专利名称：多种可再生能源互补热泵空调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑热泵空调系统。
背景技术：
在我国，建筑能耗占全国总能耗的20%以上，而采暖和空调能耗约占建筑能耗的2/3。采用先进的热泵节能技术结合生物质厌氧发酵技术解决用户冬季供暖、夏季制冷、全年生活热水及用燃气的需求是解决这部分能源需求的较好途径。蒸气压缩式热泵空调系统按照低温热源的不同，一般分为空气源、太阳能、水源、土壤源热泵等类型。空气源热泵空调机组，由于其既能制热又能制冷、安装方便、运行操作简单等特点，近年来得到了长足的发展和广泛应用。但在冬季室外温度较低时，热泵系统工质的蒸发温度也较低，压缩机吸气温度较低，使得压缩机排气温度较低，冷凝温度较低，热泵机组的制热量减少，制热性能系数也相应下降，同时较低的蒸发温度更易使蒸发器壁 面结霜，机组难以正常运行，常常不能满足用户的热负荷要求。多种低温热源互补为解决此问题提供了可行的方法。在国家大力倡导节能减排、开发利用开再生能源的形势下，将可再生能源利用与热泵节能技术相结合，完全满足用户冬季供暖、夏季制冷、全年生活热水及用燃气的需求，具有重要的现实意义。关于这方面，国内已有一些相关专利。中国发明专利“一种可再生能源热泵”(申请号200810162706，授权公告号CN101476776A)提出了一种利用潮汐能结合热泵系统进行供热的方法及其产品，当潮汐来临时，在水位差的作用下，叶轮和连动变送器驱动热泵机组运行，产生热水进行供热。中国发明专利“一种复合式太阳能热泵热水系统”(申请号201110293491，授权公告号CN102506465A)介绍了一种采用太阳能热源和空气源作为热泵低温热源的复合式热泵热水系统。系统由两个加热模式构成，分别为串联和并联模式。当采用串联模式时，太阳能集热器对蓄热水箱进行加热，蓄热水箱同时作为水源热泵的蒸发热源，水源热泵在较高蒸发温度条件下对水箱进行加热；当采用并联模式时，太阳能集热器和空气源热泵同时对水箱加热，满足加热需求。中国发明专利“阳台壁挂太阳能-空气源复合热泵系统”(申请号200810160419，授权公告号CN101408357A)公开了一种阳台壁挂太阳能-空气源复合热泵系统，其中空气源热泵模块为常规热泵，室外换热器并联连接壁挂太阳能热水器/换热器，主要由大口径承压真空玻璃集热管、承压不锈钢套管、冷水分水装置和U形制冷剂铜管四部件组成。壁挂太阳能热水器/换热器既能起到太阳能热水器的作用，又能在不同工况下起到利用太阳能和热泵冷凝热，起到换热器的作用。中国实用新型专利“空气-太阳能-地能三热源复合热泵装置”(申请号200820069365，授权公告号CN201163124Y)提供了一种实现能源综合利用的空气-太阳能-地能三热源复合热泵装置，既解决了太阳能不稳定问题，又充分利用太阳能，减少地源热泵地下水用量及能耗，使太阳能热水系统、空气源热泵及地源热泵有机结合起来。
由此可见，现有的一些相关专利大部分有效结合了太阳能、空气热能、地能等能源中两种或三种作为热泵的低温热源，但鲜有提及生物质能这种可再生能源。
发明内容
本发明的目的是提供一种多种可再生能源互补热泵空调系统。本发明是多种可再生能源互补热泵空调系统，该系统包括太阳能集热器1、恒温厌氧发酵器2、恒温厌氧发酵器中换热器3、压气装置4、净化装置5、储气装置6、沼气热水器7、低温水箱8、低温水箱中换热器9、室外风冷式换热器10、节流阀11、12、四通换向阀13、压缩机14、室内风冷式换热器15、中温水箱16、中温水箱中换热器17、三个循环水泵18、19和20及必要的控制阀门2广33，有7个端口供用户使用，分别是燃气端口 A、第一热水端口 B、第一回水端口 C、第二热水端口 D、第二回水端口 E、第三热水端口 F和第三回水端口 G ;其中所述太阳能集热器I同时与恒温厌氧发酵器2和低温水箱8相连接，恒温厌氧发酵器2后依次连接有压气装置4、净化装置5、储气装置6，储气装置6后连接有沼气热水器7和供用户使用的燃气端口 A，沼气热水器7的热水接口同时和低温水箱8、第一热水端口 B及第一回水端口 C相连接，低温水箱8设有第二热水端口 D及第二回水端口 E，室外风冷式换热器10和低温水箱中换热器9并联连接，室内风冷式换热器15与中温水箱中换热器17并联连接，中温水箱16设有第三热水端口 F及第三回水端口 G ;恒温厌氧发酵器2中的换热器3的两端与太阳能集热器I或低温水箱8相连接。本发明涉及的多种可再生能源互补热泵空调系统将太阳能热利用技术、生物质恒温厌氧发酵技术和空气源热泵技术有机结合起来，实现了白天储存太阳热能供恒温厌氧发酵器和热泵夜晚使用，恒温厌氧发酵技术的引入解决了太阳能的间歇性和低温环境下空气源热泵性能低的突出问题，三种可再生能源的互补大大提高了热泵系统可靠性、扩大了其应用范围，根据能量品位梯级对口的原理，采用不同的工作模式满足用户冬季供暖、夏季制冷、全年生活热水及用燃气的基本需求。本发明具有以下优点
(1)可同时利用太阳热能、生物质能和空气热能三种资源量非常巨大的可再生能源，可就地取材，成本极低，应用范围非常广泛；
(2)可完全满足用户冬季供暖、夏季制冷、全年生活热水的需求，实现了一机多用，提高了系统的利用效率；
(3)太阳热能、生物质能和空气热能的互补供能克服了太阳能的间歇性和不稳定性问题，解决了空气源热泵冬季性能降低与热负荷增大的尖锐矛盾；
(4)生物质恒温厌氧发酵具有较高的池容产气率，充分利用已有的太阳能集热设备提供恒温厌氧发酵的条件，实现了太阳能集热器的一器多用，提高其利用效率，降低了系统运行成本；
(5)太阳能热水循环作为热泵空调蒸发器的低温热源，可实现太阳能集热器的低温集热，集热器效率提闻，散热损失小。
图1为本发明的系统原理图，图中序号1_太阳能集热器，2-恒温厌氧发酵器，3-恒温厌氧发酵器中换热器，4-压气装置，5-净化装置，6-储气装置，7-沼气热水器，8-低温水箱，9-低温水箱中换热器，10-室外风冷式换热器，11、12-节流阀，13-四通换向阀，14-压缩机，15-室内风冷式换热器，16-中温水箱，17-中温水箱中换热器，18,19,20-循环水泵，21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33_ 控制阀门。
具体实施例方式
如图1所示，本发明是多种可再生能源互补热泵空调系统，该系统包括太阳能集热器1、恒温厌氧发酵器2、恒温厌氧发酵器中换热器3、压气装置4、净化装置5、储气装置6、沼气热水器7、低温水箱8、低温水箱中换热器9、室外风冷式换热器10、节流阀11、12、四通换向阀13、压缩机14、室内风冷式换热器15、中温水箱16、中温水箱中换热器17、三个循环水泵18、19和20及必要的控制阀门2广33，有7个端口供用户使用，分别是燃气端口 A、第一热水端口 B、第一回水端口 C、第二热水端口 D、第二回水端口 E、第三热水端口 F和第三回水端口 G ;其中所述太阳能集热器I同时与恒温厌氧发酵器2和低温水箱8相连接，恒温厌氧发酵器2后依次连接有压气装置4、净化装置5、储气装置6，储气装置6后连接有沼气热水器7和供用户使用的燃气端口 A，沼气热水器7的热水接口同时和低温水箱8、第一热水端口 B及第一回水端口 C相连接，低温水箱8设有第二热水端口 D及第二回水端口 E，室外风冷式换热器10和低温水箱中换热器9并联连接，室内风冷式换热器15与中温水箱中换热器17并联连接，中温水箱16设有第三热水端口 F及第三回水端口 G ;恒温厌氧发酵器2中的换热器3的两端与太阳能集热器I或低温水箱8相连接。如图1所示，太阳能集热器I及低温水箱8、中温水箱16及其相连接管路中的热媒可以是水或其他防冻液。如图1所示，低温水箱8和中温水箱16中设有第一换热器9和第二换热器17，第一换热器9和第二换热器17是盘管式结构，或者是翅片管式结构。如图1所示，低温水箱8中换热器9和室外风冷式换热器10分别连接第一节流阀11和第二节流阀12，通过第一控制阀门27和第二控制阀门28切换两个回路。如图1所示，压缩机14是定频压缩机，或者是变频压缩机，使用现有的常用工质，或新型环保制冷剂做冷媒。如图1所示,低温水箱8和中温水箱16上设置热水供水管口和补水管口。如图1所示，循环水泵19设置有旁通回路，通过第三控制阀门30和第四控制阀门33控制两回路的通闭。如图1所示，在太阳辐射充足时，利用太阳能集热器I集热使恒温厌氧发酵器2中保持恒温发酵，多余的太阳热能加热低温水箱8中的水，发酵产生的沼气经过压气装置4和净化装置5储存在储气装置6中，利用沼气热水器7将低温水箱8中的水加热。如果太阳能充足且低温水箱8中水温较高，即可利用低温水箱8中的热水供热；如果沼气充足，用户即可通过第一热水端口 B、第一回水端口 C取热，通过燃气端口 A使用燃气。如果太阳能和沼气不足，低温水箱8中的水温不能满足要求，需要启动热泵装置，以低温水箱8中的水为低温热源通过热泵循环加热中温水箱16中的水，进行供热。如图1所示，当太阳能和沼气严重不足，无法提供足够的热量给低温水箱8中的水时，开启室外风冷式换热器10，以空气源热泵的模式进行供热。由于本系统中存在3个储能装置(储气装置6、低温水箱8和中温水箱16)和3种能量供给(太阳热能、生物质能和空气热能)，系统的稳定性和可靠性大大提高。
综上所述，本发明具有供燃气、供热、制冷等功能，各功能实现途径详述如下。一、供燃气
本发明所述系统中恒温厌氧发酵器2产生的沼气经压气装置4、净化装置5进入储气装置6，通过燃气端口 A供用户使用。恒温厌氧发酵器2的恒温发酵环境可通过以下两种途径实现。( I)太阳能集热器加热
太阳辐射充足时，开启循环水泵20、控制阀门22及31，太阳能集热器I中热水在循环水泵20的作用下进入恒温厌氧发酵器2中的换热盘管3中，加热发酵液，使其发酵温度基本保持不变。(2)低温水箱加热
太阳辐射不足时，开启循环水泵20、控制阀门21、22及第三控制阀门33，关闭循环水泵19及第三控制阀门30、控制阀门31，低温水箱8中的热媒进入换热盘管3中加热发酵液，使其发酵温度基本保持不变。当低温水箱8中的热媒温度较低时，开启沼气热水器7、循环水泵18及控制阀门26、32，加热低温水箱8中的热媒。二、供热
本发明所述系统的供热模式有以下几种。(I)太阳能供热
如图1所示，太阳辐射强度较好时，太阳能集热器I产生的热水可直接供热，此时控制阀门21、第三控制阀门30和控制阀门31打开，循环水泵19工作。低温水箱8中的热媒经循环水泵19进入太阳能集热器1，被加热后送回低温水箱8，低温水箱8中热水通过第二热水端口 D、第二回水端口 E供用户使用。(2)燃气供热
如图1所示，储气装置6中燃气充足时，可通过沼气热水器7加热回水直接供热，此时控制阀门32关闭，控制阀门26打开，第一回水端口 C的热媒进入沼气热水器7被加热到特定温度，通过控制阀门26返回第一热水端口 B，供用户使用。(3)热泵供热
如图1所示，利用热泵循环将中温水箱16中的热媒加热，通过第三热水端口 F、第三回水端口 G进行供热。本发明所述系统的热泵循环具有两个蒸发器，分别是低温水箱8中的第一换热器9和室外风冷式换热器10 ;有三种低温热源，分别是太阳热能、生物质能和空气热能，其中太阳热能和生物质能对应低温水箱8中的第一换热器9 (称为水源)，空气热能对应室外风冷式换热器10 (称为空气源)，根据蒸发器的不同，将热泵供热模式分为以下三种类型。①空气源热泵
空气源热泵模式中，空气为低温热源，室外风冷换热器10为蒸发器，此时第二控制阀门28打开，第一控制阀门27关闭。制冷剂被压缩机14压缩后，经四通换向阀13至中温水箱16中的第二换热器17向水释放热量，最后经第二节流阀12进入室外风冷式换热器10吸收空气中热量后进入压缩机14完成一个循环。用户通过第三热水端口 F、第三回水端口G取用中温水箱中的热水。②水源热泵 水源热泵模式中，低温水箱8中的热水为低温热源，第一换热器9为蒸发器，低温水箱8中的热水可以来自于太阳能集热器I也可以来自于沼气热水器7，此时第一控制阀门27打开，第二控制阀门28关闭。制冷剂被压缩机14压缩后，经四通换向阀13至中温水箱16中换热器17向水释放热量，最后经第一节流阀11进入换热器9中吸收低温水箱8中水的热量后进入压缩机14完成一个循环。用户通过第三热水端口 F、第三回水端口 G取用中温水箱中的热水。③空气源热泵加水源热泵
空气源热泵加水源热泵模式中，第一控制阀门27和第二控制阀门28均打开，两个蒸发器同时工作，制冷剂被压缩机14压缩后，经四通换向阀13至中温水箱16中换热器17向水释放热量，最后经第一节流阀11和第二节流阀12分别进入第一换热器9和室外风冷式换热器10，分别吸收低温水箱8中水的热量和空气中的热量后进入压缩机14完成一个循环。用户通过第三热水端口 F、第三回水端口 G取用中温水箱中的热水。三、制冷
本发明所述系统可以单独制冷，也可以制冷的同时制取热水。( I)单独制冷
单独制冷时，第二控制阀门28、控制阀门29打开，第一控制阀门27关闭，制冷剂被压缩机14压缩后，经四通换向阀13至室外风冷式换热器10中向环境释放热量，最后经第二节流阀12进入室内风冷式换热器15，吸收室内空气的热量后进入压缩机14完成一个循环。用户通过室内风冷式换热器15获得冷量。(2)制冷兼制热水
制冷兼制热水时，第一控制阀门27、控制阀门29打开，第二控制阀门28关闭，制冷剂被压缩机14压缩后，经四通换向阀13至低温水箱8中第一换热器9向水释放热量，最后经第一节流阀11进入室内风冷式换热器15，吸收室内空气的热量后进入压缩机14完成一个循环。用户通过室内风冷式换热器15获得冷量，通过第二热水端口 D、第二回水端口 E取用低温水箱中热水。
权利要求
1.多种可再生能源互补热泵空调系统，其特征在于该系统包括太阳能集热器(I)、 恒温厌氧发酵器(2)、恒温厌氧发酵器中换热器(3)、压气装置(4)、净化装置(5)、储气装置(6)、沼气热水器(7)、低温水箱(8)、低温水箱中换热器(9)、室外风冷式换热器(10)、节流阀(11、12)、四通换向阀(13)、压缩机(14)、室内风冷式换热器(15)、中温水箱(16)、中温水箱中换热器(17 )、三个循环水泵(18、19和20 )及必要的控制阀门(2f 33 )，有7个端口供用户使用，分别是燃气端口(A)、第一热水端口(B)、第一回水端口(C)、第二热水端口(D)、 第二回水端口(E)、第三热水端口(F)和第三回水端口(G);其中所述太阳能集热器(I)同时与恒温厌氧发酵器(2 )和低温水箱(8 )相连接，恒温厌氧发酵器(2 )后依次连接有压气装置(4)、净化装置(5)、储气装置(6)，储气装置(6)后连接有沼气热水器(7)和供用户使用的燃气端口(A)，沼气热水器(7)的热水接口同时和低温水箱(8)、第一热水端口(B)及第一回水端口(C)相连接，低温水箱(8)设有第二热水端口(D)及第二回水端口(E)，室外风冷式换热器(10)和低温水箱中换热器(9)并联连接，室内风冷式换热器(15)与中温水箱中换热器 (17)并联连接，中温水箱(16)设有第三热水端口(F)及第三回水端口(G);恒温厌氧发酵器 (2 )中的换热器(3 )的两端与太阳能集热器(I)或低温水箱(8 )相连接。
2.根据权利要求书I所述的多种可再生能源互补热泵空调系统，其特征在于太阳能集热器(I)及低温水箱(8)、中温水箱(16)及其相连接管路中的热媒可以是水或其他防冻液。
3.根据权利要求书I所述的多种可再生能源互补热泵空调系统，其特征在于低温水箱(8)和中温水箱(16)中设有第一换热器(9)和第二换热器(17)，第一换热器(9)和第二换热器(17 )是盘管式结构，或者是翅片管式结构。
4.根据权利要求书I所述的多种可再生能源互补热泵空调系统，其特征在于低温水箱(8)中换热器(9)和室外风冷式换热器(10)分别连接第一节流阀(11)和第二节流阀(12)，通过第一控制阀门(27)和第二控制阀门(28)切换两个回路。
5.根据权利要求书I所述的多种可再生能源互补热泵空调系统，其特征在于压缩机 (14)是定频压缩机，或者是变频压缩机，使用现有的常用工质，或新型环保制冷剂做冷媒。
6.根据权利要求书I所述的多种可再生能源互补热泵空调系统，其特征在于低温水箱(8)和中温水箱(16)上设置热水供水管口和补水管口。
7.根据权利要求书I所述的多种可再生能源互补热泵空调系统，其特征在于循环水泵(19)设置有旁通回路，通过第三控制阀门(30)和第四控制阀门(33)控制两回路的通闭。
全文摘要
多种可再生能源互补热泵空调系统，属于热泵空调领域，该系统中太阳能集热器同时与恒温厌氧发酵器和低温水箱相连接，恒温厌氧发酵器后依次连接有压气装置、净化装置、储气装置，储气装置后连接有沼气热水器和供用户使用的燃气端口A，沼气热水器的热水接口同时和低温水箱、第一热水端口B及第一回水端口C端口相连接，低温水箱设有第二热水端口D及第二回水端口E，室外风冷式换热器和低温水箱中换热器并联连接，室内风冷式换热器与中温水箱中换热器并联连接，中温水箱设有第三热水端口F及第三回水端口G。
文档编号F25B29/00GK103017282SQ20131000402
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者张东, 李金平, 南军虎, 王林军, 王克振, 刘伟 申请人:兰州理工大学