各有一個(gè)出口，空氣源熱泵4機(jī)組中的工作工質(zhì) 從上部進(jìn)口 19流入冷凝器，加熱緩沖熱水箱3中的熱水之后經(jīng)由下部出口 20流出，回到空氣源熱泵4機(jī)組。在緩沖熱水箱3這一側(cè)的中上部，具有 一個(gè)出口21，通向熱水使用末端。緩沖熱水箱3被隔板分成的較小的一部 分，被用作從蓄熱水箱2補(bǔ)充進(jìn)來的熱水的流道。隔板在緩沖熱水箱3的 垂直壁面上固定，并且與緩沖熱水箱3的頂蓋或箱底都沒有密封連接。這 樣，在緩熱水箱中的熱水被送往使用末端時(shí)，根據(jù)連通器原理，蓄熱水箱2 中的熱水通過傾斜連通管6以及緩沖熱水箱補(bǔ)水入口 18流入緩沖熱水箱3 中隔板17分隔出的較小的一部分，然后進(jìn)一步流向水箱底部穿過隔板下方 的通道，接著沿冷凝器盤管方向上升被充分加熱，最后從該側(cè)中上部的出 口流出，被送往熱水使用末端。
權(quán)利要求1.一種適用于軌道交通基地的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，包括一個(gè)蓄熱水箱(2)，一個(gè)連接蓄熱水箱(2)的太陽能集熱器陣列(1)；其特征在于還包括一個(gè)空氣源熱泵(4)，一個(gè)串接在蓄熱水箱(2)和用戶之間的緩沖熱水箱(3)；所述的空氣源熱泵(4)與緩沖熱水箱(3)相接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于在太陽能集熱器陣列(l)、蓄熱水箱(2)以及緩沖熱水箱(3)中分別安置一個(gè)連接監(jiān)控中心的溫度傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的安置在太陽能集熱器陣列(1)中的溫度傳感器是在位于與太陽能集熱器陣列(1)出口最接近的水箱中；所述的安置在蓄熱水箱(2)中的溫度傳感器是在位于蓄熱 水箱上部，液面之下接近液面處；所述的安置在緩沖熱水箱(3)中的溫度 傳感器是在緩沖熱水箱中部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽能集熱器陣 列(1)是平板集熱器或真空管集熱器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽能集熱 器陣列(1)與蓄熱水箱(2)的連接是通過一個(gè)管道上的集熱泵(5)連接 的；所述的集熱泵(5)在蓄熱水箱(2)下部出口與太陽能集熱器陣列(1) 之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的蓄熱水箱(2) 與緩沖熱水箱(3)連接是通過一個(gè)連通管(6)連接的；所述的連通管(6) 與蓄熱水箱(2)相連的一端低于與緩沖熱水箱(3)相連的一端。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的蓄熱水箱(2) 和緩沖熱水箱(3)的液面高度相同。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種適用于軌道交通基地的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，包括一個(gè)蓄熱水箱(2)，一個(gè)連接蓄熱水箱(2)的太陽能集熱器陣列(1)；還包括一個(gè)空氣源熱泵(4)，一個(gè)串接在蓄熱水箱(2)和用戶之間的緩沖熱水箱(3)；所述的空氣源熱泵(4)與緩沖熱水箱(3)相接；本實(shí)用新型的有益效果是能夠提高太陽能利用率，節(jié)約能源消耗，并隨時(shí)保證熱水供應(yīng)能滿足需求。
文檔編號(hào)F24J2/20GK201293395SQ20082015324
公開日2009年8月19日 申請日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者宋兆培, 清 溫, 王曉保, 翟曉強(qiáng) 申請人:上海申通軌道交通研究咨詢有限公司