技术领域
[0001] 本
发明涉及空调系统技术领域，特别是涉及一种太阳能热泵和地源热泵联合空调系统及控制方法。
背景技术
[0002]
煤炭、石油、
天然气等化石
燃料的大量使用和过度开采，造成了严重的环境污染和
能源紧缺，环境污染和能源紧缺问题已成为威胁人类生存的头等大事，对清洁能源的开发利用就显得尤为重要。
[0003] 太阳能由于受天气影响大、连续性差，在阴雨天和夜间无法为室内供暖，因而限制了太阳能在供暖中的使用。
[0004] 单一的地源热泵空调系统在北方地区（冬季热负荷>夏季冷负荷）由于冷热负荷的不均，从地下
土壤抽取的热量大于向地下土壤排放的热量，导致突然热不均衡，
温度持续下降，系统运行多年后效果将会越来越差，最后甚至不能正常工作。
[0005] 上述的两种单一系统均存在诸多
缺陷，因此有必要提供一种太阳能与地源热泵结合的空调系统，取长补短，合理补给，通过利用太阳能热源可避免从地下土壤长期过度取热，使土壤热源有足够的恢复周期，保持地下温度场的平衡，地源热泵的利用可克服太阳能热泵受环境条件影响的缺陷，保障系统每天稳定运行，并且提高系统综合能源利用率。
发明内容
[0006] 本发明主要解决的技术问题是提供一种太阳能热泵和地源热泵联合空调系统及控制方法，能够实现冬季供暖、夏季制冷，高效、节能和环保，冬季晴朗白天供暖开启太阳能热泵供暖模式，在太阳辐照强度足够的时候对多余的热量进行地下土壤储能；冬季阴雨天和夜间开启地源热泵供暖模式，夏季开启地源热泵制冷模式，春、秋过渡季节开启储能模式，空调系统始终保持高效运行，最大限度节省能源，并且保证系统连续供暖或制冷，保持地下温度场平衡。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种太阳能热泵和地源热泵联合空调系统，包括：太阳能集热单元、热泵主机单元、地下换热器单元、室内末端单元和控制单元，所述太阳能集热单元、地下换热器单元、室内末端单元分别与热泵主机单元连接，所述控制单元与热泵主机单元、地下换热器单元和室内末端单元连接，
[0008] 其中热泵主机单元，包括：第一电磁三通换向
阀、第二电磁三通换向阀、第三电磁三通换向阀、第四电磁三通换向阀、
压缩机、四通换向阀、
电子膨胀阀、第一
板式换热器和第二板式换热器，所述第一电磁三通换向阀的Ⅰ
接口端与太阳能集热单元中
蒸发换热器的出口端连接，第一电磁三通换向阀的Ⅱ接口端与四通换向阀的Ⅰ接口端连接，四通换向阀的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口端分别与压缩机的吸气端、第二电磁三通换向阀的Ⅰ接口端以及压缩机的排气端连接，第二电磁三通换向阀的Ⅱ接口端与第一板式换热器的氟管连接，第二电磁三通换向阀的Ⅲ接口端与第二板式换热器的氟管连接，第一板式换热器的氟管另一端与第四电磁三通换向阀的Ⅱ接口端连接，第二板式换热器的氟管另一端与第四电磁三通换向阀的Ⅲ接口端连接，第四电磁三通换向阀的Ⅰ接口端与电子膨胀阀连接，电子膨胀阀的另一端与第三电磁三通换向阀的Ⅱ接口端，第三电磁三通换向阀的Ⅰ接口端与蒸发换热器的入口端连接，第一电磁三通换向阀的Ⅲ接口端、第三电磁三通换向阀的Ⅲ接口端分别与第二板式换热器的氟管两端连接。
[0009] 在本发明一个较佳
实施例中，所述太阳能集热单元包括：吸热翅片、透明盖板、保温边框和保温
背板，多个蒸发换热器依次设置于多个吸热翅片之间，多个吸热翅片连接成整体，吸热翅片上部设有透明盖板，侧边设有保温边框，底部设有保温背板。
[0010] 在本发明一个较佳实施例中，所述地下换热器单元包括：地下埋管和第二
水泵，地下埋管的出口与第二水泵连接，第二水泵的另一端与第二板式换热器的水管一端连接，第二板式换热器的水管另一端与地下埋管的入口端连接。
[0011] 在本发明一个较佳实施例中，所述室内末端单元包括：室内空调末端和第一水泵，室内空调末端的出口与第一水泵连接，第一水泵的另一端与第一板式换热器的水管一端连接，第一板式换热器的水管另一端与室内空调末端的入口连接。
[0012] 在本发明一个较佳实施例中，所述控制单元包括：
控制器、第一温度
信号探头和第二温度信号探头，第一温度信号探头设置于太阳能集热
蒸发器内，第二温度信号探头设置于第一板式换热器的水管出口处，控制器通过
导线分别与第一电磁三通换向阀、第二电磁三通换向阀、第三电磁三通换向阀、第四电磁三通换向阀、四通换向阀、第一水泵、第二水泵和压缩机连接。
[0013] 为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种太阳能热泵和地源热泵联合空调系统的控制方法，包括如下控
制模式：供暖模式、制冷模式和储能模式：
[0014] 一、供暖模式：控制器根据第一温度信号探头和第二温度信号探头的温度信号，分为三种不同的供暖运行模式：
[0015] 其中设Tb为太阳能集热蒸发器的板芯温度，Tbg、Tbd分别为太阳能集热蒸发器的板芯预设的高温和低温，TN为空调供水温度，TNg 、TNd分别为空调供水预设的高温和低温：
[0016] a、太阳能热泵供暖运行模式：当Tbd﹤Tb﹤Tbg且TNd﹤TN﹤TNg时，开启第一电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅱ）、第二电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅱ）、第三电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅰ）、第四电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅰ）、第一水泵，关闭第二水泵；
[0017] b、太阳能热泵供暖+储能运行模式：当（Tb﹥Tbd且TN﹥TNg）或（Tb﹥Tbg 且TN﹥TNd）时，开启第一电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅱ）、第二电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅱ、Ⅲ）、第三电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅰ）、第四电磁三通换向阀（Ⅱ、Ⅲ→Ⅰ）、第一水泵和第二水泵；
[0018] c、地源热泵供暖运行模式：当Tb﹤Tbd或TN﹤TNd时，开启第一电磁三通换向阀（Ⅲ→Ⅱ）、第二电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅱ）、第三电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅲ）、第四电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅰ）、第一水泵和第二水泵；
[0019] 二、制冷模式：
[0020] 在制冷运行模式下：开启第一电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅲ）、第二电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅰ）、第三电磁三通换向阀（Ⅲ→Ⅱ）、第四电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅱ）、第一水泵和第二水泵，四通换向阀改变方向；
[0021] 三、储能模式：
[0022] 在储能运行模式下：当Tb﹥Tbg时，开启第一电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅱ）、第二电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅲ）、第三电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅰ）、第四电磁三通换向阀（Ⅲ→Ⅰ）、第二水泵，四通换向阀方向与供暖模式相同；当Tb≤Tbg时，全部停机。
[0023] 本发明的有益效果是：本发明太阳能热泵和地源热泵联合空调系统及控制方法能够实现冬季供暖、夏季制冷，高效、节能和环保， 冬季晴朗白天供暖开启太阳能热泵供暖模式，在太阳辐照强度足够的时候对多余的热量进行地下土壤储能；冬季阴雨天和夜间开启地源热泵供暖模式，夏季开启地源热泵制冷模式，春、秋过渡季节开启储能模式，空调系统始终保持高效运行，最大限度节省能源，并且保证系统连续供暖或制冷，保持地下温度场平衡。
附图说明
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
[0025] 图1是本发明的太阳能热泵和地源热泵联合空调系统一较佳实施例的结构示意图；
[0026] 图2是图1中太阳能集热蒸发器的A-A向结构示意图；
[0027] 附图中各部件的标记如下：1、太阳能集热蒸发器，111、蒸发换热器，112、吸热翅片，113、透明盖板，114、保温边框，115、保温背板，2、第一电磁三通换向阀，3、第二电磁三通换向阀，4、第三电磁三通换向阀，5、第四电磁三通换向阀，6、压缩机，7、四通换向阀，8、电子膨胀阀，9、第二板式换热器，10、第二水泵，11、地下埋管，12、控制器，121、第一温度信号探头，122、第二温度信号探头，13、第一板式换热器，14、第一水泵，15、室内空调末端，16、房间。
具体实施方式
[0028] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 请参阅图1至图2，本发明实施例包括：
[0030] 一种太阳能热泵和地源热泵联合空调系统，包括：
[0031] 太阳能集热单元，包括：蒸发换热器111、吸热翅片112、透明盖板113、保温边框114和保温背板115，多个蒸发换热器111依次设置于多个吸热翅片112之间，多个吸热翅片112连接成整体，吸热翅片112上部设有透明盖板113，侧边设有保温边框114，底部设有保温背板115。
[0032] 热泵主机单元，包括：第一电磁三通换向阀2、第二电磁三通换向阀3、第三电磁三通换向阀4、第四电磁三通换向阀5、压缩机6、四通换向阀7、电子膨胀阀8、第一板式换热器13和第二板式换热器9，所述第一电磁三通换向阀2的Ⅰ接口端与太阳能集热单元中蒸发换热器111的出口端连接，第一电磁三通换向阀2的Ⅱ接口端与四通换向阀7的Ⅰ接口端连接，四通换向阀7的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口端分别与压缩机6的吸气端、第二电磁三通换向阀3的Ⅰ接口端以及压缩机6的排气端连接，第二电磁三通换向阀3的Ⅱ接口端与第一板式换热器13的氟管连接，第二电磁三通换向阀3的Ⅲ接口端与第二板式换热器9的氟管连接，第一板式换热器
13的氟管另一端与第四电磁三通换向阀5的Ⅱ接口端连接，第二板式换热器9的氟管另一端与第四电磁三通换向阀5的Ⅲ接口端连接，第四电磁三通换向阀5的Ⅰ接口端与电子膨胀阀8连接，电子膨胀阀8的另一端与第三电磁三通换向阀4的Ⅱ接口端，第三电磁三通换向阀4的Ⅰ接口端与蒸发换热器111的入口端连接，第一电磁三通换向阀2的Ⅲ接口端、第三电磁三通换向阀4的Ⅲ接口端分别与第二板式换热器9的氟管两端连接。
[0033] 地下换热器单元，包括：地下埋管11和第二水泵10，地下埋管11的出口与第二水泵10连接，第二水泵10的另一端与第二板式换热器9的水管一端连接，第二板式换热器9的水管另一端与地下埋管11的入口端连接。
[0034] 室内末端单元，包括：室内空调末端15和第一水泵14，室内空调末端15的出口与第一水泵14连接，第一水泵14的另一端与第一板式换热器13的水管一端连接，第一板式换热器13的水管另一端与室内空调末端15的入口连接；所述室内空调末端15可采用
风机盘管、暖气片或地板
辐射的方式，并且可以并联多路。
[0035] 控制单元，包括：控制器12、第一温度信号探头121和第二温度信号探头122，第一温度信号探头121设置于太阳能集热蒸发器1内，第二温度信号探头122设置于第一板式换热器13的水管出口处，控制器12通过导线分别与第一电磁三通换向阀2、第二电磁三通换向阀3、第三电磁三通换向阀4、第四电磁三通换向阀5、四通换向阀7、第一水泵14、第二水泵10和压缩机6连接。
[0036] 所述太阳能集热单元、地下换热器单元、室内末端单元分别与热泵主机单元连接在一起构成太阳能热泵和地源热泵联合空调系统，所述控制单元分别与热泵主机单元、地下换热器单元和室内末端单元连接。
[0037] 所述太阳能热泵和地源热泵联合空调系统的控制过程为：
[0038] 所述控制器12上设有三种运行模式：供暖模式、制冷模式和储能模式。
[0039] 1、供暖模式：控制器12根据第一温度信号探头121和第二温度信号探头122的温度信号，分为三种不同的供暖运行模式：
[0040] 其中设Tb为太阳能集热蒸发器1的板芯温度，Tbg、Tbd分别为太阳能集热蒸发器1的板芯预设的高温和低温，TN为空调供水温度，TNg 、TNd分别为空调供水预设的高温和低温。
[0041] a、太阳能热泵供暖运行模式：当Tbd﹤Tb﹤Tbg且TNd﹤TN﹤TNg时，放置在太阳能集热蒸发器1内的第一温度信号探头121和放置在第一板式换热器13水管出口处的第二温度信号探头通过信号线把温度
信号传输给控制器12，控制器12对温度信号进行逻辑分析后通过导线发出以下控制指令：
[0042] 开启第一电磁三通换向阀2（Ⅰ→Ⅱ）、第二电磁三通换向阀3（Ⅰ→Ⅱ）、第三电磁三通换向阀4（Ⅱ→Ⅰ）、第四电磁三通换向阀5（Ⅱ→Ⅰ）、第一水泵14，关闭第二水泵10，此时太阳能作为低温热源，热泵循环产生的冷凝热全部用于供暖；
[0043] 具体工作过程为：工质在太阳能集热蒸发器1中吸收太阳能热量后变成气态，气态工质经过第一电磁三通换向阀2（Ⅰ→Ⅱ）和四通换向阀7进入到压缩机6变成高温高压的
过热气态工质，高温高压的过热气态工质经第二电磁三通换向阀3（Ⅰ→Ⅱ）进入第一板式换热器13冷凝成液态工质，冷凝热全部用于室内供暖，冷凝后的液态工质经过第四电磁三通换向阀5（Ⅱ→Ⅰ）进入到电子膨胀阀8，节流成低温低压的气液两相工质，低温低压的气液两相工质经过第三电磁三通换向阀4（Ⅱ→Ⅰ）进入太阳能集热蒸发器1吸收太阳能热量变成气态工质，完成一个热泵工质循环，工质如此往复循环工作，此运行模式适用于太阳辐照强度适中的时刻。
[0044] b、太阳能热泵供暖+储能运行模式：当（Tb﹥Tbd且TN﹥TNg）或（Tb﹥Tbg 且TN﹥TNd）时，放置在太阳能集热蒸发器1内的第一温度信号探头121和放置在第一板式换热器13水管出口处的第二温度信号探头122通过信号线把温度信号传输给控制器12，控制器12对温度信号进行逻辑分析后通过导线发出以下控制指令：
[0045] 开启第一电磁三通换向阀2（Ⅰ→Ⅱ）、第二电磁三通换向阀3（Ⅰ→Ⅱ、Ⅲ）、第三电磁三通换向阀4（Ⅱ→Ⅰ）、第四电磁三通换向阀5（Ⅱ、Ⅲ→Ⅰ）、第一水泵14和第二水泵10，此时太阳能作为低温热源，热泵循环产生的冷凝热一部分用于供暖，另一部分储存于地下土壤；
[0046] 具体工作过程：工质在太阳能集热蒸发器1中吸收太阳能热量后变成气态，气态工质经过第一电磁三通换向阀2（Ⅰ→Ⅱ）和四通换向阀7进入到压缩机6变成高温高压的过热气态工质，高温高压的过热气态工质经第二电磁三通换向阀3（Ⅰ→Ⅱ、Ⅲ）分成两路，一路高温高压的过热气态工质进入第一板式换热器13冷凝成液态工质，冷凝热用于室内供暖，另一路高温高压的过热气态工质进入第二板式换热器9冷凝成液态工质，冷凝热用于恢复地下土壤温度，将热量存储于地下土壤，第一板式换热器13和第二板式换热器9冷凝后的液态工质通过第四电磁三通换向阀5（Ⅱ、Ⅲ→Ⅰ）进入电子膨胀阀8，节流成低温低压的气液两相工质，低温低压的气液两相工质经第三电磁三通换向阀4（Ⅱ→Ⅰ））进入太阳能集热蒸发器1吸收太阳能热量变成气态工质，完成了一个热泵工质循环，工质如此往复循环工作，此运行模式适用于太阳辐照强度较高的时刻。
[0047] c、地源热泵供暖运行模式：当Tb﹤Tbd或TN﹤TNd时，放置在太阳能集热蒸发器1内的第一温度信号探头121和放置在第一板式换热器13水管出口处的第二温度信号探头122通过信号线把温度信号传输给控制器12，控制器12对温度信号进行逻辑分析后通过导线发出以下控制指令：
[0048] 开启第一电磁三通换向阀2（Ⅲ→Ⅱ）、第二电磁三通换向阀3（Ⅰ→Ⅱ）、第三电磁三通换向阀4（Ⅱ→Ⅲ）、第四电磁三通换向阀5（Ⅱ→Ⅰ）、第一水泵14和第二水泵10；
[0049] 具体工作过程：工质在第二板式换热器9内吸收来自于地下土壤储存的热量后变成气态，气态工质经过第一电磁三通换向阀2（Ⅲ→Ⅱ）和四通换向阀7进入压缩机6变成高温高压的过热气态工质，高温高压的过热气态工质经第二电磁三通换向阀3（Ⅰ→Ⅱ）进入第一板式换热器13冷凝成液态工质，冷凝热全部用于室内供暖，冷凝后的液态工质经过第四电磁三通换向阀5（Ⅱ→Ⅰ）进入电子膨胀阀8，节流成低温低压的气液两相工质，低温低压的气液两相工质经第三电磁三通换向阀4（Ⅱ→Ⅲ）进入第二板式换热器9吸收来自于地下土壤储存的热量后变成气态工质，完成一个热泵工质循环，工质如此往复循环工作，此运行模式适用于太阳辐照强度不足的时刻，例如晚上和阴雨天。
[0050] 2、制冷模式：
[0051] 在制冷运行模式下：控制器12通过导线发出以下控制指令，开启第一电磁三通换向阀2（Ⅱ→Ⅲ）、第二电磁三通换向阀3（Ⅱ→Ⅰ）、第三电磁三通换向阀4（Ⅲ→Ⅱ）、第四电磁三通换向阀5（Ⅰ→Ⅱ）、第一水泵14和第二水泵10，四通换向阀7改变方向。
[0052] 具体工作过程：工质在第一板式换热器13中吸收来自于房间的热量后变成气态工质，气态工质经过第二电磁三通换向阀3（Ⅱ→Ⅰ）和四通换向阀7进入压缩机6变成高温高压的过热气态工质，高温高压的过热气态工质经第一电磁三通换向阀2（Ⅱ→Ⅲ）进入第二板式换热器9冷凝成液态工质，冷凝热排入地下，冷凝后的液态工质经第三电磁三通换向阀4（Ⅲ→Ⅱ）进入电子膨胀阀8节流成低温低压的气液两相工质，低温低压的气液两相工质经第四电磁三通换向阀5（Ⅰ→Ⅱ）进入第一板式换热器13吸收来自房间16的热量后变成气态工质，完成一个制冷循环，工质如此往复循环工作。
[0053] 3、储能模式：
[0054] 在储能运行模式下：当Tb﹥Tbg时，放置在太阳能集热蒸发器1内的第一温度信号探头121通过信号线把温度信号传输给控制器12，控制器12对温度信号进行逻辑分析后通过导线发出以下控制指令：
[0055] 开启第一电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅱ）、第二电磁三通换向阀（Ⅰ→Ⅲ）、第三电磁三通换向阀（Ⅱ→Ⅰ）、第四电磁三通换向阀（Ⅲ→Ⅰ）、第二水泵，四通换向阀方向与供暖模式相同；此时太阳能作为低温热源，热泵循环产生的冷凝热全部用于地下土壤温度的恢复和储能；
[0056] 具体工作过程：工质在太阳能集热蒸发器1中吸收太阳能热量后变成气态，气态工质经过第一电磁三通换向阀2（Ⅰ→Ⅱ）和四通换向阀7进入到压缩机6变成高温高压的过热气态工质，高温高压的过热气态工质经第二电磁三通换向阀3（Ⅰ→Ⅲ）进入第二板式换热器9冷凝成液态工质，冷凝热全部用于地下土壤温度的恢复和储能，冷凝后的液态工质经过第四电磁三通换向阀5（Ⅲ→Ⅰ）进入到电子膨胀阀8，节流成低温低压的气液两相工质，低温低压的气液两相工质经过第三电磁三通换向阀4（Ⅱ→Ⅰ）进入太阳能集热蒸发器1吸收太阳能热量变成气态工质，完成一个热泵工质循环，工质如此往复循环工作，此运行模式适用于春、秋过渡季节地下土壤温度的恢复和储能。
[0057] 本发明太阳能热泵和地源热泵联合空调系统及控制方法的有益效果是：
[0058] 一、实现了冬季连续供暖、夏季制冷的高效空调系统，特别适合我国北方地区使用；
[0059] 二、冬季供暖中，晴天时系统采用太阳能热泵供暖，当太阳辐照强度较大时，系统自动将多余热量储存于地下，晚上和阴雨天时系统自动切换为地源热泵供暖，保证冬季供暖的连续性和高效性；
[0060] 三、系统利用太阳能热源可避免从地下土壤长期过度取热，使土壤热源有足够的恢复周期，保持地下温度场的平衡，地源热泵的利用能克服太阳能热泵受环境条件影响的缺陷，保障系统每天稳定运行；
[0061] 四、在北方地区，以供暖取热为主，夏季空调放热负荷远小于冬季取热负荷，造成全年的取/放热
不平衡，运行几年后会造成土壤温度失衡，系统崩溃，而本发明的系统由于有太阳能的补热，使得全年取/放热平衡；
[0062] 五、将平板太阳能集热板中的集热板芯与热泵蒸发器制成一体形成管翼式蒸发器，蒸发换热均匀充分，整个集热板芯表面温度均匀，大大降低了表面热迁移损失，同时汽液
相变换热是
对流换热的几十倍，相对太阳能集热系统效率极高；
[0063] 六、采用制冷剂（R134a等）作为热泵工质，制冷剂的
冰点温度为-100℃左右，彻底解决了平板
太阳能集热器的冬季防冻问题。
[0064] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的
专利范围，凡是利用本发明
说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，例如，增加热回收装置，采用
串联或并联的形式制取热水等，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
