CN202382474U - 太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，包含可为蓄电用户提供电能和热能的太阳能光伏/集热装置、相变蓄热装置、土壤源热泵装置和低谷电辅助加热装置，以及为空调用户提供制冷的动态制冰系统；所述土壤源热泵装置还包含四通换向阀、压缩机、土壤源测换热器、使用测换热器和排气热回收冷凝器，该土壤源热泵装置为内转换机组，通过四通换向阀的作用实现冬/夏的蒸发器与冷凝器在使用侧和土壤源侧的切换。采用上述系统，太阳能光电及光热、相变蓄热、低谷电蓄能、动态制冰和土壤源热泵各部分相互补充，达到更好的节能效果。

Description

太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统

技术领域

本实用新型涉及一种结合了太阳能光电及光热﹑相变蓄热、低谷电蓄能、动态制冰和土壤源热泵的集成加热、制冷系统，属于太阳能光电光热及机械类制冷﹑供暖和制冰设备的综合技术领域。

背景技术

太阳能是一种清洁的可再生能源，储量丰富，无污染，目前在较多领域广泛应用。目前，关于太阳能的利用主要有两个方向：光电方向和光热方向：

其中的光电方向的代表性例子是太阳能光伏发电，其是直接将太阳能转换为电能，是一种方便的太阳能利用方式，它具有运行安全可靠、无需燃料、无噪声、无污染、可就地利用、无需增设输变电设备、规模可大可小等优点，因而受到世界各国的重视。然而在太阳能的光电应用中，在光强一定的条件下，随着光伏电池自身温度的升高，其输出功率将下降。以硅电池为例，在标准条件下，其转换效率仅为12%，也就是说，照射到硅电池表面的太阳能的80%以上未能转换为电能，而其中相当一部分的能量转化为热能，并使硅电池的温度升高，导致硅电池的效率下降。

其中的光热方向的代表性例子是太阳能热水系统，其是利用太阳辐射对水进行加热的系统。由于太阳能热水系统在运行时受天气的影响较大，通常会采取热水保障系统（辅助加热系统）和储热装置来保证热水的正常供应。

相变潜热蓄热是一种能够很有效的解决热能在供给和需求上的矛盾的技术，在太阳能利用，和电力的“移峰填谷”，和余热、废热的回收等相关领域得到广泛的应用。由于相变材料的相变潜热大，蓄能密度大，传热特性好，所需容器的体积较小，温度的变化范围也较小，因而相变蓄能与传统的水蓄能相比具有更多的优点。

土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置：冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。该装置以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵装置向建筑物供热或供冷，高效热泵装置的能效比一般能达到4.0kw/h以上，因此与传统的冷水装置加锅炉的配置相比，全年的能耗可节省40%左右。而且该装置所需机房面积较小，还节省了常规系统冷却塔可观的耗水量，运行费用低；同时不会产生任何有害物质，对环境无污染，实现了环保的功效。

近年来，随着社会和经济的发展，用电结构发生了很大的变化，高峰用电负荷增加，低谷用电负荷大量减少，峰谷差不断拉大，在部分地区还实行了峰谷电价制度。因此，利用低谷电蓄能一方面可以缓解用电高峰，另一方面具有较高的经济性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于：提供一种结合了太阳能光电及光热、相变蓄热、低谷电蓄能、动态制冰和土壤源热泵的集成蓄电、加热、制冷系统，各部分相互补充，达到更好的节能效果。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于包括：

可为蓄电用户提供电能的太阳能光伏装置，可为热水用户提供热能的太阳能集热装置、相变蓄热装置、土壤源热泵装置和低谷电辅助加热装置，以及为空调用户提供制冷的动态制冰系统；

所述土壤源热泵装置还包含四通换向阀、压缩机、土壤源测换热器、使用测换热器和排气热回收冷凝器，所述四通换向阀分别与压缩机、土壤源侧换热器、使用侧换热器和排气热回收冷凝器连接，所述土壤源侧换热器通过电子膨胀阀与使用侧换热器连接，所述压缩机与排气热回收冷凝器连接；同时，所述排气热回收冷凝器向热水用户供热，所述使用侧换热器与空调用户换热。

作为上述技术方案的一种优选方式：所述太阳能光伏装置与太阳能集热装置的太阳能转换装置为一体化的太阳能光伏/集热板，所述太阳能光伏/集热板的正面为太阳能光伏电池，太阳能光伏/集热板上还设有导热性能较好的换热水箱，所述的换热水箱与热水用户连接。

作为上述技术方案的另一种优选方式：所述太阳能光伏装置还包含储能蓄电池、充放电控制器、电源逆变器和用户的直流及交流负载。

作为上述技术方案的进一步的优选方式：所述相变蓄热装置、低谷电辅助加热器连接与太阳能集热装置并联连接。

作为上述技术方案的再一种优选方式：所述动态制冰系统包含制冰发生器及与所述制冰发生器连接的蓄冰槽，所述蓄冰槽与所述空调用户通过双向管道连接。

作为上述再一种优选方式的改进：所述使用侧换热器的空调用户换热侧的换热输出端经阀门与所述制冰发生器连接。

作为上述改进的技术方案的进一步改进：所述蓄冰槽经电加热器与所述使用侧换热器的空调用户换热侧的换热输入端连接。

作为上述进一步改进的技术方案的更进一步改进：所述制冰发生器、蓄冰槽与使用侧换热器的空调用户换热侧之间可循环连接。

作为上述技术方案的又一种优选方式：太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统还包含控制装置。

作为上述又一种优选方式的改进：系统的管路中还设有多个阀门、循环泵和给水泵，且均由控制装置控制。

采用上述技术方案，本实用新型相对于现有技术达到了如下有益效果：

本实用新型主要由太阳能光伏/集热装置，相变蓄热装置，动态制冰系统及土壤源热泵等部分组成，所以可以对各个部分进行单独的测试，也可以对系统进行整体测试。系统集成了太阳能光伏、光热装置，相变储能器，动态制冰系统及土壤源热泵的优点，并将几个部分整合为一个系统，互相补充，达到很好的节能效果。

对于太阳能光伏部分，通过太阳能光伏电池产生的电能经过逆变器转换后可以直接供给用户使用，如用来驱动土壤源热泵的运行等，当光照充足、产生的电能较多时，可以通过储能蓄电池将多余的电能储存起来，以备使用，可以实现能量的充分利用及能量在时间上的转移及转化，对缓解用电紧张有较好的帮助。

对于太阳能集热装置和相变蓄热装置部分，相变蓄热装置利用相变材料的潜热进行蓄热，因为相变材料的蓄能密度大，相变温度基本恒定，可以大大减少储热设备的容积。在此部分中还并联了一个低谷电辅助加热装置，可以利用低谷电来加热水，并将热量储存在相变储能器中。可以实现太阳能和电力的“移峰填谷”，大大提高了经济性。

对于土壤源热泵装置部分，可以在夏季制冷工况下对热泵的各项制冷性能参数进行测试，同时可以结合制冰系统，对动态制冰的效果进行测试。在冬季制热工况下，关闭制冰系统，只对制热部分进行测试。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步的说明，其中：

图1是本实用新型太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统的优选实施方式的结构示意图。

具体零部件的附图标记说明：

1：太阳能光伏/集热装置；2：相变蓄热装置；3：低谷电辅助加热装置；4：土壤源热泵装置；5：为空调用户提供制冷的动态制冰系统；6：生活热水箱；

1a：太阳能光伏/集热板；1b：充放电控制器；1c：电源逆变器：1e：直流负载；1d：交流负载；1f：储能蓄电池； 

4a：四通换向阀；4b：压缩机；4c排气热回收冷凝器；4d：土壤源测换热器；4e：地下换热器；4f：电子膨胀阀；4g：使用测换热器； 

5a：制冰发生器；5b：蓄冰槽；5c：电加热器；

f1：1号阀门；f2：2号阀门；f3：3号阀门；f4：4号阀门；f5：5号阀门；f6：6号阀门；f7：7号阀门；f8：8号阀门；f9：9号阀门；f10：10号阀门；f11：11号阀门；f12：12号阀门；f13：13号阀门；f14：14号阀门；f15：15号阀门。

具体实施方式

图1显示的是本实用新型太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统的优选实施方式。如图1所示，本实施方式的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，包括：

可为蓄电用户提供电能的太阳能光伏装置和可为热水用户提供热能的太阳能集热装置1、相变蓄热装置2、土壤源热泵装置4和低谷电辅助加热装置3，以及为空调用户提供制冷的动态制冰系统5；

所述太阳能光伏装置与太阳能集热装置的太阳能转换装置为一体化的太阳能光伏/集热板1a，所述太阳能光伏/集热板1a的正面为太阳能光伏电池，太阳能光伏/集热板1a上还设有导热性能较好的换热水箱，所述的换热水箱（图上未显示）与通过生活热水箱6与热水用户连接；

所述太阳能光伏装置还包含储能蓄电池1f、充放电控制器1b、电源逆变器1c和用户的直流1e及交流负载1d。

上述相变蓄热装置2、低谷电辅助加热器3可以与太阳能光伏/集热板1a并联连接。

所述土壤源热泵装置4包含四通换向阀4a、压缩机4b、土壤源测换热器4d、使用测换热器4g和排气热回收冷凝器4c，所述四通换向阀4a分别与压缩机4b、土壤源侧换热器4d、使用侧换热器4g和排气热回收冷凝器4c连接，所述土壤源侧换热器4d通过电子膨胀阀4f与使用侧换热器连接4g，所述压缩机4b与排气热回收冷凝器4c连接；同时，所述排气热回收冷凝器4c通过供水管道及生活热水箱6向热水用户供热，所述使用侧换热器4g与空调用户换热。

上述土壤源侧换热器4d通过管道与地下换热器4e进行换热。

所述动态制冰系统5包含制冰发生器5a及与所述制冰发生器5a连接的蓄冰槽5b，所述蓄冰槽5b与所述空调用户通过双向管道连接。

所述使用侧换热器4g的空调用户换热侧的换热输出端经阀门与所述制冰发生器5a连接，所述蓄冰槽5b经电加热器5c与所述使用侧换热器4g的空调用户换热侧的换热输入端连接，且所述蓄冰槽5b与使用侧换热器4g的空调用户换热侧之间设有阀门和循环泵。

采用上述结构的系统，太阳能光伏/集热1和相变蓄热模块2中，太阳能光伏/集热板1a可以作为防水层安装在建筑的坡屋顶上，也可以安装在建筑的向阳侧外墙，能够地实现与建筑的高度一体化设计。在太阳光的照射下，通过太阳能光伏电池1a产生的电能经过逆变器1c转换后可以直接供给用户使用，如用来驱动土壤源热泵4的运行等，当光照充足、产生的电能较多时，可以通过储能蓄电池1f将多余的电能储存起来，以备使用。在太阳能光伏/集热板1a中，通过换热水箱中的循环水能够及时将太阳能光伏电池上的热量带走，防止了太阳能电池表面温度出现过高的情况，确保了太阳能电池的发电效率，同时又能制取相应的热水。优先利用太阳能光伏/集热装置进行供热，夜间利用低谷电加热3，将热量存储于相变蓄热器2中，在夜间或白天阳光不足时辅助供热。具体实施时是通过各个阀门的开闭来进行控制的。此部分可以充分利用太阳能和低谷电能，经济性大大提高。

夏季制冷工况下，当晚上空调冷负荷稍小且处于用电低谷时，可以通过调节热泵装置制冷剂的温度，使其达到-8℃左右，用于制取过冷水，通过制冰发生器5a对其过冷状态的解除，得以制取冰浆，即冰晶状流动二元冰，并储存在蓄冰槽中5b，待到白天用电负荷高峰时供空调用户使用，可以缓解用电高峰，且具有较好的经济性。

在土壤源热泵装置4中，较佳的是使用螺杆式压缩机4b，能保证最低供冷温度达到-7～-12度，满足动态制冰的要求。该土壤源热泵装置为内转换机组，通过制冷系统中的四通换向阀4a，实现冬/夏季的蒸发器与冷凝器在使用侧和土壤源侧的切换。夏季制冷运行时，蒸发器即为使用侧换热器4g；冬季制热运行时，冷凝器为使用侧换热器4g。在该热泵装置中增加了热回收冷凝器4c，从压缩机排出的高温﹑高压的制冷剂气体会优先进入到热回收冷凝器4c中，将热量释放给被预热的水，可供热用户使用。值得注意的是，热水的出水温度越高，冷水装置的效率就越低，制冷量也会相应的减少。

进一步优选所述太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统还包含控制装置，由所述控制装置控制系统的工作模式，工作模式包括夏季工作模式、冬季工作模式和过度季节模式，能够实现能量的跨季节储存。作为一种改进，系统的管路中还设有多个阀门、循环泵和给水泵，且均由控制装置控制。

上述夏季工作模式、冬季工作模式和过度季节模式可以分别包含下述工作步骤：

（1）夏季工作模式

通过切换装置中的四通换向阀来进行制冷和制热工况的转换。

在夏天，土壤源热泵装置4为制冷工况。制冷工况时制冷剂在四通换向阀中的走向如图中实线所示。此时土壤源侧换热器4d为冷凝器，使用侧换热器4g为蒸发器。经螺杆式压缩机4b压缩后的制冷剂蒸汽依次通过排气热回收冷凝器4c，土壤源侧换热器4d，电子膨胀阀4f，使用侧换热器4g，四通换向阀4a，然后回到压缩机4b中，完成制冷剂循环。

在排气热回收冷凝器4c中，高温高压的制冷剂蒸汽向自来水放热，制取生活热水供用户使用，此时制冷剂蒸汽部分冷却冷凝为高压液体。经过土壤源侧换热器4d后，多余的热量转移到土壤中，制冷剂则完全被冷却为高压液体。在使用侧换热器4g中，通过制冷剂蒸发吸热来制取冷冻水或过冷水，供空调用户使用。

如图所示，装置在白天工作时，开启9号阀门f9、14号及15号阀门f14、f15，关闭10号阀门f10。经蒸发器换热后制取的冷冻水通过f9号阀门所在的管道送给空调用户，冷冻水回水经过14，15号阀门f14、f15回到蒸发器完成冷冻水循环。当在晚上冷负荷较小且处于用电低谷期时，关闭9号阀门f9，开启10号阀门f10，并通过调节压缩机频率来调节制冷量，制取-5℃的过冷水。过冷水通过10号阀门f10的管路流向制冰发生器。过冷水流入制冰发生器5a后，受制冰发生器内部安装的电磁机械振动器作用，失去相态的平衡，解除过冷水的过冷状态，相变生成冰水混合物，形成冰晶状的二元冰流入蓄冰槽5b。通过循环泵由蓄冰槽5b向空调用户提供二元冰，并将供应空调用户的二元冰释冷融化后形成的水送回蓄冰槽5b。蓄冰槽5b中的水在循环泵的作用下，通过电加热器5c后被送回至蒸发器，进行循环连续的制取二元冰。图1中电加热器5c的作用是使水中的小冰晶完全融化，防止水过冷后由于有小冰晶的存在而结冰，堵塞管路。

在白天用电高峰期，关闭制冰系统5，只由热泵装置4制取冷冻水向空调用户供冷。待到非用电高峰期时，可以由土壤源热泵装置4和蓄冰槽5b共同供冷。

对于太阳能光伏/集热部分1，因为夏季白天阳光充足，在太阳光的照射下，通过太阳能光伏电池1a产生的电能经过逆变器1c转换后可以直接供给用户使用，如用来驱动土壤源热泵装置4的运行等，产生的电能较多时，可以通过储能蓄电池1f将多余的电能储存起来，以备使用。经太阳能光伏/集热板1a的换热水箱产生的热水可直接供用户使用，多余的热水可流向相变蓄热器2，通过相变材料的相变作用以潜热的方式把热量储存在相变蓄热器2中。冷却后的水回到太阳能光伏/集热板1a的换热水箱中继续换热。到晚上没有阳光时，可以将自来水送至相变蓄热器2，吸收相变潜热制取热水供用户使用。可以实现太阳能在时间上的转移。

（2）冬季工作模式

在冬天，土壤源热泵装置4为制热工况。制热工况时制冷剂在四通换向阀4a中的走向如图中虚线所示。此时，土壤源侧换热器4d为蒸发器，使用侧换热器4g为冷凝器。制冷剂在土壤源侧换热器4d中蒸发吸热，从地下换热器4e之中的地下循环水中提取热量，在热回收冷凝器4c和使用侧换热器4g中释放热量，制取热水。

冬季制冰系统关闭，在使用侧换热器4g中制取的热水通过9号阀门f9所在的管路输送给空调用户制取暖气，回水在泵的作用下回到使用侧换热器4g完成空调热水的循环。

对于太阳能光伏/制热1部分，因为冬季阳光不足，特别是雨雪天气，由太阳能光伏/集热板1a的换热水箱中制取的热水量较少。可以在夜间利用低谷电3来加热水，并通过热水将热量储存在相变蓄热器2中。白天可以利用相变蓄热器2中储存的热量来制取热水，供用户使用。可以实现电能的“移峰填谷”。

（3）过度季节工作模式

由于土壤源热泵系统4存在冬夏季土壤换热量不平衡的问题，夏季冷负荷通常大与冬季热负荷，即夏季排入土壤中的热量大于冬季从土壤中抽取的热量，长此以往，将会造成土壤的热堆积，影响土壤源热泵系统4的运行安全。

过度季节工作模式的核心思路就是在春、秋季节抽取土壤中的热量来制取生活热水，尽量实现从土壤中的取热量和排热量的平衡，可以实现能量的跨季节储存。制冷剂在四通换向阀4a中的走向如图中虚线所示。此时，土壤源侧换热器4d为蒸发器，使用侧换热器4g为冷凝器。制冷剂在土壤源侧换热器4d中蒸发吸热，从地下循环水中提取热量，在热回收冷凝器4c中释放全部热量，制取生活热水。使用侧换热器4g部分所有装置均不工作。

上面结合附图与具体实施方式对本实用新型做了详细的说明，但本实用新型并不限于此，任何本技术领域的技术人员在所具备的知识范围内，在不违背本实用新型宗旨的前提下，可以对其作出各种变形与修改。

Claims (1)

1.太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，包括：可为蓄电用户提供电能的太阳能光伏装置，可为热水用户提供热能的太阳能集热装置、相变蓄热装置、土壤源热泵装置和低谷电辅助加热装置，以及为空调用户提供制冷的动态制冰系统；其特征在于：

所述土壤源热泵装置还包含四通换向阀、压缩机、土壤源测换热器、使用测换热器和排气热回收冷凝器，所述四通换向阀分别与压缩机、土壤源侧换热器、使用侧换热器和排气热回收冷凝器连接，所述土壤源侧换热器通过电子膨胀阀与使用侧换热器连接，所述压缩机与排气热回收冷凝器连接；同时，所述排气热回收冷凝器向热水用户供热，所述使用侧换热器与空调用户换热。

2.  根据权利要求1所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：所述太阳能光伏装置与太阳能集热装置的太阳能转换装置为一体化的太阳能光伏/集热板，所述太阳能光伏/集热板的正面为太阳能光伏电池，太阳能光伏/集热板上还设有导热性能较好的换热水箱，所述的换热水箱与热水用户连接。

3.  根据权利要求2所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：所述太阳能光伏装置还包含储能蓄电池、充放电控制器、电源逆变器和用户的直流及交流负载。

4.  根据权利要求2所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：所述相变蓄热装置、低谷电辅助加热器与太阳能光伏/集热板并联连接。

5.  根据权利要求1所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：所述动态制冰系统包含制冰发生器及与所述制冰发生器连接的蓄冰槽，所述蓄冰槽与所述空调用户通过双向管道连接。

6.  根据权利要求5所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：所述使用侧换热器的空调用户换热侧的换热输出端经阀门与所述制冰发生器连接。

7.  根据权利要求6所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：所述蓄冰槽经电加热器与所述使用侧换热器的空调用户换热侧的换热输入端连接。

8.  根据权利要求7所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：所述蓄冰槽与使用侧换热器的空调用户换热侧之间设有阀门和循环泵。

9.  根据权利要求1-8任一项所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统还包含控制装置。

10.  根据权利要求9所述的太阳能、地热一体化集成蓄电、加热、制冷系统，其特征在于：系统的管路中还设有多个阀门、循环泵和给水泵，且均由控制装置控制。 

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