一種基于跨季節蓄熱的可再生能源一體化互補利用系統的制作方法

本發明涉及新能源、供熱和新農村建設領域，尤其是涉及一種基于跨季節蓄熱的可再生能源一體化互補利用系統。

背景技術：

農村地區常見的能源供應方式包括秸稈焚燒、電加熱、煤炭燃燒等，不僅消耗了大量的一次能源，而且溫室氣體排放量大，嚴重污染了環境，能源效率較低。較為可靠的解決方案是在農村地區推廣使用可再生能源。然而，長期以來，我國分散性農居生活能源供應組成立可再生能源比例低，用能結構不合理，對化石類能源和外部商業性能源依賴程度持續偏高。原因是缺乏有效的農居小型戶用清潔能源穩定供應技術和成套設備。

目前農村地區最常見的可再生能源利用方式為安裝太陽能熱水器等，其缺點較為明顯。主要表現為春夏秋季富裕的太陽能無法得到有效利用，冬季陰雨天較多，太陽輻照度低導致其可靠性降低。同時也無法滿足冬季采暖的需求。有效的解決辦法是采用多種能源進行互補利用，但目前的研究多集中在太陽能輔助地源熱泵技術，其初投資較高。此外，其應用范圍主要針對于嚴寒地區，具有一定的局限性。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能源互補、熱量跨季節轉移和利用、投資低、易推廣、批量生產的基于跨季節蓄熱的可再生能源一體化互補利用系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于跨季節蓄熱的可再生能源一體化互補利用系統，該系統包括：

平板式太陽能集熱器：用以收集全年太陽能并提供熱能；

垂直u型集群地埋管：與平板式太陽能集熱器連接，用以儲存春夏季富裕的太陽能至冬季供熱使用；

水循環子系統：分別與平板式太陽能集熱器和垂直u型集群地埋管連接，用以進行水加熱和水循環；

用戶需求末端：與水循環子系統連接，包括洗浴用連接裝置和室內換熱裝置；

控制子系統：為一集成控制柜，通過控制系統中管路上閥門的通斷對系統的不同工作模式進行切換。

所述的水循環子系統包括生活熱水水箱和采暖水箱，所述的生活熱水水箱分別與平板式太陽能集熱器、垂直u型集群地埋管和洗浴用連接裝置連接，所述的采暖水箱分別與平板式太陽能集熱器、垂直u型集群地埋管和室內換熱裝置連接。

所述的閥門包括分別與集成控制柜連接的第一電動三通閥、第二電動三通閥、第三電動三通閥和第四電動三通閥，所述的第一電動三通閥的進水側與平板式太陽能集熱器的出口端連通，1#出水側與生活熱水水箱連通，2#出水側與第二電動三通閥的1#出水側連通，所述的第二電動三通閥的2#出水側和進水側分別與采暖水箱連通，進水側還與第三電動三通閥的1#出水側連通，所述的電動三通閥的2#出水側與垂直u型集群地埋管連通，進水側與第四電動三通閥的進水側連通，所述的第四電動三通閥的1#出水側與平板式太陽能集熱器的入口端連通，2#出水側與平板式太陽能集熱器的出口端連通。

所述的采暖水箱與室內換熱裝置之間的管路上依次設有分別與集成控制柜連接的第二循環水泵、第一止回閥和第二調節閥，所述的生活熱水水箱與洗浴用連接裝置之間的管路上設有與集成控制柜連接的第一調節閥，所述的第二電動三通閥與第三電動三通閥之間的管路上依次設有分別與集成控制柜連接的第一循環水泵和第二止回閥。

所述的平板式太陽能集熱器及其入口端和出口端、第三電動三通閥與第四電動三通閥之間、第三電動三通閥與第二止回閥之間、垂直u型集群地埋管上、生活熱水水箱內、采暖水箱內分別設有與集成控制柜連接的溫度探頭。

所述的生活熱水水箱內設有電加熱棒以及螺旋式布置銅制的換熱盤管。

所述的換熱盤管與生活熱水水箱的內壁距離為2-5cm，盤管間距為0.5-1.0cm，電加熱棒的功率為3kw，所述的垂直u型集群地埋管埋地深度為10-15米。

所述的不同工作模式包括全年生活熱水優先供應模式、跨季節土壤蓄熱模式、冬季太陽能直接采暖模式、冬季土壤取熱模式和冬季嚴寒夜晚防凍模式。

當處于全年生活熱水優先供應模式時，第一循環水泵處于開啟狀態，第一電動三通閥、第二電動三通閥、第三電動三通閥和第四電動三通閥均切換為進水側與1#出水側導通，此時平板式太陽能集熱器收集到的熱量通過循環回路加熱生活熱水箱以提供生活熱水；

當處于跨季節土壤蓄熱模式時，第一循環水泵處于開啟狀態，第一電動三通閥、第二電動三通閥和第四電動三通閥均切換為進水側與1#出水側導通，第三電動三通閥切換為進水側與2#出水側導通，此時平板式太陽能集熱器與垂直u型集群地埋管共同為生活熱水水箱提供熱量；

當處于冬季太陽能直接采暖模式時，第一循環水泵處于開啟狀態，第二電動三通閥和第四電動三通閥均切換為進水側與1#出水側導通，第一電動三通閥和第三電動三通閥均切換為進水側與2#出水側導通，此時平板式太陽能集熱器向垂直u型集群地埋管轉移春、夏、秋季富裕的太陽能，加熱土壤溫度以供冬季使用；

當處于冬季土壤取熱模式時，第三電動三通閥和第四電動三通閥均切換為進水側與1#出水側導通，第一電動三通閥和第二電動三通閥均切換為進水側與2#出水側導通，第一循環水泵和第二循環水泵均處于開啟狀態，調節閥處于開啟狀態，此時平板式太陽能集熱器為采暖水箱進行加熱以供用戶需求側使用；

當處于冬季嚴寒夜晚防凍模式時，第四電動三通閥切換為進水側與1#出水側導通，第一電動三通閥、第二電動三通閥和第三電動三通閥均切換為進水側與2#出水側導通，第一循環水泵處于開啟狀態，此時垂直u型集群地埋管春夏秋季儲存的熱量釋放出，加熱采暖水箱。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

一、能源互補：采用太陽能和地熱能兩種可再生能源進行互補利用，與傳統的農村地區能源利用方式對比，更加低碳環保，并且有效克服了單一可再生能源的局限性，能源供給更加可靠。

二、熱量跨季節轉移和利用：本發明采用垂直u型集群地埋管以實現熱量的跨季節轉移和利用，將春、夏、秋季收集的富裕的太陽能儲存到集群地埋管中，緩解了冬季基本采暖和生活熱水需求不足的問題。

三、投資低、易推廣：本系統省去了地源熱泵機組的投入，且垂直u型集群地埋管鉆孔深度為10-15m，遠低于常規地源熱泵地埋管70-80m的鉆孔深度，初投資較低，利于推廣。

四、批量生產：除可再生能源收集側，也即平板式太陽能集熱器和垂直u型集群地埋管外，和用戶需求末端，也即洗浴用連接裝置和室內換熱裝置，之外，本系統剩余部件均集成化、一體化，有利于批量化生產使用。

附圖說明

圖1為本發明系統的原理簡圖；

圖2為電動三通閥換向示意圖；

圖3為全年生活熱水優先供應模式下系統運行示意圖；

圖4為冬季生活熱水輔助供應模式下系統運行示意圖；

圖5為跨季節土壤蓄熱模式下系統運行示意圖；

圖6為冬季太陽能直接采暖模式下系統運行示意圖；

圖7為冬季土壤取熱模式下系統運行示意圖；

圖3-圖7中，粗線均代表水循環走水換熱管道的路線；

圖中，1、平板式太陽能集熱器，2、垂直u型集群地埋管，3、集成控制柜，4、生活熱水水箱，5、用戶需求末端，51、洗浴用連接裝置，52、室內換熱裝置，6、采暖水箱，71、第一電動三通閥，72、第二電動三通閥，73、第三電動三通閥，74、第四電動三通閥，81、第一循環水泵，82、第二循環水泵，92-98、溫度探頭，101、第一調節閥，102、第二調節閥，103、第一止回閥，104、第二止回閥。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

如圖1所示，一種基于跨季節蓄熱的可再生能源一體化互補利用系統，包括提供生活熱水和采暖所需熱量的平板式太陽能集熱器1、跨季節轉移熱量的垂直u型集群地埋管2，接受平板式太陽能集熱器1和垂直u型集群地埋管2所收集或儲存的熱能的生活熱水水箱4和采暖水箱6，利用生活熱水水箱4和采暖水箱5所儲存的熱量以滿足用戶需求的用戶需求末端5。其中用戶需求末端5包括洗浴用連接頭51和室內換熱末端52。

其中，平板式太陽能集熱器出口端12與生活熱水水箱4之間設置有第一電動三通閥71，平板式太陽能集熱器入口端11與垂直u型集群地埋管出口端22之間設置有第四電動三通閥74，垂直u型集群地埋管入口端21與采暖水箱6之間依次設置有第三電動三通閥73、第二止回閥104和第一循環水泵81，采暖水箱6與生活熱水水箱4之間設置有第二電動三通閥72。生活熱水水箱4內部設置有換熱盤管42，其材質為銅管，布置方式為螺旋式，盤管與桶壁的距離為2-5cm，盤管間距為0.5-1.0cm。水箱上部安置有電加熱棒41作為輔助加熱措施，其功率為3kw，并疊放在采暖水箱6上。采暖水箱6與室內換熱裝置52之間依次設置有第二循環水泵82和第一止回閥103，調節閥102。溫度探頭91-98依次設置在各管道上或水箱箱體內以檢測各處水溫反饋給集成控制箱3并做出相應的控制響應。

使用時，溫度探頭91-98，第一循環水泵81、第二循環水泵82，第一電動三通閥71、第二電動三通閥72、第三電動三通閥73、第四電動三通閥74通過三芯導線與集成控制柜3相連，其中各溫度探頭反饋各處水溫給集成控制柜3，通過集成控制柜3來控制水泵的啟停和各電動三通閥的轉向以實現不同的運行模式。

本系統包括5種系統工作模式，包括：

全年生活熱水優先供應模式，全年首先優先滿足生活熱水的需求，表現為太陽能生活熱水加熱模式處于最高的優先度。平板式太陽能集熱器1全年收集到的太陽能將通過第一循環水泵81，加熱生活熱水水箱4

冬季生活熱水輔助供應模式，在滿足生活熱水需求后，將平板式太陽能集熱器1收集到的富裕的熱量通過第一循環水泵81導入垂直集群u型地埋管2，與土壤換熱提高土壤溫度，供冬季使用。

跨季節土壤蓄熱模式，冬季陽光強烈情況下，將平板式太陽能集熱器1收集到的熱量通過第一循環水泵81轉移到采暖水箱6，用以采暖使用。

冬季太陽能直接采暖模式，冬季無日照或日照低于限定值的情況下，通過第一循環水泵81將春夏秋季儲存在土壤中的熱量取出，加熱采暖水箱6。

冬季土壤取熱模式，冬季氣溫低于0℃，第一循環水泵81開啟，抽取生活熱水水箱4富裕的熱量對平板式太陽能集熱器1及其管路進行防凍保護。

如圖3所示，處于全年生活熱水優先供應模式時，通過集成控制柜3，第一循環水泵81處于開啟狀態，第一電動三通閥71、第二電動三通閥72、第三電動三通閥73、第四電動三通閥74均切換至#1出水側。此時平板式太陽能集熱器1收集到的熱量通過循環回路加熱生活熱水箱4以提供生活熱水。

如圖4所示，處于冬季生活熱水輔助供應模式時，通過集成控制柜3，第一循環水泵81處于開啟狀態，第一電動三通閥71、第二電動三通閥72、第四電動三通閥74均切換至#1出水側，第三電動三通閥73切換至#2出水側。此時平板式太陽能集熱器1與垂直u型集群地埋管2共同為生活熱水水箱4提供熱量。其中垂直u型集群地埋管提供的熱量為春、夏、秋季收集的富裕太陽能。

如圖5所示，處于跨季節土壤蓄熱模式時，通過集成控制柜3，第一循環水泵81處于開啟狀態，第二電動三通閥72、第四電動三通閥74切換至#1出水側，第一電動三通閥71、第三電動三通閥73切換至#2出水側。此時平板式太陽能集熱器1通過該循環回路向垂直u型集群地埋管2轉移春、夏、秋季富裕的太陽能，加熱土壤溫度以供冬季使用。

如圖6所示，處于冬季太陽能直接采暖模式時，通過集成控制柜3，第三電動三通閥73、第四電動三通閥74切換至#1出水側，第一電動三通閥71、第二電動三通閥72切換至#2出水側，第一循環水泵81、第二循環水泵82處于開啟狀態，調節閥102處于開啟狀態。此時平板式太陽能集熱器1為采暖水箱進行加熱以供用戶需求側5使用。

如圖7所示，處于冬季土壤取熱模式時，通過集成控制柜3，第四電動三通閥74切換至#1出水側，第一電動三通閥71、第二電動三通閥72、第三電動三通閥73切換至#2出水側，第一循環水泵81處于開啟狀態。此時垂直u型集群地埋管2春夏秋季儲存的熱量釋放出，通過循環回路加熱采暖水箱6。