專利名稱：利用太陽(yáng)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：
本實(shí)用新型涉及一種利用太陽(yáng)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(yáng)能替代部分燃煤，大量 減少原煤的消耗，同時(shí)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(yáng)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(yáng)能的熱收集已經(jīng)十分成熟，太陽(yáng)能真空管的熱能收集效 率可達(dá)95%，但用太陽(yáng)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(yáng)能的間斷斷性和日照的不穩(wěn)定性也對(duì)連續(xù)供熱帶來 了困難。我國(guó)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(yáng)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(yáng)能與集中供熱結(jié)合，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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?。不僅可以節(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(yáng)能集熱器的效率，減少太陽(yáng)能集熱的面積，降低初投資。目前太陽(yáng) 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(yáng)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)容本實(shí)用新型的目的是采用太陽(yáng)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(yáng)能集熱器在白天收集太陽(yáng)輻射能并轉(zhuǎn)成熱能，以水作為傳熱介質(zhì) 和儲(chǔ)熱介質(zhì)，夜晚利用谷電驅(qū)動(dòng)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(yáng)能與集中供熱結(jié)合起來，爭(zhēng)取用太陽(yáng)能最大限度地代替燃煤，為節(jié)能減 排做出貢獻(xiàn)。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思想是它是白天日照時(shí)間利用太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能最大限 度的收集起來，存放于低溫水池中，延長(zhǎng)太陽(yáng)能供熱的使用時(shí)間，此時(shí)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(shí)間，驅(qū)動(dòng)熱泵運(yùn)行，可顯著降低運(yùn)行成本。這就是太陽(yáng)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(yáng)能集熱器收集。即白天使用集中供熱，夜間使用太陽(yáng)能_熱泵供熱，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能與集中供熱的聯(lián)合供熱。這樣，既保證了在太陽(yáng)能不足或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，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(shí)，也可使用太陽(yáng)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。本實(shí)用新型技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)方法是通過太陽(yáng)能真空管集熱器，白天吸收太陽(yáng)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(gè)容量相當(dāng)?shù)乃刂?，夜間 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(yáng)能和熱泵(以下敘述中稱為‘太陽(yáng)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(chǎng)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(duì)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(shí)的房間熱負(fù)荷即簡(jiǎn)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(shí)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(shí)，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(yáng)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(yáng)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(yáng) 能集熱器日提供熱量；第五步，計(jì)算單位供熱面積需太陽(yáng)能集熱器面積單位供熱面積由太陽(yáng)能集熱器 日提供熱量/太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能集熱器面積。由此設(shè)計(jì)出，所需的太陽(yáng)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(yáng)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(shí)間來計(jì)算，具體是谷電時(shí)間/每天平均供熱需求時(shí)間其中每天平均供熱需求時(shí)間為24小時(shí)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(yáng)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(yáng)能集熱器一般采用太陽(yáng)能真空管集熱器，設(shè)置在客戶的屋頂采集太陽(yáng)
4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(yáng)能集熱器已十分成熟，在我國(guó)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(yáng)能加熱水溫應(yīng)達(dá)到45°C以上，在這個(gè)溫度條件下，比 如沈陽(yáng)地區(qū)一月份獲得太陽(yáng)能每天6小時(shí)每平方米可收集約8. 64MJ熱量。如果太陽(yáng)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(gè)溫度在通常情況下是沒有使用價(jià)值 的)每天受熱時(shí)間可延長(zhǎng)兩小時(shí)，收集效率也提高，每天可收集熱量約13. 8MJ。太陽(yáng)能的熱 收集能力可提高60%以上，為了保證太陽(yáng)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(gè)相 對(duì)低溫的狀態(tài)(大約20°C )，收集太陽(yáng)能，配合太陽(yáng)能集熱器設(shè)置一個(gè)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(yáng)能集熱器和低溫蓄水池之間不停地 循環(huán)流動(dòng)，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(yáng)能集熱器的收 集效率，并能很好儲(chǔ)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(wú)需對(duì)低溫蓄水池做保溫措施就能長(zhǎng)時(shí)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(shí)為減少投資，可用消防水池，因不消耗 水，對(duì)消防安全無(wú)影響。蓄水池容量只要按照前述計(jì)算方式，能將每日太陽(yáng)能集熱器接受能 量吸收，并且保證在太陽(yáng)能集熱器工作的時(shí)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(yáng)能集熱器的能量收集溫度，從而大量減 少了太陽(yáng)能集熱器的數(shù)量，用最小的太陽(yáng)能面積獲得了最大的太陽(yáng)能熱量，減少了投資和 占地面積。所述低溫蓄水池所儲(chǔ)存的實(shí)際上太陽(yáng)能集熱器收集的能量，對(duì)儲(chǔ)存的熱量，在晚 間谷電時(shí)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(shí)期，即使在適當(dāng)?shù)姆咫姇r(shí)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(chǔ)存在其中的太陽(yáng)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(gè)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(shí)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(dòng)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；[0035]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(shí)使用，一般來 說，白天關(guān)閉太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能在冬季并不穩(wěn) 定，連續(xù)幾天大雪會(huì)造成熱量不足；熱泵用電驅(qū)動(dòng)，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(yáng)能提供熱量的比例就是由谷電運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(huì)達(dá)到4. 5-5以上，節(jié)煤率和減排率會(huì)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(yáng)能集熱器的數(shù)量大為減少，比完全使用太陽(yáng)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(yáng)供熱面積就達(dá)2億平方米，年耗標(biāo)煤300多萬(wàn) 噸，年C02排放800多萬(wàn)噸；如果采用本實(shí)用新型技術(shù)方案，年節(jié)約標(biāo)煤57萬(wàn)噸，年減C02 排放143萬(wàn)噸。這是一個(gè)巨大的數(shù)字，如果全國(guó)廣泛用于供熱，那將為我國(guó)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(yáng)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。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)通過分布式太陽(yáng)能-熱泵與集中供熱聯(lián)供技術(shù)充分利用了太 陽(yáng)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(yáng)能再加熱蓄能水池中的水，周而復(fù)始，既利用了 太陽(yáng)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(yáng)能-熱泵或集中供熱任一系統(tǒng)出 現(xiàn)故障時(shí)，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(yáng)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(yáng)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(yáng)能提供的，即部分利用了非碳能源——太陽(yáng)能， 約占比例30% -35% ο

圖1為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
供熱聯(lián)供連接示意圖；具體實(shí)施方式
下面采用一個(gè)具體實(shí)施例，具體是結(jié)合能量的實(shí)際轉(zhuǎn)換對(duì)本實(shí)用新型的技術(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(yáng)地區(qū)一月份一萬(wàn)平米供熱建筑面積供熱需求為例，將本實(shí)用新型技術(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(chǎng)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50X3600X24X0.64/1000000 = 2. 76 MJ/d. τα(2)其中，0.64指沈陽(yáng)地區(qū)冬季熱負(fù)荷系數(shù)，在設(shè)計(jì)供熱需求時(shí)，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 = 0.42 GJ (3)其中，152為沈陽(yáng)冬季平均供熱天數(shù)；一萬(wàn)平方米供熱面積年需總熱量0.42X10000 = 4200 GJ (4)下面在此總供熱需求下，分配太陽(yáng)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(yáng)能_熱泵供熱系統(tǒng)所需的太陽(yáng)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(yáng)能-熱泵提供熱量的比例就是由谷電 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間來衡量的，根據(jù)前述沈陽(yáng)地區(qū)冬季熱負(fù)荷系數(shù)0. 64，每天平均供熱需求時(shí)間為 24X0. 64 = 15. 36小時(shí)，而谷電時(shí)間一般夜間23點(diǎn)到早晨7點(diǎn)，8/15. 36 = 0. 52，將太陽(yáng) 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(yáng)能-熱泵系統(tǒng)時(shí)，沈陽(yáng)地區(qū)一 月份每天太陽(yáng)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(yáng)能-熱泵系統(tǒng)日提供熱量:2· 76 X 0. 45 = 1.24町/dm2 ⑶計(jì)算單位供熱面積由太陽(yáng)能集熱器日搬熱量1.24X3/4 = 0.93 町/dm2 (6)其中，3/4為熱泵系統(tǒng)為能效比為4時(shí)，由太陽(yáng)能集熱器提供熱量(即儲(chǔ)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(shí)，單位供熱面積需太陽(yáng)能集熱器面積0.93/13.8 = 0.0674 m2 (7)其中，使用本技術(shù)方案由于低溫蓄水池的使用，相對(duì)之下，延長(zhǎng)了太陽(yáng)能集熱器的 收集太陽(yáng)能的時(shí)間，即所述沈陽(yáng)地區(qū)一月份獲得太陽(yáng)能集熱器每天每平方米可收集的熱量 為 13. 8MJ一萬(wàn)平米供熱面積需太陽(yáng)能集熱器面積 0.0674X10000 = 674 m2 (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(gè)需求。在本技術(shù)方案專利采用的是太陽(yáng)能_熱泵系統(tǒng)與集中供熱聯(lián)合供熱，太陽(yáng)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(yáng)能-熱泵系統(tǒng)提供熱量4200X45%= 1890 GJ(10)熱泵輸入熱量1890/4 = 472.5 GJ(11)[0070]單位面積年耗熱泵熱量單位面積熱泵折算耗電量根據(jù)單位面積年需熱量計(jì)算單位面積年折電量
472. 5/10000 = 0. 047 472. 5X100/3600 = 13. 05
0. 42X1000000/3600 = 116.7
GJ/m2 (12) kwh/m2 (13)
kwh (14)對(duì)于55%的傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)傳統(tǒng)熱源提供熱量單位面積年耗傳統(tǒng)熱量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)單位面積總耗熱量比較而言比完全傳統(tǒng)方式節(jié)約能量比傳統(tǒng)方式供熱節(jié)能率
4200-1890 = 2310 2310/10000 = 0. 231
0. 231+0. 047 = 0. 278
0. 42-0. 278 = 0. 14 0. 14/0. 42 = 33%
GJ GJ
GJ
GJ
(15)
(16)
(17)
(18) (19) 對(duì)于不采用本實(shí)用新型技術(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(yáng)地區(qū)一月份每天相當(dāng)于只有6小時(shí)(因?yàn)樾钅苎h(huán)水的溫度降不下來，影響收集效率)
2. 76/8. 64 = 0. 32
m
(20)
月份太陽(yáng)能集熱器平均每日每平方米可收集
0. 32X10000 = 3200 m2 (21)單位供熱面積需太陽(yáng)能集熱器面積其中8. 64為前面所述沈陽(yáng)地區(qū)一 的熱量。這時(shí)，一萬(wàn)平米供熱面積需太陽(yáng)能集熱器面積而采用本實(shí)用新型技術(shù)方案，如前(8)所述一萬(wàn)平米供熱面積需太陽(yáng)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(yáng)能不能廣泛應(yīng)用于集中供熱 一個(gè)重要原因。本實(shí)用新型技術(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(dòng)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. 5
MW
(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熱泵年輸入熱量單位面積年耗熱量
0. 5/4 = 0. 125MW
0. 125X3600X24X152X0. 64 = 0. 105萬(wàn) GJ 0. 105/10000 = 0. 105 GJ/m2 0.105X1000000/3600 = 29 kwh/m2
(23) (24)
(25)
(26)單位面積年耗電量按本實(shí)施例中的太陽(yáng)能-熱泵系統(tǒng)提供45%的熱量計(jì)算，與(13)中的結(jié)果一致t 29X45%= 13. 05
kwh/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(yáng)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(yáng)能集熱器1接收太陽(yáng)的輻
8射，加熱由太陽(yáng)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(yáng)能循環(huán)水泵10、單向 閥13送入太陽(yáng)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(dòng)蒸發(fā)器循環(huán)水泵21，啟動(dòng)供熱循環(huán)水泵41，啟動(dòng) 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(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)4加熱。換熱器加熱方式啟動(dòng)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(shí)得不 到加溫，當(dāng)流經(jīng)換熱器3時(shí)，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(dòng)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?dòng)蒸發(fā)器循環(huán)水泵21，啟動(dòng)供熱循環(huán)水泵41，啟動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)熱泵系統(tǒng)夜間使用谷電，白天退出運(yùn)行，對(duì)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(shí)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(shí)可處理?yè)Q熱器5故障，待故障排 除，再恢復(fù)原供熱狀況。[0106]太陽(yáng)能-熱泵與集中供熱聯(lián)供系統(tǒng)，由于太陽(yáng)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(yáng)能的替代量視太陽(yáng)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(yáng)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，以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本實(shí)用新型的 保護(hù)范圍。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包 含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求利用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能集熱器設(shè)置在戶外；所述的低溫蓄水池按通過蓄能循環(huán)水系統(tǒng)與太陽(yáng)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)器一端與低溫蓄水池管路連接，提取儲(chǔ)存在其中的太陽(yáng)能；熱泵系統(tǒng)的冷凝器一端與二次供熱循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，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)連接傳統(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。
2.如權(quán)利要求1所述利用太陽(yáng)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 50C _10°C，取能效比為4-5。
3.如權(quán)利要求1所述利用太陽(yáng)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。
專利摘要本實(shí)用新型技術(shù)方案利用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能集熱器收集較多的太陽(yáng)能，并將其熱量存放在低溫蓄水池中，谷電時(shí)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(yáng)能再加熱水池中的水，周而復(fù)始；所有換熱站都安裝太陽(yáng)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(hào)F24D11/02GK201652573SQ20102011273
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)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(qǐng)人:沈陽(yáng)聯(lián)美藍(lán)天環(huán)保新能源有限公司;沈陽(yáng)市地源熱泵規(guī)劃建設(shè)管理辦公室