CN105805963B - 一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统与方法。所述系统包括太阳能集热系统、土壤储热系统和控制系统。太阳能集热系统包括由管路依次连接成闭合环路的太阳能集热器、换热水箱和太阳能循环泵；土壤储热系统包括由管路依次连接成闭合环路的地埋侧水泵、位于换热水箱中的换热盘管、集水器、埋于土壤中的地埋管和分水器；控制系统输出控制信号启动太阳能循环泵和地埋侧水泵，实现太阳能集热和土壤储热。本发明提出的太阳能跨季节集热和土壤储热系统，针对不同季节供热负荷不同这一特点，根据水温和土壤温度按季节进行太阳能集热和土壤储热，能够保持土壤温度全年度的平衡，保证地源热泵系统在冬季的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及地源热泵技术领域，尤其涉及一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统与方法。
背景技术
随着中国城市化进程的不断加快，建筑业迅猛发展。城市建筑的快速发展给地源热泵系统的使用带来了巨大的发展潜力。作为节能的采暖措施，地源热泵在中国北方地区得到大力推广。冬季地埋管地源热泵以大地土壤为热源，将土壤换热器置入地下，将大地中的低品位热能取出，通过热泵提升温度后实现对建筑物供暖。由于夏季制冷及冬季制热的天数与所需负荷不同，传统地源热泵系统的使用破坏了被利用热源土壤的冷热平衡，使土壤温度发生改变(升高或降低)，必将严重影响若干年后的可靠使用。
申请号为CN201520765698.6的中国实用新型专利，公开了一种地埋管地源热泵系统，该系统包括地埋管换热器系统、地源热泵机组、空气源热泵机组，地埋管换热器系统包括分水器、地埋管换热器和集水器；所述的集水器经与地源热泵机组低品位热源侧进水口相连，分水器与地源热泵机组低品位热源侧出水口相连；地源热泵机组的供热侧出口与用户的供水管相连；地源热泵机组的供热侧进口与用户的回水管相连；空气源热泵机组是由风冷蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀通过管路相连构成补热系统；冷凝器的出水口与分水器相连，冷凝器的进水口和集水器相连。该实用新型利用空气源热泵夏季制冷，余热通过地埋管换热器为土壤补热，将夏季空气中的热量储存到了土壤中，实现地埋管地源热泵的长年连续运行，提高了热泵系统的供热性能。其存在问题是，不能解决因不同季节供热负荷不同造成的冷热不平衡问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统与方法，针对不同季节供热负荷不同的特点，根据水温和土壤温度按季节进行太阳能集热和土壤储热，以保持土壤温度全年度的平衡，从而保证地源热泵系统在冬季的安全运行。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统，包括太阳能集热系统、土壤储热系统和控制系统。所述太阳能集热系统包括由管路依次连接成闭合环路的太阳能集热器、换热水箱和太阳能循环泵；所述土壤储热系统包括由管路依次连接成闭合环路的地埋侧水泵、位于所述换热水箱中的换热盘管、集水器、埋于土壤中的地埋管和分水器；所述控制系统输出控制信号启动所述太阳能循环泵和所述地埋侧水泵，实现太阳能集热和土壤储热。
进一步地，所述控制系统包括：分别安装在所述太阳能集热器进水口和出水口的第一温度传感器和第二温度传感器，安装在所述换热水箱内的第三温度传感器，埋在土壤里的第四温度传感器，安装在所述换热水箱内的水位传感器，安装在管路中的第一常开电磁阀、第二常开电磁阀、第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，数据处理与控制电路。所述数据处理与控制电路对传感器输入的信号进行信号数据处理，并输出控制信号至电磁阀及所述太阳能循环泵和地埋侧水泵。
优选地，所述水位传感器为压力变送器EA-P100，安装在所述换热水箱底部，输出与水位高度成正比的电压信号。
进一步地，所述太阳能集热系统还包括与所述换热水箱连接的补水泵。
一种应用所述系统进行太阳能集热和土壤储热的方法，包括以下步骤：
控制系统输出控制信号启动太阳能循环泵，使换热水箱中的水在太阳能集热器和换热水箱之间循环流动，将太阳能集热器吸收的太阳能转换成水的热能，实现太阳能集热；
控制系统输出控制信号启动地埋侧水泵，使换热水箱中的换热盘管中的热水不断流向地埋管，由所述地埋管向土壤传递(补充)热量，实现土壤储热。
进一步地，所述控制系统的数据处理与控制电路，对温度传感器和水位传感器输入的信号进行信号数据处理，输出控制信号至太阳能循环泵、电磁阀及地埋侧水泵，实现太阳能集热和土壤储热，具体方法如下：
(1)太阳能集热
当第二温度传感器测得的太阳能集热器出水口的温度T2与第三温度传感器测得的换热水箱的温度T3的差值T2-T3上升到8℃时，启动太阳能循环泵，进行太阳能集热；当T2-T3下降到4℃，或当水位传感器测得的换热水箱的水位上升到最高位置H3时，关闭太阳能循环泵，停止太阳能集热。
冬季，当第一温度传感器测得的太阳能集热器进水口的温度T1≤4℃时，启动太阳能循环泵，进行太阳能集热；当T1≥15℃时，关闭太阳能循环泵，停止太阳能集热。
(2)土壤储热
春季和夏季：当第四温度传感器测得的土壤温度T4≤22℃，且T1≥45℃时，关闭第一常开电磁阀和第二常开电磁阀，开启第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，启动地埋侧水泵，进行土壤储热；当T1≤25℃时，关闭地埋侧水泵，开启第一常开电磁阀和第二常开电磁阀，关闭第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，停止土壤储热。
秋季和冬季：当T1≥45℃时，关闭第一常开电磁阀和第二常开电磁阀，开启第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，启动地埋侧水泵，进行土壤储热；当T1≤25℃时，关闭地埋侧水泵，开启第一常开电磁阀和第二常开电磁阀，关闭第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，停止土壤储热。
进一步地，所述方法还包括给换热水箱补水的步骤：当所述换热水箱中水位降低到高度H1时，启动补水泵，向所述换热水箱补水；当所述换热水箱中水位上升到高度H2时，关闭补水泵，停止补水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的太阳能跨季节集热和土壤储热系统，将太阳能集热器吸收的太阳能转换成热能实现太阳能集热，并通过地埋管向土壤补充热量实现土壤储热。本发明提出的太阳能跨季节集热和土壤储热系统，针对不同季节供热负荷不同这一特点，根据水温和土壤温度按季节进行太阳能集热和土壤储热，能够保持土壤温度全年度的平衡，保证地源热泵系统在冬季的安全运行。
附图说明
图1为太阳能跨季节集热和土壤储热系统的组成框图。
图中：1-太阳能集热器，2-换热水箱，3-热泵机组，4-太阳能循环泵，5-地埋侧水泵，6-第一常开电磁阀，7-第二常开电磁阀，8-第一常闭电磁阀，9-第二常闭电磁阀，10-补水泵，11-地埋管，12-第一温度传感器，13-第二温度传感器，14-第三温度传感器，15-第四温度传感器，16-水位传感器，17-分水器，18-集水器，19-换热盘管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统，包括太阳能集热系统、土壤储热系统和控制系统。所述太阳能集热系统包括由管路依次连接成闭合环路的太阳能集热器1、换热水箱2和太阳能循环泵4；所述土壤储热系统包括由管路依次连接成闭合环路的地埋侧水泵5、位于所述换热水箱2中的换热盘管19、集水器18、埋于土壤中的地埋管11和分水器17；所述控制系统输出控制信号启动所述太阳能循环泵4和所述地埋侧水泵5，实现太阳能集热和土壤储热。
所述控制系统包括：分别安装在所述太阳能集热器1进水口和出水口的第一温度传感器12和第二温度传感器13，安装在所述换热水箱2内的第三温度传感器14，埋在土壤里的第四温度传感器15，安装在所述换热水箱2内的水位传感器16，安装在管路中的第一常开电磁阀6、第二常开电磁阀7、第一常闭电磁阀8和第二常闭电磁阀9，数据处理与控制电路。所述数据处理与控制电路对第一温度传感器12、第二温度传感器13、第三温度传感器14、第四温度传感器15、水位传感器16输入的信号进行信号数据处理，输出控制信号至第一常开电磁阀6、第二常开电磁阀7、第一常闭电磁阀8、第二常闭电磁阀9及所述太阳能循环泵4和地埋侧水泵5。
优选地，所述水位传感器16为压力变送器EA-P100，输出与压力成正比的电压信号。因为水压等于水深乘以水的密度，所以，将压力变送器EA-P100安装在换热水箱2底部，其输出电压的大小与水深成正比，由此可测得换热水箱2的水位高度。
所述太阳能集热系统还包括与所述换热水箱2连接的补水泵10，用于向换热水箱2补水。
一种应用所述系统进行太阳能集热和土壤储热的方法，包括以下步骤：
步骤1，太阳能集热。
控制系统输出控制信号启动太阳能循环泵4，使换热水箱2中的水在太阳能集热器1和换热水箱2之间循环流动，将太阳能集热器1吸收的太阳能转换成水的热能；
步骤2，土壤储热。
控制系统输出控制信号启动地埋侧水泵5，使换热水箱2中的换热盘管19中的热水不断流向地埋管11，由所述地埋管11向土壤传递热量。
所述控制系统的数据处理与控制电路，对第一温度传感器12、第二温度传感器13、第三温度传感器14、第四温度传感器15和水位传感器16输入的信号进行信号数据处理，输出控制信号至太阳能循环泵4、第一常开电磁阀6、第二常开电磁阀7、第一常闭电磁阀8、第二常闭电磁阀9及地埋侧水泵5，实现太阳能集热和土壤储热，具体方法如下：
(1)太阳能集热
当太阳能集热器1出水口的温度T2与换热水箱2的温度T3的差值T2-T3上升到8℃时，启动太阳能循环泵4，进行太阳能集热；当T2-T3下降到4℃，或当水位传感器16测得的换热水箱2的水位上升到最高位置H3时，关闭太阳能循环泵4，停止太阳能集热。
上面的控制方法适合春夏秋冬四个季节。但是，如果是冬季，只要太阳能集热器1进水口的温度T1≤4℃，同样启动太阳能循环泵4，进行太阳能集热；当T1≥15℃时关闭太阳能循环泵4，停止太阳能集热。
(2)土壤储热
春季和夏季：当土壤温度T4≤22℃，且T1≥45℃时，关闭第一常开电磁阀6和第二常开电磁阀7，开启第一常闭电磁阀8和第二常闭电磁阀9，启动地埋侧水泵5，进行土壤储热；当T1≤25℃时，关闭地埋侧水泵5，开启第一常开电磁阀6和第二常开电磁阀7，关闭第一常闭电磁阀8和第二常闭电磁阀9，停止土壤储热。
秋季和冬季：当T1≥45℃时，关闭第一常开电磁阀6和第二常开电磁阀7，开启第一常闭电磁阀8和第二常闭电磁阀9，启动地埋侧水泵5，进行土壤储热；当T1≤15℃时，关闭地埋侧水泵5，开启第一常开电磁阀6和第二常开电磁阀7，关闭第一常闭电磁阀8和第二常闭电磁阀9，停止土壤储热。
所述方法还包括给换热水箱2补水的步骤：当所述换热水箱2中水位降低到高度H1时，启动补水泵10，向所述换热水箱2补水；当所述换热水箱2中水位上升到高度H2时，关闭补水泵10，停止补水。
本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种太阳能集热和土壤储热的方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制系统输出控制信号启动太阳能循环泵，使换热水箱中的水在太阳能集热器和换热水箱之间循环流动，将太阳能集热器吸收的太阳能转换成水的热能，实现太阳能集热；
控制系统输出控制信号启动地埋侧水泵，使换热水箱中的换热盘管中的热水不断流向地埋管，由所述地埋管向土壤传递热量，实现土壤储热；
其中，所述控制系统的数据处理与控制电路，对温度传感器和水位传感器输入的信号进行信号数据处理，输出控制信号至太阳能循环泵、电磁阀及地埋侧水泵，实现太阳能集热和土壤储热，具体方法如下：
(1)太阳能集热
当第二温度传感器测得的太阳能集热器出水口的温度T2与第三温度传感器测得的换热水箱的温度T3的差值T2-T3上升到8℃时，启动太阳能循环泵，进行太阳能集热；当T2-T3下降到4℃，或当水位传感器测得的换热水箱的水位上升到最高位置H3时，关闭太阳能循环泵，停止太阳能集热；
冬季，当第一温度传感器测得的太阳能集热器进水口的温度T1≤4℃时，启动太阳能循环泵，进行太阳能集热；当T1≥15℃时，关闭太阳能循环泵，停止太阳能集热；
(2)土壤储热
春季和夏季：当第四温度传感器测得的土壤温度T4≤22℃，且T1≥45℃时，关闭第一常开电磁阀和第二常开电磁阀，开启第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，启动地埋侧水泵，进行土壤储热；当T1≤25℃时，关闭地埋侧水泵，开启第一常开电磁阀和第二常开电磁阀，关闭第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，停止土壤储热；
秋季和冬季：当T1≥45℃时，关闭第一常开电磁阀和第二常开电磁阀，开启第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，启动地埋侧水泵，进行土壤储热；当T1≤25℃时，关闭地埋侧水泵，开启第一常开电磁阀和第二常开电磁阀，关闭第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，停止土壤储热。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括给换热水箱补水的步骤：当所述换热水箱中水位降低到高度H1时，启动补水泵，向所述换热水箱补水；当所述换热水箱中水位上升到高度H2时，关闭补水泵，停止补水。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 102612 Lucheng Industrial Zone, Huangcun Town, Daxing District, Beijing Patentee after: Enpower (Beijing) Energy Technology Services Limited Address before: 102612 No. 1 Pioneering Road, Lucheng Industrial Zone, Daxing District, Beijing Patentee before: Beijing Enpower Solar Energy Industry Co., Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address |