CN113483502A - 太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热工装置领域内的一种太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统及其控制方法，其太阳能集热器的水箱中设有换热管，通过换热管与储换热水箱之间进行转热，储换热水箱有至少两个，可保证热水的优先使用，在温度较高时，通过储水循环泵优先使用第一储换热水箱中的热水，温度较低时，通过自来水水压驱动其它储换热水箱的中的热水优先使用；空气源热泵机组经缓冲水箱向末端设备供冷或供热，还可以通过空气源热泵机组辅助制热水，此外，太阳能集热器的热能可通过热水辅助供暖。太阳能集热器不仅可以循环加热生活热水，还可以同时用于供暖，两个回路互不影响，系统整体热利用效率高，可实现一机多用。

Description

太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统及其控制 方法

技术领域

本发明涉及一种热工装置，特别涉及一种太阳能与空气源热泵耦合的热水、采暖和制冷系统及其控制方法。

背景技术

中国专利数据库中，有一种热泵机组与太阳能联动的供冷暖和生活热水装置，其公开号：CN102221270A；公开日：20111019；该装置包括主热泵机组、保温水箱、生活水换热器、冷热缓冲水箱和控制装置；保温水箱上有系统补水管，生活水换热器设置在保温水箱内；主热泵机组包括热泵室外机和室内换热器，室内换热器包含一个保温箱体，一个循环水泵及一个水—冷媒换热器；室内换热器通过一电动三通阀与保温水箱和冷热缓冲水箱相连通, 冷热缓冲水箱通过供水水泵与若干个负载末端散热器连通，向负载末端散热器供冷或供热；该装置还包括一太阳能集热装置、一太阳能热能传递装置、一溢流管和一个或二个以上副热泵机组，所述太阳能集热装置包括太阳能集热器和太阳能循环水泵；太阳能集热器通过太阳能循环水泵与保温水箱连成循环管路；太阳能热能传递装置连接于保温水箱和冷热缓冲水箱之间；溢流管一端与冷热缓冲水箱连通、另一端与散热器的回水管和室内换热器的回水管的交接处连通；副热泵机组的室内换热器的出水管与冷热缓冲水箱连通、回水管与散热器的回水管和溢流管的交接处连通。

其不足之处在于：该装置生活热水和供暖相互影响，系统的热量较小，其热利用效率不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，使太阳能集热器不仅可以循环加热生活热水，还可以同时用于供暖，两个回路互不影响，实现一机多用，提高热利用效率。

本发明的目的是这样实现的：一种太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，包括太阳能集热器、空气源热泵机组、缓冲水箱及储换热水箱，所述储换热水箱包括并列设置的至少两个，依次为第一储换热水箱、第二储换热水箱……第N储换热水箱；相邻储换热水箱之间经连接管串联连接，连接管一端连接在储换热水箱顶部，另一端插入到相邻储换热水箱的内底部；所述第一储换热水箱顶部的连接管经三通接头连接生活热水总管；自来水管进水管经三通接头分为两路，一路与第N储换热水箱相连，另一路经第四电控阀及储水循环泵连接至第一储换热水箱；太阳能集热器的水箱中设有换热管，换热管的两端贯穿太阳能集热器的水箱，其中一端连接至第一储换热水箱，另一端连接至集热器循环泵的出口，集热器循环泵的进口与第一储换热水箱相连；所述太阳能集热器的水箱上设有两个进出水口，其中一个进出水口经三通接头分别连接至缓冲水箱及空气源热泵机组的热泵出水口，另一个进出水口经管道分为三路，第一路连接至缓冲水箱，第二路连接至热泵循环泵的进口，热泵循环泵的出口连接至空气源热泵机组的热泵进水口，第三路连接第三循环泵的出口，第三循环泵的进口与热泵循环泵的出口相连，所述第三循环泵、热泵循环泵及缓冲水箱之间的连接管路上设有多个控制阀，所述控制阀用于关断缓冲水箱的回水、关断第三循环泵的进口与热泵循环泵的出口、关断热泵循环泵的进口与太阳能集热器的水箱之间的连接通路；所述缓冲水箱上经采暖/制冷供水总管与末端设备相连，末端设备的回水经采暖/制冷回水总管、末端循环泵连接至缓冲水箱；所述太阳能集热器的水箱上设有温度探测器一，第一储换热水箱的下部设有温度探测器三，第一储换热水箱的上部设有温度探测器二，第N储换热水箱上设有温度探测器四，末端循环泵的管路上设有温度探测器六，缓冲水箱上设有温度探测器五。

其进一步改进在于，所述控制阀包括设置在缓冲水箱与热泵循环泵之间的第一电控阀、设置在热泵循环泵的进口与第三循环泵的出口之间的第三电控阀以及热泵循环泵的出口与第三循环泵进口之间的第二电控阀。

其进一步改进在于，所述控制阀包括设置在缓冲水箱、热泵循环泵的进口、第三循环泵的出口之间的三通电控阀六，设置在热泵进水口、热泵循环泵的出口与第三循环泵的进口之间的三通电控阀五。

其进一步改进在于，所述太阳能集热器的水箱上连接有自动补液箱，自动补液箱的出水口连接太阳能集热器的水箱，自动补液箱的进水口连接集热器循环泵的出口。

其进一步改进在于，所述太阳能集热器设有若干个，相邻太阳能集热器对应的换热管依次串联或者并联，至少一个太阳能集热器的水箱上设有排气口。

本发明还提供了一种太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统的控制方法，其通过温度探测器一至温度探测器六，探测对应位置的温度，数值分别记为t1、t2、t3、t4、t5及t6，利用所探测的温度进行控制，其工作模式如下：

1）热水储热模式：太阳能集热器吸收太阳能转换为热能，太阳能集热器的水箱内的水温不断升高，当t1-t3≥设定值一时，启动集热器循环泵，t1-t3＜设定值二时，关闭集热器循环泵，从而不断加热储换热水箱；

2）储热循环模式：当t2达到加热温度设定值三时，开启储水循环泵和第四电控阀，将第一储换热水箱内的热水循环打入到其他储换热水箱内；当t2低于设定值四时，关闭储水循环泵和第四电控阀；当t2达到加热温度设定值三时，再开启储水循环泵和第四电控阀，如此循环往复，最终将第N储换热水箱内的热水温度t4达到设定值五；

3）热泵储热模式：当太阳光照不足，t1在规定的时段内未上升到设定值六， 且t4小于设定值五时，启动热泵循环泵和空气源热泵机组制热，并开关相应的控制阀，空气源热泵机组制热，并不断加热太阳能集热器的水箱内的水，当t1到达设定设定值七时，关闭空气源热泵机组和，停止热泵循环泵；

4）热水使用模式：通过生活热水总管用水时，t2温度高于设定值八时，开启储水循环泵和第四电控阀，通过储水循环泵产生的压力，优先使用第一储换热水箱的水；t2温度低于设定值八时，关闭储水循环泵和第四电控阀，自来水在压力下，推动第N储换热水箱内的热水，依次进入第N-1储换热水箱、第N-2储换热水箱……、第二储换热水箱、生活热水总管后，供用户使用；

5）热泵采暖或制冷模式：开启热泵循环泵、启动空气源热泵机组进行制热或制冷，将缓冲水箱内的水温t5制取到设定值九，再启动末端循环泵，将热量或冷量不断输送到末端设备；

6）太阳能辅助采暖模式：当t1-t6≥设定值十，且t6≥设定值十一时，同时开启热泵循环泵和第三循环泵，同时开关相应的控制阀，将太阳能集热器内的水箱内的热水不断换入到缓冲水箱内，进而输送到末端设备；当t1-t6＜设定值十二，且t6＜设定值十一时，关闭第三循环泵及相应的控制阀，断开太阳能集热器内的水箱与缓冲水箱的通路，保持热泵循环泵运行，同时启动空气源热泵机组进行制热。

进一步地，所述设定值一＞设定值二、设定值三＞设定值八＞设定值四、设定值三＞设定值五、设定值六＜设定值七、设定值九＞设定值十一、定值十＞设定值十二。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1. 该装置用于供应生活热水、采暖及制冷。太阳能集热器的水箱为敞开式结构，其不承压，可降低太阳能集热器的制造成本；换热管及储换热水箱为承压结构，可保证用户热水使用方便。集热器不仅可以循环加热生活热水，还可以同时用于供暖，两个回路互不影响。

2. 太阳能集热器可同时用于加热生活热水和采暖，其热利用效率高，具有良好的节能效果，可充分利用太阳能资源。

3.通过管路切换，热泵机组可加热太阳能集热器的水箱中的水，进而加热换热管，通过太阳能热水系统循环回路进一步加热生活热水，换热管内水流与换热管外水流方向相反，增强了换热效果，太阳能集热器的水箱内无需设置辅助热源，实现一机多用。本发明的换热面积大，水容量多，避免出现热泵频繁启停的问题。

4.储换热水箱采用模块化承压设计，定温加热，满足恒温恒压用水需求，可单组或多组再行并联、串联组合使用。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

图2为本发明的另一种结构示意图。

图中，1自动补液箱， 2换热管，3太阳能集热器，3a太阳能集热器的水箱，4排气口，5空气源热泵机组，501热泵出水口，502热泵进水口，6缓冲水箱，7采暖/制冷供水总管，8采暖/制冷回水总管，9生活热水总管，10自来水管，1101第一储换热水箱，1102第二储换热水箱，11n第N储换热水箱，12连接管，T1温度探测器一，T2温度探测器二，T3温度探测器三，T4温度探测器四，T5温度探测器五，T6温度探测器六，P1集热器循环泵，P2热泵循环泵，P3第三循环泵，P4末端循环泵，P5储水循环泵。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为一种太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，包括太阳能集热器3、空气源热泵机组5、缓冲水箱6及储换热水箱，储换热水箱包括并列设置的至少两个，依次为第一储换热水箱1101、第二储换热水箱1102……第N储换热水箱11n；相邻储换热水箱之间经连接管12串联连接，连接管12一端连接在储换热水箱顶部，另一端插入到相邻储换热水箱的内底部；第一储换热水箱11a顶部的连接管12经三通接头连接生活热水总管9；自来水管进水管10经三通接头分为两路，一路与第N储换热水箱11n相连，另一路经第四电控阀V4及储水循环泵P5连接至第一储换热水箱1101；太阳能集热器的水箱3a中设有换热管2，换热管2的两端贯穿太阳能集热器的水箱3a，其中一端连接至第一储换热水箱1101，另一端连接至集热器循环泵P1的出口，集热器循环泵P1的进口与第一储换热水箱1101相连；太阳能集热器的水箱3a上设有两个进出水口，其中一个进出水口经三通接头分别连接至缓冲水箱6及空气源热泵机组5的热泵出水口501，另一个进出水口经管道分为三路，第一路连接至缓冲水箱6，第二路连接至热泵循环泵P2的进口，热泵循环泵P2的出口连接至空气源热泵机组5的热泵进水口502，第三路连接第三循环泵P3的出口，第三循环泵P3的进口与热泵循环泵P2的出口相连，第三循环泵P3、热泵循环泵P2及缓冲水箱6之间的连接管路上设有多个控制阀，控制阀用于关断缓冲水箱6的回水、关断第三循环泵P3的进口与热泵循环泵P2的出口、关断热泵循环泵P2的进口与太阳能集热器的水箱3a之间的连接通路；缓冲水箱6上经采暖/制冷供水总管7与末端设备相连，末端设备的回水经采暖/制冷回水总管8、末端循环泵P4连接至缓冲水箱6。

太阳能集热器的T3，第一储换热水箱的上部设有温度水箱3a上设有温度探测器一T1，第一储换热水箱的下部设有温度探测器三探测器二T2，第N储换热水箱上设有温度探测器四T4，末端循环泵P4的管路上设有温度探测器六T6，缓冲水箱上设有温度探测器五T5。

控制阀包括设置在缓冲水箱6与热泵循环泵P2之间的第一电控阀V1、设置在热泵循环泵P2的进口与第三循环泵P3的出口之间的第三电控阀V3以及热泵循环泵P2的出口与第三循环泵P3进口之间的第二电控阀V2。

太阳能集热器的水箱3a上连接有自动补液箱1，自动补液箱1的出水口连接太阳能集热器的水箱3a，自动补液箱1的进水口连接集热器循环泵P1的出口。可自动向太阳能集热器的水箱3a内补水。

太阳能集热器3设有若干个，相邻太阳能集热器3对应的换热管2依次串联或者并联，至少一个太阳能集热器的水箱3a上设有排气口4。排气口4可接通大气，保持太阳能集热器的水箱3a不承压。

末端设备为地暖盘管或风机盘管。

上述太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统的控制方法，其通过温度探测器一T1至温度探测器六T6，探测对应位置的温度，数值分别记为t1、t2、t3、t4、t5及t6，利用所探测的温度进行控制，其工作模式如下：

1）热水储热模式：太阳能集热器吸收太阳能转换为热能，太阳能集热器的水箱内的水温不断升高，当t1-t3≥设定值一时，启动集热器循环泵P1，t1-t3＜设定值二时，关闭集热器循环泵P1，从而不断加热储换热水箱。

2）储热循环模式：

当t2达到加热温度设定值三时，开启储水循环泵P5和第四电控阀V4，将第一储换热水箱内的热水循环打入到其他储换热水箱内；当t2低于设定值四时，关闭储水循环泵P5和第四电控阀V4；当t2达到加热温度设定值三时，再开启储水循环泵P5和第四电控阀V4，如此循环往复，最终将第N储换热水箱内的热水温度t4达到设定值五。

3）热泵储热模式：

当太阳光照不足，t1在规定的时段内未上升到设定值六， 且t4小于设定值五时，启动热泵循环泵P2和空气源热泵机组5制热，并开关相应的控制阀，关闭第一电控阀（V1）和第二电控阀（V2），开启第三电控阀（V3），空气源热泵机组5制热，并不断加热太阳能集热器的水箱3a内的水，当t1到达设定设定值七时，关闭空气源热泵机组和P2，停止热泵循环泵P2。

4）热水使用模式：

通过生活热水总管9用水时，t2温度高于设定值八时，开启储水循环泵P5和第四电控阀V4，通过储水循环泵P5产生的压力，优先使用第一储换热水箱1101的水；t2温度低于设定值八时，关闭储水循环泵P5和第四电控阀V4，自来水在压力下，推动第N储换热水箱内的热水，依次进入第N-1储换热水箱、第N-2储换热水箱……、第二储换热水箱1102、生活热水总管9后，供用户使用；这种使用模式可以保证热水使用时压力恒定，在大量用水的情况下，仍能很稳定地保持水温恒温。

5）热泵采暖或制冷模式：

开启热泵循环泵P2、启动空气源热泵机组P2进行制热或制冷，将缓冲水箱内的水温t5制取到设定值九，再启动末端循环泵P4，将热量或冷量不断输送到末端设备。

6）太阳能辅助采暖模式：

当t1-t6≥设定值十，且t6≥设定值十一时，同时开启热泵循环泵P2和第三循环泵P3，同时开关相应的控制阀，开启第一电控阀（V1）和第二电控阀（V2），关闭第三电控阀（V3），将太阳能集热器内的水箱3a内的热水不断换入到缓冲水箱6内，进而输送到末端设备；当t1-t6＜设定值十二，且t6＜设定值十一时，关闭第三循环泵P3及相应的控制阀，断开太阳能集热器内的水箱3a与缓冲水箱6的通路，保持热泵循环泵P2运行，同时启动空气源热泵机组5进行制热。

设定值一＞设定值二、设定值三＞设定值八＞设定值四、设定值三＞设定值五、设定值六＜设定值七、设定值九＞设定值十一、定值十＞设定值十二。其中设定值一为7℃、设定值二为3℃、设定值十为7℃、设定值十一为38℃、设定值十二为3℃。

实施例2

如图2所示，为本发明的另一种结构示意图。

其与实施例1的不同之处在于：控制阀包括设置在缓冲水箱6、热泵循环泵P2的进口、第三循环泵P3的出口之间的三通电控阀六V6，设置在热泵进水口502、热泵循环泵P2的出口与第三循环泵P3的进口之间的三通电控阀五V5。

三通电控阀六V6具有a、b、c三条通路，通过转换可实现a、b接通或a、c接通。

三通电控阀五V5具有A、B、C三条通路，通过转换可实现A、B接通或A、C接通。

其工作模式对应于实施例1的工作模式1）-6）。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，包括太阳能集热器（3）、空气源热泵机组（5）、缓冲水箱（6）及储换热水箱，其特征在于：所述储换热水箱包括并列设置的至少两个，依次为第一储换热水箱（1101）、第二储换热水箱（1102）……第N储换热水箱（11n）；相邻储换热水箱之间经连接管（12）串联连接，连接管（12）一端连接在储换热水箱顶部，另一端插入到相邻储换热水箱的内底部；所述第一储换热水箱（11a）顶部的连接管（12）经三通接头连接生活热水总管（9）；自来水管进水管（10）经三通接头分为两路，一路与第N储换热水箱（11n）相连，另一路经第四电控阀（V4）及储水循环泵（P5）连接至第一储换热水箱（1101）；太阳能集热器的水箱（3a）中设有换热管（2），换热管（2）的两端贯穿太阳能集热器的水箱（3a），其中一端连接至第一储换热水箱（1101），另一端连接至集热器循环泵（P1）的出口，集热器循环泵（P1）的进口与第一储换热水箱（1101）相连；所述太阳能集热器的水箱（3a）上设有两个进出水口，其中一个进出水口经三通接头分别连接至缓冲水箱（6）及空气源热泵机组（5）的热泵出水口（501），另一个进出水口经管道分为三路，第一路连接至缓冲水箱（6），第二路连接至热泵循环泵（P2）的进口，热泵循环泵（P2）的出口连接至空气源热泵机组（5）的热泵进水口（502），第三路连接第三循环泵（P3）的出口，第三循环泵（P3）的进口与热泵循环泵（P2）的出口相连，所述第三循环泵（P3）、热泵循环泵（P2）及缓冲水箱（6）之间的连接管路上设有多个控制阀，所述控制阀用于关断缓冲水箱（6）的回水、关断第三循环泵（P3）的进口与热泵循环泵（P2）的出口、关断热泵循环泵（P2）的进口与太阳能集热器的水箱（3a）之间的连接通路；所述缓冲水箱（6）上经采暖/制冷供水总管（7）与末端设备相连，末端设备的回水经采暖/制冷回水总管（8）、末端循环泵（P4）连接至缓冲水箱（6）；

所述太阳能集热器的水箱（3a）上设有温度探测器一（T1），第一储换热水箱的下部设有温度探测器三（T3），第一储换热水箱的上部设有温度探测器二（T2），第N储换热水箱上设有温度探测器四（T4），末端循环泵（P4）的管路上设有温度探测器六（T6），缓冲水箱上设有温度探测器五（T5）。

2.根据权利要求1所述的太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，其特征在于：所述控制阀包括设置在缓冲水箱（6）与热泵循环泵（P2）之间的第一电控阀（V1）、设置在热泵循环泵（P2）的进口与第三循环泵（P3）的出口之间的第三电控阀（V3）以及热泵循环泵（P2）的出口与第三循环泵（P3）进口之间的第二电控阀（V2）。

3.根据权利要求1所述的太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，其特征在于：所述控制阀包括设置在缓冲水箱（6）、热泵循环泵（P2）的进口、第三循环泵（P3）的出口之间的三通电控阀六（V6），设置在热泵进水口（502）、热泵循环泵（P2）的出口与第三循环泵（P3）的进口之间的三通电控阀五（V5）。

4.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，其特征在于：所述太阳能集热器的水箱（3a）上连接有自动补液箱（1），自动补液箱（1）的出水口连接太阳能集热器的水箱（3a），自动补液箱（1）的进水口连接集热器循环泵（P1）的出口。

5.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，其特征在于：所述太阳能集热器（3）设有若干个，相邻太阳能集热器（3）对应的换热管（2）依次串联或者并联，至少一个太阳能集热器的水箱（3a）上设有排气口（4）。

6.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统，其特征在于：所述末端设备为地暖盘管或风机盘管。

7.一种根据权利要求1所述的太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统的控制方法，其特征在于：通过温度探测器一至温度探测器六，探测对应位置的温度，数值分别记为t1、t2、t3、t4、t5及t6，利用所探测的温度进行控制，其工作模式如下：

1）热水储热模式：太阳能集热器吸收太阳能转换为热能，太阳能集热器的水箱内的水温不断升高，当t1-t3≥设定值一时，启动集热器循环泵（P1），t1-t3＜设定值二时，关闭集热器循环泵（P1），从而不断加热储换热水箱；

2）储热循环模式：当t2达到加热温度设定值三时，开启储水循环泵（P5）和第四电控阀（V4），将第一储换热水箱内的热水循环打入到其他储换热水箱内；当t2低于设定值四时，关闭储水循环泵（P5）和第四电控阀（V4）；当t2达到加热温度设定值三时，再开启储水循环泵（P5）和第四电控阀（V4），如此循环往复，最终将第N储换热水箱（11n）内的热水温度t4达到设定值五；

3）热泵储热模式：当太阳光照不足，t1在规定的时段内未上升到设定值六， 且t4小于设定值五时，启动热泵循环泵（P2）和空气源热泵机组（5）制热，并开关相应的控制阀，空气源热泵机组（5）制热，并不断加热太阳能集热器的水箱（3a）内的水，当t1到达设定设定值七时，关闭空气源热泵机组和（P2），停止热泵循环泵（P2）；

4）热水使用模式：通过生活热水总管（9）用水时，t2温度高于设定值八时，开启储水循环泵（P5）和第四电控阀（V4），通过储水循环泵（P5）产生的压力，优先使用第一储换热水箱（1101）的水；t2温度低于设定值八时，关闭储水循环泵（P5）和第四电控阀（V4），自来水在压力下，推动第N储换热水箱（11n）内的热水，依次进入第N-1储换热水箱、第N-2储换热水箱……、第二储换热水箱（1102）、生活热水总管（9）后，供用户使用；

5）热泵采暖或制冷模式：开启热泵循环泵（P2）、启动空气源热泵机组（P2）进行制热或制冷，将缓冲水箱（5）内的水温t5制取到设定值九，再启动末端循环泵（P4），将热量或冷量不断输送到末端设备；

6）太阳能辅助采暖模式：当t1-t6≥设定值十，且t6≥设定值十一时，同时开启热泵循环泵（P2）和第三循环泵（P3），同时开关相应的控制阀，将太阳能集热器内的水箱（3a）内的热水不断换入到缓冲水箱（6）内，进而输送到末端设备；当t1-t6＜设定值十二，且t6＜设定值十一时，关闭第三循环泵（P3）及相应的控制阀，断开太阳能集热器内的水箱（3a）与缓冲水箱（6）的通路，保持热泵循环泵（P2）运行，同时启动空气源热泵机组（5）进行制热。

8.根据权利要求7所述的太阳能与空气源热泵耦合热水、采暖和制冷系统的控制方法，其特征在于：所述设定值一＞设定值二、设定值三＞设定值八＞设定值四、设定值三＞设定值五、设定值六＜设定值七、设定值九＞设定值十一、定值十＞设定值十二。

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