CN101738002A - 一种太阳能复合地源热泵的能量系统及其应用 - Google Patents

Abstract

一种太阳能复合地源热泵的能量系统，包括空调、生活热水供应设备、太阳能集热装置、蓄热单元、地源热泵系统、地埋管热交换器单元、辅助加热装置、第一电动三通阀和第二电动三通阀，通过第一电动三通阀或第二电动三通阀与空调连通，通过蓄热单元与生活热水供应设备连通；地埋管热交换器和地源热泵系统分别与第一电动三通阀连通，地源热泵系统和蓄热单元分别与第二电动三通阀连通，太阳能集热装置和辅助加热装置分别与蓄热单元连通。由于采用上述结构，本发明实现了太阳能光-热、地源热泵空调及生物质能利用等技术与建筑的有机结合，可以夏季制冷冬季采暖、四季供应热水，同时大大降低了建筑的耗能，具有显著的社会经济环境效益。

Description

一种太阳能复合地源热泵的能量系统及其应用

技术领域

本发明属于能源领域，涉及能源产生系统，尤其是可再生的能源系统。

背景技术

地源热泵利用地下土壤或临近处水源温度相对恒定，热容量较高的特点，在夏季将空调制冷循环所需排放的热量排到地下，在冬季将空调制冷循环所需吸收的热量又从土壤或临近处水源中取出，达到同时提高冬夏季制冷制热效率的目的。当前，国内土壤源地源热泵发展最快，最大单项工程使用建筑面积已达13万平方米。统计数据表明，2005年，我国地源热泵系统的应用面积约为3000万平方米，这一数字到了2007年上升至8000万。2008年我国地源热泵系统新增的应用面积在3000万平方米以上，照这样的速度发展，预计2009年我国地源热泵系统的应用面积将达到16000万平方米左右，我国地源热泵市场的发展的速度超乎想象。在整个市场容量上，2009年我国地源热泵的市场容量为17亿元人民币左右，与08年相比，同比增长13％。其中小型机组达到7亿元，占比为58％。地源热泵在发展中也遇到负荷不平衡，占地大，对垂直埋管式系统还有施工成本高等问题，单考地源热泵系统本身增加辅助散热的解决办法不仅投资大，而且也不节能，因此必须探索更佳的方案。

80年代，太阳能热水器在小型村镇中开始应用。该市场主要由以下因素推动：热水的大量需求、经济性及远低于发达国家价格的热水器系统。虽然没有相关促进政策推动太阳能热水器在城市多层建筑中应用，但随着能源价格的上升及公共需求的增加，特别是在当前建筑业非常景气的时期，开发商在设计和建设阶段已经开始考虑安装太阳能热水器。有关技术标准，建筑规范及测试和认证中心等政府项目也在帮助这个产业走向成熟。太阳能热水器在技术成熟地区已与传统热水器展开全面竞争，但在气候寒冷地区稍逊一筹。除了在某些零售电价极高(超过20～25美分/kWh)的地区，并网光伏发电目前还缺乏竞争力。

中国是世界上最大的太阳能热水器生产国和消费国，年产量接近1200万平方米(按集热面积计算)，2004年累计安装量达到6000万平方米。同时中国也正在开拓太阳能热水器的出口市场。在过去的6年里，中国太阳能热水器生产的年平均增长率达到了28％，2004年总产值接近20亿美元。作为比较，2003年欧盟15个国家仅生产了140万平方米的太阳能热水系统，累计安装量也只有1400万平方米。在世界范围内，国际能源机构(IEA)的一项研究提供的2001年统计数据表明，全球总计太阳能集热器的安装面积为1亿平方米，排在前位的国家是中国(3200万平方米)、美国(2340万平方米)、日本(1210万平方米)和欧洲(1120万平方米)。同有些国家相比，如奥地利、希腊和以色列，中国太阳能热水器的相对市场份额(以每千户所拥有集热器面积计算)仍然较小。如果中国四分之一的居民用上太阳能热水器，2020年将为整个产业带来2.7亿平方米的市场，这也是中国政府的目标。无论是光伏还是太阳能热水器产业，将来的主流趋势是发展太阳能一体化建筑技术。建筑一体化系统的美观，从城市环境角度来看，广大的消费者和市政都愿意接受这些技术。

中国政府计划在“可再生能源十一五规划”中提出针对太阳能热利用的方针是：在“十一五”时期，继续推进太阳能热利用的快速发展。在农村和小城镇推广太阳能热水器、太阳房和太阳灶；在大中城市推广普及太阳能热水器与建筑物结合应用，推广太阳能集中供热水工程，建设太阳能采暖和制冷试点示范工程。将太阳能光-热、地源热泵空调等技术与建筑的有机结合、融为一体，建成一个综合利用新能源(如太阳能、地热能等)的建筑，实现夏季制冷冬季采暖、四季供应热水，以降低建筑的耗能指标——这将是太阳能与地源热泵技术与产品的发展趋势，具有显著的社会经济环境效益。80年代国际能源组织(IEA)组织15个国家的专家对太阳能建筑技术进行联合攻关，欧美发达国家纷纷建造综合利用太阳能示范建筑。试验表明、太阳能建筑节能率大约75％左右，已成为最有发展前景的领域之一。太阳能热水器在技术成熟地区已与传统热水器展开全面竞争。太阳能应用中主要的问题是不稳定，随白天夜晚、天晴下雨、夏季冬季等因素变化很大，需要其它形式的能源作为补充。

目前还未见采用本发明的方法：运用地埋管热交换器，在不需要空调的夜间时段，地源热泵系统利用价格便宜的“谷电”将白天供冷时蓄存在土壤中的散热量提升温度后及时转化为生活热水系统的热量，避免了地温累积升高带来的地源系统制冷效率下降的问题，同时根据空调负荷情况决定转化热量的多少，即利用冷端的冷量在“谷电”下对土壤进行不同程度“超冷”，在次日的非空调峰值负荷时段及过渡季节在地源热泵主机不开启的情况下直接将这部分“超冷”的冷量通过管路送入房间，最大限度推迟地源热泵的运行，从而减少在负荷高峰的运行时间和消耗功率。本发明还结合太阳能集热系统，多层盘管式浅层地埋管热交换器及天然气及生物质气的混合气为燃料的辅助加热器，能进一步节省施工成本，减小化石燃料的消耗，形成生活热水与空调一体化的低碳排放的节能环保系统。

发明内容

本发明目的是设计出一种具有高能效的可再生能源系统，它将太阳能光-热、地源热泵空调及生物质能利用等技术与建筑的有机结合、融为一体，综合利用新能源(如太阳能、地热能和生物质能等)，实现夏季制冷冬季采暖、四季供应热水，能使建筑的耗能大大降低，具有显著的社会经济环境效益。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：一种太阳能复合地源热泵的能源系统，包括空调、生活热水供应设备，还包括简称为主机系统的太阳能集热装置、蓄热单元、地源热泵系统的其中一种或几种、地埋管热交换器单元、辅助加热装置、第一电动三通阀和第二电动三通阀，通过第一电动三通阀或第二电动三通阀与空调连通，通过蓄热单元与生活热水供应设备连通；地埋管热交换器和地源热泵系统分别与第一电动三通阀连通，地源热泵系统和蓄热单元分别与第二电动三通阀连通，太阳能集热装置和辅助加热装置分别与蓄热单元连通。

进一步，所述地埋管热交换器采用多层盘管式浅层地埋管热交换器。

所述蓄热单元包括蓄热水箱单元和恒温水箱单元。

所述辅助加热装置采用以天然气及生物质气的混合气为燃料。

所述的太阳能复合地源热泵的能源系统的有应用：电能驱动地源热泵主机系统制冷或供热，所得冷量或热量经空调水泵循环至末端进行空调，主机另外一侧需要冷却或加热，通过冷却水泵将热量或冷量循环至地下，通过地埋管热交换器蓄存于地下；当晚间空调停运时，利用低谷电力将地源侧热量通过地源热泵提升至蓄热水箱加以存储，次日白天通过太阳能集热装置进一步加热至指定温度以供给生活热水供应系统，同时将冷侧冷量存入地下，在制冷负荷不大(根据具体项目中的相对峰值负荷大小来确定)的过渡季节或非高峰负荷阶段时直接供应负荷端进行制冷。

由于采用上述技术方案，本发明的具有以下优点：

1.本系统将地源热泵空调系统与太阳能热水系统相结合，构成了生活热水系统、地源热泵空调系统等相结合的综合化的能源系统。该系统利用太阳能、地热等可再生能源各自的特点进行优势互补，白天制冷、夜晚制热水的方式不仅较好解决了地源热泵空调系统冷、热负荷不平衡导致地温累积上升，从而使系统效率逐步下降的问题，因此效率会大大提高；

2.避免了由于在长时间温差作用下产生的水分迁移产生的土壤局部干化及土壤中微生态的变化；

3.在过渡季节或空调负荷非高峰时段充分利用地下所能产出的较低温度的水直接供应负载，从而能最大限度地减小电能的消耗；

4.采用“夜间超冷的运行方式”结合的多层盘管式浅层地埋管的方法，较好地克服了传统的垂直埋管施工成本高、周期长及沟渠式的浅层埋管的占地太大的缺点，符合中国新农村建设中土地集约化使用的原则，更易于在中国广大的农村地区推广应用。

5.本专利能源采用天然气与生物质气的混合气，它既能充分利用重要的可再生能源，又避免了沼气生产不稳定带来的设备工作不稳定和与现有批量设备的兼容性的问题。

6.由于能源利用效率的提高，大大减小了CO2的排放。

附图说明

图1为太阳能复合地源热泵的可再生能源系统结构图；

图2为太阳能复合地源热泵的可再生能源系统具体实施图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明将太阳能光-热、地源热泵空调及生物质能利用等技术与建筑有机结合，巧妙组合，扬长避短，实现夏季制冷冬季采暖、四季供应热水，能使建筑的耗能大大降低。

如图1所示，该可再生能源系统包括地埋管换热器单元1、地源热泵系统2、蓄热水箱单元3、恒温水箱单元4、太阳能集热装置5、辅助加热装置6以及自动控制的第一电动三通阀7和自动控制的第二电动三通阀8。其中，地埋管换热器单元1包括地埋管换热器11、集水器13、分水器12、循环水泵14和膨胀水箱等设备，其中，当分支环路较少时，集水器13、分水器12也可根据不同情况以普通管路代替。地源热泵系统2包括地源热泵21，循环水泵24、28、210，电动两通阀22、23、26、27，差压旁通阀25，热交换器29，膨胀水箱等设备。太阳能集热装置5包括太阳能集热器51和循环水泵52等设备。辅助加热装置6包括辅助加热器61，循环水泵62、66，三通温度控制阀63，电动三通阀65，热交换器64等设备。

在夏季白天空调负荷较重时，如图1所示，地源热泵系统2为制冷循环，将制得的冷量通过冷冻水经过第二电动三通阀8选择通往空调房间的路径送往房间进行空调，同时地源热泵系统2散热侧的水循环通过第一电动三通阀7选择通往地埋管换热器单元1的路径，将制冷循环的排热量排至土壤中蓄存下来，以备夜间空调停止时段地源热泵系统2将地埋管换热器单元1中在白天空调制冷时段蓄存在土壤中的热量提升温度后蓄存于蓄热水箱单元3中，此时太阳能集热装置5将收集的太阳能通过热水循环存储于蓄热水箱单元3中，蓄热水箱单元3中蓄存的热量通过温差热水循环逐步转移到恒温水箱单元4中储存，在供水时段，辅助加热装置6利用天然气或天然气与生物质气的混合气为燃料，将恒温水箱单元4中的热水控制到恒定的温度以提供生活热水。如图2所示的具体实现图，电动两通阀22、23、26导通，电动两通阀27关闭，第一电动三通阀7的E-D端导通，第二电动三通阀8的A-B端导通，电动三通阀65的J-K端导通，水泵24驱动水流流经地源热泵21获得冷量，在差压旁通阀25的配合下为空调末端设备提供恒定压力的空调冷冻水供水；循环水泵14驱动水流对地源热泵21的散热端实施冷却，水流经分水器13后将热量通过地埋管换热器11散入土壤，回水经集水器12收集后回到循环水泵14；太阳能集热器51在循环水泵52的作用下通过温差循环不断将收集的太阳能蓄存到蓄热水箱单元3中，循环水泵66通过温差循环不断将蓄热水箱单元3中的热水转移到恒温水箱单元4中；当需要恒温供水时，电动三通阀65的H-K端导通，辅助加热器61利用天然气或天然气与生物质气的混合气为燃料，在水泵62及温控阀63的配合下，通过热交换器64将恒温水箱单元4中水的温度控制到恒定温度以实施供水。

在夏季夜间空调停止时段，如图1所示，地源热泵系统2利用内部四通阀切换转换为制热循环，利用“低谷电价”电力制得的热量，此时，第二电动三通阀8选择通往蓄热水箱单元3的路径，将地源热泵系统2将地埋管换热器单元1中在白天空调制冷时段蓄存在土壤中的热量提升温度后蓄存于蓄热水箱单元3中，同时根据负荷需求，通过地埋管换热器单元1将土壤降低到正常地温以下的“超冷却”的手段，在次日电力早高峰时段(此时往往空调负荷非高峰)通过第一电动三通阀7选择通往空调房间的路径，将冷水送往房间进行空调，这样将土壤中通过“超冷却”蓄存的冷量释放能最大程度推迟地源热泵的运行。如图2所示的具体实现图，电动两通阀22、23、27导通、电动两通阀26关闭，第一电动三通阀7的E-D端导通，第二电动三通阀8的A-C端导通，电动三通阀65的J-K端导通，地源热泵21通过内部四通阀切换，转换为制热工况，循环水泵24驱动水流流经地源热泵21获得热量，在循环水泵210的配合下，通过热交换器29将制得的热量蓄存于蓄热水箱单元3中，循环水泵14驱动水流对地源热泵21的吸热端实施加热，水流经分水器13后将冷量通过地埋管换热器11存入土壤(根据冷热负荷需求对土壤“超冷”)，回水经集水器12收集后回到循环水泵14。循环水泵66通过温差循环不断将蓄热水箱单元3中的热水转移到恒温水箱单元4中。

在夏季白天或过度季节供冷负荷较轻时，如图2所示的具体实现图，电动两通阀22、23、26、27关闭，第一电动三通阀7的F-D端导通，第二电动三通阀8的A-B端导通，循环水泵14驱动水流将地埋管换热器11所蓄存的冷量经第一电动三通阀7和第二电动三通阀8直接供给空调用户，这样可以最大限度推迟制冷机的运行并节省能量。

在冬季供热时，如图1所示，第二电动三通阀8选择通往空调房间的路径，优先采用蓄热水箱单元3中蓄存的太阳能经第二电动三通阀8进行供热，当空调供热不足时，第二电动三通阀8切换至空调房间与地源热泵系统2导通，利用地源热泵系统2的制热量来供热。同时，太阳能集热装置5将收集的太阳能通过热水循环存储于蓄热水箱单元3中，蓄热水箱单元3中蓄存的热量通过温差热水循环逐步转移到恒温水箱单元4中储存，在供水时段，辅助加热装置6利用天然气或天然气与生物质气的混合气为燃料，将恒温水箱单元4中的热水控制到恒定的温度以提供生活热水。如图2所示的具体实现图，电动两通阀22、23、26、27关闭，第二电动三通阀8的C-B端导通，蓄热水箱单元3中的热水在水泵210驱动下，在热交换器29与水泵28驱动的冷水进行热交换，水泵28驱动的冷水被加热后经第二电动三通阀8供给空调采暖热水。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据以上所揭示的内容，在不脱离本发明范畴的情况下所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种太阳能复合地源热泵的能源系统，包括空调、生活热水供应设备，其特征在于：还包括简称为主机系统的太阳能集热装置、蓄热单元、地源热泵系统的其中一种或几种、地埋管热交换器单元、辅助加热装置、第一电动三通阀和第二电动三通阀，通过第一电动三通阀或第二电动三通阀与空调连通，通过蓄热单元与生活热水供应设备连通；地埋管热交换器和地源热泵系统分别与第一电动三通阀连通，地源热泵系统和蓄热单元分别与第二电动三通阀连通，太阳能集热装置和辅助加热装置分别与蓄热单元连通。

2.根据权利要求1所述的太阳能复合地源热泵的能源系统，其特征在于：所述地埋管热交换器采用多层盘管式浅层地埋管热交换器。

3.根据权利要求1所述的太阳能复合地源热泵的能源系统，其特征在于：所述蓄热单元包括蓄热水箱单元和恒温水箱单元。

4.根据权利要求1所述的太阳能复合地源热泵的能源系统，其特征在于：所述辅助加热装置采用以天然气及生物质气的混合气为燃料。

5.权利要求1所述的太阳能复合地源热泵的能源系统的有应用，其特征在于：电能驱动地源热泵主机系统制冷或供热，所得冷量或热量经空调水泵循环至末端进行空调，主机另外一侧需要冷却或加热，通过冷却水泵将热量或冷量循环至地下，通过地埋管热交换器蓄存于地下；当晚间空调停运时，利用低谷电力将地源侧热量通过地源热泵提升至蓄热水箱加以存储，次日白天通过太阳能集热装置进一步加热至指定温度以供给生活热水供应系统，同时将冷侧冷量存入地下，在制冷负荷不大的过渡季节或非高峰负荷阶段时直接供应负荷端进行制冷。

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