一種家庭采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉珈利+王志坤+范明杭

摘 要： 本家庭采暖系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱采暖模塊、太陽(yáng)能儲(chǔ)熱模塊、電加熱模塊、發(fā)電模塊、供暖模塊與控制模塊等六大模塊。該系統(tǒng)主要通過(guò)太陽(yáng)能集熱供暖，并通過(guò)太陽(yáng)能電池板與溫差發(fā)電裝置發(fā)電，來(lái)滿足手機(jī)等家庭電子產(chǎn)品的所需。該系統(tǒng)可以滿足家庭冬天的供暖，并且還能在其他季節(jié)為家庭提供溫水，為用戶提供洗浴以及餐飲用水等服務(wù)，減少能源的消耗，節(jié)能減排，綠色環(huán)保。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能；溫差發(fā)電；采暖；節(jié)能環(huán)保

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-2163（2017）02-0137-03

Abstract：The household heating system including such six modules as solar module， solar energy heating storage module， electrical heating module， power module， heating supply module and control module. The system mainly gets heating integration and supply through the solar energy， and achieves power generation through the solar panels and the temperature difference generator， to meet the required household electronic products such as mobile phone. The system can meet heating of the family in winter， and provide families with warm water in other season， also to provide users with bath and catering services such as water. The research fruits could reduce energy consumption， realize energy conservation and emission reduction， as well as green environmental protection.

Keywords：solar energy； thermoelectric power generation； heating； energy conservation and environment protection

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，能源問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)和學(xué)界關(guān)注焦點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)的家庭供暖效率普遍較低，能耗較高，并且給廣大地區(qū)帶來(lái)了現(xiàn)實(shí)嚴(yán)重的環(huán)境污染。雖然空調(diào)采暖方式能夠解決上述的污染問(wèn)題，但空調(diào)的耗電量卻非比尋常，并且一部分空調(diào)的制冷劑對(duì)人體也會(huì)造成危害。為此，使用新能源即已成為當(dāng)今學(xué)界公認(rèn)的重點(diǎn)潮流態(tài)勢(shì)。研究可知，太陽(yáng)能不僅產(chǎn)量豐富，還是一種清潔能源，同時(shí)太陽(yáng)能技術(shù)也已深入到尋常百姓家，因此應(yīng)該大力推廣并且實(shí)踐應(yīng)用太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。這樣就既可以節(jié)約能源，又能防止污染環(huán)境，綠色環(huán)保。

基于此，本文研發(fā)提出了一種家庭采暖系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以滿足家庭冬天的供暖，并且還能在其他季節(jié)為家庭提供生活及餐飲溫水，減少能源的消耗。

1 家庭采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理解析

該采暖裝置如圖1所示。由圖1可知，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括了太陽(yáng)能空氣集熱器、溫差發(fā)電部分、保溫水箱、冷熱氣體混合箱、電加熱部分、控制部分和室內(nèi)溫濕檢測(cè)部分，以及太陽(yáng)能電池板蓄電模塊、穩(wěn)壓模塊與升壓模塊的太陽(yáng)能發(fā)電部分，同時(shí)還集成有溫度傳感器與濕度傳感器的室內(nèi)溫濕檢測(cè)部分在內(nèi)。太陽(yáng)能空氣集熱器固定在室外屋頂，其一部分通過(guò)管路、溫差發(fā)電部分、氣泵與保溫水箱連接，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能能源的收集、轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存。而另一部分則通過(guò)管路、溫差發(fā)電部分、氣泵、電磁閥、電加熱部分與冷熱氣體混合箱連接，以操縱管理氣流溫度的控制，滿足室內(nèi)的供暖。自來(lái)水管與溫差發(fā)電部分連接，保溫水箱下部通過(guò)水泵、電加熱部分與家用溫水管路、淋雨管路連接，以確保家用溫水的正常供給。太陽(yáng)能電池板和溫差發(fā)電部分通過(guò)導(dǎo)線、蓄電模塊、穩(wěn)壓模塊和升壓模塊與控制部分連接，以達(dá)到太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能并高效存儲(chǔ)的目的需求。該采暖裝置的控制部分與部分家庭電路相連接，以配置提供人們對(duì)該系統(tǒng)的控制作用。

由于從太陽(yáng)能空氣集熱器中輸出的氣體溫度很高，所以輸出的氣體要先與常溫空氣混合后再通入室內(nèi)。冷熱氣體混合箱的上管道通高溫氣體，下管道通常溫氣體，在氣室內(nèi)充分混合后，通入溫濕度監(jiān)測(cè)氣室。在溫濕度監(jiān)測(cè)氣室中，還設(shè)置有濕度傳感器與溫度傳感器，檢測(cè)混合氣體的濕度與溫度是否符合設(shè)定范圍，濕度不足時(shí)調(diào)整氣流通道，為混合氣體增加濕度，溫度不足時(shí)自動(dòng)啟用電加熱。該家庭供暖系統(tǒng)在滿足居室供暖的條件下，輸送熱氣管道便會(huì)將熱氣通入保溫水箱中進(jìn)行儲(chǔ)熱。將收集的多余熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，提供日常生活所用溫水、淋浴等。此外，保溫水箱內(nèi)部還安裝有液位檢測(cè)傳感器，避免了輸送冷水過(guò)量或箱內(nèi)水量不足的問(wèn)題。

該家庭采暖系統(tǒng)提高了綜合利用效率、成本較低、工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單。利用太陽(yáng)能作為熱量來(lái)源，大大減少了現(xiàn)有采暖方式對(duì)電能、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)能源的消耗，綠色、節(jié)能。冬季可以采暖，其他季節(jié)可以為家庭提供洗浴熱水，提高系統(tǒng)利用效率。

2 工作原理

本家庭采暖系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱采暖模塊、太陽(yáng)能儲(chǔ)熱模塊、電加熱模塊、發(fā)電模塊、供暖模塊與控制模塊等六大模塊。系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。下面，則將針對(duì)各功能模塊的研發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)給出詳盡解析與論述。

2.1 太陽(yáng)能集熱采暖模塊

該模塊是由太陽(yáng)能空氣集熱器、氣泵與冷熱氣體混合箱所組成。由于從太陽(yáng)能空氣集熱器輸出的氣體溫度較高，即必須先降到一定溫度之后才可以通入室內(nèi)，研究采取冷熱空氣混合的方法給高溫氣體進(jìn)行降溫。將集熱器輸出的高溫氣體從冷熱氣體混合箱的上管道輸入，冷空氣從下管道輸入，在氣室內(nèi)將二者均勻混合后，再將溫度較為適宜的氣體通入溫濕度檢測(cè)氣室。

2.2 太陽(yáng)能儲(chǔ)熱模塊

系統(tǒng)以水為儲(chǔ)熱介質(zhì)，利用從太陽(yáng)能空氣集熱器輸出的高溫空氣對(duì)保溫水箱內(nèi)的水進(jìn)行升溫，可以用于家庭洗浴以及其他生活用水。

2.3 電加熱模塊

在連續(xù)陰雨天，太陽(yáng)能空氣集熱器無(wú)法為居室提供充足的熱量時(shí)，控制部分可以自動(dòng)啟用電加熱部分，或是調(diào)用儲(chǔ)存的電能或是接入家庭電路為居室傳送適量的熱空氣，再通過(guò)控制部分調(diào)節(jié)氣泵的轉(zhuǎn)速，為居室提供具有適宜溫度和濕度的清新空氣。

2.4 發(fā)電模塊

該模塊由2部分組成，具體包括溫差發(fā)電部分和太陽(yáng)能發(fā)電部分。其中，溫差發(fā)電部分是利用溫差電原理，高效地利用從太陽(yáng)能空氣集熱器輸出的高溫氣體，與自循環(huán)的冷水相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電。而太陽(yáng)能發(fā)電部分則是利用太陽(yáng)電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后再對(duì)2部分產(chǎn)生的電能進(jìn)行升壓、穩(wěn)壓處理，最后存儲(chǔ)在可充電蓄電池中。將蓄電池的輸出電壓通過(guò)調(diào)節(jié)而變換為手機(jī)等家用電子產(chǎn)品適宜的電壓，從而可以提供給電子產(chǎn)品以作充電之用。

2.5 供暖模塊

供暖模塊由冷熱氣體混合箱、溫濕度檢測(cè)氣室與管道組成。將高溫氣體從冷熱氣體混合箱的上管道輸入，冷空氣從下管道輸入，在氣室內(nèi)充分混合后，通入溫濕度檢測(cè)氣室。在溫濕度檢測(cè)氣室中，還設(shè)置有濕度傳感器與溫度傳感器，檢測(cè)混合氣體的濕度與溫度是否符合設(shè)定范圍，濕度不足時(shí)調(diào)整氣流通道，為混合氣體增加濕度，溫度不足時(shí)自動(dòng)啟用電加熱裝置。當(dāng)混合氣體的溫度與濕度達(dá)到先期所設(shè)定的要求時(shí)，即可將其通入到家庭當(dāng)中。

2.6 控制模塊

該模塊采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制核心，引腳即如圖3所示。該單片機(jī)具有4個(gè)外部中斷、3個(gè)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，1個(gè)串口中斷源，還有32個(gè)通用I/O口，能夠滿足系統(tǒng)的要求。P0口是漏極開(kāi)路輸出，作為I/O口用時(shí)，需添加上拉電阻。通過(guò)串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）還可直接下載用戶程序，因而無(wú)需專用編程器。

控制模塊主要對(duì)各系統(tǒng)功能來(lái)引入控制與調(diào)節(jié)，并使各個(gè)單元之間的工作狀態(tài)保持常態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，安裝在室內(nèi)的溫度傳感器會(huì)自動(dòng)感知室內(nèi)溫度狀況，如果溫度過(guò)低，供暖模塊便會(huì)啟動(dòng)。此時(shí)安裝在溫濕度監(jiān)測(cè)氣室中的溫濕度傳感器也隨即啟動(dòng)，檢測(cè)混合氣體的溫濕度狀況是否符合設(shè)定范圍，若濕度不足時(shí)調(diào)整氣流通道，為混合氣體增加濕度，若溫度不足時(shí)自動(dòng)啟用電加熱裝置，當(dāng)然也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)手動(dòng)啟動(dòng)電加熱裝置。

該模塊既提高了整個(gè)系統(tǒng)的綜合利用效率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了溫濕度的智能調(diào)節(jié)，并對(duì)供暖無(wú)法滿足時(shí)提供了智能調(diào)控與補(bǔ)充，保證了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率與供暖的舒適性。

3 結(jié)束語(yǔ)

該家庭采暖系統(tǒng)充分利用清潔能源，達(dá)到了節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的目的。因此大力推廣應(yīng)用太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，不僅會(huì)帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)效益，而且也將具備明顯的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉珈利，崔大召，孫如軍. 一種綠色采暖裝置：中國(guó)，CN204574233U[P]. 2015-08-19.

[2] 朱敦智，蘆潮，劉君. 太陽(yáng)能采暖技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2007，26（4）：51-54，67.

[3] 朱敦智，劉君，蘆潮. 太陽(yáng)能采暖技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（S1）：167-170.

[4] 高新宇，范伯元，張紅光. 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30（12）：1653-1657.