CN113686048B - 一种适用于城市的直膨式pvt热泵系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于城市的直膨式PVT热泵系统，包括PVT集热系统、热泵系统、水循环系统和控制系统；所述PVT集热系统包括PVT集热器、第一膨胀阀、膨胀阀控制器和逆变器；所述热泵系统包括风冷换热器、四通换向阀、气液分离器、压缩机、冷凝器和储液罐；所述水循环系统，包括水箱和燃气锅炉；所述控制系统，包括控制器、PVT蒸发器背板处温度传感器、电流传感器和水箱出口温度传感器。本发明的有益效果是：本发明的PVT集热器尺寸符合市场主流光伏组件尺寸，运用更加灵活；缓冲层的添加、换热器中缝的设计减缓了PVT集热器的形变，增强了组件耐候性；针对大面积集热器，分块化的设计减缓了PVT集热器长度方向上的形变。

Description

一种适用于城市的直膨式PVT热泵系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及太阳能利用领域，具体涉及一种适用于城市的、与传统能源耦合的直膨式PVT热泵系统。

背景技术

在现有成熟的建筑供电供热技术中，空气能和太阳能的利用可降低二氧化碳的排放量，代表性产品为空气源热泵和太阳能热水器。两种技术清洁、节能，不足之处是产品功能单一，而且运行性能与用户用能需求间存在时间尺度上的差异，即冬季热需求较多，但产品运行性能较差，夏季热需求较少，产品运行性能较好。

直膨式PVT热泵技术可有效缓解以上两种产品的不足，COP比传统空气源热泵高，比太阳能热水器高效、稳定，二氧化碳排放量更低，是一种高效、稳定的热电联供技术，具有重要应用前景。但该技术要运用于人均面积较小的城市中，会面临场地安装面积不够的问题，特别是一些中高层建筑。另外，我国幅员辽阔，各地的气候差异较大，例如北方冬季气温比较低、南方阴雨天较多。因此需要对直膨式PVT热泵技术做进一步改进，才能推动该技术的市场化应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种适用于城市的直膨式PVT热泵系统及其运行方法，提升建筑用能过程中可再生能源的占比，有效减小建筑用能过程中二氧化碳的排放量，又可以保证能源供应的稳定性。

这种适用于城市的直膨式PVT热泵系统，包括PVT集热系统、热泵系统、水循环系统和控制系统；

所述PVT集热系统包括PVT集热器、第一膨胀阀、膨胀阀控制器和逆变器；所述PVT集热器从上至下依次由增效涂层、透明保护层、EVA胶、光伏电池、EVA胶、背板、缓冲层和第二换热器组成；PVT集热器连接第一膨胀阀和膨胀阀控制器；PVT集热器连接逆变器；

所述热泵系统包括风冷换热器、四通换向阀、气液分离器、压缩机、冷凝器和储液罐；第八电磁阀连接PVT集热系统入口，PVT集热系统出口依次连接第一电磁阀和四通换向阀，四通换向阀依次连接气液分离器和压缩机，四通换向阀还连接第五电磁阀，第五电磁阀连接冷凝器，冷凝器连接储液罐，储液罐处分为a路和b路，a路设有第十五电磁阀和第三膨胀阀，a路和b路共同连接第一换热器，第一换热器分别连接第七电磁阀和第二膨胀阀，第七电磁阀连接第八电磁阀，第二膨胀阀连接第九电磁阀，第九电磁阀连接风冷换热器，风冷换热器依次连接第二电磁阀和四通换向阀，四通换向阀连接第四电磁阀，第四电磁阀连接风冷换热器，风冷换热器依次连接第十一电磁阀和冷凝器，冷凝器依次连接第六电磁阀和四通换向阀，四通换向阀连接第三电磁阀，第三电磁阀连接风冷换热器，风冷换热器依次连接第十电磁阀和第二膨胀阀，第一换热器通过第四单向阀连接压缩机；

所述水循环系统，包括水箱和燃气锅炉；水箱出口的第三阀门连接第一水泵，第一水泵依次连接第一单向阀和过滤器，过滤器通过冷凝器后连接水箱入口的第二阀门，第十四电磁阀、过滤阀和第三单向阀依次相连，第三单向阀连接水箱入口的第四阀门，水箱出口的第一阀门依次连接第十二电磁阀和燃气锅炉，燃气锅炉入口设有第十三电磁阀；

所述控制系统，包括控制器、PVT蒸发器背板处温度传感器、电流传感器和水箱出口温度传感器；PVT集热器处的PVT蒸发器背板处温度传感器、逆变器处的电流传感器以及水箱处的水箱出口温度传感器均连接控制器。

作为优选：所述第二换热器为吹胀板；中等尺寸的第二换热器包括冷媒入口、冷媒出口、中缝、第一接线盒孔、第二接线盒孔、第三接线盒孔和换热单元，中等尺寸的第二换热器是指0.5-1.7米长的换热器；大尺寸的第二换热器包括冷媒入口、冷媒出口、中缝、第一接线盒孔、第二接线盒孔、第三接线盒孔、换热单元、第一连接流道和第二连接流道，大尺寸的第二换热器是指1.7-2.5米长的换热器；冷媒入口与冷媒出口之间通过换热单元连通；中缝位于第二换热器板体中部并垂直于接线盒孔的排布，中缝为宽度2-10mm的矩形孔；第二换热器中部的第一接线盒孔、第二接线盒孔和第三接线盒孔内安装接线盒；换热单元主要由四边形换热单元和六边形换热单元构成；大尺寸的第二换热器分为三个片区，即入口区域a、转弯区域b和出口区域c，入口区域a与转弯区域b通过第二连接流道连接，转弯区域b和出口区域c通过第一连接流道连接。

作为优选：从冷媒流动角度，若干片PVT集热器并联成一个小组串，若干个小组串再并联成一个单元；第一膨胀阀和膨胀阀控制器设置在靠近小组串所在位置处；从电气角度，单元内PVT集热器间采用串联的方式连接至逆变器。

作为优选：所述第二水泵与第一水泵并联，第二水泵连接第二单向阀。

作为优选：所述水箱设有排气阀。

作为优选：所述热泵系统、第一水泵、第二水泵、第十二电磁阀、第十三电磁阀、第十四电磁阀均连接控制器。

这种适用于城市的直膨式PVT热泵系统中的热泵系统的运行方法，包括太阳能运行模式、空气源运行模式、散热模式和除霜模式；

太阳能运行模式：第一电磁阀、第五电磁阀、第七电磁阀和第八电磁阀打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；PVT集热系统、四通换向阀、气液分离器、压缩机、储液罐、第一换热器和水循环系统正常工作，此时热泵将PVT集热器作为蒸发器，吸收光伏电池余热；冷媒通过第八电磁阀后进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀、四通换向阀、气液分离器、压缩机和第五电磁阀，然后在冷凝器中将热量传给水循环系统，冷媒冷却后进入储液罐，然后依次经过第一换热器和第七电磁阀，最后再回到第八电磁阀进入下一个循环；

空气源运行模式：第二电磁阀、第五电磁阀和第九电磁阀打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；风冷换热器、四通换向阀、气液分离器、压缩机、冷凝器、储液罐、第一换热器、第二膨胀阀和水循环系统正常工作；此时热泵将风冷换热器作为蒸发器，吸收环境的热量产生热水；冷媒通过第九电磁阀进入风冷换热器，吸收空气的热量后，依次经过第二电磁阀、四通换向阀、气液分离器、压缩机和第五电磁阀，然后在冷凝器中将热量传给水循环系统，冷媒冷却后进入储液罐，然后依次经过第一换热器和第二膨胀阀，最后再回到第九电磁阀进入下一个循环；

散热模式：第八电磁阀、第一电磁阀、第四电磁阀、第七电磁阀和第十一电磁阀打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；PVT集热系统、四通换向阀、气液分离器、压缩机、风冷换热器、冷凝器、储液罐和第一换热器正常工作；此时热泵将PVT集热器作为蒸发器，风冷换热器作为散热器；冷媒通过第八电磁阀后进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀、四通换向阀、气液分离器、压缩机和第四电磁阀，然后在风冷换热器中将热量释放于环境中，冷媒降温后依次经过第十一电磁阀、冷凝器、储液罐、第一换热器和第七电磁阀，最后再回到第八电磁阀进入下一个循环；

除霜模式：第三电磁阀、第六电磁阀和第十电磁阀打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；冷凝器、四通换向阀、气液分离器、压缩机、风冷换热器、第二膨胀阀、第一换热器和储液罐正常工作；此时热泵将冷凝器作为蒸发器，风冷换热器作为散热器；冷媒在冷凝器中吸收热量后，然后依次经过第六电磁阀、四通换向阀、气液分离器、压缩机和第三电磁阀，然后在风冷换热器中将热量释放于环境中，冷却后的冷媒再依次经过第十电磁阀、第二膨胀阀、第一换热器和储液罐，最后再回到冷凝器中进入下一个循环。

作为优选：当热泵系统运用于环境温度为-25℃至0℃的地区或者季节时，添加补气增晗的模式，运行模式如下：

太阳能+补气增焓运行模式：第一电磁阀、第五电磁阀、第七电磁阀、第八电磁阀和第十五电磁阀打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；储液罐、第三膨胀阀、第一换热器、压缩机、PVT集热系统、四通换向阀、气液分离器、冷凝器和水循环系统正常工作；冷媒从储液罐出来后，分a路和b路两路冷媒；a路冷媒通过第十五电磁阀，进入第三膨胀阀，然后在第一换热器中吸收b路冷媒的热量，再进入压缩机；b路冷媒进入第一换热器被a路冷媒冷却，然后依次通过第七电磁阀和第八电磁阀，再进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀、四通换向阀、气液分离器和压缩机，与a路冷媒汇合，然后经过第五电磁阀，在冷凝器中将热量传给水循环系统，冷却后的冷媒进入储液罐开始下一个循环；

空气源+补气增晗运行模式：第二电磁阀、第五电磁阀、第九电磁阀和第十五电磁阀打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；储液罐、第三膨胀阀、压缩机、第一换热器、第二膨胀阀、风冷换热器、四通换向阀、气液分离器、冷凝器和水循环系统正常工作；冷媒从储液罐出来后，分a路和b路两路冷媒；a路冷媒通过第十五电磁阀，进入第三膨胀阀，然后在第一换热器中吸收b路冷媒的热量，再进入压缩机；b路冷媒进入第一换热器被a路冷媒冷却，然后依次通过第二膨胀阀和第九电磁阀，再进入风冷换热器，吸收空气热量升温，再然后依次经过第二电磁阀、四通换向阀、气液分离器和压缩机，与a路冷媒汇合，然后经过第五电磁阀，在冷凝器中将热量传给水循环系统，冷却后的冷媒进入储液罐开始下一个循环。

这种适用于城市的直膨式PVT热泵系统中的水循环系统的运行方法，包括热泵水循环系统运行方法和燃气锅炉水循环系统运行方法；

热泵水循环系统运行方法：第一水泵、水箱、第一单向阀、过滤器和冷凝器正常工作；第一水泵将水箱中的水从第三阀门处抽出，然后经过第一单向阀和过滤器，然后进入热泵系统的冷凝器吸收冷媒的热量，再通过第二阀门流回水箱；第二水泵作为备用水泵，当第一水泵出现故障时开启第二水泵；

燃气锅炉水循环系统运行方法：分为正常补水模式和故障模式；

正常补水模式：第十二电磁阀和第十四电磁阀打开，第十三电磁阀关闭；过滤阀、第三单向阀、水箱和燃气锅炉正常工作；自来水经过第十四电磁阀、过滤阀和第三单向阀，通过第四阀门进入水箱，然后通过第一阀门流出水箱，再通过第十二电磁阀，最后流入燃气锅炉；此时水箱的热水作为补水被送入到燃气锅炉中；

故障模式：此时PVT集热系统或热泵系统处于检修状态，第十二电磁阀和第十四电磁阀关闭，第十三电磁阀打开，自来水通过第十三电磁阀进入燃气锅炉。

这种适用于城市的直膨式PVT热泵系统中的控制系统的运行方法，通过PVT蒸发器背板处温度传感器的温度信号、电流传感器的电流信号以及水箱出口温度传感器的温度信号来控制整个系统的运行，控制方式如下：

当整个系统正常运行时，燃气锅炉水循环系统按正常补水模式运行，系统其余部分按以下模式运行：

2:00-8:00时间段，当水箱出口温度传感器测得的温度小于60℃时，热泵系统按照空气源运行模式或者空气源+补气增晗运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器测得的温度不小于60℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行；

8:00-12:00时间段，当水箱出口温度传感器测得的温度小于60℃，电流传感器的电流信号大于0.5A，热泵系统按照太阳能运行模式或太阳能+补气增焓运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器所测温度低于85℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行；当水箱出口温度传感器测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器所测温度不低于85℃时，热泵系统按照散热模式运行；

12:00-20:00时间段，当水箱出口温度传感器测得的温度小于60℃，电流传感器的电流信号大于0.5A，热泵系统按照太阳能运行模式或太阳能+补气增焓运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器测得的温度小于60℃，电流传感器的电流信号不大于0.5A，热泵系统按照空气源运行模式或者空气源+补气增晗运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器所测温度低于85℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行；当水箱出口温度传感器测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器所测温度不低于85℃时，热泵系统按照散热模式运行；

20:00-次日2:00时间段，热泵系统和热泵水循环系统停止运行；

当整个系统处于维修阶段时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行，燃气锅炉水循环系统按故障模式运行。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的PVT集热器尺寸符合市场主流光伏组件尺寸，运用更加灵活；缓冲层的添加、换热器中缝的设计减缓了PVT集热器的形变，增强了组件耐候性；针对大面积集热器，分块化的设计减缓了PVT集热器长度方向上的形变；换热器中换热单元的合理布置使得换热效率较高。

（2）本发明采用PVT集热器与膨胀阀相邻布置的方式，使得冷媒在各吹胀板内的流动分布比较均匀，解决了热泵与多片PVT集热器的匹配问题；合理的管路设计使得热泵系统风冷换热器既可充当蒸发器，也可充当散热器，在满足基本性能需求的同时，减小了成本；补气增焓技术的添加提高了整套系统在低温环境下的适用性；太阳能模式与空气源模式的灵活切换，提高了系统的稳定性。

（3）本发明采用PVT热泵系统与传统能源的结合，解决了安装场地面积不够而供能有限的问题，提高了建筑用能过程中可再生能源占比，传统能源则进一步提升了供能系统的稳定性；PVT热泵自身高COP特性、热电联供特性以及谷电运行模式，使得系统经济性较高。

附图说明

图1为适用于城市的直膨式PVT热泵系统示意图。

图2为PVT集热器示意图。

图3为中等尺寸换热器示意图。

图4为大尺寸换热器示意图。

附图标记说明：1-PVT集热器，2-冷媒出口，3-冷媒入口，4-第一膨胀阀，5-膨胀阀控制器，6-逆变器，7-风冷换热器，8-第一电磁阀，9-第二电磁阀，10-第三电磁阀，11-气液分离器，12-压缩机，13-第四电磁阀，14-四通换向阀，15-冷媒注入口，16-第五电磁阀，17-第六电磁阀，18-冷凝器，19-储液罐，20-第二膨胀阀，21-第七电磁阀，22-第八电磁阀，23-第九电磁阀，24-第十电磁阀，25-第十一电磁阀，26-过滤器，27-第一单向阀，28-第一水泵，29-第二单向阀，30-第二水泵，31-第一阀门，32-压力传感器，33-排气阀，34-第二阀门，35-安全阀，36-第三阀门，37-水箱，38-第四阀门，39-排污阀，40-第三单向阀，41-过滤阀，42-第十二电磁阀，43-第十三电磁阀，44-第十四电磁阀，45-燃气锅炉，46-控制器，47-PVT蒸发器背板处温度传感器，48-第四单向阀，49-电流传感器，50-水箱出口温度传感器，51-第一换热器，52-第三膨胀阀，53-第十五电磁阀，54-增效涂层，55-透明保护层，56-第一EVA胶，57-光伏电池，58-第二EVA胶，59-背板，60-缓冲层，61-第二换热器，62-冷媒流道，63-中缝、64-第一接线盒孔，65-第二接线盒孔，66-第三接线盒孔，67-换热单元，68-第一连接流道，69-第二连接流道。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例一

本申请实施例一提供一种适用于城市的直膨式PVT热泵系统，该系统综合利用太阳能、空气能和燃气，实现稳定的热、电联供，提升建筑用能过程中可再生能源的占比，减小二氧化碳排放，具体技术方案如下：

所述适用于城市的直膨式PVT热泵系统，包括：PVT集热系统、热泵系统、水循环系统、控制系统。

PVT集热系统，包括PVT集热器1、第一膨胀阀4、膨胀阀控制器5、逆变器6。

热泵系统，包括风冷换热器7、第一电磁阀8（含单向阀）、第二电磁阀9（含单向阀）、第三电磁阀10（含单向阀）、气液分离器11、压缩机12、第四电磁阀13（含单向阀）、四通换向阀14、冷媒注入口15、第五电磁阀16（含单向阀）、第六电磁阀17（含单向阀）、冷凝器18、储液罐19、第二膨胀阀20、第七电磁阀21（含单向阀）、第八电磁阀22（含单向阀）、第九电磁阀23（含单向阀）、第十电磁阀24（含单向阀）、第十一电磁阀25（含单向阀）、第一换热器51、第三膨胀阀52、第十五电磁阀53（含单向阀）。

水循环系统，包括过滤器26、第一单向阀27、第一水泵28、第二单向阀29、第二水泵30、第一阀门31、压力传感器32、排气阀33、第二阀门34、安全阀35、第三阀门36、水箱37、第四阀门38、排污阀39、第三单向阀40、过滤阀41、第十二电磁阀42、第十三电磁阀43、第十四电磁阀44、燃气锅炉45。

控制系统，包括控制器46、PVT蒸发器背板处温度传感器47、电流传感器49、水箱出口温度传感器50。

所述PVT集热器1，由上至下依次为增效涂层54、透明保护层55、第一EVA胶56、光伏电池57、第二EVA胶58、背板59、缓冲层60、第二换热器61。既可以一次层压成型，也可以直接通过缓冲层60连接成型的光伏组件（包含增效涂层54、透明保护层55、第一EVA胶56、光伏电池57、第二EVA胶58、背板59）和第二换热器61。缓冲层60可缓解PVT集热器1的形变，避免光伏电池57出现隐裂或损坏。

所述第二换热器61，为吹胀板，版型设计与换热器尺寸有关。针对中等尺寸（0.5-1.7米长）的第二换热器61，包含冷媒入口3、冷媒出口2、中缝63、第一接线盒孔64、第二接线盒孔65、第三接线盒孔66、换热单元67。针对大尺寸（1.7-2.5米长）的第二换热器61，包含冷媒入口3、冷媒出口2、中缝63、第一接线盒孔64、第二接线盒孔65、第三接线盒孔66、换热单元67、第一连接流道68、第二连接流道69。冷媒入口3与冷媒出口2之间通过换热单元67连通。中缝63位于第二换热器61板体中部并垂直于接线盒孔的排布，中缝63为宽度2-10mm宽的矩形孔，用于缓解PVT集热器1宽度方向的形变。第二换热器61中部的第一接线盒孔64、第二接线盒孔65、第三接线盒孔66用于安装接线盒。第二换热器61宽度按照标准半片晶硅组件。换热单元67由四边形换热单元、六边形换热单元等多种流道构成，此种设计换热面积大，流阻适中，可以有效提高PVT集热器1的换热效率。大尺寸的第二换热器61分为3个片区，即入口区域a、转弯区域b和出口区域c，入口区域a与转弯区域b通过第二连接流道69连接，转弯区域b和出口区域c通过第一连接流道68连接，这种设计可以减缓PVT集热器1长度方向上的形变。

所述PVT集热系统，从冷媒流动角度，多片（10片以内）PVT集热器1并联成一个小组串，多个小组串再并联成一个单元，冷媒汇总后进入热泵系统。PVT集热器1片数与热泵系统功率有关，功率越高，所需片数越多。第一膨胀阀4和膨胀阀控制器5放置在与小组串所在位置接近的地方，方便每个小组串冷媒流量的调控。从电气角度，单元内PVT集热器1间采用串联的方式，产生的电量通过逆变器6上网。

所述热泵系统，第八电磁阀22连接PVT集热系统的冷媒入口3，PVT集热系统的冷媒出口2依次连接第一电磁阀8和四通换向阀14，四通换向阀14依次连接气液分离器11和压缩机12，四通换向阀14还连接第五电磁阀16，第五电磁阀16连接冷凝器18，冷凝器18连接储液罐19，储液罐19处分为a路和b路，a路设有第十五电磁阀53和第三膨胀阀52，a路和b路共同连接第一换热器51，第一换热器51分别连接第七电磁阀21和第二膨胀阀20，第七电磁阀21连接第八电磁阀22，第二膨胀阀20连接第九电磁阀23，第九电磁阀23连接风冷换热器7，风冷换热器7依次连接第二电磁阀9和四通换向阀14，四通换向阀14连接第四电磁阀13，第四电磁阀13连接风冷换热器7，风冷换热器7依次连接第十一电磁阀25和冷凝器18，冷凝器18依次连接第六电磁阀17和四通换向阀14，四通换向阀14连接第三电磁阀10，第三电磁阀10连接风冷换热器7，风冷换热器7依次连接第十电磁阀24和第二膨胀阀20，第一换热器51通过第四单向阀48连接压缩机12。

所述水循环系统，水箱37出口的第三阀门36连接第一水泵28，第一水泵28依次连接第一单向阀27和过滤器26，过滤器26通过冷凝器18后连接水箱37入口的第二阀门34，第二水泵30与第一水泵28并联，第二水泵30连接第二单向阀29，第十四电磁阀44、过滤阀41和第三单向阀40依次相连，第三单向阀40连接水箱37入口的第四阀门38，水箱37出口的第一阀门31依次连接第十二电磁阀42和燃气锅炉45，燃气锅炉45入口设有第十三电磁阀43，水箱37设有排气阀33。

所述控制系统，PVT集热器1处的PVT蒸发器背板处温度传感器47、逆变器6处的电流传感器49、水箱37处的水箱出口温度传感器50、热泵系统、第一水泵28、第二水泵30、第十二电磁阀42、第十三电磁阀43、第十四电磁阀44均连接控制器46。

实施例二

本申请实施例二提供一种热泵系统的运行方法，所述热泵系统，具有太阳能运行模式、空气源运行模式、散热模式、除霜模式，具体如下：

太阳能运行模式：第一电磁阀8、第五电磁阀16、第七电磁阀21、第八电磁阀22打开，热泵系统内其余电磁阀关闭。PVT集热系统、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12、储液罐19、第一换热器51、水循环系统正常工作。此时热泵将PVT集热器1作为蒸发器，吸收光伏电池余热，实现光伏电池的降温增效，同时系统实现热电联供。冷媒通过第八电磁阀22后进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀8、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12、第五电磁阀16，然后在冷凝器18中将热量传给水循环系统，冷媒冷却后进入储液罐19，然后依次经过第一换热器51、第七电磁阀21，最后再回到第八电磁阀22进入下一个循环。

空气源运行模式：第二电磁阀9、第五电磁阀16、第九电磁阀23打开，热泵系统内其余电磁阀关闭。风冷换热器7、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12、冷凝器18、储液罐19、第一换热器51、第二膨胀阀20、水循环系统正常工作。此时热泵将风冷换热器7作为蒸发器，吸收环境的热量产生热水。冷媒通过第九电磁阀23进入风冷换热器7，吸收空气的热量后，依次经过第二电磁阀9、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12、第五电磁阀16，然后在冷凝器18中将热量传给水循环系统，冷媒冷却后进入储液罐19，然后依次经过第一换热器51、第二膨胀阀20，最后再回到第九电磁阀23进入下一个循环。

散热模式：第八电磁阀22、第一电磁阀8、第四电磁阀13、第七电磁阀21、第十一电磁阀25打开，热泵系统内其余电磁阀关闭。PVT集热系统、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12、风冷换热器7、冷凝器18、储液罐19、第一换热器51正常工作。此时热泵将PVT集热器1作为蒸发器，风冷换热器7作为散热器，防止PVT集热器1温度过高而出现安全事故。冷媒通过第八电磁阀22后进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀8、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12、第四电磁阀13，然后在风冷换热器7中将热量释放于环境中，冷媒降温后依次经过第十一电磁阀25、冷凝器18、储液罐19、第一换热器51、第七电磁阀21，最后再回到第八电磁阀22进入下一个循环。

除霜模式：第三电磁阀10、第六电磁阀17、第十电磁阀24打开，热泵系统内其余电磁阀关闭。冷凝器18、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12、风冷换热器7、第二膨胀阀20、第一换热器51、储液罐19正常工作。此时热泵将冷凝器18作为蒸发器，风冷换热器7作为散热器，用于除去风冷换热器7表面产生的霜。冷媒在冷凝器18中吸收热量后，然后依次经过第六电磁阀17、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12、第三电磁阀10，然后在风冷换热器7中将热量释放于环境中，冷却后的冷媒再依次经过第十电磁阀24、第二膨胀阀20、第一换热器51、储液罐19，最后再回到冷凝器18中进入下一个循环。

所述热泵系统，当系统运用于环境温度比较低（-25℃至0℃）的地区或者季节时，可以上述运行模式的基础上添加补气增晗的模式，提升系统对环境的适用范围，具体运行模式如下：

太阳能+补气增焓运行模式：第一电磁阀8、第五电磁阀16、第七电磁阀21、第八电磁阀22、第十五电磁阀53打开，热泵系统内其余电磁阀关闭。储液罐19、第三膨胀阀52、第一换热器51、压缩机12、PVT集热系统、四通换向阀14、气液分离器11、冷凝器18、水循环系统正常工作。冷媒从储液罐19出来后，分a路和b路两路冷媒。a路冷媒通过第十五电磁阀53，然后进入第三膨胀阀52，然后在第一换热器51中吸收b路冷媒的热量，再然后进入压缩机12。b路冷媒进入第一换热器51被a路冷媒冷却，然后依次通过第七电磁阀21、第八电磁阀22，然后进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀8、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12，与a路冷媒汇合，然后经过第五电磁阀16，在冷凝器18中将热量传给水循环系统，冷却后的冷媒进入储液罐19开始下一个循环。

空气源+补气增晗运行模式：第二电磁阀9、第五电磁阀16、第九电磁阀23、第十五电磁阀53打开，热泵系统内其余电磁阀关闭。储液罐19、第三膨胀阀52、压缩机12、第一换热器51、第二膨胀阀20、风冷换热器7、四通换向阀14、气液分离器11、冷凝器18、水循环系统正常工作。冷媒从储液罐19出来后，分a路和b路两路冷媒。a路冷媒通过第十五电磁阀53，然后进入第三膨胀阀52，然后在第一换热器51中吸收b路冷媒的热量，再然后进入压缩机12。b路冷媒进入第一换热器51被a路冷媒冷却，然后依次通过第二膨胀阀20、第九电磁阀23，然后进入风冷换热器7，吸收空气热量升温，再然后依次经过第二电磁阀9、四通换向阀14、气液分离器11、压缩机12，与a路冷媒汇合，然后经过第五电磁阀16，在冷凝器18中将热量传给水循环系统，冷却后的冷媒进入储液罐19开始下一个循环。

实施例三

本申请实施例三提供一种水循环系统的运行方法，所述水循环系统，包括热泵水循环系统和燃气锅炉水循环系统，具体如下：

热泵水循环系统：第一水泵28、水箱37、第一单向阀27、过滤器26、冷凝器18正常工作。第一水泵28将水箱37中的水从第三阀门36处抽出，然后经过第一单向阀27、过滤器26，然后进入热泵系统的冷凝器18吸收冷媒的热量，然后再通过第二阀门34流回水箱37。此时通过第一水泵28打循环，使得水箱37的水工质温度增加。第二水泵30作为备用水泵，当第一水泵28出现故障时开启第二水泵30。

燃气锅炉水循环系统：分为正常补水模式和故障模式，具体如下：

正常补水模式：第十二电磁阀42和第十四电磁阀44打开，第十三电磁阀43关闭。过滤阀41、第三单向阀40、水箱37、燃气锅炉45正常工作。自来水经过第十四电磁阀44、过滤阀41、第三单向阀40，通过第四阀门38进入水箱37，然后通过第一阀门31流出水箱37，然后通过第十二电磁阀42，最后流入燃气锅炉45。此时水箱37的热水作为补水被送入到燃气锅炉45中。

故障模式：此时PVT集热系统或热泵系统处于检修状态，第十二电磁阀42、第十四电磁阀44关闭，第十三电磁阀43打开。自来水通过第十三电磁阀43进入燃气锅炉45。

实施例四

本申请实施例三提供一种控制系统的运行方法，所述控制系统，通过PVT蒸发器背板处温度传感器47的温度信号、电流传感器49的电流信号、水箱出口温度传感器50的温度信号来控制整个系统的运行，具体控制方式如下：

（1）当整个系统正常运行时，燃气锅炉水循环系统按正常补水模式运行，系统其余部分按以下模式运行：

2:00-8:00时间段，当水箱出口温度传感器50测得的温度小于60℃时，热泵系统按照空气源运行模式或者空气源+补气增晗运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器50测得的温度不小于60℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行。此时系统运行采用的是谷电，可提高系统经济性。

8:00-12:00时间段，当水箱出口温度传感器50测得的温度小于60℃，电流传感器49的电流信号大于0.5A，热泵系统按照太阳能运行模式或太阳能+补气增焓运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器50测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器47所测温度低于85℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行。当水箱出口温度传感器50测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器47所测温度不低于85℃时，热泵系统按照散热模式运行。

12:00-20:00时间段，当水箱出口温度传感器50测得的温度小于60℃，电流传感器49的电流信号大于0.5A，热泵系统按照太阳能运行模式或太阳能+补气增焓运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；

当水箱出口温度传感器50测得的温度小于60℃，电流传感器49的电流信号不大于0.5A，热泵系统按照空气源运行模式或者空气源+补气增晗运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器50测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器47所测温度低于85℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行。当水箱出口温度传感器50测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器47所测温度不低于85℃时，热泵系统按照散热模式运行。

20:00-次日2:00时间段，热泵系统和热泵水循环系统停止运行。

（2）当整个系统处于维修阶段时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行，燃气锅炉水循环系统按故障模式运行。

本发明的系统具备太阳能利用模式、空气能利用模式，降低了该系统对应用场地太阳能资源的要求。补气增焓技术的添加，提升了冬季条件下系统的性能，拓展了该系统在寒冷地区的适用性。该系统和燃气的耦合，进一步提升了其在城市应用场景下的适用性和稳定性，同时降低了建筑能耗。

Claims (8)

1.一种适用于城市的直膨式PVT热泵系统，其特征在于：包括PVT集热系统、热泵系统、水循环系统和控制系统；

所述PVT集热系统包括PVT集热器（1）、第一膨胀阀（4）、膨胀阀控制器（5）和逆变器（6）；所述PVT集热器（1）从上至下依次由增效涂层（54）、透明保护层（55）、第一EVA胶（56）、光伏电池（57）、第二EVA胶（58）、背板（59）、缓冲层（60）和第二换热器（61）组成；PVT集热器（1）连接第一膨胀阀（4）和膨胀阀控制器（5）；PVT集热器（1）连接逆变器（6）；

所述热泵系统包括风冷换热器（7）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）、冷凝器（18）和储液罐（19）；第八电磁阀（22）连接PVT集热系统入口，PVT集热系统出口依次连接第一电磁阀（8）和四通换向阀（14），四通换向阀（14）依次连接气液分离器（11）和压缩机（12），四通换向阀（14）还连接第五电磁阀（16），第五电磁阀（16）连接冷凝器（18），冷凝器（18）连接储液罐（19），储液罐（19）处分为a路和b路，a路设有第十五电磁阀（53）和第三膨胀阀（52），a路和b路共同连接第一换热器（51），第一换热器（51）分别连接第七电磁阀（21）和第二膨胀阀（20），第七电磁阀（21）连接第八电磁阀（22），第二膨胀阀（20）连接第九电磁阀（23），第九电磁阀（23）连接风冷换热器（7），风冷换热器（7）依次连接第二电磁阀（9）和四通换向阀（14），四通换向阀（14）连接第四电磁阀（13），第四电磁阀（13）连接风冷换热器（7），风冷换热器（7）依次连接第十一电磁阀（25）和冷凝器（18），冷凝器（18）依次连接第六电磁阀（17）和四通换向阀（14），四通换向阀（14）连接第三电磁阀（10），第三电磁阀（10）连接风冷换热器（7），风冷换热器（7）依次连接第十电磁阀（24）和第二膨胀阀（20），第一换热器（51）通过第四单向阀（48）连接压缩机（12）；

所述水循环系统，包括水箱（37）和燃气锅炉（45）；水箱（37）出口的第三阀门（36）连接第一水泵（28），第一水泵（28）依次连接第一单向阀（27）和过滤器（26），过滤器（26）通过冷凝器（18）后连接水箱（37）入口的第二阀门（34），第十四电磁阀（44）、过滤阀（41）和第三单向阀（40）依次相连，第三单向阀（40）连接水箱（37）入口的第四阀门（38），水箱（37）出口的第一阀门（31）依次连接第十二电磁阀（42）和燃气锅炉（45），燃气锅炉（45）入口设有第十三电磁阀（43）；

所述控制系统，包括控制器（46）、PVT蒸发器背板处温度传感器（47）、电流传感器（49）和水箱出口温度传感器（50）；PVT集热器（1）处的PVT蒸发器背板处温度传感器（47）、逆变器（6）处的电流传感器（49）以及水箱（37）处的水箱出口温度传感器（50）均连接控制器（46）；第二水泵（30）与第一水泵（28）并联，第二水泵（30）连接第二单向阀（29）；所述水箱（37）设有排气阀（33）。

2.根据权利要求1所述的适用于城市的直膨式PVT热泵系统，其特征在于：所述第二换热器（61）为吹胀板；中等尺寸的第二换热器（61）包括冷媒入口（3）、冷媒出口（2）、中缝（63）、第一接线盒孔（64）、第二接线盒孔（65）、第三接线盒孔（66）和换热单元（67），中等尺寸的第二换热器（61）是指0.5-1.7米长的换热器；大尺寸的第二换热器（61）包括冷媒入口（3）、冷媒出口（2）、中缝（63）、第一接线盒孔（64）、第二接线盒孔（65）、第三接线盒孔（66）、换热单元（67）、第一连接流道（68）和第二连接流道（69），大尺寸的第二换热器（61）是指1.7-2.5米长的换热器；冷媒入口（3）与冷媒出口（2）之间通过换热单元（67）连通；中缝（63）位于第二换热器（61）板体中部并垂直于接线盒孔的排布，中缝（63）为宽度2-10mm的矩形孔；第二换热器（61）中部的第一接线盒孔（64）、第二接线盒孔（65）和第三接线盒孔（66）内安装接线盒；换热单元（67）主要由四边形换热单元和六边形换热单元构成；大尺寸的第二换热器（61）分为三个片区，即入口区域a、转弯区域b和出口区域c，入口区域a与转弯区域b通过第二连接流道（69）连接，转弯区域b和出口区域c通过第一连接流道（68）连接。

3.根据权利要求1所述的适用于城市的直膨式PVT热泵系统，其特征在于：从冷媒流动角度，若干片PVT集热器（1）并联成一个小组串，若干个小组串再并联成一个单元；第一膨胀阀（4）和膨胀阀控制器（5）设置在靠近小组串所在位置处；从电气角度，单元内PVT集热器（1）间采用串联的方式连接至逆变器（6）。

4.根据权利要求1所述的适用于城市的直膨式PVT热泵系统，其特征在于：所述热泵系统、第一水泵（28）、第二水泵（30）、第十二电磁阀（42）、第十三电磁阀（43）、第十四电磁阀（44）均连接控制器（46）。

5.一种如权利要求1所述的适用于城市的直膨式PVT热泵系统中的热泵系统的运行方法，其特征在于：包括太阳能运行模式、空气源运行模式、散热模式和除霜模式；

太阳能运行模式：第一电磁阀（8）、第五电磁阀（16）、第七电磁阀（21）和第八电磁阀（22）打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；PVT集热系统、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）、储液罐（19）、第一换热器（51）和水循环系统正常工作，此时热泵将PVT集热器（1）作为蒸发器，吸收光伏电池余热；冷媒通过第八电磁阀（22）后进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀（8）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）和第五电磁阀（16），然后在冷凝器（18）中将热量传给水循环系统，冷媒冷却后进入储液罐（19），然后依次经过第一换热器（51）和第七电磁阀（21），最后再回到第八电磁阀（22）进入下一个循环；

空气源运行模式：第二电磁阀（9）、第五电磁阀（16）和第九电磁阀（23）打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；风冷换热器（7）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）、冷凝器（18）、储液罐（19）、第一换热器（51）、第二膨胀阀（20）和水循环系统正常工作；此时热泵将风冷换热器（7）作为蒸发器，吸收环境的热量产生热水；冷媒通过第九电磁阀（23）进入风冷换热器（7），吸收空气的热量后，依次经过第二电磁阀（9）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）和第五电磁阀（16），然后在冷凝器（18）中将热量传给水循环系统，冷媒冷却后进入储液罐（19），然后依次经过第一换热器（51）和第二膨胀阀（20），最后再回到第九电磁阀（23）进入下一个循环；

散热模式：第八电磁阀（22）、第一电磁阀（8）、第四电磁阀（13）、第七电磁阀（21）和第十一电磁阀（25）打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；PVT集热系统、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）、风冷换热器（7）、冷凝器（18）、储液罐（19）和第一换热器（51）正常工作；此时热泵将PVT集热器（1）作为蒸发器，风冷换热器（7）作为散热器；冷媒通过第八电磁阀（22）后进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀（8）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）和第四电磁阀（13），然后在风冷换热器（7）中将热量释放于环境中，冷媒降温后依次经过第十一电磁阀（25）、冷凝器（18）、储液罐（19）、第一换热器（51）和第七电磁阀（21），最后再回到第八电磁阀（22）进入下一个循环；

除霜模式：第三电磁阀（10）、第六电磁阀（17）和第十电磁阀（24）打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；冷凝器（18）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）、风冷换热器（7）、第二膨胀阀（20）、第一换热器（51）和储液罐（19）正常工作；此时热泵将冷凝器（18）作为蒸发器，风冷换热器（7）作为散热器；冷媒在冷凝器（18）中吸收热量后，然后依次经过第六电磁阀（17）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、压缩机（12）和第三电磁阀（10），然后在风冷换热器（7）中将热量释放于环境中，冷却后的冷媒再依次经过第十电磁阀（24）、第二膨胀阀（20）、第一换热器（51）和储液罐（19），最后再回到冷凝器（18）中进入下一个循环。

6.根据权利要求5所述的适用于城市的直膨式PVT热泵系统中的热泵系统的运行方法，其特征在于：当热泵系统运用于环境温度为-25℃至0℃的地区或者季节时，添加补气增晗的模式，运行模式如下：

太阳能+补气增焓运行模式：第一电磁阀（8）、第五电磁阀（16）、第七电磁阀（21）、第八电磁阀（22）和第十五电磁阀（53）打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；储液罐（19）、第三膨胀阀（52）、第一换热器（51）、压缩机（12）、PVT集热系统、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、冷凝器（18）和水循环系统正常工作；冷媒从储液罐（19）出来后，分a路和b路两路冷媒；a路冷媒通过第十五电磁阀（53），进入第三膨胀阀（52），然后在第一换热器（51）中吸收b路冷媒的热量，再进入压缩机（12）；b路冷媒进入第一换热器（51）被a路冷媒冷却，然后依次通过第七电磁阀（21）和第八电磁阀（22），再进入PVT集热系统，冷媒吸收热量后再依次经过第一电磁阀（8）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）和压缩机（12），与a路冷媒汇合，然后经过第五电磁阀（16），在冷凝器（18）中将热量传给水循环系统，冷却后的冷媒进入储液罐（19）开始下一个循环；

空气源+补气增晗运行模式：第二电磁阀（9）、第五电磁阀（16）、第九电磁阀（23）和第十五电磁阀（53）打开，热泵系统内其余电磁阀关闭；储液罐（19）、第三膨胀阀（52）、压缩机（12）、第一换热器（51）、第二膨胀阀（20）、风冷换热器（7）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）、冷凝器（18）和水循环系统正常工作；冷媒从储液罐（19）出来后，分a路和b路两路冷媒；a路冷媒通过第十五电磁阀（53），进入第三膨胀阀（52），然后在第一换热器（51）中吸收b路冷媒的热量，再进入压缩机（12）；b路冷媒进入第一换热器（51）被a路冷媒冷却，然后依次通过第二膨胀阀（20）和第九电磁阀（23），再进入风冷换热器（7），吸收空气热量升温，再然后依次经过第二电磁阀（9）、四通换向阀（14）、气液分离器（11）和压缩机（12），与a路冷媒汇合，然后经过第五电磁阀（16），在冷凝器（18）中将热量传给水循环系统，冷却后的冷媒进入储液罐（19）开始下一个循环。

7.一种如权利要求1所述的适用于城市的直膨式PVT热泵系统中的水循环系统的运行方法，其特征在于：包括热泵水循环系统运行方法和燃气锅炉水循环系统运行方法；

热泵水循环系统运行方法：第一水泵（28）、水箱（37）、第一单向阀（27）、过滤器（26）和冷凝器（18）正常工作；第一水泵（28）将水箱（37）中的水从第三阀门（36）处抽出，然后经过第一单向阀（27）和过滤器（26），然后进入热泵系统的冷凝器（18）吸收冷媒的热量，再通过第二阀门（34）流回水箱（37）；第二水泵（30）作为备用水泵，当第一水泵（28）出现故障时开启第二水泵（30）；

燃气锅炉水循环系统运行方法：分为正常补水模式和故障模式；

正常补水模式：第十二电磁阀（42）和第十四电磁阀（44）打开，第十三电磁阀（43）关闭；过滤阀（41）、第三单向阀（40）、水箱（37）和燃气锅炉（45）正常工作；自来水经过第十四电磁阀（44）、过滤阀（41）和第三单向阀（40），通过第四阀门（38）进入水箱（37），然后通过第一阀门（31）流出水箱（37），再通过第十二电磁阀（42），最后流入燃气锅炉（45）；此时水箱（37）的热水作为补水被送入到燃气锅炉（45）中；

故障模式：此时PVT集热系统或热泵系统处于检修状态，第十二电磁阀（42）和第十四电磁阀（44）关闭，第十三电磁阀（43）打开，自来水通过第十三电磁阀（43）进入燃气锅炉（45）。

8.一种如权利要求1所述的适用于城市的直膨式PVT热泵系统中的控制系统的运行方法，其特征在于：通过PVT蒸发器背板处温度传感器（47）的温度信号、电流传感器（49）的电流信号以及水箱出口温度传感器（50）的温度信号来控制整个系统的运行，控制方式如下：

当整个系统正常运行时，燃气锅炉水循环系统按正常补水模式运行，系统其余部分按以下模式运行：

2:00-8:00时间段，当水箱出口温度传感器（50）测得的温度小于60℃时，热泵系统按照空气源运行模式或者空气源+补气增晗运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器（50）测得的温度不小于60℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行；

8:00-12:00时间段，当水箱出口温度传感器（50）测得的温度小于60℃，电流传感器（49）的电流信号大于0.5A，热泵系统按照太阳能运行模式或太阳能+补气增焓运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器（50）测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器（47）所测温度低于85℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行；当水箱出口温度传感器（50）测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器（47）所测温度不低于85℃时，热泵系统按照散热模式运行；

12:00-20:00时间段，当水箱出口温度传感器（50）测得的温度小于60℃，电流传感器（49）的电流信号大于0.5A，热泵系统按照太阳能运行模式或太阳能+补气增焓运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器（50）测得的温度小于60℃，电流传感器（49）的电流信号不大于0.5A，热泵系统按照空气源运行模式或者空气源+补气增晗运行模式运行，热泵水循环系统正常运行；当水箱出口温度传感器（50）测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器（47）所测温度低于85℃时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行；当水箱出口温度传感器（50）测得的温度不小于60℃，且PVT蒸发器背板处温度传感器（47）所测温度不低于85℃时，热泵系统按照散热模式运行；

20:00-次日2:00时间段，热泵系统和热泵水循环系统停止运行；

当整个系统处于维修阶段时，热泵系统和热泵水循环系统停止运行，燃气锅炉水循环系统按故障模式运行。