CN106642789B - 实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，包括制冷剂回路、热源塔回路、土壤蓄能回路、太阳能蓄能回路和溶液再生回路。本发明在夏季和冬季直供模式下，直接利用地埋管将土壤储存的冷量或热量供给用户；在夏季或冬季常规模式下，热源塔作为热泵机组冷凝热的排热装置或为蒸发器提供低位热源；在夏季或冬季调峰模式下，热源塔与地埋管串联作为热泵机组冷凝热的排热装置或为蒸发器提供低位热源；夏季及秋季过渡季节蓄热模式下，地埋管将机组冷凝热及太阳能储存于土壤中。本发明解决了热源塔热泵***机组装机容量过大、初投资增加的问题，冬夏季初无需开启热泵机组，大幅提高***能效，保证机组的安全稳定运行。

Description

实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***

技术领域

本发明属于制冷空调***设计和制造领域，涉及一种实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***。

背景技术

传统的建筑冷热源方案主要有三种：冷水机组加锅炉，空气源热泵，水地源热泵。冷水机组加锅炉的方案冬夏季均存在设备闲置的问题（夏季锅炉闲置、冬季冷水机组限制），且锅炉一次能源利用率较低、污染环境；空气源热泵在冬季制热运行出现结霜时，其效率及供热能力衰减严重并影响运行安全，且夏季机组制冷效率远低于水冷冷水机组；水地源热泵虽然冬夏季制冷制热效率较高，但其受地理地质条件限制严重且初投资较高。热源塔热泵***作为一种新型的建筑冷热源方案，突破了上述传统冷热源方案的局限性，实现了冬夏两用且制冷制热双高效，冬季制热无结霜问题，不受地理地质条件限制，初投资远低于水地源热泵，是一种具有发展前景的建筑冷热源方案。

常规建筑空调***是按照最恶劣工况下的建筑最大负荷来设计选型，由此导致常规热泵机组装机容量过大，造成初投资增加，对热源塔热泵机组也存在同样问题，同时当冬季室外温度较低时，建筑供热负荷需求显著增加，而热源塔热泵机组的供热能力与效率随着空气温度的降低而下降，热源塔热泵机组冬季运行时还存在因空气中水分进入溶液导致的溶液浓度再生问题，溶液再生通常需要消耗额外的能源，进而影响***的综合效率。同时与太阳能等可再生能源相结合，是减少建筑能源需求，提高空调***能效的有效途径。因此如何在满足最恶劣的工况条件下降低建筑空调机组总装机容量，高效解决热源塔热泵机组溶液再生的热源问题，有效结合可再生能源，提高热源塔热泵空调***的全年综合能效，设计出一种新型高效的热源塔热泵***成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

发明内容

技术问题：本发明提供一种解决热源塔热泵***因兼顾最恶劣工况导致热泵装机容量过大，且随运行环境温度下降而引起***性能快速衰减的问题，同时高效解决机组溶液再生热源问题的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***。该***将太阳能引入热泵空调***实现高效利用及利用土壤进行跨季节储能，从而实现全年综合高能效。

技术方案：本发明的一种实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，包括制冷剂回路、热源塔回路、土壤蓄能回路、太阳能蓄能回路、溶液再生回路和冷热水回路。其中，制冷剂回路包括压缩机、四通换向阀、气液分离器、储液器、过滤器、膨胀阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第一换热器、第二换热器。制冷剂回路中，压缩机的输出端与四通换向阀第一输入端相连，四通换向阀第一输出端与第二换热器制冷剂侧输入端相连，第二换热器制冷剂侧输出端同时与第二单向阀的入口和第四单向阀的出口相连，第二单向阀的出口与第一单向阀的出口汇合后同时连接到储液器的入口，第四单向阀的入口同时与第三单向阀的入口和膨胀阀的出口相连，所述过滤器连接设置于储液器和膨胀阀之间，第一单向阀的入口和第三单向阀的出口均与第一换热器制冷剂侧输入端相连，第一换热器制冷剂侧输出端与四通换向阀第二输入端相连，四通换向阀第二输出端与气液分离器的入口相连，气液分离器的出口与压缩机的入口相连,所述第一换热器同时是冷热水回路的组成部件，所述第二换热器同时是热源塔回路和土壤蓄能回路的组成部件；

热源塔回路包括第二换热器、热源塔、第一泵、第一电磁阀、第二电磁阀。热源塔回路中，第二换热器溶液侧输出端经第二电磁阀分别与热源塔第一输入端和热源塔第三输入端相连，热源塔第一输出端经第一电磁阀与第一泵的入口相连，第一泵的出口与第二换热器溶液侧输入端相连；

土壤蓄能回路包括第二换热器、第三换热器、地埋管、第二泵、第三电磁阀、第四电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀、第十电磁阀。土壤蓄能回路中，第二换热器溶液侧输出端通过第三电磁阀与第二泵的入口相连，热源塔第一输出端还通过第四电磁阀与第二泵的入口相连，第三换热器溶液侧输出端通过第七电磁阀也与第二泵的入口相连，第二泵的出口与地埋管的入口相连，地埋管的出口通过第六电磁阀与第二换热器溶液侧输入端相连，地埋管的出口同时通过第十电磁阀与第三换热器溶液侧输入端相连，所述地埋管、第二泵同时是太阳能蓄能回路、溶液再生回路的组成部件，所述第四电磁阀同时是溶液再生回路的组成部件，所述第七电磁阀同时是太阳能蓄能回路的组成部件，所述第三换热器同时是冷热水回路的组成部件；

太阳能蓄能回路包括地埋管、太阳能集热板、第二泵、第五电磁阀、第七电磁阀、第十三电磁阀。太阳能蓄能回路中，地埋管的出口通过第五电磁阀与太阳能集热板的入口相连，还通过第十三电磁阀与太阳能集热板的出口、第三换热器溶液侧输出端汇合后，共同第七电磁阀与第二泵的入口相连，所述太阳能集热板、第五电磁阀、第十三电磁阀同时是溶液再生回路的组成部件；

溶液再生回路包括地埋管、太阳能集热板、再生装置、第二泵、第三泵、第四电磁阀、第五电磁阀、第八电磁阀、第九电磁阀、第十三电磁阀。溶液再生回路中，太阳能集热板的出口在与第七电磁阀连接之前分出一路，通过第八电磁阀与再生装置的入口相连，再生装置的出口通过第九电磁阀与第三泵的入口相连，第三泵的出口与热源塔第二输入端相连。

冷热水回路包括第一换热器、第三换热器、第十一电磁阀及第十二电磁阀。冷热水回路中，机组的回水端分为两路，一路通过第十二电磁阀与第一换热器水侧输入端相连，另一路通过第十一电磁阀与第三换热器水侧输入端相连，第一换热器水侧输出端及第三换热器水侧输出端均与机组的供水端相连。

进一步的，本发明***中，热源塔在夏季室外湿球温度低于设定值时，单独作为热泵***冷凝热的排热装置，在冬季室外干球温度高于设定值时，为热泵***的蒸发器提供低位热源。

进一步的，本发明***中，热源塔和地埋管在夏季室外湿球温度高于设定值时串联运行，共同作为热泵***夏季冷凝热的排热装置，在冬季室外干球温度低于设定值时也串联运行，共同为热泵***的蒸发器提供低位热源。

进一步的，本发明***中，热源塔在夏季末时停止工作，由地埋管作为机组冷凝热的排热装置，将第二换热器中的冷凝热蓄存于土壤中。

进一步的，本发明***中，太阳能集热板在过度季节机组停机时单独运行，将太阳能蓄存于土壤中，实现利用土壤的跨季节较高温度蓄能。

进一步的，本发明***中，地埋管在夏季初当其中的循环介质与土壤换热后，其温度低于设定值时，将通过第三换热器直接将冷量供给用户，在冬季初当其中的循环介质与土壤换热后，其温度高于设定值时，将通过第三换热器直接将热量供给用户。

进一步的，本发明***中，地埋管和太阳能集热板在冬季常规模式与调峰模式下串联运行，共同为再生装置中的溶液再生提供热源。

进一步的，本发明***中，地埋管的埋管间距小于2米。

进一步的，本发明***中，包括至少一台热源塔热泵机组和至少一台热源塔。

进一步的，本发明***中，热源塔为空气与溶液流体的换热装置，具体为横流型热源塔或逆流型热源塔。

进一步的，本发明***中，也可适用于由大于一台的热源塔热泵机组所组成的热源塔热泵***。

实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其夏季制冷运行模式分为五种：夏季直供模式、夏季常规模式、夏季调峰模式、夏季蓄热模式和过渡季节蓄热模式。

夏季直供模式：夏季初时一般建筑的冷负荷较低，冬季时机组通过蒸发器将冷量蓄存于土壤之中，使得地埋管区域内的土壤温度较低，此时利用循环介质与土壤换热后可直接通过第三换热器将土壤中蓄存的冷量直接输出给用户侧，即实现在不开启热泵机组的情况下满足建筑冷负荷需求，从而减少机组的运行时间，提高***全年效率。此时，第七电磁阀、第十电磁阀、第十一电磁阀开启，其余阀门关闭，第二泵开启，其余泵关闭。土壤蓄能回路中的循环介质由第二泵泵入地埋管，在地埋管中与土壤换热温度降低后，经第十电磁阀进入第三换热器，在第三换热器中与用户侧回水换热后温度升高，再经第七电磁阀由第二泵吸入，完成循环。冷热水回路中，用户侧冷冻水从机组的回水端经第十一电磁阀进入第三换热器，在第三换热器中与循环介质完成换热温度降低后从机组的供水端流出，供给用户侧，机组其余回路不工作。

夏季常规模式：当夏季建筑的冷负荷随着室外温度的升高而不断增加，夏季直供模式难以满足建筑冷负荷需求，但此时室外湿球温度低于设定值，热源塔的散热能力即可满足机组冷凝器散热要求时，运行此模式。此时土壤蓄能回路、太阳能蓄能回路及溶液再生回路均停止运行，即热源塔回路中第一电磁阀、第二电磁阀开启，冷热水回路中第十二电磁阀开启，其余电磁阀均处于关闭状态，第一泵开启，其余泵处于关闭状态。该模式下，热源塔回路中的循环介质为水。第一换热器作为蒸发器，第二换热器作为冷凝器。制冷剂回路中低温低压的制冷剂气体从气液分离器中被压缩机吸入压缩后变成高温高压过热蒸气排出，经过四通换向阀进入第二换热器中，制冷剂在其中与冷却水换热，放出热量，冷凝变成液体，制冷剂从第二换热器中流出，经过第二单向阀后依次经过储液器、过滤器、膨胀阀后变成低温低压的气液两相，再经过第三单向阀进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中吸热蒸发，制取冷冻水，制冷剂完全蒸发后变成过热气体从第一换热器出来经过四通换向阀进入气液分离器，然后再次被吸入压缩机，从而完成制冷循环，实现制取冷冻水。热源塔回路中，冷却水在第二换热器中吸收冷凝热后，从第二换热器溶液侧输出端流出经过第二电磁阀进入热源塔，在热源塔中冷却水与空气进行传热传质，依靠自身部分水分蒸发实现其余冷却水的降温，降温后的冷却水从热源塔第一输出端流出经第一电磁阀后被第一泵吸入，完成冷却水的循环。冷热水回路中，冷冻水从机组的回水端经第十二电磁阀进入第一换热器，在第一换热器中与制冷剂进行换热，温度降低后流出，经机组的供水端供给用户侧。

夏季调峰模式：当夏季室外湿球温度高于设定值时，此时热源塔单独运行将无法满足机组冷凝器散热要求，冷却水温及机组冷凝温度都将升高，机组制冷效率和制冷能力将下降，此时土壤蓄能回路开启，与热源塔回路串联运行，以使得机组冷凝器在较低的冷凝温度下实现冷凝热量的排放。此时，太阳能蓄能回路及溶液再生回路均停止运行，即第二电磁阀、第四电磁阀、第六电磁阀和第十二电磁阀开启，其余电磁阀关闭，第二泵开启，其余泵关闭。该运行模式下，制冷剂回路的流程与其在夏季常规模式下的流程一致。热源塔回路与土壤蓄热回路中，冷却水在第二换热器中吸收冷凝热后，从第二换热器溶液侧输出端流出经过第二电磁阀进入热源塔，在热源塔中冷却水与空气进行传热传质，依靠自身部分水分蒸发实现其余冷却水的降温，降温后的冷却水从热源塔第一输出端流出经第四电磁阀被第二泵吸入加压后被泵入地埋管，在地埋管中进一步向土壤释放热量，再经过第六电磁阀进入第二换热器，完成冷却水循环。冷热水回路的流程与夏季常规模式一致。

夏季蓄热模式：由于常规地埋管占地面积大，受地理地质条件限制，且机组夏季冷凝热的散热与冬季蒸发器所吸收的低位热完全依靠地埋管，导致地埋管数量较多，初投资大。在本发明的***中，地埋管仅用于调峰和蓄热，其埋管数量远少于常规地源热泵需求，且埋管间距仅为2米以内（常规埋管为5米），占地面积（即占地需求）大幅度减小，从而避免了受地理地质条件限制。因此，在夏季建筑空调负荷高峰过后，当建筑冷负荷随气温的下降而降低到目标值时，可仅靠地埋管就能完成冷凝热排热时，运行夏季蓄热模式。此时热源塔回路不工作，由土壤蓄能回路作为机组冷凝热的排热对象，将冷凝器散热蓄存于土壤中。此时，第三电磁阀、第六电磁阀、第十二电磁阀开启，其余阀门处于关闭状态，第二泵开启，其余泵处于关闭状态。该运行模式下，制冷剂回路的流程与其在夏季常规模式下的流程一致。土壤蓄能回路中，冷却水在第二换热器中吸收冷凝热后，从第二换热器溶液侧输出端经过第三电磁阀被第二泵吸入加压后被泵入地埋管，在地埋管中向土壤释放热量，再经过第六电磁阀进入第二换热器，完成冷却水循环。冷热水回路的流程与夏季常规模式一致。

过渡季节蓄热模式：在秋季过度季节，机组不需要制冷，当太阳辐射强度较大时，运行该模式。该模式下，机组停止运行，制冷剂回路、冷热水回路、溶液再生回路、热源塔回路均不工作，土壤蓄能回路和太阳能蓄能回路串联运行。此时，第五电磁阀、第七电磁阀开启，其余电磁阀处于关闭状态，第二泵开启，其余泵处于关闭状态。循环介质在太阳能集热板中吸收太阳能热量后，经第七电磁阀由第二泵泵入地埋管，在地埋管中向土壤散热，再经第五电磁阀回到太阳能集热板，完成蓄能循环，将太阳能集热板所收集的热量蓄存于土壤中，使得土壤的温度升高至设定值。

实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其冬季运行模式可分为三种：冬季直供模式、冬季常规模式、冬季调峰模式。

冬季直供模式：由于机组在夏季运行夏季蓄热模式和过渡季节蓄热模式，将机组冷凝热及过渡季节的太阳能蓄存于土壤之中，地埋管区域内的土壤温度较高，冬季初时一般建筑的热负荷较低，此时利用循环介质与土壤换热后可直接通过第三换热器将土壤中蓄存的热量直接输出给用户侧，即可实现在不开启热泵机组的情况下满足建筑热负荷需求，从而减少机组的运行时间，提高***全年效率。此时，第七电磁阀、第十电磁阀、第十一电磁阀开启，其余阀门关闭，第二泵开启，其余泵关闭。循环介质由第二泵泵入地埋管，在地埋管中与土壤换热温度升高后，经第十电磁阀进入第三换热器，在第三换热器中与用户侧回水换热，温度降低后再经第七电磁阀由第二泵吸入，完成循环。冷热水回路中，用户侧热水从机组的回水端经第十一电磁阀进入第三换热器，在第三换热器中与循环介质完成换热温度升高后从机组的供水端流出，供给用户侧，机组其余回路不工作。

冬季常规模式：在冬季室外干球温度高于设定值时，利用热源塔从室外空气中所吸热量即能满足机组的低位热量需求，此时热源塔单独作为机组的低位热源，同时地埋管、太阳能集热板串联运行，为机组的再生装置提供溶液再生所需的热量。此时，第一电磁阀、第二电磁阀、第四电磁阀、第八电磁阀、第九电磁阀、第十二电磁阀开启，其余电磁阀关闭（第五电磁阀、第十三电磁阀的动作视太阳辐射强度而定），第一泵、第二泵和第三泵开启。该运行模式下，热源塔回路中的循环介质为溶液，第一换热器作为冷凝器，第二换热器作为蒸发器。制冷剂回路中低温低压的制冷剂气体从气液分离器中被压缩机吸入压缩后变成高温高压过热蒸气排出，经过四通换向阀进入第一换热器中，制冷剂与热水换热，放出热量，冷凝变成液体，从第一换热器中流出，经过第一单向阀后依次经过储液器、过滤器、膨胀阀后变成低温低压的气液两相，再经过第四单向阀进入第二换热器，制冷剂在第二换热器中与溶液进行换热，制冷剂吸热完全蒸发后变成过热气体从第二换热器流出经过四通换向阀进入气液分离器，然后再次被压缩机吸入压缩，从而完成制热循环，实现制取热水。热源塔回路中，溶液在第二换热器内与制冷剂换热，放出热量温度降低后流出，经第二电磁阀进入热源塔，溶液在热源塔内与空气进行传热传质，溶液温度升高后，从热源塔第一输出端流出的溶液分成两部分，大部分溶液经第一电磁阀后由第一泵泵入第二换热器，完成溶液循环。土壤蓄能回路、太阳能蓄能回路及溶液再生回路中，热源塔第一输出端流出的小部分溶液经第四电磁阀后由第二泵吸入加压后泵入地埋管，溶液在地埋管中与土壤换热，从土壤中吸热使得温度升高，溶液从地埋管流出，当太阳辐射强度达到设定值时，溶液经第五电磁阀进入太阳能集热板（此时第十三电磁阀关闭），溶液由太阳能集热板进一步加热升温后经第八电磁阀进入再生装置；当太阳辐射强度低于设定值时，从地埋管流出的溶液经第十三电磁阀（此时第五电磁阀关闭）、第八电磁阀后进入再生装置。进入再生装置的溶液在再生装置中进行再生，溶液的温度降低，同时溶液的浓度升高，再生后的浓溶液从再生装置流出经第九电磁阀后由第三泵吸入加压后由热源塔第二输入端进入热源塔，完成溶液的再生，并实现对热源塔热泵***中溶液浓度的控制。冷热水回路中，用户侧热水从机组的回水端经第十二电磁阀进入第一换热器，在第一换热器中与制冷剂换热，热水温度升高后从第一换热器流出，经机组的供水端流出供给用户。

冬季调峰模式：在冬季室外干球温度低于设定值时，从热源塔中所吸收的热量已无法满足机组的低位热源需求时，循环溶液温度将降低，机组的蒸发温度下降，导致机组制热效率和制热能力下降，为保证机组的效率和供热能力，运行此模式。此时，将地埋管与热源塔串联运行，以满足机组的低位取热要求。此时，第二电磁阀、第四电磁阀、第六电磁阀、第八电磁阀、第九电磁阀、第十二电磁阀开启，其余电磁阀关闭（第五电磁阀、第十三电磁阀的动作视太阳辐射强度而定），第二泵、第三泵开启，其余泵关闭。该运行模式下，制冷剂回路与冬季常规模式一致。热源塔回路及土壤蓄能回路中，溶液在第二换热器内与制冷剂换热，放出热量温度降低后流出经第二电磁阀进入热源塔，溶液在热源塔内与空气进行传热传质，溶液温度升高后，从热源塔第一输出端流出经第四电磁阀后由第二泵吸入加压后泵入地埋管，溶液在地埋管中与土壤换热，吸收土壤的热量，温度进一步升高，溶液从地埋管的出口流出后，被分成两路，一路经过第六电磁阀后进入第二换热器，另一路，当太阳辐射强度达到设定值时，溶液经第五电磁阀进入太阳能集热板（此时第十三电磁阀关闭），溶液由太阳能集热板进一步加热升温后经第八电磁阀进入再生装置；当太阳辐射强度低于设定值时，从地埋管流出的溶液经第十三电磁阀（此时第五电磁阀关闭）、第八电磁阀后进入再生装置。进入再生装置的溶液在再生装置中进行再生，溶液的温度降低，同时溶液的浓度升高，再生后的浓溶液从再生装置流出经第九电磁阀由第三泵吸入加压后从热源塔第二输入端进入热源塔，完成溶液的再生，实现在运行过程中对溶液浓度的控制。冷热水回路与冬季常规模式一致。

本发明利用地埋管及土壤储能的调峰作用，解决了热源塔热泵***因需考虑极端天气导致的机组装机容量过大、初投资增加的问题，同时依靠土壤储能实现冬夏季初土壤所储存的冷热量直供给用户侧，无需开启热泵机组，大幅提高***能效，在冬季常规模式下，太阳能集热器与地埋管共同为热源塔溶液再生提供热源，保证机组的安全稳定运行，实现***的全年综合高效运行。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明装置的热源塔和地埋管在夏季室外湿球温度高于设定值或冬季室外干球温度低于设定值时串联运行，共同作为热泵机组冷凝热的排热装置或为蒸发器提供低位热源，实现了机组在恶劣工况下的正常稳定运行，避免了常规热源塔热泵***在恶劣工况下的性能大幅衰减，使得热源塔热泵***机组总装机容量大幅减小。

2．本发明装置的热源塔在夏季末时停止工作，由地埋管作为机组冷凝热的排热装置，将机组冷凝热蓄存于土壤中，同时太阳能集热板在秋季过渡季节机组停止工作时单独运行，将太阳能蓄存于土壤中，实现了利用土壤的跨季节较高温度蓄能，为冬季直供模式和提高冬季制热效率提供了保障。

3、本发明装置的地埋管在夏季初，当其中循环介质与土壤换热后，其温度低于设定值及冬季初循环介质温度高于设定值时，采取直接通过第三换热器将冷量、热量直供给用户，无需热泵机组的提升，大幅度降低***机组能耗，实现***综合效率的大幅提升。

4、本发明装置的地埋管和太阳能集热板在冬季常规模式与调峰模式下串联运行，共同作为再生装置的溶液再生的热源，高效的解决了常规溶液再生所需的额外提供能源的问题，实现溶液高效再生的同时***的综合能效大幅提高。

5、本发明装置的地埋管的埋管间距小于2米，而常规水地源热泵的地埋管间距为5米，大幅降低了地埋管的占地面积，突破地理地质条件对***使用的限制。

附图说明

图1是本发明基于土壤及光热蓄能的热源塔热泵***的示意图。

图中有：压缩机1；四通换向阀2；四通换向阀第一输入端2a；四通换向阀第一输出端2b；四通换向阀第二输入端2c；四通换向阀第二输出端2d；气液分离器3；储液器4；过滤器5；膨胀阀6；第一单向阀7；第二单向阀8；第三单向阀9；第四单向阀10；第一换热器11；第一换热器水侧输入端11a；第一换热器水侧输出端11b；第一换热器制冷剂侧输入端11c；第一换热器制冷剂侧输出端11d；第二换热器12；第二换热器制冷剂侧输入端12a；第二换热器制冷剂侧输出端12b；第二换热器溶液侧输入端12c；第二换热器溶液侧输出端12d；第三换热器13；第三换热器水侧输入端13a；第三换热器水侧输出端13b；第三换热器溶液侧输入端13c；第三换热器溶液侧输出端13d；热源塔14；热源塔第一输入端14a；热源塔第一输出端14b；热源塔第二输入端14c；热源塔第三输入端14d；地埋管15；太阳能集热板16；再生装置17；第一泵18；第二泵19；第三泵20；第一电磁阀21；第二电磁阀22；第三电磁阀23；第四电磁阀24；第五电磁阀25；第六电磁阀26；第七电磁阀27；第八电磁阀28；第九电磁阀29；第十电磁阀30；第十一电磁阀31；第十二电磁阀32；第十三电磁阀33。

具体实施方式

下面结合图1和具体实施例来进一步说明本发明。

本发明一种实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，包括制冷剂回路、热源塔回路、土壤蓄能回路、太阳能蓄能回路、溶液再生回路和冷热水回路。制冷剂回路中，压缩机1的输出端与四通换向阀第一输入端2a相连，四通换向阀第一输出端2b与第二换热器制冷剂侧输入端12a相连，第二换热器制冷剂侧输出端12b同时与第二单向阀8的入口和第四单向阀10的出口相连，第二单向阀8的出口与第一单向阀7的出口汇合后同时连接到储液器4的入口，第四单向阀10的入口同时与第三单向阀9的入口和膨胀阀6的出口相连，所述过滤器5连接设置于储液器4和膨胀阀6之间，第一单向阀7的入口和第三单向阀9的出口均与第一换热器制冷剂侧输入端11c相连，第一换热器制冷剂侧输出端11d与四通换向阀第二输入端2c相连，四通换向阀第二输出端2d与气液分离器3的入口相连，气液分离器3的出口与压缩机1的入口相连,所述第一换热器11同时是冷热水回路的组成部件，所述第二换热器12同时是热源塔回路和土壤蓄能回路的组成部件；

热源塔回路中，第二换热器溶液侧输出端12d经第二电磁阀22分别与热源塔第一输入端14a和热源塔第三输入端14d相连，热源塔第一输出端14b经第一电磁阀21与第一泵18的入口相连，第一泵18的出口与第二换热器溶液侧输入端12c相连；

土壤蓄能回路中，第二换热器溶液侧输出端12d通过第三电磁阀23与第二泵19的入口相连，热源塔第一输出端14b还通过第四电磁阀24与第二泵19的入口相连，第三换热器溶液侧输出端13d通过第七电磁阀27也与第二泵19的入口相连，第二泵19的出口与地埋管15的入口相连，地埋管15的出口通过第六电磁阀26与第二换热器溶液侧输入端12c相连，地埋管15的出口同时通过第十电磁阀30与第三换热器溶液侧输入端13c相连，所述地埋管15、第二泵19同时是太阳能蓄能回路、溶液再生回路的组成部件，所述第四电磁阀24同时是溶液再生回路的组成部件，所述第七电磁阀27同时是太阳能蓄能回路的组成部件，所述第三换热器13同时是冷热水回路的组成部件；

太阳能蓄能回路中，地埋管15的出口通过第五电磁阀25与太阳能集热板16的入口相连，还通过第十三电磁阀33与太阳能集热板16的出口、第三换热器溶液侧输出端13d汇合后，共同通过第七电磁阀27与第二泵19的入口相连，所述太阳能集热板16、第五电磁阀25、第十三电磁阀33同时是溶液再生回路的组成部件；

溶液再生回路中，太阳能集热板16的出口在与第七电磁阀27连接之前分出一路，通过第八电磁阀28与再生装置17的入口相连，再生装置17的出口通过第九电磁阀29与第三泵20的入口相连，第三泵20的出口与热源塔第二输入端14c相连。

冷热水回路中，机组的回水端分为两路，一路通过第十二电磁阀32与第一换热器水侧输入端11a相连，另一路通过第十一电磁阀31与第三换热器水侧输入端13a相连，第一换热器水侧输出端11b及第三换热器水侧输出端13b均与机组的供水端相连。

实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其夏季制冷运行模式分为五种：夏季直供模式、夏季常规模式、夏季调峰模式、夏季蓄热模式和过渡季节蓄热模式。

夏季直供模式：夏季初时一般建筑的冷负荷较低，冬季时机组通过蒸发器将冷量蓄存于土壤之中，使得地埋管区域内的土壤温度较低，此时利用循环介质与土壤换热后可直接通过第三换热器13将土壤中蓄存的冷量直接输出给用户侧，即实现在不开启热泵机组的情况下满足建筑冷负荷需求，从而减少机组的运行时间，提高***全年效率。此时，第七电磁阀27、第十电磁阀30、第十一电磁阀31开启，其余阀门关闭，第二泵19开启，其余泵关闭。土壤蓄能回路中的循环介质由第二泵19泵入地埋管15，在地埋管15中与土壤换热温度降低后，经第十电磁阀30进入第三换热器13，在第三换热器13中与用户侧回水换热后温度升高，再经第七电磁阀27由第二泵19吸入，完成循环。冷热水回路中，用户侧冷冻水从机组的回水端经第十一电磁阀31进入第三换热器13，在第三换热器13中与循环介质完成换热温度降低后从机组的供水端流出，供给用户侧，机组其余回路不工作。

夏季常规模式：当夏季建筑的冷负荷随着室外温度的升高而不断增加，夏季直供模式难以满足建筑冷负荷需求，但此时室外湿球温度低于设定值，热源塔的散热能力即可满足机组冷凝器散热要求时，运行此模式。此时土壤蓄能回路、太阳能蓄能回路及溶液再生回路均停止运行，即热源塔回路中第一电磁阀21、第二电磁阀22开启，冷热水回路中第十二电磁阀32开启，其余电磁阀均处于关闭状态，第一泵18开启，其余泵处于关闭状态。该模式下，热源塔回路中的循环介质为水。第一换热器11作为蒸发器，第二换热器12作为冷凝器。制冷剂回路中低温低压的制冷剂气体从气液分离器3中被压缩机1吸入压缩后变成高温高压过热蒸气排出，经过四通换向阀2进入第二换热器12中，制冷剂在其中与冷却水换热，放出热量，冷凝变成液体，制冷剂从第二换热器12中流出，经过第二单向阀8后依次经过储液器4、过滤器5、膨胀阀6后变成低温低压的气液两相，再经过第三单向阀9进入第一换热器11，制冷剂在第一换热器11中吸热蒸发，制取冷冻水，制冷剂完全蒸发后变成过热气体从第一换热器11出来经过四通换向阀2进入气液分离器3，然后再次被吸入压缩机1，从而完成制冷循环，实现制取冷冻水。热源塔回路中，冷却水在第二换热器12中吸收冷凝热后，从第二换热器溶液侧输出端12d流出经过第二电磁阀22进入热源塔14，在热源塔14中冷却水与空气进行传热传质，依靠自身部分水分蒸发实现其余冷却水的降温，降温后的冷却水从热源塔第一输出端14b流出经第一电磁阀21后被第一泵18吸入，完成冷却水的循环。冷热水回路中，冷冻水从机组的回水端经第十二电磁阀32进入第一换热器11，在第一换热器11中与制冷剂进行换热，温度降低后流出，经机组的供水端供给用户侧。

夏季调峰模式：当夏季室外湿球温度高于设定值时，此时热源塔单独运行将无法满足机组冷凝器散热要求，冷却水温及机组冷凝温度都将升高，机组制冷效率和制冷能力将下降，此时土壤蓄能回路开启，与热源塔回路串联运行，以使得机组冷凝器在较低的冷凝温度下实现冷凝热量的排放。此时，太阳能蓄能回路及溶液再生回路均停止运行，即第二电磁阀22、第四电磁阀24、第六电磁阀26和第十二电磁阀32开启，其余电磁阀关闭，第二泵19开启，其余泵关闭。该运行模式下，制冷剂回路的流程与其在夏季常规模式下的流程一致。热源塔回路与土壤蓄热回路中，冷却水在第二换热器12中吸收冷凝热后，从第二换热器溶液侧输出端12d流出经过第二电磁阀22进入热源塔14，在热源塔14中冷却水与空气进行传热传质，依靠自身部分水分蒸发实现其余冷却水的降温，降温后的冷却水从热源塔第一输出端14b流出经第四电磁阀24被第二泵19吸入加压后被泵入地埋管15，在地埋管15中进一步向土壤释放热量，再经过第六电磁阀26进入第二换热器12，完成冷却水循环。冷热水回路的流程与夏季常规模式一致。

夏季蓄热模式：由于常规地埋管占地面积大，受地理地质条件限制，且机组夏季冷凝热的散热与冬季蒸发器所吸收的低位热完全依靠地埋管，导致地埋管数量较多，初投资大。在本发明的***中，地埋管15仅用于调峰和蓄热，其埋管数量远少于常规地源热泵需求，且埋管间距仅为2米以内（常规埋管为5米），占地面积（即占地需求）大幅度减小，从而避免了受地理地质条件限制。因此，在夏季建筑空调负荷高峰过后，当建筑冷负荷随气温的下降而降低到目标值时，可仅靠地埋管15就能完成冷凝热排热时，运行夏季蓄热模式。此时热源塔回路不工作，由土壤蓄能回路作为机组冷凝热的排热对象，将冷凝器散热蓄存于土壤中。此时，第三电磁阀23、第六电磁阀26、第十二电磁阀32开启，其余阀门处于关闭状态，第二泵19开启，其余泵处于关闭状态。该运行模式下，制冷剂回路的流程与其在夏季常规模式下的流程一致。土壤蓄能回路中，冷却水在第二换热器12中吸收冷凝热后，从第二换热器溶液侧输出端12d经过第三电磁阀23被第二泵19吸入加压后被泵入地埋管15，在地埋管15中向土壤释放热量，再经过第六电磁阀26进入第二换热器12，完成冷却水循环。冷热水回路的流程与夏季常规模式一致。

过渡季节蓄热模式：在秋季过度季节，机组不需要制冷，当太阳辐射强度较大时，运行该模式。该模式下，机组停止运行，制冷剂回路、冷热水回路、溶液再生回路、热源塔回路均不工作，土壤蓄能回路和太阳能蓄能回路串联运行。此时，第五电磁阀25、第七电磁阀27开启，其余电磁阀处于关闭状态，第二泵19开启，其余泵处于关闭状态。循环介质在太阳能集热板16中吸收太阳能热量后，经第七电磁阀27由第二泵19泵入地埋管15，在地埋管15中向土壤散热，再经第五电磁阀25回到太阳能集热板16，完成蓄能循环，将太阳能集热板16所收集的热量蓄存于土壤中，使得土壤的温度升高至设定值。

实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其冬季运行模式可分为三种：冬季直供模式、冬季常规模式、冬季调峰模式。

冬季直供模式：由于机组在夏季运行夏季蓄热模式和过渡季节蓄热模式，将机组冷凝热及过渡季节的太阳能蓄存于土壤之中，地埋管区域内的土壤温度较高，冬季初时一般建筑的热负荷较低，此时利用循环介质与土壤换热后可直接通过第三换热器13将土壤中蓄存的热量直接输出给用户侧，即可实现在不开启热泵机组的情况下满足建筑热负荷需求，从而减少机组的运行时间，提高***全年效率。此时，第七电磁阀27、第十电磁阀30、第十一电磁阀31开启，其余阀门关闭，第二泵19开启，其余泵关闭。循环介质由第二泵19泵入地埋管15，在地埋管15中与土壤换热温度升高后，经第十电磁阀30进入第三换热器13，在第三换热器13中与用户侧回水换热，温度降低后再经第七电磁阀27由第二泵19吸入，完成循环。冷热水回路中，用户侧热水从机组的回水端经第十一电磁阀31进入第三换热器13，在第三换热器13中与循环介质完成换热温度升高后从机组的供水端流出，供给用户侧，机组其余回路不工作。

冬季常规模式：在冬季室外干球温度高于设定值时，利用热源塔14从室外空气中所吸热量即能满足机组的低位热量需求，此时热源塔14单独作为机组的低位热源，同时地埋管15、太阳能集热板16串联运行，为机组的再生装置17提供溶液再生所需的热量。此时，第一电磁阀21、第二电磁阀22、第四电磁阀24、第八电磁阀28、第九电磁阀29、第十二电磁阀32开启，其余电磁阀关闭（第五电磁阀25、第十三电磁阀33的动作视太阳辐射强度而定），第一泵18、第二泵19和第三泵20开启。该运行模式下，热源塔回路中的循环介质为溶液，第一换热器11作为冷凝器，第二换热器12作为蒸发器。制冷剂回路中低温低压的制冷剂气体从气液分离器3中被压缩机1吸入压缩后变成高温高压过热蒸气排出，经过四通换向阀2进入第一换热器11中，制冷剂与热水换热，放出热量，冷凝变成液体，从第一换热器11中流出，经过第一单向阀7后依次经过储液器4、过滤器5、膨胀阀6后变成低温低压的气液两相，再经过第四单向阀10进入第二换热器12，制冷剂在第二换热器12中与溶液进行换热，制冷剂吸热完全蒸发后变成过热气体从第二换热器12流出经过四通换向阀2进入气液分离器3，然后再次被压缩机1吸入压缩，从而完成制热循环，实现制取热水。热源塔回路中，溶液在第二换热器12内与制冷剂换热，放出热量温度降低后流出，经第二电磁阀22进入热源塔，溶液在热源塔14内与空气进行传热传质，溶液温度升高后，从热源塔第一输出端14b流出的溶液分成两部分，大部分溶液经第一电磁阀21后由第一泵18泵入第二换热器12，完成溶液循环。土壤蓄能回路、太阳能蓄能回路及溶液再生回路中，热源塔第一输出端14b流出的小部分溶液经第四电磁阀24后由第二泵19吸入加压后泵入地埋管15，溶液在地埋管15中与土壤换热，从土壤中吸热使得温度升高，溶液从地埋管15流出，当太阳辐射强度达到设定值时，溶液经第五电磁阀25进入太阳能集热板16（此时第十三电磁阀33关闭），溶液由太阳能集热板16进一步加热升温后经第八电磁阀28进入再生装置17；当太阳辐射强度低于设定值时，从地埋管15流出的溶液经第十三电磁阀33（此时第五电磁阀25关闭）、第八电磁阀28后进入再生装置17。进入再生装置17的溶液在再生装置17中进行再生，溶液的温度降低，同时溶液的浓度升高，再生后的浓溶液从再生装置17流出经第九电磁阀29后由第三泵20吸入加压后由热源塔第二输入端14c进入热源塔14，完成溶液的再生，并实现对热源塔热泵***中溶液浓度的控制。冷热水回路中，用户侧热水从机组的回水端经第十二电磁阀32进入第一换热器11，在第一换热器11中与制冷剂换热，热水温度升高后从第一换热器11流出，经机组的供水端流出供给用户。

冬季调峰模式：在冬季室外干球温度低于设定值时，从热源塔14中所吸收的热量已无法满足机组的低位热源需求时，循环溶液温度将降低，机组的蒸发温度下降，导致机组制热效率和制热能力下降，为保证机组的效率和供热能力，运行此模式。此时，将地埋管15与热源塔14串联运行，以满足机组的低位取热要求。此时，第二电磁阀22、第四电磁阀24、第六电磁阀26、第八电磁阀28、第九电磁阀29、第十二电磁阀32开启，其余电磁阀关闭（第五电磁阀25、第十三电磁阀33的动作视太阳辐射强度而定），第二泵19、第三泵20开启，其余泵关闭。该运行模式下，制冷剂回路与冬季常规模式一致。热源塔回路及土壤蓄能回路中，溶液在第二换热器12内与制冷剂换热，放出热量温度降低后流出经第二电磁阀22进入热源塔14，溶液在热源塔14内与空气进行传热传质，溶液温度升高后，从热源塔第一输出端14b流出经第四电磁阀24后由第二泵19吸入加压后泵入地埋管15，溶液在地埋管15中与土壤换热，吸收土壤的热量，温度进一步升高，溶液从地埋管15的出口流出后，被分成两路，一路经过第六电磁阀26后进入第二换热器12，另一路，当太阳辐射强度达到设定值时，溶液经第五电磁阀25进入太阳能集热板16（此时第十三电磁阀33关闭），溶液由太阳能集热板16进一步加热升温后经第八电磁阀28进入再生装置17；当太阳辐射强度低于设定值时，从地埋管15流出的溶液经第十三电磁阀33（此时第五电磁阀25关闭）、第八电磁阀28后进入再生装置17。进入再生装置17的溶液在再生装置17中进行再生，溶液的温度降低，同时溶液的浓度升高，再生后的浓溶液从再生装置17流出经第九电磁阀29由第三泵20吸入加压后从热源塔第二输入端14c进入热源塔14，完成溶液的再生，实现在运行过程中对溶液浓度的控制。冷热水回路与冬季常规模式一致。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，该***包括制冷剂回路、热源塔回路、土壤蓄能回路、太阳能蓄能回路、溶液再生回路和冷热水回路；

所述的制冷剂回路包括压缩机（1）、四通换向阀（2）、气液分离器（3）、储液器（4）、过滤器（5）、膨胀阀（6）、第一单向阀（7）、第二单向阀（8）、第三单向阀（9）、第四单向阀（10）、第一换热器（11）、第二换热器（12）；所述的制冷剂回路中，压缩机（1）的输出端与四通换向阀第一输入端（2a）相连，四通换向阀第一输出端（2b）与第二换热器制冷剂侧输入端（12a）相连，第二换热器制冷剂侧输出端（12b）同时与第二单向阀（8）的入口和第四单向阀（10）的出口相连，第二单向阀（8）的出口与第一单向阀（7）的出口汇合后同时连接到储液器（4）的入口，第四单向阀（10）的入口同时与第三单向阀（9）的入口和膨胀阀（6）的出口相连，所述过滤器（5）连接设置于储液器（4）和膨胀阀（6）之间，第一单向阀（7）的入口和第三单向阀（9）的出口均与第一换热器制冷剂侧输入端（11c）相连，第一换热器制冷剂侧输出端（11d）与四通换向阀第二输入端（2c）相连，四通换向阀第二输出端（2d）与气液分离器（3）的入口相连，气液分离器（3）的出口与压缩机（1）的入口相连，所述第一换热器（11）同时是冷热水回路的组成部件，所述第二换热器（12）同时是热源塔回路和土壤蓄能回路的组成部件；

所述的热源塔回路包括第二换热器（12）、热源塔（14）、第一泵（18）、第一电磁阀（21）、第二电磁阀（22）；所述的热源塔回路中，第二换热器溶液侧输出端（12d）经第二电磁阀（22）分别与热源塔第一输入端（14a）和热源塔第三输入端（14d）相连，热源塔第一输出端（14b）经第一电磁阀（21）与第一泵（18）的入口相连，第一泵（18）的出口与第二换热器溶液侧输入端（12c）相连；

所述的土壤蓄能回路包括第二换热器（12）、第三换热器（13）、地埋管（15）、第二泵（19）、第三电磁阀（23）、第四电磁阀（24）、第六电磁阀（26）、第七电磁阀（27）、第十电磁阀（30）；所述的土壤蓄能回路中，第二换热器溶液侧输出端（12d）通过第三电磁阀（23）与第二泵（19）的入口相连，热源塔第一输出端（14b）还通过第四电磁阀（24）与第二泵（19）的入口相连，第三换热器溶液侧输出端（13d）通过第七电磁阀（27）也与第二泵（19）的入口相连，第二泵（19）的出口与地埋管（15）的入口相连，地埋管（15）的出口通过第六电磁阀（26）与第二换热器溶液侧输入端（12c）相连，地埋管（15）的出口同时通过第十电磁阀（30）与第三换热器溶液侧输入端（13c）相连，所述地埋管（15）、第二泵（19）同时是太阳能蓄能回路、溶液再生回路的组成部件，所述第四电磁阀（24）同时是溶液再生回路的组成部件，所述第七电磁阀（27）同时是太阳能蓄能回路的组成部件，所述第三换热器（13）同时是冷热水回路的组成部件；

所述的太阳能蓄能回路包括地埋管（15）、太阳能集热板（16）、第二泵（19）、第五电磁阀（25）、第七电磁阀（27）、第十三电磁阀（33）；所述地埋管（15）的出口通过第五电磁阀（25）与太阳能集热板（16）的入口相连，还通过第十三电磁阀（33）与太阳能集热板（16）的出口、第三换热器溶液侧输出端（13d）汇合后，共同通过第七电磁阀（27）与第二泵（19）的入口相连，所述太阳能集热板（16）、第五电磁阀（25）、第十三电磁阀（33）同时是溶液再生回路的组成部件；

所述的溶液再生回路包括地埋管（15）、太阳能集热板（16）、再生装置（17）、第二泵（19）、第三泵（20）、第四电磁阀（24）、第五电磁阀（25）、第八电磁阀（28）、第九电磁阀（29）、第十三电磁阀（33）；所述的溶液再生回路中，太阳能集热板（16）的出口在与第七电磁阀（27）连接之前分出一路，通过第八电磁阀（28）与再生装置（17）的入口相连，再生装置（17）的出口通过第九电磁阀（29）与第三泵（20）的入口相连，第三泵（20）的出口与热源塔第二输入端（14c）相连；

所述的冷热水回路包括第一换热器（11）、第三换热器（13）、第十一电磁阀（31）及第十二电磁阀（32）；所述的冷热水回路中，机组的回水端分为两路，一路通过第十二电磁阀（32）与第一换热器水侧输入端（11a）相连，另一路通过第十一电磁阀（31）与第三换热器水侧输入端（13a）相连，第一换热器水侧输出端（11b）及第三换热器水侧输出端（13b）均与机组的供水端相连。

2.根据权利要求1所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，所述的热源塔（14）在夏季室外湿球温度低于设定值时，单独作为热泵***冷凝热的排热装置，在冬季室外干球温度高于设定值时，为热泵***蒸发器提供低位热源。

3.根据权利要求1所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，所述的热源塔（14）和地埋管（15）在夏季室外湿球温度高于设定值时串联运行，共同作为热泵***夏季冷凝热的排热装置，在冬季室外干球温度低于设定值时也串联运行，共同为热泵***蒸发器提供低位热源。

4.根据权利要求1所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，所述的热源塔（14）在夏季末时停止工作，由地埋管（15）作为机组冷凝热的排热装置，将第二换热器（12）的冷凝热蓄存于土壤中。

5.根据权利要求1所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，所述的太阳能集热板（16）在过度季节机组停机时单独运行，将太阳能蓄存于土壤中，实现利用土壤的跨季节较高温度蓄能。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，所述的地埋管（15）在夏季初，当其中的循环介质在与土壤换热后，温度低于设定值时，通过第三换热器（13）直接将冷量供给用户，在冬季初当其中的循环介质与土壤换热后，温度高于设定值时，通过第三换热器（13）直接将热量供给用户。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，所述的地埋管（15）和太阳能集热板（16）在冬季常规模式与调峰模式下串联运行，共同为再生装置（17）中的溶液再生提供热源。

8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，所述的地埋管（15）的埋管间距小于2米。

9.根据权利要求1、2、3、4或5所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，该热源塔热泵***包括至少一台热源塔热泵机组和至少一台热源塔。

10.根据权利要求1、2、3、4或5所述的实现太阳能综合利用与土壤跨季节储能的热源塔热泵***，其特征在于，所述热源塔（14）为空气与溶液流体的换热装置，具体为横流型热源塔或逆流型热源塔。

Images