CN101526241B - 双向热泵太阳能供热系统 - Google Patents
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Abstract
本专利公布了一种太阳能集热与地源热泵联合供暖的双向热泵太阳能供热系统。系统包括一个太阳能集热循环，两个相互并联的直接供暖换热循环、间接供暖换热循环和一个双向岔流热泵循环(地源热泵循环和间接供热热泵循环反向并联)以及一个地源换热循环。蓄热水箱是各个循环的集热换热的枢纽。系统既可以通过地源热泵循环吸收土壤中的热能，也可以通过太阳能集热循环吸收太阳能。蓄热水箱向供暖换热循环供热可以通过两种方式，一种是在高蓄热水温时通过水箱内的直接换热盘管向供暖系统传热；另一种方式是在低蓄热水温条件下，可以通过间接供热热泵循环提高蓄存热能的品位后再向供暖系统换热。
Description
技术领域
本发明专利属于建筑能源的收集、储存及供应系统设备的设计及开发。主要涉及太阳能集热、蒸汽压缩制冷循环、地源热泵和采暖供热设备。
背景技术
在科技高速发展的二十一世纪，社会各行各业都正在经历着日新月异的变革。这使得整个社会在生产和生活领域里的能源消耗都产生了巨大的增长。能源已经成为本世纪最关键的社会经济问题，能源危机正以人们意想不到的速度走进我们的生活。传统一次能源的需求量与日俱增，可产量是有限的，因此消费成本也越来越高。人们只能从新的途径寻找希望。太阳能和土壤源热能都是很好的新能源，但是因其品位较低也比较分散，一直不能得到很好的利用。目前太阳能光热转换技术也只能应用于生活热水方面。而在建筑能耗中，生活热水只占非常有限的份额。真正的建筑能耗大项是采暖和空调。其中我国每年采暖要消耗1.5亿吨标准煤。应用新能源技术替代这部分能源消耗才算是解决了建筑能耗的实质性问题。但是各种新能源单独用于采暖又都有自己的弱点，出于这一点的考虑，我们必须寻求多种能源综合利用的合理途径，在充分利用太阳能等新能源的基础上，尽可能的节约传统一次能源(包括煤炭，石油及天然气)的消耗，在产品系统化的进程中寻求产业升级的动力。
发明内容
本发明专利所描述的双向热泵太阳能供热系统正是出于上述目的而开发的新型能源复合式采集、储存及输配供应系统，它可以根据不同的环境状况及建筑能耗需求的变化来调整自身的运行方式，从而实现能源优化配置的综合节能效果。
双向热泵太阳能供热系统由太阳能集热循环、供暖换热循环、地源换热循环及双向岔流热泵循环组成，太阳能集热循环直接与蓄热水箱连接；供暖换热循环将供暖换热末端与相互并联的蓄热水箱和双向岔流热泵循环的一个高温冷凝端相连；地源换热循环将土壤源换热器与双向岔流热泵循环的一个低温蒸发端相连；双向岔流热泵循环的一个换热端总是通过一个水换热循环与蓄热水箱相连，另外两个换热端，即所述的高温冷凝端和低温蒸发端相互并联；
太阳能集热循环是由太阳能循环泵3将蓄热水箱6中的低温水经过太阳能供水管路2输送到太阳能集热器1中，经过加热的水再通过系统高点的自动排气阀5和太阳能回水管路4返回蓄热水箱6；
供暖换热循环由供暖循环泵15推动换热媒质从供暖末端设备16流向直接供暖换热盘管10和板式换热器III31这两个相互并联的热源换热器，这两个并联的热源换热器支路上各设一个电磁阀，即直接供暖电磁阀13和间接供暖电磁阀14；
地源换热循环由地源循环泵32推动传热媒质在地源换热盘管35和双向岔流热泵循环的一个换热器-板式换热器II30之间往复循环；
双向岔流热泵循环通过四通换向阀23将循环各组件连接起来，其中四通换向阀的一对进、出口分别接压缩机24的进口和出口，另外一对进、出口分别接板式换热器I 22和相互并联的板式换热器II30、板式换热器III31的一个并联端，这两个并联的板式换热器的支路上分别串联一个单向阀，且二阀方向相反，两个板式换热器的另一个并联端与双向膨胀阀25的一端相连，双向膨胀阀25的另一端与板式换热器I 22的远离四通换向阀23的端口相接，从而构成双向岔流热泵循环结构。
双向岔流热泵循环是一个可换向但是两个并联的板式换热器不同向运行的蒸汽压缩制冷循环，其中板式换热器I 22在四通换向阀换向前后流向倒转，而相互并联的板式换热器II30和板式换热器III31在四通阀换向前后总是一通一断，它们各自的并联支路内分别串联了一个单向阀，而两个单向阀方向相反，无论两并联板式换热器的流向是正是反，都是只有一个单向阀导通，另外一个是断开的；随着四通换向阀切换循环流向，原来导通的与板式换热器II30连接的单向阀断开，原来关闭的与板式换热器III31连接的单向阀导通，从而导致板式换热器II30和板式换热器III31的通断状态同时改变。
供暖换热循环有两个相互并联的热源换热器-直接供暖换热盘管10和板式换热器III31，两个热源换热器的并联支路内分别串联了一个电磁阀，两电磁阀的通断使得供暖换热循环中来自末端换热设备的传热媒质在位于蓄热水箱内的直接换热盘管10和位于双向岔流热泵循环高温冷凝端的板式换热器III31之间转换。
位于蓄热水箱内的直接供暖换热盘管10横置并与太阳能集热循环和板式换热器I的水侧换热循环的回水管正对。
本发明的有益效果是系统一方面可以通过间接供暖换热模式充分利用蓄热水低蓄热温度下的热能，从而大大拓展了蓄热介质的蓄热温度变化范围，使单位体积的介质的可利用蓄热容大大提高；另一方面，地源热泵循环还可以使蓄热介质吸收土壤源热能来作为太阳能的有益的补充。这两方面功能的转换枢纽就是系统内部的双向岔流热泵循环，此循环也充分体现了系统比较高的设备使用效率。
附图说明
图1为双向热泵太阳能供热系统地源热泵模式图；
图2为双向热泵太阳能供热系统供热热泵模式图。
1、太阳能集热器 2、太阳能供水管路 3、太阳能循环泵
4、太阳能回水管路 5、自动排气阀 6、蓄热水箱
7、溢流管 8、补水管 9、排污管
10、直接供暖换热盘管 11、直接供暖供水管 12、直接供暖回水管
13、直接供暖电磁阀 14、间接供暖电磁阀 15、供暖循环泵
16、供暖末端设备 17、间接供暖供水管 18、间接供暖回水管
19、热泵水箱换热回水管 20、热泵水箱换热供水管 21、热泵水箱换热泵
22、板式换热器I 23、四通换向阀 24、压缩机
25、双向膨胀阀 26、热泵蒸发管路 27、热泵冷凝管路
28、热泵单向阀I 29、热泵单向阀II 30、板式换热器II
31、板式换热器III 32、地源循环泵 33、地源换热供水管
34、地源换热回水管 35、地源换热盘管
具体实施方式
为了充分体现本系统的综合节能运行效果，下面我们可以结合之后的附图来分析一下本系统在实际应用过程中的运行实施方案。
本发明专利基本设计是：整个系统装置由四部分组成，主要包括太阳能集热蓄热循环总成，供暖换热循环总成，双向岔流热泵循环总成和地源换热循环总成。
太阳能集热蓄热循环总成主要包括太阳能集热器组件、太阳能集热循环泵、蓄热水箱及自动排气阀等辅助阀件，热媒输送管路配置在集热器和蓄热水箱之间(如图1)。因为本系统主要适用于气候寒冷的采暖地区，所以系统中的太阳能集热器应选用不易冻结的真空管集热器和热管真空管集热器。蓄热水箱上还要装配必要的溢流管路、排水管路及系统补水管路，其上还要配有必要的阀件。
供暖换热循环包括位于水箱内部的盘管式换热器、直接换热和间接换热管路上的电磁阀、采暖循环泵、末端采暖设备及其它的辅助阀件。循环管路配置在各个部件之间。由于太阳能和土壤源的热能品位不高，所以需要匹配地板采暖盘管或风机盘管这样的末端采暖设备。它们要求的热媒工作温度在50℃上下。为了强化直接换热盘管与蓄热热媒之间的换热，换热盘管被装配在蓄热水箱的中间位置，盘管横向放置并与太阳能集热循环和板式换热器I水侧换热循环的回水管出口相对。这样上述两个循环启动任何一个都会强化盘管换热器的管外侧换热。
双向岔流热泵循环总成包括压缩机、四通换向阀、双向膨胀阀、板式换热器I、板式换热器II、板式换热器III还有循环单向阀I和循环单向阀II。循环冷凝管段和蒸发管段将各个部件连接成一个整体系统。其中三个板式换热器呈人字形排列连接。板式换热器I始终在循环内部，板式换热器II和板式换热器III通过方向相反的循环单向阀构成反向并联关系。即两个换热器虽然并联，但是在系统运行时，其中始终只有一个是与循环联通的。四通换向阀正向连接时，板式换热器I成为蒸汽压缩制冷循环的冷凝器，并向蓄热热水中放热；循环单向阀I顺循环流向打开，板式换热器II接入循环系统成为蒸汽压缩制冷循环的蒸发器，并从地源换热循环吸热。同时循环单向阀II的正向与循环流向相反，造成板式换热器III与制冷循环系统不导通。当四通换向阀换向以后，板式换热器I成为蒸汽压缩制冷循环的蒸发器，并从蓄热热水中吸热；循环单向阀I与循环流向相反，造成板式换热器II与循环不导通；同时循环单向阀II顺循环流向打开，使板式换热器III接入蒸汽压缩制冷循环成为冷凝器，并向间接供暖换热循环放热。
地源换热循环总成包括地源循环泵、地源换热盘管及与双向岔流热泵循环间接换热的板式换热器I工，还有与之相连的循环管路和相关辅助阀件。地源换热循环不断运行会将土壤源中的热能源源不断的输送到热泵循环中并由此进一步传给蓄热水箱中的蓄热介质。载热媒体在地源换热循环管路中封闭运行，不会对地表以下的土壤造成污染。同时防止地下水进入循环管路并损坏换热器。
另外热泵循环与蓄热水箱之间的换热是通过一个换热循环泵和相关阀件组成的板式换热器I水侧循环来实现的。
此系统主要是应用于冬季的建筑采暖供热。太阳能集热循环只根据日照强度和水箱蓄热温度的变化作出调整，其运行过程供热运行相对独立。在白天太阳能充足的时候，太阳能集热循环泵自动启动并驱动温差循环运行。即太阳能循环泵的启停受太阳能集热器的出口热媒温度和水箱内的热水温度的温差控制。当温差大于一个设定值时，太阳能循环泵启动，充分吸收了太阳能的热水从集热器中被推进水箱，同时水箱中的低温热水被太阳能循环泵输送到太阳能集热器中开始新一轮的集热过程，周而复始，太阳能集热器会不断加热蓄热介质，并通过集热循环使蓄热水箱内升温。随着蓄热水箱内的温度升高，集热器出口处与水箱的温度差减小，一旦此温差又回落到一个比较低的设定值时，太阳能循环泵就停止。
供暖换热循环则根据水箱内的蓄热温度高低来调整运行状态。白天的室内采暖热负荷比较小，同时日照较强，集热器的集热收益明显大于建筑物白天的瞬时采暖热负荷。这样在白天，蓄热水箱内随热能盈余的增加而不断升温。当蓄热水温上升到一定的上限值时，供暖换热循环进入直接换热循环状态，供暖热水被直接输送到蓄热水箱内的直接换热盘管里，通过管壁与蓄热热水换热。
当遇到阴雨天、傍晚时分或晚间，光照已经不足的时候，集热收益转弱，同时供暖换热循环持续将蓄热水箱内的热能输出，蓄热温度便会随之降低。当蓄热温度降低到不能保证采暖末端设备的可接受工作水温的下限值时，供暖换热就转换为依靠热泵提升蓄热能源温度后再供热的间接换热模式(间附图2)，同时双向岔流热泵循环切换到供热热泵循环模式，这样供热热泵循环从温度较低的蓄热热水中继续吸热并通过该循环的冷凝器，即板式换热器III，向间接供暖换热循环释放高温热能从而继续满足供暖末端设备的工作要求。
在太阳能集热不能发挥作用的条件下，随着间接供暖换热模式的运行，蓄热水温还会进一步下降。当其下降到蓄热系统的安全底限温度时，地源热泵蓄热模式启动，双向岔流热泵循环切换到地源热泵循环状态(见附图1)，同时地源循环泵和板式换热器I水侧循环泵启动，这样土壤源热能可以通过热泵循环源源不断的被输送到蓄热热水中以补充当日不足的热负荷。与此同时，通过热泵实现的间接供热工况暂时停止，待地源热泵将热能补充到位后，地源热泵蓄热模式停止，间接供暖换热循环重新启动。
直到第二天恢复日照以后，系统又开始经历一个新的采暖运行周期。
随着外界环境的变化建筑采暖的热负荷也在变化。过渡季节里，采暖热负荷远远小于系统设计的太阳能单日集热量，这样蓄热水箱内每天都会有热能盈余，可以保证全天采暖换热循环都工作在直接供暖换热模式，同时一旦遇到短期的热能补充不足时，盈余的热能可以延长供暖换热循环在高蓄热水温条件下的直接供暖换热工作模式。
Claims (4)
1.双向热泵太阳能供热系统由太阳能集热循环、供暖换热循环、地源换热循环及双向岔流热泵循环组成，太阳能集热循环直接与蓄热水箱连接；供暖换热循环将供暖换热末端与相互并联的蓄热水箱和双向岔流热泵循环的一个高温冷凝端相连；地源换热循环将土壤源换热器与双向岔流热泵循环的一个低温蒸发端相连；双向岔流热泵循环的一个换热端总是通过一个水换热循环与蓄热水箱相连，另外两个换热端，即所述的高温冷凝端和低温蒸发端相互并联；
太阳能集热循环是由太阳能循环泵(3)将蓄热水箱(6)中的低温水经过太阳能供水管路(2)输送到太阳能集热器(1)中，经过加热的水再通过系统高点的自动排气阀(5)和太阳能回水管路(4)返回蓄热水箱(6)；
供暖换热循环由供暖循环泵(15)推动换热媒质从供暖末端设备(16)流向直接供暖换热盘管(10)和板式换热器III(31)这两个相互并联的热源换热器，这两个并联的热源换热器支路上各设一个电磁阀，即直接供暖电磁阀(13)和间接供暖电磁阀(14)；
地源换热循环由地源循环泵(32)推动传热媒质在地源换热盘管(35)和双向岔流热泵循环的一个换热器-板式换热器II(30)之间往复循环；
双向岔流热泵循环通过四通换向阀(23)将循环各组件连接起来，其中四通换向阀的一对进、出口分别接压缩机(24)的进口和出口，另外一对进、出口分别接板式换热器I(22)和相互并联的板式换热器II(30)、板式换热器III(31)的一个并联端，这两个并联的板式换热器的支路上分别串联一个单向阀，且二阀方向相反，两个板式换热器的另一个并联端与双向膨胀阀(25)的一端相连，双向膨胀阀(25)的另一端与板式换热器I(22)的远离四通换向阀(23)的端口相接，从而构成双向岔流热泵循环结构。
2.根据权利要求1所述的双向热泵太阳能供热系统，其特征在于双向岔流热泵循环是一个可换向但是两个并联的板式换热器不同向运行的蒸汽压缩制冷循环，其中板式换热器I(22)在四通换向阀换向前后流向倒转，而相互并联的板式换热器II(30)和板式换热器III(31)在四通阀换向前后总是一通一断，它们各自的并联支路内分别串联了一个单向阀，而两个单向阀方向相反，无论两并联板式换热器的流向是正是反，都是只有一个单向阀导通，另外一个是断开的；随着四通换向阀切换循环流向，原来导通的与板式换热器II(30)连接的单向阀断开，原来关闭的与板式换热器III(31)连接的单向阀导通，从而导致板式换热器II(30)和板式换热器III(31)通断状态同时改变。
3.根据权利要求1或2所述的双向热泵太阳能供热系统，其特征在于供暖换热循环有两个相互并联的热源换热器-直接供暖换热盘管(10)和板式换热器III(31)，两个热源换热器的并联支路内分别串联了一个电磁阀，两电磁阀的通断使得供暖换热循环中来自末端换热设备的传热媒质在位于蓄热水箱内的直接换热盘管(10)和位于双向岔流热泵循环高温冷凝端的板式换热器III(31)之间转换。
4.根据权利要求3所述的双向热泵太阳能供热系统，其特征在于位于蓄热水箱内的直接供暖换热盘管(10)横置并与太阳能集热循环和板式换热器I(22)的水侧换热循环的回水管正对。
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