一种反哺式多能协同生态采暖系统

摘要

本发明公开了一种反哺式多能协同生态采暖系统，包括相互连通太阳能集热回灌储能系统、太阳能集热采暖系统、水源热泵集热采暖系统、双源集热采暖系统。采用本发明有效解决了高寒地区丰富的太阳能和地下水资源，因极限气候条件的制约而不能被充分利用的问题。

说明书

技术领域

本发明属于清洁能源综合利用技术领域，涉及一种反哺式多能协同生态采暖系统。

背景技术

受海拔高、气候寒冷、热量低等自然因素制约，三江源高寒地区大部分城镇长期以来都以燃煤为主要采暖手段，随着三江源自然保护区生态建设的持续推进，一些城镇已开始试点“煤改电”工程，目前适合在高海拔地区推广应用的清洁能源采暖技术主要包括“量子能锅炉采暖技术、空气能热泵采暖技术及电热炕、电热膜采暖技术”等方式。“以电代煤”集中供暖不仅需要超前纳入城市基础设施规划，预留电力增容空间，同时也存在着采暖费用偏高，大多数农牧民、城镇家庭无力承担等问题，加上现有大部分城镇基础设施建设工作也已基本结束，电力增容困难重重。

分布式能源具有利用效率高、环境负面影响小、能源供应可靠性高和经济效益好等显著特点,现已成为世界能源技术重要发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种反哺式多能协同生态采暖系统，采用该系统有效解决了高寒地区丰富的太阳能和地下水资源，因极限气候条件的制约而不能被充分利用的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种反哺式多能协同生态采暖系统，包括相互连通太阳能集热回灌储能系统、太阳能集热采暖系统、水源热泵集热采暖系统、双源集热采暖系统。

本发明的特点还在于，

太阳能集热回灌储能系统包括集热水回水保温水箱，集热水回水保温水箱的进水口与设置在回灌井内的水源深井泵连通，集热水回水保温水箱的出水口连接太阳能集热循环泵，太阳能集热循环泵被照度控制仪驱动,太阳能集热循环泵的一侧设有防冻排水阀II。

太阳能集热采暖系统包括回水集水器，回水集水器经过电动积分阀I依次连接集热水回水保温水箱、太阳能集热循环泵、太阳能集热板阵列，太阳能集热板阵列还依次连接电动阀I、集热水供水保温水箱、采暖循环泵及供水集水器，电动阀I的一侧设有防冻排水阀I。

水源热泵集热采暖系统包括回水集水器，回水集水器依次连接电动积分阀II及水源热泵机组、地热能采暖循环泵、电动积分阀III及供水集水器；

还包括水源深井泵，水源深井泵依次连接地下水回灌计量仪、水源热泵机组、地下水抽取计量仪及回灌井。

双源集热采暖系统包括太阳能集热循环泵，太阳能集热循环泵依次连接太阳能集热板阵列、电动阀I及集热水供水保温水箱，集热水供水保温水箱依次连接采暖循环泵、电动积分阀IV及供水集水器。

本发明的有益效果是，把高寒地区太阳能资源极为丰富的特点与高寒地区地下水(水温较低)不能被直接利用的丰沛资源相互耦合，通过夏季将丰富而又高强度的太阳能辐射热回收，回灌并存储于地下，地温升高，一方面可滋养高原植被，使草原植被生长更加茂盛，另一方面回灌热能又可赋藏于地下，形成了一套完整的多能协同，紧密互动，取长补短，夏储冬用的三维能源高效利用生态采暖系统。践行加快推进产业结构、空间结构、能源结构和消费结构转型，为提升绿色可再生能源的发展方式提供了有益的探索。此外，有效解决了高寒地区太阳能资源开发利用工程中普遍存在的太阳能集热系统和太阳能集热器被冻裂的问题。

附图说明

图1是本发明一种反哺式多能协同生态采暖系统的结构示意图。

图中，1.集热水回水保温水箱，2.太阳能集热循环泵，3.太阳能集热板阵列，4.电动阀I，5.集热水供水保温水箱，6.采暖循环泵，7.供水集水器，8.回水集水器，9.电动积分阀I，10.电动积分阀IV，11.电动积分阀II，12.水源热泵机组，13.地热能采暖循环泵，14.电动积分阀III，15.地下水回灌计量仪，16.地下水抽取计量仪，17.回灌井，18.电动阀II，19.防冻排水阀I，20.防冻排水阀II，21.供气电磁阀，22.照度控制仪，23.地下水径流，24.热能运动轨迹，25.草原植被，26.水位控制器，27.补水阀，28.水源深井泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种反哺式多能协同生态采暖系统，如图1所示，包括相互连通太阳能集热回灌储能系统、太阳能集热采暖系统、水源热泵集热采暖系统、双源集热采暖系统。

太阳能集热回灌储能系统包括集热水回水保温水箱1，集热水回水保温水箱1的进水口与设置在(回灌井17内)的水源深井泵28连通，集热水回水保温水箱1的出水口连接太阳能集热循环泵2，太阳能集热循环泵2被照度控制仪22驱动,太阳能集热循环泵2的一侧设有防冻排水阀II20。集热水回水保温水箱1与水源深井泵28的连接管路上设有补水阀27。

太阳能集热采暖系统包括回水集水器8，回水集水器8经过电动积分阀I9依次连接集热水回水保温水箱1、太阳能集热循环泵2、太阳能集热板阵列3，太阳能集热板阵列3，还依次连接电动阀I4、集热水供水保温水箱5、采暖循环泵6及供水集水器7，采暖循环泵6与供水集水器7之间设有电动积分阀IV10。

电动阀I4的一侧设有防冻排水阀I19。

水源热泵集热采暖系统包括回水集水器8，回水集水器8依次连接电动积分阀II11及水源热泵机组12、地热能采暖循环泵13、电动积分阀III14及供水集水器7；

还包括水源深井泵28，水源深井泵28依次连接地下水回灌计量仪15、水源热泵机组12、地下水抽取计量仪16及回灌井17。

双源集热采暖系统包括太阳能集热循环泵2，太阳能集热循环泵2依次连接太阳能集热板阵列3、电动阀I4及集热水供水保温水箱1，集热水供水保温水箱1依次连接采暖循环泵6、电动积分阀IV10及供水集水器7。

本发明一种反哺式多能协同生态采暖系统的工作过程为：

太阳能集热回灌储能系统(又称为太阳能集热回灌地下反哺草原植被及储能地下系统)工作过程为：

受集热水回水保温水箱1设置的水位控制器26的控制，水源深井泵28启动，抽取回灌井17内的地下水为集热水回水保温水箱1补水，太阳能集热循环泵2被(太阳能辐射)照度控制仪22驱动，太阳能集热采暖系统投入“反哺草原植被及储能地下”运行模式。该模式下，水源热泵集热采暖系统处于待机状态，地下水被太阳能辐射热循环加热，被加热的地下水，一方面对大地放热并得以贮藏，一方面又对草原地面植被根系所处的土壤培植基放热，足进(使)草原植被在温热环境条件下迅速生长，加上分布于草地之上的太阳能集热板阵列群及结构支架对高原强紫外光线的遮蔽，草原植被得以庇护滋养生长更加茂盛，形成了一种绿草如茵、牛羊成群，人与自然和谐共生的生态景象。

太阳能集热采暖系统包括：采暖回水途经回水集水器8、电动积分阀I9、集热水回水保温水箱1、太阳能集热循环泵2进入太阳能集热板阵列3获取太阳能辐射热，经电动阀I4、集热水供水保温水箱5，再经采暖循环泵6增压，过电动积分阀IV10、供水集水器7，被泵送至室内采暖换热器，如此循环，从而达到太阳能集热采暖之目的，使免费、清洁太阳能资源得以充分利用。

水源热泵集热采暖系统的工作过程为：一方面采暖回水途经回水集水器8、电动积分阀II11、进入水源热泵机组12的冷凝器被从地下获取的大地能量叠加水源热泵机组功率消耗能量加热，经地热能采暖循环泵13增压，过电动积分阀III14、供水集水器7并进入室内采暖换热器，如此循环，从而达到水源热泵集热采暖之目的，使高寒地区丰沛的地下水资源(蕴藏着地热能和太阳能集热回灌能之和)得到了充分的利用。另一方面，地下水源深井泵28将蕴藏能量(蕴藏着地热能和太阳能集热回灌能之和)的地下水，经地下水回灌计量仪15计量、泵送至水源热泵机组12的蒸发器内，“蕴藏着地热能和太阳能集热回灌能之和”的地下水被热泵机组蒸发器转换为冷媒汽化潜热，水温降低，再经地下水抽取计量仪16计量，回灌到回灌井17中，在地下水抽水井与回水井之间形成水位势能差，回灌水在水位势能差作用下，由回灌井沿地下水自然径流方向，向抽水井方向移动，同时获取地热能和夏季回灌存储能量，水温升高，然后再次被地下水源深井泵28抽取，并循环利用，如此循环，从而达到水源热泵从地下水中获取能量的目的，实现了物质能量生生不息，抽取回灌平衡合理，多能协同，紧密互动、夏储冬用的生态集热采暖功能。

双源集热采暖系统(又称太阳能+水源热泵双源集热采暖系统)的工作过程为：受照度控制仪22和太阳能集热系统微电脑控制器内置的温差控制端控制及水源热泵采暖温度控制，太阳能集热循环泵2启动，集热循环水途经太阳能集热板阵列3、电动阀I4回流到集热水供水保温水箱5，经采暖循环泵6调频增压，再经电动积分阀IV10流量整定，即太阳能集热流量整定值+水源热泵集热流量整定值＝双源集热采暖总流量值，进入供水集水器7，同时，地热能采暖循环泵13启动，集热水经地热能变频采暖循环泵调频增压，再经电动积分阀III14流量整定，即太阳能集热流量整定值+水源热泵集热流量整定值＝双源集热采暖总流量值，也进入供水集水器7，至此，太阳能集热流量整定值+水源热泵集热流量整定值＝双源集热采暖总流量值汇集于供水集水器7，并为室内采暖提供双源集热采暖热源，双热源集热采暖循环水与室内空气换热后，较低温度的双源集热水又回流到回水集水器8，经回水集水器分配，一路经电动积分阀I9流量整定回到集热水回水保温水箱1，继续参与太阳能集热运行；一路经电动积分阀II流量整定回到水源热泵机组12的冷凝器内，继续水源热泵集热运行；如此循环，从而实现双源集热采暖之目的。

冬季夜间太阳能集热系统停机后的系统积水排水系统：当太阳能集热系统突然停止运行或夜间停止运行时，由于三江源高寒地区冬季严寒漫长，夏季凉寒湿润，年平均气温0.8℃～4.3℃左右，昼夜温差大，因此，太阳能集热系统管路(特别是平板式太阳能集热器内的集热铜管)很容易被冻裂，这也是太阳能集热系统工程在高寒地区应用普遍存在的技术难题，为有效解决这一技术难点，本系统采用了在管路最低端安装常开型(即通电闭合，断电打开)自动排水阀的方法，为了强化排水效果，本系统还专门设置了压缩气体罐和排水放气阀，自动排水阀因断电而自动打开后，压缩气体阀则滞后5-10min打开通气，以彻底冲排系统滞留积水。自动排水过程包括：系统停电或失电的同时防冻排水阀I19、防冻排水阀II 20同时打开排除系统积水，当自动排水5-10min后，(压缩空气电磁阀)供气电磁阀21延时自动打开，并对太阳能集热系统管路执行压缩空气强制吹排，强制吹排积水时间一般设定为5--8min或依据时间需要调整，至此，夜间或停电期间，太阳能集热系统滞留积水经自动排水和压缩空气强制排水后，系统积水已被彻底排出。

夏季(非采暖期)太阳能集热回灌储能系统运行：太阳能集热循环泵2受控于照度控制仪22和水位控制器26双重控制并启动，集热水回水保温水箱1内较低温度的地下水被泵送至太阳能集热板阵列3，吸收太阳能辐射热水温升高，此时，水源热泵集热采暖系统和太阳能集热采暖系统均处于待机状态，电动阀II 18自动打开，电动阀I 4待机关闭，太阳能集热水途经深井回水管段，回灌至回灌井17中，回灌的太阳能集热水，一方面沿地下水径流23方向，向取水井水源深井泵28方向移动，一方面又将太阳能集热释放至容量无限的地下水含水层内，如此循环，地下水温升高，一部分能量赋存于地下为冬季水源热泵运行提供储备热源，一部分能量沿热能运动轨迹24向草原植被25培植基释放热量，草原植被受温润太阳能集热反哺滋养，迅速生长。

冬季完全太阳能集热采暖系统运行：受太阳能照度控制仪22和太阳能集热系统微电脑控制器内置的温差控制端双重控制，太阳能集热循环泵2启动运行，太阳能集热循环水途经太阳能集热板阵列3、电动阀I 4回流到集热水供水保温水箱5经电动阀I 4、集热水供水保温水箱5，再经采暖循环泵6增压，过电动积分阀IV10-DF3太阳能集热供暖积分电动阀、供水集水器7，被泵送至室内采暖换热器与室内空气换热，房间温度升高；释放热能后较低温水的水经回水集水器8、电动积分阀I 9，回流至集热水回水保温水箱1，然后再经太阳能集热循环泵2泵送，如此循环，从而实现太阳能集热采暖之目的，使免费、清洁太阳能资源得以充分利用。

冬季水源热泵集热采暖系统运行：受采暖水温控制，水源热泵机组微电脑控制器依据程序设定，依次分别启动水源深井泵28、地热能采暖循环泵13和水源热泵机组12，并投入水源热泵集热采暖运行。一方面采暖回水途经回水集水器8、电动积分阀II11进入水源热泵机组的冷凝器被从地下获取的大地能量叠加水源热泵机组功率消耗能量被加热升温，然后再经地热能采暖循环泵13增压，过电动积分阀III14、供水集水器7进入室内采暖换热器并与室内空气换热，释放热量后较低温度的水再经回水集水器8、电动积分阀II11

进入水源热泵机组12冷凝器内被继续加热，如此循环，从而实现水源热泵集热采暖之目的，使夏季储备的太阳辐射能和地热能资源得以高效梯级利用。另一方面，地下水源水源深井泵28将蕴藏能量(蕴藏着地热能和太阳能集热回灌能之和)的地下水，经地下水回灌计量仪15计量、进入水源热泵机组12蒸发器内，“蕴藏着地热能和太阳能集热回灌能之和”的地下水被热泵机组蒸发器转换为冷媒汽化潜热，水温降低，再经地下水抽取计量仪16计量，被泵入回灌井17中，在地下水抽水井与回水井之间形成水位势能差，回灌水在水位势能差作用下，由回灌井沿地下水自然径流向抽水井方向移动，同时获取地热能和夏季回灌存储热能，水温升高，然后再次被水源深井泵28循环利用，如此循环，从而达到水源热泵从地下水中获取能量的目的，实现了物质能量生生不息，抽取回灌合理平衡，多能协同，紧密互动、夏储冬用的生态集热采暖功能。

太阳能+水源热泵双源集热采暖(双源集热采暖系统)运行：受照度控制仪22和太阳能集热系统微电脑控制器内置的温差控制端控制及水源热泵采暖温度控制，太阳能集热采暖系统优先运行(该太阳能照度控制设定涵盖高、中、低照度范围，太阳能集热系统微电脑控制器内置温差控制信号输出端与照度控制范围相适应，水源热泵机组微电脑控制器采暖温度检测点设置等于或略高于太阳能最低照度相适应的温度范围，即太阳能集热采暖运行优先，且只能是在太阳能集热运行不能满足采暖需求时，水源热泵集热采暖系统方可依据太阳能集热能量不足部分的多少自行决定水源热泵启用台数或变频输出功率的大小，以适应太阳能集热采暖优先之需要)。当太阳能辐照度处于中、低照度范围，且太阳能集热水温不能满足采暖温度需求时，双源集热采暖系统开始投入运行：太阳能集热循环泵2启动，集热循环水途经太阳能集热板阵列3、电动阀I4回流到集热水供水保温水箱5，经采暖循环泵6调频增压，再经电动积分阀IV10流量整定，即太阳能集热流量整定值+水源热泵集热流量整定值＝双源集热采暖总流量值，进入供水集水器7，同时，地热能采暖循环泵13启动，集热水经地热能变频采暖循环泵调频增压，再经电动积分阀III14流量整定，即太阳能集热流量整定值+水源热泵集热流量整定值＝双源集热采暖总流量值，也进入供水集水器7至此，太阳能集热流量整定值+水源热泵集热流量整定值＝双源集热采暖总流量值汇集供水集水器7，并为室内采暖提供双源集热采暖热源，双热源集热采暖循环水与室内空气换热后，较低温度的双源集热水又回流到水回水集水器8，经回水集水器8分配，一路经电动积分阀9流量整定回到集热水回水保温水箱1,继续参与太阳能集热运行；一路经电动积分阀II 11流量整定回到电动积分阀II 12冷凝器)内，继续水源热泵集热运行；如此循环，从而实现双源集热采暖之目的。

冬季夜间太阳能集热系统停机后的系统积水排水运行：安装在太阳能集热系统管路最低端的防冻排水阀I19和防冻排水阀II 20因系统停机或突然停电，自动打开(通电关闭，失电打开)，此时系统积水开始自动排放。在系统停止运行的同时，系统水压降低，水路压力传感器给供气电磁阀21发出延时指令，经5-10min(或依据现场调试决定延时值)延时后，供气电磁阀21打开，储气罐内的压缩气体开始对太阳能集热系统管路进行高强度积水冲排，以确保系统管路不被留存积水冻裂，压缩气体强行冲排时间一般可设定在8-10min(或依据现场调试结果决定)。