[发明专利]一种太阳能地源热泵联合供能系统及其运行控制方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，尤其是一种太阳能地源热泵联合供能系统及其运行控制方法。

背景技术

随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统燃料能源一天天减少，采用新型、环保、可再生能源替代常规的化石能源的领域在不断拓展，寻求一种可再生、效率高的能源供给方式迫在眉睫。地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源(如电能)实现由低品位热能向高品位热能转移，是一种经济有效的可再生能源利用技术，在我国北方地区受到广泛应用，但在全年制冷、供热周期内，因建筑冷暖负荷需求量不等，地源热泵地埋管系统从土壤中吸热量和释热量也不等，这样将导致地埋管区域温度持续升高或降低，出现土壤温度失衡现象，若这种不平衡的情况长期持续下去，将会影响地埋管换热器的性能，从而降低换热系统的运行效率，限制地源热泵技术的长期有效发展。太阳能的辐射能是非常丰富的资源，取之不尽、用之不竭、无污染而且廉价，太阳能集热器将光照中的太阳能转化为水的热能供应给居民使用，随着政府大力推广和相关技术的逐渐成熟，太阳能集热器在大部分偏远地区及乡镇得到大范围的使用，其投资较小、使用年限一般为7-8年；但太阳能集热器供热水受季节、天气及所在空间位置影响较大，具有一定的不稳定性。

如果将太阳能集热器与地源热泵技术相结合起来，两者优缺点互补：将地源热泵作为太阳能供热水的辅助热源，提高太阳能供热水系统整体的稳定性，减少由于天气、季节的影响而造成的不稳定性；在不需要供应热水的时间段，太阳能给土壤补热，可以解决土壤热量不平衡的问题。

目前，国外对太阳能地源热泵联合供热系统的应用研究起步较早，Trillat等人在2006年尝试了建立太阳能地源热泵联合系统的实际工程，工程面向对象是一间180m2的复合式住宅，由太阳能地源热泵系统提供住宅的供暖以及生活用热水，实验数据结果显示：整个复合式住宅的供暖及热水需求得到满足、住户舒适度及满意度等较高，但其应用对象只是一栋住宅，可推广度不高。

国内方面，现有研究利用数字PID控制算法及改进算法，建立了太阳能-地源热泵式空调计算机控制系统，对空调系统的部分参数进行仿真，结果表明设计的控制系统具有很好的调节功能，系统的鲁棒性好，能够实现节约能源的目的。但其仿真的时间较短，没有给出在较长仿真时间内的系统运行情况，没有解决地源热泵长期运行过程中可能产生的地埋管附近温度过低影响系统运行问题。

发明内容

本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种太阳能地源热泵联合供能系统及其运行控制方法，解决现有地源热泵长期运行将会产生的土壤热失衡问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种太阳能地源热泵联合供能系统，包括太阳能集热系统、地源热泵系统和地埋管系统；所述太阳能系统由集热器、集热水箱及其开关S7、太阳集热循环泵连接构成，所述地源热泵系统由蓄热水箱、地源热泵机组和热水循环泵连接构成，所述集热水箱进水口与自来水相连接，集热水箱出水口通过开关S5与蓄热水箱相连接，集热水箱出水口还通过开关S6与板式换热器、太阳能补热循环泵及开关S7依次连接；所述地源热泵机组一端通过开关S2与板式换热器、地源侧补热循环泵、开关S4、开关S3、地能泵及地源热泵机组另一端依次连接；所述地埋管系统一端通过开关S3及地能泵与地源热泵机组一端相连接，地埋管系统另一端通过开关S1与地源热泵机组的另一端相连接。

一种太阳能地源热泵联合供能系统的运行控制方法，包括以下步骤：

步骤1、计算太阳能地源热泵联合供能系统的各个设备参数并构建太阳能地源热泵联合供能系统：

步骤2、对太阳能地源热泵联合供能系统的集热过程、储热过程和补热过程进行运行控制。

所述步骤1计算太阳能地源热泵联合供能系统的各个设备参数包括如下内容：

⑴设计热水系统日耗热量、热水量和小时耗热量、热水量：

Q_d＝mq_rcρ(t_r-t_L)/86400

q_d＝mq_r

式中：Q_d为日耗热量，q_d为日用水量，m为用水计算单位数；q_r为热水用水定额，ρ为水的密度，c为水的比热容，t_r为热水温度，单位为℃；t_L为冷水温度；