CN108332445A - 一种地热能、太阳能、空气能混合式热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地热能、太阳能、空气能混合式热泵系统，该混合式热泵系统包括第一蒸发部、第二蒸发部、热交换控制部、压缩部、膨胀部、冷凝部、四通阀及循环热交换媒介的热交换循环管；第一蒸发部与用于收集地热能的地热循环管及用于收集太阳能的太阳能循环管连通，地热循环管埋于地中，太阳能循环管与太阳能集热器连通。本发明地热、太阳能及空气能混合式热泵系统将太阳热、地热及空气能三种热源结合在一起，避免了单一热泵系统内单一热源供热不足的缺陷。该系统可以有选择地使用太阳热、地热及空气能，能有效应对冷气、供暖等的能源负荷需要，具有能源利用最大化的优势。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，尤其是一种热泵系统，具体是一种地热能、太阳能、空气能混合式热泵系统。
背景技术
能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为各国能源战略中的重要组成部分。
传统的燃煤、燃油、燃气等供能模式，存在运营成本高、污染性大、安全性不高、使用寿命有限的技术问题。大力推广太阳能、空气能等可再生能源在建筑中应用早已成为实现建筑节能的重要措施和途径之一，然而单一可再生能源,供能存在波动性大、稳定性差、利用率不高、供能终端利用率不高等本身的缺点及相关技术应用中的诸多问题,使得实际节能效果不佳，制约其进一步推广应用。利用多热源复合热泵技术将太阳能、空气能等几种可再生能源利用形式结合成为联合供能系统，扬长避短、优势互补，成为可再生能源发展的方向之一。目前复合热泵技术的相关研究处于理论和试验阶段，需解决的技术问题仍较多。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种地热能、太阳能、空气能混合式热泵系统。该系统可以同时对地热能、太阳能、空气能有机结合在一起,进行综合利用，以获得较高的制热效率。成本较低，工作性能较稳定，且具有复合性和多功能性，是新能源供热发展的重要方向。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：为达到上述目的，基于本发明实施例的地热、太阳能、空气能混合式热泵系统包括，使通过地热或太阳能蓄热的热供应媒介和循环热交换循环管的热交换媒介进行热交换的第一蒸发部；与上述第一蒸发部并联、使通过外部空气蓄热的空气能与上述热交换媒介进行热交换的第二蒸发部；通过控制上述热交换媒介的循环路径，有选择地供应热交换媒介给上述第一蒸发部或第二蒸发部的热交换控制部；连接到上述热交换循环管，使上述热交换媒介压缩为高温高压的压缩部；连接到上述热交换循环管，使上述热交换媒介膨胀为低温低压的膨胀部；连接到上述热交换循环管，将由上述压缩部压缩为高温高压的热交换媒介的循环路径选为正方向或反向的四通阀(4-way valve)及与通过上述压缩部供应的热交换媒介进行热交换生成冷水的冷凝部。上述热交换控制部的特点为控制上述热交换媒介的循环路径，以便将通过上述压缩部压缩为高温高压的上述热交换媒介，在上述冷凝部进行热交换生成热水后，向上述膨胀部及第一蒸发部或第二蒸发部进行正方向循环，或将通过上述膨胀部膨胀为低温低压的上述热交换媒介，在上述冷凝部进行热交换生成冷水后，向上述压缩部及第一蒸发部或第二蒸发部反向循环。
而且，基于本发明的地热、太阳能及空气能混合式热泵系统，以包括分别检测出上述热供应媒介及空气能供应媒体温度的第一温度检测部；上述热交换控制部通过对比由第一温度检测部检测出的上述热供应媒介及外部空气的温度，控制上述热交换媒介的循环路径，以便有选择地供应给第一蒸发部或第二蒸发部为其特点。
基于本发明的地热、太阳能及空气能混合式热泵系统，还以上述第一蒸发部与提供由地热或太阳能蓄热的热供应媒介的供应循环管相连接；上述供应循环管通过三通阀，与供应由地热蓄热的热交换媒介的地热循环管及供应由太阳能蓄热的热交换媒介的太阳能循环管相互并联为特点。
基于本发明的地热、太阳能及空气能混合式热泵系统，还以上述地热循环管和太阳能循环管上分别安装第二温度检测部，上述热交换控制部可控制上述三阀，以便通过对比由上述第二温度检测部检测的热供应媒介的温度，有选择地供应通过上述地热循环管或太阳能循环管的热交换媒介至上述供应循环管中。
基于本发明的地热、太阳能及空气能混合式热泵系统，还以上述热交换循环管中安装大量的电磁阀，上述热交换控制部通过控制上述电磁阀，来控制上述热交换媒介的循环途径为其特点。
与现有技术相比，本发明地热、太阳能及空气能混合式热泵系统将太阳热、地热及空气能三种热源结合在一起，避免了单一热泵系统内单一热源供热不足的缺陷。该系统可以有选择地使用太阳热、地热及空气能，能有效应对冷气、供暖等的能源负荷需要，具有能源利用最大化的优势。
附图说明
图1为本发明一种实施例的整体布局示意图。
图2为本发明一种实施例的控制系统结构框图。
图3为本发明一种实施例的运作状态示意图。
图4为本发明另一种实施例的运作状态示意图。
图5为本发明第三种实施例的运作状态示意图。
图6为本发明第四种实施例的运作状态示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。
本发明提供一种地热能、太阳能、空气能混合式热泵系统(参见图1-6)，该混合式热泵系统包括第一蒸发部(10)、第二蒸发部(20)、热交换控制部(30)、压缩部(40)、膨胀部(50)、冷凝部(60)、四通阀(70)及循环热交换媒介的热交换循环管(80)。第一蒸发部(10)与用于收集地热能的地热循环管(102)及用于收集太阳能的太阳能循环管(111)连通，地热循环管(102)埋于地中(100)，太阳能循环管(111)与太阳能集热器(110)连通。第一蒸发部(10)与太阳能循环管(111)、地热循环管(102)之间设置有供应循环管(120)，太阳能循环管(111)、地热循环管(102)、供应循环管(120)三者之间通过三通阀(130)并联。地热循环管(102)和太阳能循环管(111)上设置有第二温度检测部(141)。供应循环管(120)上安装循环泵(150)、第一温度检测部(140)，热交换控制部(30)与第二温度检测部(141)、第一温度检测部(140)、三通阀(130)连接，通过对比第二温度检测部(141)、第一温度检测部(140)测得的温度来控制三通阀(130)的开度，以调控输送到供应循环管(120)的地热能、太阳能。
虽然没有具体的图示，但是，在第一蒸发部(10)和地中(100)及太阳能集热器(110)之间，可安装单独的蓄热槽。从而，在太阳能集热及使用时间等不一致的时候，可进行通过蓄热槽蓄热和第一蒸发部(10)的热交换。
第一蒸发部(10)内部设置有热交换循环管(80)，热交换循环管(80)的两端分别与冷凝部(60)连接并贯穿其中。冷凝部(60)内设置有水循环管(61)。第一蒸发部(10)与冷凝部(60)之间的一路热交换循环管(80)上安装有二号电磁阀(90.2)和四通阀(70)，三号电磁阀(90.3)并联在二号电磁阀(90.2)上。第一蒸发部(10)与冷凝部(60)之间的另一路热交换循环管(80)上安装有一号电磁阀(90.1)和膨胀部(50)，四号电磁阀(90.4)并联在一号电磁阀(90.1)上。四通阀(70)的另外两个接口接入压缩部(40)。
第二蒸发部(20)并联在一号电磁阀(90.1)的两端，第一蒸发部(10)与一号电磁阀(90.1)之间的第二蒸发部(20)的导管设置端另设置一路热交换循环管(80)接入到二号电磁阀(90.2)的右端，该路热交换循环管(80)上安装有六号电磁阀(90.6),七号电磁阀(90.7)并联在六号电磁阀(90.6)。第二蒸发部(20)与一号电磁阀(90.1)右端的连接管路上设置有五号电磁阀(90.5)，八号电磁阀(90.8)并联在五号电磁阀(90.5)上。
第二蒸发部(20)的一侧安装有供应外部空气的风扇(200)，以便使由外部空气蓄热的空气能与热交换媒介进行热交换，从而使热交换媒介实现气化。第二蒸发部(20)上也设置有一个第一温度检测部(140)，第一温度检测部(140)与热交换控制部(30)连接。
热交换控制部(30)通过对温度检测部(140)检测的热供应媒介及外部空气温度进行对比，控制热交换媒介的循环路径，以便有选择地供应至第一蒸发部(10)或第二蒸发部(20)。这时，通过第一温度检测部(140)检测的温差在设定的温度范围内时，例如温差小于5℃时，热交换控制部(30)就可将热交换媒介的循环路径控制为供应至第二蒸发部(20)。
压缩部(40)可将通过热交换循环管(80)供应的热交换媒介压缩为高温、高压状态，予以排出。膨胀部(50)则可使通过热交换循环管(80)供应的热交换媒介膨胀为低温、低压状态，予以排出。
冷凝部(60)可与通过水循环管(61)供应的热交换媒介和通过压缩部(40)供应的高温高压的热交换媒介进行热交换，生成热水；或通过膨胀部(50)供应的低温低压的热交换媒介进行热交换，生成冷水。
四通阀(70)安装于热交换循环管(80)上，由热交换控制部(30)控制，可将由压缩部(40)压缩为高温高压的热交换媒介的循环路径选择为正向(例如，经过冷凝部(60)后，经由膨胀部(50)供应至第一蒸发部(10)或第二蒸发部(20))或反向(例如，经过第一蒸发部(10)或第二蒸发部(20)后，经由膨胀部(50)，供应至冷凝部(60))。
热交换循环管(80)安装有多个电磁(90.1)至(90.8)。该电磁阀(90.1)至(90.8)通过热交换控制部(30)的控制，进行开/关动作，以控制顺着热循环管(80)循环的热体的循环路径。
下面说明基于本发明的地热、太阳能及空气能混合式热泵系统的运行状态。
供暖运行:图3、4是显示供暖状态时地热、太阳能及空气能混合式热泵系统运转状态的事例图。首先，从第二温度检测部(141)检测通过地热循环管(102)的热供应媒介和通过太阳能循环管(111)供应的热供应媒介的温度。
在热交换控制部(30)，对第二温度检测部(141)检测出的各热供应媒介的温度进行对比，控制三通阀(130)，使温度更高的热供应媒介供应到供应循环管(120)。
而且，在第一温度检测部(140)分别检测热供应媒介和外部空气的温度，热交换控制部(30)则对比检测出的热供应媒介和外部空气的温度，如热供应媒介的温度高于外部空气的温度或温差属于设定的范围，例如，如果是高于5℃，则控制为供应热交换媒介至第一蒸发部(10)。
通过供应循环管(120)供应的热供应媒介是供应至第一蒸发部(10)，通过热交换循环管(80)供应的热交换媒介是在第一蒸发部(10)内进行热交换，以气体状态经由四通阀(70)供应至压缩部(40)，被供应的交换媒体被压缩到高温高压状态后，再经过四通阀(70)供应到冷凝部(60)。
在冷凝部(60)，通过水循环管(61)，热传递媒介和由压缩部(40)供应的高温高压状态的热交换媒介进行热交换。即，热传递媒介接收热交换媒介传递的热量成为热水，从冷凝部(60)排出，传递热量至热传递媒介的热交换媒介则以液体状态供应至膨胀部(50)。
热交换媒介在通过膨胀部(50)的过程中，成为低温低压的液体状态，重新被供应到第一蒸发部(10)。之后，顺着热交换循环管(80)循环，以供应到压缩部(40)。
在第一蒸发部(10)完成热交换时，热交换控制部(30)可以在安装于交换循环管(80)的(90.1)至(90.8)电磁阀中，只打开(90.1)至(90.2)电磁阀，其余均保持关闭状态，以形成热交换媒介的循环路径。
与此相反，如果外部空气温度高于热供应媒介的温度或温差在设定范围内，例如，5℃以内，热交换控制部(30)则可以如图四所示，打开(90.5)及(90.6)电磁阀，其余均保持关闭状态，以形成热交换媒介的循环路径，以便热交换媒介在第二蒸发部(20)与通过风扇(200)供应的外部空气进行热交换。
供冷运行:图5、6是显示供冷状态时地热、太阳能及空气能混合式热泵系统运转状态的事例图。在第二温度检测部(141)检测通过地热循环管(102)的热供应媒介和通过太阳热循环管(111)供应的热供应媒介的温度。
在热交换控制部(30)，对在第二温度检测部(141)检测的各热供应媒介的温度进行对比，控制三通阀(130)，使温度更低的热供应媒介供应到供给循环管(120)。
在第1个温度检测部(140)则分别检测热供应媒介和外部空气的温度。热交换控制部(30)则对检测出的热热供应媒介和外部空气的温度进行对比，如热供应媒介和外部空气的温差大于设定范围，例如，大于5℃，则通过控制，使热交换媒介供应至第一蒸发部(10)。
通过供应循环管(120)供应的热供应媒介，供应到第一蒸发部(10)，通过热交换循环管(80)供应的热交换媒介，则在第一蒸发部(10)与热供应媒介进行热交换后，供应至膨胀部(50)，热交换媒介则在经过膨胀部(50)时膨胀为低温低压状态，供应至冷凝部(60)。
在冷凝部(60)，通过水循环管(61)供应的热传递媒介和由冷凝部(50)供应的低温低压状态的热交换媒介进行热交换。即，热传递媒介接收热交换媒介传递的热量，成为冷水从冷凝部(60)排出，传递热量给热传递媒介的热交换媒介则经由四通阀(70)，供应至压缩部(40)。
供应至压缩部(40)的热交换媒介被压缩为高温高压状态，重新供应至第一蒸发部(10)。之后，顺着热交换循环管(80)循环，以便供应至膨胀部(50)和压缩部(60)。在第一蒸发部(10)完成热交换时，热交换控制部(30)可以在安装于交换循环管(80)的(90.1)至(90.8)电磁阀中，只打开(90.3)至(90.4)电磁阀，其余均保持关闭状态，以形成热交换媒介的循环路径。
经由四通阀(70)供应至压缩部(40)，被供应的交换媒介(81)则在压缩部(40)被压缩为高温高压状态后，再次经过四通阀(70)，供应至冷凝部(60)。在冷凝部(60)，通过水循环管(61)，热传递媒介与由压缩部(40)供应的高温高压状态的热交换媒介进行热交换。即，热传递媒介接收热交换媒介的热量，成为热水从冷凝部(60)排出，传递热量给热传递媒介的热交换媒介则以液体状态供应至膨胀部(50)。
热交换媒介在经过膨胀部(50)的过程中，成为低温低压的液体状态后，重新供应至第一蒸发部(10)。之后，顺着热交换循环管(80)循环，供应至压缩部(40)。
与此相反，如果外部空气温度低于热供应媒介的温度或温差在设定范围内，例如，5℃以内，热交换控制部(30)则可以如图六所示，打开(90.7)及(90.8)电磁阀，其余均保持关闭状态，以形成热交换媒介的循环路径，以便热交换媒介在第二蒸发部(20)与通过风扇(200)供应的外部空气进行热交换。
因此，在本次发明的混合式热泵系统中，可在在单一热泵系统内，有选择地使用太阳热、地热及空气能等3个以上的热源，从而有效应对冷气、供暖等的能源负荷。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (1)
1.一种地热能、太阳能、空气能混合式热泵系统，其特征在于，该混合式热泵系统包括第一蒸发部（10）、第二蒸发部（20）、热交换控制部(30)、压缩部（40）、膨胀部（50）、冷凝部（60）、四通阀（70）及循环热交换媒介的热交换循环管（80）；第一蒸发部（10）与用于收集地热能的地热循环管（102）及用于收集太阳能的太阳能循环管（111）连通，地热循环管（102）埋于地中（100），太阳能循环管（111）与太阳能集热器（110）连通；第一蒸发部（10）与 太阳能循环管（111）、地热循环管（102）之间设置有供应循环管（120），太阳能循环管（111）、地热循环管（102）、供应循环管（120）三者之间通过三通阀（130）并联；地热循环管（102）和太阳能循环管（111）上设置有第二温度检测部（141）；供应循环管（120）上安装循环泵（150）、第一温度检测部（140），热交换控制部(30)与第二温度检测部（141）、第一温度检测部（140）、三通阀（130）连接，通过对比第二温度检测部（141）、第一温度检测部（140）测得的温度来控制三通阀（130）的开度；
第一蒸发部（10）内部设置有热交换循环管（80），热交换循环管（80）的两端分别与冷凝部（60）连接并贯穿其中；冷凝部（60）内设置有水循环管（61）；第一蒸发部（10）与冷凝部（60）之间的一路热交换循环管（80）上安装有二号电磁阀(90.2)和四通阀（70），三号电磁阀(90.3)并联在二号电磁阀(90.2)上；第一蒸发部（10）与冷凝部（60）之间的另一路热交换循环管（80）上安装有一号电磁阀(90.1)和膨胀部（50），四号电磁阀(90.4)并联在一号电磁阀(90.1)上；四通阀（70）的另外两个接口接入压缩部（40）；
第二蒸发部（20）并联在一号电磁阀(90.1)的两端，第一蒸发部（10）与一号电磁阀(90.1)之间的第二蒸发部（20）的导管设置端另设置一路热交换循环管（80）接入到二号电磁阀(90.2)的右端，该路热交换循环管（80）上安装有六号电磁阀(90.6),七号电磁阀(90.7)并联在六号电磁阀(90.6)；第二蒸发部（20）与一号电磁阀(90.1)右端的连接管路上设置有五号电磁阀(90.5)，八号电磁阀(90.8)并联在五号电磁阀(90.5)上；
第二蒸发部（20）的一侧安装有供应外部空气的风扇（200），以便使由外部空气蓄热的空气能与热交换媒介进行热交换，从而使热交换媒介实现气化；第二蒸发部（20）上也设置有一个第一温度检测部（140），第一温度检测部（140）与热交换控制部(30)连接。
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