一种蓄能型复合太阳能集热及热泵的冷热联供系统的制作方法

本发明涉及热泵技术和制冷空调联用领域，尤其是涉及一种蓄能型复合太阳能集热及热泵的冷热联供系统。

背景技术：

随着国民经济的发展，我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消费量中所占的比例逐渐接近三成。研究表明，随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑耗能比例最终还将上升至35％左右。另外，我国的高耗能建筑比例较大，加剧了能源危机。因此，建筑节能已经成为我国节能减排政策的重点对象。建筑能耗主要包括采暖、空调、热水供应、通风、照明等，其中以采暖和空调能耗较大。

我国有丰富的太阳能资源，太阳能热利用技术已经受到广泛重视，相关产品也得到迅速推广，主要用于热水供应及采暖。然而，因其具有间歇性与不稳定性的特点，太阳能资源的充分利用一直受到制约。另外，近些年，我国各地政府相继出台低谷电优惠政策，以上海为例，对于分时用户，峰时段电费为0.617元/kwh，谷时段电费0.307元/kwh。空气源热泵是将电能高效转化为热能的节能设备，采用低谷电能驱动空气源热泵向热用户供热，既能实现节省电费，又能节约能源。然而，低谷电能同样具有间歇性的特点，实现间歇性能源的充分利用是节能领域的一大课题。蓄能技术可以有效解决能量供应与需求在时间和强度上不匹配的矛盾，实现能源的充分利用。将太阳能与低谷电能在时间上的间歇性互补，白天采用太阳能集热器收集太阳能供热，夜间利用低谷电能驱动空气源热泵制热或制冷，以及配合蓄热/冷技术，可实现间歇性能源的连续、高效利用，从而达到极大限度的节能。

空气源热泵以兼顾制热制冷、节能节水、使用安装方便等优点在我国长江中下游、西南及华南地区得到广泛的推广与应用。但是对于我国北方地区而言，冬季环境温度较低，普通空气源热泵无法满足要求，即使是二氧化碳热泵，长期在低温环境下工作，系统压缩机的运行工况恶化，严重影响压缩机的寿命，并引起安全性问题。另外，空气源热泵在冬季运行时，蒸发器表面温度较低，容易形成霜层，进而影响换热器换热效果。专利号为201020262648.1及201020669249.9的实用新型专利分别提出了增加补气回路循环和补气压缩机的方法解决热泵系统低温工况下的安全性问题。这些措施在一定程度上改善了系统的安全性问题，但蒸发器的结霜问题依然存在。中国专利(申请号cn01105718)公开了利用相变材料进行蓄热的热泵供热的技术方案。该方案利用夜间的低谷电能采用电加热器加热相变蓄热机组中的相变材料，将热量蓄存，用于白天向热泵系统提供蒸发热。该系统可以节省运行电费，但由于采用了电加热，并不能实现充分的节能。

上述对空气源热泵的改进及增加蓄热机组等措施导致系统更加复杂，初投资大，并且存在由于设计不合理导致高能耗、运行维护昂贵等问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蓄能型复合太阳能集热及热泵的冷热联供系统，将太阳能集热、低谷电能利用、空气源热泵及蓄能技术四个节能模块结合起来以实现极大限度的节能。另外，进一步将蓄能模块与空气源热泵有机结合，解决热泵模块在低温环境下运行的安全性问题，扩大空气源热泵应用地域，提高热泵的运行效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种蓄能型复合太阳能集热及热泵的冷热联供系统，包括：

热泵模块：包括顺序连接并构成循环的压缩机、第一液体冷却式换热器、膨胀阀和第二液体冷却式换热器；

太阳能集热模块：包括连接并构成循环的太阳能集热器、换热器和水泵，其中，所述换热器还引出第一热循环通道连接小区用热用户；

蓄能模块：包括蓄热机组和蓄冷机组，其中，蓄热机组还引出第二热循环通道、第三热循环通道和第四热循环通道分别连接第一液体冷却式换热器、换热器和小区用热用户，蓄冷机组还引出第五热循环通道、第六热循环通道和第七热循环通道分别连接第二液体冷却式换热器、换热器和小区用冷用户。

作为优选的实施方案，所述第一液体冷却式换热器和第二液体冷却式换热器还分别引出第八热循环通道和第九热循环通道连接置于环境中的第一换热风机和第二换热风机。

作为上述优选的实施方案的更优选，所述的第一热循环通道上依次对称布置有阀门d、阀门e、阀门f和阀门g，所述的第七热循环通道上还对称布置有阀门l和阀门m，所述第八热循环通道上还对称设置阀门a和阀门b，所述第九热循环通道上还对称布置有阀门i，

所述第八热循环通道上的阀门a和阀门b之间管路还引出对称设置阀门c的换热通道，并接入第一热循环通道上，所述蓄热机组还引出对称设置有阀门j的换热通道，并接入第一热循环通道上，使得第一液体冷却式换热器与小区用热用户之间形成由阀门a、阀门c、阀门e、阀门f、阀门g控制通断的所述第十热循环通道，蓄热机组与换热器之间形成由阀门d、阀门e和阀门j控制通断的所述第三热循环通道，蓄热机组与第一液体冷却式换热器之间形成由阀门a、阀门c、阀门e和阀门j控制通断的所述第二热循环通道，蓄热机组与小区用热用户之间形成由阀门j、阀门f和阀门g控制通断的所述第四热循环通道，

所述第九热循环通道上的第二液体冷却式换热器与阀门i之间管路还引出对称设置阀门h的换热通道，并接入第七热循环通道上，所述蓄冷机组还引出对称设置有阀门k的换热通道，并接入第一热循环通道上，使得第二液体冷却式换热器与小区用冷用户之间形成由阀门h、阀门m控制通断的第十一热循环通道，蓄冷机组与第二液体冷却式换热器之间形成由阀门h、阀门g和阀门k控制通断的第五热循环通道，蓄冷机组与换热器之间形成由阀门d、阀门e、阀门f和阀门k控制通断的第六热循环通道。

作为上述更优选的实施方案的进一步优选，通过控制各阀门的通断，使得所述冷热联供系统根据季节与环境不同分为适于夏季的热泵制冷-太阳能集热模式和适于冬季的热泵制热-太阳能集热模式，其中，所述热泵制冷-太阳能集热模式和热泵制热-太阳能集热模式均包括夜晚模式和白天模式两种子工作模式。

作为上述进一步优选的实施方案的更进一步优选，当冷热联供系统处于热泵制冷-太阳能集热模式的夜晚子工作模式时，阀门c、阀门d、阀门e、阀门i和阀门k处于关闭状态，阀门a、阀门b、阀门f、阀门g、阀门h、阀门j、阀门l和m处于打开状态，此时，热泵模块由低谷电能驱动工作，第一液体冷却换热器作为冷凝器释放出热量，并经换热流体通过阀门a及阀门b带入第一换热风机，并释放到环境中；第二液体冷却换热器作为蒸发器释放出冷量，其中一部分经换热流体通过阀门h及阀门m将该冷量一部分供给小区，另一部分经阀门h和阀门l输送给蓄冷机组，同时，蓄热机组经换热流体通过阀门j、阀门f及阀门g向小区用热用户供热。

作为上述进一步优选的实施方案的更进一步优选，当冷热联供系统处于热泵制冷-太阳能集热模式的白天子工作模式时，阀门a、阀门b、阀门c、阀门h、阀门j和阀门k处于关闭状态，阀门d、阀门e、阀门f、阀门g、阀门j、阀门l和阀门m处于打开状态，此时，热泵模块处于非工作状态，太阳能集热模块通过太阳能集热器收集热量，其中一部分通过换热器经阀门d、阀门e、阀门f、阀门g和阀门j供给小区用热用户，另外一部分向蓄热机组蓄热，蓄冷机组的冷量通过换热流体经阀门l和阀门m输送给小区用冷用户。

作为上述进一步优选的实施方案的更进一步优选，当冷热联供系统处于热泵制热-太阳能集热模式的夜晚子工作模式时，阀门b、阀门d、阀门k和阀门m处于关闭状态，阀门a、阀门c、阀门e、阀门f、阀门g和阀门j处于开启状态，此时，热泵模块由低谷电能驱动工作，第一液体冷却换热器作为冷凝器释放的热量一部分经阀门a、阀门c、阀门e、阀门f和阀门g向小区用热用户供热，另一部分经阀门a、阀门c、阀门e和阀门j向蓄热机组蓄热，第二液体冷却换热器作为蒸发器吸收热量，并当环境温度相对较高时，阀门h和阀门l关闭，阀门i开启，蒸发器通过第二换热风机吸收环境热量；当环境温度相对较低时，阀门h和阀门l开启，阀门i关闭，蒸发器所需热量由蓄冷机组提供。

作为上述进一步优选的实施方案的更进一步优选，当冷热联供系统处于热泵制热-太阳能集热模式的白天子工作模式时，阀门a、阀门b、阀门c、阀门h、阀门i、阀门l和阀门m处于关闭状态，阀门d、阀门e、阀门f、阀门g和阀门j处于开启状态，此时，热泵模块处于非工作状态，太阳能集热模块收集热量，并通过阀门d、阀门e、阀门f、阀门g和阀门k供给小区用热用户，同时，蓄热机组所蓄热量通过换热流体经阀门f、阀门g和阀门j输送给小区用热用户，另外，当环境温度相对较高时，阀门k关闭；当环境温度相对较低时，阀门k开启，太阳能集热模块收集热量分出部分向蓄冷机组蓄热。

作为上述实施方案的优选，所述的蓄热机组所采用的蓄热方式为显热蓄热、相变蓄热或化学蓄热，所述蓄冷机组采用相变材料蓄冷。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)将太阳能集热、低谷电能利用、空气源热泵及蓄能技术四个节能模块结合起来，可实现间歇性能源的连续、高效利用，从而达到极大限度的节能。

(2)将蓄能模块与空气源热泵有机结合，解决热泵模块在低温环境下运行的安全性问题，扩大空气源热泵应用地域，可大幅度提高热泵的运行效率，降低运行能耗。

(3)系统中各部件技术比较成熟，系统技术可行性高。另外，各部件在冬季和夏季均可得到充分利用，尤其是蓄冷机组，在夏季可充当冷源，夜间蓄存冷量用于白天供给小区用户；在冬季可充当热源，为热泵主机的蒸发器供热。

附图说明

图1为本发明的冷热联供系统的结构示意图；

图2为本发明的夏季夜间子工作模式的运行原理示意图；

图3为本发明的夏季白天子工作模式的运行原理示意图；

图4为本发明的冬季夜间子工作模式的运行原理示意图(环境温度相对较高时)；

图5为本发明的冬季白天工作子模式的运行原理示意图(环境温度相对较高时)；

图6为本发明的冬季夜间子工作模式的运行原理示意图(环境温度相对较低时)；

图7为本发明的冬季白天子工作模式的运行原理示意图(环境温度相对较低时)；

图中，1-压缩机；2-第一液体冷却式换热器；3-膨胀阀；4-第二液体冷却式换热器；5-第一换热风机；6-第二换热风机；7-太阳能集热器；8-水泵；9-换热器；10-蓄热机组；11-蓄冷机组，12-阀门a，13-阀门b，14-阀门c，15-阀门d，16-阀门e，17-阀门f，18-阀门g，19-阀门h，20-阀门i，21-阀门j，22-阀门k，23-阀门l，24-阀门m。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种蓄能型复合太阳能集热及热泵的冷热联供系统，其结构如图1所示，包括：

热泵模块：包括顺序连接并构成循环的压缩机1、第一液体冷却式换热器2、膨胀阀3和第二液体冷却式换热器4，第一液体冷却式换热器2和第二液体冷却式换热器4还分别引出第八热循环通道和第九热循环通道连接置于环境中的第一换热风机5和第二换热风机6；

太阳能集热模块：包括连接并构成循环的太阳能集热器7、换热器9和水泵8，其中，换热器9还引出第一热循环通道连接小区用热用户；

蓄能模块：包括蓄热机组10和蓄冷机组11，其中，蓄热机组10还引出第二热循环通道、第三热循环通道和第四热循环通道分别连接第一液体冷却式换热器2、换热器9和小区用热用户，蓄冷机组11还引出第五热循环通道、第六热循环通道和第七热循环通道分别连接第二液体冷却式换热器4、换热器9和小区用冷用户。

作为上述优选的实施方案，第一热循环通道上依次对称布置有阀门d15、阀门e16、阀门f17和阀门g18，第七热循环通道上还对称布置有阀门l23和阀门m24，第八热循环通道上还对称设置阀门a12和阀门b13，第九热循环通道上还对称布置有阀门i20，

第八热循环通道上的阀门a12和阀门b13之间管路还引出对称设置阀门c14的换热通道，并接入第一热循环通道上，蓄热机组10还引出对称设置有阀门j21的换热通道，并接入第一热循环通道上，使得第一液体冷却式换热器2与小区用热用户之间形成由阀门a12、阀门c14、阀门e16、阀门f17、阀门g18控制通断的第十热循环通道，蓄热机组10与换热器9之间形成由阀门d15、阀门e16和阀门j21控制通断的第三热循环通道，蓄热机组10与第一液体冷却式换热器2之间形成由阀门a12、阀门c14、阀门e16和阀门j21控制通断的第二热循环通道，蓄热机组10与小区用热用户之间形成由阀门j21、阀门f17和阀门g18控制通断的第四热循环通道，

第九热循环通道上的第二液体冷却式换热器4与阀门i20之间管路还引出对称设置阀门h19的换热通道，并接入第七热循环通道上，蓄冷机组11还引出对称设置有阀门k22的换热通道，并接入第一热循环通道上，使得第二液体冷却式换热器4与小区用冷用户之间形成由阀门h19、阀门m24控制通断的第十一热循环通道，蓄冷机组11与第二液体冷却式换热器4之间形成由阀门h19、阀门g18和阀门k22控制通断的第五热循环通道，蓄冷机组11与换热器9之间形成由阀门d15、阀门e16、阀门f17和阀门k22控制通断的第六热循环通道。

通过控制各阀门的通断，使得冷热联供系统根据季节与环境不同分为适于夏季的热泵制冷-太阳能集热模式和适于冬季的热泵制热-太阳能集热模式，其中，热泵制冷-太阳能集热模式和热泵制热-太阳能集热模式均包括夜晚模式和白天模式两种子工作模式。其中，

当冷热联供系统处于热泵制冷-太阳能集热模式的夜晚子工作模式时，如图2所示，阀门c14、阀门d15、阀门e16、阀门i20和阀门k22处于关闭状态，阀门a12、阀门b13、阀门f17、阀门g18、阀门h19、阀门j21、阀门l23和m处于打开状态，此时，第四、第五、第七和第八热循环通道接通，热泵模块由低谷电能驱动工作，第一液体冷却换热器9作为冷凝器释放出热量，并经换热流体通过阀门a12及阀门b13带入第一换热风机5，并释放到环境中；第二液体冷却换热器9作为蒸发器释放出冷量，其中一部分经换热流体通过阀门h19及阀门m24将该冷量一部分供给小区，另一部分经阀门h19和阀门l23输送给蓄冷机组11，同时，蓄热机组10经换热流体通过阀门j21、阀门f17及阀门g18向小区用热用户供热，蓄热机组10的热量来自白天太阳能集热器7收集的热量。

当冷热联供系统处于热泵制冷-太阳能集热模式的白天子工作模式时，如图3所示，阀门a12、阀门b13、阀门c14、阀门h19、阀门j21和阀门k22处于关闭状态，阀门d15、阀门e16、阀门f17、阀门g18、阀门j21、阀门l23和阀门m24处于打开状态，此时，第一、第三、第七热循环通道接通，热泵模块处于非工作状态，太阳能集热模块通过太阳能集热器7收集热量，其中一部分通过换热器9经阀门d15、阀门e16、阀门f17、阀门g18和阀门j21供给小区用热用户，另外一部分向蓄热机组10蓄热，蓄冷机组11的冷量通过换热流体经阀门l23和阀门m24输送给小区用冷用户。

当冷热联供系统处于热泵制热-太阳能集热模式的夜晚子工作模式(环境温度相对较高)时，如图4所示，阀门b13、阀门d15、阀门h19、阀门k22、阀门l23和阀门m24处于关闭状态，阀门a12、阀门c14、阀门e16、阀门f17、阀门g18、阀门i20和阀门j21处于开启状态，此时，第二、第九、第十热循环通道接通，热泵模块由低谷电能驱动工作，第一液体冷却换热器9作为冷凝器释放的热量一部分经阀门a12、阀门c14、阀门e16、阀门f17和阀门g18向小区用热用户供热，另一部分经阀门a12、阀门c14、阀门e16和阀门j21向蓄热机组10蓄热，第二液体冷却换热器9作为蒸发器吸收热量，蒸发器通过第二换热风机6吸收环境热量。

当冷热联供系统处于热泵制热-太阳能集热模式的白天子工作模式(环境温度相对较高)时，如图5所示，阀门a12、阀门b13、阀门c14、阀门h19、阀门i20、阀门k22、阀门l23和阀门m24处于关闭状态，阀门d15、阀门e16、阀门f17、阀门g18和阀门j21处于开启状态，此时，第一、第四热循环通道接通，热泵模块处于非工作状态，太阳能集热模块收集热量，并通过阀门d15、阀门e16、阀门f17、阀门g18和阀门k22供给小区用热用户，同时，蓄热机组10所蓄热量通过换热流体经阀门f17、阀门g18和阀门j21输送给小区用热用户。

当冷热联供系统处于热泵制热-太阳能集热模式的夜晚子工作模式(环境温度相对较低)时，如图6所示，阀门b13、阀门d15、阀门i20、阀门k22和阀门m24处于关闭状态，阀门a12、阀门c14、阀门e16、阀门f17、阀门g18、阀门h19、阀门l23和阀门j21处于开启状态，此时，第二、第十、第五热循环通道接通，热泵模块由低谷电能驱动工作，第一液体冷却换热器9作为冷凝器释放的热量一部分经阀门a12、阀门c14、阀门e16、阀门f17和阀门g18向小区用热用户供热，另一部分经阀门a12、阀门c14、阀门e16和阀门j21向蓄热机组10蓄热，第二液体冷却换热器9作为蒸发器需要吸收热量，其由蓄冷机组11提供。蓄冷机组11的热量来自白天太阳能集热模块收集的太阳能。

当冷热联供系统处于热泵制热-太阳能集热模式的白天子工作模式(环境温度相对较低)时，如图7所示，阀门a12、阀门b13、阀门c14、阀门h19、阀门i20、阀门l23和阀门m24处于关闭状态，阀门d15、阀门e16、阀门f17、阀门g18、阀门k22和阀门j21处于开启状态，此时，第一、第四和第六热循环通道接通，热泵模块处于非工作状态，太阳能集热模块收集热量，其中一部分通过阀门d15、阀门e16、阀门f17、阀门g18和阀门k22供给小区用热用户，另一份向蓄冷机组11蓄热，同时，蓄热机组10所蓄热量通过换热流体经阀门f17、阀门g18和阀门j21输送给小区用热用户。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。