技术领域
[0001] 本
发明涉及绿色
能源应用技术领域，具体涉及一种多能互补的多用途供能 系统。
背景技术
[0002] 能源短缺已经成为人类面临的大问题，推广使用
太阳能这一
可再生能源在 很大程度上能缓解能源短缺问题，现有一些系统采用纯太阳能供电的方式，但 这种系统在太阳能供电不足且消耗完系统的储能装置储存的
电能后就不能正 常工作。为适应能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，保障国家能源安 全。多能互补的供能系统在供给侧涉及多种能源形式，在终端用户侧
力求提供 多种形式的能源产品。
[0003]
发明内容
[0004] 本发明的目的就是要针对现有装置的不足，提供一种多能互补的多用途供 能系统，其结合太阳能，
地热能等可再生能源的特点，考虑
电网峰谷电
价带来 的供能成本影响，利用CPC聚光式
太阳能集热器，
地源热泵，高温
蓄热器， 汽
水分离器等装置，为用户提供制冷，供暖，生活热水，
蒸汽等多种产品。
[0005] 为实现上述目的，本发明所涉及的一种多能互补的多用途供能系统，其包 括连接在同一循环供
热管路上的太阳能加热模
块、电加热模块和
地源热泵供能 模块；
[0006] 所述循环供热管路上设有进水管、进水侧
阀门和给水泵；
[0007] 所述太阳能加热模块包括设置在循环供热管路上的换热器、太阳能集热器 和用于连通换热器与太阳能集热器的循环加热管路，所述循环加热管路上还设 有
循环水泵和太阳能加热阀；
[0008] 所述电加热模块包括设置在循环供热管路上的高温蓄热器、终端电加热器 和汽水分离器，所述高温蓄热器内设有谷电蓄热装置，所述终端电加热器内设 有终端电加热装置
[0009] 所述地源热泵供能模块包括用于切换循环供热管路中热水来源的水路切 换机构、设置在循环供热管路上的热泵机组和用水终端，所述水路切换机构分 别与热泵机组和用水终端连通，所述用水终端与热泵机组从而形成回路。
[0010] 进一步地，所述地源热泵供能模块的水路切换机构包括用于将电加热模块 与太阳能加热模块直通的太阳能蒸汽通路阀门，用于将用水终端与电加热模块 直通的热泵进水侧阀门，用于将用水终端与太阳能加热模块直通的太阳能直供 热水通路阀门，用于将热泵机组与电加热模块直通的热泵蒸汽通路阀门，和用 于控制用水终端开闭的热水终端阀门。
[0011] 进一步地，所述用水终端包括生活用水端、采热端、制冷端，所述生活用 水端与水路切换机构连通，所述制冷端与热泵机组连通。
[0012] 更进一步地，所述采热端与制冷端之间还设有
排水管。
[0013] 进一步地，所述循环加热管路上还设有膨胀箱，所述膨胀箱与循环加热管 路间还设有减压阀。
[0014] 进一步地，所述循环供热管路上还设有循环系统阀门。
[0015] 更进一步地，所述汽水分离器上还设有蒸汽出口管，所述蒸汽出口管上还 设有蒸汽阀门。
[0016] 作为优选项，所述热泵机组上还连接有地埋管。
[0017] 本发明的优点在于：其结合太阳能，地热能等可再生能源的特点，考虑电 网峰谷电价带来的供能成本影响，利用CPC聚光式太阳能集热器，地源热泵， 高温蓄热器，汽水分离器等装置，为用户提供制冷，供暖，生活热水，蒸汽等 多种产品。从成本
角度考虑，太阳能集热器的供能成本几乎为零，为最优先利 用能源，热泵在消耗少量高品质热量的同时，吸收低品质热量，从而产生大于 消耗热量的中品质热量，为次一级优先利用能源同时，热泵还具有制冷供能， 一般情况下，电网谷电价格只有峰电一半左右，充分利用峰谷电价，不仅可以 有效降低供能成本，还可以
削峰填谷，减少电力投资，提升供电可靠性。
附图说明
[0018] 图1为本发明的系统组成示意图；
[0019] 图2为水路切换机构的结构示意图；
[0020] 图3为单U集热器的结构示意图；
[0021] 图4为双U集热器的结构示意图；
[0022] 图5为三U集热器的结构示意图。
[0023] 图中：循环供热管路1(其中：进水管1.1、进水侧阀门1.2、给水泵1.3、 循环系统阀门1.4)、太阳能加热模块2(其中：换热器2.1、太阳能集热器2.2、 循环加热管路2.3、循环水泵2.4、太阳能加热阀2.5、膨胀箱2.6、减压阀2.7)、 电加热模块3(其中：高温蓄热器3.1、谷电蓄热装置3.1.1、终端电加热器3.2、 终端电加热装置3.2.1、汽水分离器3.3、蒸汽出口管3.3.1、蒸汽阀门3.3.2)、 使用功能模块4(其中：热泵机组4.1、地埋管4.1.1、用水终端4.2、生活用水 端4.2.1、采热端4.2.2、制冷端4.2.3、排水管4.2.4、太阳能蒸汽通路阀门4.3、 热泵进水侧阀门4.4、太阳能直供热水通路阀门4.5、热泵蒸汽通路阀门4.6、 热水终端阀门
4.7)。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步的详细描述：
[0025] 如图1～2，一种多能互补的多用途供能系统，其包括连接在同一循环供热 管路1上的太阳能加热模块2、电加热模块3和使用功能模块4；
[0026] 所述循环供热管路1上设有进水管1.1、进水侧阀门1.2和给水泵1.3，所 述循环供热管路1上还设有循环系统阀门1.4。
[0027] 所述太阳能加热模块2包括设置在循环供热管路1上的换热器2.1、太阳 能集热器2.2和用于连通换热器2.1与太阳能集热器2.2的循环加热管路2.3， 所述循环加热管路2.3上还设有循环水泵2.4和太阳能加热阀2.5，所述循环加 热管路2.3上还设有膨胀箱2.6，所述膨胀箱2.6与循环加热管路2.3间还设有 减压阀2.7。
[0028] 所述电加热模块3包括设置在循环供热管路1上的高温蓄热器3.1、终端 电加热器3.2和汽水分离器3.3，所述高温蓄热器3.1内设有谷电蓄热装置3.1.1， 所述终端电加热器
3.2内设有终端电加热装置3.2.1，所述汽水分离器3.3上还 设有蒸汽出口管3.3.1，所述蒸汽出口管3.3.1上还设有蒸汽阀门3.3.2。
[0029] 所述使用功能模块4包括用于切换循环供热管路1中热水来源的水路切换 机构、设置在循环供热管路1上的热泵机组4.1和用水终端4.2，所述水路切 换机构分别与热泵机组4.1和用水终端4.2连通，所述用水终端4.2与热泵机 组4.1从而形成回路。所述使用功能模块4的水路切换机构包括用于将电加热 模块3与太阳能加热模块2直通的太阳能蒸汽通路阀门4.3，用于将用水终端 4.2与电加热模块3直通的热泵进水侧阀门4.4，用于将用水终端4.2与太阳能 加热模块2直通的太阳能直供热水通路阀门4.5，用于将热泵机组4.1与电加 热模块3直通的热泵蒸汽通路阀门4.6，和用于控制用水终端4.2开闭的热水 终端阀门4.7。所述用水终端4.2包括生活用水端4.2.1、采热端4.2.2、制冷端 4.2.3，所述生活用水端4.2.1与水路切换机构连通，所述制冷端4.2.3与热泵机 组4.1连通。所述采热端4.2.2与制冷端4.2.3之间还设有排水管4.2.4。所述热 泵机组4.1上还连接有地埋管4.1.1。
[0030] 实际使用时：
[0031] 如图3～5，级联的太阳能集热阵列，核心部件包括中温管、
铜调节器、反 光板、联箱组件。太阳能集热器核心部件中温管，吸热涂层由
钛金涂层作为膜 层材料，罩玻璃管采用溶胶凝胶法实现增透。太阳能集热器核心部件铜调节器， 采用U型管设计，循环工质不在
真空管内。按集热器面积不同分为单U、双U 和三U等结构，调节U型管内的循环工质流量以提高换热效率。太阳能集热 器核心部件反光板，反光板用涂有保护涂层的金属材料精确辊压成型，放置在 真空管的后面。太阳能集热器核心部件联箱组件，每根真空管内的U型管开 口端分别与两支联集管
焊接，且联集管被保温层包裹放置于联箱中。循环介质 可以从集热器的两端选择一端作为循环进口。测温管焊接于联集箱的两端，从 联箱侧盖伸出，用于测量集热器
温度。太阳能集热器模块采用CPC(复合抛物 面集热器，compound parabolic collector)技术，在光照充足的情况下可根据用 户侧需要产生热水或蒸汽(100℃-180℃)。
[0032] 供能系统，采暖终端设备应包括常见的采暖终端设备，如地暖，暖气片等 形式，终端电加热器为常见的电加热装置，太阳能加热成本可以忽略不计，太 阳能为系统供能第一级优先利用的能源，当有光照时，太阳能加热自循环系统 开启，可以用来加热系统给水；当无光照时太阳能加热自循环系统关闭，避免 循环水泵消耗电能。其利用地热能的热泵加热/制冷系统成本较低，地热能为 系统供能第二级优先利用的能源，当无光照或者太阳能不能满足供能需求时， 热泵系统开启,太阳能满足供能需求时，热泵系统关闭。谷电供能成本一般低 于实时电价，利用谷电在高温蓄热器进行蓄能，谷电蓄能为系统供能第三级优 先利用的能源，当太阳能或热泵供能系统不能满足终端用户的品质要求时，可 利用高温
蓄能器进行进一步加热。电加热单元具有灵活可控的特点，且能将热 水/蒸汽加热到较高的品质，但加热成本较高，作为供能系统的最后一级加热 环节，可在太阳能，热泵，谷电高温蓄热器不能满足供能需求时开启，满足用 户的要求。
[0033] 相关计算：
[0034] 1、太阳能集热器面积的确定
[0035] 太阳能集热器的面积是太阳能采暖系统中的一个重要参数，它与系统的太 阳能保证率和项目投资经济性紧密相关。
[0036] 不考虑换热器换热温差时，太阳能采暖系统集热器面积根据集热器性能、 当地
辐射条件、采暖需求工况等参数确定，按下式进行计算：
[0037]
[0038] 其中，AC为太阳能采暖系统集热器总面积，m2；T为每日采暖时间，h； QH为日平均采暖负荷，W；JT为系统使用期的当地在集热器平面上的平均日 太阳能辐照量，J/m2；f为太阳能保证率，可参考表1选取；ηcd为系统使用期 的平均集热效率；ηL为管道及储能单元
能量损失率，一般取值0.2～0.3。
[0039]
[0040]
[0041] 表1不同地区采暖系统太阳能保证率的推荐选用值
[0042] 由于换热器内外存在温差，受换热效率的影响，本系统所需要的集热器面 积可按下式计算：
[0043]
[0044] 其中，AIN为太阳能集热器总面积，m2；FRUL为太阳能集热器总热损系数， W/(m2·℃)；Uhx为换热器
传热系数，W/(m2·℃)；Ahx为换热器换热面积，m2。
[0045] 2、集热器平均集热效率ηcd的确定
[0046] 太阳能集热器产品的效率方程根据检测数据拟合的紧密程度分为一次方 程和二次方程，形式如下：
[0047] η＝η0-UTi (3)
[0048] η＝η0-a1Ti-a2(Ti)2 (4)
[0049] Ti＝(ti-ta)/G (5)
[0050] 其中，η0为Ti＝0时的η，U为以Ti为参考的集热器总热损系数，W/(m2·℃)； a1，a2为集热器效率方程常数；G为太阳总辐射辐照度，W/m2；Ti为归一化 温差；ti为集热器进口工质温度；ta为
环境温度。
[0051] 由于太阳能系统在不同季节不同时间运行时，太阳能辐照、集热器进口温 度和环境温度均不同，为了评价太阳能集热器全年或某月的性能，集热器平均 集热效率ηcd的相关参数按以下原则选用。
[0052] 对全年运行的太阳能热水系统，ta取全年环境温度平均值，G和ti按以下 方法计算：
[0053]
[0054]
[0055] 其中，JT为太阳能系统安装倾斜面上的年平均每日辐照量，MJ/(m2·d)； SY为年平均每日的日照时间，h；tL为年平均冷水温度，℃；tend为高温蓄热器 的终止设计温度，℃。
[0056] 对短期储能太阳能供能系统，ta取当地12月的平均室外环境空气温度；ti取供水温度温度加换热器的换热温差；G按下式计算：
[0057]
[0058] 其中，J12为12月份集热器采光面上太阳总辐射的平均日辐照量，MJ/ (m2·d)；S12为12月份平均每日的日照时间，h。
[0059] 当缺乏以上相关检测数据时，集热器年或月平均集热效率ηcd可以按经验在 0.20～0.50之间取值。
[0060] 3、太阳能集热系统流量的确定
[0061] 太阳能集热系统的设计流量应按下式计算：
[0062] GS＝gA (9)
[0063] 其中，GS为太阳能集热系统的设计流量，m3/h；g为太阳能集热器的单位 面积流量，m3/(h·m2)；A为太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积，m2。
[0064] 4、电加热单元
[0065] 电加热单元的加热能力按用能负荷计算。其加热功率可按下式进行估算：
[0066]
[0067] 其中，P为电加热装置功率，W；QH为日平均用能负荷，W；ηa为电加 热热效率，％，一般为95～97％左右；ηL为管道及储能单元
热损失率，一般取0.05～0.1。
[0069] 循环泵的流量按式(11)进行计算：
[0070] Qx＝qgzAC (11)
[0071] 其中，Qx为集热系统循环流量，qgz为单位采光面积集热器对应的工质流 量。
[0072] 系统循环泵的扬程可以计算为：
[0073] Hx＝hp+he+hz+hf (12)
[0074] 其中，Hx为循环泵扬程，hp为集热系统循环管道的沿程和局部损失，he为 循环流量流经换热器的阻力损失，hz为集热器与高温蓄热器之间的高度差，hf为附加压力，取20～50kPa。
[0076] 地埋管换热器的换热过程较为复杂，热传导过程为热量从
土壤传到地埋管 壁面，再经由壁面传至地埋管的换热
流体中。在设计时需要通过计算得出地埋 管的埋管长度，地埋管的埋管长度计算公式为：
[0077]
[0078]
[0079] 在Lc和Lh中选择较大的一个作为系统所需地埋管的长度。其中，Qc为机 组额定制冷量，W；Qc为机组额定制热量，W；Rb为钻孔灌浆回填材料的热 阻，m·K/W；Rq为
地层热阻，m·K/W；Fc为制冷运行份额；tmax为制冷工况下， 地埋管换热器中
传热介质的设计平均温度，取33～36℃；t∞为埋管区域岩土体 的初始温度，℃；tmin为供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温 度，取-2～6℃；EER为
水源热泵机组的制冷性能系数；COP为水源热泵机组 的制热性能系数。
[0080] 所述太阳能供应热水的方法为：进水侧阀门1.2，太阳能加热阀2.5，太阳 能直供热水通路阀门4.5，热水终端阀门4.7打开；太阳能蒸汽通路阀门4.3， 热泵进水侧阀门4.4，热泵蒸汽通路阀门4.6，蒸汽阀门3.3.2，循环系统阀门 1.4关闭。
[0081] 所述热泵供应热水的方法为：进水侧阀门1.2，热泵进水侧阀门4.4，热水 终端阀门4.7打开；太阳能加热阀2.5，太阳能蒸汽通路阀门4.3，太阳能直供 热水通路阀门4.5，热泵蒸汽通路阀门4.6，蒸汽阀门3.3.2，循环系统阀门1.4 关闭。
[0082] 所述太阳能供应蒸汽的方法为：进水侧阀门1.2，太阳能加热阀2.5，太阳 能蒸汽通路阀门4.3，蒸汽阀门3.3.2，循环系统阀门1.4打开；热泵进水侧阀 门4.4，太阳能直供热水通路阀门4.5，热泵蒸汽通路阀门4.6，热水终端阀门 4.7关闭。
[0083] 所述热泵供应蒸汽的方法为：进水侧阀门1.2，热泵进水侧阀门4.4，热泵 蒸汽通路阀门4.6，蒸汽阀门3.3.2，循环系统阀门1.4打开；太阳能加热阀2.5， 太阳能蒸汽通路阀门4.3，太阳能直供热水通路阀门4.5，热水终端阀门4.7关 闭。
[0084] 所述太阳能联合热泵供应热水的方法为：进水侧阀门1.2，太阳能加热阀 2.5，热泵进水侧阀门4.4，太阳能直供热水通路阀门4.5，热水终端阀门4.7 打开；太阳能蒸汽通路阀门4.3，热泵蒸汽通路阀门4.6，蒸汽阀门3.3.2，循 环系统阀门1.4关闭。
[0085] 所述太阳能联合热泵供应蒸汽的方法为：进水侧阀门1.2，太阳能加热阀 2.5，太阳能蒸汽通路阀门4.3，热泵进水，循环系统阀门1.4阀门，热泵蒸汽 通路阀门4.6，蒸汽阀门3.3.2打开；太阳能直供热水通路阀门4.5，热水终端 阀门4.7关闭。
[0086] 最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发 明不限于上述实施例，还可以有许多
变形。凡依据本发明的技术实质对以上实 施例所做的任何简单
修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
