CN104633980A - 太阳能-地能互补风能热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能-地能互补风能热泵系统，包括风力发电装置、太阳能集热器，高温水源热泵机组、蓄热/蓄冷水箱、蓄热地埋管组、蓄冷地埋管组，风力发电装置为高温水源热泵机组提供电力，热泵机组分别通过连接管路、开关阀和水泵与蓄热地埋管组、蓄冷地埋管、蓄热/蓄冷水箱、太阳能集热器连接；分别组成：地源热泵与太阳能集热器并联供热模式，地源热泵与太阳能集热器串联供热模式，地源热泵单独供热+蓄冷地埋管蓄冷模式，地源热泵单独制冷+蓄热地埋管蓄热模式。本发明解决了风电弃风问题；热泵机组利用太阳能作为辅助热源，既解决了土壤吸排热不平衡问题，又实现了太阳能跨季节性蓄能，提高了热泵系统能效比。

Description

太阳能-地能互补风能热泵系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能-地能互补风能热泵系统，属于热泵技术领域。

背景技术

太阳能和地能用于采暖、空调符合“温度对口、梯级利用”的科学用能原则，属于可再生清洁能源，拥有巨大的应用市场和前景，其开发和有效利用越来越受到广泛的重视。

地源热泵系统主要利用储存于地表浅层近乎于无限、不受地域限制的低焓热能，属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点。但我国由于巨大的地域差异，使得大部分地区的建筑物在一年之中的冷、热负荷相差甚大，造成土壤吸、排热不平衡，无法保证地源热泵系统的高效节能，不利于热泵的长期稳定运行，也会对生态环境造成一定影响。

太阳能是人类能量的主要来源，也是一种无污染、蕴藏丰富的自然能源，太阳能的利用得到了越来越多的重视。和风能相比，太阳能的能量密度较低，利用太阳能进行热发电的成本较高，且太阳能有明显的间歇性和周期性，因此，采用跨季节性储能装置的太阳能-地能互补风能热泵系统是合理利用太阳能、地能以及风能的有效途径之一。

CN104033950A公开了一种蓄热型太阳能地源热泵耦合系统，包括太阳能集热器、太阳能蓄水箱、温度转换蓄水箱、热管换热器、分水器、集水器、地埋管换热器、热泵机组、室内机，能满足制冷、供热及生活热水供应，其中太阳能集热系统可以实现季节性蓄热，夏季采用“降膜法换热”对冷凝热进行回收，实现高效制冷。该专利为太阳能地源热泵耦合系统，无法解决风电并网和弃风问题，环境和经济效益受限，且该专利未考虑冬季太阳能集热器夜间防冻和蓄冷问题。

CN102384516A公开了一种室内太阳能和风能联合补热供暖系统，由太阳能热水装置、风力发电装置和室温控制电路组成，太阳能热水装置的储热水箱通过出水阀、四通管接头、锅炉进水阀和管道与蒸汽锅炉进水口连接，蒸汽锅炉的蒸汽出口经保温蒸汽管与室内散热装置连接，风力发电装置的电源输出连接热水箱中的电加热管、并同时经接触器常开触点连接室内电加热器，室温控制电路的控制器单元连接接触器线圈。采用联合补热供暖的方法，利用太阳能热水系统和风能对进入燃煤锅炉的冷水进行预热，同时利用风能发电直接对温室进行加热供暖。该专利中风力发电装置的电源输出通过电加热器对燃煤锅炉给水进行预热，不符合“温度对口、梯级利用”的科学用能原则。

CN101799213A公开了的一种风能热泵伴随加热的太阳能热水器，包括太阳能集热板、风力风车、热水箱、自动浮球阀及由压缩机、蒸发器和冷凝器组成的热泵系统。太阳能集热板加热水箱中的水，风力风车通过传动轴连接热泵系统中的压缩机，热泵系统的冷凝器将热水箱中的水加热，构成风能热泵伴随加热的太阳能热水器。可以实现比较稳定地全天候热水使用。但该专利风能热泵采用空气源热泵，在低温环境下热泵效率低。

发明内容

本发明是为了解决太阳能热水系统的季节性和间歇性以及地源热泵土壤吸排热不平衡问题，充分利用现有风力发电装置及地源热泵的成熟技术和优点，而提供一种太阳能-地能互补风能热泵系统。

本发明所述问题是由以下技术方案解决的：

一种太阳能-地能互补风能热泵系统，包括风力发电装置、太阳能集热器，还包括高温水源热泵机组、蓄热/蓄冷水箱、蓄热地埋管组、蓄冷地埋管组，所述高温水源热泵机组包括电动机、压缩机、四通换向阀和第一、第二两个制冷剂-水换热器，所述电动机与所述风力发电装置的电力输出端连接，所述第一制冷剂-水换热器分别通过连接管路、开关阀和水泵与所述蓄热地埋管组和所述蓄冷地埋管组连接；所述第二制冷剂-水换热器通过连接管路、开关阀和水泵与所述蓄热/蓄冷水箱连接；所述太阳能集热器分别通过连接管路和开关阀与所述蓄热/蓄冷水箱、所述蓄热地埋管组、所述蓄冷地埋管组、所述第一制冷剂-水换热器连接；分别组成：地源热泵与太阳能集热器并联供热模式，地源热泵与太阳能集热器串联供热模式，地源热泵单独供热+蓄冷地埋管蓄冷模式，地源热泵单独制冷+蓄热地埋管蓄热模式。

风力发电装置将风能转换为电能，并作为风能热泵系统的驱动电源，驱动高温地源热泵机组运行，热泵机组以土壤或太阳能为低温热源，产生的高温热水/冷水进入蓄热/蓄冷水箱蓄存。冬季制热工况时，蓄热地埋管组作为热泵机组热源，蓄冷地埋管组在夜间利用循环水对太阳能集热器进行加热，防止太阳能集热器冻结，同时将冷量蓄存于土壤中；夏季制冷工况时，蓄冷地埋管组作热泵机组的冷源，而太阳能集热器产生的热水进入蓄热地埋管组将热量蓄存于土壤中，实现太阳能的跨季节性蓄能并和地能形成有效地互补，实现了热泵机组的高效运行。有鉴于现有风力发电系统所存在的风速局限及蓄电池组的汰换问题，本系统采用蓄热/蓄冷水箱，以保证热水/冷水的稳定可靠输出。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

热泵机组利用风力发电进行驱动，可以有效解决风电弃风问题，减少消费和环境污染；热泵机组利用太阳能作为辅助热源，既解决了土壤吸排热不平衡问题，又实现了太阳能跨季节性蓄能，达到了提高热泵系统能效比和运行可靠性的目的。

作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

所述风力发电装置的风机是水平轴式风力机或是垂直轴式风力机。风力发电只是作为本系统的驱动电源使用，因此，风力发电装置可以简化。

所述太阳能集热器是平板型或真空管型，按地能和太阳能的有效互补以及太阳能季节性蓄能通过温度传感器和阀门集中控制。太阳能集热器根据产生的热水温度和运行时段的不同，分别进入蓄热/蓄冷水箱上部、中部、热泵机组的蒸发器以及蓄热地埋管组或蓄冷地埋管组，实现地能和太阳能的有效互补以及太阳能季节性蓄能。

所述蓄热/蓄冷水箱上部设置热水进口，下部设置冷水进口，蓄热时热水由水箱上部流入，蓄冷时冷水由水箱下部进入，保证蓄水箱内产生稳定的温度分层；蓄热/蓄冷水箱可以是方形或圆柱形，冬季蓄热水，夏季蓄冷水，通过开关阀和水泵来实现。

所述高温水源热泵机组采用高温制冷剂，制取70℃以上的高温热水，以跨季节蓄热地埋管组和蓄冷地埋管组为冷热源，机组在冬季和夏季可以分别启动制热和制冷模式。制热模式下，热泵机组的蒸发器通过蓄热地埋管组从土壤中取热而蓄冷地埋管组在夜间进行蓄冷；制冷模式下，冷凝器通过蓄冷地埋管组向土壤中排热而太阳能集热器吸收太阳能的热量通过蓄热地埋管组将热量蓄存于土壤。解决了地源热泵土壤吸排热不平衡问题，并保证了机组高效运行。

附图说明

图1 为本发明实施例在制热工况下的系统流程图；

图2 为本发明实施例在制冷工况下的系统流程图；

图中：风力发电装置1；风力机1a；发电机组1b；高温水源热泵机组2；电动机2a；压缩机2b；四通换向阀2c；第一制冷剂-水换热器2d；第二制冷剂-水换热器2e；蓄热/蓄冷水箱3；太阳能集热器4；蓄热地埋管组5；蓄冷地埋管组6；第一水泵7；第二水泵8；第三水泵9；第一开关阀10；第二开关阀11；第三开关阀12；第四开关阀13；第五开关阀14；第六开关阀15；第七开关阀16；第八开关阀17；第九开关阀18；第十开关阀19；第十一开关阀20；第十二开关阀21；第十三开关阀22；第十四开关阀23；第十五开关阀24；第十六开关阀25。

具体实施方式

以下结合实施例详述本发明，目的仅在于更好的理解本发明内容，所举之例并非限制本发明内容。

参看图1，冬季供暖时期，系统启动制热工况，此模式下，高温水源热泵机组2运行制热工况产生的热水从第二制冷剂-水换热器2e输出，并在第二水泵8的驱动下进入蓄热/蓄冷水箱3上部蓄存，太阳能集热器4产生的热水，根据温度不同分别进入蓄热/蓄冷水箱3上部、中部、热泵机组的蒸发器，蓄热/蓄冷水箱3的容积可以满足最大供热负荷下运行48小时，基本保证了在无风时段或风力变化时段热水的稳定输出。设定蓄热/蓄冷水箱3供水温度为70℃，回水温度为50℃，根据太阳能集热器4产生热水温度的不同，系统有以下四种不同运行模式。

参看图1，当太阳能集热器4产生热水温度高于70℃时，系统启动第一种运行模式，即地源热泵与太阳能集热器并联供热模式一，此模式下，第一制冷剂-水换热器2d在第一水泵7的驱动下，经第一开关阀10、第四开关阀13、蓄热地埋管组5、第五开关阀14、第七开关阀16、第八开关阀17组成的回路，将土壤中的热量输送至高温水源热泵机组2，热泵机组产生的热水在第二水泵8的驱动下进入蓄热/蓄冷水箱3上部蓄存；太阳能集热器4产生的热水在第三水泵9的驱动下送至蓄热/蓄冷水箱3上部蓄存，并按照太阳能集热器4、第十六开关阀25、蓄热/蓄冷水箱3、第十三开关阀22、第三水泵9组成的回路进行循环。

参看图1，当太阳能集热器4产生的热水温度高于60℃低于70℃时，系统启动第二种运行模式，即地源热泵与太阳能集热器并联供热模式二，此模式下，第一制冷剂-水换热器2d在第一水泵7的驱动下，经第一开关阀10、第四开关阀13、蓄热地埋管组5、第五开关阀14、第七开关阀16、第八开关阀17组成的回路，将土壤中的热量输送至高温水源热泵机组2，热泵机组产生的热水在第二水泵8的驱动下进入蓄热/蓄冷水箱3中部蓄存，并按照太阳能集热器4、第十五开关阀24、蓄热/蓄冷水箱3、第十四开关阀23、第三水泵9组成的回路进行循环。

参看图1，当太阳能集热器4产生的热水温度低于60℃高于15℃时，系统启动第三种运行模式，即地源热泵与太阳能集热器串联供热模式，此模式下，第一制冷剂-水换热器2d在第一水泵7及第三水泵9的驱动下，经第一开关阀10、第四开关阀13、蓄热地埋管组5、第五开关阀14、第六开关阀15、第十开关阀19、第三水泵9、太阳能集热器4、第十三开关阀22、第二开关阀11、第八开关阀17、第一制冷剂-水换热器2d、第一水泵7组成的回路，将土壤及太阳能集热器4中的热量输送至高温水源热泵机组2，热泵机组产生的热水在第二水泵8的驱动下进入蓄热/蓄冷水箱3上部蓄存。

参看图1，当太阳能集热器4产生的热水温度低于15℃时，系统启动第四种运行模式，即地源热泵单独供热+蓄冷地埋管蓄冷模式，此模式下，第一制冷剂-水换热器2d在第一水泵7的驱动下，经经第一开关阀10、第四开关阀13、蓄热地埋管组5、第五开关阀14、第七开关阀16、第八开关阀17、第一制冷剂-水换热器2d组成的回路，将土壤及太阳能集热器4中的热量输送至高温水源热泵机组2，热泵机组产生的热水在第二水泵8的驱动下进入蓄热/蓄冷水箱3上部蓄存。而蓄冷地埋管组6在第三水泵9 的驱动下，经太阳能集热器4、第十三开关阀22、第十一开关阀20、蓄冷地埋管组6、第十二开关阀21回路向太阳能集热器4供热以防止其冻结，同时通过蓄冷地埋管组6将冷量蓄存于土壤当中。

参看图2，在夏季，系统启动制冷工况，即地源热泵单独制冷+蓄热地埋管蓄热模式，第一制冷剂-水换热器2d在第一水泵7的驱动下，经第九开关阀18、蓄冷地埋管组6、第一水泵7回路将热泵机组中的热量排放至土壤，热泵机组产生的冷水从第二制冷剂-水换热器2e输出并在第二水泵8的驱动下进入蓄热/蓄冷水箱3下部蓄存；太阳能集热器4产生的热量在第三水泵9的驱动下，经第十三开关阀22、第二开关阀11、第七开关阀16、第五开关阀14、蓄热地埋管组5、第四开关阀13、第三开关阀12、第十开关阀19、第三水泵9回路在土壤中蓄存。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (5)

1.一种太阳能-地能互补风能热泵系统，包括风力发电装置、太阳能集热器，其特征在于，还包括高温水源热泵机组、蓄热/蓄冷水箱、蓄热地埋管组、蓄冷地埋管组，所述高温水源热泵机组包括电动机、压缩机、四通换向阀和第一、第二两个制冷剂-水换热器，所述电动机与所述风力发电装置的电力输出端连接，所述第一制冷剂-水换热器分别通过连接管路、开关阀和水泵与所述蓄热地埋管组和所述蓄冷地埋管组连接；所述第二制冷剂-水换热器通过连接管路、开关阀和水泵与所述蓄热/蓄冷水箱连接；所述太阳能集热器分别通过连接管路和开关阀与所述蓄热/蓄冷水箱、所述蓄热地埋管组、所述蓄冷地埋管组、所述第一制冷剂-水换热器连接；分别组成：地源热泵与太阳能集热器并联供热模式，地源热泵与太阳能集热器串联供热模式，地源热泵单独供热+蓄冷地埋管蓄冷模式，地源热泵单独制冷+蓄热地埋管蓄热模式。

2.根据权要求1所述的太阳能-地能互补风能热泵系统，其特征在于，所述风力发电装置的风机是水平轴式风力机或是垂直轴式风力机。

3.根据权要求1所述的太阳能-地能互补风能热泵系统，其特征在于，所述太阳能集热器是平板型或真空管型，按地能和太阳能的有效互补以及太阳能季节性蓄能通过温度传感器和阀门集中控制。

4.根据权要求1所述的太阳能-地能互补风能热泵系统，其特征在于，所述蓄热/蓄冷水箱上部设置热水进口，下部设置冷水进口，蓄热时热水由水箱上部流入，蓄冷时冷水由水箱下部进入。

5.根据权要求1所述的太阳能-地能互补风能热泵系统，其特征在于，所述高温水源热泵机组采用高温制冷剂，制取70℃以上的高温热水，以跨季节蓄热地埋管组和蓄冷地埋管组为冷热源，机组在冬季和夏季可以分别启动制热和制冷模式。