CN205174928U - 多模式高效运行的太阳能/地源热泵耦合系统 - Google Patents
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Abstract
一种多模式高效运行的太阳能/地源热泵耦合系统，包括：地源热泵机组，水箱，太阳能集热器、地埋管、水泵、阀门、管路，水箱分为高温水箱、低温水箱两部分，地源热泵机组包括蒸发器、冷凝器，地埋管输出端管路通过阀门Q接入到低温水箱，低温水箱设置管路通过阀门P、水泵A、水泵B、阀门E、阀门F连接到热泵机组，热泵机组与建筑物之间的管路进水侧上设置阀门A、阀门B、水泵C、水泵D，与管路出水侧上设置阀门C、阀门D；本系统通过阀门、水泵、热泵机组等机构的开启关闭实现七种模式运行，体现了太阳能/地源热泵系统耦合特点和优势，是再生能源应用和范例之一。
Description
技术领域
本实用新型属于地源热泵领域，尤其涉及到地源热泵与太阳能耦合的系统集成技术领域。
背景技术
地源热泵技术属可再生能源利用技术。由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。现行的地源热泵技术虽然能够储存大量的地热能予以人们利用，但是在使用一到两年后，地下的热量损失加剧，导致地源热泵的使用效率降低，以后就会出现使用地源热泵供暖或供热水的楼房不能达到预定温度。
近年来国内针对太阳能与地源热泵耦合系统的申请专利数量很多，地源热泵土壤换热端大多仍采用传统的封闭式循环，太阳能热水系统往往是对热泵供热的补充，没能实现二者的优化设计。
四川欧伦电气设备有限公司申请的专利号为：201520140072.6，专利名称为“利用太阳能与地热资源的地源热泵”，包括水箱、太阳能热水装置、地埋管集热器、用户换热设备和控制器，所述的水箱通过管路连接循环泵A，循环泵A的出水端通过管路分别连接太阳能热水装置的进水端和电动三通阀的一端，连接循环泵A与太阳能热水装置的管路上设置有电动阀A，太阳能热水装置的出水端连接电动三通阀的另一端，电动三通阀的第三端连接地埋管集热器的进水端，地埋管集热器的出水端通过管路连接水箱，水箱还通过管路连接循环泵B，循环泵B的出水端通过管路连接用户换热设备，用户换热设备的出水端通过管路连接水箱，所述的太阳能热水装置内设置有用于检测太阳能热水装置内水温的温度传感器A，控制器通过线路分别连接电动三通阀、电动阀A和温度传感器A。控制器控制电动三通阀连通循环泵A和地埋管集热器，关闭电动阀A，从而由地埋管集热器循环对水箱内的水进行加热，水箱内的热水通过循环泵B输送至用户换热设备为用户提供热量，完成热交换后的水回流至水箱内。当温度传感器A检测到太阳能热水装置内的水温升高时，说明此时阳光充足，控制器控制电动三通阀连通太阳能热水装置的出水口连通地埋管集热器，同时控制电动阀A开启，从而将太阳能热水装置内的热水灌入地埋管集热器，将太阳能提供的热能储存入地表浅层土壤中，利用浅层图上的蓄热特性储存太阳能，从而形成对地下热量的补充，解决地源热泵在使用一段时期后效率降低的问题。此专利提到了夏季将太阳能收集到的热能存储到地下，但没有考虑二者冬季补充供热、地埋管会产生气堵现象、地埋管内需要补液机构等问题，因此，现有的地源热泵与太阳能耦合系统需要进行更进一步优化设计。
实用新型内容
实用新型人在北方寒冷地区应用地源热泵及太阳能系统多年，优化设计并实践了这一系统集成技术。
本实用新型主要以太阳能为主要能源，结合地源蓄能应用，利用热泵技术实现一套系统七种运行模式，实现了两种新能源系统的有机结合。在以供热为主要需求的地区，节能效果明显，无污染，是现代绿色建筑重要措施之一。
本实用新型是这样实现的，整个系统包括：地源热泵机组，水箱，太阳能集热器、地埋管、水泵、阀门、管路，水箱分为高温水箱、低温水箱两部分，地源热泵机组包括蒸发器、冷凝器，地埋管输出端管路通过阀门Q接入到低温水箱，低温水箱设置管路通过阀门P、水泵A、水泵B、阀门E、阀门F连接到热泵机组，热泵机组与建筑物之间的管路进水侧上设置阀门A、阀门B、水泵C、水泵D，与管路出水侧上设置阀门C、阀门D；冷凝器的两端连接管路上设置阀门I；热泵机组与地埋管输入端的管路上设置阀门G、阀门H；地埋管输出端与输入端连接的管路上分别设置阀门J、阀门L，地埋管输出端与水泵B之间的管路上设置阀门K；低温水箱的一个出水管路通过阀门O、水泵H与太阳能集热器相连，回水管路通过阀门S接入到低温水箱，该回水管路还通过阀门U、阀门W分别经两个管路接入到低温水箱、高温水箱；高温水箱通过水泵G、阀门V设置有一个进水管；高温水箱的出水口设置阀门R连接到一个管路，该管路一侧设置阀门N连接到水泵H，另一侧连接到水泵E、水泵F，水泵F的输出管路分为两个支管，一个支管连接到水泵D、另一个支管通过阀门M连接到设置阀门T的管路上；
本系统通过阀门、水泵、热泵机组等机构的开启关闭实现七种模式运行，
①地源热泵制冷模式时：
阀门G、阀门L、阀门Q打开，冷凝器排出的热水进入地埋管散热，之后进入到敞开式低温水箱，低温水箱底部排水口通过阀门P连接到水泵A、阀门F、冷凝器入水口；制冷回水管通过打开的水泵C、阀门A连接到蒸发器，蒸发器的输出端通过打开的阀门D连接制冷输出水管路；
这一模式与传统地源热泵制冷模式原理相同，不同之处是地下循环系统开放式运行。这样使得在制冷运行期间，地下循环系统无补液机构，地下循环管道无气堵现象，该系统运行比传统地源热泵制冷运行更平稳，节能效果更明显。
②地埋管直接制冷模式时：
阀门M、阀门A、阀门H、阀门L打开，热泵机组不开机，制冷回水通过通过蒸发器管路进入地埋管换热，地埋管出水管通过阀门K、水泵A、阀门F、阀门I、阀门C连接到制冷进水管路；
这一模式是最节能的制冷模式，特别是在我国北方土壤温度不高于13.5℃的地区，系统只开动水泵A24即可实现制冷运行，该系统运行耗电很少，一般只占传统地源热泵耗电的5％左右。
③地源热泵无太阳能耦合供热模式时：
水泵C、阀门B、阀门C打开，冷凝器制热；蒸发器的出水管路通过打开的阀门H、阀门L连接到地埋管，地埋管出水管通过阀门Q接入到低温水箱、低温水箱的出水管路打开阀门P、经过水泵B、打开的阀门E连接到蒸发器的入口管路；
这一模式一般是在无太阳光照射的条件下的运行方案，其特点是运行时间一般不超过48小时，由于地埋管的出水进入到开式的低温水箱、地下换热系统是开放运行的，无气堵现象和补液机构，因为传统的地源热泵中地埋管里的水是闭式运行，气堵处不能从土壤中取热，因此本系统地源热泵换热效率远高于传统地源热泵供热工况，实现了地源热泵标准化供暖工况，使地源热泵效率达到最佳值，这是传统地源热泵制热工况无法实现的，是地源热泵技术制热工况下的创新，更是太阳能光热技术应用的范例。且本系统模式工作时间有限，对土壤温度影响程度有限。
④太阳能热泵供热模式：太阳能集热器工作，打开阀门O、水泵H、阀门S与低温水箱组成太阳能热水循环，低温水箱的另一出水管路上打开阀门P、通过泵B、阀门E连接到蒸发器，蒸发器的出水管路通过打开阀门H、阀门J、阀门Q连接到低温水箱；冷凝器的供热出水管路上打开阀门C、回水管路上打开阀门B、水泵C实现对外供热；
这一模式一般应用于日照充足期间，使用这种运行工况条件是：进入地源热泵机组能量高于地源热泵所需数值；系统运行一般条件是输入端水温高于10℃，地源机组处于高效能工况运转。所以太阳能热泵供热工况下节能效果明显。
⑤太阳能/地源热泵耦合供热模式：蒸发器的出口端管路打开阀门H、阀门L连接到地埋管，地埋管出口端打开阀门Q连接到低温水箱、低温水箱的出水管路打开阀门P通过水泵B、阀门E连接到蒸发器的入口端；太阳能集热器工作，打开阀门O、水泵H、阀门S与低温水箱组成太阳能热水循环；冷凝器的供热出水管路上打开阀门C、回水管路上打开阀门B、水泵C实现对外供热；
这一模式是特定条件下运行的，太阳能不能独立向地源热泵机组提供足够的能量或者是在太阳能提供过多的热能超过地源热泵机组所需求的热能值时，在这种条件下，太阳能提供的热能不能满足地源热泵需求时，需要从地源热泵地埋管换热器中吸取能量，在太阳能提供的能量超过地源热泵机组所需时，系统正常运行，从蒸发器输出的水向土壤输送太阳能采集的多余热量并存储在土壤中。其特点是：在严寒期间，能够保持机组平稳运行；系统供热期间土壤温度变化较小，系统处于高效运行状态；真正体现了太阳能/地源热泵耦合运行期间的能量互补，使得地源热泵技术有了新的生命力。
⑥太阳能直接供热模式：太阳能集热器工作，打开阀门O、水泵H、阀门S与低温水箱组成太阳能热水循环；供热回水通过打开阀门T的管路街道低温水箱，低温水箱的另一出水管路打开阀门P、水泵B、阀门F、以及设置在冷凝器两侧管路间的阀门I、再通过阀门C进行供热；
这一供热模式是在太阳能集热器送入水箱能量大于供热末端所需求热能时的运行模式。运行期间地源热泵机组不工作。其特点是：节能效果明显，一般是传统地源热泵机组制热工况下耗电的10％左右；方便自动控制使得运行简单；可以延长供热期限。
⑦太阳能补偿地源热能模式：太阳能集热器工作，打开阀门O、水泵H、阀门S与低温水箱组成太阳能热水循环；低温水箱出水管路打开阀门P、水泵B、阀门F、阀门I、阀门G、阀门L连接到地埋管，地埋管出水管路打开阀门Q连接到低温水箱；
该系统在非供暖期，太阳能集热器产生大量热能，为降低集热器温度，一方面可提供生活用热水，另一方面将多余热能存入土壤之中，这对于太阳能集热器是非常必要的。运行流程是：太阳能集热器正常工作，定时向土壤输送热能。
如有较高温度热水需求时：太阳能集热器的出水管路还通过打开阀门W连接到高温水箱，也可利用高温水箱的出水通过打开阀门R、水泵E向外提供热源；打开水泵G、阀门V进行补水。
本实用新型的有益效果是：以上七种运行模式，通过一套系统，体现了太阳能/地源热泵系统耦合特点和优势，是再生能源应用和范例之一。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明
图1为本实用新型地源热泵制冷模式时的原理图。
图2为本实用新型地埋管直接制冷模式时的原理图。
图3为本实用新型地源热泵无太阳能耦合供热模式时的原理图。
图4为本实用新型太阳能热泵供热模式的原理图。
图5为本实用新型太阳能/地源热泵耦合供热模式的原理图。
图6为本实用新型太阳能直接供热模式的原理图。
图7为本实用新型太阳能补偿地源热能模式的原理图。
图中：1.阀门A,2.阀门B，3.阀门C，4.阀门D，5.阀门E，6.阀门F，7.阀门G，8.阀门H，9.阀门I，10.阀门J，11.阀门K，12.阀门L，13.阀门M，14.阀门N，15.阀门O，16.阀门P，17.阀门Q，18.阀门R，19.阀门S，20.阀门T，21.阀门U，22.阀门V，23.阀门W，24.水泵A，25.水泵B，26.水泵C，27.水泵D，28.水泵E，29.水泵F，30.水泵G，31.水泵H，32.低温水箱，33.高温水箱，34.太阳能集热器，35.地埋管，36.热泵机组，37.蒸发器，38.冷凝器。
具体实施方式
本实用新型的具体实施例如附图1-7所示，现对照图，具体说明如下：
本实用新型是这样实现的，整个系统包括：地源热泵机组36，水箱，太阳能集热器34、地埋管35、水泵、阀门、管路，水箱分为高温水箱33、低温水箱32两部分，地源热泵机组36包括蒸发器37、冷凝器38，其特征在于：地埋管35输出端管路通过阀门Q17接入到低温水箱32，低温水箱32设置管路通过阀门P16、水泵A24、水泵B25、阀门E5、阀门F6连接到热泵机组36，热泵机组36与建筑物之间的管路进水侧上设置阀门A1、阀门B2、水泵C26、水泵D27，与管路出水侧上设置阀门C3、阀门D4；冷凝器38的两端连接管路上设置阀门I9；热泵机组36与地埋管35输入端的管路上设置阀门G7、阀门H8；地埋管35输出端与输入端连接的管路上分别设置阀门J10、阀门L12，地埋管35输出端与水泵B25之间的管路上设置阀门K11；低温水箱32的一个出水管路通过阀门O15、水泵H31与太阳能集热器34相连，回水管路通过阀门S19接入到低温水箱32，该回水管路还通过阀门U21、阀门W23分别经两个管路接入到低温水箱32、高温水箱33；高温水箱33通过水泵G30、阀门V22设置有一个进水管；高温水箱33的出水口设置阀门R18连接到一个管路，该管路一侧设置阀门N14连接到水泵H31，另一侧连接到水泵E28、水泵F29，水泵F29的输出管路分为两个支管，一个支管连接到水泵D27、另一个支管通过阀门M13连接到设置阀门T20的管路上；
本系统通过阀门、水泵、热泵机组等机构的开启关闭实现七种模式运行，地源热泵制冷模式时：
阀门G7、阀门L12、阀门Q17打开，冷凝器38排出的热水进入地埋管35散热，之后进入到敞开式低温水箱32，低温水箱32底部排水口通过阀门P16连接到水泵A24、阀门F6、冷凝器38入水口；制冷回水管通过打开的水泵C26、阀门A1连接到蒸发器37，蒸发器37的输出端通过打开的阀门D4连接制冷输出水管路；太阳能系统不向低温水箱中输入热量。
这一模式与传统地源热泵制冷模式原理相同，不同之处是地下循环系统开放式运行。这样使得在制冷运行期间，地下循环系统无补液机构，地下循环管道无气堵现象，该系统运行比传统地源热泵制冷运行更平稳，节能效果更明显。
地埋管直接制冷模式时：
阀门M13、阀门A1、阀门H8、阀门L12打开，热泵机组不开机，制冷回水通过通过蒸发器37管路进入地埋管换热，地埋管出水管通过阀门K11、水泵A24、阀门F6、阀门I9、阀门C3连接到制冷进水管路；太阳能系统不向低温水箱中输入热量。
这一模式是最节能的制冷模式，特别是在我国北方土壤温度不高于13.5℃的地区，系统只开动水泵A24即可实现制冷运行，该系统运行耗电很少，一般只占传统地源热泵耗电的5％左右。
地源热泵无太阳能耦合供热模式时：
水泵C26、阀门B2、阀门C3打开，冷凝器制热；蒸发器37的出水管路通过打开的阀门H8、阀门L12连接到地埋管，地埋管出水管通过阀门Q17接入到低温水箱32、低温水箱32的出水管路打开阀门P16、经过水泵B25、打开的阀门E5连接到蒸发器的入口管路；
这一模式一般是在无太阳光照射的条件下的运行方案，其特点是运行时间一般不超过48小时，由于地埋管的出水进入到开式的低温水箱、地下换热系统是开放运行的，无气堵现象和补液机构，因为传统的地源热泵中地埋管里的水是闭式运行，气堵处不能从土壤中取热，因此本系统地源热泵换热效率远高于传统地源热泵供热工况，实现了地源热泵标准化供暖工况，使地源热泵效率达到最佳值，这是传统地源热泵制热工况无法实现的，是地源热泵技术制热工况下的创新，更是太阳能光热技术应用的范例。且本系统模式工作时间有限，对土壤温度影响程度有限。
太阳能热泵供热模式：太阳能集热器34工作，打开阀门O15、水泵H31、阀门S19与低温水箱32组成太阳能热水循环，低温水箱32的另一出水管路上打开阀门P16、通过泵B25、阀门E5连接到蒸发器37，蒸发器37的出水管路通过打开阀门H8、阀门J10、阀门Q17连接到低温水箱32；冷凝器38的供热出水管路上打开阀门C3、回水管路上打开阀门B2、水泵C26实现对外供热；
这一模式一般应用于日照充足期间，使用这种运行工况条件是：进入地源热泵机组能量高于地源热泵所需数值；系统运行一般条件是输入端水温高于10℃，地源机组处于高效能工况运转。所以太阳能热泵供热工况下节能效果明显。
太阳能/地源热泵耦合供热模式：蒸发器37的出口端管路打开阀门H8、阀门L12连接到地埋管，地埋管出口端打开阀门Q17连接到低温水箱32、低温水箱32的出水管路打开阀门P16通过水泵B25、阀门E5连接到蒸发器37的入口端；太阳能集热器34工作，打开阀门O15、水泵H31、阀门S19与低温水箱32组成太阳能热水循环；冷凝器38的供热出水管路上打开阀门C3、回水管路上打开阀门B2、水泵C26实现对外供热；
这一模式是特定条件下运行的，太阳能不能独立向地源热泵机组提供足够的能量或者是在太阳能提供过多的热能超过地源热泵机组所需求的热能值时，在这种条件下，太阳能提供的热能不能满足地源热泵需求时，需要从地源热泵地埋管换热器中吸取能量，在太阳能提供的能量超过地源热泵机组所需时，系统正常运行，从蒸发器输出的水向土壤输送太阳能采集的多余热量并存储在土壤中。其特点是：在严寒期间，能够保持机组平稳运行；系统供热期间土壤温度变化较小，系统处于高效运行状态；真正体现了太阳能/地源热泵耦合运行期间的能量互补，使得地源热泵技术有了新的生命力。
太阳能直接供热模式：太阳能集热器34工作，打开阀门O15、水泵H31、阀门S19与低温水箱32组成太阳能热水循环；供热回水通过打开阀门T20的管路街道低温水箱32，低温水箱32的另一出水管路打开阀门P16、水泵B25、阀门F6、以及设置在冷凝器38两侧管路间的阀门I9、再通过阀门C3进行供热；
这一供热模式是在太阳能集热器送入水箱能量大于供热末端所需求热能时的运行模式。运行期间地源热泵机组不工作。其特点是：节能效果明显，一般是传统地源热泵机组制热工况下耗电的10％左右；方便自动控制使得运行简单；可以延长供热期限。
太阳能补偿地源热能模式：太阳能集热器34工作，打开阀门O15、水泵H31、阀门S19与低温水箱32组成太阳能热水循环；低温水箱出水管路打开阀门P16、水泵B25、阀门F6、阀门I9、阀门G7、阀门L12连接到地埋管35，地埋管35出水管路打开阀门Q17连接到低温水箱；
该系统在非供暖期，太阳能集热器产生大量热能，为降低集热器温度，一方面可提供生活用热水，另一方面将多余热能存入土壤之中，这对于太阳能集热器是非常必要的。运行流程是：太阳能集热器正常工作，定时向土壤输送热能。
如有较高温度热水需求时：太阳能集热器34的出水管路还通过打开阀门W23连接到高温水箱33，也可利用高温水箱的出水通过打开阀门R18、水泵E28向外提供热源；打开水泵G30、阀门V22进行补水。
本实用新型不局限于本实施例，任何在本实用新型披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1.一种多模式高效运行的太阳能/地源热泵耦合系统，包括：地源热泵机组(36)，水箱，太阳能集热器(34)、地埋管(35)、水泵、阀门、管路，水箱分为高温水箱(33)、低温水箱(32)两部分，地源热泵机组(36)包括蒸发器(37)、冷凝器(38)，
其特征在于：地埋管(35)输出端管路通过阀门Q(17)接入到低温水箱(32)，低温水箱(32)设置管路通过阀门P(16)、水泵A(24)、水泵B(25)、阀门E(5)、阀门F(6)连接到热泵机组(36)，热泵机组(36)与建筑物之间的管路进水侧上设置阀门A(1)、阀门B(2)、水泵C(26)、水泵D(27)，与管路出水侧上设置阀门C(3)、阀门D(4)；冷凝器(38)的两端连接管路上设置阀门I(9)；热泵机组(36)与地埋管(35)输入端的管路上设置阀门G(7)、阀门H(8)；地埋管(35)输出端与输入端连接的管路上分别设置阀门J(10)、阀门L(12)，地埋管(35)输出端与水泵B(25)之间的管路上设置阀门K(11)；低温水箱(32)的一个出水管路通过阀门O(15)、水泵H(31)与太阳能集热器(34)相连，回水管路通过阀门S(19)接入到低温水箱(32)，该回水管路还通过阀门U(21)、阀门W(23)分别经两个管路接入到低温水箱(32)、高温水箱(33)；高温水箱(33)通过水泵G(30)、阀门V(22)设置有一个进水管；高温水箱(33)的出水口设置阀门R(18)连接到一个管路，该管路一侧设置阀门N(14)连接到水泵H(31)，另一侧连接到水泵E(28)、水泵F(29)，水泵F(29)的输出管路分为两个支管，一个支管连接到水泵D(27)、另一个支管通过阀门M(13)连接到设置阀门T(20)的管路上。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201520896567.1U CN205174928U (zh) | 2015-11-11 | 2015-11-11 | 多模式高效运行的太阳能/地源热泵耦合系统 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN105805963A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-07-27 | 北京英豪阳光太阳能工业有限公司 | 一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统与方法 |
| CN106497780A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-03-15 | 吉林省建筑科学研究设计院（吉林省建筑工程质量检测中心） | 一种多渠道沼气罐加热系统 |
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2015
- 2015-11-11 CN CN201520896567.1U patent/CN205174928U/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN105805963B (zh) * | 2016-05-10 | 2019-04-12 | 北京英豪阳光太阳能工业有限公司 | 一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统与方法 |
| CN106497780A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-03-15 | 吉林省建筑科学研究设计院（吉林省建筑工程质量检测中心） | 一种多渠道沼气罐加热系统 |
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