一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统论文和设计-桂江波

全文摘要

本实用新型公开了一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，包括太阳能集热单元、板式换热器、热泵机组、空调末端、分水器、集水器、控制单元，包括第一回路至第六回路，其中，所述第一回路与所述第二回路通过所述板式换热器相连，所述第一回路与所述第五回路通过所述板式换热器相连；各个回路内均设置有阀门和水泵，所述控制单元电连接所述阀门和水泵。本实用新型将太阳能光热技术、浅层地温能地源热泵技术和土壤储热技术有效的融合在一起，能很好的使土壤达到冷热平衡，从而保证了地源热泵系统的稳定与安全，也为太阳能采暖提供了有效的热能储存空间，推动太阳能采暖技术的发展。

主设计要求

1.一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，包括太阳能集热单元、板式换热器、热泵机组、空调末端、分水器、集水器、控制单元，其特征在于：所述板式换热器与所述太阳能集热单元通过水管连接形成第一回路；所述板式换热器与空调末端通过水管连接形成第二回路；所述热泵机组与所述空调末端通过水管连接形成第三回路；所述热泵机组、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第四回路；所述板式换热器、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第五回路；所述太阳能集热单元、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第六回路；其中，所述第一回路与所述第二回路通过所述板式换热器相连，所述第一回路与所述第五回路通过所述板式换热器相连；各个回路内均设置有阀门和水泵，所述控制单元电连接所述阀门和水泵。

设计方案

1.一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，包括太阳能集热单元、板式换热器、热泵机组、空调末端、分水器、集水器、控制单元，其特征在于：

所述板式换热器与所述太阳能集热单元通过水管连接形成第一回路；

所述板式换热器与空调末端通过水管连接形成第二回路；

所述热泵机组与所述空调末端通过水管连接形成第三回路；

所述热泵机组、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第四回路；

所述板式换热器、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第五回路；

所述太阳能集热单元、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第六回路；

其中，所述第一回路与所述第二回路通过所述板式换热器相连，所述第一回路与所述第五回路通过所述板式换热器相连；

各个回路内均设置有阀门和水泵，所述控制单元电连接所述阀门和水泵。

2.根据权利要求1所述的一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，其特征在于：所述控制单元包括单片机、第一感温探测器、第二感温探测器，所述第一感温探测器设置在所述第四回路上，所述第二感温探测器设置在所述太阳能集热单元上，所述第一感温探测器、所述第二感温探测器传递温感电子信号至所述单片机，所述单片机根据所述温感电子信号向所述阀门和水泵发送开启或关闭的电信号。

3.根据权利要求2所述的一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，其特征在于：所述太阳能集热单元包括太阳能集热器，所述太阳能集热器通过第二给水管连接蓄热箱，所述蓄热箱通过第二回水管连接所述太阳能集热器，所述第二回水管上设置第二水泵，所述蓄热箱通过第八给水管连接生活热水末端，所述第八给水管上设置第十一阀门，所述第十一阀门与所述生活热水末端之间设置所述第一感温探测器。

4.根据权利要求3所述的一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，其特征在于：所述第一回路包括所述板式换热器，所述板式换热器右端设置第一给水管、第一回水管，所述第一给水管与所述第一回水管分别连接所述蓄热箱，所述第一给水管上设置第十阀门，所述第一回水管自左向右依次设置第九阀门、第一水泵。

5.根据权利要求4所述的一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，其特征在于：所述第二回路包括所述板式换热器，所述板式换热器左端设置第三给水管、第三回水管，所述第三给水管与所述第三回水管分别连接所述空调末端，所述第三给水管上设置第一阀门，所述第三回水管自左向右依次设置第三水泵、第二阀门。

6.根据权利要求5所述的一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，其特征在于：所述第三回路包括所述热泵机组，所述热泵机组上端连接第七给水管、第七回水管，所述第七给水管连接所述第三给水管，所述第七给水管与所述第三给水管的连接口设置于所述第一阀门左侧，所述第七回水管连接所述第三回水管，所述第七回水管与所述第三回水管的连接口设置于所述第三水泵与所述第二阀门之间，所述第七回水管上设置第三阀门。

7.根据权利要求6所述的一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，其特征在于：所述第四回路包括所述热泵机组，所述热泵机组右侧设置第四给水管，所述第四给水管上设置所述第二感温探测器，所述第四给水管连接分水器，所述分水器通过分集水管连接集水器，所述集水器通过第四回水管连接所述热泵机组，所述第四回水管上自左向右设置第六阀门、第四水泵。

8.根据权利要求7所述的一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，其特征在于：所述第三给水管与所述第四给水管之间设置第六给水管，所述第六给水管与所述第三给水管的连接口位于所述第一阀门与所述板式换热器之间，所述第六给水管与所述第四给水管的连接口位于所述第二感温探测器与所述分水器之间，所述第六给水管上设置第五阀门；所述第三回水管与所述第四回水管之间设置第六回水管，所述第六回水管与所述第三回水管的连接口位于所述第二阀门与所述板式换热器之间，所述第六回水管与所述第四回水管的连接口位于所述第六阀门与所述第四水泵之间，所述第六回水管上设置第四阀门；

所述板式换热器、所述第三给水管、所述第六给水管、所述第四给水管、所述分水器、所述分集水管、所述集水器、所述第四回水管依次连接形成所述第五回路。

9.根据权利要求8所述的一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，其特征在于：所述第一给水管与所述分水器之间设置第五给水管，所述第五给水管与所述第一给水管的连接口设置于第十阀门与所述蓄热箱之间，所述第五给水管上设置第七阀门；所述第一回水管与所述集水器之间设置第五回水管，所述第五回水管与所述第一回水管的连接口设置于第九阀门与所述第一水泵之间，所述第五回水管上设置第八阀门；

所述太阳能集热单元、所述第一给水管、所述第五给水管、所述分水器、所述分集水管、所述集水器、所述第五回水管、所述第三回水管依次连接形成所述第六回路。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于空调系统技术领域，尤其涉及一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统。

背景技术

浅表地温能是指地下15～200米的岩土空间构成10-18℃的恒温带，加上岩土的热容性和导热率，成为较为理想的冷热能量储存空间。地源热泵空调系统就是利用热泵把热能或冷能从地下空间传送到建筑室内空间，冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷，从而解决建筑制冷、供热的需求。但是地源热泵工程长期运行会导致土壤冷热不平衡，从而降低了地源热泵系统运行的效率，甚至导致地源热泵系统不能正常运行的后果。太阳能是如今人们发现的最好掌控和利用的可再生能源，将太阳能充分利用是如今保护环境、保护资源的重要途经。由于太阳能光热不稳定性和不连续性，其利用只能局限于日光辐射，晚间利用太阳能热水需要蓄水设备储存白天太阳能产生的热水，特别是用太阳能热水采暖需要大量的储存空间，从而限制了太阳能光热大规模的推广应用。国家“十三五”太阳能热利用发展规划中把太阳能采暖、制冷列为主要发展方向，解决太阳能采暖中太阳能热水储存空间问题是加速太阳能光热利用的重要课题。

现状在中国北方地区地源热泵系统冬季供暖从地下土壤中提取的热量大于夏季制冷输入到地下的热量，地下温度场呈现下降趋势，经过多年运行就会导致土壤温度持续下降，地下冷热不平衡，从而使地源热泵系统不能按原设计参数运行，运行效率下降，若严重失衡甚至会导致地源热泵系统不能正常运行的后果。

本方案提供一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，要解决的技术问题是利用可再生能源太阳能的热能补充土壤的热能，使地源热泵系统提取地下土壤的能量和输入地下土壤的能量达到平衡，使得地源热泵能够按照设计参数长期高效的运行，同时也解决了太阳能热水储存空间的问题。跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统将太阳能光热技术、浅层地温能地源热泵技术和土壤储热技术有效的融合在一起，能很好的使土壤达到冷热平衡，从而保证了地源热泵系统的稳定与安全，也为太阳能采暖提供了有效的热能储存空间，推动太阳能采暖技术的发展。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型要解决背景技术中的部分问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，包括太阳能集热单元、板式换热器、热泵机组、空调末端、分水器、集水器、控制单元，所述板式换热器与所述太阳能集热单元通过水管连接形成第一回路；所述板式换热器与空调末端通过水管连接形成第二回路；所述热泵机组与所述空调末端通过水管连接形成第三回路；所述热泵机组、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第四回路；所述板式换热器、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第五回路；所述太阳能集热单元、所述分水器、所述集水器依次通过水管连接形成第六回路；其中，所述第一回路与所述第二回路通过所述板式换热器相连，所述第一回路与所述第五回路通过所述板式换热器相连；各个回路内均设置有阀门和水泵，所述控制单元电连接所述阀门和水泵。

在一些实施例中，所述控制单元包括单片机、第一感温探测器、第二感温探测器，所述第一感温探测器设置在所述第四回路上，所述第二感温探测器设置在所述太阳能集热单元上，所述第一感温探测器、所述第二感温探测器传递温感电子信号至所述单片机，所述单片机根据所述温感电子信号向所述阀门和水泵发送开启或关闭的电信号。

在一些实施例中，所述太阳能集热单元包括太阳能集热器，所述太阳能集热器通过第二给水管连接蓄热箱，所述蓄热箱通过第二回水管连接所述太阳能集热器，所述第二回水管上设置第二水泵，所述蓄热箱通过第八给水管连接生活热水末端，所述第八给水管上设置第十一阀门，所述第十一阀门与所述生活热水末端之间设置所述第一感温探测器。

在一些实施例中，所述第一回路包括所述板式换热器，所述板式换热器右端设置第一给水管、第一回水管，所述第一给水管与所述第一回水管分别连接所述蓄热箱，所述第一给水管上设置第十阀门，所述第一回水管自左向右依次设置第九阀门、第一水泵。

在一些实施例中，所述第二回路包括所述板式换热器，所述板式换热器左端设置第三给水管、第三回水管，所述第三给水管与所述第三回水管分别连接所述空调末端，所述第三给水管上设置第一阀门，所述第三回水管自左向右依次设置第三水泵、第二阀门。

在一些实施例中，所述第三回路包括所述热泵机组，所述热泵机组上端连接第七给水管、第七回水管，所述第七给水管连接所述第三给水管，所述第七给水管与所述第三给水管的连接口设置于所述第一阀门左侧，所述第七回水管连接所述第三回水管，所述第七回水管与所述第三回水管的连接口设置于所述第三水泵与所述第二阀门之间，所述第七回水管上设置第三阀门。

在一些实施例中，所述第四回路包括所述热泵机组，所述热泵机组右侧设置第四给水管，所述第四给水管上设置所述第二感温探测器，所述第四给水管连接分水器，所述分水器通过分集水管连接集水器，所述集水器通过第四回水管连接所述热泵机组，所述第四回水管上自左向右设置第六阀门、第四水泵。

在一些实施例中，所述第三给水管与所述第四给水管之间设置第六给水管，所述第六给水管与所述第三给水管的连接口位于所述第一阀门与所述板式换热器之间，所述第六给水管与所述第四给水管的连接口位于所述第二感温探测器与所述分水器之间，所述第六给水管上设置第五阀门；所述第三回水管与所述第四回水管之间设置第六回水管，所述第六回水管与所述第三回水管的连接口位于所述第二阀门与所述板式换热器之间，所述第六回水管与所述第四回水管的连接口位于所述第六阀门与所述第四水泵之间，所述第六回水管上设置第四阀门；所述板式换热器、所述第三给水管、所述第六给水管、所述第四给水管、所述分水器、所述分集水管、所述集水器、所述第四回水管依次连接形成所述第五回路。

在一些实施例中，所述第一给水管与所述分水器之间设置第五给水管，所述第五给水管与所述第一给水管的连接口设置于第十阀门与所述蓄热箱之间，所述第五给水管上设置第七阀门；所述第一回水管与所述集水器之间设置第五回水管，所述第五回水管与所述第一回水管的连接口设置于第九阀门与所述第一水泵之间，所述第五回水管上设置第八阀门；所述太阳能集热单元、所述第一给水管、所述第五给水管、所述分水器、所述分集水管、所述集水器、所述第五回水管、所述第三回水管依次连接形成所述第六回路。

由于采用了上述技术方案，与现有的技术相比：

本实用新型中太阳能集热单元和地源热泵单元是两个相对独立的系统，其中参与热量传递的介质均为不用发生相变的水；间壁式的板式换热器通过水媒介的换热即可实现太阳能的蓄能作用，所以只需要开启循环水泵，保持循环水流动换热即可，耗能很小。综上所述本实用新型将太阳能光热技术、浅层地温能地源热泵技术和土壤储热技术有效的融合在一起，能很好的使土壤达到冷热平衡，从而保证了地源热泵系统的稳定与安全，也为太阳能采暖提供了有效的热能储存空间，推动太阳能采暖技术的发展。

附图说明：

图1是本实用新型一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统示意图。

附图标记说明：101、第一阀门，102、第二阀门，103、第三阀门，104、第四阀门，105、第五阀门，106、第六阀门，107、第七阀门，108、第八阀门，109、第九阀门，110、第十阀门，111、第十一阀门，201、第一给水管，202、第二给水管，203、第三给水管，204、第四给水管，205、第五给水管，206、第六给水管，207、第七给水管，208、第八给水管，209、分集水管，301、第一回水管，302、第二回水管，303、第三回水管，304、第四回水管，305、第五回水管，306、第六回水管，307、第七回水管，401、第一水泵，402、第二水泵，403、第三水泵，404、第四水泵，501、第一感温探测器，502、第二感温探测器，503、单片机，601、空调末端，602、热泵机组，603、分水器，604、集水器，605、蓄热箱，606、生活热水末端，607、太阳能集热器，608、板式换热器，105、第五阀门，106、第六阀门，107、第七阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

实施例：如图1所示，本实施例提供了一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统，包括太阳能集热单元、板式换热器608、热泵机组602、空调末端601、分水器603、集水器604、控制单元，板式换热器608与太阳能集热单元通过水管连接形成第一回路；板式换热器608与空调末端601通过水管连接形成第二回路；热泵机组602与空调末端601通过水管连接形成第三回路；热泵机组602、分水器603、集水器604依次通过水管连接形成第四回路；板式换热器608、分水器603、集水器604依次通过水管连接形成第五回路；太阳能集热单元、分水器603、集水器604依次通过水管连接形成第六回路；其中，第一回路与第二回路通过板式换热器608相连，第一回路与第五回路通过板式换热器608相连；各个回路内均设置有阀门和水泵，控制单元电连接阀门和水泵。

在一些实施例中，控制单元包括单片机503、第一感温探测器501、第二感温探测502，第一感温探测器501设置在第四回路上，第二感温探测器502设置在太阳能集热单元上，第一感温探测器501、第二感温探测器502传递温感电子信号至单片机503，单片机503根据温感电子信号向阀门和水泵发送开启或关闭的电信号。

在一些实施例中，太阳能集热单元包括太阳能集热器607，太阳能集热器607通过第二给水管202连接蓄热箱605，蓄热箱605通过第二回水管302连接太阳能集热器607，第二回水管302上设置第二水泵402，蓄热箱605通过第八给水管208连接生活热水末端606，第八给水管208上设置第十一阀门111，第十一阀门111与生活热水末端606之间设置第一感温探测器501。

在一些实施例中，第一回路包括板式换热器608，板式换热器608右端设置第一给水管201、第一回水管301，第一给水管201与第一回水管301分别连接蓄热箱605，第一给水管201上设置第十阀门110，第一回水管301自左向右依次设置第九阀门109、第一水泵401。

在一些实施例中，第二回路包括板式换热器608，板式换热器608左端设置第三给水管203、第三回水管303，第三给水管203与第三回水管303分别连接空调末端601，第三给水管203上设置第一阀门101，第三回水管303自左向右依次设置第三水泵403、第二阀门102。

在一些实施例中，第三回路包括热泵机组602，热泵机组602上端连接第七给水管207、第七回水管307，第七给水管207连接第三给水管203，第七给水管207与第三给水管303的连接口设置于第一阀门101左侧，第七回水管307连接第三回水管303，第七回水管307与第三回水管303的连接口设置于第三水泵403与第二阀门102之间，第七回水管207上设置第三阀门103。

在一些实施例中，第四回路包括热泵机组602，热泵机组602右侧设置第四给水管204，第四给水管204上设置第二感温探测器502，第四给水管204连接分水器603，分水器603通过分集水管209连接集水器604，集水器604通过第四回水管304连接热泵机组602，第四回水管304上自左向右设置第六阀门106、第四水泵404。

在一些实施例中，第三给水管203与第四给水管204之间设置第六给水管206，第六给水管206与第三给水管203的连接口位于第一阀门101与板式换热器608之间，第六给水管206与第四给水管204的连接口位于第二感温探测器502与分水器603之间，第六给水管206上设置第五阀门105；第三回水管303与第四回水管304之间设置第六回水管306，第六回水管306与第三回水管303的连接口位于第二阀门102与板式换热器608之间，第六回水管306与第四回水管304的连接口位于第六阀门106与第四水泵404之间，第六回水管306上设置第四阀门104；板式换热器608、第三给水管203、第六给水管206、第四给水管204、分水器603、分集水管209、集水器604、第四回水管304依次连接形成第五回路。

在一些实施例中，第一给水管201与分水器603之间设置第五给水管205，第五给水管205与第一给水管201的连接口设置于第十阀门110与蓄热箱605之间，第五给水管205上设置第七阀门107；第一回水管301与集水器604之间设置第五回水管305，第五回水管305与第一回水管301的连接口设置于第九阀门109与第一水泵401之间，第五回水管305上设置第八阀门108；太阳能集热单元、第一给水管2010、第五给水管205、分水器603、分集水管209、集水器604、第五回水管305、第三回水管303依次连接形成第六回路。

由于采用了上述技术方案，与现有的技术相比：

工作原理：

本系统中地源热泵单元可单独为室内空调末端提供冬季供暖与夏季制冷的需求。地源热泵单元单独工作时：操作人通过单片机传送电信号开启第三阀门103、第四水泵404，热泵机组602、第七给水管207、空调末端601、第三给水管203、第三回水管303、第七回水管307、第三水泵403形成供暖(制冷)回路。当地源热泵单元与太阳能单元结合后，其工作方式如下：

一.冬季供热期，土壤作为低温热源，地源热泵单元把土壤中的低位能量转化为高位能量供给空调末端采暖使用，太阳能集热单元和地源热泵单元同时为建筑供热。

1.太阳能热水温度超过室内建筑采暖设备供水温度时，第一感温探测器501将信号传送至单片机，单片机经分析后通过指令电信号开启第九阀门109、第十阀门110、第一阀门101、第二阀门102、第一水泵401、第三水泵403，同时关闭第三阀门103、第四阀门104、第五阀门105、第七阀门107、第八阀门108，太阳能集热单元与空调末端601之间通过板式换热器608进行热交换。具体管路如下：板式换热器608右端设置第一给水管201、第一回水管301，第一给水管201、第一回水管301连接太阳能集热单元，第一给水管201、第一回水管301、太阳能集热单元形成回路，板式换热器608左端设置第三给水管203、第三回水管303，第三给水管203、第三回水管303连接空调末端，第三给水管203、第三回水管303、空调末端601形成回路。太阳能热水热能通过板式换热器608转换为提供空调末端601采暖的热能设计供水温度直接供暖。

2.太阳能热水低于建筑采暖设备供水温度而大于地源地埋换热器出水温度时，第一感温探测器501将信号传送至单片机，同时第二感温探测器502将信号传送至单片机，单片机经过信息比对后通过指令电信号关闭第九阀门109、第十阀门110，同时开启第七阀门107、第八阀门108、第一水泵401，太阳能集热单元、第一给水管201、第五给水管205、分水器603、分集水管209、集水器604、第五回水管305之间形成回路，太阳能集热单元把低温水通过地埋热交换器输入地下，补偿地埋温度场由地源热泵系统供热提取的地下土壤热量，也为太阳能采暖提供了有效的热能储存空间。太阳能和地源热泵的结合，扩大了可利用温度范围，减少地埋管换热器数量，降低了地源热泵能源侧的系统投资，提高了系统的性价比。在北方地区可推广范围得以大面积扩大。

二.冬季供暖季以后的春季和夏季，操作人通过单片机通过指令电信号关闭第九阀门109、第十阀门110，同时开启第七阀门107、第八阀门108、第一水泵401，太阳能集热单元、第一给水管201、第五给水管205、分水器603、分集水管209、集水器604、第五回水管305之间形成回路，把太阳能热水通过冬季采暖调峰区域的地埋换热器(本区域地埋换热器是按冬季采暖负荷多出夏季制冷的地埋换热器的部分，不参与夏季制冷提取土壤冷量)加热地下土壤，把春季和夏季的太阳能热水储存在地下，以备冬季采暖时通过地源热泵系统提取热量。为达到地下土壤多年的冷热平衡，地埋换热器调峰负荷区域可以和其他地埋换热器区域进行轮流分配储存春夏太阳能热量。

三.夏季制冷高峰期过去和秋天季节不启动空调时，操作人通过单片机发送指令电信号，开启第九阀门109、第十阀门110、第四阀门104、第五阀门105、第一水泵401、第四水泵404，关闭第一阀门101、第二阀门102、第六阀门106、第七阀门107、第八阀门108，具体管路如下：板式换热器608右端设置第一给水管201、第一回水管301，第一给水管201、第一回水管301连接太阳能集热单元，第一给水管201、第一回水管301、太阳能集热单元形成回路，板式换热器608左端设置第六给水管206、第六回水管306，第六给水管206连接第四给水管204、第四给水管204连接分水器、分水器603通过分集水管209连接集水器604，集水器604连接第四回水管304，板式换热器608、第六给水管206、第四给水管204、分水器603、分集水管209、集水器604、第四回水管304、第六回水管306形成回路。把太阳能热水产生的多余热量调配到空闲的地埋换热器区域储存热能，补偿冬季地蓄能能量的不足，以达到全年能量的平衡以及太阳能蓄热技术目的。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不予矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型多各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

设计图

一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统论文和设计

一种跨季节太阳能及地源热泵多能互补系统论文和设计-桂江波

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主设计要求

设计方案

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