CN101358784A - 太阳能蓄热与地源热泵组合系统 - Google Patents

太阳能蓄热与地源热泵组合系统 Download PDF

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王健
吕强
赵军
王一平
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Abstract

本发明公开了一种利用太阳能进行相变蓄热、土壤跨季节蓄热与地源热泵相组合的供能系统。利用太阳能集热器吸收能量将水加热同时对相变蓄热器中的相变材料进行加热。将热能以潜热方式蓄存于相变蓄热器中,以显热方式蓄存于水箱中。水箱中设有水-水换热器,自来水通过该换热器进行换热后用于生活用水,水箱的通过水泵再送回太阳能集热器中继续加热构成循环。地下埋管换热器分为两部分,一部分为蓄热埋管,另一部分为常规的地下埋管。夏季通过水泵将水箱中的热水打入蓄热埋管,实现太阳能跨季节蓄热,蓄热埋管在冬季作为热泵机组的热源使用。常规的地下埋管换热器主要与地下土壤进行换热,冬季从土壤中取热、夏季取冷。

Description

太阳能蓄热与地源热泵组合系统

技术领域

本发明属于太阳能热利用与地源热泵技术,具体涉及太阳能的相变蓄热、土壤跨季 节蓄热与地源热泵相组合的系统。

背景技术

地源热泵技术是供暖空调的节能环保技术,目前应用十分广泛。地源热泵与土壤跨 季节蓄热相结合,夏季使用空调时地源热泵向地下埋管进行取冷的同时又向土壤进行蓄 热;到冬季供暖时地源热泵向地下取热的同时又向地下土壤进行储冷,如此反复循环利 用。如果将太阳能蓄热、土壤跨季节蓄热与地源热泵三种方式相结合,则是目前较为先 进的能源组合利用技术。在北方地区可利用太阳能向地下土壤进行跨季节蓄热,使地下 土壤能量和温度基本保持稳定,不至影响地源热泵的运行性能。利用材料的相变特性进 行蓄热具有蓄能密度大,占用空间小,节省初投资及运行费用低等优点。在太阳能热利 用中加入相变蓄热技术和土壤跨季节蓄热技术并与地源热泵结合起来进行能源有效的 利用,可加强太阳能利用的深度与广度,具有明显的节能与环保效果和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种将太阳能相变蓄热、土壤跨季节蓄热与地源热泵相组合的 的供暖、空调、供热水系统。

本发明采取的技术原理是:利用太阳能集热器吸收太阳辐射的能量将集热器中的水 加热,热水从集热器的各分水管集中到上联箱,然后送入相变蓄热器对其中的相变材料 进行加热。蓄热后温度降低的热水送入水箱。即将热能以潜热方式蓄存于相变蓄热器中, 以显热方式蓄存于水箱中。水箱中设有水-水换热器(第一个换热器),因作为生活热水 的自来水通过该换热器吸收了水箱中的热量使水箱水温降低,然后由水箱底部的水泵通 过下联箱的各分水管送回太阳能集热器中继续加热,构成循环。

当遇阴天或太阳能不足时,太阳能集热器中热水的出口温度不能满足对相变蓄热器 中的蓄热相变材料进行加热时,将图1中的第一个电磁阀关闭、将第二个电磁阀开启, 使水在相变蓄热器和水箱中进行循环,将相变蓄热器中蓄存的潜热释放出来,通过水箱 供给用户使用。

水箱中的热量优先满足生活热水的需要,在冬季如果自来水经第一个换热器与水箱

中的水换热后不能满足用户要求,通过阀门切换使热泵机组产生的采暖供水通过第二个 换热器将水加热后供给用户;在夏季如果遭遇连续阴雨天气,自来水经水箱中的第一个 换热器(水-水换热器)换热后不能满足用户要求,可以开启电加热器将自来水进行加 热供给用户。如果水箱中的热量足以满足生活热水的需要并还有盈余时,可打开第二个 水泵和第二个手动阀门将多余的热量用于采暖或蓄存到第一组地下埋管换热器中。在采

暖初期或末期太阳能充足,热水出口水温满足用户要求时,水箱中的热水可通过第三水 泵直接作为采暖供水使用。地下埋管换热器分为两部分, 一部分为第一组地下埋管换热 器作为蓄热埋管,另一部分为常规的地下埋管即第二组地下埋管换热器,它分有井埋管 与桩埋管。在夏季,第二个水泵将水箱中的热水打入到第一组地下埋管换热器中,实现 太阳能的土壤跨季节蓄热,因此蓄热埋管只在冬季作为热泵机组的热源使用。第二组地 下埋管换热器主要与地下土壤进行换热。即利用土壤在夏季贮存的热量,在冬季作为热 泵机组的热源;利用土壤在冬季贮存的冷量,在夏季作为热泵机组的冷源使用。

附图说明

图1为本发明系统结构原理图。 图2热泵机组内部结构原理图。

具体实施方式

以下参考图1和图2并通过实施例对本发明的技术结构予以说明。在具体连接结构 方面:太阳能集热器1上联箱经第一个电磁阀2-1和相变蓄热器3接至水箱5的上部, 太阳能集热器1下联箱与水箱5的下部之间依次串接第一个手动阀6-1和第一个水泵 8-1。在太阳能集热器l上、下联箱的管路间设有第二个电磁阀2-2。水箱5底部依次串 接第二个水泵8-2、第一组地下埋管换热器14-1和第二个手动阀门6-2并构成闭路循环。 第一组地下埋管换热器只在冬季作为热泵机组的热源使用,夏季只用来做土壤蓄热。第 三个水泵8-3的进口接至水箱5,出口接于用户供水管路。用户的回水经第三个手动阀 6-3接于水箱5。自来水依次经过第一和第二个换热器4-l、 4-2的冷流体侧通过电加热 器7作为生活热水送入用户。为了清楚介绍本发明的水路部分,所以图2中所示的仅仅 是热泵整体系统中的蒸发器和冷凝器部分,而未将其它部分列入。因此热泵机组11可 根据季节不同经过手动阀切换来取热或取冷。热泵机组11出水侧的一路经末端分水器 9、第四个手动阀6-4接至第二个换热器4-2的热流体进口端。第二个换热器4-2热流体 的出口端依次接于第五个手动阀6-5、末端集水器IO和热泵机组11进水侧的一路。末 端分水器9中的一路接于采暖或空调系统的供水,采暖或空调系统的回水接于末端集水

器10的一路,热泵机组11出水侧的另一路经埋管分水器12接于第二组地下埋管换热 器14-2的进口端,出口端经埋管集水器13接至热泵机组11进水侧的另一路。为了拆 卸或维修方便,在三个水泵的两端均分别设有阀门。埋管分水器12中的一路与第一组 地下埋管换热器14-1的进口管路间设有第六个手动阀6-6,埋管集水器13中的一路与 第一组地下埋管换热器14-1的出口管路间设有第七个手动阀6-7。第六和第七个手动阀 仅在冬季开启。

热泵机组11包括蒸发器15、冷凝器16和相应的切换手动阀门。第八个手动阀6-8 与第十二个手动阀6-12串接;第九个手动阀6-9与第十三个手动阀6-13串接,然后两 组阀门并联,两组阀门的两端分别接于末端分水器9和埋管分水器12。同理,第十个手 动阀6-10与第十四个手动阀6-14串接;第十一个手动阀6-11与第十五个手动阀6-15 串接,然后两组阀门并联,两组阀门的两端分别接于末端集水器10和埋管集水器13。 蒸发器15的一端接于第八个手动阀6-8与第十二个手动阀6-12的管路中间;蒸发器15 的另一端接于第十一个手动陶6-11与第十五个手动阀6-15的管路中间。冷凝器16的一 端接于第九个手动阀6-9与第十三个手动阀6-13的管路中间;冷凝器16的另一端接于 第十个手动阀6-10与第十四个手动阀6-14的管路中间。

如果太阳能集热器1上联箱出口温度高于相变蓄热器3内蓄热材料温度时,第一个 电磁阀2-l开启,第二个电磁阀2-2关闭。如果太阳能集热器l上联箱出口温度低于相 变蓄热器3内蓄热材料温度时,第一个电磁阀2-l关闭,第二个电磁阀2-2开启。

夏季运行时:第六、第七个手动阀6-6、 6-7关闭。热泵机组11中的手动阀6-9、 6-10、 6-12、 6-15关闭;手动阀6-8、 6-11、 6-13、 6-14开启。当热水出口水温未达到(用户要 求的)设定温度时,电加热器7开启。当热水出口水温达到或超过(用户要求的)设定 温度时,电加热器7关闭的同时开启第二水泵8-2和开启第二个手动阀6-2。

冬季运行时:第六、第七个手动阀6-6、 6-7开启。热泵机组11中的手动阀6-8、 6-11、 6-13、 6-14关闭;手动阀6-9、 6-10、 6-12、 6-15开启。当热水出口水温未达到(用户要 求的)设定温度时,第四、第五个手动阀6-4、 6-5开启。当热水出口水温达到或超过(用 户要求的)设定温度时,第四、第五个手动阀6-4、 6-5关闭,第三水泵8-3和第三个手 动阀6-3开启。

实施例1:在夏季时用户需要空调冷水及生活热水,热泵机组11为制冷模式。此时 第六、第七个手动阀6-6、 6-7关闭。手动阀6-9、 6-10、 6-12、 6-15关闭;手动阀6-8、 6-11、 6-13、 6-14开启。如果太阳能充足,并且太阳能集热器l出口温度高于相变蓄热

器3温度时,第一个电磁阀2-1打开,第二个电磁阀2-2关闭。太阳能集热器1吸收太 阳能,将集热器中的水加热后送入相变蓄热器3中,以潜热的方式把能量蓄存起来。水 经水箱并经第一个水泵8-1送回太阳能集热器1中继续加热。当太阳能集热器1出口温 度低于相变蓄热器3温度时,第一个电磁阀2-l关闭,第一个手动阀门6-l关闭,第二 个电磁阀2-2开启,水在第一个水泵8-1的作用下在相变蓄热器3和水箱5间循环,把 相变蓄热器3中的潜热释放出来供外界使用。作为生活热水的自来水进入水箱5中的第 一个换热器4-l被加热,当其达到45'C时(用户所需的温度),热水直接供给用户。当 低于45'C时,开启电加热器7进行加热,使热水出口温度达到45°C。在第二组地下埋 管换热器14-2贮存的"冷水"经过埋管集水器13进入冷凝器16与热泵机组中的制冷 工质换热,从冷凝器16出来温度升高的回水经过埋管分水器12送到第二组地下埋管换 热器14-2,将热量传给土壤使自身温度再次降低。温度降低的水经过埋管集水器13继 续进入冷凝器16,形成循环。在热泵机组11中蒸发器15制得的冷水经末端分水器9 供给用户空调使用,回水经末端集水器10汇集送回机组蒸发器15冷却,形成循环。如 果太阳能足够满足热水要求并有盈余时,将多余热量蓄存到地下,具体做法是:打开第 二个水泵8-2和第二个手动阀门6-2,水箱内的水在水泵作用下,送入第一组地下埋管 换热器14-1中将热量传给深层土壤,达到土壤跨季节蓄热的目的。

实施例2:在冬季时用户需要供暖及生活热水,热泵机组11为制热模式。此时第六、 第七个手动阀6-6、 6-7开启。热泵机组11中的手动阀6-9、 6-10、 6-12、 6-15关闭;手 动阀6-8、 6-11、 6-13、 6-14开启。如果太阳能充足,太阳能集热器1出口温度高于相变 蓄热器3温度,第一个电磁阀2-l打开,第二个电磁阀2-2关闭,太阳能集热器l吸收 太阳能,将集热器中的水加热后送入相变蓄热器3中,以潜热的方式把能量蓄存起来。 水箱中的水经第一个水泵8-1送回太阳能集热器1中继续加热。当太阳能集热器1出口 温度低于相变蓄热器3温度时,第一个电磁阀2-l关闭,第一个手动阀门6-l关闭,第 二个电磁阀2-2开启,水在第一个水泵8-1的作用下在相变蓄热器3和水箱5间循环, 把相变蓄热器3中的潜热释放出来供外界使用。自来水进入水箱5中的第一个换热器 4-1,被水箱中的水加热,当自来水温度达到45'C时直接供给用户。当低于45'C时,开 启第四、第五个手动阀门6-4、 6-5,使一部分供暖水从末端分水器9进入第二个换热器 4-2 (从热泵出来的供暖水具有一定的压力,打开阀门水就可以进入第二个换热器),生 活热水达到要求后送给用户使用,供暖水与生活热水换热后回到末端集水器10。如果太 阳能足够满足热水要求并有盈余时,便将多余热量用来供暖。具体做法是:打开第三个

水泵8-3和第三个手动阀门6-3,水箱内的水在水泵作用下与采暖供水混合,将热量传 给用户。采暖回水经过第三个手动阀门6-3回到水箱。从两组地下埋管换热器14-1、 14-2 出来的水经过埋管集水器13进入热泵机组中的蒸发器15,与流过蒸发器的工质换热, 温度降低,从蒸发器15出来的回水经过地下埋管分水器12再送回两组地下埋管换热器 与土壤换热并形成循环。由热泵机组中的冷凝器16出来的采暖供水由末端分水器9输 送给用户,供暖回水经末端集水器10汇集后再送回机组冷凝器加热并形成循环。

本发明的有益效果和特点是,(1)采用太阳能进行的相变蓄热与土壤跨季节蓄热相 结合实现太阳能的短期储存和长期储存,并且可以缓解太阳能集热器出口水温不稳定所 带来的影响。(2)在保证热水供应的前提下,夏季可将盈余的太阳能蓄存到地下土壤, 提高跨季节蓄热的效率。(3)在同一系统内实现太阳能供热水、冬季采暖、夏季供冷等 多项功能,具有结构紧凑、性价比高的特点。

Claims (6)

1.太阳能蓄热与地源热泵组合系统,具有:太阳能集热器、电磁阀、相变蓄热器、换热器、水箱、手动阀、电加热器、水泵、末端分水器、末端集水器、热泵机组、埋管分水器、埋管集水器、地下埋管换热器,其特征是太阳能集热器(1)上联箱经第一个电磁阀(2-1)和相变蓄热器(3)接至水箱(5)的上部,太阳能集热器(1)下联箱与水箱(5)的下部之间依次串接第一个手动阀(6-1)和第一个水泵(8-1),在太阳能集热器(1)上、下联箱的管路间设有第二个电磁阀(2-2),水箱(5)底部依次串接第二个水泵(8-2)、第一组地下埋管换热器(14-1)和第二个手动阀门(6-2)并构成闭路循环,第三个水泵(8-3)进口接至水箱(5),出口接于用户供水,用户回水经第三个手动阀(6-3)接于水箱(5),自来水依次经过第一和第二个换热器(4-1、4-2)的冷流体侧通过电加热器(7)作为生活热水送入用户,热泵机组(11)出水侧的一路经末端分水器(9)、第四个手动阀(6-4)接至第二个换热器(4-2)的热流体进口端;第二个换热器(4-2)热流体的出口端依次接于第五个手动阀(6-5)、末端集水器(10)和热泵机组(11)进水侧的一路,末端分水器(9)中的一路接于采暖或空调系统的供水,采暖或空调系统的回水接于末端集水器(10)的一路,热泵机组(11)出水侧的另一路经埋管分水器(12)接于第二组地下埋管换热器(14-2)的进口端,出口端经埋管集水器(13)接至热泵机组(11)进水侧的另一路,埋管分水器(12)中的一路与第一组地下埋管换热器(14-1)的进口管路间设有第六个手动阀(6-6),埋管集水器(13)中的一路与第一组地下埋管换热器(14-1)的出口管路间设有第七个手动阀(6-7)。
2. 按照权利要求1所述的太阳能蓄热与地源热泵组合系统,其特征在于所述热泵机 组(11)包括蒸发器(15)、冷凝器(16)和相应的切换手动阀门,第八个手动阀(6-8) 与第十二个手动阀(6-12)串接;第九个手动阀(6-9)与第十三个手动阀(6-13)串接, 然后两组阀门并联,两组阀门的两端分别接于末端分水器(9)和埋管分水器(12),第 十个手动阀(6-10)与第十四个手动阀(6-14)串接;第十一个手动阀(6-11)与第十 五个手动阀(6-15)串接,然后两组阀门并联,两组阀门的两端分别接于末端集水器(IO) 和埋管集水器(13),蒸发器(15)的一端接于第八个手动阀(6-8)与第十二个手动阀(6-12)的管路中间;蒸发器(15)的另一端接于第十一个手动阀(6-11)与第十五个 手动阀(6-15)的管路中间,冷凝器(16)的一端接于第九个手动阀(6-9)与第十三个 手动阀(6-13)的管路中间;冷凝器(16)的另一端接于第十个手动阀(6-10)与第十四个手动阀(6-14)的管路中间。
3. 按照权利要求1或2所述的太阳能蓄热与地源热泵组合系统,其特征在于所述 太阳能集热器(1)上联箱出口温度高于所述相变蓄热器(3)内蓄热材料温度时,所述 第一个电磁阀(2-1)开启,所述第二个电磁阀(2-2)关闭;所述太阳能集热器(1)上 联箱出口温度低于所述相变蓄热器(3)内蓄热材料温度时,第一个电磁阀(2-1)关闭, 所述第二个电磁阀(2-2)开启。
4. 按照权利要求1或2所述的太阳能蓄热与地源热泵组合系统,其特征在于夏季 运行时:所述第六、第七个手动阀(6-6、 6-7)关闭,所述热泵机组(11)中的手动阀(6-9、 6-10、 6-12、 6-15)关闭;所述手动阀(6-8、 6-11、 6-13、 6-14)开启,当热水 出口水温未达到设定温度时,所述电加热器(7)开启,当热水出口水温达到或超过设 定温度时,所述电加热器(7)关闭的同时开启所述第二水泵(8-2)和开启第二个手动 阀(6-2)。
5. 按照权利要求1或2所述的太阳能蓄热与地源热泵组合系统,其特征在于冬季 运行时:所述第四个、第五个手动阀(6-4、 6-5)开启,所述手动阀(6-8、 6-11、 6-13、 6-14)关闭;手动阀(6-9、 6-10、 6-12、 6-15)开启,所述第六、第七个手动阀(6-6、 6-7)开启,当热水出口水温未达到设定温度时,当热水出口水温达到或超过设定温度 时,第四、第五个手动阀(6-4、 6-5)关闭,所述第三水泵(8-3)和所述第三个手动阀(6-3)开启。
6. 按照权利要求1所述的太阳能蓄热与地源热泵组合系统,其特征在于所述第一 个水泵(8-1)、第二个水泵(8-2)和第三个水泵(8-3)的两端均分别设有阀门。
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