主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统

1.本实用新型属于建筑热环境调节、太阳能利用、暖通空调设备领域，具体涉及一种主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统。


背景技术：

2.随着全球清洁能源转型，太阳能和风能等可再生能源已成为最经济的新型电力来源，为实现“碳达峰”、“碳中和”目标，我国将构建以新能源为主的电力系统。太阳能利用可减少化石能源消耗，降低co2排放，有利于解决我国的空气污染问题，改善能源结构，实现可持续发展。光伏发电是被广泛应用的一种太阳能利用技术，但普通的光伏板只能将入射太阳辐射的4％～17％转换为电能，剩下超过50％的太阳辐射将转换成热能被光伏板表面吸收，温度过高不仅会降低系统的发电效率，而且会对光伏模块造成不可逆的损害。
3.近年来，提出的光伏光热系统(pv/t系统)，在进行光伏发电的同时将系统表面的热能加以利用，有效地解决了光伏板背面温度过高、发电效率低的问题，也极大地提高了太阳能的利用效率。传统的pv/t系统为空气冷却和水冷却型，采用空气冷却型，虽然可以降低光伏板的工作温度，提高光电效率，但空气冷却光伏模块后直接排入环境，热能没有被有效利用；水冷却型pv/t系统可以抑制电池温度升高，提高光电效率，同时得到热水，但需要增加换热器，成本升高，背面换热效率也较低。
4.空气源热泵系统是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置，其占地面积小，可以灵活布置，但其性能受室外空气温度的影响很大，在北方冬季空气温度极低的时间段，还需要设置辅助加热器。
5.综上所述，基于太阳能光伏光热系统与空气源热泵系统，构建主动冷却型太阳能光伏
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空气源热泵耦合式建筑冷热电三联供系统，在提高光伏板发电效率的基础上，冬季还可提高空气源热泵的运行效率。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术，本实用新型利用光伏板和空气源热泵的耦合特性，以解决如下技术问题：(1)光伏板因背面温度过高而造成的发电效率低的问题；(2)空气源热泵在寒冷地区因室外气温过低而运行效率低的问题。本实用新型提出的主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统，将主动冷却型太阳能光伏与空气源热泵进行耦合实现太阳能利用与季节变化的最佳匹配，满足建筑用电、供暖、供冷的用能需求，从而最大限度地发挥了太阳能光伏及空气源热泵的优势，对缓解当前建筑的能耗问题具有重大的战略意义。
7.本实用新型提出的一种主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统，包括室外系统和室内系统，所述室外系统包括压缩机、空气侧换热器、膨胀阀和pv/t组件，所述pv/t组件包括光伏板和设置在其背面的集热板；所述室内系统包括室内末端设备、补水泵和循环水泵；所述室外系统和所述室内系统与水侧换热器相连，所述水侧换热器包
括水通道和工质通道；所述压缩机通过一个四通换向阀与所述空气侧换热器和所述水侧换热器连接，所述四通换向阀包括第一通道、第二通道、第三通道和第四通道，其中：所述第一通道的两端分别连接所述空气侧换热器的工质通道的a口和所述压缩机的吸气口；所述第二通道的两端分别连接所述压缩机的排气口和所述水侧换热器的工质通道的a口；所述第三通道的两端分别连接所述水侧换热器的工质通道的a口和所述压缩机的吸气口，所述第四通道的两端分别连接压缩机的排气口和所述空气侧换热器的工质通道的a口；所述水侧换热器的工质通道的b口通过第一膨胀阀与所述集热板的工质通道的a口相连，在所述水侧换热器的工质通道的b口与所述集热板的工质通道的a口之间的连接管路上设有与所述第一膨胀阀并联的第一旁路；所述集热板的工质通道的b口通过第二膨胀阀与所述空气侧换热器工质通道的b口相连，在所述集热板的工质通道的b口与所述空气侧换热器的工质通道的b口之间的连接管路上设有与所述第二膨胀阀并联的第二旁路；所述水侧换热器的水通道的两端分别通过供水干管和回水干管与所述的室内末端设备连接。
8.进一步讲，本实用新型所述的主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统，其中：
9.所述循环水泵位于供水干管上，为室内管路循环提供动力，所述补水泵的出水端与所述循环水泵的进水端相连，起补水作用。
10.所述室内末端设备是辐射炕、散热器、风机盘管、辐射吊顶中的一种或多种。
11.所述水侧换热器是室内系统与室外系统连接的节点，在所述水侧换热器处进行室内系统与室外系统的热量交换。
12.通过所述四通换向阀的切换实现冬季或是夏季运行模式；冬季运行模式下，所述四通换向阀的第一通道和第二通道导通，第三通道和第四通道关闭；夏季运行模式下，所述四通换向阀的第三通道和第四通道导通，第一通道和第二通道关闭。
13.光伏板产生的直流电通过逆变器转换为交流电后供家用电器使用或直接并网。
14.本实用新型提出的主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统实现了太阳能、空气能全年按需供暖、供冷、发电的供能，其有益效果有：
15.(1)使用太阳能、空气能综合利用系统能满足冬季室内供暖、夏季供冷、全年用电的需求，使用一套供能系统降低了系统的初投资，解决了在供暖期和供冷期使用两套系统造价成本高，设备闲置，回收期长等问题；解决了目前太阳能光伏光热利用系统只考虑到冬季供暖或供热水的需求，并未将夏季供冷考虑到系统供能的问题；可以在既有建筑中使用原有的末端设备大大减少投入资金，通过末端设备与室内进行热湿交换，达到控制室内温度的目的。
16.(2)利用低沸点工质带走光伏板背面的热量，相比于空气和水有更高的换热效率，大大提高了光伏板的光电效率与光热效率；相比传统空气冷却型光伏系统，能更加有效地利用光伏板背面的热能，避免能源浪费；而相比于水冷却型太阳能光伏-空气源热泵系统，又可省掉水-工质换热器，降低投资成本的同时减少了不可逆损失，结构简单，性能良好。
17.(3)在冬季，空气源热泵系统吸收利用光伏板背面的热量，解决了寒冷地区因室外气温过低，热泵系统运行效率低的问题；而在太阳辐射较弱时，通过空气侧换热器从环境中吸收热量，解决了太阳能不稳定造成的供热不足的问题。
附图说明
18.图1是本实用新型供能系统冬季工况结构连接示意图；
19.图2是本实用新型供能系统夏季工况结构连接示意图；
20.图3是本实用新型供能系统室内系统结构连接示意图。
21.图中：
22.1-空气侧换热器2-水侧换热器3-四通换向阀4-压缩机
23.5-室内侧控制阀门6-光伏板7-集热板81-第一膨胀阀
24.82-第二膨胀阀9-补水泵10-循环水泵11-室内末端设备
25.12-逆变器
具体实施方式
26.下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。
27.本实用新型提出的一种主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统，其设计构思是：将光伏板与空气源热泵进行耦合使低沸点工质在光伏板背面通道流动以带走光伏板背面的热量成为主动冷却型光伏板，从而构成主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统。本实用新型中采用低沸点工质作为pv/t组件的取热介质，相比以空气和水作为取热介质，效率更高；将主动冷却型太阳能光伏与空气源热泵进行串联连接，低沸点工质在光伏板背面的集热板内管道中充分吸收太阳辐射热能而蒸发，光伏板在工质相变冷却下高效稳定地输出电能，发电效率提高。空气源热泵的能量来源是空气中的热能，在供暖严寒期会出现制热效率下降的问题，将光伏板与空气源热泵进行耦合，低沸点工质吸收光伏板背面热量的同时提高了系统运行效率。系统通过使用四通换向阀实现冬夏季工况的切换产生能够满足建筑的用电及供暖、供冷需求的能量，降低了能源消耗，同时冬夏季采用一套供能系统降低了设备的初投资，具有明显经济效益。
28.如图1和图2所示，本实用新型所述的主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式建筑供能系统包括室外系统和室内系统，室内系统的主要作用为实现水与末端设备的热量交换，使末端设备冬天升温，夏天降温。
29.所述室外系统包括压缩机4、空气侧换热器1、第一膨胀阀81、第二膨胀阀82和pv/t组件，所述pv/t组件包括光伏板6和设置在所述光伏板6背面的集热板7，用以在冬夏季从光伏板吸收热量，从而提高发电效率，在冬季还可提高热泵运行效率，集热板7与光伏板6背面之间可以设有导热硅脂以加强导热，集热板7上有凹槽型流道(即集热管)及工质进出口用以低沸点工质在其中流动，低沸点工质在光伏板6背面将光伏板6产生的热量带走进入下一循环，降低光伏板6的背面温度，集热板7与空气接触面上设有必要的保温措施。本实用新型中，光伏板6产生的直流电通过一个逆变器12转换为交流电后供家用电器使用或直接并网。
30.所述室内系统包括室内末端设备11、补水泵9和循环水泵10；所述室外系统和所述室内系统与水侧换热器2相连，所述水侧换热器2是室内系统与室外系统连接的节点，在所述水侧换热器2处进行室内系统与室外系统的热量交换，冬天时热量从室外系统传递到室内系统，夏天时热量从室内系统传递到室外系统。所述水侧换热器2包括水通道和工质通道，本实用新型中采用的低沸点工质其流动方向及流经环路如图1和图2中箭头所示。
31.所述压缩机4通过一个四通换向阀3与所述空气侧换热器1的工质通道和所述水侧换热器2的工质通道连接，所述四通换向阀3包括第一通道ba、第二通道cd、第三通道da 和第四通道cb，其中：所述第一通道ba的两端分别连接所述空气侧换热器1的工质通道的 a口和所述压缩机4的吸气口；所述第二通道cd的两端分别连接所述压缩机4的排气口和所述水侧换热器2的工质通道的a口；所述第三通道da的两端分别连接所述水侧换热器2 的工质通道的a口和所述压缩机4的吸气口，所述第四通道cb的两端分别连接压缩机4的排气口和所述空气侧换热器1的工质通道的a口。
32.本实用新型的系统中包含必要的连接管路、阀门和连接件。
33.本实用新型运行过程中，通过所述四通换向阀3的切换实现冬季或夏季的运行模式。
34.如图1所示，冬季运行模式下，所述四通换向阀3的第一通道ba和第二通道cd均为导通，第三通道da和第四通道cb均为关闭；压缩机4的吸气口通过四通换向阀3的第一通道 ba与空气侧换热器1的工质通道的a口(低沸点工质出口)相连，压缩机4的排气口通过四通换向阀3的第二通路cd与水侧换热器2的工质通道的a口(低沸点工质进口)相连，所述水侧换热器2的工质通道的b口(低沸点工质出口)通过第一膨胀阀81与所述集热板 7的工质通道的a口(低沸点工质进口)相连，在所述水侧换热器2的工质通道的b口(低沸点工质出口)与所述集热板7的工质通道的a口(低沸点工质进口)之间的连接管路
③
上设有与所述第一膨胀阀81并联的第一旁路
④
，即所述水侧换热器2的工质通道的b口(低沸点工质出口)经并联的第一旁路
④
与所述集热板7的工质通道的a口(低沸点工质进口) 连接。所述集热板7的工质通道的b口(低沸点工质出口)通过第二膨胀阀82与所述空气侧换热器1的工质通道的b口(低沸点工质进口)相连，在所述集热板7的工质通道的b 口(低沸点工质出口)与所述空气侧换热器1的工质通道的b口(低沸点工质进口)之间的连接管路
②
上设有与所述第二膨胀阀82并联的第二旁路
①
，即光伏板6背后的集热板7 的工质通道的b口(低沸点工质出口)经并联的第二旁路
①
与空气侧换热器1的工质通道的b口(低沸点工质进口)连接。室外系统中压缩机4出口的高温高压低沸点工质气体在管道中流动通过四通换向阀3中的第二通路cd进入水侧换热器2发生相变，通过室内末端设备向室内进行放热，放热的同时冷凝成高温高压液体，通过第一膨胀阀81变成低温低压液体，进入光伏板6背后集热板7充分吸收光伏板背面的热量再通过第二旁路
①
进入空气侧换热器1，蒸发的同时从室外空气中吸收热量，低沸点工质经四通换向阀中的第一通道 ba最后回到压缩机继续循环。集热板7与空气侧换热器1串联，低沸点工质充分吸收光伏板6背面的热量，提高光伏板6的发电效率的同时提高系统的运行效率。
35.如图2所示，夏季运行原理同冬季运行基本相同，夏季运行模式下，所述四通换向阀3 的第三通道da和第四通道cb均为导通，第一通道ba和第二通道cd均为关闭。室外系统中的压缩机4出口的高温高压低沸点工质气体在管道中流动通过四通换向阀3中的第四通道 cb进入空气侧换热器1处放热，进入第二膨胀阀82后，仍在光伏板背后集热板7处充分吸收光伏板背面的热量，通过第一旁路
④
而后在水侧换热器2处继续吸热进而降低水侧温度通过室内末端设备对室内进行供冷，低沸点工质经四通换向阀3的第三通道da最后回到压缩机4继续循环。光伏板6在低沸点工质冷却下高效稳定地输出电能，提高发电效率，同时满足室内系统供冷需求。
36.室内系统通过水侧换热器2与室外系统进行热量交换，所述室内末端设备11可以是辐射炕、散热器、风机盘管、辐射吊顶等，通过主动冷却型太阳能光伏-空气源热泵耦合式系统产生的热水或冷水对室内环境进行调节，以满足人体的热舒适要求。如图3所示，所述水侧换热器2的水通道的两端分别通过供水干管和回水干管与所述的室内末端设备11连接。所述循环水泵10位于供水干管上，为室内管路循环提供动力，所述补水泵9的出水端与所述循环水泵10的进水端相连，起补水作用。
37.尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。