热管式光伏光热模块-热泵-相变地板耦合系统及方法
技术领域
本发明属于光伏光热技术与建筑结合领域，具体涉及热管式光伏光热系统与地板采暖技术在建筑中的应用。
背景技术
光伏光热系统具有发电、制取生活热水及室内供暖等多种功能，并且其结构可与建筑完美结合，然而现阶段的光伏光热系统多采用水循环，存在容易结冰、传热效率低、夏季无法制冷且供暖季晚上无法供暖等问题。
分离式热管技术与光伏光热技术结合使用可以提高太阳能综合利用率并可以解决管道冷冻问题，其与热泵技术相结合，可以实现夏季供冷功能，且可以在冬季补足光伏光热供暖时存在的热量不足问题。通过在系统中添加相变材料，可以增加系统的灵活性，并在充分利用光伏光热模块产生热量的情况下提高室内的舒适度。所以将分离式热管技术、热泵技术、相变材料耦合在一起可以在提高其光电光热综合效率的基础上，使得系统功能更加多样化，实用性、舒适性更强。
发明内容
针对现有光伏光热系统冷却方式单一、换热效率低、无法制冷等问题，本发明提出了一种热管式光伏光热模块-热泵-相变地板耦合系统及工作方法。该系统将热管式光伏光热模块与热泵、相变材料相结合，以水冷冷凝器、地板冷凝器作为分离式热管的一部分，在充分利用所得热能的基础上提高了光伏光热模块的光电光热综合效率；同时相变材料的加入可以在供暖季将白天多余的热量储存起来并在夜晚使用；热泵系统的加入可以使系统更加稳定，不仅可以在供暖季补充不足的热量，还可以在夏季实现供冷需求。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种热管式光伏光热模块-热泵-相变地板耦合系统，包括热管式光伏光热模块1、换热系统、热泵系统、供电系统；
热管式光伏光热模块1放置在建筑墙体26向阳侧的表面，作为系统的太阳能热量接收装置，所述热管式光伏光热模块1包括墙体26表面的保温层7、保温层7外侧的微通道热管蒸发器6、微通道热管蒸发器6外侧的吸热板5、固定在吸热板5向阳侧的太阳能电池片阵列4、太阳能电池片阵列4外侧的玻璃板2、玻璃板2和太阳能电池片阵列4之间的隔热空气层3，热管式光伏光热模块1的上下端通过光伏光热模块边框8封闭；
换热系统包括设置于用户端29处的水冷换热器12、位于室内的地板换热器15；水冷换热器12包括保温水箱11、保温水箱11内部的水冷冷凝器10；地板换热器15包括地板层18、地板层18内部的地板冷凝器16、地板层18内部和地板冷凝器16之间充满了相变储热材料17；水冷冷凝器10和地板冷凝器16安装位置都高于太阳能光伏光热模块1；热管式光伏光热模块1内的微通道热管蒸发器6分别与水冷冷凝器10、地板冷凝器16组成分离式热管系统，微通道热管蒸发器6的上端出口经过水冷换热器进口阀门9连接水冷冷凝器10的入口，水冷冷凝器10的出口经水冷换热器出口阀门13连接至微通道热管蒸发器6的下端入口，形成水冷热管传热系统；保温水箱11上设有通往客户端的热水出口；微通道热管蒸发器6的上端出口经过地板换热器-热管侧进口阀门14连接至地板冷凝器16；地板冷凝器16的出口经地板换热器-热管侧出口阀门19连接至微通道热管蒸发器6的下端入口，形成地板冷却热管传热系统；
热泵系统包括风冷换热器22、带有气液分离器30的压缩机23、四通换向阀24，四通换向阀24固定于压缩机23上方，四通换向阀24的第一接口241接通压缩机23出口、第二接口242通过地板换热器-热泵侧进口阀门25接地板冷凝器16的左端、第三接口243接通气液分离器30的入口、第四接口244接通风冷换热器22的入口；风冷换热器22的出口经毛细管21、地板换热器-热泵侧出口阀门20连接至地板冷凝器16的右端，形成热泵传热系统；
供电系统包括太阳能电池片阵列4连接太阳能蓄电池27，太阳能蓄电池27连接太阳能逆变系统28，太阳能逆变系统28连接至用户端29。
作为优选方式，相变储热材料17采用无机相变材料，按质量百分比计配方为：27％六水氯化钙、23％六水氯化锶、7.5％马来酸酐、6.5％甲酸钠、7.5％氯化钠、3.5％过硫酸钾、25％水，相变温度40℃～45℃。
作为优选方式，所述系统包括2种工作模式：制冷模式和采暖模式，在制冷模式下四通换向阀24的第二接口242和第三接口243接通，第一接口241和第四接口244接通；在采暖模式下第一接口241和第二接口242接通，第三接口243和第四接口244接通。
作为优选方式，太阳能电池片阵列4、吸热板5、微通道热管蒸发器6通过热熔胶层压在一起。
作为优选方式,热泵运行时通过地板换热器15可同时为两层建筑供冷或供热。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种所述的热管式光伏光热模块-热泵-相变地板耦合系统的工作方法，其为：
在非采暖季，地板换热器-热管侧进口阀门14，地板换热器-热管侧出口阀门19关闭，其他阀门打开，热管式光伏光热模块1与水冷冷凝器10接通，微通道热管蒸发器6内的工质吸收热管式光伏光热模块1内的热量，并由液态变为气态，气态工质沿管道到达水冷冷凝器10并在水冷冷凝器10内与保温水箱11内的低温水进行相变换热，同时工质由气态变为液态，换热后的液态工质受重力作用，经过水冷换热器出口阀门13流回热管式光伏光热模块1并继续循环；在建筑有制冷需求时热泵系统进入制冷模式，热泵系统以地板换热器15为蒸发器吸收地板层18的热量，工质由液态相变为气态后经四通换向阀24进入压缩机23，通过四通换向阀24的变换流向，四通换向阀的第二接口242和第三接口243联通，第一接口241和第四接口244联通，从压缩机23出口排出高温高压气态工质流向室外风冷换热器22，并在室外风冷换热器22中放热冷凝变为液态，冷凝后的工质通过毛细管21、地板换热器-热泵侧出口阀门20进入地板换热器15的地板冷凝器16的右端，在地板冷凝器16内蒸发吸热冷却地板层18，吸热后的工质从地板冷凝器16的左端经过地板换热器-热泵侧进口阀门25进入压缩机23继续循环，从而实现对室内的供冷；
在采暖季时，白天时，地板换热器-热管侧进口阀门14和地板换热器-热管侧出口阀门19开启，水冷换热器进口阀门9和水冷换热器出口阀门13关闭，热管式光伏光热模块1与地板换热器15接通，来自热管式光伏光热模块1的热量进入微通道热管蒸发器6，经过地板换热器-热管侧进口阀门14导入地板换热器15，利用太阳能加热地板层18为室内供暖，并将多余热量储存于地板换热器内部的相变储热材料17中；夜间时，储存在地板换热器15内部的相变储热材料17释放热量用来给建筑采暖；当地板换热器15内的相变储热材料17散热量达不到室内温度要求时，热泵系统开启，地板换热器-热泵侧进口阀门25、地板换热器-热泵侧出口阀门20开启，地板换热器-热管侧进口阀门14和地板换热器-热管侧出口阀门19关闭，通过四通换向阀24的变换流向，第一接口241和第二接口242接通，第三接口243和第四接口244接通，风冷换热器22吸收室外空气中的热量，热量通过四通换向阀24进入压缩机23，从压缩机23出口出来的高温高压气态工质经地板换热器-热泵侧进口阀门25进入地板冷凝器16的左端，经地板换热器15释放热量，为室内供暖；工质在地板换热器15中放热冷凝变为液态，冷凝后的工质通过地板换热器-热泵侧出口阀门20、毛细管21进入室外风冷换热器22内蒸发，吸收室外空气中的热量，吸热后的工质进入压缩机继续循环，实现对室内的供暖；
太阳能蓄电池27储存来自于太阳能光伏光热模块1的电能，而太阳能逆变系统28则将太阳能蓄电池27内的直流电转换成交流电供给用户端29使用。
本发明系统的技术构思如下：采用热管式太阳能光伏光热系统与热泵系统、相变材料耦合实现为建筑供暖、供冷和提供生活热水的功能。在非采暖季热管式光伏光热系统可单独运行为建筑供电和热水，在建筑有制冷需求时，热泵系统可以为建筑供冷。在采暖季，热管式太阳能光伏光热系统和相变材料、热泵系统相结合，可以在充分利用太阳能的热量进行供热的基础上无间断为建筑进行供暖。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
1、本发明将热管式太阳能光伏光热系统与热泵系统、相变材料相结合，可为建筑提供电能、热水、采暖和供冷功能，实现了系统功能多样化。
2、光伏光热模块采用热管传热，解决了冬季管路易结冰，传热效率低的问题。
3、在地板换热器内加入相变储热材料，有效合理调控光伏光热模块所得热量，提高太阳能利用率。
4、地板换热器的引入可同时实现对上下两层建筑的供冷供热。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种热管式光伏光热模块-热泵-相变地板耦合系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的非采暖季热管式光伏光热系统与水冷换热器联合运行制热水模式平面图；
图3为本发明实施例提供的非采暖季热泵系统制冷模式平面图；
图4为本发明实施例提供的采暖季热管式光伏光热模块与地板换热器联合运行为室内采暖模式平面图；
图5为本发明实施例提供的采暖季夜间热泵系统采暖模式平面图；
图中，1为热管式光伏光热模块，2为玻璃板，3为隔热空气层，4为太阳能电池片阵列，5为吸热板，6为微通道热管蒸发器，7为保温层，8为光伏光热模块边框，9为水冷换热器进口阀门，10为水冷冷凝器，11为保温水箱，12为水冷换热器，13为水冷换热器出口阀门，14为地板换热器-热管侧进口阀门，15为地板换热器，16为地板冷凝器，17为相变储热材料，18为地板层，19为地板换热器-热管侧出口阀门，20为地板换热器-热泵侧出口阀门，21为毛细管，22为风冷换热器，23为压缩机，24四通换向阀，241为第一接口，242为第二接口，243为第三接口，244为第四接口，25为地板换热器-热泵侧进口阀门，26为墙体，27为太阳能蓄电池，28为太阳能逆变系统，29为用户端，30为气液分离器。
具体实施方式
如图1所示，一种热管式光伏光热模块-热泵-相变地板耦合系统，包括热管式光伏光热模块1、换热系统、热泵系统、供电系统；
热管式光伏光热模块1放置在建筑墙体26向阳侧的表面，作为系统的太阳能热量接收装置，所述热管式光伏光热模块1包括墙体26表面的保温层7、保温层7外侧的微通道热管蒸发器6、微通道热管蒸发器6外侧的吸热板5、固定在吸热板5向阳侧的太阳能电池片阵列4、太阳能电池片阵列4外侧的玻璃板2、玻璃板2和太阳能电池片阵列4之间的隔热空气层3，热管式光伏光热模块1的上下端通过光伏光热模块边框8封闭；
换热系统包括设置于用户端29处的水冷换热器12、位于室内的地板换热器15；水冷换热器12包括保温水箱11、保温水箱11内部的水冷冷凝器10；地板换热器15包括地板层18、地板层18内部的地板冷凝器16、地板层18内部和地板冷凝器16之间充满了相变储热材料17；水冷冷凝器10和地板冷凝器16安装位置都高于太阳能光伏光热模块1；热管式光伏光热模块1内的微通道热管蒸发器6分别与水冷冷凝器10、地板冷凝器16组成分离式热管系统，微通道热管蒸发器6的上端出口经过水冷换热器进口阀门9连接水冷冷凝器10的入口，水冷冷凝器10的出口经水冷换热器出口阀门13连接至微通道热管蒸发器6的下端入口，形成水冷热管传热系统；保温水箱11上设有通往客户端的热水出口；微通道热管蒸发器6的上端出口经过地板换热器-热管侧进口阀门14连接至地板冷凝器16；地板冷凝器16的出口经地板换热器-热管侧出口阀门19连接至微通道热管蒸发器6的下端入口，形成地板冷却热管传热系统；
热泵系统包括风冷换热器22、带有气液分离器30的压缩机23、四通换向阀24，四通换向阀24固定于压缩机23上方，四通换向阀24的第一接口241接通压缩机23出口、第二接口242通过地板换热器-热泵侧进口阀门25接地板冷凝器16的左端、第三接口243接通气液分离器30的入口、第四接口244接通风冷换热器22的入口；风冷换热器22的出口经毛细管21、地板换热器-热泵侧出口阀门20连接至地板冷凝器16的右端，形成热泵传热系统；
供电系统包括太阳能电池片阵列4连接太阳能蓄电池27，太阳能蓄电池27连接太阳能逆变系统28，太阳能逆变系统28连接至用户端29。
相变储热材料17采用无机相变材料，按质量百分比计配方为：27％六水氯化钙、23％六水氯化锶、7.5％马来酸酐、6.5％甲酸钠、7.5％氯化钠、3.5％过硫酸钾、25％水，相变温度40℃～45℃。
本实施例还提供一种所述的热管式光伏光热模块-热泵-相变地板耦合系统的工作方法，其为：
如图2所示，在非采暖季，地板换热器-热管侧进口阀门14，地板换热器-热管侧出口阀门19关闭，其他阀门打开，热管式光伏光热模块1与水冷冷凝器10接通，微通道热管蒸发器6内的工质吸收热管式光伏光热模块1内的热量，并由液态变为气态，气态工质沿管道到达水冷冷凝器10并在水冷冷凝器10内与保温水箱11内的低温水进行相变换热，同时工质由气态变为液态，换热后的液态工质受重力作用，经过水冷换热器出口阀门13流回热管式光伏光热模块1并继续循环；如图3所示，在建筑有制冷需求时热泵系统进入制冷模式，热泵系统以地板换热器15为蒸发器吸收地板层18的热量，工质由液态相变为气态后经四通换向阀24进入压缩机23，通过四通换向阀24的变换流向，四通换向阀的第二接口242和第三接口243联通，第一接口241和第四接口244联通，从压缩机23出口排出高温高压气态工质流向室外风冷换热器22，并在室外风冷换热器22中放热冷凝变为液态，冷凝后的工质通过毛细管21、地板换热器-热泵侧出口阀门20进入地板换热器15的地板冷凝器16的右端，在地板冷凝器16内蒸发吸热冷却地板层18，吸热后的工质从地板冷凝器16的左端经过地板换热器-热泵侧进口阀门25进入压缩机23继续循环，从而实现对室内的供冷；
如图4所示，在采暖季时，白天时，地板换热器-热管侧进口阀门14和地板换热器-热管侧出口阀门19开启，水冷换热器进口阀门9和水冷换热器出口阀门13关闭，热管式光伏光热模块1与地板换热器15接通，来自热管式光伏光热模块1的热量进入微通道热管蒸发器6，经过地板换热器-热管侧进口阀门14导入地板换热器15，利用太阳能加热地板层18为室内供暖，并将多余热量储存于地板换热器内部的相变储热材料17中；夜间时，储存在地板换热器15内部的相变储热材料17释放热量用来给建筑采暖；如图5所示，当地板换热器15内的相变储热材料17散热量达不到室内温度要求时，热泵系统开启，地板换热器-热泵侧进口阀门25、地板换热器-热泵侧出口阀门20开启，地板换热器-热管侧进口阀门14和地板换热器-热管侧出口阀门19关闭，通过四通换向阀24的变换流向，第一接口241和第二接口242接通，第三接口243和第四接口244接通，风冷换热器22吸收室外空气中的热量，热量通过四通换向阀24进入压缩机23，从压缩机23出口出来的高温高压气态工质经地板换热器-热泵侧进口阀门25进入地板冷凝器16的左端，经地板换热器15释放热量，为室内供暖；工质在地板换热器15中放热冷凝变为液态，冷凝后的工质通过地板换热器-热泵侧出口阀门20、毛细管21进入室外风冷换热器22内蒸发，吸收室外空气中的热量，吸热后的工质进入压缩机继续循环，实现对室内的供暖；
太阳能蓄电池27储存来自于太阳能光伏光热模块1的电能，而太阳能逆变系统28则将太阳能蓄电池27内的直流电转换成交流电供给用户端29使用。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。
