[发明专利]一种太阳能-地源热泵自平衡综合应用系统

说明书

技术领域

本发明属于热泵型空调、热泵热水器以及地热能、太阳能利用领域，尤其涉及一种太阳能-地源热泵自平衡综合应用的地源热泵空调、热水系统。

背景技术

地埋管地源热泵作为一种高效节能的新型空调制冷设备，在世界各国得到了越来越广泛的应用。但是由地源热泵使用地域差异而造成的土壤吸收热不平衡，以及由此导致的效率降低问题乃至无法使用问题也困扰着许多使用者和设计者。2009年1月，周学文在“地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案”(《建筑节能》[J].2009.11，V37(215)，P64～66)中提出了在北方地区利用太阳能辅助加热和在南方地区利用冷却塔辅助冷却来有效解决竖直地埋管换热器取、放热不平衡的问题^[1]。但这种方案没有脱离传统的热泵的解决方案，在冬季供暖占主要需求的北方地区，需消耗能量向土壤储蓄太阳热能，而在夏季冷负荷占主要需求的南方地区，则除冬季可利用地热，夏季利用部分地热外，仍需冷却塔制冷，效率得不到应有的提高，则是牺牲夏季制冷效率来满足平衡需求，没有从根本上解决充分利用可再生能源造成的不平衡问题。

早在2003年，董玉平等的“太阳能-地源热泵综合系统的经济分析”(《燃气与动力》[J].2003.12，V23(12)，P734～740)中提出了一种适用于别墅或大面积住宅的新型太阳能-地源热泵三联供综合户式中央空调系统，可以实现供冷、供热和供生活热水三联供的太阳能-地源热泵综合系统。但该系统仅仅从一个运行周期考虑了太阳能、地热的充分高效利用：仅夏季靠系统制取热水，冬季热泵不制取热水，春秋季没考虑，其他时段均靠电加热制取热水。由此可见，该系统没有充分考虑系统的连续运行不平衡问题，以及没有最大限度的利用太阳能、地热等可再生能源。

2008年Fang Wang，Maoyu Zheng等提出了针对寒冷地区辐射供冷、供热的带太阳能量储存的地源热泵系统(可参见Numerical Simulation ofheating&Cooling Air Conditioning System of Solar Aided Ground SourceHeat Pump System with Soil Storage.2008 Asia Simulation Conference-7thIntl.Conf.on Sys.Simulation and Scientific Computing.)。主要目的是提高热舒适度和能效比，但也没有解决系统的冬夏季热平衡问题。

中国发明专利申请200510134371.X提出了平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，包括地下埋管换热器系统、能量提升供给系统，利用反季节平衡蓄能系统克服了冬夏两季的负荷不平衡，实现冬夏季完全使用地下冷热源满足冷热负荷的要求；并且解决了地埋供回水支管间的热短路问题。但是该系统全部采用地下冷热源供冷、供热，利用能量提升供给系统将地上冷量和热量(包括太阳能、建筑物、大气及地表层等所含冷热量)采集后送入地下蓄存异季节利用增加了二次能耗；同时，该系统没有考虑能量的调节问题。中国发明专利申请200610097401.9提出了太阳能-地源联合供暖供热水供电制冷系统及其操作方法。系统包括温差电池、太阳能集热管、温差继电器、蓄热箱、安全阀、辅助加热器、混合器、房间供暖调节器、蓄电池、逆变器、电表、两向泵、压缩机、换向阀、节流阀、埋地换热器、水源热泵机组，其特征是太阳能集热管及地源热泵系统作为供暖部件，温差电池可白天和夜间发电，地源热泵系统作为制冷部件，太阳能供暖系统和地源热泵系统可采取分别单独、串联、并联四种供暖方式，地源热泵系统可实现供暖或制冷两种功能，并可实现不同温度水的供给，其优点是设计巧妙合理，利用可再生能源，无任何污染，太阳能-地源相互补充，能源利用效率高。但该系统没有考虑解决冬夏季不平衡问题。中国发明专利申请200720097109.7、200710061457.3和200820021980.3分别提出了太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置、利用多种自然环保能源的空调装置和多能复合制冷、采暖热泵集成系统。这些系统优越性在于地下埋管换热器循环水泵和太阳能集热系统循环水泵能够根据空调系统负荷的变化开启或关闭，实现太阳能、空气能、地热能等多种可再生能源的多能回补、互为备用；节省了空调系统的运行费用。但仍然没有考虑冬夏季不平衡问题和热水综合供给问题。

发明内容

本发明提供一种太阳能-地源热泵自平衡综合应用系统，满足冬夏季热量不平衡条件下的地源热泵高效利用，并在建筑能耗中最大程度的利用可再生能源。