一种太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统和控制方法与流程

本发明涉及新能源应用领域，具体为一种太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统和控制方法。

背景技术：

建筑领域消费的传统能源，主要是煤炭、石油和天然气等石化能源。这些能源不可再生且资源有限，终究要枯竭。而随着生活水平的提高，人们对于室内环境舒适度的要求随之提高，表现为夏季供冷需求和冬季供热需求的增加，用于调控室内环境所消耗的能量在总体建筑能量消耗的占比逐年增加。能源供应的缺口和能源消费结构的不合理决定了能源问题对国家安全和经济发展的重要性，中央为此提出了建设节能省地型住宅的政策方针，并于2006年1月颁布与实施了《可再生能源法》，水能、风能、生物质能、太阳能、地热能等可循环利用的清洁能源在建筑行业的应用日益得到研究人员的重视。其中，太阳能地源热泵联合供热是一种可广泛应用的可再生能源利用方式。

在我国北方地区，冬季温度较低，太阳辐射较弱，若采用传统太阳能地源热泵联合供热系统，则会出现冬季太阳能利用率较低，节能效果不明显和土壤温度场仍会遭到破坏等问题。若想更好地发挥太阳能地源热泵联合供热系统的节能、环保效益，提高其适用性，使其能为能源结构转换和解决能源问题贡献力量，上述问题都亟待解决。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统和控制方法，通过对系统结构的合理设计和对控制方法的改进，使系统的供热效率得到了提升，同时通过添加相变蓄热罐进一步加强系统的整体节能效果，使耦合供热系统不仅适应性强、供热效果好，还使得节能效率更加显著。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统，包括地源热泵冷热水机组、太阳能集热板、相变蓄热罐和户内供暖系统；

所述的地源热泵冷热水机组的蒸发侧连接设置在地下的地埋管形成蒸发换热回路；

所述的户内供暖系统分别与地源热泵冷热水机组的冷凝侧、太阳能集热板和相变蓄热罐连接分别形成地源热泵供热回路、太阳能供热回路和相变蓄热罐供热回路，三种热源独立供热；

所述的太阳能集热板的出水端与地源热泵冷热水机组的冷凝侧串联形成太阳能串联地源热泵冷凝侧供热回路；太阳能集热板的出水经地源热泵冷热水机组的冷凝侧升温后进行供热；

所述的太阳能集热板的出水端与地源热泵冷热水机组的蒸发侧串联形成太阳能串联地源热泵蒸发侧供热回路；地埋管出水经太阳能集热板升温后接入地源热泵冷热水机组的蒸发侧，作为蒸发侧热源，由地源热泵冷热水机组的冷凝侧进行供热；

所述的太阳能集热板的出水端依次与地源热泵冷热水机组的冷凝侧和相变蓄热罐串联后形成太阳能串联热泵蓄热供热回路；太阳能集热板的出水经地源热泵冷热水机组的冷凝侧升温后，再由相变蓄热罐储热后进行供热。

优选的，所述的相变蓄热罐设置有第一双向出入口和第二双向出入口；

第一双向出入口分别连接户内供暖系统的进水端和地源热泵冷热水机组的冷凝侧的出水端；

第二双向出入口分别连接户内供暖系统的进水端和出水端，以及太阳能集热板的出水端。

优选的，户内供暖系统采用设置低温辐射采暖分集水器的低温辐射采暖系统。

优选的，所述的地埋管通过地埋管分集水器与地源热泵冷热水机组的蒸发侧连接形成蒸发换热回路。

优选的，户内供暖系统的回水端和地埋管的回水端上分别设置有泄压支路，泄压支路上分别设置有安全阀，两个泄压支路分别经阀门连接后共同连接一个定压膨胀罐，定压膨胀罐的上端设置有自动排气阀，下端连接有设置止回阀的支路。

优选的，所述蒸发换热回路的供水侧设置有地源侧循环泵；户内供暖系统的回水端连接有冷热水循环泵。

如上述任意一项所述的一种太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统的控制方法，

所述系统通过监测仪器和自控系统实现系统运行模式的切换，切换条件包括时间、太阳能集热板进水口水温度t3、太阳能集热板出水口水温度t1、相变蓄热罐出口水温度t2和地源热泵冷热水机组冷凝侧高温出水温度t4；

当时间信号大于等于8:00小于18:00时，系统开始通过判断太阳能集热板出水温度t1的大小切换系统的运行模式，当t1大于等于40℃时，接通太阳能供热回路，运行太阳能供热模式；

当t1大于等于15℃小于40℃且t4大于等于50℃时，接通太阳能串联热泵蓄热供热回路，运行太阳能串联热泵蓄热供热模式；

当t1大于等于15℃小于40℃且t4小于50℃时，接通太阳能串联地源热泵冷凝侧供热回路，运行太阳能串联地源热泵冷凝侧供热模式；

当t1小于15℃但大于等于t3时，接通太阳能串联地源热泵蒸发侧供热回路，运行太阳能串联地源热泵蒸发侧供热模式；

当时间信号大于等于18:00且小于第二天8:00时，系统开始通过判断相变蓄热罐出水温度t2的大小切换系统的运行模式，当t2大于等于40℃时，接通太阳能串联地源热泵蒸发侧供热回路，运行太阳能串联地源热泵蒸发侧供热模式；

当上述条件都不满足时，接通地源热泵供热回路，运行地源热泵供热模式。

进一步，自控系统通过各个回路中的电动球阀控制对应回路的通断和系统工作模式。

再进一步，所述的太阳能供热模式供热循环如下；

太阳能集热板热出水经由第十电动球阀和第一电动球阀流向户内供暖系统，供暖回水经由冷热水循环泵和供暖回水球阀，再经过第七电动球阀流回太阳能集热板；系统其余设备及部件皆处于关闭状态；

所述的相变蓄热罐供热模式供热循环如下；

相变蓄热罐热出水经由第十三电动球阀，第十二电动球阀和第一电动球阀流入供暖系统进行供暖，供暖系统回水经由冷热水循环泵和供暖回水球阀、第三电动球阀和第九电动球阀再流回相变蓄热罐；系统其余设备及部件皆处于关闭状态；

所述的地源热泵供热模式供热循环如下；

地源热泵冷热水机组冷凝侧高温出水经由地源供热球阀、第十二电动球阀和第一电动球阀流入用户侧进行供暖，用户侧回水经由冷热水循环泵和供暖回水球阀、第三电动球阀、第五电动球阀再流回地源热泵冷热水机组冷凝测；地源热泵冷热水机组的蒸发侧经由地埋管分集水器、地源侧循环水泵和第四电动球阀形成封闭循环，为热泵提供低温热源；系统其余设备及部件皆处于关闭状态。

再进一步，所述的太阳能串联热泵蓄热供热模式供热循环如下；

太阳能集热板热出水经由第八电动球阀和第五电动球阀流向地源热泵冷热水机组的冷凝侧升热品质，地源热泵冷凝侧的高温出水先经由地源供热球阀和第十三电动球阀流向相变蓄热罐进行蓄热，相变蓄热罐出水经由第六电动球阀和第一电动球阀作为用户侧热源进行供暖；用户侧回水经由冷热水循环泵和供暖回水球阀、第七电动球阀再流回太阳能集热板；地源热泵冷热水机组的蒸发侧经由地埋管分集水器、地源侧循环水泵和第四电动球阀形成封闭循环，为热泵提供低温热源；系统其余设备及部件皆处于关闭状态；

所述的太阳能串联地源热泵冷凝侧供热模式供热循环如下；

太阳能集热板热出水经由电动球阀和第五电动球阀流向地源热泵冷热水机组的冷凝侧提升热品质，地源热泵的冷凝侧的高温出水经由地源供热球阀、第十二电动球阀和第一电动球阀作为用户侧热源进行供暖；用户侧回水经由冷热水循环泵和供暖回水球阀、第七电动球阀再流回太阳能集热板；地源热泵冷热水机组的蒸发侧经由地埋管分集水器、地源侧循环水泵和第四电动球阀形成封闭循环，为热泵提供低温热源；系统其余设备及部件皆处于关闭状态；

所述的太阳能串联地源热泵蒸发侧供热模式供热循环如下；

热泵冷凝侧高温出水作为用户侧热源进行直接供热；地埋管分集水器经由地源侧循环水泵、第二电动球阀和第七电动球阀流向太阳能集热板提升热品质，太阳能集热板热出水再经由第十一电动球阀流入地源热泵冷热水机组的蒸发侧进行换热，换热后的蒸发侧出水最后流入地埋管分集水器进入下一个循环；系统其余设备及部件皆处于关闭状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过在太阳能地源热泵系统中设置相变蓄热罐，将系统中在日间多余的热量保存起来，使系统在夜间的大多数时间可关闭地源侧循环水泵，使用蓄热罐中的热量为热泵提供低品位热源，从而节省了相应能量，使系统相比现有系统更加节能。通过设置太阳能集热板和相变蓄热罐提供地源热泵冷热水机组的蒸发侧热源，很大程度上节省了地热的利用，从而相比现有系统，系统运行过程中对地热的破坏更小。通过不同回路的切换和使用，能够在日间实现太阳能的梯级利用，在夜间有效利用相变蓄热过程中存储的能量，并且能够在无法使用太阳能时保证系统的供暖效果。

本发明所述的方法通过设置不同的运行模式，以适应不同的外界条件，从而保证系统的运行结果始终符合供暖要求，并实现系统在不同工况下运行模式的自动切换，使优化后的系统的运行效果相比现有系统有较大提升。以太阳能出水温度为评判标准，实时切换到可最大程度利用不同出水温度的运行模式，实现对太阳能的梯级利用，使系统在供暖季也可高效利用太阳能，从而节省了等量其他能量，使优化后的系统相比现有系统更加节能。

附图说明

图1为本发明实例中太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统的结构示意图；

图2为本发明实例中控制供热模式间切换的流程框图；

图3为本发明所述系统与传统系统的供暖效果比较图。

图1中，1为地源热泵冷热水机组、2为太阳能集热板、3为地源侧循环泵、4为冷热水循环泵、5为相变蓄热罐、6为定压膨胀罐、7为地埋管分集水器、8为低温辐射采暖分集水器、9为地源供热球阀、10为温度传感器、11为温度计、12为供暖回水球阀、13为压力表、14为电子流量传感器、15为过滤器，16为安全阀、17为自动排气阀、18为止回阀、①到为15个电动球阀。

图2中，t1为太阳能集热板出水口水温度，t2为相变蓄热罐出水温度，t3为太阳能集热板进水口水温度，t4为地源热泵冷热水机组冷凝侧高温出水温度。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明涉及太阳能、地热能和相变蓄热在供热系统中的合理利用及性能优化。通过设计适用于不同太阳能强度下的运行模式，并实现系统在运行过程中根据实际工况下实时太阳能出水温度自行切换所需运行模式，从而做到了系统最大程度利用太阳能这一目标；同时，通过在系统中添加相变蓄热罐，进一步提升系统的整体节能效果，从而实现在保证供热效果的前提下最大程度节能的目的。

本发明是一种太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统，系统中包括多个设备和阀门，如图1所示，其中包括地源热泵冷热水机组1、太阳能集热板2、地源侧循环水泵3、冷热水循环泵4、相变蓄热罐5、设置地埋管的单u井、定压膨胀罐6、地埋管分集水器7、低温辐射采暖分集水器8、地源供热球阀9、温度传感器10、温度计11、冷热水循环泵4进水侧依次连接的电子流量传感器14和过滤器15、冷热水循环泵4出水侧依次连接压力表13和供暖回水球阀12、安全阀16、自动排气阀17、止回阀18。

所述系统通过6种运行模式，保证系统在各种工况下都能高效节能的运转，其包括太阳能供热模式、太阳能串联热泵蓄热供热模式、太阳能串联热泵供热模式、太阳能串联地源热泵供热模式、蓄热罐供热模式和地源热泵供热模式。

所述系统通过监测仪器和自控系统实现系统运行模式的切换，切换条件有时间、太阳能集热板出水口水温度t1、进水口水温度t3、相变蓄热罐出口水温度t2和地源热泵冷热水机组冷凝侧高温出水温度t4。

所述系统通过运行模式的切换，在不同工况下运行相适应的模式，从而保证了整个系统始终保持在高效且节能的状态。

所述系统在运行过程中，系统中的自控系统利用温度传感器获得各部位实时温度信号，连同时间信号一起对实时工况进行判断，并对系统中用序号①到标出的共15个电动球阀分别发出开闭信号，从而可实现在不同工况下通过不同的阀门开关组合切换到满足实时工况的运行模式。

所述系统的判断与控制逻辑流程图如图2所示。当时间信号大于等于8:00小于18:00时，系统开始通过判断太阳能集热板出水温度t1的大小切换系统的运行模式，当t1大于等于40℃时，运行模式1；当t1大于等于15℃小于40℃且t4大于等于50℃时，运行模式2；当t1大于等于15℃小于40℃且t4小于50℃时，运行模式3；当t1小于15℃但大于等于t3时，运行模式4；当时间信号大于等于18:00且小于第二天8:00时，系统开始通过判断相变蓄热罐出水温度t2的大小切换系统的运行模式，当t2大于等于40℃时，运行模式5；当上述条件都不满足时，运行模式6。

图2中本发明中所涉及到的系统运行模式，其中模式1到模式4只适用于日间，用于实现太阳能的梯级利用，模式5适用于夜间，用于有效利用相变蓄热过程中存储的能量，而模式6适用于全天，用于无法使用太阳能时保证系统的供暖效果。各运行模式的具体运行方式如下：

模式1(太阳能供热模式)：太阳能集热板2出水承担所有热负荷，太阳能几乎为系统所有能量来源，故此模式最节能。此模式下，太阳能集热板2热出水经由第十电动球阀⑩和第一电动球阀①流向户内供暖系统，具体的接入低温辐射采暖分集水器8的进水，供暖回水经由冷热水循环泵4和供暖回水球阀12，再经过第七电动球阀⑦流回太阳能集热板2。除了上述所提及到的，系统其余设备及部件皆处于关闭状态。

模式2(太阳能串联热泵蓄热供热模式)：当太阳能集热板2出水温度不足以直接供热，但经过地源热泵冷热水机组1提升热品位后其温度却又高于作为低温辐射采暖的地板辐射供暖系统规定最高直接供暖温度时，开启此模式，并使高温热水先经过相变蓄热罐5再进行供热，将多余热量储存在蓄热罐中，在夜间使用。这种模式不仅节能、可实现性高，且可为夜间提供热泵的低温侧热源。此模式下，太阳能集热板2热出水经由第八电动球阀⑧、第五电动球阀⑤流向地源热泵冷热水机组1的冷凝侧升热品质，地源热泵冷凝侧的高温出水先经由地源供热球阀9和第十三电动球阀流向相变蓄热罐5进行蓄热，相变蓄热罐5出水经由第六电动球阀⑥、第一电动球阀①作为用户侧热源进行供暖。用户侧回水经由冷热水循环泵4和供暖回水球阀12、第七电动球阀⑦再流回太阳能集热板2。地源热泵冷热水机组1的蒸发侧经由地埋管分集水器7、地源侧循环水泵3、第四电动球阀④形成封闭循环，为热泵提供低温热源。除了上述所提及到的，系统其余设备及部件皆处于关闭状态。

模式3(太阳能串联地源热泵冷凝侧供热模式)：当冬季太阳能集热板2出水温度再次下降时，开启此模式，从而可获得温度较高的地源热泵冷热水机组1热出水，使系统可以在冬季太阳能辐射较弱的时候仍然可以有效保证供暖效果，又因为此时地源热泵冷热水机组1的冷凝侧的高温出水不满足先蓄热再供热的温度要求，所以此时关闭相变蓄热罐5侧回路，热出水直接用于室内系统供暖。此模式下，太阳能集热板2热出水经由电动球阀⑧、第五电动球阀⑤流向地源热泵冷热水机组1的冷凝侧提升热品质，地源热泵的冷凝侧的高温出水经由地源供热球阀9、第十二电动球阀第一电动球阀①作为用户侧热源进行供暖。用户侧回水经由冷热水循环泵4和供暖回水球阀12、第七电动球阀⑦再流回太阳能集热板2。地源热泵冷热水机组1的蒸发侧经由地埋管分集水器7、地源侧循环水泵3、第四电动球阀④形成封闭循环，为热泵提供低温热源。除了上述所提及到的，系统其余设备及部件皆处于关闭状态。

模式4(太阳能串联地源热泵蒸发侧供热模式)：当太阳能集热板2出水温度继续下降但高于地埋管分集水器7出水温度时，将地埋管分集水器7出水先输入太阳能集热板2，获得较好的低温热源，输入地源热泵冷热水机组1的蒸发侧，而热泵冷凝侧高温出水作为用户侧热源进行直接供热，这样做不仅提高了地源热泵冷热水机组1的工作效率，而且实现了在冬季太阳辐射较弱时对太阳能的有效利用。此模式下，地埋管分集水器7经由地源侧循环水泵3、第二电动球阀②、第七电动球阀⑦流向太阳能集热板2提升热品质，太阳能集热板2热出水再经由第十一电动球阀流入地源热泵冷热水机组1的蒸发侧进行换热，换热后的蒸发侧出水最后流入地埋管分集水器7进入下一个循环。除了上述所提及到的，系统其余设备及部件皆处于关闭状态。

模式5(相变蓄热罐供热模式)：在夜间，当相变蓄热罐5出水温度可以满足供暖要求时，相变蓄热罐5热出水承担所有热负荷，从而节省大量能量。此模式下，相变蓄热罐5热出水经由第十三电动球阀，第十二电动球阀第一电动球阀①流入用户侧进行供暖，用户侧回水经由冷热水循环泵4和供暖回水球阀12、第三电动球阀③、第九电动球阀⑨再流回相变蓄热罐5。除了上述所提及到的，系统其余设备及部件皆处于关闭状态。

模式6(地源热泵供热模式)：全天中，出现任何不满足上述所有模式要求的工况时，运行此模式，利用地源热泵冷热水机组1和地埋管分集水器7抽取地热能对用户侧进行直接供热，从而保证系统在冬季极端天气下的供暖效果。此模式下，地源热泵冷热水机组1冷凝侧高温出水经由地源供热球阀9、第十二电动球阀第一电动球阀①流入用户侧进行供暖，用户侧回水经由冷热水循环泵4和供暖回水球阀12、第三电动球阀③、第五电动球阀⑤再流回地源热泵冷热水机组1冷凝测。地源热泵冷热水机组1的蒸发侧经由地埋管分集水器7、地源侧循环水泵3、第四电动球阀④形成封闭循环，为热泵提供低温热源。除了上述所提及到的，系统其余设备及部件皆处于关闭状态。

低温辐射采暖分集水器8的回水端和地埋管分集水器7的回水端上分别设置有泄压支路，泄压支路上分别设置有安全阀16，两个泄压支路分别经阀门连接后共同连接一个定压膨胀罐6，定压膨胀罐6的上端设置有自动排气阀17，下端连接有设置止回阀18的支路。

本发明中所提及的高效节能的太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统按照图2中的控制流程对实时工况进行判断，并通过自控系统运行上述6个模式中的相应模式，从而达到提升系统供暖效果、提高冬季太阳能利用程度和节能的目的。

由图3可看出，本发明中所提及的高效节能的太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统，在西安地区的最冷月室外温度在零度附近浮动时依旧能够保证供暖效果。此时，室内温度平均值为16.15℃，室内最低温度为13.03℃。

由图3可以看出，本发明中所提及的高效节能的太阳能地源热泵及相变蓄热耦合供热系统，即图中的优化系统相比传统太阳能串联地源热泵供热系统，其供暖效果有了大幅提升，其供暖时室内温度平均温度提升了7.72℃，室内最低温度提升了7.86℃。