本發(fā)明屬于太陽能淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)及運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著城市化建設(shè)的持續(xù)發(fā)展以及人們對(duì)居住、工作環(huán)境舒適性要求的不斷提高，迎來了建筑行業(yè)的快速成長，建筑能耗呈現(xiàn)出持續(xù)上升的態(tài)勢(shì)。我國建筑能耗占全社會(huì)終端能耗的比例已從20世紀(jì)70年代末的10％上升到30％左右。其中北方地區(qū)的冬季采暖為建筑能耗的主要部分，每年消耗約1.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上。目前，供熱采暖仍是以消耗化石燃料為主，使得溫室氣體及各種有害物質(zhì)大量排放，生態(tài)環(huán)境不斷受到威脅，也是采暖期霧霾天頻繁出現(xiàn)的罪魁禍?zhǔn)?，特別在城鄉(xiāng)接合部與廣大農(nóng)村地區(qū)的原煤散燒，導(dǎo)致大范圍的空氣污染。因此，盡可能的利用清潔能源，加快提高清潔供暖比重已成為國家能源工作的新重點(diǎn)。
太陽能取之不盡、用之不竭，無須開采和運(yùn)輸，是開發(fā)和利用新能源與可再生能源的重要內(nèi)容，有著巨大的市場(chǎng)前景。我國太陽能資源十分豐富，三分之二的地區(qū)年輻射總量大于5020mj/m2，年日照時(shí)數(shù)在2200h以上，具有有效開發(fā)利用的良好條件。低溫太陽能的熱利用是最直接的方案，發(fā)展也最為迅速，太陽能熱水器、采暖技術(shù)等越來越受到人們的重視。我國主要采暖區(qū)在北方，又恰好是太陽能資源比較豐富的地區(qū)。尤其是在需要采暖的季節(jié)，晴天比較多，為太陽能采暖提供了基本的條件。太陽能采暖是指以太陽能作為采暖系統(tǒng)的熱源，利用太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，供給建筑物冬季采暖。與單純的太陽能熱水供應(yīng)相比，我國太陽能供熱采暖技術(shù)以及工程應(yīng)用水平較低。大多以優(yōu)先發(fā)展被動(dòng)式太陽能采暖為主，而主動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)在我國的發(fā)展一直比較緩慢，其工程應(yīng)用仍處于起步階段。這主要是由于太陽能能流密度低，日照時(shí)間有限，易受氣候的影響，且冬夏能量不均衡，造成傳統(tǒng)的太陽能采暖系統(tǒng)運(yùn)行溫度低，集熱器安裝面積大，需要增設(shè)輔助熱源，蓄能困難與非采暖期熱量過剩等問題，都直接或間接的影響到其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及可靠性。
此外，近年發(fā)展起來的地源熱泵作為一種利用可再生能源的暖通空調(diào)技術(shù)，為電能采暖開辟了一條新途徑。所謂地源熱泵是指以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩矗伤礋岜脵C(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵可以一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣，運(yùn)行效率高，維護(hù)費(fèi)用低，環(huán)境效益顯著，因此在2005年后，隨著我國對(duì)可再生能源應(yīng)用與節(jié)能減排工作的不斷加強(qiáng)，地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)入了爆發(fā)式的快速發(fā)展階段。截止2013年，住建部公布的示范項(xiàng)目達(dá)到324個(gè)，以北方供熱居多，各種類型建筑以及熱泵形式都有應(yīng)用，但大多用于城市城郊，農(nóng)村很少。地源熱泵的單獨(dú)運(yùn)行存在著冷熱不平衡與初投資較高兩個(gè)重要的缺點(diǎn)。地源熱泵的應(yīng)用必須要遵循因地制宜的原則，對(duì)全年冷、熱負(fù)荷不均的地區(qū)，需做經(jīng)濟(jì)性技術(shù)分析，確定是否要增設(shè)輔助熱源或冷源，使兩者合理匹配，以保證整個(gè)系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。避免因冷熱負(fù)荷不均，地源熱泵向地下排放和吸收的熱量不等，長期運(yùn)行造成地下環(huán)境偏離原有的平衡狀態(tài)，形成冷熱島效應(yīng)，降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率，甚至不能正常運(yùn)行。此外，地源熱泵系統(tǒng)盡管運(yùn)行費(fèi)運(yùn)低，但初投資較高，因此如何合理的降低初投資及運(yùn)行費(fèi)用也是地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用中值探討的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
我國建筑采暖區(qū)主要集中在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，包括東北、華北和西北等地區(qū)，其面積約占我國國土面積的70％。為了探尋適宜于廣大北方地區(qū)的新型采暖技術(shù)和替代能源，將熱水型太陽能采暖、地源熱泵、低溫發(fā)電技術(shù)有機(jī)的耦合在一起，構(gòu)成太陽能淺層地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能資源全年范圍內(nèi)最大化及跨季節(jié)的利用，采暖期采暖，非采暖期發(fā)電儲(chǔ)能，同時(shí)還可以根據(jù)需要提供生活熱水。有效的解決傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)中運(yùn)行溫度低，集熱器安裝面積大，需要增設(shè)輔助熱源，蓄能困難與非采暖期熱量過剩等技術(shù)難點(diǎn)，以及地源熱泵采暖系統(tǒng)中冷熱不平衡與初投資較高的問題。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)，包括儲(chǔ)水箱、第一水泵、太陽能集熱器、低位側(cè)換熱器、壓縮膨脹雙功能機(jī)頭、永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)、高位側(cè)換熱器、膨脹閥、工質(zhì)泵、地下低位熱源熱匯系統(tǒng)和第二水泵；上述各設(shè)備和閥體之間通過連接管路連接，連接關(guān)系是：所述儲(chǔ)水箱內(nèi)設(shè)有兩路盤管，從而將所述儲(chǔ)水箱的腔體分為殼程、第一個(gè)管程和第二管程，所述儲(chǔ)水箱的殼程設(shè)有兩組進(jìn)出口，所述太陽能集熱器的出口端經(jīng)過所述儲(chǔ)水箱的殼程后經(jīng)過所述第一水泵后連接至所述太陽能集熱器的進(jìn)口端，形成太陽能熱水循環(huán)管路；所述儲(chǔ)水箱的殼程通過所述第二水泵與高位側(cè)換熱器的水側(cè)連接，形成地源熱泵熱水循環(huán)管路；所述儲(chǔ)水箱的第一管程串聯(lián)在采暖供-回水管路上，所述儲(chǔ)水箱的第二管程串聯(lián)在自來水管路與生活熱水管路之間；采暖供水管路、采暖回水管路、自來水管路和生活熱水管路上均設(shè)有截止閥；所述壓縮膨脹雙功能機(jī)頭與所述永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)連接；所述低位側(cè)換熱器的工質(zhì)側(cè)的出口端通過所述壓縮膨脹雙功能機(jī)頭后連接至所述高位側(cè)換熱器的工質(zhì)側(cè)的進(jìn)口端，所述高位側(cè)換熱器的工質(zhì)側(cè)的出口端與所述低位側(cè)換熱器的工質(zhì)側(cè)的進(jìn)口端并聯(lián)有第一旁路和第二旁路，其中，第一旁路上設(shè)有膨脹閥，第一旁路上，位于所述膨脹閥的進(jìn)口處設(shè)有一個(gè)截止閥，位于所述膨脹閥的出口處設(shè)有熱泵單向閥，從而形成地源熱泵工質(zhì)側(cè)循環(huán)管路；第二旁路上設(shè)有工質(zhì)泵，第二旁路上，位于所述工質(zhì)泵的進(jìn)口處設(shè)有一個(gè)截止閥，位于所述工質(zhì)泵的出口處設(shè)有發(fā)電單向閥，從而形成低溫發(fā)電工質(zhì)側(cè)循環(huán)管路；所述低位側(cè)換熱器的水側(cè)串聯(lián)在所述地下低位熱源熱匯系統(tǒng)供-回水管路上。
利用上述熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)，通過調(diào)整閥門的導(dǎo)通或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)在采暖期利用太陽能地源熱泵供暖供熱水，在非采暖期利用太陽能發(fā)電并提供熱水；即，在采暖期，關(guān)閉第二旁路上的截止閥，同時(shí)，打開其他截止閥，進(jìn)入太陽能地源熱泵供暖供熱水模式運(yùn)行；在非采暖期，關(guān)閉設(shè)置在采暖供水管路、采暖回水管路和第一旁路上的截止閥，同時(shí)，打開其他截止閥，進(jìn)入熱水型太陽能發(fā)電供熱水模式運(yùn)行。
進(jìn)一步講，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)太陽能地源熱泵供暖供熱水運(yùn)行的步驟是：?jiǎn)?dòng)第一水泵將儲(chǔ)水箱中的水打入太陽能集熱器中吸熱升溫后送回儲(chǔ)水箱，完成太陽能熱水循環(huán)；同時(shí)，啟動(dòng)永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)以電動(dòng)模式運(yùn)行驅(qū)動(dòng)壓縮膨脹雙功能機(jī)頭以壓縮模式運(yùn)行將低位側(cè)換熱器中產(chǎn)生的干飽和氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)加壓升溫后進(jìn)入高位側(cè)換熱器中放熱凝結(jié)為飽和液體，經(jīng)過第一旁路上的截止閥，進(jìn)入膨脹閥降壓降溫為低干度濕蒸氣，然后，再經(jīng)過熱泵單向閥后被引入到低位側(cè)換熱器中吸熱蒸發(fā)為干飽和蒸氣，完成地源熱泵工質(zhì)側(cè)循環(huán)；在地源熱泵的低位水側(cè)，地下低位熱源熱匯系統(tǒng)制備的低位熱源水通過熱源水供水管路進(jìn)入低位側(cè)換熱器放熱降溫后從熱源水回水管路回到地下低位熱源熱匯系統(tǒng)完成循環(huán)；在地源熱泵的高位水側(cè)，啟動(dòng)第二水泵，將儲(chǔ)水箱中的水打入高位側(cè)換熱器中吸熱升溫后送入儲(chǔ)水箱完成地源熱泵熱水循環(huán)；采暖回水經(jīng)過進(jìn)入儲(chǔ)水箱中的第一管程吸熱升溫后排出為采暖供水，完成供暖水循環(huán)；自來水進(jìn)入儲(chǔ)水箱中的第二管程吸熱升溫后排出提供生活熱水。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)熱水型太陽能發(fā)電供熱水運(yùn)行的步驟是：?jiǎn)?dòng)第一水泵將儲(chǔ)水箱中的水打入太陽能集熱器中吸熱升溫后送回儲(chǔ)水箱完成太陽能熱水循環(huán)，用于低溫發(fā)電與生活熱水供應(yīng)；啟動(dòng)工質(zhì)泵，低位側(cè)換熱器中產(chǎn)生的飽和液態(tài)有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過截止閥(v6)進(jìn)入工質(zhì)泵被加壓升溫后，經(jīng)過發(fā)電單向閥打入高位側(cè)換熱器中吸熱蒸發(fā)為高壓高溫的干飽和蒸氣，進(jìn)入壓縮膨脹雙功能機(jī)頭以膨脹模式運(yùn)行，同時(shí)驅(qū)動(dòng)永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)以發(fā)電模式運(yùn)行產(chǎn)生電能并輸出，膨脹后的低壓低溫氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入低位側(cè)換熱器中凝結(jié)為飽和液體完成低溫發(fā)電工質(zhì)側(cè)循環(huán)；在低溫發(fā)電低位水側(cè)，地下低位熱源熱匯系統(tǒng)制備的低位冷源水通過冷源水供水管路進(jìn)入低位側(cè)換熱器吸熱升溫后從冷源水回水管路回到地下低位熱源熱匯系統(tǒng)完成循環(huán)；在低溫發(fā)電高位水側(cè)，啟動(dòng)第二水泵將儲(chǔ)水箱中的水打入高位側(cè)換熱器中放熱降溫后送回儲(chǔ)水箱，完成低溫發(fā)電熱水循環(huán)；自來水進(jìn)入儲(chǔ)水箱中的第二管程吸熱升溫后排出提供生活熱水。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明提出的熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)及運(yùn)行方法利用熱水型太陽能采暖、地源熱泵以及有機(jī)朗肯循環(huán)低溫發(fā)電技術(shù)的有機(jī)耦合，構(gòu)成太陽能淺層地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)在采暖期采暖，非采暖期實(shí)施太陽能熱發(fā)電并向地下儲(chǔ)能，同時(shí)還可以根據(jù)需要全年提供生活熱水的功能。其主要有益效果如下：
1.熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)利用太陽能與淺層地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)采暖期采暖，非采暖期發(fā)電，全年供熱水的建筑需求，是適宜于我國廣大北方地區(qū)采暖的可再生能源新型應(yīng)用技術(shù)，可有效的改善傳統(tǒng)采暖方式給我國能源與環(huán)境帶來的雙重壓力。同時(shí)地源熱泵與低溫發(fā)電系統(tǒng)的有機(jī)耦合，也降低了常規(guī)的太陽能地源熱泵復(fù)合式采暖系統(tǒng)的初投資以及設(shè)備長期閑置帶來的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。
2.熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)有效的解決了由于太陽能能流密度低，日照時(shí)間有限，易受氣候的影響，且冬夏能量不均衡，造成的傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)運(yùn)行溫度低，集熱器安裝面積大，需要增設(shè)輔助熱源，蓄能困難與非采暖期熱量過剩等問題。例如，若建筑采暖末端選用普通散熱器，供熱溫度要求在70℃以上，而市場(chǎng)上大量銷售的太陽能集熱器，冬季集熱溫度一般在50～70℃之間。因此，常規(guī)的太陽能采暖系統(tǒng)末端形式大多選用供水溫度要求更低的地板輻射系統(tǒng)或者是水-空氣處理設(shè)備，但造價(jià)相對(duì)較高。但是本系統(tǒng)可以通過調(diào)控地源熱泵的運(yùn)行狀態(tài)，適時(shí)的調(diào)節(jié)儲(chǔ)水箱的熱水溫度，使采暖供水達(dá)到各種末端設(shè)備的溫度要求；太陽能采暖往往需要較大面積的太陽能集熱器，但對(duì)于大部分建筑卻沒有足夠的位置來安裝能夠擔(dān)負(fù)起整棟建筑負(fù)荷的太陽能集熱器，這就需要增設(shè)輔助熱源，常用的有電加熱，燃煤、燃?xì)狻⑷疾癫蒎仩t，熱泵加熱等，致使系統(tǒng)的太陽能保證率相對(duì)較低，且沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的可再生能源采暖。而本系統(tǒng)以地源熱泵作為太陽能采暖系統(tǒng)的第二熱源，是利用太陽能與淺層地?zé)崮艿募兦鍧嵞茉床膳夹g(shù)。在非采暖期，利用低溫發(fā)電技術(shù)將太陽能儲(chǔ)存在淺層地?zé)崮苤?，而在采暖期，利用地源熱泵將?chǔ)存在地下的太陽能提取出來供給采暖，實(shí)現(xiàn)低面積大負(fù)荷的太陽能集熱器采暖技術(shù)。因此可以根據(jù)建筑實(shí)際情況，極大的減少太陽能集熱器的安裝面積；配套的蓄能技術(shù)不成熟是我國太陽能采暖系統(tǒng)發(fā)展緩慢的重要原因。而本系統(tǒng)根據(jù)建筑實(shí)際降低了太陽能保證率，主要利用地源熱泵與太陽能同時(shí)進(jìn)行采暖，使得整個(gè)采暖過程可控可調(diào)，無須太陽能蓄能裝置，系統(tǒng)可靠性高；太陽能季節(jié)能量不均衡，會(huì)造成非采暖期熱量的大量浪費(fèi)，還會(huì)給系統(tǒng)造成損害。因此，非采暖季熱量過剩嚴(yán)重影響了太陽能采暖事業(yè)的發(fā)展。而本系統(tǒng)基于有機(jī)朗肯循環(huán)利用非采暖期太陽能集熱器中產(chǎn)生的大量低溫?zé)崴敵銮鍧嶋娔芄┙o建筑使用，并將剩余的熱量存儲(chǔ)在淺層地?zé)崮苤?，以備采暖期建筑采暖所需，?shí)現(xiàn)了太陽能的最大化、跨季節(jié)應(yīng)用，也徹底解決了非采暖期熱量過剩帶來的困擾。
3.熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)有效的解決了傳統(tǒng)地源熱泵采暖系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行冷熱不平衡與初投資較高的缺點(diǎn)。例如，我國建筑采暖區(qū)主要集中在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，建筑熱負(fù)荷往往大于冷負(fù)荷，甚至很多地區(qū)都沒有制冷需求，再加上部分建筑的生活熱水需求，造成建筑熱負(fù)荷明顯大于冷負(fù)荷。如果單獨(dú)的利用地源熱泵進(jìn)行建筑采暖，將嚴(yán)重導(dǎo)致地下收支熱量不等，長期運(yùn)行造成地下環(huán)境偏離原有的平衡狀態(tài)，形成冷熱島效應(yīng)，降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率，甚至不能正常運(yùn)行。而本系統(tǒng)將太陽能采暖、地源熱泵與低溫發(fā)電技術(shù)進(jìn)行有機(jī)耦合，合理設(shè)計(jì)，使得向地下排放和吸收的熱量相等，以免造成淺層地?zé)崮艿臒嵛廴?，保證整個(gè)系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行；此外，與單獨(dú)運(yùn)行的地源熱泵供暖系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)初投資相對(duì)較低，在非采暖期還可以得到清潔電能供建筑使用。
附圖說明
圖1是本發(fā)明熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)示意圖；
圖中：
1-儲(chǔ)水箱2-第一水泵3-太陽能集熱器
4-低位側(cè)換熱器5-壓縮膨脹雙功能機(jī)頭6-永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)
7-高位側(cè)換熱器8-膨脹閥9-工質(zhì)泵
10-地下低位熱源熱匯系統(tǒng)11-第二水泵v1～v6-均為截止閥
c1-熱泵單向閥c2-發(fā)電單向閥
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是：將熱水型太陽能采暖、地源熱泵以及有機(jī)朗肯循環(huán)低溫發(fā)電技術(shù)有機(jī)的耦合在一起，構(gòu)成太陽能淺層地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)，完成太陽能和淺層地?zé)崮艿臒崃枯敵龌騼?chǔ)存，實(shí)現(xiàn)采暖期采暖，非采暖期發(fā)電和儲(chǔ)能的全年運(yùn)行方式，同時(shí)還可以根據(jù)需要全年提供生活熱水，實(shí)現(xiàn)太陽能資源全年范圍內(nèi)最大化及跨季節(jié)的利用。采暖期利用太陽能與淺層地?zé)崮艿墓┡^程，實(shí)現(xiàn)淺層地?zé)崮艿慕禍兀瑸楹罄m(xù)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的冷源；在非采暖期利用太陽能的熱發(fā)電過程，向地下儲(chǔ)熱，為下一個(gè)采暖期地源熱泵提供優(yōu)質(zhì)的低位熱源。相比于傳統(tǒng)的太陽能和地源熱泵采暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備供熱與發(fā)電的雙重功能，可全年運(yùn)行，同時(shí)確保了設(shè)備長年運(yùn)行中地源體系的冷熱平衡，并達(dá)到產(chǎn)能的效果。
如圖1所示，本發(fā)明提出的一種熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)，包括儲(chǔ)水箱1、第一水泵2、太陽能集熱器3、低位側(cè)換熱器4、壓縮膨脹雙功能機(jī)頭5、永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)6、高位側(cè)換熱器7、膨脹閥8、工質(zhì)泵9、地下低位熱源熱匯系統(tǒng)10和第二水泵11。
上述各設(shè)備和閥體之間通過連接管路連接，連接關(guān)系如下：
所述儲(chǔ)水箱1內(nèi)設(shè)有兩路盤管，從而將所述儲(chǔ)水箱1的腔體分為殼程、第一個(gè)管程和第二管程，所述儲(chǔ)水箱1的殼程設(shè)有兩組進(jìn)出口，所述太陽能集熱器3的出口端經(jīng)過所述儲(chǔ)水箱1的殼程后經(jīng)過所述第一水泵2后連接至所述太陽能集熱器3的進(jìn)口端，形成太陽能熱水循環(huán)管路；所述儲(chǔ)水箱1的殼程通過所述第二水泵11與高位側(cè)換熱器7的水側(cè)連接，形成地源熱泵熱水循環(huán)管路。
所述儲(chǔ)水箱1的第一管程串聯(lián)在采暖供-回水管路上，所述儲(chǔ)水箱1的第二管程串聯(lián)在自來水管路與生活熱水管路之間；采暖供水管路設(shè)有截止閥v1，采暖回水管路設(shè)有截止閥v2，自來水管路設(shè)有截止閥v3，生活熱水管路上設(shè)有截止閥v4。
所述壓縮膨脹雙功能機(jī)頭5與所述永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)6連接；所述低位側(cè)換熱器4的工質(zhì)側(cè)的出口端通過所述壓縮膨脹雙功能機(jī)頭5后連接至所述高位側(cè)換熱器7的工質(zhì)側(cè)的進(jìn)口端，所述高位側(cè)換熱器7的工質(zhì)側(cè)的出口端與所述低位側(cè)換熱器4的工質(zhì)側(cè)的進(jìn)口端并聯(lián)有第一旁路和第二旁路，其中，第一旁路上設(shè)有膨脹閥8，第一旁路上，位于所述膨脹閥8的進(jìn)口處設(shè)有一個(gè)截止閥v5，位于所述膨脹閥8的出口處設(shè)有熱泵單向閥c1，從而形成源熱泵工質(zhì)側(cè)循環(huán)管路；第二旁路上設(shè)有工質(zhì)泵9，第二旁路上，位于所述工質(zhì)泵9的進(jìn)口處設(shè)有一個(gè)截止閥v6，位于所述工質(zhì)泵9的出口處設(shè)有發(fā)電單向閥c2，從而形成低溫發(fā)電工質(zhì)側(cè)循環(huán)管路；
所述低位側(cè)換熱器4的水側(cè)串聯(lián)在所述地下低位熱源熱匯系統(tǒng)10供-回水管路上。
需要強(qiáng)調(diào)的是本發(fā)明中的壓縮膨脹雙功能機(jī)頭5主要是利用活塞機(jī)、渦旋機(jī)、螺桿機(jī)以及離心機(jī)等設(shè)備的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的壓縮與膨脹過程。永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)6是利用永磁電機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與發(fā)電過程。例如，當(dāng)永磁電機(jī)沿正方向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)頭做功時(shí)，壓縮膨脹雙功能機(jī)頭進(jìn)行壓縮過程，系統(tǒng)進(jìn)入熱泵運(yùn)行模式。反過來，當(dāng)壓縮膨脹雙功能機(jī)頭2以反方向運(yùn)行進(jìn)行膨脹過程時(shí)，便可推動(dòng)永磁電機(jī)實(shí)施發(fā)電，系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行模式。
綜上，本發(fā)明的熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)可以分為太陽能熱水系統(tǒng)，地源熱泵低溫發(fā)電一體化系統(tǒng)，供暖水系統(tǒng)以及生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)等四個(gè)主要部分。其中太陽能熱水系統(tǒng)主要由儲(chǔ)水箱1、第一水泵2以及太陽能集熱器3等組成；地源熱泵低溫發(fā)電一體化系統(tǒng)由低位側(cè)換熱器4，壓縮膨脹雙功能機(jī)頭5，永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)6，高位側(cè)換熱器7，膨脹閥8、工質(zhì)泵9、兩個(gè)單向閥、第二水泵11以及地下低位熱源熱匯系統(tǒng)10等組成；供暖水系統(tǒng)由采暖供回水管路、儲(chǔ)水箱1以及建筑供暖系統(tǒng)等組成；生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)則由自來水管路、生活熱水供水管路、儲(chǔ)水箱1以及建筑熱水供應(yīng)系統(tǒng)等組成。
在采暖期，地源熱泵低溫發(fā)電一體化系統(tǒng)以地源熱泵模式運(yùn)行，從地下低位熱源(土壤、地下水、地表水等)中提取熱量并提高其品位，聯(lián)合低溫太陽能集熱器為建筑物供暖，同時(shí)可供給生活熱水。而在非采暖期，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為低溫發(fā)電運(yùn)行模式，在保證用戶生活熱水的前提下，以土壤、地下水、地表水等淺層地?zé)崮転槔湓?熱匯)，將太陽能集熱器中吸收的低溫?zé)崮芡ㄟ^有機(jī)朗肯循環(huán)一部分轉(zhuǎn)化為電能供建筑使用，同時(shí)將冷凝器中釋放的熱量儲(chǔ)存在地下，彌補(bǔ)采暖期的熱量損失，確保地下熱量收支平衡，避免形成地下冷熱島效應(yīng)，污染淺層地?zé)崮堋?/p>
利用如圖1所示的熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)，通過調(diào)整閥門的導(dǎo)通或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)在采暖期利用太陽能地源熱泵供暖供熱水，在采暖期利用太陽能發(fā)電提供熱水；即，在采暖期，關(guān)閉第二旁路上的截止閥v6，同時(shí)，打開其他五個(gè)截止閥，即v1至v5，進(jìn)入太陽能地源熱泵供暖供熱水模式運(yùn)行；在非采暖期，關(guān)閉設(shè)置在采暖供水管路上的截止閥v1、采暖回水管路截止閥v2和第一旁路上的截止閥v5，同時(shí)，打開其他三個(gè)截止閥，即v3、v4和v6，進(jìn)入熱水型太陽能發(fā)電供熱水模式運(yùn)行。
實(shí)現(xiàn)太陽能地源熱泵供暖供熱水運(yùn)行的步驟是：
啟動(dòng)第一水泵2將儲(chǔ)水箱1中的水打入太陽能集熱器3中吸熱升溫后送回儲(chǔ)水箱1，完成太陽能熱水循環(huán)；同時(shí)，啟動(dòng)永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)6以電動(dòng)模式運(yùn)行驅(qū)動(dòng)壓縮膨脹雙功能機(jī)頭5以壓縮模式運(yùn)行將低位側(cè)換熱器4中產(chǎn)生的干飽和氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)加壓升溫后進(jìn)入高位側(cè)換熱器7中放熱凝結(jié)為飽和液體，經(jīng)過第一旁路上的截止閥v5，進(jìn)入膨脹閥8降壓降溫為低干度濕蒸氣，然后，再經(jīng)過熱泵單向閥c1后被引入到低位側(cè)換熱器4中吸熱蒸發(fā)為干飽和蒸氣，完成地源熱泵工質(zhì)側(cè)循環(huán)；在地源熱泵的低位水側(cè)，地下低位熱源熱匯系統(tǒng)10制備的低位熱源水通過熱源水供水管路進(jìn)入低位側(cè)換熱器4放熱降溫后從熱源水回水管路回到地下低位熱源熱匯系統(tǒng)10完成循環(huán)；在地源熱泵的高位水側(cè)，啟動(dòng)第二水泵11，將儲(chǔ)水箱1中的水打入高位側(cè)換熱器7中吸熱升溫后送入儲(chǔ)水箱1完成地源熱泵熱水循環(huán)；采暖回水經(jīng)過截止閥v2進(jìn)入儲(chǔ)水箱1中的第一管程吸熱升溫后經(jīng)過截止閥v1排出為采暖供水，完成供暖水循環(huán)；自來水經(jīng)過截止閥v4進(jìn)入儲(chǔ)水箱1中的第二管程吸熱升溫后經(jīng)過截止閥v3排出提供生活熱水。
實(shí)現(xiàn)熱水型太陽能發(fā)電供熱水運(yùn)行的步驟是：
啟動(dòng)第一水泵2將儲(chǔ)水箱1中的水打入太陽能集熱器3中吸熱升溫后送回儲(chǔ)水箱1完成太陽能熱水循環(huán)，用于低溫發(fā)電與生活熱水供應(yīng)；啟動(dòng)工質(zhì)泵9，低位側(cè)換熱器4中產(chǎn)生的飽和液態(tài)有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過截止閥(v6)進(jìn)入工質(zhì)泵9被加壓升溫后，經(jīng)過發(fā)電單向閥c2打入高位側(cè)換熱器7中吸熱蒸發(fā)為高壓高溫的干飽和蒸氣，進(jìn)入壓縮膨脹雙功能機(jī)頭5以膨脹模式運(yùn)行，同時(shí)驅(qū)動(dòng)永磁電動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)6以發(fā)電模式運(yùn)行產(chǎn)生電能并輸出，膨脹后的低壓低溫氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入低位側(cè)換熱器4中凝結(jié)為飽和液體完成低溫發(fā)電工質(zhì)側(cè)循環(huán)；在低溫發(fā)電低位水側(cè)，地下低位熱源熱匯系統(tǒng)10制備的低位冷源水通過冷源水供水管路進(jìn)入低位側(cè)換熱器4吸熱升溫后從冷源水回水管路回到地下低位熱源熱匯系統(tǒng)10完成循環(huán)；在低溫發(fā)電高位水側(cè)，啟動(dòng)第二水泵11將儲(chǔ)水箱1中的水打入高位側(cè)換熱器7中放熱降溫后送回儲(chǔ)水箱1，完成低溫發(fā)電熱水循環(huán)；自來水經(jīng)過截止閥v4進(jìn)入儲(chǔ)水箱1中的第二管程吸熱升溫后經(jīng)過截止閥v3排出提供生活熱水。
研究材料：以沈陽市為例，本發(fā)明熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)全年內(nèi)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境效益分析如下。
沈陽市位于東經(jīng)123.4°，北緯41.8°，是我國太陽能資源豐富的地區(qū)，水平面上全年輻射量在3780～5040mj/m2之間，相當(dāng)于129～172kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面年平均日輻射量為14.98mj/(m2·d)，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面十二月的月平均日輻射量為11.437mj/(m2·d)。沈陽市屬于我國建筑氣候分區(qū)的嚴(yán)寒地區(qū)，設(shè)計(jì)計(jì)算用供暖期天數(shù)為152天。
由于不同建筑類型對(duì)于生活熱水的需求不盡相同，因此本次計(jì)算中不涉及生活熱水的供應(yīng)。在確保地源熱泵低溫發(fā)電一體化系統(tǒng)向地下排放與吸收熱量相等的前提下，以傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面上的月平均日輻射量進(jìn)行100m2太陽能集熱器采光面積熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)采暖期供熱量、非采暖期發(fā)電量的計(jì)算。其中基于采光面積的太陽能集熱器工作效率取50％；管路和水箱的熱損失率為10％；根據(jù)課題組相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取低溫發(fā)電運(yùn)行模式機(jī)組的發(fā)電效率為6％；地源熱泵運(yùn)行模式機(jī)組的供熱系數(shù)為4.0；沈陽市現(xiàn)有建筑耗熱量指標(biāo)為32.61w/m2；供熱計(jì)量價(jià)格每千瓦時(shí)0.25元；用電電價(jià)每千瓦時(shí)0.50元；太陽能熱發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)為每千瓦時(shí)1.15元；此外，熱力與標(biāo)準(zhǔn)煤的折算系數(shù)按熱量當(dāng)量值進(jìn)行計(jì)算，而電力的折標(biāo)系數(shù)則根據(jù)電力行業(yè)2016年度發(fā)展報(bào)告取0.315kg/(kw·h)，同時(shí)取單位標(biāo)煤co2排放量為2.65kg/kg，so2排放量為1.49g/kg，nox排放量為1.37g/kg。相關(guān)計(jì)算結(jié)果表1所示。
表1熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益計(jì)算結(jié)果
從表1可以得出，以沈陽市為例，對(duì)于100m2太陽能集熱器采光面積，本發(fā)明提出的熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)采暖期供熱量為76111kw·h，可滿足674m2建筑面積的采暖需求。相比于傳統(tǒng)的集中供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)全年經(jīng)濟(jì)收益總值為15952元(全年經(jīng)濟(jì)收益總值＝采暖期供熱節(jié)省費(fèi)用-采暖期地源熱泵耗電費(fèi)用+非采暖期低溫發(fā)電產(chǎn)生的電能收益)，節(jié)省標(biāo)煤6126kg，co2、so2、nox減排量分別為16234kg、9128g、8393g。可見，熱水型太陽能淺層地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)一體化系統(tǒng)的實(shí)施將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。
盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。