本發(fā)明涉及室內(nèi)供暖/供冷/供生活熱水領(lǐng)域，具體涉及一種基于蓄能的太陽能制熱制冷系統(tǒng)及其運(yùn)行控制方法。

背景技術(shù)：

我國建筑能耗不斷增加，其中建筑供冷供熱和生活熱水能耗增長尤其快。傳統(tǒng)的供冷、供熱、供生活熱水多采用煤、氣、電作動力能源。這些不可再生能源不僅導(dǎo)致空氣污染，還導(dǎo)致全球變暖。相比之下太陽能資源豐富，用之不竭，并且太陽能是一種潔凈的清潔能源。大量的使用太陽能制冷制熱，可減少在滿足用戶冷熱需求及生活熱水需求時(shí)對不可再生能源的依賴性，降低環(huán)境污染，緩解能源緊張短缺的形勢。但太陽能是不穩(wěn)定的能源，太陽能輻射不足時(shí)，無法滿足供冷供熱和熱水需求。

目前的太陽能利用方式主要有兩種，一種是利用太陽能發(fā)電來進(jìn)行制冷制熱的方式，但是這種方式使用光電能源導(dǎo)致太陽能的綜合利用效率不高，無法實(shí)現(xiàn)極端低溫的天氣下太陽能的利用。另外一種是將太陽能與熱泵結(jié)合的方式，但是這種方式只是采用傳統(tǒng)的水箱儲能，所以儲熱能力相對薄弱，在極端低溫的天氣下也無法保證用戶的正常使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種不受太陽能輻射程度影響的制熱制冷系統(tǒng)，提高太陽能利用率，以解決極端低溫天氣下客戶的供冷供熱及熱水需求。

本發(fā)明提供的這種基于蓄能的太陽能制熱制冷系統(tǒng)，主要包括太陽能光伏光熱一體化組件、太陽能空調(diào)、pcm蓄能罐、熱水箱和室內(nèi)輻射板，太陽能光伏光熱一體化組件的入口和出口分別與pcm蓄能罐、熱水箱和太陽能空調(diào)連通形成循環(huán)回路；pcm蓄能罐和熱水箱之間連通形成循環(huán)回路；pcm蓄能罐和太陽能空調(diào)連通形成閉合回路；太陽能空調(diào)和室內(nèi)輻射板之間連通形成供冷回路；熱水箱與室內(nèi)輻射板之間連通形成供暖回路，熱水箱連接有生活熱水管；太陽能空調(diào)和熱水箱與室內(nèi)輻射板之間連通管道中的流體為水，其它設(shè)備之間連通管道中的流體為導(dǎo)熱油；pcm蓄能罐和熱水箱中分別設(shè)置輔助熱源。

所述陽能光伏光熱一體化組件包括太陽能集熱器，太陽能集熱器包括若干并列的真空管，真空管內(nèi)的換熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油；真空管包括共軸向中心線套裝的內(nèi)、外玻璃管，兩玻璃管之間為真空層，內(nèi)玻璃管的外壁有吸熱涂層、內(nèi)壁設(shè)置有沿徑向布置的板狀翅片，板狀翅片采用超導(dǎo)材料制作；真空管內(nèi)的換熱管采用螺旋紫銅管，沿內(nèi)玻璃管軸向布置；內(nèi)玻璃管中填充有相變材料，相變材料的填充高度為內(nèi)玻璃管的四分之三；內(nèi)玻璃管內(nèi)沿軸向布置有橡膠管，橡膠管的下端為封閉端、上端為開口端，下端位于內(nèi)玻璃管的底部、上端面高于內(nèi)玻璃管內(nèi)相變材料膨脹時(shí)的最高高度。

所述pcm蓄能罐、熱水箱和太陽能空調(diào)均設(shè)置有多個(gè)入口和出口。

所述pcm蓄能罐上設(shè)置有a1、d1、f1三個(gè)入口和b1、c1、e1三個(gè)出口，熱水箱有c2、b2、f2三個(gè)入口和a2、d2、e2三個(gè)出口，太陽能空調(diào)有a3、d3兩個(gè)入口和b3、c3兩個(gè)出口；太陽能光伏光熱一體化組件的出口通過連接管道及四通閥分別與pcm蓄能罐a1入口、熱水箱的c2入口和太陽能空調(diào)的a3入口連通；pcm蓄能罐的b1出口、熱水箱的d2出口、太陽能空調(diào)的b3出口分別通過連接管道與太陽能光伏光熱一體化組件的入口連通；pcm蓄能罐的c1出口與熱水箱的b2入口、熱水箱的a2出口與pcm蓄能罐的d1入口分別通過連接管道連通；pcm蓄能罐的e1出口與太陽能空調(diào)的a3入口、太陽能空調(diào)的b3出口與pcm蓄能罐的f1入口分別通過連接管道連通；太陽能空調(diào)的c3出口與室內(nèi)輻射板的入口、室內(nèi)輻射板的出口與太陽能空調(diào)的d3入口分別通過連接管道連通；熱水箱的e2出口與室內(nèi)輻射板的入口、室內(nèi)輻射板的出口與熱水箱的f2入口分別通過連接管道連通，熱水箱的e2出口同時(shí)連接有生活熱水管。

所述pcm蓄能罐和熱水箱中的所述輔助熱源為螺旋式電熱管；熱水箱連接有補(bǔ)水裝置；pcm蓄能罐中有導(dǎo)熱油和封裝的相變材料。

所述pcm蓄能罐的a1入口與b1出口、d1入口與c1出口、e1出口與f1入口之間均通過螺旋紫銅管連接；熱水箱的a2出口與b2入口、c2入口與d2出口均通過螺旋紫銅管連接；太陽能空調(diào)的a3入口與b3出口連通形成熱媒通道，c3出口與d3入口連通形成冷媒通道。

所述pcm蓄能罐的c1出口與熱水箱的b2入口之間的連接管道、pcm蓄能罐的e1出口和太陽能空調(diào)的a3入口之間的連接管道上分別連接有熱循環(huán)泵；所述太陽能光伏光熱一體化組件的入口管道上連接有循環(huán)泵。

所述pcm蓄能罐、熱水箱和太陽能空調(diào)的各入口處均連接有閘閥和蝶閥，各連接管道外均設(shè)置有保溫層。

所述pcm蓄能罐的d1入口與c1出口、e1出口與f1入口之間的螺旋式紫銅換熱管分別連接第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，所述熱水箱中設(shè)置有一個(gè)溫度傳感器。

本發(fā)明還提供了一種利用前述系統(tǒng)的制熱制冷方法，該方法根據(jù)不同季節(jié)采取不同運(yùn)行方式，具體如下：

冬季制熱水采暖模式

（a）在太陽輻射充足的情形下，開啟太陽能光伏光熱一體化組件為pcm蓄能罐、熱水箱提供熱量，熱水箱內(nèi)的熱水為室內(nèi)輻射板提供熱源供暖，并供給生活熱水；

（b）在太陽輻射不足的情形下，置于pcm蓄能罐內(nèi)的第一溫度傳感器測得溫度大于60℃時(shí)，pcm蓄能罐作為熱源加熱熱水箱內(nèi)的水，熱水箱內(nèi)的熱水為室內(nèi)輻射板提供熱量并供給生活熱水；若置于pcm蓄能罐內(nèi)的第一溫度傳感器測得的溫度小于60℃，給熱水箱內(nèi)的輔助熱源通電加熱熱水箱中的水給室內(nèi)輻射板提供熱量并供給生活熱水；

過渡季節(jié)單制熱水模式

（a）在太陽輻射充足的情形下，開啟太陽能光伏光熱一體化組件為pcm蓄能罐、熱水箱提供熱量，熱水箱供給生活熱水；

（b）在太陽輻射不足的情形下，pcm蓄能罐內(nèi)的第一溫度傳感器測得溫度大于60℃時(shí)，pcm蓄能罐可作為熱源加熱熱水箱內(nèi)的水，熱水箱供給生活熱水；置于pcm蓄能罐內(nèi)的第一溫度傳感器測得的溫度小于60℃時(shí)，給熱水箱中的輔助熱源通電加熱生活熱水；

夏季制熱水和空調(diào)模式

（a）在太陽輻射充足的情形下，開啟太陽能光伏光熱一體化組件為pcm蓄能罐、熱水箱、太陽能空調(diào)提供熱量，其中熱水箱提供生活熱水，太陽能空調(diào)供給通入內(nèi)墻輻射板的冷媒水；

（b）在太陽輻射不足的情形下，pcm蓄能罐內(nèi)的第二溫度傳感器測得溫度大于100℃時(shí)，pcm蓄能罐為太陽能空調(diào)提供熱源，太陽能空調(diào)為室內(nèi)輻射板提供冷媒水；置于pcm蓄能罐內(nèi)的第二溫度傳感器測得的溫度小于100℃時(shí)，給pcm蓄能罐中的輔助熱源通電，加熱后的pcm蓄能罐為太陽能空調(diào)提供熱源，太陽能空調(diào)為室內(nèi)輻射板提供冷媒水。

本系統(tǒng)利用太陽能制冷制熱的同時(shí)通過pcm蓄能罐儲存一部分能量，提高了太陽能的利用率。在太陽輻射不足時(shí)，pcm蓄能罐儲存的能量可作為冷/熱源給系統(tǒng)中的用戶終端供熱/冷，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免因天氣影響的太陽能輻射不足時(shí)系統(tǒng)的工作出現(xiàn)暫停，給用戶帶來不便。為了避免本系統(tǒng)的使用受冬季極端低溫天氣的影響，在pcm蓄能罐和熱水箱中設(shè)置輔助熱源，當(dāng)pcm蓄能罐儲存的能量不足時(shí)，可通過輔助熱源來提供能量以滿足用戶的使用需求。

總之，本系統(tǒng)在太陽能輻射足時(shí)進(jìn)行能量的儲備供太陽能輻射不足時(shí)的應(yīng)急補(bǔ)充，使系統(tǒng)不易受天氣影響而無法正常運(yùn)行，在冬季極端氣候下蓄能罐儲存的能量不能滿足系統(tǒng)需求時(shí)通過輔助熱源來補(bǔ)充能量以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使本系統(tǒng)一年四季都能保證用戶的正常需求，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的設(shè)備布置示意圖。

圖2為圖1中太陽能光伏光熱一體化組件的太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2中太陽能集熱器的真空管的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖1中pcm蓄能罐的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為圖1中熱水箱的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明中的基于蓄能的太陽能制熱制冷系統(tǒng)由制熱/冷側(cè)、儲熱側(cè)和用戶側(cè)三部分組成。制熱/冷側(cè)以導(dǎo)熱油作為熱/冷媒，利用太陽能來產(chǎn)生熱能/冷能過程中涉及的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括太陽能光伏光熱一體化組件1、循環(huán)水泵2和太陽能空調(diào)6。太陽能光伏光熱一體化組件完成系統(tǒng)的集熱過程，用于供熱/生活熱水以及供給太陽能空調(diào)6所需的熱媒水。儲熱側(cè)將制熱/冷側(cè)產(chǎn)生的熱能進(jìn)行儲存，并且向制熱/冷側(cè)、用戶側(cè)供熱過程中涉及的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括pcm蓄能罐3、熱水箱4、熱循環(huán)泵5。用戶側(cè)為經(jīng)儲熱側(cè)流出的熱水或制熱/冷側(cè)流出的冷水在室內(nèi)處理空氣以及經(jīng)儲熱側(cè)流出的熱水供給用戶生活熱水過程中涉及的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括室內(nèi)輻射板7、生活熱水管9。制熱/冷側(cè)、儲熱側(cè)和用戶側(cè)通過連接件相連形成完整的基于蓄能的太陽能制熱制冷系統(tǒng)，連接件包括連接管道和四通換向閥10。

陽能光伏光熱一體化組件1包括太陽能集熱器11。如圖2、圖3所示，太陽能集熱器11包括若干并聯(lián)的真空管111和一個(gè)保溫罐112，真空管111通過傾斜布置的金屬支架113支撐。真空管111內(nèi)的換熱介質(zhì)采用導(dǎo)熱油，金屬支撐架13的角度可根據(jù)不同地區(qū)的太陽能高度角進(jìn)行調(diào)節(jié)。保溫罐112位于真空管111的上方，固定于金屬支架13上。真空管111包括內(nèi)玻璃管1111、外玻璃管1112、換熱管1113、橡膠管1114、板狀翅片1115。

內(nèi)玻璃管1111的外壁有吸熱涂層，內(nèi)玻璃管1111和外玻璃管1112之間為真空層。真空層可大大降低太陽能真空管向外散失的熱損失。換熱管1113采用螺旋紫銅管，管徑約8-10mm,沿內(nèi)玻璃管1111軸向布置。橡膠管1114的下端為封閉端、上端留有細(xì)小開口，沿內(nèi)玻璃管1111軸向布置。板狀翅片1115沿內(nèi)玻璃管1111的徑向布置于其內(nèi)壁。板狀翅片采用超導(dǎo)材料制作以提高換熱效率。內(nèi)玻璃管1111中填充有石蠟作為相變材料1116，其相變溫度為130-150℃，填充體積占內(nèi)玻璃管的四分之三，為了增加相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，在其內(nèi)部加入10%的按1:1比例混合的石墨與碳纖維的混合物。橡膠管1114的上端面高于相變材料膨脹時(shí)的最高高度，這樣在相變材料不均勻融化時(shí)，相變材料膨脹后可擠壓橡膠管14，從而防止內(nèi)玻璃管1111脹裂。

如圖1和圖4所示，pcm蓄能罐上設(shè)置有a1、d1、f1三個(gè)入口和b1、c1、e1三個(gè)出口。a1入口與b1出口、d1入口與c1出口、e1出口與f1入口之間均通過螺旋紫銅管連接。

如圖1和圖5所示，熱水箱有c2、b2、f2三個(gè)入口和a2、d2、e2三個(gè)出口。a2出口與b2入口、c2入口與d2出口均通過螺旋紫銅管連接。

如圖1所示，太陽能空調(diào)有a3、d3兩個(gè)入口和b3、c3兩個(gè)出口。a3入口與b3出口之間通過螺旋紫銅管連通形成熱媒通道，c3出口與d3入口之間通過螺旋紫銅管連通形成冷媒通道。

如圖1所示，太陽能光伏光熱一體化組件的出口通過連接管道及四通閥10分別與pcm蓄能罐a1入口、熱水箱的c2入口和太陽能空調(diào)的a3入口連通，pcm蓄能罐的b1出口、熱水箱的d2出口、太陽能空調(diào)的b3出口分別通過連接管道與太陽能光伏光熱一體化組件1的入口連通形成一個(gè)循環(huán)回路。太陽能光伏光熱一體化組件1的入口管道上連接有循環(huán)水泵2。

pcm蓄能罐的c1出口與熱水箱的b2入口、熱水箱的a2出口與pcm蓄能罐的d1入口分別通過連接管道連通形成一個(gè)循環(huán)回路。pcm蓄能罐的d1入口與c1出口、e1出口與f1入口之間的螺旋紫銅管分別連接第一溫度傳感器cgq1和第二溫度傳感器cgq2，熱水箱4中設(shè)置有一個(gè)溫度傳感器cgq。

pcm蓄能罐的e1出口與太陽能空調(diào)的a3入口、太陽能空調(diào)的b3出口與pcm蓄能罐的f1入口分別通過連接管道連通一個(gè)閉合回路。

pcm蓄能罐的c1出口與熱水箱的b2入口之間的連接管道、pcm蓄能罐的e1出口和太陽能空調(diào)的a3入口之間的連接管道上分別連接有熱循環(huán)泵5。

pcm蓄能罐有導(dǎo)熱油和封裝的相變材料，相變材料采用相變溫度為100℃的石蠟，同時(shí)在石蠟中加入5%-10%的石墨烯和碳纖維按1:1組成的混合物。導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)。

pcm蓄能罐和熱水箱中設(shè)置有螺旋式電熱管作為輔助熱源，圖2和圖3中g(shù)1、h1和g2、h2分別為螺旋式電熱管的外接接頭。螺旋式電熱管的設(shè)置可保證系統(tǒng)在太陽能不充足或者儲存的熱能不足時(shí)能夠正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

太陽能空調(diào)的c3出口與室內(nèi)輻射板7的入口、室內(nèi)輻射板7的出口與太陽能空調(diào)的d3入口分別通過連接管道連通形成供冷回路。

熱水箱4的e2出口與室內(nèi)輻射板7的入口、室內(nèi)輻射板7的出口與熱水箱4的f2入口分別通過連接管道連通形成供暖回路，熱水箱4的e2出口同時(shí)連接有生活熱水管9。熱水箱4還連接有補(bǔ)水裝置8，補(bǔ)水通過熱水箱的i接口送入，如圖3所示。補(bǔ)水裝置用于補(bǔ)充供給生活熱水以及供熱過程中的水量散失。應(yīng)盡量保證補(bǔ)水速度與生活熱水取水的速度相當(dāng)。

太陽能空調(diào)和熱水箱與室內(nèi)輻射板之間連接管道中的流體為水，其它設(shè)備之間連接管道中的流體為導(dǎo)熱油。導(dǎo)熱油可防止流體溫度過高時(shí)蒸發(fā)。

pcm蓄能罐、熱水箱和太陽能空調(diào)的各入口處均連接有閘閥和蝶閥以控制各連接管道中的流體流量，各連接管道外均設(shè)置有橡塑保溫層，防止系統(tǒng)能量損失。

本發(fā)明根據(jù)不同季節(jié)太陽輻射是否充足采取不同運(yùn)行方式，以此來提高太陽能利用率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。具體運(yùn)行控制方法如下：

冬季制熱水采暖模式

（a）當(dāng)太陽輻射充足時(shí)，開啟太陽能光伏光熱一體化組件的入口、pcm蓄能罐a1入口，熱水箱c2入口，室內(nèi)輻射板入口處的閘閥，開啟循環(huán)水泵；

（b）若太陽輻射不充足時(shí)，若置于pcm蓄能罐內(nèi)的溫度傳感器cgq1測得溫度大于60℃，再開啟pcm蓄能罐d1入口、熱水箱b2入口處的閘閥以及熱循環(huán)泵；若置于pcm蓄能罐內(nèi)的溫度傳感器cgq1測得的溫度小于60℃，則給熱水箱內(nèi)的螺旋式電熱管通電來加熱熱水箱中的水，從而為室內(nèi)輻射板提供熱量并供給生活熱水。

過渡季節(jié)單制熱水模式

（a）當(dāng)太陽輻射充足時(shí)，開啟太陽能光伏光熱一體化組件的入口、pcm蓄能罐的a1入口、熱水箱的c2入口處的閘閥；開啟循環(huán)水泵；

（b）當(dāng)太陽輻射不充足時(shí)，若pcm蓄能罐里的溫度傳感器cgq1測得溫度大于60℃，開啟pcm蓄能罐的d1入口、熱水箱b2入口側(cè)的閘閥；開啟熱循環(huán)泵；若pcm蓄能罐里的溫度傳感器cgq1測得溫度小于60℃，則給熱水箱內(nèi)的螺旋式電熱管通電來加熱生活熱水，并供給生活熱水。

夏季制熱水和空調(diào)模式：

（a）當(dāng)太陽輻射充足時(shí)，開啟太陽能光伏光熱一體化組件1的入口、pcm蓄能罐3的a1入口、熱水箱的c2入口、太陽能空調(diào)的a3和d3入口、室內(nèi)輻射板7入口處的閘閥，開啟循環(huán)水泵2；

（b）當(dāng)太陽能輻射不充足時(shí)，若pcm蓄能罐3里的溫度傳感器cgq2測得溫度大于100℃，pcm蓄能罐為太陽能空調(diào)6、熱水箱4提供熱源，再開啟pcm蓄能罐3的d1入口、f1入口，熱水箱的b2入口處的閘閥；開啟熱循環(huán)泵5。若pcm蓄能罐3里的溫度傳感器cgq2測得溫度小于100℃，則給pcm蓄能罐3中的螺旋式電熱管通電，加熱后的pcm蓄能罐3為太陽能空調(diào)6和熱水箱4提供熱源。

以上三個(gè)季節(jié)的運(yùn)行模式，皆于熱水箱中的傳感器cgq測得溫度小于50℃時(shí)，開啟熱水箱中的螺旋式電熱管來加熱熱水箱中的水。當(dāng)熱水箱中的溫度傳感器cgq測得溫度大于100℃時(shí)，不對熱水箱進(jìn)行任何加熱措施。

以上三種運(yùn)行模式在用戶側(cè)的切換都可通過手動控制，用戶可根據(jù)自身熱舒適感以及對熱水的需求調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，并可以根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷要求及生活熱水要求情況，調(diào)節(jié)各開啟閘閥處的蝶閥，控制水流量大小。從控制手段上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能控制。

運(yùn)用本發(fā)明時(shí)，為節(jié)約占地、美觀，對于新建建筑可將制熱/冷側(cè)太陽能空調(diào)、儲能側(cè)各設(shè)備設(shè)置于地下室內(nèi)；對于既有建筑為減少施工工程量，需要優(yōu)化本系統(tǒng)的位置設(shè)計(jì)，從而有效降低施工成本。