专利名称：太阳能光伏供电地下水源热泵式温室空调系统的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源利用领域，具体涉及太阳能光伏供电地下水源热泵温室空调节能系统。
背景技术：
现代农业的发展对新能源的需求和应用越来越广泛，而目前温室的加温主要采用燃煤热水加温、燃气热水加温和燃油热风炉加温系统，这些加温方式需要燃烧大量化石类能源，会释放出大量二氧化碳等温室气体和有害气体，危害生态环境。因此，许多清洁能源如太阳能和浅层地热能利用技术等逐渐引起学者们的关注。浅层地能的利用主要是通过地源热泵技术来实现，这是一种以浅层土壤或地下水作为空调热源或冷源，兼具加温和制冷双重功能的热泵技术。太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点，丰富的太阳辐射能是取之不尽、用之不竭，无污染、安全的可再生能源。而目前对太阳能利用主要在热利用上，太阳能发电的装置也大多放在空地上，占用了大量的土地资源，并且主要采用晶硅太阳能电池板，其造价很高，生产中对于能源消耗大，不透光无法与温室一体化。目前对于温室的供暖制冷没有将光伏发电和地源热泵结合起来的。专利申请号为200620158436.4，专利名称为一种带有地源热泵的温室/生态酒店的中国实用新型专利提供的技术方案中，将地源热泵对温室进行供暖制冷并提供生活热水，一机三用，但使用国家电网的电力驱动地源热泵，一是成本较高二是仍会有较多温室气体排放，污染环境。专利申请号为201120486401.4，专利名称为太阳能光伏温室大棚的中国实用新型专利提供的技术方案中，将太阳能光伏发电用于温室，与温室一体化，但是完全使用光伏发电，造价太高。
发明内容
本发明的目的在于提供一个太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统，以克服地源热泵式温室和太阳能光伏温室 的缺点，使既具有社会效益也具有经济效益。本发明提出的太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统，一种太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统，包括地下水源热泵系统和太阳能光伏发电系统，地下水源热泵系统包括地下水换热系统、热泵机组和末端系统，其中:
地下水换热系统包括潜水泵1、除砂器2、水源侧电子除垢仪3、板式换热器4、水源侧循环水泵5和水源侧补水泵15，潜水泵I依次通过除砂器2、水源侧电子除垢仪3连接板式换热器4的水源进水侧，板式换热器4的用户出水侧分别连接水源侧补水泵15和水源侧循环水泵5，水源侧循环水泵5连接热泵机组入口端，热泵机组出口端连接板式换热器4的用户进水侧回到回灌井；
热泵机组包括蒸发器6、压缩机7、膨胀阀8和冷凝器9，压缩机7出口端依次连接冷凝器9、膨胀阀8和蒸发器6，蒸发器6出口端连接压缩机7入口端；
末端系统包括用户侧循环水泵10、用户侧电子除垢仪U、用户侧补水泵12和风机盘管18，热泵机组连接风机盘管18，风机盘管18出口端依次连接用户侧电子除垢仪11、用户侧补水泵12和用户侧循环水泵10，水源侧和用户侧共用一台全自动软水器14和软化水箱13，软化水箱13分别与水源侧补水泵15和用户侧补水泵12相连；地下水换热系统和末端系统通过热泵机组相连；
太阳能光伏发电系统由太阳能光伏方阵组20、直流配电柜21、并网逆变器22及交流配电柜23组成，和公共电网配合供电；并网逆变器22分别连接太阳能光伏方阵组20和交流配电柜23，太阳能光伏方阵组20产生的直流电经并网逆变器22转换成交流电之后供给地下水源热泵系统，多余的电力通过交流配电柜23反馈给电网，当发电电能不能满足供电需求时，就由电网供给。本发明利用地下水源热泵供暖制冷温室，要分析地下水的冷热平衡，冬季利用地下水的热量和夏季释放给地下水的热量是否平衡，若相差在15%以上，需要设置辅助散热如冷水机组或加热措施如燃气锅炉保证地下负荷平衡，从而保证地下水源热泵长年高效运行。本发明采用的地源热泵机组，需要根据计算出的温室设计冷热负荷选择，考虑一定的富裕量，取富裕系数1.1。本发明抽取地下水流量应该是计算出的夏冬季地下水流量取较大值为所需要的地下水流量。本发明中的循环水泵的流量扬程应有10 — 20%的富裕量，扬程为管网最不利环路总阻力计算值。潜水泵根据算出的抽水井的流量，还需考虑10%-20%的安全系数，潜水泵扬程为运行期间抽水井的抽水泵最低吸水面到回灌井最高的水平面的垂直高度和抽水泵和回灌井中的回水立管之间的管道摩擦阻力。本发明中根据温室地区的水文地质条件设计热源井的数量间距和回灌方式。本发明中 其空调末端采用的风机盘管根据温室作物生长情况布置，不宜布置高处，在地面四周布置部分风机盘管，其余在不影响作物生长空中平均布置。本发明提出的太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统和其他传统供能方式进行能耗费用分析，能耗低，运行费用低，具有长远利益。本发明中太阳电池方阵放置在温室顶部，在雷暴发生时，尤其容易受到雷击而毁坏，并且太阳电池组件和逆变器比较昂贵，为避免因雷击和浪涌而造成经济损失，要有有效的防雷和电涌保护。本发明中太阳能方阵由非晶硅薄膜电池板组成，造价低，透光率高，不影响作物生长，根据温室屋顶进行排列布置，与温室一体化，不占用土地，美观实用，夏天也可以有遮荫作用，不需要另设外遮阳，节省投资。本发明中根据可利用温室屋顶面积作为光伏方阵面积，由年太阳能辐射能得到太阳能理论发电量以及需要的电池板容量。本发明太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统，克服了地源热泵式温室和太阳能光伏温室的缺点，使既具有社会效益也具有经济效益。具体优点如下:
(O实现可持续节能减排，综合利用新能源；
(2)太阳能光伏发电系统与公共电网配合供电，弥补太阳能不稳定受天气影响特点以及造价过闻的缺点；
(3)非晶硅薄膜电池板的应用使太阳能光伏装置与温室一体化，节省土地资源，使更加美观实用，即可发电又不影响作物生长，夏天也可以有遮荫作用，不需要另设外遮阳，节省投资；
(4)其空调末端采用的风机盘管根据温室作物生长情况布置，不宜布置高处，在地面四周布置部分风机盘管，其余在不影响作物生长空中平均布置，既可以保证作物茁壮生长又节省能耗。
图1为太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统原理图。图2为温室风机盘管位置图。其中(a)为主视图，(b)为平面图。图中标号:1_潜水泵；2_除砂器；3_水源侧电子除垢仪；4_板式换热器；5-水源侧循环水泵；6_蒸发器；7_压缩机；8_膨胀阀；9_冷凝器；10_用户侧循环水泵；11_用户侧电子除垢仪；12-用户侧补水泵；13-软化水箱；14-全自动软水器；15-水源侧补水泵；16-取水井；17_回灌井；18_风机盘管；19_温室；20_太阳能光伏方阵组；21_直流配电柜；22-并网逆变器；23_交流配电柜；24_防雷器；V1-V8-阀门；25，26，27，28为在温室地面四周各布置的风机盘管，每一侧有3台，29，30，31，32为在温室内高处2.5m处四周各布置的风机盘管，每一侧有3台 ，标号33，34，35为在温室上空2.5m处中间位置平均布置得3排风机盘管，每排3台。
具体实施例方式下面通过实例结合附图进一步描述本发明。实施例1:将所述系统用于某市高校的温室，对其采用太阳能光伏供电地源热泵式空调系统，其基本参数如下:温室占地面积927m2，长32.2m,宽28.8m,共九跨，每跨3.2m,温室肩高3.7m,顶高4.6m,外围护结构为单层浮法玻璃，5_厚，以金属框架支撑。太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统，包括地下水源热泵系统和太阳能光伏发电系统，利用地下水源热泵制冷供暖温室，借助太阳能光伏技术供电地源热泵系统。地下水源热泵系统包括地下水换热系统，热泵机组和末端系统，地下水换热系统包括潜水泵I，除砂器2，水源侧电子除垢仪3，板式换热器4，水源侧循环水泵5，水源侧补水泵15，潜水泵I通过除砂器2、水源侧电子除垢仪3连接板式换热器4的水源进水侧，板式换热器4的用户出水侧依次连接水源侧补水泵15和水源侧循环水泵5，水源侧循环水泵5连接热泵机组入口端，热泵机组出口端连接板式换热器4的用户进水侧回到回灌井，热泵机组包括蒸发器6，压缩机7，膨胀阀8，冷凝器9，压缩机7出口端依次连接冷凝器9、膨胀阀8和蒸发器6，蒸发器6出口端连接压缩机7入口端，末端系统包括用户侧循环水泵10，用户侧电子除垢仪11，用户侧补水泵12和风机盘管18，热泵机组连接风机盘管18，风机盘管18出口端依次连接用户侧电子除垢仪11、用户侧补水泵12和用户侧循环水泵10，水源侧和用户侧共用一台全自动软水器14和软化水箱13，软化水箱13分别与水源侧补水泵15和用户侧补水泵12相连，地下水换热系统和末端系统通过热泵机组相连。地下水源热泵系统是以地下水作为冷热能的载体，在冬季利用热泵吸取地下水中的热量向温室19供暖，在夏季热泵吸取地下水中的冷量向温室19供冷。通过改变地下水进入热泵机组不同的换热器(蒸发器和冷凝器)来实现即可供热又可供冷。冬季加温时打开阀门vl, v2, v3, v4,关闭阀门v5, v6, v7, v8 ;夏季制冷时关闭阀门vl, v2, v3, v4,打开阀门v5, v6, v7, v8。太阳能光伏发电系统由太阳能光伏方阵组20，直流配电柜21，并网逆变器22及交流配电柜23组成，和公共电网配合供电。太阳能光伏方阵组20产生的直流电经并网逆变器22转换成交流电之后供给地下水源热泵和温室系统，多余的电力反馈给电网，当发电电能不能满足供电需求时，就由电网供给。用负荷系数法计算夏季空调冷负荷，通过冷负荷温度与冷负荷系数直接从各种扰量值求得各分项逐时冷负荷，各项逐时冷负荷之和的最大值即为温室的冷负荷，计算得冷负荷为209.4kw ;对于供暖工程设计来讲，不能计算温室每一刻时间内需要补充的热量，而是选择一个非常不利的条件，计算其需要补充的热量，实际工程中，由于室外环境最低温度一般出现于后半夜至凌晨，此时的供热量要求最大，因此温室设计一般用此刻的供热量作为采暖设计热负荷，计算得热负荷为220.7kw。该温室冬季供暖时间为每年12月I号到次年3月10号，共101天，夏季制冷时间为每年6月I号到9月20号，共112天。地源热泵空调系统每天运行24小时，取运行系数
0.8。由负荷计算结果知，植物工厂每年耗冷量1.62X 109kJ，耗热量1.54X 109kJ，夏天需要往地下排热量1.62X 109kJ，冬天需要从地下取热量1.54X 109kJ，地下全年冷热量不平衡5%，无需采取辅助散热或供热措施保证地下负荷平衡。地下取排热量平衡是地源热泵系统设计的基础，保证地源热泵长年高效率运行。根据计算出的温室设计冷热负荷选择热泵机组，考虑一定的富裕量，取富裕系数
1.1o制热量为242.75kw制冷量为230.34kw。选取一台制热量264kw，满载效率5.02，输入功率53kw，制冷量240kw，满载效率6.63，输入功率36kw的中温型水源热泵。制热时地下水抽水量为15.15 m3/h，制冷时地下水抽水量为32.46 m3/h，则地下水抽水量为32.46 m3/h。用户侧选择扬程24.2·m,流量45.92m3/h的循环水泵两台，一用一备，功率为7.5Kw。水源侧选择循环水泵两台，一用一备,扬程15.8m,流量25.1 m3/h,功率3kw。选取扬程为77m，流量为35.7 m3/h的潜水泵一台，功率为18.5kw。该温室所在地区地下含水层为第二承压含水层，含水层顶板埋深60-80m，底板埋深100-120m，含水层厚度30m以上，富水性强，单井涌水量1000-5000m3/d，允许降深5m，地下水温20-21度，渗透系数0.83-1.88m/h,岩性为砂砾石。在渗透性好的含水层，回灌井应布设在采井的上游，可以起到直接补给的作用，该地区含水层渗透性较好，且为砂石层，井间距应在IOOm左右。砾卵石含水层中，单位回灌量一般为单位出水量的80%以上，粗砂含水层中，回灌量是出水量50%-70%，根据回灌水量应设一抽二罐大口井。含水层渗透性较好，出水量不大，可采用重力回灌方式。根据温室负荷要求，选择33台无锡申达空调公司FP-14风机盘管，额定制冷量7400w,额定制热量11160 ，功率90w。根据温室的特点，作物生长在温室低处，对高处空气温度要求不高。见风机盘管布置图(a) (b)，在温室地面四周各布置3台风机盘管，标号为25，26，27，28，在温室内高处2.5m处四周各布置3台风机盘管，标号29，30，31，32，在温室上空2.5m处中间位置平均布置3排风机盘管，每排3台，标号33,34,35。根据该温室的市政资源条件、场地条件、建筑功能及负荷特点，有可能适合本项目的冷热源方案主要有:(I)地源热泵(2)冷水机组与锅炉配套(3)直燃式溴化锂冷热水机组。通过初投资、运行费用等方面比较得到每平方米初投资为737元，383元和390元，每平方米运行费用为123元，210元和264元。虽然地源热泵的初投资较高，但是根据上面数据得到地源热泵的投资回收期为四年，而热泵主机使用可为25年。故地源热泵长期运行费用低，又节能减排，具有长远的利益。上海位于北纬31度14分，东经121度29分，属于亚热带季风区，年平均气温
16.5度，气候温和湿润，降水充足，四季分明。水平面太阳辐照量约在4700 MJ/ (m2.年)
，相当于1305.6 kWh/ (!112*年)。上海地区晴天平均日照时间为10小时，全年平均日照时数为2109.7小时。日照时数分布以夏季最多，达600-700小时，占全年总时数的三分之一，冬季最少，为360-465小时，约占全年总时数18%-23%，太阳辐射量分布以夏季最多，约占全年三分之一，冬季最少，约占全年16%。温室屋顶可利用面积约为IOOOm2,光伏系统每年理论发电量为85021kwh，全年总耗电量为341378kwh，则太阳能光伏发电每年的发电量占总理论发电量的25%。每年耗电量25%为85344.5kwh，每年日照时数2109.7h,考虑太阳能光伏板效率，74%,则太阳能电池方阵总功率为54667wp。每瓦薄膜太阳能电池板价格为6元，则需要33万元，加上逆变器等费用估计需要花费55万。采用光伏发电首年可节省85344.5度电，节省电费5.2万元。系统的设计寿命为25年，发电量每年线性衰减8%。，则一共可发电194万度电，平均每年节约电费4.8万。目前我国火力发电每产生一度电能平均消耗360克标煤，本项目实施后，太阳能光伏供电地下水源热泵式温室空调系统和传统供能方式如冷水机组加燃气锅炉及直燃式溴化锂冷热水机组相比，25年内的二氧化碳排放量分别为3174吨，5010吨和4545吨，减排效果明显。此外，太阳能光伏供电地下水源热泵式温室空调系统还可以减排大量二氧化硫，氮氧化合物，粉尘和烟尘。太阳电池方阵放置在温室顶部，在雷暴发生时，尤其容易受到雷击而毁坏，并且太阳电池组件和逆变器比较 昂贵，为避免因雷击和浪涌而造成经济损失，要有有效的防雷和电涌保护。太阳能方阵由非晶硅薄膜电池板组成，造价低，透光率高，不影响作物生长，根据温室屋顶进行排列布置，与温室一体化，不占用土地，美观实用，夏天也可以有遮荫作用，不需要另设外遮阳，节省投资。
权利要求
1.一种太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统，包括地下水源热泵系统和太阳能光伏发电系统，地下水源热泵系统包括地下水换热系统、热泵机组和末端系统，其特征在于:地下水换热系统包括潜水泵(I)、除砂器(2)、水源侧电子除垢仪(3)、板式换热器(4)、水源侧循环水泵(5)和水源侧补水泵(15)，潜水泵⑴依次通过除砂器(2)、水源侧电子除垢仪⑶连接板式换热器⑷的水源进水侧，板式换热器⑷的用户出水侧分别连接水源侧补水泵(15)和水源侧循环水泵(5)，水源侧循环水泵(5)连接热泵机组入口端，热泵机组出口端连接板式换热器(4)的用户进水侧回到回灌井； 热泵机组包括蒸发器￠)、压缩机(7)、膨胀阀(8)和冷凝器(9)，压缩机(7)出口端依次连接冷凝器(9)、膨胀阀(8)和蒸发器￠)，蒸发器￠)出口端连接压缩机(7)入口端；末端系统包括用户侧循环水泵(10)、用户侧电子除垢仪(11)、用户侧补水泵(12)和风机盘管(18)，热泵机组连接风机盘管(18)，风机盘管(18)出口端依次连接用户侧电子除垢仪(11)、用户侧补水泵(12)和用户侧循环水泵(10)，水源侧和用户侧共用一台全自动软水器(14)和软化水箱(13)，软化水箱(13)分别与水源侧补水泵(15)和用户侧补水泵(12)相连；地下水换热系统和末端系统通过热泵机组相连； 太阳能光伏发电系统由太阳能光伏方阵组(20)、直流配电柜(21)、并网逆变器(22)及交流配电柜(23)组成，和公共电网配合供电；并网逆变器(22)分别连接太阳能光伏方阵组(20)和交流配电柜(23)，太阳能光伏方阵组(20)产生的直流电经并网逆变器(22)转换成交流电之后供给地下水源热泵系统，多余的电力通过交流配电柜(23)反馈给电网，当发电电能不能满足供电需 求时，由电网供给。
全文摘要
本发明属于新能源利用领域，具体涉及太阳能光伏供电地下水源热泵式温室空调系统。太阳能光伏供电地源热泵式温室空调系统包括地下水源热泵系统和太阳能光伏发电系统，利用地下水源热泵制冷供暖温室，借助太阳能光伏技术供电地源热泵系统。地下水源热泵系统包括地下水换热系统，热泵机组和末端系统，太阳能光伏发电系统由太阳能光伏方阵组，直流配电柜，交流配电柜及并网逆变器组成，和公共电网配合供电，实现可持续节能减排，弥补太阳能不稳定和成本高的缺点。采用非晶硅薄膜太阳能电池板，造价较低，透光率高，不仅可以发电还不影响作物生长，建在温室屋顶上不用另占土地，夏天不需要另设外遮阳，节省投资。
文档编号A01G9/24GK103238485SQ20131014804
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者石惠娴, 陈慧子, 裴晓梅, 游煜成 申请人:同济大学