專利名稱：建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統，屬于太陽能利用和空 調通風領域。
背景技術：
太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，所以各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續發展戰略的重要內容。我國太陽能集熱采暖技術已得到一定程度的應 用，但在太陽能制冷方面一直沒有很好的發展。目前太陽能在建筑空調制冷方面主要技術 有太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷、太陽能噴射式制冷、太陽能溶液除濕制冷、太陽 能發電驅動壓縮機制冷以及太陽能半導體制冷等方式，這些方式效率都偏低，且都處在基 礎研究或少量示范階段。太陽能半導體制冷方面，由于半導體制冷片效率偏低，成本偏高，且有效冷卻手段 缺乏，一直沒有太多的研究進展，主要應用在特殊冰箱、制冷器上，但其具備結構簡單、運行 安靜、可以小型化得特點。目前，在國內有一些和太陽能半導體制冷相關的專利，但一般結 構比較簡單，存在功能少，效率低的問題。如CN2570707公開了一種太陽能半導體空調器， CN1587868公開了一種太陽能半導體空調系統等。已公開的專利中多數是太陽能發電與半 導體制冷的簡單結合，缺乏系統性。如提供制冷和熱水的系統無法提供采暖功能，冬季無法 實現對太陽能的利用；提供制冷和采暖的系統無法提供熱水，太陽能利用率低；太陽能電 池沒有冷卻措施，發電效率會因太陽能電池溫度的升高而降低，進而導致系統效率下降；轉 化為熱能的大部分太陽能并末被利用；水冷散熱器直接與半導體組件相連，存在制冷片電 絕緣的問題；若用風冷則效率低下。
發明內容
本發明的技術解決問題針對半導體制冷片效率偏低、太陽能利用不充分以及實 際應用中出現的冷卻、絕緣等問題，從能源多功能利用、高效利用和系統控制優化的角度出 發，提供一種建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統，該系統兼具制冷和采暖的功能，熱 量傳輸迅速，制冷和采暖效率高；采用整體式熱管給太陽能光伏電池散熱，提高太陽能光伏 電池的發電效率，太陽能利用充分。本發明的技術解決方案一種建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統包括半 導體制冷組件；用于導熱的帶短管束的分離式熱管、整體式重力熱管、太陽能光伏熱水遮陽 板、為半導體制冷組件供電的供電系統及熱水系統，其中所述太陽能光伏熱水遮陽板安裝于室外換熱聯箱上，太陽能光伏熱水遮陽板上表 面覆蓋光伏電池組件，光伏電池組件發出的電能經過供電系統后為半導體制冷組件使用；所述的半導體制冷組件是具有一定厚度的扁平式結構，半導體制冷組件下端安裝 金屬散熱片，金屬散熱片下方安裝帶風口的水平擋板，室內一側墻壁安裝豎直擋板，水平擋 板和室內一側墻壁安裝豎直擋板的銜接處安裝導流風扇，導流風扇與兩個擋板共同起到控制氣流方向的作用；半導體制冷組件上端安裝帶短管束的分離式熱管；所述的帶短管束的分離式熱管一端緊貼半導體制冷組上端，另一端伸入換熱聯 箱，中間通過波紋管連接；所述帶短管束的分離式熱管的管束所在平面與水平面呈8° 20°夾角；所述的整體式重力熱管下部粘貼于光伏電池組件的背面，頂部伸入換熱聯箱中 ；所述的換熱聯箱和防凍液管路、水箱、循環泵組成熱水系統，換熱聯箱兩端用防凍 液管路與水箱內的盤管相連，盤管與換熱聯箱組成密閉系統，防凍液管路中間充滿的防凍 液在循環泵的作用下循環運行。本發明與單純的光伏電池與半導體制冷組件結合的系統相比具有如下優點(1)功能完善，即多功能性，采用太陽能光伏熱水遮陽板供電，半導體制冷組件制 冷/制熱，采用帶短管束的分離式熱管和整體式重力熱管傳遞熱量，換熱聯箱結構，夏季時 太陽能光伏熱水遮陽板和半導體制冷組件產生的熱量在聯箱中被帶走供加熱生活用熱水； 冬季時太陽能光伏熱水遮陽板產生的熱量傳入聯箱后被半導體制冷組件的熱管吸收，用于 室內供暖，多余的熱量仍可加熱生活用水。這樣兼具制冷、采暖的和生產生活熱水的功能， 四季均可使用，能源利用充分，節能效果明顯。(2)部件工作效率高，太陽能利用充分。利用熱管將熱量迅速帶走，光伏電池和半 導體制冷組件工作效率都得到提高。太陽能轉化為熱的部分也被充分利用，幾乎沒有能量 被浪費。此外采用可升降的天花板式結構，與分離式熱管的結合，夏季半導體制冷板位置低 于換熱聯箱位置，熱流由制冷組件向換熱聯箱傳遞；冬季半導體制冷板位置高于換熱聯箱 位置，熱流由聯箱向制冷組件傳遞。熱管傳熱迅速，可有效減小半導體制冷組件與室內環境 溫差，提高半導體制冷組件制冷/制熱效率。(3)利用熱管傳熱。傳熱速度快，部件工作效率高，又解決了冬季采暖熱源問題。 與傳統壓縮制冷空調相比，沒在大功率運動部件，運行噪音低，不用制冷劑，不污染環境。(4)本發明結構簡單。易于安裝和維護，不受使用空間布局限制。特別是半導體制 冷組件采用天花板式安裝，方便與太陽能光伏熱水遮陽板結合；可通過高度調節來改變分 離式熱管的傳熱方向以實現夏季制冷冬季采暖的轉換；節省建筑使用面積。(5)本發明采用檔板加導流風扇的可控風道形式，夏季制冷時，冷空氣從頂部流 出，由于密度大而自然下沉充滿房間；冬季制熱時，熱空氣由底部流出，由于密度小而自然 上浮充滿房間。根據冷/熱空氣性質不同而受用不同的送風方式更加符合空氣調節的需 要，使室內溫度均勻，使用戶感到舒適。(6)本發明的太陽能光伏熱水遮陽板采用遮陽板式安裝，夏季可以限制陽光進入 室內，減小室內制冷負荷；冬季不影響陽光進入室內，不影響室內自然采暖。太陽能光伏電 池背面敷設整體式重力熱管，降低光伏電池溫度，提高光電轉化率，回收熱量，提高太陽能 利用率。
圖1為本發明的建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統夏季運行示意圖；圖2為本發明的建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統冬季運行示意圖；圖3為本發明的建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統平面示意圖4為本發明的半導體制冷組件垂直風流方向夏季運行示意圖；圖5為本發明的半導體制冷組件垂直風流方向冬季運行示意圖；圖6為本發明的半導體制冷組件沿風流方向夏季運行示意圖；圖7為本發明的半導體制冷組件沿風流方向冬季運行示意圖；圖8為本發明的帶短管束的分離式熱管冬季運行示意圖。
具體實施例方式本發明所采用的半導體制冷組件是利用珀爾貼效應實現的。電荷載體在導體中運 動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動 時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩種材 料的交界面處以熱的形式吸收或放出。電流流過兩種不同導體的界面時，因直流電通入的 方向不同，將在界面相交處產生吸熱和放熱現象，稱這種現象為珀爾帖效應。目前應用珀爾 貼效應制成的半導體制冷組件已有較為成熟的產品。本發明可根據實際需要采用不同規格的半導體制冷組件實現。常見的半導體制冷 組件有帶陶瓷片結構和不帶陶瓷片結構的。帶陶瓷片結構的即在半導體制冷組件兩端粘貼 薄而平的陶瓷片以提供良好的導熱性能的同時保證其絕緣性能。不帶陶瓷片結構的即為半 導體制冷組件兩端為裸露的連接片，安裝時應在其表面墊絕緣層后使用。本發明所采用的帶短管束的分離式熱管基本原理如圖8所示，其與常規分離式熱 管的主要區別在于常規分離式熱管的蒸發段和冷凝段管束多采用豎直方向布置，其循環 動力為下降管系統與上升管系統中工作介質的密度差。而本本發明所采用的帶短管束的分 離式熱管的蒸發段和冷凝段管束采用水平方向布置，以適應半導體制冷組件的安裝要求。 蒸發段和冷凝段管束所在平面與水平面呈一定夾角，使循環工質在蒸發段和冷凝段子系統 內部依然可以依靠重力自行流動，其循環動力為管束段子系統內工作介質的密度差。蒸發 段和冷凝段管束所在平面仍存在高度差，系統中工質的循環動力仍為下降管系統與上升管 系統中工作介質的密度差。為保持蒸發段和冷凝段內的工質循環的同時又減小半導體制 冷系統所占的立體空間，蒸發段和冷凝段管束所在平面與水平面夾角不宜過大或過小，選 8° 20°為宜。蒸發段和冷凝段管束間采用波紋管連接，以方便調整蒸發段和冷凝段管束 所在的相對位置。夏季時帶短管束分離式熱管戶內段20位置低于分離式熱管戶外段21， 分離式熱管戶內段20為蒸發段，分離式熱管戶外段21為冷凝段；冬季時分離式熱管戶內段 20位置高于分離式熱管戶外段21，分離式熱管戶內段20為冷凝段，分離式熱管戶外段21 為蒸發段。如圖1、2所示。本發明中的換熱聯箱5安裝于戶外窗口 15上方。如圖1、2、8所 示，帶短管束分離式熱管戶外段21布置于換熱聯箱5內，從換熱聯箱5引出的部分伸入室 內，通過波紋管17與緊貼于半導體制冷組件2上端的帶短管束分離式熱管戶內段20與分 離式熱管戶外段21相連。如圖4-7所示，半導體制冷組件2可以是由數片市售的半導體制冷片通過串聯或 并聯方式組成的半導體制冷板。半導體制冷組件2的下端安裝金屬散熱片23。金屬散熱片 23采用多片式結構，通過增大換熱面積強化半導體制冷組件與空氣之間的換熱能力。半導 體制冷組件2整體采用可升降的懸吊方式固定在天花板上，通過調節半導體制冷組件2的
5位置來使它高于或低于換熱聯箱5，以達到切換分離式熱管的戶內段20和戶外段21的目 的，實現夏季制冷和冬季采暖的功能。 如圖1、2所示，金屬散熱片23下方安裝帶風口的水平擋板10。室內一側墻壁安裝 垂直擋板10’，水平擋板10與垂直擋板10’銜接處上方安裝導流風扇9，起到控制氣流方向 的作用。使夏季時氣流由豎直擋板10’底部通風口 12進入，經冷卻后由水平擋板10通風 口 13流出，向下流入室內，在密度作用下沉降，被人體加熱后重新被豎直擋板10’底部過風 口 12吸入后再經 冷卻重新流回。冬季導流風扇9反向旋轉，氣流被半導體制冷組件2加熱 后由豎直擋板10’底部通風口 13排出，用于室內取暖，在室內被冷卻后重新被水平擋板10 通風口 12吸入而被加熱。在水平擋板10的垂直擋板10’通風口 13和垂直擋板10’通風 口 12內側安裝濾網11，達到過濾空氣的作用。水平擋板10的垂直擋板10’通風口 13和垂 直擋板10’通風口 12組成的整體，將半導體制冷組件系統隱藏起來，使室內看起來美觀整 潔，同時起到控制和凈化空氣氣流的作用。如圖1-3所示，太陽能光伏熱水遮陽板1安裝于室外換熱聯箱5上。以實現夏季 遮陽減小室內負荷，冬季不影響室內自然采光的需求。太陽能光伏熱水遮陽板上表面覆蓋 光伏電池組件3，光伏電池組件3發出的電能經過控制器18和蓄電池19供半導體制冷組 件2使用。夏季時半導體制冷組件2下端吸熱制冷，冬季時調換半導體制冷組件2的電流 輸入輸出方向，使半導體制冷組件2下端制熱放熱，即可實現供暖功能。如圖3所示，整體式重力熱管4下部粘貼于太陽能光伏電池組件3背面，頂部伸入 換熱聯箱5中，將太陽能轉化為熱能的能量部分由光伏電池組件3帶入到換熱聯箱5中。如圖3所示，換熱聯箱5兩端用防凍液管路6與水箱7內的盤管22相連。盤管22 與換熱聯箱5組成密閉系統，中間充滿的防凍液在循環泵8的作用下循環運行。夏季，依靠 防凍液將分離式熱管冷凝段20和整體式重力熱管4輸入聯箱的熱量不斷帶入水箱7加熱 生活用水16。冬季，整體式重力熱管4將熱量輸入換熱聯箱5，分離式熱管蒸發段21又將 熱量從換熱聯箱5中帶走，若有富余熱量，則依靠防凍液帶入水箱7。本發明的夏季整個工作過程如下如圖1所示一方面太陽能光伏熱水遮陽板1遮陽減小室內負荷，同時整體式重力 熱管4頂部伸入換熱聯箱5中，將太陽能轉化為熱能的能量部分帶入到換熱聯箱5中，通過 換熱產生熱水16。一方面表面覆蓋的光伏電池組件3發出的電能經過控制器18和蓄電池19供半導 體制冷組件2使用。半導體制冷組件2的下端安裝金屬散熱片23。金屬散熱片23采用多 片式結構，通過增大換熱面積強化半導體制冷組件與空氣之間的換熱能力。氣流由豎直擋 板10’底部通風口 12進入，經冷卻后由水平擋板10通風口 13流出，向下流入室內，在密度 作用下沉降，被人體加熱后重新被豎直擋板10’底部過風口 12吸入后再經冷卻重新流回。 在豎直擋板10的通風口 12和通風口 13內側安裝濾網11，達到過濾空氣的作用。同時，光 伏組件2上端的分離式熱管冷凝段20依靠防凍液將熱量不斷帶入水箱7加熱生活用水16。本發明的冬季整個工作過程如下一方面太陽能光伏熱水遮陽板1上表面覆蓋光伏電池組件3，光伏電池組件3發出 的電能經過供電系統中的控制器18和蓄電池19提供電源供半導體制冷組件2使用，其中 控制器18可采用市場出售的較為成熟的光伏控制器產品。整體式重力熱管4頂部伸入換熱聯箱5中，將太陽能轉化為熱能的能量部分帶入到換熱聯箱5中，通過換熱產生熱水16。一方面半導體制冷組件2調換電流輸入和輸出端口，整體采用可升降的懸吊方式 固定在天花板上，通過調節半導體制冷組件2的位置來使它高于換熱聯箱5，以達到切換分 離式熱管的戶內段20和戶外段21的目的，導流風扇9反向旋轉，氣流被半導體制冷組件2 加熱后由豎直擋板10’底部通風口 13排出，用于室內取暖，在室內被冷卻后重新被水平擋 板10通風口 12吸入而被加熱。在豎直擋板10’的通風口 12和水平擋板10的通風口 13 內側安裝濾網11，達到過濾空氣的作用。本發明未詳細闡述部分屬于本領域技術人員的公知技術。
權利要求
一種建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統，其特征在于包括半導體制冷組件；用于導熱的帶短管束的分離式熱管、整體式重力熱管、太陽能光伏熱水遮陽板、為半導體制冷組件供電的供電系統及熱水系統，其中所述太陽能光伏熱水遮陽板安裝于室外換熱聯箱上，太陽能光伏熱水遮陽板上表面覆蓋光伏電池組件，光伏電池組件發出的電能經過供電系統后為半導體制冷組件使用；所述的半導體制冷組件是具有一定厚度的扁平式結構，半導體制冷組件下端安裝金屬散熱片，金屬散熱片下方安裝帶風口的水平擋板，室內一側墻壁安裝豎直擋板，水平擋板和室內一側墻壁安裝豎直擋板的銜接處安裝導流風扇，導流風扇與兩個擋板共同起到控制氣流方向的作用；半導體制冷組件上端安裝帶短管束的分離式熱管；所述的帶短管束的分離式熱管一端緊貼半導體制冷組上端，另一端伸入換熱聯箱，中間通過波紋管連接；所述帶短管束的分離式熱管的管束所在平面與水平面呈8°～20°夾角；所述的整體式重力熱管下部粘貼于光伏電池組件的背面，頂部伸入換熱聯箱中；所述的換熱聯箱和防凍液管路、水箱、循環泵組成熱水系統，換熱聯箱兩端用防凍液管路與水箱內的盤管相連，盤管與換熱聯箱組成密閉系統，防凍液管路中間充滿的防凍液在循環泵的作用下循環運行。
2.根據權利要求1所述的建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統，其特征在于所 述的半導體制冷組件整體采用可升降的懸吊方式固定在天花板上。
3.根據權利要求1所述的建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統，其特征在于所 述太陽能光伏熱水遮陽板采用遮陽板式安裝方式，夏季可以限制陽光進入室內，減小室內 制冷負荷；冬季不影響陽光進入室內，不影響室內自然采暖。
全文摘要
一種建筑復合太陽能光伏熱水供冷和采暖系統主要包括太陽能光伏熱水遮陽板、半導體制冷組件、帶短管束的分離式熱管、整體式重力熱管、換熱聯箱等組成。其特征在于所述的太陽能光伏熱水遮陽板與半導體制冷組件組成回路，利用太陽能發電在夏季和冬季分別實現對室內的制冷和供熱；所述的分離式熱管、整體式重力熱管、換熱聯箱和盤管、水箱等組成熱水系統，在夏季和冬季分別實現冷卻和加熱半導體制冷組件的同時產生熱水。本發明解決了傳統太陽能光伏發電與半導體制冷組件聯合應用中采暖與制熱水不能同時實現的難題，分離式熱管和重力熱管的引入提高了制冷和制熱效率，擴大了應用范圍。
文檔編號F25B21/02GK101806514SQ201010121510
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月10日 優先權日2010年3月10日
發明者何偉, 侯景鑫, 季杰, 張揚, 李桂強 申請人:中國科學技術大學