太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统

摘要

本发明提供一种太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统，包括太阳能热源、地热源、空气能热源、热泵机组、输出端；太阳能热源包括集热管、保温水箱；地热源包括水井；空气能热源包括翅片换热器；保温水箱与水井之间具有第一水循环回路；翅片换热器包括相互固定的换热翅片、蛇形换热管、风扇，蛇形换热管连接热泵机组和输出端；保温水箱与翅片换热器之间具有第二水循环回路，第二水循环回路中具有一段换热段，该换热段由与翅片换热器相对固定的换热铜管构成。该系统可以同时对太阳能、地热能、空气能进行综合利用，以获得较高的制热效率，并且压缩机具有较短而固定的工作回路，硬件成本较低，工作性能较稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及能源设备领域，特别地，涉及一种热泵系统。

背景技术

目前，热泵机组已经广泛地应用于暖通领域，如空调、地暖、空气能热水器等；然而对于单一的能源，在环境温度较低的情况，经常难以充分满足实际需求；众所周知，热泵在进行制热工作时，从冷端抽取热量，输送至热端，在此过程中，如冷热端温差较大，则将使热泵的机械效率严重下降；为此，在单一能源的抽取过程中，如对于空气能的抽取过程中，如环境温度较低，则热泵机组效率极低，导致严重耗电。为此，目前已有一些专利文献或现有设计，采用多端吸热的方式，来获取相对较多的外界热量；然而现有的该种设计，普遍采用多路制冷剂循环系统，即针对每一处热源，分别设置一组充有制冷剂的换热铜管，各组换热铜管通过多通阀连接至压缩机，然后由控制系统根据各热源的温度状况，切换循环系统，即切换压缩机工作回路，以实现较高效率的制暖作业。但由于各热源的分布往往相差较远的距离，该种设计方案将耗费大量的铜管和制冷剂，不仅投资成本急剧增大，并且由于制冷剂的循环路径大幅增加，导致系统的稳定性较差，故障率较高，难以持续而高效地工作。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统，该系统可以同时对太阳能、地热能、空气能进行综合利用，以获得较高的制热效率，并且压缩机具有较短而固定的工作回路，硬件成本较低，工作性能较稳定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统包括太阳能热源、地热源、空气能热源、热泵机组、输出端；所述太阳能热源包括集热管、保温水箱；所述地热源包括水井；所述空气能热源包括翅片换热器；所述保温水箱与水井之间具有第一水循环回路，仅当所述保温水箱内的水温低于水井内的水温时，所述第一水循环回路工作，使保温水箱与水井内的水体循环流动；所述翅片换热器包括相互固定的换热翅片、蛇形换热管、风扇，所述蛇形换热管连接所述热泵机组和输出端；所述保温水箱与翅片换热器之间具有第二水循环回路，所述第二水循环回路中具有一段换热段，该换热段由与所述翅片换热器相对固定的换热铜管构成，所述换热铜管的热量可传递至所述蛇形换热管内；所述保温水箱内的水体可在所述第二循环回路中循环流动，且仅当所述输出端与所述翅片换热器所处的环境温差大于设定值时，所述第二循环回路工作。

作为优选，所述热泵机组包括压缩机、膨胀阀及连接管道；所述输出端包括由换热管构成的冷凝器。

作为优选，所述第一水循环回路、第二水循环回路中，不与所述水井、保温水箱、翅片换热器换热的部分均由保温管构成，以避免热量的中途流失。

作为优选，所述第一水循环回路、第二水循环回路中均串有循环泵、电磁阀；所述循环泵实现水体的循环流动，所述电磁阀限制第一、第二水循环回路在非工作状态下，水体的自由流动。

作为优选，所述水井的上部构建有一片集热区；所述集热区的面积不小于水井横截面积的4倍；所述集热区包括没入泥土，且包围水井的保温槽；所述保温槽的槽口伸出地面，并在该槽口上覆盖有透光玻璃；所述保温槽内的泥土中衬设有导热体，所述导热体延伸至水井的下部。进一步地，所述透光玻璃的下表面镀制有红外反射膜，以抑制泥土的热量以红外辐射形式外逸；所述导热体为金属板，不仅导热面积大，并且铺设方便。

作为优选，所述第二水循环回路中的换热段设置于所述翅片换热器的蛇形换热管的内部，与所述蛇形换热管同轴延伸；从而使换热段的热量直接传递给蛇形换热管内的制冷剂，而避免在翅片换热器的风扇的吹拂下，大量散入外界环境。进一步地，所述蛇形换热管的端部连接一个三通器的第一端口，所述三通器的第二端口连接所述热泵机组，第三端口供由所述换热段的换热铜管穿出，以实现水循环回路与制冷剂循环回路的相互隔离。

本发明的有益效果在于：该太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统在制暖时，首先通过热泵机组从所述翅片式换热器所在的空气中抽取热量，并释放到所述输出端；当所述输出端与翅片换热器所处的环境温差大于设定值时，亦即制热效率较低时，使所述太阳能热源的保温水箱中的水体通过第二水循环回路对翅片换热器进行加热，从而确保热泵机组的两个换热端之间的温差处于较低值，以保障制热效率；另外，当空气能、太阳能均供应不足，导致保温水箱内的水温降至较低时，则通过所述第一水循环回路，使水井内的水体与保温水箱内的水体循环中和，从而将地下水所富含的热量输送至保温水箱，并最终输送至翅片换热器；本系统通过逐级依条件汲取空气能、太阳能、地热能的方法，使各种能源都在最需要的时候才被调用，从而使得各种能源都能得到最高效率的利用，在较大程度上节约了自然能源。另一方面，由于本系统中仅设置一个较短而固定的压缩机工作回路，因此硬件成本较低，工作性能较稳定。

附图说明

图1是本太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统的示意图。

图2是本太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统中，水井的一个实施例示意图。

图3是本太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统中，翅片换热器的实施例一示意图。

图4是本太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统中，翅片换热器的实施例二中，蛇形换热管与第二水循环回路的换热段的配合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图1所示，该太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统包括太阳能热源1、地热源2、空气能热源3、热泵机组4、输出端5；所述太阳能热源包括集热管11、保温水箱12；所述地热源2包括水井21；所述空气能热源3包括翅片换热器。

所述热泵机组4设于空气能热源3内，主要包括压缩机、膨胀阀及相关连接管道；实际上即热泵机组4与空气能热源3相当于空调外机，此为常规设计，不再就细节赘述。所述输出端5包括由换热管构成的冷凝器，可以带有风扇，作为暖气输出器，也可以设于水中，作为热水发生器。

所述保温水箱12与水井21之间具有第一水循环回路61，仅当所述保温水箱12内的水温低于水井21内的水温时，所述第一水循环回路61工作，使保温水箱12与水井21内的水体循环流动。具体地，该第一水循环回路61具有一根取水管和一根回水管，取水管可将水井21中的水抽入保温水箱12，而回水管则使保温水箱内的水回流至水井；为了使第一水循环回路61中形成循环水路，可在所述取水管中串接单向循环泵，并在回水管中串接电磁阀，在需要水体循环时，同时开启循环泵、电磁阀，否则两者都关闭即可；当然该种水循环回路61还具有较多的设计方法，在暖通领域十分容易实现，并非本发明的创造要点之所在。

所述翅片换热器的实施例一如图3所示，包括相互固定的换热翅片71、蛇形换热管72、风扇（未图示），所述蛇形换热管72连接所述热泵机组4和输出端5。所述保温水箱12与翅片换热器之间具有第二水循环回路62，所述第二水循环回路62中具有一段换热段621，该换热段621由换热铜管构成，在所述翅片换热器中，与蛇形换热管72并列固定在换热翅片71上，使换热段621得热量可通过金属传导，传递至蛇形换热管72内。

所述保温水箱12内的水体可在所述第二循环回路62中循环流动，当然，也通过循环泵与电磁阀实现；且仅当所述输出端5与所述翅片换热器所处的环境温差大于设定值时，所述第二循环回路62工作。

另外，所述第一水循环回路61、第二水循环回路62中，不与所述水井21、保温水箱12、翅片换热器换热的部分均由保温管构成，以避免热量的中途流失。

上述太阳能、地热及空气能综合利用热泵系统在制暖时，首先通过热泵机组4从所述翅片式换热器所在的空气中抽取热量，并释放到所述输出端5；当所述输出端5与翅片换热器所处的环境温差大于设定值时，亦即制热效率较低时，使所述太阳能热源的保温水箱12中的水体通过第二水循环回路62对翅片换热器进行加热，从而确保热泵机组4的两个换热端之间的温差处于较低值，以保障制热效率；另外，当空气能、太阳能均供应不足，导致保温水箱12内的水温降至较低时，则通过所述第一水循环回路61，使水井21内的水体与保温水箱12内的水体循环中和，从而将地下水所富含的热量输送至保温水箱12，并最终输送至翅片换热器；本系统通过逐级依条件汲取空气能、太阳能、地热能的方法，使各种能源都在最需要的时候才被调用，从而使得各种能源都能得到最高效率的利用，在较大程度上节约了自然能源。另一方面，由于本系统中仅设置一个较短而固定的压缩机工作回路，因此硬件成本较低，工作性能较稳定。

对于所述翅片换热器的实施例二，与实施例一不同的是，所述第二水循环回路62中的换热段621设置于所述翅片换热器的蛇形换热管72的内部，与所述蛇形换热管72同轴延伸；从而使换热段621的热量直接传递给蛇形换热管72内的制冷剂，而避免在翅片换热器的风扇的吹拂下，大量散入外界环境，这在最大程度上提高了热量的利用率。具体地，如图4所示，所述蛇形换热管72的端部连接一个三通器8的第一端口81，所述三通器8的第二端口82连接所述热泵机组4，第三端口83供由所述换热段621的换热铜管穿出，以实现水循环回路与制冷剂循环回路的相互隔离。该方案结构简单，装配方便，易于实施。

另外，对于所述水井21，其一个实施例如图2所示，所述水井21的上部构建有一片集热区；所述集热区的面积不小于水井横截面积的4倍，相当于直径为水井直径的2倍以上；所述集热区包括没入泥土24，且包围水井21的保温槽22；所述保温槽22的槽口伸出地面，并在该槽口上覆盖有透光玻璃23；所述保温槽22内的泥土中衬设有由金属板构成的导热体25，所述导热体25延伸至水井的下部。按照该方案，水井21上部的集热区可以大面积地吸收太阳能，使之传递至水井内；由于集热区与外界之间由透光玻璃23隔离，因此，外界的气流对于集热区内的热量影响较小，穿过透光玻璃23的热量大部分蓄积于集热区内的泥土中，并经由导热体25被井水所吸收，以使在地热能在快速抽取的状况下，井水的水温不至于快速下降。所述透光玻璃23的下表面还可以镀制红外反射膜，以抑制泥土的热量以红外辐射形式外逸。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。