CN101988775B - 太阳能-空气-地能多源双机热泵供热空调复合系统 - Google Patents

太阳能-空气-地能多源双机热泵供热空调复合系统 Download PDF

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Abstract

一种太阳能-空气-地能多源双机热泵供热空调复合系统，涉及一种以太阳能、空气、地埋管地源热泵为冷热源的供热空调制冷复合系统，属于建筑环境与设备工程及制冷工程技术领域。具体来说包括：太阳能集热器(1)、地埋管(3)、蓄热水箱(13)、蓄/换热水箱(7)、控制系统和末端用户(16)等装置。本发明提供了一种利用太阳能、地能和空气作为冷热源的多源双压缩机的热泵系统，这个系统可以冬天供暖、夏天制冷，全年提供生活用热水。而且夏季避免了太阳能集热器的过热，使太阳能的热量在土壤中蓄存起来，以备冬季使用，尤其在冬季热负荷大于夏季冷负荷的地区更具有应用性。

Description

太阳能-空气-地能多源双机热泵供热空调复合系统
技术领域
本发明涉及一种以太阳能、空气、地埋管地源热泵为冷热源的供热空调制冷复合系统，属于建筑环境与设备工程及制冷工程技术领域。
背景技术
当前，能源短缺和环境污染已经成为制约全球可持续发展的两个突出问题，引起世界各国的关注。为此，大力开发利用可再生能源已成为各国的有效发展战略。而能够被利用的可再生能源主要有太阳能、地能和空气能源。另外，随着社会的发展和人们生活水平的提高，用于采暖、空调和生活用热水的能源消耗占能源总量的比例越来越大。因此对将太阳能、地能和空气应用于采暖、空调和生活用热水的研究越来越广泛。
太阳能作为拥有巨大前景和市场的可再生能源，其开发和有效利用越来越受到重视。地能利用了地下浅层地热资源(包括地下水、地下岩土或地表水等)的恒温性，是既可供热又可制冷的高效能源。其中地埋管地源热泵系统较少受环境条件的限制，因而正日益受到重视。空气能是目前可再生能源中应用最广的。但是，这三者在应用中都有自己的缺点：太阳能受日照强度的影响，不能维持常量，须提供备用能源；地能的利用受到占地面积的限制，而空气能也会受到环境气候条件的影响。因此有必要联合利用太阳能、地能和空气能，以更高效地进行供热空调制冷，以更好地提高人们的生活品质和减少对常规能源的消耗。
在已有的太阳能多源热泵供热空调制冷技术专利中，以太阳能与空气作为复合冷热源的居多，如200910028142.8《实现建筑一体化的太阳能空气源热泵机组》、200910033558.9《可实现多模式运行的太阳能辅助空气源热泵装置》、200720181525.5《太阳能热管集热器和空气源热泵双热源地板辐射采暖装置》等等，或者将太阳能与地能联合，如02146305.0《土壤蓄热式太阳能热泵供热系统及供热方法》。目前检索到的以太阳能、地能和空气共同作为冷热源的热泵系统仅1例，200820069365.X《空气-太阳能-地能三热源复合热泵装置》。在这个专利中，核心部件为翅片-套管式三介质复合式换热器，该复合式换热器包括外套管、穿装在外套管中的内套管以及与外套管外壁相结合的翅片。内套管外壁与外套管内壁之间的环形空间为一种介质通道，内套管的管腔构成另一种介质通道，外套管外壁与翅片之间构成空气热源介质通道。但这种换热器存在一个问题：太阳能或地能提供的热水具有的温度与空气的温度在有些时候是相反的，如提供的热水温度大于制冷剂温度，而空气温度小于制冷剂温度时，这会降低制冷剂的能效。而且对于热泵机组，对于空气源侧和水源侧的换热器，制冷剂参数是不同的，如果将空气源和水源强制放在一起，可能会影响到压缩机的性能。
发明内容
针对上述的问题，鉴于目前压缩机在热泵系统中的高效节能，且价格不高的特点，本发明提供一种利用太阳能、地能和空气作为冷热源的多源双压缩机的热泵系统，这个系统可以冬天供暖、夏天制冷，全年提供生活用热水。而且此系统夏季不存在太阳能集热器的过热问题，因为夏季多余的太阳能热量在土壤中蓄存起来，以备冬季使用，尤其在冬季热负荷大于夏季冷负荷的地区更具有应用性。
一种太阳能-空气-地能多源双机热泵供热空调复合系统，包括：太阳能集热器、地埋管、蓄热水箱、蓄/换热水箱、控制系统和末端用户等装置，通过管路连接，具体来说：
太阳能集热器用于收集太阳热量来加热水，以此来为全年的热水和冬季采暖、空调提供能量。通过管道将太阳能集热器与地埋管、蓄热水箱和蓄/换热水箱连接起来，控制系统控制阀门的开启使得太阳能集热器里的热水可以分别通向地埋管、蓄热水箱和蓄/换热水箱，从而实现夏季土壤蓄热、全年热水供应，以及为末端用户提供热量。太阳能集热器的壳程出入口分别连接到第一四通阀和第一循环水泵，第一循环水泵再连接到第二四通阀。
地埋管实现管内换热介质与土壤的热交换，其两端分别连接到第一四通阀和第二四通阀；冬季，地埋管和太阳能集热器可以共同作为热源加热蓄/换热水箱里的水；夏季，地埋管可将太阳能集热器收集到的多余热量蓄存起来，以备冬季使用。地埋管起到了大地蓄热器的作用，而且还避免了普通太阳能采暖系统遇到的冬季供热量不足，夏季集热器内热量无法排除而形成过热或烧毁的现象。
蓄热水箱上设有备用电加热器、第二补水阀，并通过第一流量调节阀连接到热水供应装置；蓄热水箱的两端分别连接到第一四通阀和第二四通阀；蓄热水箱主要用于全年的热水供应。在冬季严寒时节当太阳能提供的热量不足于满足热水的需求时，水箱内的备用电加热器打开，进行加热以满足需要。
蓄/换热水箱的壳程出入口分别连接到第一四通阀和第二四通阀，其管程出入口分别连接到第一制冷四通阀和第一节流装置，第一节流装置的另一端连接到第二三通阀；蓄/换热水箱上设置有第一补水阀，并通过第二流量调节装阀连接到热水供应装置；第一制冷四通阀通过第一压缩机连接到第一三通阀；蓄/换热水箱兼有蓄热器和换热器的作用。当蓄/换热水箱作为蓄热器时，冬天蓄存太阳能集热器和地埋管的热量加热其中的水以供冬季采暖空调和热水供应；夏天蓄存来自末端用户排出的热量提供热水以供洗浴。当蓄/换热水箱作为换热器时，则为复合热泵水源热泵的一个组成部分，夏季为水源热泵的冷凝器，冬季为水源热泵的蒸发器。
第二换热器的管程出入口分别连接到第二制冷四通阀和第二节流装置，第二制冷四通阀通过第二压缩机连接到第一三通阀，第二节流装置另一端连接到第二三通阀；第二换热器的管外流通空气。
第一换热器的管程出入口分别连接第一三通阀和第二三通阀；第一换热器的壳程出入口分别连接第三循环水泵和空调末端。
控制系统用于控制通过运行模式和水温控制各个阀门的开启与否，以控制整个系统，实现太阳能集热器、地埋管、空气源热泵和水源热泵的开启、运行，这是容易实现的。
空调末端采用冬天地暖、夏天风机盘管的形式或者全部为辐射空调的形式，通过第三循环水泵与第一换热器实现冷量或热量交换，这是容易实现的。
优选的，所述太阳能集热器为平板型集热器、全玻璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器等。
优选的，所述地埋管为竖直U型埋管、水平埋管、桩埋管或连续螺旋埋管等。
进一步的，蓄/换热水箱、两个换热器、两个压缩机、两个制冷四通阀、两个节流装置、两个三通阀构成复合热泵系统；其中，蓄/换热水箱、第一制冷四通阀、第一压缩机、第一节流装置构成水源热泵，第二换热器、第二制冷四通阀、第二压缩机、第二节流装置构成空气源热泵，第一换热器作为用户侧换热器；共同实现复合热泵系统冬夏季制冷剂工质流向的转变，从而使两个热泵系统中的2个换热器实现相反的冬夏季蒸发器与冷凝器的作用。复合热泵系统包含两套热泵系统：水源热泵和空气源热泵。这两套热泵系统都分别由2个换热器、压缩机、节流装置和制冷四通阀组成。他们共用一个用户侧换热器，另外的换热器分别对应水侧、空气侧的换热器，水侧换热器即为蓄/换热水箱。四通换向阀实现热泵系统冬夏季制冷剂工质流向的转变，从而使两个热泵系统中的2个换热器实现相反的冬夏季蒸发器与冷凝器的作用。用户用换热器在夏季为复合热泵系统的蒸发器，冬季为冷凝器，而水侧和空气侧的换热器的作用正好与之相反，分别给夏季冷凝器，冬季蒸发器。
补水阀对水箱内进行补水，流量调节阀则由热水供应的要求来控制流量。三通阀可以进行分流，也可以进行合流，提供运行模式来控制流动的方向。四通阀有热泵制冷循环里的制冷四通阀，以及普通的四通阀。制冷四通阀可以通过不同的热泵运行模式来控制制冷剂的流向，而普通四通阀则由设定的比较模式，通过太阳能集热器、蓄热水箱和蓄/换热水箱里的水温来控制四通各方向的开启。
冬季阳光充足时，太阳能集热系统采集太阳能量后，先加热蓄热水箱中的生活用水达到设定温度后，再加热蓄/换热水箱中的水，为水源热泵系统提供热量。当太阳能集热系统提供的热量足以满足蓄/换热水箱里的水温需要时，地埋管换热系统关闭。而当蓄/换热水箱里的水温低于太阳能集热器里的水温时，太阳能集热系统停止运行，改由地埋管系统来为蓄/换热器提供热量。同时，空气源热泵在室外温度合适时工作，温度低时关闭。这样还避免了空气源热泵在低温时无法工作的不足。在连续恶劣天气时，太阳能集热系统提供的热量不足于满足蓄热水箱里的水温要求时，备用电加热器运行，加热水到要求的温度。
夏天，空气源侧换热器作为热泵系统的冷凝器将用户传来的热量排到室外，部分用户排出的热量还可以通过水源热泵来加热蓄/换热水箱里的水供生活用。太阳能集热器采集能量后，先加热蓄热水箱中的生活用水达到设定温度后，再直接注入地埋管系统，将多余的太阳能热量直接蓄存到地埋管系统的土壤里，以备冬天使用。
本发明提供的以太阳能、地能和空气为冷热源的多源双机热泵供热空调复合系统的优点为：(1)以清洁、可再生的太阳能、空气能和地能来提供绝大部分能量，既可全年供热又可进行空调采暖，具有节能、高效、环保等优点。(2)夏季空调主要是通过复合热泵系统的空气源热泵和水源热泵实现，水源热泵还可以加热蓄/换热水箱中的水用于生活需要。而太阳能集热器采集的能量主要排向大地，避免了夏季集热器过热，使大地起到了蓄热器的作用，以备冬季使用，更有利于地源热泵系统的全年冷热负荷平衡，适用于冬季热负荷大于夏季冷负荷的地区。(3)冬季，太阳能集热器、地埋管、复合热泵系统的空气源热泵共同提供能量，用于采暖和生活热水。其中，太阳能集热器和空气源热泵在室外气候满足条件时开启。极端条件下备用电加热器可以补充生活用热水所需热量。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图。
其中，1是太阳能集热器，2是循环水泵，3是地埋管，4是四通阀，5是热水供应，6是补水阀，7是蓄/换热水箱，8是制冷四通阀，9是压缩机，10是换热器，11是节流装置，12是三通阀，13是蓄热水箱，14是备用电加热器，15是流量调节阀，16是末端用户。
具体实施方式
下面以非限定性的实施例来进一步解释、说明本技术方案。
一种太阳能-空气-地能多源双机热泵供热空调复合系统，如图1所示，包括：太阳能集热器1、地埋管3、蓄热水箱13、蓄/换热水箱7、控制系统和末端用户16等，通过管路连接，具体来说：
太阳能集热器1用于收集太阳热量来加热水，太阳能集热器1的壳程出入口分别连接到第一四通阀4-1和第一循环水泵2-1，第一循环水泵2-1再连接到第二四通阀4-2；
地埋管3实现管内换热介质与土壤的热交换，其两端分别连接到第一四通阀4-1和第二四通阀4-2；
蓄热水箱13上设有备用电加热器14、第二补水阀6-2，并通过第一流量调节阀15-1连接到热水供应装置5；蓄热水箱13的两端分别连接到第一四通阀4-1和第二四通阀4-2；
蓄/换热水箱7的壳程出入口分别连接到第一四通阀4-1和第二四通阀4-2，其管程出入口分别连接到第一制冷四通阀8-1和第一节流装置11-1，第一节流装置11-1的另一端连接到第二三通阀12-2；蓄/换热水箱7上设置有第一补水阀6-1，并通过第二流量调节装阀15-2连接到热水供应装置5；第一制冷四通阀8-1通过第一压缩机9-1连接到第一三通阀12-1；
第二换热器10-2的管程出入口分别连接到第二制冷四通阀8-2和第二节流装置11-2，第二制冷四通阀8-2通过第二压缩机9-2连接到第一三通阀12-1，第二节流装置11-2另一端连接到第二三通阀12-2；第二换热器10-2的管外流通空气；
第一换热器10-1的管程出入口分别连接第一三通阀12-1和第二三通阀12-2；第一换热器10-1的壳程出入口分别连接第三循环水泵2-1和空调末端16；
控制系统用于控制通过运行模式和水温控制各个阀门的开启与否，以控制整个系统，在现有的控制技术条件下这是容易实现的，故不在赘述；
空调末端16采用冬天地暖、夏天风机盘管的形式或者全部为辐射空调的形式，通过第三循环水泵2-3与第一换热器10-1实现冷量或热量交换。
夏季：当太阳能集热器1内的水温高于设定值后，四通阀4-1和4-2的a、b向开通，循环水泵2-1开启，从而对蓄热水箱13中的水加热，当蓄热水箱13内的水温高于生活用热水要求后，四通阀4-1和4-2的b向关闭，d向开通，直接将集热器1内的水注入地埋管3内，从而将太阳的能量储存在土壤中。太阳能集热器1内的水温低于设定值后，四通阀4-1和4-2的a向和循环水泵2-1关闭。
夏季的空调末端用户16采用的是“制冷”模式。在这种模式下，复合热泵系统内的制冷介质流向如图1实线所示。用户排出的热量一部分由制冷剂循环工作排至换热器10-2，被空气带走；一部分通过制冷剂循环工作排至蓄/换热水箱7，加热水箱内的水。当水箱7内的水温高至设定值时，压缩机9-1和三通阀12-1的a向、三通阀12-2的d向关闭，水源热泵停止工作；用户排出的热量全部由空气源热泵来承担。当蓄/换热水箱7内的水温降低后，压缩机9-1和三通阀12-1的a向、三通阀12-2的d向开启，水源热泵重新开始工作。
夏季热水供应5开启时，优先开启流量调节阀15-2，使用蓄/换热水箱7来提供生活用热水。同时打开补水阀6-1进行补水，以使水源热泵在蓄/换热水箱7内能够高效工作。当蓄/换热水箱7内提供的水温达不到生活热水要求时，流量调节阀15-1开启，蓄热水箱13也同时提供热水。
冬季：当太阳能集热器1内的水温高于蓄热水箱13里的水温时，四通阀4-1和4-2的a、b向开通，循环水泵2-1开启，从而对蓄热水箱13中的水加热，当蓄热水箱13内的水温高于生活用热水要求后，四通阀4-1和4-2的b向关闭，c向开通，从而停止对蓄热水箱13进行加热，开始对蓄/换热水箱7里的水加热。当太阳能集热器1内的水温低于蓄/换热水箱7里的水温后，四通阀4-1和4-2的b向和循环水泵2-1关闭，太阳能集热系统停止运行。与此同时，四通阀4-1和4-2的d向开通，循环水泵2-2开启，地埋管换热系统开始对蓄/换热水箱7里的水加热。
冬季空调末端用户16采用的是“制热”模式。在这种模式下，复合热泵系统内的制冷介质流向如图1上虚线所示。用户需要的热量主要由蓄/换热水箱7内的水提供。此时，压缩机9-1启动，三通阀12-1的a向、三通阀12-2的d向开启，水源热泵工作。当室外的气温达到设定的要求值时，压缩机9-2启动，三通阀12-1的b向、三通阀12-2的a向开启，空气源热泵也开始同时工作。室外气温降低到要求值后，压缩机9-2、三通阀12-1的b向、三通阀12-2的a向关闭，空气源热泵停止工作。
冬季热水供应5开启时，开启流量调节阀15-1，使用蓄热水箱13来提供生活用热水。流量调节阀15-2是常关的。在极端条件下，例如连续阴雨、雨雪天气，太阳能集热器无法工作或提供的水温不足于满足需要，则开启备用电加热器14，对蓄热水箱13里的水进行加热，以满足生活用热水要求。

Claims (4)

1.一种太阳能-空气-地能多源双压缩机热泵供热空调复合系统，其特征在于包括：太阳能集热器(1)、地埋管(3)、蓄热水箱(13)、蓄/换热水箱(7)、控制系统和空调末端(16)，具体来说：
太阳能集热器(1)用于收集太阳热量来加热水，太阳能集热器(1)的壳程出入口分别连接到第一四通阀(4-1)和第一循环水泵(2-1)，第一循环水泵(2-1)再连接到第二四通阀(4-2)；
地埋管(3)实现管内换热介质与土壤的热交换，其两端分别连接到第一四通阀(4-1)和第二四通阀(4-2)；
蓄热水箱(13)上设有备用电加热器(14)、第二补水阀(6-2)，并通过第一流量调节阀(15-1)连接到热水供应装置(5)；蓄热水箱(13)的两端分别连接到第一四通阀(4-1)和第二四通阀(4-2)；
蓄/换热水箱(7)的壳程出入口分别连接到第一四通阀(4-1)和第二四通阀(4-2)，其管程出入口分别连接到第一制冷四通阀(8-1)和第一节流装置(11-1)，第一节流装置(11-1)的另一端连接到第二三通阀(12-2)；蓄/换热水箱(7)上设置有第一补水阀(6-1)，并通过第二流量调节阀(15-2)连接到热水供应装置(5)；第一制冷四通阀(8-1)通过第一压缩机(9-1)连接到第一三通阀(12-1)；
第二换热器(10-2)的管程出入口分别连接到第二制冷四通阀(8-2)和第二节流装置(11-2)，第二制冷四通阀(8-2)通过第二压缩机(9-2)连接到第一三通阀(12-1)，第二节流装置(11-2)另一端连接到第二三通阀(12-2)；第二换热器(10-2)的管外流通空气；
第一换热器(10-1)的管程出入口分别连接第一三通阀(12-1)和第二三通阀(12-2)；第一换热器(10-1)的壳程出入口分别连接第三循环水泵(2-1)和空调末端(16)；
控制系统用于控制通过运行模式和水温控制各个阀门的开启与否，以控制整个系统；
空调末端(16)采用冬天地暖、夏天风机盘管的形式或者全部为辐射空调的形式，通过第三循环水泵(2-3)与第一换热器(10-1)实现冷量或热量交换。
2.根据权利要求1所述的太阳能-空气-地能多源双压缩机热泵供热空调复合系统，其特征在于：所述太阳能集热器为平板型集热器、全玻璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器或直流式真空管集热器。
3.根据权利要求1所述的太阳能-空气-地能多源双压缩机热泵供热空调复合系统，其特征在于：地埋管为竖直U型埋管、水平埋管、桩埋管或连续螺旋埋管。
4.根据权利要求1所述的太阳能-空气-地能多源双压缩机热泵供热空调复合系统，其特征在于：蓄/换热水箱(7)、两个换热器(10-1、10-2)、两个压缩机(9-1、9-2)、两个制冷四通阀(8-1、8-2)、两个节流装置(11-1、11-2)、两个三通阀(12-1、12-2)构成复合热泵系统；其中，蓄/换热水箱(7)、第一制冷四通阀(8-1)、第一压缩机(9-1)、第一节流装置(11-1)构成水源热泵，第二换热器(10-2)、第二制冷四通阀(8-2)、第二压缩机(9-2)、第二节流装置(11-2)构成空气源热泵，第一换热器(10-1)作为用户侧换热器；共同实现复合热泵系统冬夏季制冷剂工质流向的转变，从而使两个热泵系统中的2个换热器实现相反的冬夏季蒸发器与冷凝器的作用，且所述蓄/换热水箱(7)在冬季作为蒸发器、夏季作为冷凝器。
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Application publication date: 20110323

Assignee: Shandong Fangya GSHP Technology Co., Ltd.

Assignor: Shandong Construction University

Contract record no.: 2014370000006

Denomination of invention: Solar-air-geothermal multisource dual-machine heat pump heat supply and air conditioning composite system

Granted publication date: 20120815

License type: Exclusive License

Record date: 20140124

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Granted publication date: 20120815

Termination date: 20181116