一种太阳能土壤源热泵联合互补供能的一体化系统的制作方法

本发明涉及新能源、供热和新农村建设领域，尤其是涉及一种太阳能土壤源热泵联合互补供能的一体化系统。

背景技术：

随着不可再生能源的日益紧缺，可再生能源的利用得到了广泛的关注。常见的单一可再生能源的利用技术，例如太阳能光热利用，太阳能光伏发电技术，风力发电技术、沼气供暖技术、浅层地热利用技术等。往往具有一定的局限性。如阴雨天和多云天气，太阳能光热/光电技术的供应稳定性得不到保障；风力发电技术则存在并网负荷不匹配的问题。有效的解决方案是研发多种可再生能源的互补利用系统。

与城镇地区相比，农村地区农居分布呈现分散化的特点，多为独门独户，且地势开阔，可再生能源储量丰富，但可再生能源的利用并没有得到大规模的推广。原因在于单一可再生能源利用方式自身的局限性，农村地区经济水平落后，系统运行维护技术不足以及类似供能系统缺乏工业化大规模生产的条件。

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太阳能土壤源热泵联合互补供能的一体化系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种太阳能土壤源热泵联合互补供能的一体化系统，该系统包括：

平板式太阳能集热器：用以收集全年太阳能并提供热能；

垂直u型集群地埋管：与平板式太阳能集热器连接，用以储存太阳能至冬季供热使用；

一体化集成控制单元：分别与平板式太阳能集热器和垂直u型集群地埋管连接，通过控制模块控制管路上阀门的通断和水泵的开关对不同工作模式进行切换；

用户需求末端：与一体化集成控制单元连接，包括与生活热水需求末端连接的生活热水水箱以及与风机盘管末端连接的采暖水箱；

地源热泵机组：分别与控制模块、采暖水箱、风机盘管末端和垂直u型集群地埋管连接。

所述的一体化集成控制单元包括壳体、设置在壳体内的水泵和四个电动三通阀以及设置在壳体外壁上的八个聚丁烯外丝直接接头，所述的水泵的输出端与第四聚丁烯外丝直接接头连接，输入端与第三电动三通阀的#1出水侧连接，第三电动三通阀的#2出水侧与第三聚丁烯外丝直接接头连接，进水侧与第四电动三通阀的进水侧连接，所述的第四电动三通阀的#1出水侧与第七聚丁烯外丝直接接头，#2出水侧与第八聚丁烯外丝直接接头连接，第一电动三通阀的进水侧与第一聚丁烯外丝直接接头连接，#1出水侧与第二电动三通阀的进水侧连接，#2出水侧与第二聚丁烯外丝直接接头连接，所述的第二电动三通阀的#1出水侧与第五聚丁烯外丝直接接头连接，#2出水侧与第六聚丁烯外丝直接接头连接。

所述的第一聚丁烯外丝直接接头与平板式太阳能集热器出口端连接，所述的第四聚丁烯外丝直接接头与平板式太阳能集热器入口端连接，所述的第二聚丁烯外丝直接接头和第三聚丁烯外丝直接接头分别与集群地埋管和地源热泵机组连接，所述的第五聚丁烯外丝直接接头和第七聚丁烯外丝直接接头分别与生活热水水箱内的换热盘管连接，所述的第六聚丁烯外丝直接接头和第八聚丁烯外丝直接接头分别与采暖水箱连接，所述的换热盘管材质为铜管，布置方式为螺旋式，盘管与桶壁的距离为2-5cm，盘管间距为0.5-1.0cm，生活热水水箱上部安置有电辅助加热棒作为辅助加热措施，其功率为3kw。

所述的水泵的输出端与第四聚丁烯外丝直接接头之间的管道上依次设有y型过滤器和止回阀，所述的水泵的输出端通过第二橡胶软接头与y型过滤器连接，其输入端通过第一橡胶软接头与第三电动三通阀的#1出水侧连接。

所述的第一电动三通阀的#2出水侧与第二聚丁烯外丝直接接头通过第一直角弯头连接，所述的第二电动三通阀的#2出水侧与第六聚丁烯外丝直接接头通过第二直角弯头连接，所述的第三电动三通阀的#2出水侧与第三聚丁烯外丝直接接头通过第三直角弯头连接，所述的第四电动三通阀的#2出水侧与第八聚丁烯外丝直接接头通过第四直角弯头连接。

所述的地源热泵机组包括第一换热器、第二换热器以及设置在第一换热器出口侧与第二换热器入口侧之间的压缩机和节流阀，所述的第一换热器入口侧分别与风机盘管末端和采暖水箱连接，所述的第二换热器出口侧与垂直u型集群地埋管连接。

所述的第一换热器入口侧与采暖水箱之间设有第一循环水泵，所述的第二换热器出口侧设有第二循环水泵。

所述的控制模块通过三芯导线控制集成控制设备内部水泵的启停以及各电动三通阀的阀门方向，通过控制模块内部储存的控制逻辑，本系统有多种不同的可再生能源组合利用模式，进而实现用户对全年生活热水和采暖季采暖的需求。

所述的工作模式包括全年生活热水优先供应模式、跨季节土壤蓄热模式、冬季地源热泵机组直接采暖模式、冬季太阳能辅助加热模式、冬夏季地源热泵机组直接供冷模式和冬季寒冷夜晚防冻模式。

当处于全年生活热水优先供应模式时，第一电动三通阀、第二电动三通阀、第三电动三通阀和第四电动三通阀均切换为进水侧与#1出水侧导通的工作状态，水泵处于开启状态，此时平板式集热器收集到的热量通过该循环回路加热生活热水水箱提供生活热水；

当处于跨季节土壤蓄热模式时，第一电动三通阀和第三电动三通阀切换为进水侧与#2出水侧导通的工作状态，水泵处于开启状态，此时，平板式太阳能集热器收集到的热量通过该循环回路向垂直u型集群地埋管转移深秋和冬季储存的热量；

当处于冬季地源热泵机组直接采暖模式时，地源热泵机组、第一循环水泵和第二循环水泵开启，一体化集成控制单元不参与循环回路的构建，此时，第二换热器为蒸发器，第一换热器为冷凝器；

当处于冬季太阳能辅助加热模式时，水泵处于开启状态，第一电动三通阀和第三电动三通阀切换为进水侧与#1出水侧导通的工作状态，而第二电动三通阀和第四电动三通阀切换为进水侧与#2出水侧导通的工作状态，此时，此时平板式太阳能集热器将收集到的热量通过循环回路转移至采暖水箱，加热采暖水箱；

当处于冬夏季地源热泵机组直接供冷模式时，地源热泵机组、第一循环水泵和第二循环水泵开启，一体化集成控制单元不参与循环回路的构建，此时，第一换热器为蒸发器，第二换热器为冷凝器；

当处于冬季寒冷夜晚防冻模式时，第一电动三通阀、第二电动三通阀、第三电动三通阀和第四电动三通阀均切换为进水侧与#1出水侧导通的工作状态，水泵处于开启状态，此时，抽取生活热水水箱多余的热量对平板式太阳能集热器及管路进行防冻保护。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、提高能源使用效率：采用太阳能和跨季节土壤蓄热技术两种可再生能源利用技术进行互补利用，与传统的农村地区能源利用方式对比，更加节能环保，并且通过土壤的蓄热，有效实现了可再生能源的跨季互补利用，提高了能源使用效率，一定程度上克服了单一可再生能源局限性强的问题。

二、集成化程度更高：与现有的太阳能辅助地源热泵技术相比，集成化程度更高，主要控制设备给均集成在箱体内，形成一体化系统，工程上互换性更强，具有工业化大规模生产推广的潜力。

三、功能健全：同时可以满足单户农居全年生活热水的需求，以及供热和供冷的需求，其功能更加健全。

四、由于工程上互换性更强，具有工业化大规模生产推广的潜力，控制模块中包含有物联网远程监控和巡检模块，有助于在农村地区进行物联网集中管理，提高了运行维护管理水平。

附图说明

图1为本发明系统的原理简图。

图2为电动三通阀换向示意图。

图3为全年生活热水优先供应模式下系统运行示意图。

图4为跨季节土壤蓄热模式下系统运行示意图。

图5为冬季地源热泵机组直接采暖模式下系统运行示意图。

图6为冬季太阳能辅助采暖模式下系统运行示意图。

图7为冬夏季地源热泵机组直接供冷模式下系统运行示意图。

图8为冬季寒冷夜晚防冻模式下系统运行示意图。

图3-图8中，粗线均代表水循环走水换热管道的路线。

其中，1、水泵，2、y型过滤器，31、第一聚丁烯外丝直接接头，32、第二聚丁烯外丝直接接头，33、第三聚丁烯外丝直接接头，34、第四聚丁烯外丝直接接头，35、第五聚丁烯外丝直接接头，36、第六聚丁烯外丝直接接头，37、第七聚丁烯外丝直接接头，38、第八聚丁烯外丝直接接头，41、第一橡胶软接头，42、第二橡胶软接头，51、第一电动三通阀，52、第二电动三通阀，53、第三电动三通阀，54、第四电动三通阀，6、止回阀，71、第一聚丁烯直角弯头，72、第二聚丁烯直角弯头，73、第三聚丁烯直角弯头，74、第四聚丁烯直角弯头，81、支撑架，82、支撑挂钩，9、附有m12螺钉的橡胶垫，10、聚丁烯管道，11、聚酯发泡保温层，12、控制模块，13、壳体，14、平板式太阳能集热器，141、平板式太阳能集热器入口端，142、平板式太阳能集热器出口端，15、垂直u型集群地埋管，16、生活热水水箱，17、采暖水箱，18、风机盘管末端，19、地源热泵机组，191、第一换热器，192、压缩机，193、第二换热器，194、节流阀，201、第一循环水泵，202、第二循环水泵，211-212、止回阀，221-223、第一调节阀，23、生活热水需求末端，24、换热盘管，25、电辅助加热棒，261-267、pt100温度传感器。

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

如图1和2所示，本发明的太阳能土壤源热泵联合互补供能一体化系统，包括提供生活热水和采暖所需热量的平板式太阳能集热器14、作为跨季节蓄热以及地源热泵机组高温/低温热源的垂直u型集群地埋管15、接受并储存能量的生活热水水箱16以及采暖水箱17，利用生活热水水箱16中储存的热量生产热水以供生活热水需求23使用，利用采暖水箱17中储存的热量用以辅助冬季地源热泵机组向室内供暖。

其中，平板式太阳能集热器入口端141和平板式太阳能集热器出口端142分别与壳体13中第四聚丁烯外丝直接接头34和第一聚丁烯外丝直接接头31相连，其相连接的管路上分别放置有pt100温度传感器265和pt100温度传感器266，集热器表面放置有pt100温度传感器264，垂直u型集群地埋管15的进出口段均通过直角三通图中未标出分别与集中控制设备13的聚丁烯外丝直接接头32～33和地源热泵机组19、第二循环水泵相连，在垂直u型集群地埋管15埋深约40m处设置有pt100温度传感器263；

生活热水水箱16内部设置有换热盘管24，其材质为铜管，布置方式为螺旋式，盘管与桶壁的距离为2-5cm，盘管间距为0.5-1.0cm。水箱上部安置有电加热棒41作为辅助加热措施，其功率为3kw，换热盘管24的进出口段分别与控制设备的第五聚丁烯外丝直接接头35和第七聚丁烯外丝直接接头37相连，生活热水水箱16中生产的生活热水通过第三调节阀223提供给生活热水需求末端23，生活热水水箱16箱体上放置有pt100温度传感器261；采暖水箱17共有四个开口，其中两个开口分别与集成控制设备13的第六聚丁烯外丝直接接头36和第八聚丁烯外丝直接接头38相连，第三个接口通过第二调节阀与风机盘管末端18相连，第四个接口则通过第二循环水泵201以及第一截止阀211与地源热泵机组19相连；地源热泵机组19有四个主要接口，其中两个接口分别通过第一调节阀221，第一止回阀211以及第一循环水泵201与风机盘管末端18和采暖水箱17相连，第三个接口直接与垂直u型集群地埋管15相连，第四个接口则通过第二止回阀212和第二循环水泵202与垂直u型集群地埋管15相连。

使用时，pt100温度传感器261-267，集成控制设备13中各电动三通阀51～54和水泵1，以及第一循环水泵201、第二循环水泵202均通过三芯导线与控制模块12相连，其中各pt100温度传感器反馈各处水温给控制模块12，通过控制模块12来控制水泵的启停和各电动三通阀的转向以实现不同的运行模式。

本实施例包括6种系统运行模式，包括全年生活热水优先供应模式，跨季节土壤蓄热模式，冬季地源热泵机组直接采暖模式，冬季太阳能辅助采暖模式和冬夏季地源热泵机组直接供冷模式，冬季寒冷夜晚防冻模式。

如图3所示，处于全年生活热水优先供应模式时，通过控制模块12，集成控制设备13中的水泵1处于开启状态，第一电动三通阀51、第二电动三通阀52、第三电动三通阀53、第四电动三通阀54均切换至#1出水侧。此时平板式集热器14收集到的热量通过循环回路加热生活热水箱16以提供生活热水。

如图4所示，处于跨季节土壤蓄热模式时，通过控制模块12，集成控制设备13中的水泵1处于开启状态，第一电动三通阀51、第三电动三通阀53切换至#2出水侧。此时水循环环路不会经过第二电动三通阀52和第四电动三通阀54，这两个阀保持上一时刻状态不变即可，平板式太阳能集热器14收集到的热量通过该环路想垂直u型集群地埋管15转移深秋和冬季储存的热量，以提高系统cop。

如图5所示，处于冬季地源热泵机组直接采暖模式时，此时集成控制设备13中所有控制部件均不参与环路的构建。通过控制模块12，地源热泵机组19开启，第一循环水泵201和第二循环水泵202同样处于开启状态。此时换热器193为蒸发器，其实质作用为提取垂直u型集群地埋管16中蕴含的热量；机组所使用的工质为r434制冷剂，工质经过压缩机192后，在蒸发器193中与来自垂直u型集群地埋管16中温度较高的流体进行换热，进而获得这部分热量。通过节流阀194后，工质在冷凝器191中与流经风机盘管机组19的流体进行换热，将来自压缩机192做功产生的热量和来自垂直u型集群地埋管所收集的热量同时转移至流经风机盘管机组19的流体中，最后通过风机将热量转移至室内供暖需求末端，实现冬季的供暖。

如图6所示，处于冬季太阳能辅助采暖模式时，通过控制模块12，集成控制设备13中的水泵1处于开启状态，第一电动三通阀51和第三电动三通阀53切换至#1出水侧，而第二电动三通阀52和第四电动三通阀54则切换至#2出水侧。此时平板式太阳能集热器14将收集到的热量通过循环环路转移至采暖水箱17，加热采暖水箱。这部分热量辅助地源热泵机组19进行对室内的采暖，地源热泵的工作原理已于上一段进行了较为详细的描述，该模式下地源热泵的工作原理同上所述，区别在于是否有太阳能参与热量的提供。因此原理不再赘述，具体可参见上段所述。

如图7所示，处于冬夏季地源热泵机组直接供冷模式时，此时集成控制设备13中所有控制部件均不参与环路的构建。通过控制模块12，地源热泵机组19开启，第一循环水泵201和第二循环水泵202同样处于开启状态。此时换热器193为冷凝器，其实质作用为向垂直u型集群地埋管16释放来自室内的热量；机组所使用的工质为r434制冷剂，工质经过压缩机192后，在冷凝器193中与来自垂直u型集群地埋管16中温度较低的流体进行换热，进而转移来自室内的热量。通过节流阀194后，工质在蒸发器191中与流经风机盘管机组19的流体进行换热，吸收来自室内的热量，因而使得该流体温度下降，并通过风机将冷量转移至室内供冷需求末端，实现夏季的制冷。

如图8所示，处于冬季寒冷夜晚防冻模式时，通过控制模块12，集成控制设备13中的水泵1处于开启状态，第一电动三通阀51、第二电动三通阀52、第三电动三通阀53、第四电动三通阀54均切换至#1出水侧。尽管与全年生活热水优先供应模式的环路一致，但区别在于此时将抽取生活热水水箱富裕的热量对平板式太阳能集热器及其管路进行防冻保护。