一种家庭采暖系统的设计

刘珈利+王志坤+范明杭

摘 要： 本家庭采暖系统包括太阳能集热采暖模块、太阳能储热模块、电加热模块、发电模块、供暖模块与控制模块等六大模块。该系统主要通过太阳能集热供暖，并通过太阳能电池板与温差发电装置发电，来满足手机等家庭电子产品的所需。该系统可以满足家庭冬天的供暖，并且还能在其他季节为家庭提供温水，为用户提供洗浴以及餐饮用水等服务，减少能源的消耗，节能减排，绿色环保。

关键词： 太阳能；温差发电；采暖；节能环保

中图分类号：TP311

文献标志码：A

文章编号：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

隨着社会的发展和技术的进步，能源问题已经成为社会和学界关注焦点。目前，国内的家庭供暖效率普遍较低，能耗较高，并且给广大地区带来了现实严重的环境污染。虽然空调采暖方式能够解决上述的污染问题，但空调的耗电量却非比寻常，并且一部分空调的制冷剂对人体也会造成危害。为此，使用新能源即已成为当今学界公认的重点潮流态势。研究可知，太阳能不仅产量丰富，还是一种清洁能源，同时太阳能技术也已深入到寻常百姓家，因此应该大力推广并且实践应用太阳能采暖系统。这样就既可以节约能源，又能防止污染环境，绿色环保。

基于此，本文研发提出了一种家庭采暖系统，通过该系统可以满足家庭冬天的供暖，并且还能在其他季节为家庭提供生活及餐饮温水，减少能源的消耗。

1 家庭采暖系统的设计原理解析

该采暖装置如图1所示。由图1可知，系统设计中包括了太阳能空气集热器、温差发电部分、保温水箱、冷热气体混合箱、电加热部分、控制部分和室内温湿检测部分，以及太阳能电池板蓄电模块、稳压模块与升压模块的太阳能发电部分，同时还集成有温度传感器与湿度传感器的室内温湿检测部分在内。太阳能空气集热器固定在室外屋顶，其一部分通过管路、温差发电部分、气泵与保温水箱连接，以实现太阳能能源的收集、转化与储存。而另一部分则通过管路、温差发电部分、气泵、电磁阀、电加热部分与冷热气体混合箱连接，以操纵管理气流温度的控制，满足室内的供暖。自来水管与温差发电部分连接，保温水箱下部通过水泵、电加热部分与家用温水管路、淋雨管路连接，以确保家用温水的正常供给。太阳能电池板和温差发电部分通过导线、蓄电模块、稳压模块和升压模块与控制部分连接，以达到太阳能转化为电能并高效存储的目的需求。该采暖装置的控制部分与部分家庭电路相连接，以配置提供人们对该系统的控制作用。

由于从太阳能空气集热器中输出的气体温度很高，所以输出的气体要先与常温空气混合后再通入室内。冷热气体混合箱的上管道通高温气体，下管道通常温气体，在气室内充分混合后，通入温湿度监测气室。在温湿度监测气室中，还设置有湿度传感器与温度传感器，检测混合气体的湿度与温度是否符合设定范围，湿度不足时调整气流通道，为混合气体增加湿度，温度不足时自动启用电加热。该家庭供暖系统在满足居室供暖的条件下，输送热气管道便会将热气通入保温水箱中进行储热。将收集的多余热量储存起来，提供日常生活所用温水、淋浴等。此外，保温水箱内部还安装有液位检测传感器，避免了输送冷水过量或箱内水量不足的问题。

该家庭采暖系统提高了综合利用效率、成本较低、工作稳定、操作简单。利用太阳能作为热量来源，大大减少了现有采暖方式对电能、煤炭、天然气等传统能源的消耗，绿色、节能。冬季可以采暖，其他季节可以为家庭提供洗浴热水，提高系统利用效率。

2 工作原理

本家庭采暖系统包括太阳能集热采暖模块、太阳能储热模块、电加热模块、发电模块、供暖模块与控制模块等六大模块。系统总体的结构框图如图2所示。下面，则将针对各功能模块的研发设计实现给出详尽解析与论述。

2.1 太阳能集热采暖模块

该模块是由太阳能空气集热器、气泵与冷热气体混合箱所组成。由于从太阳能空气集热器输出的气体温度较高，即必须先降到一定温度之后才可以通入室内，研究采取冷热空气混合的方法给高温气体进行降温。将集热器输出的高温气体从冷热气体混合箱的上管道输入，冷空气从下管道输入，在气室内将二者均匀混合后，再将温度较为适宜的气体通入温湿度检测气室。

2.2 太阳能储热模块

系统以水为储热介质，利用从太阳能空气集热器输出的高温空气对保温水箱内的水进行升温，可以用于家庭洗浴以及其他生活用水。

2.3 电加热模块

在连续阴雨天，太阳能空气集热器无法为居室提供充足的热量时，控制部分可以自动启用电加热部分，或是调用储存的电能或是接入家庭电路为居室传送适量的热空气，再通过控制部分调节气泵的转速，为居室提供具有适宜温度和湿度的清新空气。

2.4 发电模块

该模块由2部分组成，具体包括温差发电部分和太阳能发电部分。其中，温差发电部分是利用温差电原理，高效地利用从太阳能空气集热器输出的高温气体，与自循环的冷水相结合来实现温差发电。而太阳能发电部分则是利用太阳电池板将太阳能转化为电能，然后再对2部分产生的电能进行升压、稳压处理，最后存储在可充电蓄电池中。将蓄电池的输出电压通过调节而变换为手机等家用电子產品适宜的电压，从而可以提供给电子产品以作充电之用。

2.5 供暖模块

供暖模块由冷热气体混合箱、温湿度检测气室与管道组成。将高温气体从冷热气体混合箱的上管道输入，冷空气从下管道输入，在气室内充分混合后，通入温湿度检测气室。在温湿度检测气室中，还设置有湿度传感器与温度传感器，检测混合气体的湿度与温度是否符合设定范围，湿度不足时调整气流通道，为混合气体增加湿度，温度不足时自动启用电加热装置。当混合气体的温度与湿度达到先期所设定的要求时，即可将其通入到家庭当中。

2.6 控制模块

该模块采用STC89C52RC单片机作为控制核心，引脚即如图3所示。该单片机具有4个外部中断、3个定时器或计数器，1个串口中断源，还有32个通用I/O口，能够满足系统的要求。P0口是漏极开路输出，作为I/O口用时，需添加上拉电阻。通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）还可直接下载用户程序，因而无需专用编程器。

控制模块主要对各系统功能来引入控制与调节，并使各个单元之间的工作状态保持常态稳定。当整个系统启动后，安装在室内的温度传感器会自动感知室内温度状况，如果温度过低，供暖模块便会启动。此时安装在温湿度监测气室中的温湿度传感器也随即启动，检测混合气体的温湿度状况是否符合设定范围，若湿度不足时调整气流通道，为混合气体增加湿度，若温度不足时自动启用电加热装置，当然也可以通过开关手动启动电加热装置。

该模块既提高了整个系统的综合利用效率，同时也实现了温湿度的智能调节，并对供暖无法满足时提供了智能调控与补充，保证了整个系统的工作效率与供暖的舒适性。

3 结束语

该家庭采暖系统充分利用清洁能源，达到了节能减排，保护环境的目的。因此大力推广应用太阳能采暖系统，不仅会带来可观经济效益，而且也将具备明显的社会效益和环境效益。

参考文献：

[1] 刘珈利，崔大召，孙如军. 一种绿色采暖装置：中国，CN204574233U[P]. 2015-08-19.

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[4] 高新宇，范伯元，张红光. 太阳能采暖系统在新农村建设中的应用研究[J]. 太阳能学报，2009，30（12）：1653-1657.