CN214316453U - 一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统 - Google Patents

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Abstract

一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统，涉及一种农业温室蓄热/供热系统。本实用新型是要解决现有的农业温室保暖差、运营成本高，温室大棚用电困难，地源热泵长期运行容易造成土壤温度失衡，影响周围生态的技术问题。本实用新型利用光伏板将太阳光能转换为电能直接驱动地源热泵正常运行，对温室大棚进行蓄热—供热；同时利用太阳能集热器收集能量并传递至两个复合式相变蓄热墙体进行被动式蓄热；太阳光照射在两个复合式相变蓄热墙体将太阳辐射能转化为热量储存在墙体内进行主动式蓄热；再结合地源热泵和地埋管换热器将热量储存在土壤中，从而形成一个复合式系统，为温室提供热量，维持温室内植物生长所需的空气温度、土壤温度。

Description

一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统
技术领域
本实用新型涉及一种农业温室蓄热/供热系统。
背景技术
随着社会经济的快速发展，不合理的能源结构带来了很多环境问题，温室气体的排放和化石燃料储备的枯竭迫使人类从可再生能源中产生未来能源需求。对于能源的消耗也越来越快，如今化石燃料是大多数能源的源头，温室效应随着CO2的增加不断形成，化石燃料资源越来越稀缺。在环境恶化、资源短缺及燃料价格的波动这些条件下，人们逐渐意识到节约能源的重要性，可再生能源不断受到关注和重视。
太阳能相对于传统能源，作为标志性的绿色清洁能源，优势非常明显，并且非常稳定。目前，依靠传统能源提供的电能，促进了人类文明的发展，但是也产生了大量粉尘、二氧化碳、硫化物等污染源。而太阳能光伏发电既安全可靠，又是清洁能源，不会受到能源危机和燃料市场不稳定因素的影响。由于太阳光普照大地，太阳能随处可得，取之不尽、用之不竭。太阳能的产生不需要燃料，这大大的降低了运行成本。除了跟踪式外，太阳能光伏发电没有运动部件，因此不易损毁,安装和维护简单容易。在运行过程中不会产生任何废弃物，也不会产生噪音、温室及有毒气体，是很理想的洁净能源，可以有效利用建筑物的屋顶和墙壁，不需要占用大量土地，而且太阳能发电板可以直接吸收太阳能，进而降低墙壁和屋顶的温度，减少室内空调的负荷。太阳能光伏发电系统的建设周期短，而且发电组件的使用寿命长、发电方式比较灵活，发电系统的能量回收周期短。太阳能光伏发电系统利用太阳能自然存在的优势组成全天候发电系统，具有较高性价比，在温室大棚等领域被应用，将会具有更好的前景，因此光伏产业的发展正在逐渐加快，并且成为了新的能源发展趋势。但任何事物都有其两面性，由于地理分布、季节变化、昼夜交替等问题，会影响其发电量，当没有太阳的时候就不能发电或者发电量很小，这就会影响用电设备的正常使用；其次，能量的密度低，当大规模使用的时候，占用的面积会比较大，而且会受到太阳辐射强度的影响。
农业温室如果单纯地采取传统加热方式，一方面运营成本昂贵，整个运营期内综合投入和产出相差较大；另一方面，还会对环境造成很大的影响。常规地源热泵中央空调系统冬季地埋管的出水温度较低(标准工况为10℃)，机组蒸发温度相对较低，系统运行效率不高，存在“土壤热不平衡”问题，长期运行地源热泵容易造成土壤温度失衡，影响周围生态。
实用新型内容
本实用新型是要解决现有的农业温室保暖差、运营成本高，温室大棚用电困难，地源热泵长期运行容易造成土壤温度失衡，影响周围生态的技术问题，而提供一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统。
本实用新型的农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统是由光伏板1、太阳能集热器2、第一复合式相变蓄热墙体3、地源热泵4、地埋管换热器5、第二复合式相变蓄热墙体6、控制器和温度传感器组成；
所述的第一复合式相变蓄热墙体3是由内层3-1、中间层3-2和外层3-3组成；所述的内层3-1为相变蓄热墙体板，中间层3-2为空心砌块砖，外层3-3为保温层；所述的第二复合式相变蓄热墙体6的结构与第一复合式相变蓄热墙体3的结构完全相同；所述的第一复合式相变蓄热墙体3与第二复合式相变蓄热墙体6相对设置在农业温室的两侧，外层朝外；所述的空心砌块砖的空心孔的轴线为竖直方向；农业温室内设置温度传感器；
光伏板1的电量输出端与地源热泵4的电量输入端连接，太阳能集热器2的热量输出端分别连接到第一复合式相变蓄热墙体3的热量输入端与第二复合式相变蓄热墙体6的热量输入端；地源热泵4的热量输出端、第一复合式相变蓄热墙体3的热量输出端和第二复合式相变蓄热墙体6的热量输出端一起连接到地埋管换热器5的热量输入端；地埋管换热器5设置在农业温室的土壤里；农业温室的土壤里设置温度传感器；
所述的控制器的信号输出端分别和地源热泵4的信号输入端与太阳能集热器2的信号输入端连接；
所述的控制器的信号输入端和所有的温度传感器的信号输出端连接。
本实用新型的农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统的工作原理：本实用新型利用光伏板1将太阳光能转换为电能直接驱动地源热泵4正常运行，对温室大棚进行蓄热—供热；同时，利用太阳能集热器2收集能量并传递至两个复合式相变蓄热墙体(3和6)进行被动式蓄热；太阳光照射在两个复合式相变蓄热墙体(3和6)将太阳辐射能转化为热量储存在墙体内进行主动式蓄热；再结合地源热泵4和地埋管换热器5将热量储存在土壤中，从而形成一个复合式系统，为温室提供热量，维持温室内植物生长所需的空气温度；该系统除了能保证温室的室内温度，还可以维持植物根系温度，改善空气温度的同时，提升土壤温度；复合式系统的供热末端连接地源热泵4，将地埋管换热器5埋在土壤里0.5m～1m深，供给植物根系一定的温度，促进植物生长。
温度传感器将农业温室和土壤温度传递给控制器，当控制器检测到其温度达到上限时将关闭太阳能集热器2或(和)地源热泵4，从而停止对两个复合式相变蓄热墙体3、6蓄热和地埋管换热器5蓄热；
当农业温室和土壤温度下降到一定程度时，控制器将启动太阳能集热器2或(和)地源热泵4，从而对两个复合式相变蓄热墙体(3和6)进行蓄热和地埋管换热器5进行蓄热。
该系统为摒弃蓄电池、降低系统成本、解决太阳能供应波动性的技术问题，实现了太阳能光伏板发电与地源热泵供热高效联用，具有较高的光-电-热转换效率及运行稳定性。光伏板1直驱地源热泵4，利用控制变频技术和光伏驱动压缩机制热-蓄热-供暖的工作模式，将吸收到的太阳能高效转化为直流输出的电能，并通过电能驱动地源热泵4运行，将热量存储在土壤中，合理解决了无蓄电池模式下光伏能源驱动及供暖质量不稳定等问题。
本实用新型通过将太阳能集热器2吸收的太阳光辐射能量传递至两个复合式相变蓄热墙体(3和6)，并且两个复合式相变蓄热墙体(3和6)会吸收额外的太阳光辐射能量，墙体内所储蓄的全部能量与地源热泵4共同通过地埋管换热器5为农业温室大棚供热、为植物根系提供一定的温度。
由于太阳能系统存在间歇性、不稳定性、地区差异性，以及夜晚无法收集太阳能进行储能等原因，本实用新型采用主-被动式蓄热与地源热泵结合，主-被动式蓄热将能量储存至两个复合式相变蓄热墙体(3和6)内，墙体兼顾保温和蓄热功能，可在日间储蓄太阳辐射能和空气热能，在夜间向室内放热；但由于容易出现温室半夜温度较低的现象，结合地源热泵4将热能传递并储存在土壤中；夜间，储存在深层土壤中的热量被动地释放出来，主动提高了植物根系和室内空气温度，加强夜间土壤放热能力，实现太阳辐射能在时间与空间的转移，进而改善夜间室内气温水平。
随着人们对能源需求日益提高，在能源转换和利用过程中常常出现空间和时间上不匹配的矛盾。此系统不仅可以利用太阳能进行蓄热、供热，还可以将太阳能进行光电转换直驱地源热泵4，并且实现不连续的能量储存，在需要时以连续的形式释放出来，旨在通过主—被动蓄热的方式，由面到内整体提升温室墙体的太阳能蓄热能力，同时利用该主—被动蓄热系统实现温室热湿环境的可控调节，为温室蔬菜生产的高产增效提供全方位的光热环境保证，从而提高能源系统的稳定性和利用效率，可以有效抵御传统系统在阴天集热不足的问题，大大的提高了系统供热—蓄热的可靠性。
本实用新型的第一复合式相变蓄热墙体3的内层3-1表面采用相变蓄热墙体板，将照射在该墙体层的太阳能以主动潜热蓄热的方式蓄积，提高潜热蓄热能力；墙体外层3-3采用热阻大的保温材料；中间层3-2采用蓄热性能和传热性能较好的空心砌块砖，并利用空心气孔自然形成竖向空气通道，达到提高日光温室墙体内部层显热蓄热能力的目的。
附图说明
图1为具体实施方式一的农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统的示意图；
图2为具体实施方式一的农业温室的示意图；
图3为具体实施方式一的第一复合式相变蓄热墙体3的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统，如图1-图3所示，具体是由光伏板1、太阳能集热器2、第一复合式相变蓄热墙体3、地源热泵4、地埋管换热器5、第二复合式相变蓄热墙体6、控制器和温度传感器组成；
所述的第一复合式相变蓄热墙体3是由内层3-1、中间层3-2和外层3-3组成；所述的内层3-1为相变蓄热墙体板，中间层3-2为空心砌块砖，外层3-3为保温层；所述的第二复合式相变蓄热墙体6的结构与第一复合式相变蓄热墙体3的结构完全相同；所述的第一复合式相变蓄热墙体3与第二复合式相变蓄热墙体6相对设置在农业温室的两侧，外层朝外；所述的空心砌块砖的空心孔的轴线为竖直方向；农业温室内设置温度传感器；
光伏板1的电量输出端与地源热泵4的电量输入端连接，太阳能集热器2的热量输出端分别连接到第一复合式相变蓄热墙体3的热量输入端与第二复合式相变蓄热墙体6的热量输入端；地源热泵4的热量输出端、第一复合式相变蓄热墙体3的热量输出端和第二复合式相变蓄热墙体6的热量输出端一起连接到地埋管换热器5的热量输入端；地埋管换热器5设置在农业温室的土壤里；农业温室的土壤里设置温度传感器；
所述的控制器的信号输出端分别和地源热泵4的信号输入端与太阳能集热器2的信号输入端连接；
所述的控制器的信号输入端和所有的温度传感器的信号输出端连接。
本实施方式的农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统的工作原理：本实用新型利用光伏板1将太阳光能转换为电能直接驱动地源热泵4正常运行，对温室大棚进行蓄热—供热；同时，利用太阳能集热器2收集能量并传递至两个复合式相变蓄热墙体3、6进行被动式蓄热；太阳光照射在两个复合式相变蓄热墙体3、6将太阳辐射能转化为热量储存在墙体内进行主动式蓄热；再结合地源热泵4和地埋管换热器5将热量储存在土壤中，从而形成一个复合式系统，为温室提供热量，维持温室内植物生长所需的空气温度；该系统除了能保证温室的室内温度，还可以维持植物根系温度，改善空气温度的同时，提升土壤温度；复合式系统的供热末端连接地源热泵4，将地埋管换热器5埋在土壤里0.5m～1m深，供给植物根系一定的温度，促进植物生长。
温度传感器将农业温室和土壤温度传递给控制器，当控制器检测到其温度达到上限时将关闭太阳能集热器2或(和)地源热泵4，从而停止对两个复合式相变蓄热墙体(3和6)蓄热和地埋管换热器5蓄热；
当农业温室和土壤温度下降到一定程度时，控制器将启动太阳能集热器2或(和)地源热泵4，从而对两个复合式相变蓄热墙体(3和6)进行蓄热和地埋管换热器5进行蓄热。
该系统为摒弃蓄电池、降低系统成本、解决太阳能供应波动性的技术问题，实现了太阳能光伏板发电与地源热泵供热高效联用，具有较高的光-电-热转换效率及运行稳定性。光伏板1直驱地源热泵4，利用控制变频技术和光伏驱动压缩机制热-蓄热-供暖的工作模式，将吸收到的太阳能高效转化为直流输出的电能，并通过电能驱动地源热泵4运行，将热量存储在土壤中，合理解决了无蓄电池模式下光伏能源驱动及供暖质量不稳定等问题。
本实施方式通过将太阳能集热器2吸收的太阳光辐射能量传递至两个复合式相变蓄热墙体(3和6)，并且两个复合式相变蓄热墙体(3和6)会吸收额外的太阳光辐射能量，墙体内所储蓄的全部能量与地源热泵4共同通过地埋管换热器5为农业温室大棚供热、为植物根系提供一定的温度。
由于太阳能系统存在间歇性、不稳定性、地区差异性，以及夜晚无法收集太阳能进行储能等原因，本实用新型采用主-被动式蓄热与地源热泵结合，主-被动式蓄热将能量储存至两个复合式相变蓄热墙体(3和6)内，墙体兼顾保温和蓄热功能，可在日间储蓄太阳辐射能和空气热能，在夜间向室内放热；但由于容易出现温室半夜温度较低的现象，结合地源热泵4将热能传递并储存在土壤中；夜间，储存在深层土壤中的热量被动地释放出来，主动提高了植物根系和室内空气温度，加强夜间土壤放热能力，实现太阳辐射能在时间与空间的转移，进而改善夜间室内气温水平。
随着人们对能源需求日益提高，在能源转换和利用过程中常常出现空间和时间上不匹配的矛盾。此系统不仅可以利用太阳能进行蓄热、供热，还可以将太阳能进行光电转换直驱地源热泵4，并且实现不连续的能量储存，在需要时以连续的形式释放出来，旨在通过主—被动蓄热的方式，由面到内整体提升温室墙体的太阳能蓄热能力，同时利用该主—被动蓄热系统实现温室热湿环境的可控调节，为温室蔬菜生产的高产增效提供全方位的光热环境保证，从而提高能源系统的稳定性和利用效率，可以有效抵御传统系统在阴天集热不足的问题，大大的提高了系统供热—蓄热的可靠性。
本实施方式的第一复合式相变蓄热墙体3的内层3-1表面采用相变蓄热墙体板，将照射在该墙体层的太阳能以主动潜热蓄热的方式蓄积，提高潜热蓄热能力；墙体外层3-3采用热阻大的保温材料；中间层3-2采用蓄热性能和传热性能较好的空心砌块砖，并利用空心气孔自然形成竖向空气通道，达到提高日光温室墙体内部层显热蓄热能力的目的。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的温度传感器为热电偶。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的保温层为聚苯乙烯泡沫板。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的保温层为苯板。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的保温层为聚苯板。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本实用新型进行验证：
试验一：本试验为一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统，如图1-图3所示，具体是由光伏板1、太阳能集热器2、第一复合式相变蓄热墙体3、地源热泵4、地埋管换热器5、第二复合式相变蓄热墙体6、控制器和温度传感器组成；
所述的第一复合式相变蓄热墙体3是由内层3-1、中间层3-2和外层3-3组成；所述的内层3-1为相变蓄热墙体板，中间层3-2为空心砌块砖，外层3-3为保温层；所述的第二复合式相变蓄热墙体6的结构与第一复合式相变蓄热墙体3的结构完全相同；所述的第一复合式相变蓄热墙体3与第二复合式相变蓄热墙体6相对设置在农业温室的两侧，外层朝外；所述的空心砌块砖的空心孔的轴线为竖直方向；所述的保温层为聚苯乙烯泡沫板；农业温室内设置温度传感器；
光伏板1的电量输出端与地源热泵4的电量输入端连接，太阳能集热器2的热量输出端分别连接到第一复合式相变蓄热墙体3的热量输入端与第二复合式相变蓄热墙体6的热量输入端；地源热泵4的热量输出端、第一复合式相变蓄热墙体3的热量输出端和第二复合式相变蓄热墙体6的热量输出端一起连接到地埋管换热器5的热量输入端；地埋管换热器5设置在农业温室的土壤里；农业温室的土壤里设置温度传感器；
所述的控制器的信号输出端分别和地源热泵4的信号输入端与太阳能集热器2的信号输入端连接；
所述的控制器的信号输入端和所有的温度传感器的信号输出端连接。
本试验的农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统的工作原理：本实用新型利用光伏板1将太阳光能转换为电能直接驱动地源热泵4正常运行，对温室大棚进行蓄热—供热；同时，利用太阳能集热器2收集能量并传递至两个复合式相变蓄热墙体(3和6)进行被动式蓄热；太阳光照射在两个复合式相变蓄热墙体(3和6)将太阳辐射能转化为热量储存在墙体内进行主动式蓄热；再结合地源热泵4和地埋管换热器5将热量储存在土壤中，从而形成一个复合式系统，为温室提供热量，维持温室内植物生长所需的空气温度；该系统除了能保证温室的室内温度，还可以维持植物根系温度，改善空气温度的同时，提升土壤温度；复合式系统的供热末端连接地源热泵4，将地埋管换热器5埋在土壤里0.5m～1m深，供给植物根系一定的温度，促进植物生长。
温度传感器将农业温室和土壤温度传递给控制器，当控制器检测到其温度达到上限时将关闭太阳能集热器2或(和)地源热泵4，从而停止对两个复合式相变蓄热墙体3、6蓄热和地埋管换热器5蓄热；
当农业温室和土壤温度下降到一定程度时，控制器将启动太阳能集热器2或(和)地源热泵4，从而对两个复合式相变蓄热墙体(3和6)进行蓄热和地埋管换热器5进行蓄热。
该系统为摒弃蓄电池、降低系统成本、解决太阳能供应波动性的技术问题，实现了太阳能光伏板发电与地源热泵供热高效联用，具有较高的光-电-热转换效率及运行稳定性。光伏板1直驱地源热泵4，利用控制变频技术和光伏驱动压缩机制热-蓄热-供暖的工作模式，将吸收到的太阳能高效转化为直流输出的电能，并通过电能驱动地源热泵4运行，将热量存储在土壤中，合理解决了无蓄电池模式下光伏能源驱动及供暖质量不稳定等问题。
本试验通过将太阳能集热器2吸收的太阳光辐射能量传递至两个复合式相变蓄热墙体(3和6)，并且两个复合式相变蓄热墙体(3和6)会吸收额外的太阳光辐射能量，墙体内所储蓄的全部能量与地源热泵4共同通过地埋管换热器5为农业温室大棚供热、为植物根系提供一定的温度。
由于太阳能系统存在间歇性、不稳定性、地区差异性，以及夜晚无法收集太阳能进行储能等原因，本实用新型采用主-被动式蓄热与地源热泵结合，主-被动式蓄热将能量储存至两个复合式相变蓄热墙体(3和6)内，墙体兼顾保温和蓄热功能，可在日间储蓄太阳辐射能和空气热能，在夜间向室内放热；但由于容易出现温室半夜温度较低的现象，结合地源热泵4将热能传递并储存在土壤中；夜间，储存在深层土壤中的热量被动地释放出来，主动提高了植物根系和室内空气温度，加强夜间土壤放热能力，实现太阳辐射能在时间与空间的转移，进而改善夜间室内气温水平。
随着人们对能源需求日益提高，在能源转换和利用过程中常常出现空间和时间上不匹配的矛盾。此系统不仅可以利用太阳能进行蓄热、供热，还可以将太阳能进行光电转换直驱地源热泵4，并且实现不连续的能量储存，在需要时以连续的形式释放出来，旨在通过主—被动蓄热的方式，由面到内整体提升温室墙体的太阳能蓄热能力，同时利用该主—被动蓄热系统实现温室热湿环境的可控调节，为温室蔬菜生产的高产增效提供全方位的光热环境保证，从而提高能源系统的稳定性和利用效率，可以有效抵御传统系统在阴天集热不足的问题，大大的提高了系统供热—蓄热的可靠性。
本试验的第一复合式相变蓄热墙体3的内层3-1表面采用相变蓄热墙体板，将照射在该墙体层的太阳能以主动潜热蓄热的方式蓄积，提高潜热蓄热能力；墙体外层3-3采用热阻大的保温材料；中间层3-2采用蓄热性能和传热性能较好的空心砌块砖，并利用空心气孔自然形成竖向空气通道，达到提高日光温室墙体内部层显热蓄热能力的目的。

Claims (5)

1.一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统，其特征在于农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统是由光伏板(1)、太阳能集热器(2)、第一复合式相变蓄热墙体(3)、地源热泵(4)、地埋管换热器(5)、第二复合式相变蓄热墙体(6)、控制器和温度传感器组成；
所述的第一复合式相变蓄热墙体(3)是由内层(3-1)、中间层(3-2)和外层(3-3)组成；所述的内层(3-1)为相变蓄热墙体板，中间层(3-2)为空心砌块砖，外层(3-3)为保温层；所述的第二复合式相变蓄热墙体(6)的结构与第一复合式相变蓄热墙体(3)的结构完全相同；所述的第一复合式相变蓄热墙体(3)与第二复合式相变蓄热墙体(6)相对设置在农业温室的两侧，外层朝外；所述的空心砌块砖的空心孔的轴线为竖直方向；农业温室内设置温度传感器；
光伏板(1)的电量输出端与地源热泵(4)的电量输入端连接，太阳能集热器(2)的热量输出端分别连接到第一复合式相变蓄热墙体(3)的热量输入端与第二复合式相变蓄热墙体(6)的热量输入端；地源热泵(4)的热量输出端、第一复合式相变蓄热墙体(3)的热量输出端和第二复合式相变蓄热墙体(6)的热量输出端一起连接到地埋管换热器(5)的热量输入端；地埋管换热器(5)设置在农业温室的土壤里；农业温室的土壤里设置温度传感器；
所述的控制器的信号输出端分别和地源热泵(4)的信号输入端与太阳能集热器(2)的信号输入端连接；
所述的控制器的信号输入端和所有的温度传感器的信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统，其特征在于所述的温度传感器为热电偶。
3.根据权利要求1所述的一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统，其特征在于所述的保温层为聚苯乙烯泡沫板。
4.根据权利要求1所述的一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统，其特征在于所述的保温层为苯板。
5.根据权利要求1所述的一种农业温室光伏直驱地源热泵蓄热/供热系统，其特征在于所述的保温层为聚苯板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115152494A (zh) * 2022-06-01 2022-10-11 河北工业大学 温室大棚相变墙体蓄热耦合生物质锅炉供暖系统
CN115962508A (zh) * 2021-12-28 2023-04-14 重庆大学 一种基于太阳能利用的房屋温度调控系统

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