技术领域
[0001] 本
发明涉及一种供暖系统，尤其涉及一种用于农业大棚供暖的梯级相变储能复合太阳能和
地源热泵系统。
背景技术
[0002] 在我国北方，
温室大棚的建造给冬季
植物创造了温暖的生长环境，但是由于目前我国大部分地区大棚供暖技术还比较落后，大棚供暖依然面临成本高，污染严重，效果不好的现象。除此之外，为了降低大棚建造时的初投资，大棚的围护结构往往由塑料
薄膜或者玻璃板简单搭建而成，因此冬季大棚内热负荷需求很大。
[0003] 传统的燃
煤取暖污染较高，热
风取暖
温度不均匀，因此，随着环境污染的日益严重，
能源逐渐短缺，国家大
力推行节能减排、治理雾霾等政策，各地政府也纷纷出台取代传统燃煤
锅炉、减排降耗的应对方法。随着政策的推行以及农户的积极响应，
温室大棚采暖中最常用的
热风炉、燃煤采暖炉等采暖方式将逐渐被新型的供暖系统所代替，对清洁能源的开发利用是今后大棚取暖的一大趋势。
[0004] 地源热泵是一种利用地下浅层
地热资源的高效节能环保的能源利用技术，可以通过输入少量高品位
电能实现
能量从低温热源向高温热源的转移。北方地区的冬季热负荷远远高于夏季的冷负荷，而
土壤的热恢复能力有限，因此，单一的地源热泵长期运行则会面临土壤温度下降的问题，导致其
蒸发温度降低，从而影响其COP。
[0005] 太阳能作为一种世界公认的清洁能源，由于其可以直接开发利用、便于采集以及无限可再生的特点，应用十分广泛。但单一的太阳能则受天气影响较大，具有间歇性和不可靠性，在长期阴雨连绵的时期和夜间都无法为大棚提供连续的、稳定的、高
密度的能源。
[0006]
专利号为ZL201710830052.5的中国专利公开了一种太阳能地源热泵联合供能系统及其运行控制方法。该系统包括了太阳能集热系统、地源热泵系统以及地埋管系统等等。通过计算太阳能以及地源热泵联合运行的参数，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。在用户需要生活热
水的时间段，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；在用户不需要生活热水的时间段，则通过换热器将
太阳能集热器中的热量传递给
地埋管换热器并输送到土壤中，对土壤进行补热过程。该系统存在的问题是，当用户末端较为分散时，他们的用热没有规律可循，不能实现用热和补热的规律切换。同时，如果用户用热的时间远远大于非用热时间，土壤的温度依然呈现下降的趋势，太阳能补热的效果大打折扣。
[0007] 专利号为ZL201120402886.4的中国专利公开了一种太阳能光热与地源热泵结合系统。该系统包括了太阳能光热辅助系统、地源热泵系统、室内采暖系统以及控制装置等等。当阳光充足，太阳能集热器温度较高时，其将热量储存在储热水箱中，并通过换热器将热量转移给地埋管系统，使土壤的温度场得以较快的恢复。当太阳能光热辅助系统不能满足建筑无需求是，则采用地源热泵系统为其供暖。该系统存在的问题是，采用水箱储存热量，对水质有一定的要求，因此管路设计复杂，并且，储热量较少。
发明内容
[0008] 针对上述
现有技术存在的问题，本发明提出一种梯级相变储能复合太阳能和地源热泵系统，用于农业大棚供暖，利用供回水温差提高了地源侧进口的温度，从而提高其蒸发温度，实现太阳能及
地热能的储存再利用，解决目前北方地区地源热泵cop较低的问题。
[0009] 本发明的一种梯级相变储能复合太阳能和地源热泵系统，该系统包括太阳能环路和地源热泵环路这两个独立环路；其中：
[0010] 在所述太阳能系统的独立环路中，太阳能集热器1产生的热水经过第一止回
阀V1及第一三通
电磁阀V2后分成两路，一路流经第一水泵9、第三三通电磁阀V7进入供暖末端的盘
管式换热器3为室内供暖；另一路则经过第三电磁阀V11和第三止回阀V12进入梯级相变储热箱2
自上而下依次进入三个储能模
块将多余的热量储存起来；两路在第二三通电磁阀V3处汇合，汇合后温度较低的回水通过第二水泵10进入储热水箱7，低温水从储热水箱7经过第五电磁阀V15、第二止回阀V4与
自来水混合降低水温，其中补水通过第一电磁阀V5进入循环，汇合后更低温的热水进入地热盘管8，给作物根部供暖，再经过第二电磁阀V6回到太阳能集热器1；
[0011] 在所述地源热泵环路中，地源热泵4通过第四水泵12以及第五三通电磁阀V9后分成两路，一路经过第三三通电磁阀V7进入位于供暖末端的盘管式换热器3为室内供暖；另一路则是进入梯级相变储热箱2的最后一个储能模块将热量储存起来，同样，两路回水经第六三通电磁阀V10汇合回到地源热泵4；
[0012] 所述梯级相变储热箱2与所述盘管式换热器3直接连接；所述第一三通电磁阀V2两端分别设置第三、第四温度
传感器15、16；所述梯级相变储热箱2的三个模块中分别设置有第五至第七温度传感器17、18、19，所述第一电磁阀V5两侧分别设置第一、第二温度传感器13、14；
[0013] 该系统包括以下三种模式：
[0014] 夜间地源热泵供暖及储能模式：第五三通电磁阀V9、第六三通电磁阀V10开启，第三三通电磁阀V7开启Ⅰ、Ⅱ
接口，第四三通电磁阀V8开启Ⅰ、Ⅱ接口，开启第三、第四水泵11、12，通过盘管式换热器3为大棚室内供暖，并将多余的热量储存在相变储热箱里；当第七温度传感器19数值高于35℃
相变材料的相变温度时，关闭第五三通电磁阀V9及第六三通电磁阀V10的Ⅲ接口；当大棚地温过低，作物根部出现冻裂或者结霜现象时，则开启第四三通电磁阀V8的Ⅲ接口，第二三通电磁阀阀
门V3的Ⅰ、Ⅱ接口、第二止回阀V4、第二电磁阀V6、第一止回阀V1、第一三通电磁阀V2的Ⅰ、Ⅱ接口以及第一水泵9、第二水泵10；
[0015] 白天太阳能供暖及储能模式：第一止回阀V1、第一三通电磁阀V2、第三三通电磁阀V7的Ⅰ、Ⅲ接口、第四三通电磁阀V8的Ⅰ、Ⅲ接口、第二三通电磁阀V3、第二止回阀V4、第二电磁阀V6及第二电磁阀V11、第三止回阀V12开启，通过盘管式换热器3为大棚室内供暖，并将多余的热量储存在梯级相变储热箱2里，依次流经三个相变模块进行储热；当第五、六、七温度传感器17、18、19的读数均高于其相变材料的相变温度时，关闭第一三通电磁阀V2及第二三通电磁阀V3的Ⅲ接口以及第二电磁阀V11、第三止回阀V12，储能结束；同时根据第一温度传感器13的读数，来判断是否开启第一电磁阀V5，进行补水，根据第二温度传感器14的读数，来控制第一电磁阀阀门V5的开度；
[0016] 白天相变储能箱供暖模式：当阴天或者太阳能不够充足的时候，开启第四止回阀V14、第四电磁阀V13、第三止回阀V2的Ⅱ、Ⅲ接口，第三三通电磁阀V7的Ⅰ、Ⅲ接口以及第四三通电磁阀V8的Ⅰ、Ⅲ接口、第二三通电磁阀V3的Ⅱ、Ⅲ接口，令高温热水从相变储热箱的第一模块流出，进入盘管式换热器对大棚室内进行供暖。较低温度回水则流入相变储热箱的第三模块，完成一个循环。
[0017] 所述地源热泵4的地源侧设置有两种
热交换器即垂直热交换器5和水平热交换器6。
[0018] 从所述梯级相变储热箱2流出的高温热水经阀门第四止回阀V14、第四电磁阀V13、第一三通电磁阀V2、第三三通电磁阀V7及第一水泵9进入盘管式换热器3，为室内供暖，再经过第四三通电磁阀V8、第二三通电磁阀V3回到梯级相变储热箱2，为一个循环。
[0019] 所述梯级相变储热箱2由三种不同温度的相变材料结合而成，分别是55℃相变材料、45℃相变材料以及35℃相变材料，其温差不超过10℃。
[0020] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0021] 1、本发明充分利用了地热和太阳能两种可再生资源，减少了煤炭等不
可再生能源的消耗，同时相变储能箱起到了
削峰填谷的作用，解决了大棚供暖能源短缺、污染严重以及运行成本高的问题。
[0022] 2、本发明提供的联合供暖系统，由于在用能侧回水管与地源热泵地源侧设一储热水箱，储存部分热量，同时兼顾换热器的作用。一是可以通过控制水箱出水的流量与补水混合，降低水温，从而避免温度过高对作物造成危害，二是降低太阳能的回水温度，增大其温差，提高太阳能集热器的换热效率；三是可以使得地源热泵侧持续换热，提高了地源侧入口的进水温度，从而提高了地源热泵的蒸发温度，进而提高地源热泵的cop。
[0023] 3、根据天气情况，电价情况以及梯级储能箱内的储能情况、切换运行模式，保证本发明系统的运行为高效率、低成本、供暖效果良好。
[0024] 4、本发明提供的一种用于农业大棚供暖的梯级相变储能复合太阳能和地源热泵系统，在作物之间铺设有地热盘管，可以提高大棚内的地温，从而提高作物根部温度，避免蔬菜秧苗地上茎叶生长发育较快，而地下根部生长发育缓慢，导致了蔬菜秧苗的瘦苗、弱苗。
[0025] 5、本发明提供的一种用于农业大棚供暖的梯级相变储能复合太阳能和地源热泵系统，可用于用于一般大棚的供暖，适用范围广泛。
附图说明
[0026] 图1是本发明的一种梯级相变储能复合太阳能和地源热泵系统的整体构造示意图。
[0027] 附图标记：
[0028] 1、太阳能集热器，2、梯级相变储热箱，3、盘管式换热器，4、地源热泵，5、垂直热交换器(地埋管)，6、水平热交换器(地埋管)，7、储热水箱，8、地热盘管，9、10、11、12、第一至第四水泵，13、14、15、16、17、18、19、第一至第七温度传感器，V1、V4、V12、V14、第一至第四止回阀，V5、V6、V11、V13、V15、第一至第五电磁阀，V2、V3、V7、V8、V9、V10、第一至第六三通电磁阀。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和
实施例对本发明技术方案进行详细描述。
[0030] 如图1所示，为本发明的一种梯级相变储能复合太阳能和地源热泵系统的整体构造示意图。该系统主要包括太阳能集热器1、梯级相变储热箱2、盘管式换热器3、地源热泵4、由垂直热交换器5和水平热交换器6构成的热交换器、储热水箱7、地热盘管8以及第一至第四水泵9、10、11、12以及各种阀门等部件。具体构造和各部分的
位置关系描述如下：
[0031] 太阳能集热器1和地源热泵4是两个独立的环路。
[0032] 太阳能集热器1产生的热水经过第一止回阀V1及第一三通电磁阀V2后分成两路，一路流经第一水泵9、第三三通电磁阀V7进入供暖末端的盘管式换热器3为室内供暖；另一路则经过第三电磁阀V11和第三止回阀V12进入梯级相变储热箱2自上而下依次进入三个储能模块将多余的热量储存起来。低温回水与上一支路在第二三通电磁阀V3处汇合，汇合后温度较低的回水再通过第二三通电磁阀V3以及储热水箱7进入地热盘管8给作物根部供暖，再经过第二电磁阀V6回到太阳能集热器1。
[0033] 地源热泵4通过第四水泵12以及第五三通电磁阀V9后分成两路，一路经过第三三通电磁阀V7进入位于供暖末端的盘管式换热器3为室内供暖；另一路则是进入梯级相变储热箱2的最后一个储能模块将热量储存起来，同样，两路回水经第六三通电磁阀V10汇合回到地源热泵4完成一个循环。
[0034] 地源热泵4的地源侧设置有两种热交换器包括水平热交换器6以及垂直热交换器5，两者交替运行，提高土壤恢复的能力；同时，作物间铺设的地热盘管8也会给土壤蓄能，从而提高土壤温度恢复的速度。
[0035] 从相变储能箱2流出的高温热水，经阀门第四止回阀V14、第四电磁阀V13、第一三通电磁阀V2、第三三通电磁阀V7及第一水泵9进入盘管式换热器3为室内供暖，再经过第四三通电磁阀V8、第二三通电磁阀V3回到梯级相变储热箱2，完成一个循环。
[0036] 梯级相变储热箱2由三种不同温度的相变材料结合而成，分别是55℃相变材料、45℃相变材料以及35℃相变材料，其温差不超过10℃。从太阳能集热器1来的热水由于温度较高，先流经55℃的相变模块，与其充分换热，再依次进入其他两个相变模块。而从地源热泵4来的热水由于温度较低，直接进入35℃的相变模块与其换热后流回。同时，三个相变模块里边分别内置有第五、六、七温度传感器17、18以及19，它们与外部
控制器相连接，便于读取内部温度数值。当所读取的温度高于相变温度，则认为蓄热量充足，从而关闭第一三通电磁阀阀门V2的Ⅲ接口或者是第五三通电磁阀V9的Ⅲ接口。
[0037] 为了防止回水温度过高对作物生长不利，在第二水泵10前设立一储热水箱7，并通过第五电磁阀V15控制流量，当第一温度传感器13的数值过高，则开启第一电磁阀V5进行补水，降低水温，通过判断第二温度传感器14的读数，来控制第一电磁阀V5的开度，从而调节进入地热盘管8的水的温度。
[0038] 所述太阳能集热器1为平板集热器、
真空管式集热器或者
热管式集热其中的一种，通过
支架安装在大棚顶部；太阳能集热器1内的水仍然是循环的，这样可以避免管道冻裂[0039] 所述用户末端为盘管式换热器3以及地热盘管8，热水首先流经盘管式换热器3，通过
对流的方式为大棚内供暖，其次流经地热盘管8，以维持作物生长所需根部温度；在两者之间装设温度传感器及补水装置，避免水温过高，对作物造成损坏。
[0040] 所述地源侧分别设立水平地埋管和垂直地埋管，所述的供暖侧回水与地源侧供水之间设一储热水箱。
[0041] 所述的在夜间，太阳能集热器内水仍然是循环的，这样可以避免管道冻裂[0042] 所述的梯级相变储热水箱由三种温度的相变材料构成。
[0043] 本发明的工作过程如下：
[0044] 夜间地源热泵供暖及储能模式：第五三通电磁阀V9、第六三通电磁阀V10开启，第三三通电磁阀V7开启Ⅰ、Ⅱ接口，第四三通电磁阀V8开启Ⅰ、Ⅱ接口，开启第三、第四水泵11、12，通过盘管式换热器3为大棚室内供暖，并将多余的热量储存在相变储热箱里。当第七温度传感器19数值高于35℃相变材料的相变温度时，关闭第五三通电磁阀V9及第六三通电磁阀V10的Ⅲ接口。当大棚地温过低，作物根部出现冻裂或者结霜现象时，则开启第四三通电磁阀V8的Ⅲ接口，第二三通电磁阀阀门V3的Ⅰ、Ⅱ接口、第二止回阀V4、第二电磁阀V6、第一止回阀V1、第一三通电磁阀V2的Ⅰ、Ⅱ接口以及第一水泵9、第二水泵10。
[0045] 白天太阳能供暖及储能模式：第一止回阀V1、第一三通电磁阀V2、第三三通电磁阀V7的Ⅰ、Ⅲ接口、第四三通电磁阀V8的Ⅰ、Ⅲ接口、第二三通电磁阀V3、第二止回阀V4、第二电磁阀V6及第二电磁阀V11、第三止回阀V12开启，通过盘管式换热器3为大棚室内供暖，并将多余的热量储存在梯级相变储热箱2里，依次流经三个相变模块进行储热。当第五、六、七温度传感器17、18、19的读数均高于其相变材料的相变温度时，关闭第一三通电磁阀V2及第二三通电磁阀V3的Ⅲ接口以及第二电磁阀V11、第三止回阀V12，储能结束。同时根据第一温度传感器13的读数，来判断是否开启第一电磁阀V5，进行补水，根据第二温度传感器14的读数，来控制第一电磁阀阀门V5的开度。
[0046] 白天相变储能箱供暖模式：当阴天或者太阳能不够充足的时候，开启第四止回阀V14、第四电磁阀V13、第三止回阀V2的Ⅱ、Ⅲ接口，第三三通电磁阀V7的Ⅰ、Ⅲ接口以及第四三通电磁阀V8的Ⅰ、Ⅲ接口、第二三通电磁阀V3的Ⅱ、Ⅲ接口，令高温热水从相变储热箱的第一模块流出，进入盘管式换热器对大棚室内进行供暖。较低温度回水则流入相变储热箱的第三模块，完成一个循环。
[0047] 本发明提供的梯级相变储热箱，相比传统的储能水箱，该储能箱由三种相变材料构成。太阳能高温热水分别流经55度、45度、35度相变材料，可以使其充分换热，减少 损失，而地源热泵用户侧水温较低，因此仅与35度相变材料相连。此相变储热箱相利用谷价电将夜晚地源热泵的热量储存起来，白天加以利用，减少了大棚供暖的运行成本。
