一种风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统的制作方法

本发明涉及一种协同利用太阳能、风能和浅层地热的热泵供暖空调系统，属于空调技术领域。

背景技术：

随着社会经济的快速发展，环境污染问题日益严重，雾霾天气频频出现，严重地威胁着人们的身体健康。大气污染与能源消费之间存在着必然关联，造成严重雾霾现象的直接原因是能源的过度消费和不合理的能源结构。因此，要想根治大气污染，节能减排，大力推行清洁能源和可再生能源，调整不合理的能源结构是关键切入点。

热泵供暖空调系统可以实现冬季取暖、夏季供冷，已在人们的日常生活中得到了广泛应用，其存在的主要问题是用电量大、能耗高。新兴起的地源热泵或者水源热泵空调系统相对于普通空调机来说能耗较少，但其工作过程中的电力消耗量仍然很大，因此，热泵技术在能源改造过程中发挥着重要作用。如何利用清洁能源为热泵供暖空调系统供电，是本领域亟待解决的技术问题之一。

太阳能是一种丰富、清洁的可再生能源，既可以利用太阳能发电又可以利用太阳能辐射的能量加热工质，而风能也是最具商业潜力、最具活力的可再生能源。太阳能与风能在时间上和季节上都具有很强的互补性：白天太阳能充足，晚上风能充足；夏季太阳能充足，冬季风能充足。因此风光互补的自供能双热源热泵供暖空调系统近年来得到了人们的广泛关注和应用。按照低温热源的类型，现有的热泵可以分为空气源热泵、水源(地下水、浅表水、污水)热泵和土壤热源热泵。尽管热泵技术本身已经非常成熟，但其在太阳能的综合利用方面还存在诸多不足，运行成本仍然相对较高，目前还不能被用户所接受，因此有必要进一步进行研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统，以减少电能的消耗量，达到节能减排的目的。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统，构成中包括冷端热源集热系统、热泵压缩系统和风光互补供电系统，所述热泵压缩系统包括室外换热器、膨胀阀、室内换热器、压缩机，它们通过循环工质管路依次连接成环形热泵系统，所述压缩机由风光互补供电系统提供电能，所述冷端热源集热系统与室外换热器进行热交换，所述热泵压缩系统有以下两种工作模式：

a.夏季运行时，压缩机将循环工质(制冷剂)压缩到室外换热器，工质在室外换热器内散热后经膨胀阀进入室内换热器，在室内换热器内完成吸热过程，此时室外换热器为冷凝器，室内换热器为蒸发器；

b.冬季运行时，压缩机将循环工质(制冷剂)压缩到室内换热器，工质在室内换热器内散热后经膨胀阀进入室外换热器，在室外换热器内完成吸热过程，此时室内换热器为冷凝器，室外换热器为蒸发器。

上述风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统，所述风光互补供电系统包括风力发电机、光伏电池板、整流器、逆变器、蓄电池和两个直流电压变换器，所述风力发电机输出的交流电压依次经整流器、第一直流电压变换器接逆变器的输入端，所述光伏电池板的输出端经第二直流电压变换器接逆变器的输入端；所述蓄电池接于逆变器的输入端，所述逆变器的输出端给压缩机供电。

上述风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统，所述冷端热源集热系统包括太阳能集热器、土壤热源集热器、集热端循环泵、集水箱和七个阀门，所述集水箱的进水口接室外换热器的循环水出口，出水口接集热端循环泵的进水口，所述集热端循环泵的出水口分别通过第一阀门和第二阀门与太阳能集热器和土壤热源集热器的首端连接；第三阀门接于太阳能集热器的首端和土壤热源集热器的尾端之间；第四阀门接于太阳能集热器的尾端和土壤热源集热器的首端之间；所述太阳能集热器和土壤热源集热器的尾端分别通过第五阀门和第六阀门接第七阀门的进水口，第七阀门的出水口与室外换热器的循环水进口连接，所述冷端热源集热系统有以下五种工作模式：

a.夏季运行时，第二阀门、第六阀门和第七阀门开启，第一阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭，由土壤热源集热器与室外换热器进行热交换；

b.冬季太阳能不足时，第一阀门、第二阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门开启，第三阀门、第四阀门关闭，太阳能集热器和土壤热源集热器并联运行；

c.冬季太阳能不足时，第一阀门、第四阀门、第六阀门和第七阀门开启，阀门第二阀门、第三阀门和第五阀门关闭，先太阳能集热器后土壤热源集热器串联运行；

d.冬季太阳能不足时，第二阀门、第三阀门、第五阀门和第七阀门开启，第一阀门、第四阀门和第六阀门关闭，先土壤热源集热器后太阳能集热器串联运行；

e.冬季太阳能不能提供任何热量时，第二阀门、第六阀门和第七阀门开启，阀门第一阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭，由土壤热源集热器单独供暖。

上述风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统，构成中还包括扩展的用户系统，所述用户系统包括用户端循环泵、吸热器、散热器和三个阀门，所述用户端循环泵的一端依次经室内换热器的循环水管和第八阀门与吸热器和散热器的首端连接，另一端接集水箱的进水口并分别通过第九阀门和第十阀门与散热器和吸热器的尾端连接，夏季第八阀门和第十阀门开启，第九阀门关闭；冬季太阳能不足时，第八阀门和第九阀门开启，第十阀门关闭。

上述风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统，构成中还包括直接供热管路，所述直接供热管路的一端接散热器的首端，另一端通过第十一阀门与第五阀门和第六阀门的公共管路连接，冬季太阳能充足时，第一阀门、第五阀门、第九阀门与第十一阀门同时开启，其余阀门关闭，由太阳能集热器直接向散热器提供热水。

上述风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统，所述散热器为地暖或其它室内取暖器。

上述风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统，所述逆变器的输出端与市电并网。

本发明实现了太阳能、风能和土壤热能的综合利用，该系统不仅以风光互补的方式将太阳能和风能转化为电能，以满足系统耗能的自给自足，而且还利用太阳能和土壤热源提高热泵压缩系统的运行效率，从而大大降低的系统的整体能耗，达到了节能减排的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的夏季运行模式；

图3是本发明在冬季太阳能充足时的供暖运行模式；

图4是冬季太阳能不足时两种集热器并联运行模式；

图5是冬季太阳能不足时先太阳能后土壤源串联运行模式；

图6是冬季太阳能不足时先土壤源后太阳能串联运行模式；

图7是冬季土壤源单一热源供暖模式。

图中各标号为：V1～V11、第一阀门～第十一阀门；T、集水箱；P1、集热端循环泵；P2、用户端循环泵；SC、太阳能集热器；STC、土壤热源集热器；XR、吸热器；SR、散热器；YS、压缩机；PZ、膨胀阀；WH、室外换热器；NH、室内换热器；WE、风力发电机；GV、光伏电池板；ZQ、整流器；NB、逆变器；DC/DC1、第一直流电压变换器；DC/DC2、第二直流电压变换器；B、蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种太阳能、风能和土壤热能综合利用的自供能热泵供暖空调系统，为降低能耗、节能减排和治理雾霾提供了技术途径。

参看图1，风光互补的自供能混合型双热源热泵供暖空调系统主要包括四大子系统，分别为风光互补供电系统、热泵压缩系统、冷端热源集热系统和用户系统。

风光互补供电系统包括风力发电机WE、太阳能光伏电池板GV、整流器ZQ、第一直流电压变换器DC/DC1、第二直流电压变换器DC/DC2、逆变器NB、蓄电池B和市电备用电源，风力发电机WE和太阳能光伏电池板GV完成一次能源的采集，将风能和太阳能转换为电能，整流器ZQ和第一直流电压变换器DC/DC1起到整流和调压的作用，可将风力发电机WE输出的三相交流电转化为12.5-14V的直流电；第二直流电压变换器DC/DC2将光伏电池板GV输出的直流电转化为12.5-14V的直流电，蓄电池B为风光互补供电系统的储能元件，将电能以化学能的方式储存，可以实现电能的后续利用；逆变器NB为风光互补供电系统的电能转换装置，将直流电转换为交流电，输出的交流电一部分用于驱动压缩机，另一部分以分布式能源的方式并入国家电网，市电为风光互补供电系统的备用电源，可在风能和太阳能不足的时候，保证整套系统的能耗需求。

热泵压缩系统包括压缩机YS、膨胀阀PZ、室外换热器WH和室内换热器NH。它们通过循环工质管路接成闭合循环回路，循环工质(制冷剂)在回路中完成循环。压缩机YS的旋转方向随季节而变：在冬季，室外换热器WH作为蒸发器使用，室内换热器NH作为冷凝器使用；在夏季，压缩机YS的旋转方向改变，室外换热器WH作为冷凝器使用，室内换热器NH作为蒸发器使用。

冷端热源集热系统包括集水箱T、集热端循环泵P1、太阳能集热器SC、土壤热源集热器STC和七个阀门(第一阀门V1～第七阀门V7)。集热端循环泵P1为冷端热源集热系统中工质的循环流动提供动力，工质的流动路径通过第一阀门V1～第七阀门V7的开启或闭合来控制。

用户系统包括吸热器XR、散热器SR和四个阀门(第八阀门V8～第十一阀门V11)，四个阀门用于切换吸热器XR和散热器SR的工作模式。

本发明的运行方式如下所述：

1、供电运行模式

由风力发电机WE、太阳能光伏电池板GV、蓄电池B、市电备用电源和逆变器NB所组成的风光互补供电系统持续为整套系统提供电能，在风光互补供电系统发电充沛的情况下，一方面可以通过蓄电池B持续储能，另一方面也可作为分布式能源并网发电；在风光互补供电系统发电不足的情况下，耗电设备可以通过市电来获得运行所耗的电能。通过上述方式，保证供暖空调系统稳定运行。

2、夏季运行模式

参看图2，热泵压缩系统内的循环工质(制冷剂)通过压缩机压缩，其温度和压力升高，工质通过压缩机的高压端口循环至室外换热器WH，循环工质(制冷剂)完成换热后，经过膨胀阀，循环工质(制冷剂)的温度和压力降低，在室内换热器NH内完成吸热过程。

第二阀门V2、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8、第十阀门V10开启，第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第九阀门V9、第十一阀门V11关闭，由土壤热源集热器与室外换热器进行热交换。

3、冬季供暖运行模式

热泵压缩系统内的循环工质(制冷剂)通过压缩机压缩，其温度和压力升高，工质通过压缩机的高压端口循环至室内换热器NH，在室内换热器NH内放热，然后循环工质(制冷剂)经过膨胀阀，循环工质(制冷剂)的温度和压力降低，在室外换热器WH内完成吸热过程。

1)太阳能充足时，直接用太阳能集热器提供的热水供暖。

参看图3，第一阀门V1、第五阀门V5、第九阀门V9、第十一阀门V11开启，第二阀门V2、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8、第十阀门V10关闭。

2)太阳能集热所提供的热水温度太低不适合直接供暖时，太阳能集热器和土壤热源集热器同时为热泵供暖。

(1)并联运行。

参看图4，第一阀门V1、第二阀门V2、第五阀门V5、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9开启，第三阀门V3、第四阀门V4、第十阀门V10、第十一阀门V11关闭。

(2)先太阳能后土壤源串联运行。

参看图5，第一阀门V1、第四阀门V4、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9开启，第二阀门V2、第三阀门V3、第五阀门V5、第十阀门V10、第十一阀门V11关闭。

(3)先土壤源后太阳能串联运行

参看图6，第二阀门V2、第三阀门V3、第五阀门V5、第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9开启，第一阀门V1、第四阀门V4、第六阀门V6、第十阀门V10、第十一阀门V11关闭。

3)太阳能不能提供任何热量时，启动热泵土壤源单一热源供暖。

参看图7，第二阀门V2、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9开启，第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第十阀门V10、第十一阀门V11关闭。

与现有技术相比，本发明的优点：

本发明的技术核心在于将太阳能、风能和土壤热能的利用进行整合，该系统不仅将太阳能和风能一次清洁能源以风光互补的方式转化为二次能源电能，以满足系统耗能的自给自足，而且还将太阳能集热器和土壤热源集热器作为冷端工质的蓄热元件，大大降低的系统的整体能耗，更加节能环保。

本发明部分地利用了能量品位比浅层地热能更高的太阳能，所以热泵系统的COP会明显高于普通土壤源热泵系统。由于土壤源热泵的低温热源(土壤)的温度比空气源空调的低，所以其性能系数明显高于普通空调。

本发明将风光发电系统与双热源热泵技术进行有机集成，不但可以满足整套系统的能源自给自足，而且还可以作为分布式能源并网发电，以最大限度地降低运行成本，提高能源利用率，是一种生态化节能供能技术，为实现能源的高效利用和能源结构调整提供一种新的途径。