CN102252454A - 复合式可再生建筑能源供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合式可再生建筑能源供应系统，包括：热泵机组；蓄冷/蓄热桶；光伏发电组件，其与一光伏逆变器连接，该光伏逆变器进一步连接所述热泵机组、生活热水板式换热器、蓄电装置以及蓄冷/蓄热桶；太阳能集热装置，其与一太阳能集热板式换热器连接，该太阳能集热板式换热器进一步连接所述蓄冷蓄热桶和所述生活热水板式换热器；热管式地埋换热器、其分别所述热泵机组和过渡季节供冷板式换热器连接。本发明将蓄冷/蓄热技术、热泵技术、蓄电技术有机结合在一起，构成了供暖系统、制冷系统、生活热水供应系统、照明系统等相互融合、相互组合的、综合性的可再生能源建筑系统，具有节能高效的优点。

Description

复合式可再生建筑能源供应系统

技术领域

本发明涉及建筑能源供应领域，具体涉及一种智能化根据不同条件调度能源供应的建筑能源供应系统。

背景技术

目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”，尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上扬趋势。

现在我国每年新增房屋20亿平方米中，其中99％以上是高能耗建筑；而既有的约430亿平方米建筑中，只有4％采取了节能措施，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上。目前，我国正处于工业化和城镇化快速发展阶段，工业的增长、城镇化进程的加快、居民消费结构的升级，使得我们对能源、经济资源的需求更加迫切。由此国家陆续出台了相关的财政政策以扶持节能、绿色、低能耗建筑的发展，我国的建筑节能技术在这几年也获得了较好的发展机会，在国家相关政策的大力支持下，节能技术如地源热泵技术的应用面积从2005年的约3000万平米，上升到了2010年的1.2亿平米，LED照明、太阳能集热器、光伏发电等一批绿色能源技术、节能设备得到了大力的推广，节能理念也得到了很好的普及。

现有技术在建筑行业中对能源的利用主要有以下几种方式：

第一种是地源热泵，其缺点是因为受地下地热能的波动影响，负荷不平衡的情况时有出现，在极寒天气情况下就不如常规的市政供热稳定，因此市场上大部分地源热泵的系统都采用燃气或燃煤锅炉辅助的方法，这种系统不仅增加了成本，运行成本跟常规市政供热比也没有太大优势，也增加了运行人员的工作量。

第二种是蓄冷/蓄热技术：因为是利用电网电价的峰谷差来达到节能的目的，尽管技术本身并不减小能量的消耗，反而会使用电量有不同程度增加。由于它平衡了电网负荷，减少了电力高峰时在电网线路上的输电损失，所以这项节能技术对整个建筑节能产业有重要的意义。

第三是光伏发电技术在建筑上的应用其实已经有很多，但普遍规模都很小，远达不到大规模推广示范的作用，原因主要是建筑照明耗电量普遍较大，现有的光伏发电单位发电量达不到建筑本身的电力需求，同时，因为居民用电集中在晚上，而因为独立光伏发电系统面临着很复杂的上网上续问题造成普遍不能将所发电并入国家电网，所以作为依靠太阳能发电的光电建筑必须考虑电的存储问题，现有的电存储都靠储电池，而储电池的造价目前非常高，整体造成整个光伏系统的成本很高。

第四是太阳能集热技术：其缺点是单纯依靠太阳能热水器来解决生活用热水供应的问题受制于场地问题、负荷不平衡问题、极端天气供应不上问题等)不能大规模采用。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种复合式可再生建筑能源供应系统，以解决现有技术的建筑中对能源综合利用不足、节能功效不足的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种复合式可再生建筑能源供应系统，包括：热泵机组；蓄冷/蓄热桶；光伏发电组件，其与一光伏逆变器连接，该光伏逆变器进一步连接所述热泵机组、生活热水板式换热器、蓄电装置以及蓄冷/蓄热桶；太阳能集热装置，其与一太阳能集热板式换热器连接，该太阳能集热板式换热器进一步连接所述蓄冷蓄热桶和所述生活热水板式换热器；热管式地埋换热器、其分别所述热泵机组和过渡季节供冷板式换热器连接。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述热泵机组的输出端连接用于提供热水的热水装置、用于供暖的暖气装置以及用于地板采暖的地暖装置。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述过渡季供冷板式换热器输出端连接用于制冷的风机盘管，该风机盘管同时连接所述蓄冷/蓄热桶。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述生活热水板式换热器两侧本别设置有一次侧循环泵和二次侧循环泵。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述热泵机组输出端还连接有一空调侧循环泵。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述热泵机组输入端和所述热管式地埋换热器之间设置有地源侧循环泵。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述太阳能集热板式换热器两侧跟别设置有一次侧循环泵和二次侧循环泵。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述过渡季供冷板式换热器输出端设置有二次侧循环泵，其输入端设置有阀门，其输出端与所述风机盘管之间、与蓄冷/蓄热桶之间分别设置有阀门。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述热泵机组与所述生活热水板式换热器、热管式地埋换热器以及输出端都设置有阀门。

依照本发明较佳实施例所述的供应系统，所述蓄冷/蓄热桶与所述热泵机组输出端之间设置有阀门。

由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果：

1.本发明将太阳能光电、太阳能光热、地热能这三种常见且较为丰富的可再生能源为基础能源，通过优化组后与蓄冷/蓄热系统相结合，构成了供暖、制冷、生活热水、照明等一体化生活、办公用能源供应系统。应该系统利用太阳能、地热能等可再生能源各自的特点进行优势互补，白天发电并收集热能，在供应白天建筑物能源的基础上，将多余的太阳能发出的电能、热能收集存储在蓄电系统、蓄冷/蓄热桶中供晚上或极端天气时使用，较好地解决了单一地源热泵系统或单一太阳能集热系统冷、热负荷不平衡的问题。

2.本发明所提到的系统及技术使用范围广，无论是北方极寒冷地区、南方夏季高温、冬季气候阴冷地区，只要合理组合三种基础能源形式，实现最优的运行方式，都能很好的解决建筑可再生能源供应的问题。

3、本发明所提到的地热采集组件核心设备都埋在地下，而光电系统一般安装在闲置的屋顶或墙面上，无需额外用地或增建其他设施，适用于人口密集的地方使用；而安装在屋顶和墙壁等外围护结构上的光电应用装置，可以吸收太阳能、转化为电能大大降低了室外综合温度，减少了墙体的热和室内空调冷负荷，既节省了能源，又利于保证室内的空气品质。

附图说明

图1是本发明提供的智能建筑能源供应系统的拓扑图；

图2是本发明提供的智能建筑能源供应系统的具体实现架构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

首先，请参考图1，根据图1介绍本发明的原理，本发明所提供的系统可以划分成基础能源层100、能源转化层200、能源利用层300三个拓扑层次。

在基础能源层100中，由太阳能光电101、太阳能光热102和地热能103这三种可再生能源形式组成。能源转化层200中，由光伏瓦211地热、水源、地源、污水源221、太阳能集热系统231、电转换器212、控制系统222、热转换器/存储器232、蓄电系统213、热泵机组223、蓄冷/蓄热桶233共12个部件组成.能源利用层300中，由制冷301、供暖302、热水303、照明304共4项组成。

基础能源层100根据不同的地理环境和可再生能源的条件，因地制宜进行有机的组合，如地热能特别丰富的地区，在具体设计时可将大部分负荷由地热能来承担，将太阳能光热作为一个补充，而对于当地太阳能特别丰富的地区，在进行建筑能源供应系统的设计时，可将地热能作为一个有机的补充，在满足建筑热工指标及空调负荷指标的前提下，尽可能将某一种可再生能源优势发挥充分，以减少整体能源的消耗，达到最优化的系统运行状况。

能源转化层200在基础层能源组合方案确定的情况下，依托光伏瓦211发出的电，带动热泵机组223做功，将地热、水源、地源、污水源221及太阳能集热系统231送过来的能量通过控制系统222，按照季节的不同，具体建筑物的要求的不同，向用户输送达到建筑设计标准要求及住户要求的能源(如供暖、制冷、生活热水等)。

光伏瓦211所发出来的电，按照白天和夜晚、高峰和低谷的不同，选择性的通过控制系统222进行直供或存储，如白天热泵机组223负荷大时，将部分光伏瓦211发出的电直接送到热泵机组223，其它部分存储在蓄电系统213中，供晚上整个系统运行使用及照明使用。

太阳能集热系统231所产出的热水，夏季时，白天一部分直接通过热泵机组223转化成冷量供制冷使用，另外剩余的部分存储在蓄冷/蓄热桶233中，根据负荷要求供晚上没有太阳光时使用，而在冬初时太阳能集热系统231产出的符合供暖标准的热能将直接作为供暖能源使用，寒冷天气或太阳能集热系统231无法产出符合标准的供暖用热能时，则由太阳能集热系统231产生的如20℃的水合并地热、水源、地源、污水源221等向热泵机组223提供的部分16-18℃的水一起作为热泵机组223的基础能源，经过热泵机组223提升后产出的符合标准的能量作为供暖或生活热水的能源使用。

上述中控制系统222，其工作原理是根据能源利用层300中的制冷301、供暖302、热水303、照明304这四方面反馈回来的具体参数，由内部程序自动切换能源转化层200中各设备的起停，从而达到最优的一种能源利用方式的组合，为了便于整个可再生能源系统的运行和控制，根据事先的程序设计及各设备最优化运行的条件等因素，在各管路中合理布置泵、阀、流量计、压力计、温度传感器等，根据需要接入控制系统222中。

上述中蓄冷/蓄热桶233，在系统能量有余时或太阳光热/光电充足时由控制系统222自动打开，向蓄冷/蓄热桶233中储存热能或冷量，在负荷高时或晚上基础能源层100中的太阳能光电101和太阳能光热103不具备运行条件时，向系统释放冷量或热能，以满足系统运行的需要。在设计系统时应根据当地的具体气候条件决定蓄冷/蓄热量的大小，一般要求蓄能桶要满足5个极端天气情况出现时正常供应建筑物能量。

进一步，所述可再生能源建筑系统的应用：夏季白天，利用④光伏瓦发出的电或蓄电系统中存储的电能，通过⑥太阳能集热系统产出的热水作为能源，驱动热泵机组产出冷量，供应建筑制冷能源；且尽可能多的使用④光伏瓦发出的多余的电，通过12蓄冷桶以冰的形式储存起来，在晚上或白天高峰时段释放出来作为制冷的冷源使用。夏季夜晚，系统利用白天存储在蓄冷桶中的能量，只需要消耗少量的蓄电系统中储存的电即可满足建筑物内人们制冷空调的需要。

例如，冬季白天，在非严寒时间段且太阳光照条件较好的地段太阳能集热系统231产出的能量可直接作为供暖能源使用，在严寒时间段且太阳光照条件一般的地段太阳能集热系统231产出的能量作为补充，配合地热、水源、地源、污水源221等其中的一种能源方式，通过热泵机组223提温后供应建筑物作为供暖能源使用，同时热泵机组223工作时也会散发部分热源，通过回收装置将这部分热源回收提温后，给建筑物提供稳定的热水。光照条件好的白天还应多产出热能存储在蓄冷/蓄热桶233中，以备夜间使用。

冬季夜晚，北方普遍室温较低，所以热泵机组223根据负荷要求自动将蓄冷/蓄热桶233中的能量先行释放，下半夜时，如果蓄冷/蓄热桶233中的能量用完时再通过设定好的程序，由控制系统222自行启动蓄电系统213中的电能，开启地热、水源、地源、污水源221系统，产出符合供暖要求的能量。

为了对本发明作出更详细、准确的介绍，下面用图2所示的一个具体实施例来进一步作出说明：

如图2所示，本发明提供的系统包括光伏发电组件1、太阳能集热器2、热管型地埋换热器3、热泵机组223、蓄冷/蓄热桶233、生活热水板式换热器一次侧循环泵6、生活热水板式换热器二次侧循环泵7、生活热水板式换热器8、过渡季节供冷板式换热器9、过渡季节供冷板式换热器二次循环泵10、热水系统11、风机盘管12、暖气系统13、地暖装置14、地源侧循环泵15、空调侧循环泵16、太阳能集热板式换热器17、太阳能集热板式换热器一次侧循环泵18、太阳能集热板式换热器二次侧循环泵19、光伏逆变器20。

其中风机盘管12为夏季制冷时输送冷量时使用，而光伏逆变器20是将光伏瓦发出的低压电转化成220V电时使用到的关键转化设备；其中热管型地埋换热器3是将地下能量转化到系统中的核心设备，也是整体系统中很关键的一个组成部分。

如图所示，当系统处于需要制冷工况季节时，由控制系统自动转变为制冷模式，此时：图中阀门F1、F2、G1、G2开启，阀门D1、D2、H1、H2、K1、K2关闭。图2中，光伏发电组件1、热管式地埋换热器3、热泵机组223、蓄冷/蓄热桶233、风机盘管12、地源侧循环泵15、空调侧循环泵16、光伏逆变器20处于运行状态，其他设备处于停止状态。

此时地下温度(12-20℃)相对于地上温度(28-38℃)偏低，由热管式地埋换热器3、热泵机组4做功，产出冷量供应建筑物制冷使用，在热泵机组4运行的过程中同步回收设备余热加热生活用水转成生活用热水使用。白天正常供应建筑物制冷需求外，系统自动将多产出的能量存储在蓄冷/蓄热桶5中，供夜晚使用。

如图2所示，当系统处于需要制热工况季节时，由控制系统自动转变为制热模式，此时：图中阀门K1、K2关闭，光伏发电组件1、热管式地埋换热器3、热泵机组223、蓄冷/蓄热桶233、风机盘管12、暖气装置13、地暖装置14、地源侧循环泵15、空调侧循环泵16、太阳能集热板式换热器17、光伏逆变器20设备开启运行。

此时地下温度(12-20℃)相对于地上温度(-10-10℃)要高，由太阳能集热器2作为热能来源，不足时开启热管式地埋换热器3，通过太阳能集热器2、热管式地埋换热器3、热泵机组4做功后产生的满足建筑物热能需求的能量通过输送系统进入设备风机盘管12、暖气装置13、地暖装置14、地源侧循环泵15、空调侧循环泵16。

在夏初时，直接利用过渡季供冷板式换热器9与热管式地埋换热器3换热，对建筑室内末端供冷。此时阀门A1、A2、K1、K2打开，阀门B1、B2、G1、G2关闭。光伏发电组件1、热管式地埋换热器3、过度季供冷板式换热器9、风机盘管12、地源侧循环泵15、光伏逆变器20设备开启运行。

冬初、冬末时，直接利用太阳能集热器与太阳能集热换热器17，对建筑物室内末端供热。此时：阀门H1、H2打开，阀门F1、F2关闭。光伏发电组件1、太阳能集热器2、蓄冷/蓄热桶233、风机盘管12、暖气装置13、地暖装置14、空调侧循环泵16、太阳能集热板式换热器17、太阳能集热板式换热器一次侧循环泵18设备开启运行。

该系统在冬初、冬末时将直接由光伏发电组件1、热管式地埋换热器3实现直接供暖、生活热水，配合地暖装置14及工艺，能源消耗量极少。在此段时间内，系统将提前预热整个建筑物，在寒冷季节到来时，整个建筑物都已经达到最节能、最佳的状态，所以能源消耗也会较少。同时在这个运行阶段，蓄冷/蓄热桶233将储存好较多的能量，以便在极端天气出现时补充建筑能源的消耗。

本系统的生活热水制取常年利用热管式地埋换热器3、生活热水板式换热器一次侧循环泵6及其集热系统来产生，光伏发电组件1、太阳能集热器2、热泵机组223、蓄冷/蓄热桶233、太阳能集热板式换热器17、太阳能集热板式换热器一次侧循环泵18、太阳能集热板式换热器二次侧循环泵19设备开启。夏季时，利用热泵机组的余热回收功能辅助制取生活热水，此时阀门D1、D2、F1、F2打开，阀门H1、H2关闭，光伏发电组件1、热泵机组223、生活热水板式换热器一次侧循环泵6、生活热水板式换热器二次侧循环泵7、生活热水板式换热器8、热水装置11、风机盘管12、空调侧循环泵16设备开启运行。

本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种复合式可再生建筑能源供应系统，其特征在于，包括：

热泵机组；

蓄冷/蓄热桶；

光伏发电组件，其与一光伏逆变器连接，该光伏逆变器进一步连接所述热泵机组、生活热水板式换热器、蓄电装置以及蓄冷/蓄热桶；

太阳能集热装置，其与一太阳能集热板式换热器连接，该太阳能集热板式换热器进一步连接所述蓄冷蓄热桶和所述生活热水板式换热器；

热管式地埋换热器、其分别所述热泵机组和过渡季节供冷板式换热器连接。

2.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述热泵机组的输出端连接用于提供热水的热水装置、用于供暖的暖气装置以及用于地板采暖的地暖装置。

3.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述过渡季供冷板式换热器输出端连接用于制冷的风机盘管，该风机盘管同时连接所述蓄冷/蓄热桶。

4.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述生活热水板式换热器两侧本别设置有一次侧循环泵和二次侧循环泵。

5.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述热泵机组输出端还连接有一空调侧循环泵。

6.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述热泵机组输入端和所述热管式地埋换热器之间设置有地源侧循环泵。

7.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述太阳能集热板式换热器两侧跟别设置有一次侧循环泵和二次侧循环泵。

8.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述过渡季供冷板式换热器输出端设置有二次侧循环泵，其输入端设置有阀门，其输出端与所述风机盘管之间、与蓄冷/蓄热桶之间分别设置有阀门。

9.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述热泵机组与所述生活热水板式换热器、热管式地埋换热器以及输出端都设置有阀门。

10.如权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述蓄冷/蓄热桶与所述热泵机组输出端之间设置有阀门。

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