一种太阳能地源热泵联合供能系统及其运行控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种太阳能地源热泵联合供能系统及其运行控制方法，其技术特点是，该系统包括太阳能集热系统、地源热泵系统和地埋管系统并通过板式换热器、泵组及开关构成，其运行控制方法为：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：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。本发明专利技术分析生活热水需求用户需要热水供应时间段，通过控制相关开关和设备，利用太阳能和地源热泵联合供能；在生活热水需求用户不需要供应热水的时间段，将太阳能集热器中的热量通过地埋管换热器系统输送到土壤中，对土壤进行补热过程，解决了现有地源热泵长期运行将会产生的土壤热失衡问题。

A solar energy source heat pump combined energy supply system and its operation control method

The invention relates to a solar ground source heat pump system and its operation control method, which is characterized in that the system comprises a solar heat collecting system, ground source heat pump system and the underground pipe system and through the group and the switch plate heat exchanger, pump. Its operation control method: each equipment parameter calculation of solar ground source heat pump combined with energy supply the construction of solar system and ground source heat pump system for solar heat collection process for ground source heat pump combined with the heat storage process, and heat process operation control system. The analysis of the requirement of living hot water users need time for hot water supply, by controlling the switch and related equipment, the use of solar energy and ground source heat pump combined with energy supply; in time demand of domestic hot water users do not need to supply hot water, solar collector heat in the heat exchanger system are transported to the soil. Heat process on soil, solve the existing problems of long-term operation of GSHP will produce the thermal imbalance of soil.

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能地源热泵联合供能系统及其运行控制方法
本专利技术属于新能源
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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：Qd＝mqrcρ(tr-tL)/86400qd＝mqr式中：Qd为日耗热量，qd为日用水量，m为用水计算单位数；qr为热水用水定额，ρ为水的密度，c为水的比热容，tr为热水温度，单位为℃；tL为冷水温度；Qh＝qh(tr-tL)N0bcρ式中：Qh为设计小时耗热量，Kh为小时变化系数；qr为热水用水定额，c为水的比热容，tr为热水温度，tL为冷水温度，ρ为水的密度，qh为用水设备的小时用水定额，qh为设计小时热水量，b为用水设备同时使用百分率；⑵设计太阳能集热系统中太阳能集热器的面积：直接式系统的集热器面积计算公式为：式中：Ac为太阳能集热器总面积，Qd为日平均用水量，c为水的比热容，ρr维水的密度，tend为集热水箱内水的终止设计温度，tL为水的初始温度，JT为集热器总面积上年平均日或月平均日太阳能辐射量，f维太阳能保证率ηcd为集热器年或月平均集热效率，ηL位管路及贮水箱的热损失率；间接式系统的集热器面积计算公式为：式中：AIN为间接式太阳能集热器总面积，AC为直接式太阳能集热器总面积，FRUL为集热器总热损系数，Uk为换热器传热系数，Ak为间接式系统换热器的换热面积；⑶设计地源热泵系统中的热泵参数：热泵机组的制热量和日耗热量由以下公式计算：Qd1＝0.8*QdQg＝24k1Qd1/T1式中：Qd1为日耗热量，Qg为热泵机组设计小时平均供热量，k1为安全系数；T1为热泵机组设计工作时间；⑷设计室外地埋管系统中地埋管的长度：L＝(Pout-Pin)×1000/s其中，L为钻井有效长度，Pout为地源热泵系统的输出制热功率，Pin为地源热泵系统的输入功率，s为换热器每延米换热量。所述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包括如下两种模式的运行控制：模式一为正常供应热水时间段，包括集热过程和储热过程，其控制方式为：集热过程采用温差控制，集热器出口流体与集热水箱源侧出口流体温差T1作为控制信号，当超过T1时，启动太阳集热循环泵，当小于T1时，则不启动集热过程；储热过程同样采用温差控制，控制信号为储热水箱源侧出口温度与设定温度的温差T2，当超过T2时启动地能泵和热水循环泵，启动储热过程，当小于T2时，则不启动储热过程；模式二为不需要热水供应时间段，包括集热过程和土壤补热过程，其控制方式为：土壤补热过程采用时间控制，当在非热水需求时间段S1，打开太阳能补热循环泵和地源侧补热循环泵，将集热水箱中的热水能量通过板式换热器输送到土壤中去。本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术分析生活热水需求用户需要热水供应时间段，通过控制相关开关和设备，利用太阳能和地源热泵联合供能；在生活热水需求用户不需要供应热水的时间段，将太阳能集热器中的热量通过地埋管换热器系统输送到土壤中，对土壤进行补热过程，从而实现经济有效且长期的高校学生公寓供应热水，解决了现有地源热泵长期运行将会产生的土壤热失衡问题。2、本专利技术对太阳能集热系统、地源热泵系统、地埋管系统的相关设备参数进行设计计算，建立整个工程的运行系统，将运行过程分为热水供应时间段和非热水供应时间段，在热水供应时间段分为集热过程和储热过程，在非热水供应时间段分为集热过程和补热过程，并围绕整个工程的系统运行，分别给出相应的系统控制策略。在TRNSYS软件平台上进行十年的仿真研究，结果显示可以有效的解决地源热泵地埋管系统附近土壤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能地源热泵联合供能系统，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能地源热泵联合供能系统，其特征在于：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。2.一种如权利要求1所述太阳能地源热泵联合供能系统的运行控制方法，其特征在于包括以下步骤：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。3.根据权利要求2所述的一种太阳能地源热泵联合供能系统的运行控制方法，其特征在于：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：Qd＝mqrcρ(tr-tL)/86400qd＝mqr式中：Qd为日耗热量，qd为日用水量，m为用水计算单位数；qr为热水用水定额，ρ为水的密度，c为水的比热容，tr为热水温度，单位为℃；tL为冷水温度；Qh＝qh(tr-tL)N0bcρ式中：Qh为设计小时耗热量，Kh为小时变化系数；qr为热水用水定额，c为水的比热容，tr为热水温度，tL为冷水温度，ρ为水的密度，qh为用水设备的小时用水定额，qh为设计小时热水量，b为用水设备同时使用百分率；⑵设计太阳能集热系统中太阳能集热器的面积：直接式系统的集热器面积计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：霍现旭，蒋菱，赵洪磊，王旭东，李国栋，李淋，孙璐，盛业宏，徐青山，曾艾东，
申请(专利权)人：国网天津市电力公司电力科学研究院，国网天津市电力公司，国家电网公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：天津,12