CN115540018A - 光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统及功能方法 - Google Patents

光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统及功能方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统及功能方法，联供系统包括：PVT循环子系统、双源热泵循环子系统及末端循环子系统。本发明热泵机组为双源热泵，可根据实际情况和设定自动切换最佳单源运行或双源运行。同时，可以通过四通阀实现制冷和供暖工况的切换，水源蒸发器和空气源蒸发器在制冷工况作为冷凝器，冷凝器在制冷工况作为蒸发器。恒温水箱制热可通过热泵或PVT直接集热实现，恒温水箱制冷可通过热泵实现，发挥PVT组件夜间辐射制冷特性。生活热水箱可通过电加热或热泵来制取生活热水。系统的热电冷供应具有较高稳定性和节能性。

Description

光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统及功能方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏、光热以及热泵技术领域，尤其是一种光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统及功能方法。
背景技术
随着我国太阳能产业技术的完善以及政策推动，其在建筑中的利用越来越受到各行业人士的重视。建筑主动式太阳能利用主要有光伏和光热技术，即将太阳能转换为电能技术和将太阳能转换为热能技术，可用于满足家庭的电、热、冷需求。传统光伏板光电转换效率仅为15％-25％，大约有近80％的太阳能未能转换为电能，而其中很大一部分转化为了热能，造成电池温度升高，光电转换效率下降，同时较高工作温度会减少光伏板使用寿命，甚至直接损坏光伏板。
热泵系统是一种高效的可再生能源利用系统，可以同时供暖和制冷。但热泵效率往往受源侧温度影响较大，且热泵能耗大、能效低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种既能提高电能产量，又能收集热能、冷能，同时提高热泵效率的家庭热电冷联供系统及功能方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明的第一方面是提供了一种光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统，包括：PVT循环子系统、双源热泵循环子系统及末端循环子系统。
所述PVT循环子系统包括：PVT组件、集热水箱、第一循环泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第五电磁阀；
所述双源热泵循环子系统包括：水源蒸发器、空气源蒸发器、冷凝器、压缩机、四通阀、膨胀阀、第三电磁阀、第四电磁阀；
所述末端循环子系统包括：生活热水箱、恒温水箱、第二循环泵、第三循环泵、风机盘管；
所述PVT组件出口与集热水箱的换热器进口连接，所述集热水箱的换热器出口与PVT组件进口连接管道上设置第一循环泵，PVT组件产电正负极与逆变器连接，通过逆变器实现直流变交流，进行发电上网，所述PVT组件通过第一电磁阀与水源蒸发器连接，所述PVT组件通过第二电磁阀与恒温水箱连接；
所述水源蒸发器、空气源蒸发器、冷凝器分别与四通阀连接，水源蒸发器、空气源蒸发器并联连接并通过四通阀与压缩机连接，压缩机通过四通阀与冷凝器连接，冷凝器通过膨胀阀与水源蒸发器及空气源蒸发器连接，形成闭环回路；膨胀阀可实现对制冷剂流量的精确控制，四通阀通过控制可实现制冷和供暖形式的切换，第三电磁阀、第四电磁阀通过控制开启实现水源/空气源/双源模式的切换；
生活热水箱与集热水箱底部出水口相连接，通过自然重力流动给生活水箱补水，生活热水箱同时与家庭热水供给和热水回水管路相连接，为家庭提供生活热水，生活热水箱内置电加热，同时与冷凝器连接，通过电动三通阀可实现热泵制热水；
恒温水箱内置换热盘管与PVT循环子系统连接，通过第二电磁阀直接和PVT组件交换热，恒温水箱左侧出口与第二循环泵进口连接，第二循环泵出口和冷凝器进口连接，冷凝器出口与恒温水箱左侧入口连接，通过第二循环泵驱动水循环经过冷凝器与双源热泵循环子系统进行热冷交换，使恒温水箱达到设定温度范围，恒温水箱右侧顶部出口与第三循环泵连接，然后与风机盘管进口连接，风机盘管出口与恒温水箱右侧底部进口连接，形成换热环路，通过风机盘管为家庭提供冬季供暖和夏季制冷。
本发明的第二方面是提供了该联供系统的冬季供暖方法，其特征在于，自动调节四通阀为供暖模式，对室内供暖温度进行人工设定，根据实时室内温度T5判定进行风机盘管的启停和流量智能控制，对室内进行供暖，将恒温水箱在供暖季设定在供暖范围，当恒温水箱内水温T3低于设定值时，控制箱判断选择PVT组件工质循环直接加热恒温水箱或是启动热泵循环加热恒温水箱，若启动热泵则需要判断水源蒸发器和空气源蒸发器单源择优工作或者双源共同工作，水源蒸发器启动时，第一循环泵循环，利用PVT组件收集的热能。
本发明的第三方面是提供了该联供系统的夏季供冷方法，其特征在于，自动调节四通阀为制冷模式，对室内制冷温度进行人工设定，根据实时室内温度T5判定进行风机盘管的启停和流量智能控制，对室内进行制冷，将恒温水箱在制冷季设定在制冷范围，当恒温水箱内水温T3高于设定值时，控制箱判断时间段若为日间时，选择启动第二循环泵和压缩机和第四电磁阀即空气源热泵模式进行恒温水箱制冷；若时间段为夜间时，判断水源蒸发器和空气源蒸发器单源择优工作或者双源共同工作，此时水源蒸发器和空气源蒸发器实际上作为冷凝器进行散热，水源蒸发器启动时，第一循环泵循环，利用PVT组件实现高效的夜间辐射制冷。
本发明的第四方面是提供了该联供系统的过渡季功能方法，其特征在于，将热泵应用于生活热水箱的加热，当生活热水箱内水温T4低于设定值时，控制箱启动热泵循环加热生活热水箱，启动热泵则需要判断水源蒸发器和空气源蒸发器单源择优工作或者双源共同工作，水源蒸发器启动时，第一循环泵循环，利用PVT组件收集的热能，非过渡季时，当生活热水箱内水温T4低于设定值时，控制箱启动生活热水箱内置电加热装置加热生活热水箱。
从家庭供能系统来看，热电冷为基本能源需求类型，但传统的光伏或光热技术都无法同时直接覆盖这些需求，而光伏光热综合利用(Photovoltaic-thermal，简称PVT)通过在光伏板背面设置换热装置，在发电的同时回收热能并加以利用，还可以在夜间进行辐射制冷，这不仅对电池有冷却作用，可以提高发电效率和寿命，更重要的是实现全天候的“一机多能”，大幅度提高了太阳能的综合利用效率，同时降低了电热冷分别供应的成本。
将双源热泵技术与太阳能光伏光热综合利用技术结合，可以更好利用太阳辐射能、夜空辐射能、空气能等可再生能源的同时提升热泵效率，实现高稳定性、高节能性的家庭热电冷联供。
本发明热泵机组为双源热泵，可根据实际情况和设定自动切换最佳单源运行或双源运行。同时，可以通过四通阀实现制冷和供暖工况的切换，水源蒸发器和空气源蒸发器在制冷工况作为冷凝器，冷凝器在制冷工况作为蒸发器。
恒温水箱制热可通过热泵或PVT直接集热实现，恒温水箱制冷可通过热泵实现，发挥PVT组件夜间辐射制冷特性。生活热水箱可通过电加热或热泵来制取生活热水。系统的热电冷供应具有较高稳定性和节能性。
生活热水属于全年都有的负荷，生活热水箱补水来自集热水箱，更好的利用PVT组件所集热量，提高PVT组件热电产能。
集热水箱与水源蒸发器并联，能更好的利用热泵实现PVT组件高效的热电冷产能。
系统通过供暖、制冷、过渡季三种模式的手动切换，自动实现家庭全年热电冷的高效供应。
与现有技术相比：本发明的有益效果是：
1.本发明的光伏光热复合热泵系统可以高效的解决日常家庭的全年不同季节的热电冷需求，完全覆盖家庭用能需求类型和用能量。该系统以太阳能、空气能、夜空辐射能为能量来源，各种能源优势互补，提高系统稳定性的同时充分利用了可再生能源。
2.系统设计充分利用PVT组件一机多能的特性，PVT组件利用太阳能转换为电能和热能，同时与热泵耦合高效利用PVT组件夜空辐射制冷特性。所产生电能供应双源热泵做功实现恒温水箱的温度控制，进而实现家庭室内制冷和供暖。
3.PVT组件与双源热泵耦合，克服了单空气源热泵能耗大、能效低的缺点的同时能进一步提高PVT组件的热电冷产能，实现“1+1>2”的效果，是一套高效能、高经济性、高环保性的供能系统。
附图说明
图1为光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统示意图。
图中：1-PVT组件；2-第一电磁阀、3-第二电磁阀、8-第三电磁阀、9-第四电磁阀、17-第五电磁阀；4-集热水箱；5-水源蒸发器；6-空气源蒸发器；7-冷凝器；10-四通阀；11-压缩机；12-膨胀阀；13电动三通阀；14-生活热水箱；15-恒温水箱；16-风机盘管；18-逆变器；19-控制箱；T温度传感器测点；P1-第一循环水泵、P2-第二循环水泵、P3-第三循环水泵。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明主要针对家庭热电冷负荷需求，设计了一种可简单手动调控模式自动高效运行的光伏光热复合双源热泵供能系统，针对该系统，设计了具体的系统构件以及控制方法和策略。
一种光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统，包括PVT循环子系统、双源热泵循环子系统和末端循环子系统；
所述PVT循环子系统主要包括：PVT组件1、集热水箱4、第一循环泵P1、第一电磁阀2、第二电磁阀3、第五电磁阀17，整个循环管路采用丙二醇防冻液。
集热水箱4采用半容积式换热器，内置换热器，底部有自来水补水进口。所述PVT组件1出口与集热水箱4的换热器进口连接，且集热水箱4的换热器出口与PVT组件1进口连接管道上设置第一循环泵P1。同时，该子系统还可通过第一电磁阀2、第二电磁阀3、第五电磁阀17实现PVT组件1与集热水箱4、水源蒸发器5、恒温水箱15交换热。PVT组件1产电正负极与逆变器18连接，通过逆变器18实现直流变交流，进行发电上网。
所述双源热泵循环子系统主要包括：水源蒸发器5、空气源蒸发器6、冷凝器7、压缩机11、四通阀10、膨胀阀12、第三电磁阀8、第四电磁阀9，整个循环管路采用热泵制冷剂R134a循环。
水源蒸发器5、空气源蒸发器6、冷凝器7分别与四通阀10连接，水源蒸发器5、空气源蒸发器6并联连接并通过四通阀10与压缩机11连接，压缩机11通过四通阀10与冷凝器7连接，冷凝器7通过膨胀阀12与并联的水源蒸发器5、空气源蒸发器6连接，形成闭环回路。膨胀阀12可实现对制冷剂流量的精确控制，四通阀10通过控制，可实现制冷和供暖形式的切换，第三电磁阀8、第四电磁阀9通过控制开启实现水源/空气源/双源模式的切换。
所述末端循环子系统主要包括：生活热水箱14、恒温水箱15、第二循环泵P2、第三循环泵P3、风机盘管16，其中管路采用水循环。
生活热水箱14与集热水箱4底部出水口相连接，通过自然重力流动给生活水箱补水，PVT组件1集的热水相较于地下自来水大大提升了进水水温，生活热水箱14同时与家庭热水供给和热水回水管路相连接，为家庭提供生活热水。生活热水箱14内置电加热，同时与冷凝器7连接，通过电动三通阀13可实现热泵制热水。
恒温水箱15内置换热盘管与PVT循环子系统连接，通过第二电磁阀3可以直接和PVT组件1交换热。恒温水箱15左侧出口与第二循环泵P2进口连接，第二循环泵P2出口和冷凝器7进口连接，冷凝器7出口与恒温水箱15左侧入口连接，通过第二循环泵P2驱动水循环经过冷凝器7与双源热泵循环子系统进行热冷交换，使恒温水箱15达到设定温度范围。恒温水箱15右侧顶部出口与第三循环泵P3连接，然后与风机盘管16进口连接，风机盘管16出口与恒温水箱15右侧底部进口连接，形成换热环路，通过风机盘管16为家庭提供冬季供暖和夏季制冷。恒温水箱15底部有排污管，可定期排空水进行清理。
本发明光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统通过风机盘管16对室内制冷和供暖，通过生活热水箱14为家庭提供生活热水。系统针对不同季节有不同的运行模式，该系统所有传感器数据均实时传入控制箱19，通过控制箱19手动模式切换来智能调节不同模式下的系统运行。系统主要有供暖季、制冷季、过渡节三种模式：
1.供暖模式：自动调节四通阀10为供暖模式，可对室内供暖温度进行人工设定，根据实时室内温度T5判定进行风机盘管16的启停和流量智能控制，对室内进行供暖。将恒温水箱15在供暖季设定在供暖范围，当恒温水箱15内水温T3低于设定值时，控制箱19判断选择PVT组件1工质循环直接加热恒温水箱15或是启动热泵循环加热恒温水箱15，若启动热泵则需要判断水源蒸发器5和空气源蒸发器6单源择优工作或者双源共同工作，水源蒸发器5启动时，第一循环泵P1循环，利用PVT组件1收集的热能。
恒温水箱15加热方式的选择通过控制箱19的输入：PVT组件1出口温度T1和室外空气温度T6以及控制箱19输出：第一循环泵P1和第二电磁阀3或压缩机11、第一循环泵P1和第一电磁阀2、第三电磁阀8、第四电磁阀9来实现。
2.制冷模式：自动调节四通阀10为制冷模式，可对室内制冷温度进行人工设定，根据实时室内温度T5判定进行风机盘管16的启停和流量智能控制，对室内进行制冷。将恒温水箱15在制冷季设定在制冷范围，当恒温水箱15内水温T3高于设定值时，控制箱19判断时间段若为日间时，选择启动第二循环泵P2和压缩机11和第四电磁阀9即空气源热泵模式进行恒温水箱15制冷；若时间段为夜间时，判断水源蒸发器5和空气源蒸发器6单源择优工作或者双源共同工作，此时水源蒸发器5和空气源蒸发器6实际上作为冷凝器进行散热，水源蒸发器5启动时，第一循环泵P1循环，利用PVT组件1实现高效的夜间辐射制冷。
恒温水箱15加热方式的选择通过控制箱19的输入：时间、PVT组件1出口温度T1和室外空气温度T6以及控制箱19输出：热泵压缩机11、第一循环泵P1和第一电磁阀2、第三电磁阀8、第四电磁阀9来实现。
3.过渡季：此时建筑物无供暖和制冷需求，将闲置热泵应用于生活热水箱14的加热。当生活热水箱14内水温T4低于设定值时，控制箱19启动热泵循环加热生活热水箱14，启动热泵则需要判断水源蒸发器5和空气源蒸发器6单源择优工作或者双源共同工作，水源蒸发器5启动时，第一循环泵P1循环，利用PVT组件1收集的热能。非过渡季时，当生活热水箱14内水温T4低于设定值时，控制箱19启动生活热水箱14内置电加热装置加热生活热水箱14。
4.全年PVT循环子系统都会运行，给集热水箱4集热以及产电上网使用。通过控制箱19的输入：PVT组件1出口温度T1和集热水箱4的温度T2以及控制箱19输出：第一循环泵P1和第五电磁阀17来实现PVT组件1与集热水箱4的集热环路。当其他模式启动第一循环泵P1时，设定其它模式优先，停止该模式运行。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种光伏光热复合双源热泵的家庭热电冷联供系统，其特征在于，包括：PVT循环子系统、双源热泵循环子系统及末端循环子系统，
所述PVT循环子系统包括：PVT组件(1)、集热水箱(4)、第一循环泵(P1)、第一电磁阀(2)、第二电磁阀(3)、第五电磁阀(17)；
所述双源热泵循环子系统包括：水源蒸发器(5)、空气源蒸发器(6)、冷凝器(7)、压缩机(11)、四通阀(10)、膨胀阀(12)、第三电磁阀(8)、第四电磁阀(9)；
所述末端循环子系统包括：生活热水箱(14)、恒温水箱(15)、第二循环泵(P2)、第三循环泵(P3)、风机盘管(16)；
所述PVT组件(1)出口与集热水箱(4)的换热器进口连接，所述集热水箱(4)的换热器出口与PVT组件(1)进口连接管道上设置第一循环泵(P1)，PVT组件(1)产电正负极与逆变器(18)连接，通过逆变器(18)实现直流变交流，进行发电上网，所述PVT组件(1)通过第一电磁阀(2)与水源蒸发器(5)连接，所述PVT组件(1)通过第二电磁阀(3)与恒温水箱(15)连接；
所述水源蒸发器(5)、空气源蒸发器(6)、冷凝器(7)分别与四通阀(10)连接，水源蒸发器(5)、空气源蒸发器(6)并联连接并通过四通阀(10)与压缩机(11)连接，压缩机(11)通过四通阀(10)与冷凝器(7)连接，冷凝器(7)通过膨胀阀(12)与水源蒸发器(5)及空气源蒸发器(6)连接，形成闭环回路；膨胀阀(12)可实现对制冷剂流量的精确控制，四通阀(10)通过控制可实现制冷和供暖形式的切换，第三电磁阀(8)、第四电磁阀(9)通过控制开启实现水源/空气源/双源模式的切换；
生活热水箱(14)与集热水箱(4)底部出水口相连接，通过自然重力流动给生活水箱补水，生活热水箱(14)同时与家庭热水供给和热水回水管路相连接，为家庭提供生活热水，生活热水箱(14)内置电加热，同时与冷凝器(7)连接，通过电动三通阀(13)可实现热泵制热水；
恒温水箱(15)内置换热盘管与PVT循环子系统连接，通过第二电磁阀(3)直接和PVT组件(1)交换热，恒温水箱(15)左侧出口与第二循环泵(P2)进口连接，第二循环泵(P2)出口和冷凝器(7)进口连接，冷凝器(7)出口与恒温水箱(15)左侧入口连接，通过第二循环泵(P2)驱动水循环经过冷凝器(7)与双源热泵循环子系统进行热冷交换，使恒温水箱(15)达到设定温度范围，恒温水箱(15)右侧顶部出口与第三循环泵(P3)连接，然后与风机盘管(16)进口连接，风机盘管(16)出口与恒温水箱(15)右侧底部进口连接，形成换热环路，通过风机盘管(16)为家庭提供冬季供暖和夏季制冷。
2.根据权利要求1所述的联供系统的冬季供暖方法，其特征在于，自动调节四通阀(10)为供暖模式，对室内供暖温度进行人工设定，根据实时室内温度T5判定进行风机盘管(16)的启停和流量智能控制，对室内进行供暖，将恒温水箱(15)在供暖季设定在供暖范围，当恒温水箱(15)内水温T3低于设定值时，控制箱(19)判断选择PVT组件(1)工质循环直接加热恒温水箱(15)或是启动热泵循环加热恒温水箱(15)，若启动热泵则需要判断水源蒸发器(5)和空气源蒸发器(6)单源择优工作或者双源共同工作，水源蒸发器(5)启动时，第一循环泵(P1)循环，利用PVT组件(1)收集的热能。
3.根据权利要求1所述的联供系统的夏季供冷方法，其特征在于，自动调节四通阀(10)为制冷模式，对室内制冷温度进行人工设定，根据实时室内温度T5判定进行风机盘管(16)的启停和流量智能控制，对室内进行制冷，将恒温水箱(15)在制冷季设定在制冷范围，当恒温水箱(15)内水温T3高于设定值时，控制箱(19)判断时间段若为日间时，选择启动第二循环泵(P2)和压缩机(11)和第四电磁阀(9)即空气源热泵模式进行恒温水箱(15)制冷；若时间段为夜间时，判断水源蒸发器(5)和空气源蒸发器(6)单源择优工作或者双源共同工作，此时水源蒸发器(5)和空气源蒸发器(6)实际上作为冷凝器进行散热，水源蒸发器(5)启动时，第一循环泵(P1)循环，利用PVT组件(1)实现高效的夜间辐射制冷。
4.根据权利要求1所述的联供系统的过渡季功能方法，其特征在于，将热泵应用于生活热水箱(14)的加热，当生活热水箱(14)内水温T4低于设定值时，控制箱(19)启动热泵循环加热生活热水箱(14)，启动热泵则需要判断水源蒸发器(5)和空气源蒸发器(6)单源择优工作或者双源共同工作，水源蒸发器(5)启动时，第一循环泵(P1)循环，利用PVT组件(1)收集的热能，非过渡季时，当生活热水箱(14)内水温T4低于设定值时，控制箱(19)启动生活热水箱(14)内置电加热装置加热生活热水箱(14)。
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CN116058215A (zh) * 2023-03-28 2023-05-05 潍坊科技学院 一种用于设施农业温室的pvt热泵复合供能系统

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