本发明属于新能源综合利用技术领域。
背景技术：
地源热泵系统是近几年寒冷地区供暖转型的重点项目，其本质原理是逆卡诺循环，初级热源利用的是地热能。在地壳表层，由于太阳辐射热的影响，其温度常有昼夜变化、季节变化和多年周期变化，这一层称为外热层。外热层受地表温差变化的影响由表部向下逐渐减弱，外热层的平均深度约15m，最多不过几十米。在外热层的下界处，温度常年保持不变，等于或略高于年平均气温，这一深度带称为常温层。而地源热泵系统的能量来源一般都来自于常温层。通过闭合u型管或者平面浅层循环的方式，地源热泵系统源源不断的提取地热能用于建筑物的供暖。一般地源热泵系统为三联供系统，即供暖、制冷、制热水。完美的运行模式为冬季供暖提取地热能，夏季制冷又把能量还给常温层，以此达到冷热平衡。但在寒冷地区，夏季冷负荷极低，可还给常温层的热能有限，久而久之，就会导致u型管所在地热层区域温度逐渐降低，反过来影响热泵机组的cop逐年降低，功耗越来越大。
技术实现要素：
本发明的目的是结合寒冷地区热泵系统运行特性，采用光伏光热一体化系统辅助传统地源热泵系统，以达到系统稳定运行，降低运行成本的光伏能源耦合热泵新能源供暖、发电、制冷系统。
本发明的光伏光热循环阵列由光伏光热一体化模块并联组成，光伏光热循环分为三路循环：第一路循环：光伏光热一体化模块、热泵供给管路、热泵机组、回水管路；第二路循环：光伏光热一体化模块、热泵供给管路、地泵支管、地埋管、地埋回水管；第三个循环：热泵机组、储热水箱、水箱内置生活热水换热器、供暖放热端；
光伏光热一体化模块通过热泵供给管路与热泵机组连接；在热泵供给管路上设置有一号电磁阀和二号电磁阀，一号电磁阀和二号电磁阀之间的热泵供给管路上通过膨胀罐支管路连接在膨胀罐上，在膨胀罐支管路有安全阀；一号电磁阀和二号电磁阀之间的热泵供给管路上通过地泵支管连接地源热泵系统中的地埋管上，地埋管深埋在土壤中，在地泵支管上有三号电磁阀，地埋管通过地埋回水管与光伏光热一体化模块连接，地埋回水管有单向阀及旁路循环泵；地源热泵系统主要是由地埋管与热泵机组构成；在二号电磁阀与热泵机组连接段的热泵供给管路上有一号循环泵，热泵机组通过回水管路连接在地埋回水管上，回水管路与埋回水管接口置于单向阀及旁路循环泵的入口端；热泵机组使用侧设置有使用侧循环水泵、储热水箱、水箱内置生活热水换热器、供暖放热端、供暖循环泵；光伏光热一体化模块与配套蓄电池储能系统通过线路连接，热泵机组通过使用侧出水管和使用侧回水管与储热水箱连通，在使用侧出水管上安装有使用侧循环水泵，在储热水箱内部安装有水箱内置生活热水换热器，水箱内置生活热水换热器通过出水和回水管路与用户端连通，储热水箱通过出水和回水管路与供暖放热端连通。
本发明提供一种光伏光热一体化太阳能利用辅助地源热泵系统，该系统综合利用太阳能及地热能，具备自发电、供暖、及制取热水功能，特别适合于配套夏热冬冷或夏热冬寒冷地区的建筑物。该系统在冬季运行时，阳光充足情况下优先利用太阳能，当太阳下山或连续阴雨天时则以地源热泵为主，从而实现供暖、热水及生产热需求。当夏季来临，热负荷降低时，光伏能源热泵系统吸收的热能首先满足配套建筑物热水、生产需求，其余多余的热能则通过地源热泵的地埋管循环存入到土壤中，待冬季地源热泵再次提取使用。同时，光伏能源热泵系统所发电能可在很大程度上抵消热泵机组的能耗，大大降低了系统的运行成本。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是光/地源耦合热泵配套沼气工程系统；
图3是光/地源耦合热泵冬季太阳能供热模式；
图4是光/地源耦合热泵冬季地埋管供热模式；
图5是光/地源耦合热泵夏季/冬季太阳能冷却模式；
图6是中控主供电系统；
图7是plc控制系统；
图8是光/地源耦合热泵系统测试期间热源测温度变化图；
图9是光/地源耦合热泵系统测试期间使用侧温度变化图；
图10是测试期间厌氧发酵罐水温变化图。
具体实施方式
本发明的光伏光热循环阵列由光伏光热一体化模块1并联组成，光伏光热循环分为三路循环：第一路循环：光伏光热一体化模块1、热泵供给管路a、热泵机组7、回水管路e；第二路循环：光伏光热一体化模块1、热泵供给管路a、地泵支管b、地埋管6、地埋回水管c；第三个循环：热泵机组7、储热水箱14、水箱内置生活热水换热器15、供暖放热端16。
光伏光热一体化模块1通过热泵供给管路a与热泵机组7连接；在热泵供给管路a上设置有一号电磁阀9和二号电磁阀10，一号电磁阀9和二号电磁阀10之间的热泵供给管路a上通过膨胀罐支管路d连接在膨胀罐3上，在膨胀罐支管路d有安全阀4；一号电磁阀9和二号电磁阀10之间的热泵供给管路a上通过地泵支管b连接地源热泵系统中的地埋管6上，地埋管6深埋在土壤中，在地泵支管b上有三号电磁阀8，地埋管6通过地埋回水管c与光伏光热一体化模块1连接，地埋回水管c有单向阀12及旁路循环泵11；地源热泵系统主要是由地埋管6与热泵机组7构成；在二号电磁阀10与热泵机组7连接段的热泵供给管路a上有一号循环泵2，热泵机组7通过回水管路e连接在地埋回水管c上，回水管路e与埋回水管c接口置于单向阀12及旁路循环泵11的入口端；热泵机组7使用侧设置有使用侧循环水泵13、储热水箱14、水箱内置生活热水换热器15、供暖放热端16、供暖循环泵17；光伏光热一体化模块1与配套蓄电池储能系统（或光伏并网系统）5通过线路连接，热泵机组7通过使用侧出水管f和使用侧回水管g与储热水箱14连通，在使用侧出水管f上安装有使用侧循环水泵13，在储热水箱14内部安装有水箱内置生活热水换热器15，水箱内置生活热水换热器15通过出水和回水管路与用户端连通，储热水箱14通过出水和回水管路与供暖放热端16连通。
以下对本发明做进一步详细说明和验证：
本发明创造所提供的光伏光热一体化太阳能利用辅助地源热泵系统主要包含光伏光热一体化模块循环阵列、光伏发电并网/储能系统、地源热泵系统及自动化中控系统。
其中光伏光热一体化模块循环阵列由光伏光热一体化模块并联而成，阵列配套循环泵、膨胀罐及必要的暖通阀门形成主动工质循环，通过工质的不断循环可将光伏光热一体化模块吸收太阳能后所产生的热能带出以提供给热泵机组作为初级热源使用。
光伏发电并网/储能系统，包括逆变器、充放电控制器、储能电池及必要的电器元件，其可将光伏光热一体化模块产生电能送入电网或者存入储能电池中储存起来，用来抵消热泵机组的电能能耗。
地源热泵系统，包括双源热泵机组、地埋管阵列及必要的暖通器件。其中双源热泵机组的双源部分主要连接光伏光热一体化循环阵列及地埋管。该热泵机组可有效提取光伏光热一体化循环阵列所产生的热能或地埋管循环所带出的热能，提高品位后用于建筑供暖、制取热水等使用。当建筑物有制冷需求时，其可切换到制冷模式，将室内热能带出并通过地埋管循环储存到地下以备使用。
另光伏光热一体化循环阵列还与地埋管部分直接相连，两者之间通过电磁阀控制通断。这是由于当夏季建筑物无供暖需求及热水需求时，光伏光热一体化循环阵列所吸收的热能可通过工质循环的方式储存到地下，以备建筑物具有供暖或热水需求时提取出来使用。
本发明创造所述的光伏光热一体化太阳能利用辅助地源热泵系统主要包含光伏光热一体化循环阵列、光伏并网/储能系统、地源热泵系统及自动化中控系统。光伏光热循环阵列由光伏光热一体化模块1并联组成，该光伏光热一体化模块可有效输出电能及热能。循环阵列构成暖通循环系统，通过循环泵2的动力循环作用，可以将光伏光热一体化模块所产生的热能作为初级热源供给热泵机组7。在光伏光热一体化循环阵列暖通循环管道上设置有膨胀罐3及配套的安全阀4，该膨胀罐3可有效消纳因闭式循环系统中工质温度升高所造成的工质体积膨胀问题。
光伏光热一体化模块产生的电能则通过并网的方式送出或配套蓄电池储能系统5，该部分电能可供给给热泵机组7使用，可极大程度上抵消热泵机组7的电能能耗。
地源热泵系统部分包含地埋管6及热泵机组7。地埋管6深埋与土壤之中，一般分为立管式埋管或水平埋管式，工质在地埋管6中循环，可将土壤中的热能或冷能带出以供给用户使用。热泵机组7可将低品位的热能提高品位后供给用户使用，其本质原理为逆卡诺循环，同时依靠其内部的四通阀的转换，可实现供暖/制冷功能的切换。
另外，光伏光热一体化循环阵列与地埋管6之间直接相连，在光伏光热一体化循环阵列给水侧设置有单向阀12及旁路循环泵11。旁路循环泵11主要负责在不启用热泵机组的情况下光伏光热一体化循环阵列与地埋管6之间的循环动力作用，以达到光伏光热一体化循环阵列冷却的作用。由于该循环泵11只在特定条件下启动，因此不将其设置到主管道上，而在相应的主管道位置设置有单向阀12，可以保证工质循环的顺畅性且不会发生短路循环现象。
在光伏光热循环阵列与地源热泵循环耦合系统中，在各循环支路设置有电磁阀8、电磁阀9及电磁阀10。通过控制三个电磁阀不同的启闭状态，可以实现太阳能初级热源导通、地源初级热源导通及光伏光热一体化循环阵列与地埋管6导通，以实现太阳能及地热能的合理高效利用。
在热泵机组7使用侧设置有使用侧循环水泵13、储热水箱14、水箱内置生活热水换热器15、供暖放热端16、供暖循环泵17、及中控系统18。循环水泵13作为热泵机组7使用侧的动力，负责循环热泵使用侧的工质，以保证将热量储存到储热水箱14中。储存到水箱14中的热能则通过循环动力泵17的作用输送到供暖放热端16处，从而完成室内供暖功能。一般情况下，供暖放热端16一般选用地热盘管或风机盘管。
以上变化过程均由中控系统18控制完成。中控系统主要包含主供电系统及plc控制系统两大部分构成，分别如图6及图7所示。
主供电系统分为9路，分别为主干路（热泵热源侧）循环泵2主供电电路、太阳能旁路循环泵11主供电电路、热泵使用侧循环泵13主供电电路、供暖循环泵17主供电电路、热泵机组7主供电电路、电磁阀8主供电电路、电磁阀9主供电电路、电磁阀10主供电电路及plc主供电电路。整套系统主供电电路采用三相四线制181从电网将电能引入，并在引入端设置有电流漏电保护器182。在漏电保护器182下端子分别引出4路三相供电电路及4路两相供电电路，分别对应主干路（热泵热源侧）循环泵2、太阳能旁路循环泵11、热泵使用侧循环泵13、供暖循环泵17、热泵机组7、电磁阀8、电磁阀9、电磁阀10及plc供电。每条支路上分别设置有与其负载设备对应配套的空气开关qf、常开触点交流接触器km、热继电保护器kr，用以保证各负载设备在其设定的允许电流电压范围之内安全、稳定运行。
中控逻辑指令的实现主要依靠plc主机来实现。plc主机上主要使用其8路开关输出及5路模拟量输入，8路模拟量开关输出分别对应该系统中热泵机组7、主干路（热源侧）循环泵2、太阳能旁路循环泵11、热泵使用侧循环泵13、供暖循环泵17、电磁阀8、电磁阀9及电磁阀10。plc主要依靠对设置于各用电负载主供电电路中交流接触器km的线圈进行充放电控制以此来完成对于各负载设备的供电与断电，从而达到控制设备启动停止之目的。5路模拟量输入主要为温度模拟量输入，分别对应为太阳能模块温度传感器23、设置于热泵热源侧的温度传感器21、设置于热泵使用侧的温度传感器20、设置于水平埋管地块的温度传感器24及水箱温度传感器25。
以下结合实际工程案例及测试数据对本发明进行更为详细的阐述：
于吉林省长春市吉林农业大学校内大动物试验基地搭建了5kw发明专利所述系统，系统太阳能利用部分采用了20块长春风光新能源科技有限公司生产的二代光伏光热一体化光电热发生器（zlzl201610056363.6），地源部分采用地下5米水平埋管的方式，热泵机组采用3kw地源热泵机组一台，其目的是配套沼气工程中厌氧发酵罐实现补热，保证沼气工程冬季正常运行，以上所有设备均设置于保温大棚之内。
该工程相关的暖通原理示意如图2所示。该暖通工程主要包含光伏光热一体化模块阵列（1）、一号循环泵（2）、膨胀罐（3）、安全阀（4）、光伏储能蓄电池组（5）、置于地下5米深处的水平地埋管（6）、热泵机组（7）、三号电磁阀（8）、一号电磁阀（9）、二号电磁阀（10）、旁路循环泵（11）、单向止回阀（12）、热泵使用侧循环泵（13）、储热水箱（14）、厌氧发酵罐（16）、供暖循环泵（17）、中控系统（18）、设置于热泵使用侧的压力传感器（19）及温度传感器（20）、设置于热泵热源侧的压力传感器（22）及温度传感器（21）、设置于光伏光热一体化光电热发生器背面的温度传感器（23）、设置于水平地埋管区域的温度传感器（24）、设置于储能水箱14中的温度传感器（25）。其中压力传感器（19）及（22）仅用作plc记录系统运行状态压力数据使用，无其它控制意义，因此以下将不对其进行过多描述。
该系统共有三种循环状态，依靠中控系统18分别对一号循环泵（2）、旁路循环泵（11）、热泵使用侧循环泵（13）、供暖循环泵（17）、热泵机组（7）、一号电磁阀（9）、二号电磁阀（10）、三号电磁阀（8）进行供电/断电操作即可实现三种循环状态的切换及自动化运行。以下分别结合图3、图4、图5对于各种状态进行详细说明。
如图3所示，为太阳能作为热源进行供热模式。此种状态适用于用户具有热需求且外界光照良好的情况下。此状态下，中控系统切断三号电磁阀（8），连通一号电磁阀（9）及二号电磁阀（10），此时水平地埋管（6）与热泵机组（7）断开，光伏光热一体化光电热发生器阵列（1）与热泵机组（7）导通，形成太阳能利用与热泵机组导通的循环环路。此时系统自动化运行流程为：当太阳能充足时，太阳能入射到光伏光热一体化模块（1）上时，一部分光能发生光电转换作用变成电能，并输送到光伏并网或储能系统（5）中，直接并入电网或储存起来供给给热泵机组（7）使用以抵消其电能能耗。而剩余的绝大部分光能发生光热转换作用，从而造成光伏光热一体化模块（1）中光伏电池层温度升高，该温度信号通过设置于光伏光热一体化模块背面的温度传感器（23）输送至plc主控制器，当电池温度升高至设定温度ts时，plc控制器就会依次对热泵热源侧主干路循环泵（2）、电磁阀（9）及电磁阀（10）主供电电路中的交流接触器km线圈通电，此时光伏光热一体化模块循环阵列（1）与热泵机组（7）导通，循环管道内的循环工质在循环泵（2）的动力作用下开始循环，并逐渐将光伏光热一体化模块（1）所产生的热能带出，循环阵列管道中的工质温度逐渐升高。循环阵列管道中工质的温度信号会经由设置于热泵热源侧的温度传感器（21）传递给plc，当循环阵列管道中的工质温度升高至设定温度tc时，plc给热泵机组（7）及使用侧循环泵（13）主供电电路中的交流接触器km线圈充电，交流接触器吸合，热泵机组（7）及使用侧循环泵（13）主供电电路导通，热泵机组（7）及使用侧循环泵（13）完成供电并进行工作。此时热泵机组（7）将不断的提取循环阵列（1）中工质的热能，提高品位后通过循环泵（13）的动力作用储存到储能水箱（14）中。当用户需求供暖时，plc则给循环泵（17）通电，水箱（14）中的热能通过工质循环的方式释放到厌氧发酵罐（16）中，从而保证了厌氧发酵罐（16）中发酵液的温度。
如图4所示，为地源埋管作为热源进行供热模式。此种状态适用于夜晚或阴雨天无光照条件下，用户具有热需求时候使用。此种状态下，中控系统切断一号电磁阀（9），连通二号电磁阀（10）及三号电磁阀（8），此时光伏光热一体化光电热发生器循环阵列（1）与热泵机组（7）断开，水平地埋管（6）与热泵机组（7）导通，形成地源热与热泵机组导通的循环环路。此时系统自动化运行的流程为：由于无光照或光照较弱，光伏光热一体化光电热发生器（1）接收到的太阳能有限，因此其背面温度很难升高，当用户具有热需求时，plc中控系统检测到光伏光热一体化光电热发生器（1）背面的温度传感器（23）温度信号难以达到太阳能循环启动要求，则会以依次对二号电磁阀（10）、三号电磁阀（8）及热泵热源侧循环泵（2）的主供电电路中的交流接触器km线圈通电，从而实现水平地源埋管（6）与热泵机组（7）导通，蕴藏在地下的热能通过热泵热源侧主干路循环泵（2）的动力作用下，被提取出来用来加热循环管道中的工质。当循环阵列管道中的工质温度升高至设定温度tc时，plc给热泵机组（7）及使用侧循环泵（13）主供电电路中的交流接触器km线圈充电，交流接触器吸合，热泵机组（7）及使用侧循环泵（13）主供电电路导通，热泵机组（7）及使用侧循环泵（13）完成供电并进行工作。此时热泵机组（7）将不断的提取水平地埋管（6）中工质的热能，提高品位后通过循环泵（13）的动力作用储存到储能水箱（14）中。当用户需求供暖时，plc则给循环泵（17）通电，水箱（14）中的热能通过工质循环的方式释放到厌氧发酵罐（16）中，从而保证了厌氧发酵罐（16）中发酵液的温度。
如图5所示，为太阳能与地埋管连通冷却储热模式。此状态适用于外界光照良好，但用户无用热需求时使用。此种状态下，中控系统切断二号电磁阀（10），连通一号电磁阀（9）及三号电磁阀（8），此时热泵机组（7）与光伏光热一体化光电热发生器阵列（1）、水平地埋管（6）断开，而光伏光热一体化光电热发生器阵列（1）与水平地埋管（6）导通，形成太阳能与热源埋管导通循环系统。此时系统自动化运行流程为：当外界光照良好时，光伏光热一体化光电热发生器阵列（1）由于吸收了较多的太阳能，其背面温度逐渐升高，其温度数据经由设置于其背面的温度传感器（23）传输给plc，当电池温度升高至设定温度ts时，plc首先判断设置于储能水箱（14）中的温度传感器（25），当其温度高于设定温度时则判定用户无热需求，此时plc中控系统就会依次对旁路循环泵（11）、三号电磁阀（8）、一号电磁阀（9）主供电电路中的交流接触器km线圈通电，此时光伏光热一体化光电热发生器阵列（1）与水平地埋管（6）导通，循环管道中的工质在旁路循环泵（11）的动力作用下开始循环，从而远远不断的将光伏光热一体化光电热发生器（1）所吸收的太阳能转换的热能通过循环的作用传递给地下水平埋管（6）中，一方面完成了光伏光热一体化光电热发生器（1）的冷却，另一方面将太阳能所产生的热能储存在（6）所埋地块之中，以备当用户具有热需求时提取出来使用。
当光伏光热一体化模块（1）背面温度降低到设定值时且用户无热需求时，plc中控系统依次断开相关电磁阀及动力循环泵的交流接触器的线圈供电，交流接触器弹开，相关的电磁阀及动力循环泵主供电系统断开，系统运行停止。
如此，依据以上三种运行模式，系统即可实现太阳能热源利用、地源热泵利用及太阳能与地埋管连通冷却储热。如此，三套运行模式根据运行工况进行切换，即可实现其配套的污水处理工程的厌氧发酵罐的稳定供热问题。同时，由于光伏光热一体化模块的光伏发电特性，亦可解决相关系统一部分的用电问题。
该工程配套的沼气工程日消纳能力为6吨污水，相关工程于2016年10月开始建设，于2016年12月基本建设完成，与本专利相关的光/地源耦合热泵系统于工程建设完成之后两周之内配套完成并开始运行测试。配套该沼气工程的光地源耦合热泵系统相关设备及参数主要包含：
（1）光伏光热一体化光电热发生器：长春风光新能源科技有限公司自主研发生产二代主动能源模块（知识产权：一种带有高温自我保护机制的光伏光热一体化模块zl201610056363.6），共计20块，单个模块1670*1034，重量为60kg。
（2）热泵热源侧主干循环泵：威乐屏蔽热水循环泵（三级调速rs-15/6），流量2.5、1.5、0.9吨/小时；扬程6m、5m、4m。
（3）膨胀罐：100l
（4）安全阀：dn20
（5）光伏储能设备：8块12v100ah串并联而成，4串联2并联模式，光伏逆变器采用5kw离网式逆变器，太阳能充放电控制器选用48v60a两台。
（6）水平地埋管采用dn20pe盘管，总埋长度200米长
（7）热泵机组：采用4p热泵机组（功率/制热功率3kw/12.6kw测试cop4.3）
（8）电磁阀：dn40
（9）电磁阀：dn40
（10）电磁阀：dn40
（11）旁路循环泵：威乐屏蔽热水循环泵（三级调速rs-15/6），流量2.5、1.5、0.9吨/小时；扬程6m、5m、4m。
（12）单向止回阀：dn40
（13）使用侧循环泵：威乐屏蔽热水循环泵（三级调速rs-15/6），流量2.5、1.5、0.9吨/小时；扬程6m、5m、4m。
（14）保温水箱：聚氨酯保温5cm，2*2*2m共8立方保温水箱
（18）中控系统：西门子plc200+mags昆仑通泰触摸屏，该中控系统不但可实现本发明所属系统三种模式自动化切换及运行，还可对从系统中传感器采集来的温度、压力信号进行保存及输出。
（19）（22）：压力传感器，dn40，三线制
（20）（21）（24）（25）：温度传感器：铠装管道专用pt100，dn40，三线制
在运行期间提取了本发明专利所述系统热泵机组自2017年2月15日自2017年4月15日之间热源侧温度变化及使用侧温度变化数据，如图4所示。从图中可知，光伏能源热泵系统cop影响主要受到太阳能制热性能的影响。这是由于该系统于寒冬季节开始运行，地源出水温度较为恒定，始终保持在5~7℃左右，平均cop为2.0。而太阳能则与当日天气状况、室外温度有一定的关系，其热源提供温度在5~20℃变化。因此，综合全天热能供给与耗电水平，该系统综合热泵cop水平在3.5左右。
在运行期间对于该系统配套地源部分进行了温度监控，具体温度变化如图5所示，从图中可以看出，该系统冬季运行地源温度有略微降低，而到了夏季运行由于太阳能的补热作用其温度升高且超过了其初始温度，表明该系统中的太阳能光伏光热一体化利用部分对于地源部分具备热补偿作用，两者的有机结合可有效保证系统地源部分土壤温场热平衡。
总之，光伏光热一体化太阳能利用辅助地源热泵新能源供暖系统，可综合利用太阳能及地热能，完成配套建筑物供暖及全年热水功能。且自身具备发电功能，因此在一定程度上可满足本身系统的能耗作用，从而可大大降低系统的运行成本。特别适用于冬季热负荷高、夏季热负荷低的夏热冬冷或夏热冬寒冷地区的建筑物节能改造配套安装使用。