CN204345832U - 太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统 - Google Patents

Abstract

太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统，属于热泵供暖空调技术领域。该系统主要由太阳能集热器、季节性蓄能装置、夜间蓄能装置、第一热交换器、第二热交换器、空气源热泵冷热水机组和水源热泵热水机组等组成。所述太阳能集热器用于收集一年四季的太阳能，通过第一热交换器蓄存在季节性蓄能装置中；所述空气源热泵冷热水机组可根据室外环境空气温度情况单独运行，或与水源热泵热水机组联合构成双级耦合热泵系统运行。空气源热泵冷热水机组或与水源热泵构成的双级耦合热泵系统一般运行在夜间低谷电时段，制取热（或冷）量蓄存在夜间蓄能装置中。系统供热时优先利用夜间蓄能装置储存的热量，不足热量由季节性蓄能装置储存的能量进行补充，当季节性蓄能装置内温度较高时，通过第二热交换器直接供暖；当季节性蓄能装置内温度不能满足供暖要求时，可作为水源热泵系统的低温热源供暖。当夜间蓄能装置冷量不足时，可运行空气源热泵冷热水机组补充。本发明实现了太阳能和环境空气热能的高效利用，利用了低谷电蓄热和蓄冷技术具有较好的经济性，特别适用于严寒或寒冷地区距集中供热热网管线较远且对大气环境要求严格的地区。

Description

太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统

技术领域

本实用新型属于热泵供暖空调技术领域，本实用新型涉及太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统，特别适用于严寒或寒冷地区距集中供暖热网管线较远且对大气环境要求严格地区的民用建筑、宾馆、办公建筑等。

背景技术

目前，由于集中供暖受地理位置的限制，对于严寒或寒冷地区特别偏远的地方，集中供暖很难实现，若采用电热炉或电热地暖的形式进行供暖，则会导致高品位能向低品位能转变的浪费；若采用燃气锅炉、燃煤锅炉等进行供暖，燃料燃烧不完全会产生CO₂、SO₂等对环境有害的气体，对于大气环境要求严格的地区，这些供暖方式是不能使用的。因此以太阳能、环境空气热能为低温热源的热泵空调系统被逐渐应用于寒冷地区的民用建筑供热领域，然而以单一热源为热泵机组的低温热源在寒冷地区进行空调供暖时，往往存在各种问题。如空气源热泵机组在温度过低时，室外的换热器表面会结霜，导致压缩机容积效率下降，制热量下降，有时甚至无法启动，现有的空气源热泵机组通常采用电辅热的方式保障供暖效果，机组综合运行性能下降。而由于太阳能具有低能流密度、间歇性和不稳定性的特点，以太阳能为热源的热泵系统往往需要较大的集热器面积，同时需要辅助热源，虽然系统节能性较好，但系统复杂，初投资较高，经济性差。为了克服不能使用集中供暖的边远地区和对大气环境要求严格地区的问题及单一自然能源热泵系统存在的问题，将多种自然能源综合互补利用是良好的解决方案，本实用新型提出太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统，该系统实现了太阳能、环境空气能的交替利用，并且结构紧凑，便于安装，运行控制灵活。

本实用新型的技术方案如下：

太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统，该供暖空调系统包含太阳能集热器1、第一热交换器2、第二热交换器3、季节性蓄能装置4、空气源热泵冷热水机组5、水源热泵热水机组6和夜间蓄能装置7等组成；所述的太阳能集热器1的出口与第一热交换器2的热侧入口相连；第一热交换器2的热侧出口经第一循环泵8与太阳能集热器1的入口相连；所述的季节性蓄能装置4蓄热循环管路出口经第二循环泵9与第一热交换器2的冷侧入口相连；第一热交换器2的冷侧出口与季节性蓄能装置4蓄热循环管路入口相连；所述的季节性蓄能装置4的取热循环管路出口经第三循环泵10和第一阀门15与第二热交换器3的热侧入口相连；第二热交换器3的热侧出口经第二阀门16与季节性蓄能装置4的取热循环管路入口相连；所述的第二热交换器3的冷侧出口经第七循环泵14与用户的供水管道相连；第二热交换器3的冷侧入口与用户的回水管道相连；所述的空气源热泵冷热水机组5冷凝器侧冷却水出口经第八阀门22与夜间蓄能装置7的蓄热环路入口相连；空气源热泵冷热水机组5冷凝器侧冷却水入口经第四循环泵11和第五阀门19与夜间蓄能装置7的蓄热环路出口相连；所述的水源热泵热水机组6蒸发器侧冷冻水入口与空气源热泵冷热水机组冷凝器侧冷却水出口相连；水源热泵热水机组6蒸发器侧冷冻水出口经第四阀门18和第四循环泵11与空气源热泵冷热水机组5的冷凝器侧冷却水入口相连；所述的水源热泵热水机组6蒸发器侧冷冻水入口经第七阀门21和第三循环泵10与季节性蓄能装置4的取热循环管路出口相连；水源热泵热水机组6蒸发器侧冷冻水出口经第四阀门18、第三阀门17和第二阀门16与季节性蓄能装置4的取热循环管路入口相连；水源热泵热水机组6冷凝器侧冷却水入口经第六阀门20与夜间蓄能装置7蓄热环路出口相连；水源热泵热水机组6冷凝器侧冷却水出口经第五循环泵12与夜间蓄能装置7蓄热环路入口相连；所述的夜间蓄能装置7蓄热环路出口经第六循环泵13和第十阀门24与第二换热器3的热侧入口相连；夜间蓄能装置7蓄热环路入口经第九阀门23与第二换热器3的热侧出口相连；

本实用新型所述的空气源热泵冷热水机组为三工况机组，可以运行制冷工况、低温制热工况、高温制热工况；

本实用新型所述的季节性蓄能装置和夜间蓄能装置可以是开式换热装置也可以是闭式换热装置。蓄热介质可以是水、土壤、砂石、相变材料或者是其中几种的组合；

本实用新型所述的与季节性蓄能装置蓄热循环管路相连的第二循环泵，与取热循环管路相连的第三循环泵，与夜间蓄能装置蓄热管路相连的第六循环泵为潜水泵或者普通循环泵；与太阳能集热器相连的第一循环泵，与用户侧管路相连的第七循环泵，与空气源热泵冷凝器侧相连的第四循环泵，与水源热泵热水机组冷凝侧相连的第五循环泵为普通循环泵。

本实用新型提供的综合利用太阳能和空气能的供暖空调系统的运行方法，其特征在于：所述的综合利用太阳能和空气能的供暖空调系统的运行方法包括以下十种运行模式：

⑴太阳能-季节性蓄能装置蓄热模式，该模式运行在全年系统停止供暖或者是系统利用夜间蓄能装置进行供暖时，将太阳能集热器收集到的太阳热通过第一热交换器蓄存在季节性蓄能装置中。

⑵空气源热泵冷热水机组单级蓄热模式，该模式运行在供暖初期和末期室外环境温度较高，空气源热泵冷热水机组性能比较好的夜间低谷电时段，该模式利用夜间低谷电将空气热能蓄存在夜间蓄能装置中，以作为白天供热的热源。

⑶空气源-水源热泵耦合蓄热模式，该模式运行在室外空气温度较低时期的夜间谷电时段，该模式利用夜间低谷电将空气热能蓄存在夜间蓄能装置中，以作为白天供热的热源。

⑷季节性蓄能装置作为水源热泵低温热源蓄热模式，该模式运行在季节性蓄能装置的温度较低不足以满足用户需求时的夜间谷电时段，将季节性蓄能装置作为水源热泵热水机组的低温热源对夜间蓄能装置进行蓄热时，该模式利用夜间低谷电将季节性蓄热装置中的热能蓄存在夜间蓄能装置中，以作为白天供热的热源。

⑸空气源热泵冷热水机组单级蓄冷模式，该模式运行在季节性蓄能装置不足以供给用户的冷负荷且空气源热泵的性能良好的夜间低谷电时段，该模式利用夜间低谷电将空气冷能蓄存在夜间蓄能装置中，以作为白天供冷的冷源。

⑹季节性蓄能装置作为水源热泵冷源蓄冷模式，该模式运行在空气源热泵冷热水机组单级蓄冷的冷量不足以满足用户需求时的夜间谷电时段，将季节性蓄能装置作为水源热泵热水机组的冷源对夜间蓄能装置进行蓄冷时，该模式利用夜间低谷电将季节性蓄能装置中的冷能蓄存在夜间蓄能装置中，以作为白天供冷的冷源。

⑺季节性蓄能装置供暖模式，该模式运行在室外空气温度较低，空气源热泵蓄热量不足而季节性蓄能装置温度满足供暖要求时，对用户进行直接供暖。

⑻夜间蓄能装置供暖模式，该模式运行在夜间蓄能装置温度满足供暖条件时，由于每天晚上都对夜间蓄能装置进行蓄热，所以可以白天将蓄存的热量用于供给用户。

⑼季节性蓄能装置供冷模式，该模式运行在供冷初期，由于供暖期的长期从季节性蓄热装置里取热，使供冷初期其温度较低，可以用于向用户供冷，或者在供冷期季节性蓄热装置温度不能达到供冷需求时，夜晚可以作为水源热泵热水机组的低温冷源对夜间蓄能装置进行蓄冷。

⑽夜间蓄能装置供冷模式，该模式运行在夜间蓄能装置温度满足供冷条件时，由于每天晚上都对夜间蓄能装置进行蓄冷，所以可以白天将蓄存的冷量用于供给用户。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型实现了空气能与太阳能的优势互补，解决了太阳能能流密度低、间歇性、不稳定性及空气源热泵机组低温制热性能差的问题，提高了系统的稳定性；多种热源互补利用，有效利用了可再生能源，减少了常规能源的使用；

2、本实用新型实现了空气源热泵冷热水机组的单级蓄能模式和空气源-水源热泵双级耦合蓄热模式，多种工况进行切换，提高了系统的灵活性和高效性；双级耦合蓄能模式降低了压缩机压比，提高了空气源热泵的低温制热性，使冬季供暖模式的能源利用率大大提高；

3、本实用新型通过夜间利用低谷电进行蓄能，有效地利用低谷电进行移峰填谷，缓解了电荷峰谷差的矛盾。由于昼夜间的电价差，使得系统的运行费用大大降低，提高了系统的经济性。

附图说明

图1为本实用新型的综合利用太阳能和空气能的供暖空调系统的原理图；

图2为本实用新型的太阳能-季节性蓄能装置蓄热的原理图；

图3为本实用新型的空气源热泵冷热水机组单级蓄能的原理图；

图4为本实用新型的空气源-水源热泵耦合蓄热的原理图；

图5为本实用新型的季节性蓄能装置作为水源热泵冷热源蓄能的原理图；

图6为本实用新型的季节性蓄能装置供暖（冷）方式的原理图；

图7为本实用新型的夜间蓄能装置供暖（冷）方式的原理图；

图1-图7中附图标记的名称如下：1-太阳能集热器、 2-第一热交换器、3-第二热交换器、 4-季节性蓄能装置、5-空气源热泵冷热水机组、 6-水源热泵热水机组 、7-夜间蓄能装置、 8-第一循环泵、 9-第二循环泵 、10-第三循环泵 、11-第四循环泵、 12-第五循环泵、 13-第六循环泵、 14-第七循环泵、 15-第一阀门、 16-第二阀门 、17-第三阀门 、18-第四阀门、 19-第五阀门、 20-第六阀门 、21-第七阀门 、22-第八阀门、 23-第九阀门 、24-第十阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

图1为综合利用太阳能和空气能的供暖空调系统的原理图，该供暖空调系统包含太阳能集热器1、第一热交换器2、第二热交换器3、季节性蓄能装置4、空气源热泵冷热水机组5、水源热泵热水机组6和夜间蓄能装置7等组成；所述的太阳能集热器1的出口与第一热交换器2的热侧入口相连；第一热交换器2的热侧出口经第一循环泵8与太阳能集热器1的入口相连；所述的季节性蓄能装置4蓄热循环管路出口经第二循环泵9与第一热交换器2的冷侧入口相连；第一热交换器2的冷侧出口与季节性蓄能装置4蓄热循环管路入口相连；所述的季节性蓄能装置4的取热循环管路出口经第三循环泵10和第一阀门15与第二热交换器3的热侧入口相连；第二热交换器3的热侧出口经第二阀门16与季节性蓄能装置4的取热循环管路入口相连；所述的第二热交换器3的冷侧出口经第七循环泵14与用户的供水管道相连；第二热交换器3的冷侧入口与用户的回水管道相连；所述的空气源热泵冷热水机组5冷凝器侧冷却水出口经第八阀门22与夜间蓄能装置7的蓄热环路入口相连；空气源热泵冷热水机组5冷凝器侧冷却水入口经第四循环泵11和第五阀门19与夜间蓄能装置7的蓄热环路出口相连；所述的水源热泵热水机组6蒸发器侧冷冻水入口与空气源热泵冷热水机组冷凝器侧冷却水出口相连；水源热泵热水机组6蒸发器侧冷冻水出口经第四阀门18和第四循环泵11与空气源热泵冷热水机组5的冷凝器侧冷却水入口相连；所述的水源热泵热水机组6蒸发器侧冷冻水入口经第七阀门21和第三循环泵10与季节性蓄能装置4的取热循环管路出口相连；水源热泵热水机组6蒸发器侧冷冻水出口经第四阀门18、第三阀门17和第二阀门16与季节性蓄能装置4的取热循环管路入口相连；水源热泵热水机组6冷凝器侧冷却水入口经第六阀门20与夜间蓄能装置7蓄热环路出口相连；水源热泵热水机组6冷凝器侧冷却水出口经第五循环泵12与夜间蓄能装置7蓄热环路入口相连；所述的夜间蓄能装置7蓄热环路出口经第六循环泵13和第十阀门24与第二换热器3的热侧入口相连；夜间蓄能装置7蓄热环路入口经第九阀门23与第二换热器3的热侧出口相连。

图2-图7分别为本实用新型的不同运行模式的原理图。

下面结合附图说明本实用新型的使用过程：

图2为太阳能-季节性蓄能装置蓄热模式原理图，该模式运行在全年系统停止供暖或者是系统利用夜间蓄能装置进行供暖时，开启太阳能集热器1及第一热交换器2、第一循环泵8及第二循环泵9，关闭第三循环泵10及第二阀门16，将太阳能集热器1收集到的太阳热通过第一热交换器2蓄存在季节性蓄能装置4中。

图3为空气源热泵冷热水机组单级蓄热模式原理图，该模式运行在供暖初期和末期室外环境温度较高（当t>t₁时），空气源热泵冷热水机组性能比较好的夜间低谷电时段，此时系统开启空气源热泵冷热水机组5、第四循环泵11、第五阀门19和第八阀门22，关闭水源热泵热水机组6、第五循环泵12及第六循环泵13、第三阀门17、第四阀门18、第六阀门20、第七阀门21、第九阀门23。该模式利用夜间低谷电将空气热能蓄存在夜间蓄能装置7中，以作为白天供热的热源；夏季空气源热泵冷热水机组单级蓄冷模式原理图与图3相同，该模式运行在季节性蓄能装置（4）不足以供给用户的冷负荷且空气源热泵的性能良好的夜间低谷电时段，此时系统开启空气源热泵冷热水机组5、第四循环泵11、第五阀门19和第八阀门22，关闭水源热泵热水机组6、第五循环泵12及第六循环泵13、第三阀门17、第四阀门18、第六阀门20、第七阀门21、第九阀门23。该模式利用夜间低谷电将空气冷能蓄存在夜间蓄能装置（7）中，以作为白天供冷的冷源。

图4为空气源-水源热泵耦合蓄热模式原理图，该模式运行在室外空气温度较低时期（当t₂<t<t₁时）的夜间谷电时段，此时系统开启空气源热泵冷热水机组5及水源热泵热水机组6、第四循环泵11及第五循环泵12、第四阀门18、第六阀门20，关闭第六循环泵13、第三阀门17、第五阀门19、第七阀门21、第八阀门22、第九阀门23。该模式利用夜间低谷电将空气热能蓄存在夜间蓄能装置7中，以作为白天供热的热源。

图5为季节性蓄能装置作为水源热泵低温热源蓄热模式原理图，该模式运行在季节性蓄能装置的温度较低（当t'<t₃时），不足以满足用户需求时的夜间谷电时段，将季节性蓄能装置作为水源热泵热水机组的低温热源对夜间蓄能装置进行蓄热时，此时系统开启水源热泵热水机组6、第三循环泵10及第五循环泵12、第二阀门16、第三阀门17、第四阀门18、第六阀门20、第七阀门21，关闭第四循环泵11及第六循环泵13、第五阀门19、第八阀门22、第九阀门23。该模式利用夜间低谷电将季节性蓄热装置中的热能蓄存在夜间蓄能装置7中，以作为白天供热的热源；夏季季节性蓄能装置作为水源热泵冷源蓄冷模式原理图与图5相同，该模式运行在空气源热泵冷热水机组单级蓄冷的冷量不足以满足用户需求时的夜间谷电时段，将季节性蓄能装置作为水源热泵热水机组的冷源对夜间蓄能装置进行蓄冷时，此时系统开启水源热泵热水机组6、第三循环泵10及第五循环泵12、第二阀门16、第三阀门17、第四阀门18、第六阀门20、第七阀门21，关闭第四循环泵11及第六循环泵13、第五阀门19、第八阀门22、第九阀门23。该模式利用夜间低谷电将季节性蓄热装置中的热能蓄存在夜间蓄能装置7中，以作为白天供热的热源。

图6为季节性蓄能装置供暖模式原理图，该模式运行在室外空气温度较低（当t<t₂时），空气源热泵蓄热量不足而季节性蓄能装置温度（当t'>t₃时）满足供暖要求时，此时系统开启第二换热器3、第三循环泵10及第七循环泵14、第一阀门15及第二阀门16，关闭第三阀门17、第七阀门21、第九阀门23及第十阀门24，构成供暖环路进行供暖；夏季季节性蓄能装置供冷模式原理图与图6相同，该模式运行在供冷初期，由于供暖期的长期从季节性蓄热装置4里取热，使供冷初期其温度较低，可以用于向用户供冷，此时系统开启第二换热器3、第三循环泵10及第七循环泵14、第一阀门15及第二阀门16，关闭第三阀门17、第七阀门21、第九阀门23及第十阀门24，构成供冷环路进行供冷，且冷凝热蓄存在季节性蓄热装置4中。

图7为夜间蓄能装置供暖模式原理图，该模式运行在夜间蓄能装置温度满足供暖条件时，由于每天晚上都对夜间蓄能装置7进行蓄热，所以白天可以将蓄存的热量用于供给用户，此时系统开启第二换热器3、第六循环泵13及第七循环泵14、第九阀门23及第十阀门24，关闭第五循环泵12、第一阀门15、第二阀门16、第三阀门17、第五阀门19、第六阀门20、第八阀门22，构成供暖环路对用户进行供暖；夏季夜间蓄能装置供冷模式原理图与图7相同，该模式运行在夜间蓄能装置温度满足供冷条件时，由于每天晚上都对夜间蓄能装置进行蓄冷，所以可以白天将蓄存的冷量用于供给用户，此时系统开启第二换热器3、第六循环泵13及第七循环泵14、第九阀门23及第十阀门24，关闭第五循环泵12、第一阀门15、第二阀门16、第三阀门17、第五阀门19、第六阀门20、第八阀门22，构成供冷环路对用户进行供冷。

在具体实施中，空气源热泵冷热水机组在可以实现三工况运行模式，当空气源热泵冷热水机组用于单级蓄冷时可以制取4~7℃的冷水；当空气源热泵冷热水机组只是用于单级蓄热时可以制取40~50℃的热水，而在和水源热泵双级耦合蓄热时就只是作为第一级的制热，此时可以制取10~20℃的热水，而水源热泵机组则可以制取50~60℃的热水。

在具体实施中，各个时期的分区温度可视具体情况而定，例如：冬季供暖模式中，室外温度t的两个分区温度t₁可取-5~0℃，t₂可取-20~-25℃；季节性蓄能装置中所蓄存的温度t'的分区温度t₃可取35~45℃。

Claims (4)

1.太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统，该系统包含太阳能集热器（1）、第一热交换器（2）、第二热交换器（3）、季节性蓄能装置（4）、空气源热泵冷热水机组（5）、水源热泵热水机组（6）和夜间蓄能装置（7）等组成；所述的太阳能集热器（1）的出口与第一热交换器（2）的热侧入口相连；第一热交换器（2）的热侧出口经第一循环泵（8）与太阳能集热器（1）的入口相连；所述的季节性蓄能装置（4）蓄热循环管路出口经第二循环泵（9）与第一热交换器（2）的冷侧入口相连；第一热交换器（2）的冷侧出口与季节性蓄能装置（4）蓄热循环管路入口相连；所述的季节性蓄能装置（4）的取热循环管路出口经第三循环泵（10）和第一阀门（15）与第二热交换器（3）的热侧入口相连；第二热交换器（3）的热侧出口经第二阀门（16）与季节性蓄能装置（4）的取热循环管路入口相连；所述的第二热交换器（3）的冷侧出口经第七循环泵（14）与用户的供水管道相连；第二热交换器（3）的冷侧入口与用户的回水管道相连；所述的空气源热泵冷热水机组（5）冷凝器侧冷却水出口经第八阀门（22）与夜间蓄能装置（7）的蓄热环路入口相连；空气源热泵冷热水机组（5）冷凝器侧冷却水入口经第四循环泵（11）和第五阀门（19）与夜间蓄能装置（7）的蓄热环路出口相连；所述的水源热泵热水机组（6）蒸发器侧冷冻水入口与空气源热泵冷热水机组冷凝器侧冷却水出口相连；水源热泵热水机组（6）蒸发器侧冷冻水出口经第四阀门（18）和第四循环泵（11）与空气源热泵冷热水机组（5）的冷凝器侧冷却水入口相连；所述的水源热泵热水机组（6）蒸发器侧冷冻水入口经第七阀门（21）和第三循环泵（10）与季节性蓄能装置（4）的取热循环管路出口相连；水源热泵热水机组（6）蒸发器侧冷冻水出口经第四阀门（18）、第三阀门（17）和第二阀门（16）与季节性蓄能装置（4）的取热循环管路入口相连；水源热泵热水机组（6）冷凝器侧冷却水入口经第六阀门（20）与夜间蓄能装置（7）蓄热环路出口相连；水源热泵热水机组（6）冷凝器侧冷却水出口经第五循环泵（12）与夜间蓄能装置（7）蓄热环路入口相连；所述的夜间蓄能装置（7）蓄热环路出口经第六循环泵（13）和第十阀门（24）与第二换热器（3）的热侧入口相连；夜间蓄能装置（7）蓄热环路入口经第九阀门（23）与第二换热器（3）的热侧出口相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统，其特征在于：空气源热泵冷热水机组（5）为三工况机组，可以运行制冷工况、低温制热工况、高温制热工况。

3.根据权利要求1所述的太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统，其特征在于：所述的季节性蓄能装置（4）和夜间蓄能装置（7）可以是开式换热装置也可以是闭式换热装置；蓄热介质可以是水、土壤、砂石、相变材料。

4.根据权利要求1所述的太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统，其特征在于：所述的与季节性蓄能装置蓄热循环管路相连的第二循环泵（9），与取热循环管路相连的第三循环泵（10），与夜间蓄能装置蓄热管路相连的第六循环泵（13）为潜水泵或者普通循环泵；所述的与太阳能集热器相连的第一循环泵（8），与用户侧管路相连的第七循环泵（14），与空气源热泵冷凝器侧相连的第四循环泵（11），与水源热泵热水机组冷凝侧相连的第五循环泵（12）为普通循环泵。