用钢结构厂房屋顶光伏余热补充地下热损的地源热泵系统的制作方法

1.本发明属于加热技术，具体涉及钢结构厂房屋顶光伏余热补充地下热损的地源热泵系统。


背景技术：

2.在光伏板发电过程中，有大一部分光能转化为热能被光伏板吸收，造成光伏板温度上升。资料显示：当晶体硅太阳能光伏板每上升1℃，输出的电功率将减少0.3％-0.5％左右。尤其是设置在钢结构厂房屋顶上的光伏板，因钢结构厂房金属表面围护结构是太阳光辐射热的庞大受体，除了吸收太阳直接辐射的阳光，它还能吸收太阳散射辐射的阳光,相比其他建筑外围护结构具有更强的热传导物理性能。在夏季室外温度高、日照充足的时段，其表面温度最高可达到50℃以上，会导致其光电转换效率的严重下降。
3.在思考改善上述问题的同时，发明人注意到：严寒地区采用土壤源热泵供热与制冷的钢结构厂房，由于冬季供热与夏季制冷的时长差较大，致使地埋管换热器周边土壤温度逐年下降，严重影响了土壤源热泵的供热效率。以长春地区为例：土壤温度常年维持在7℃左右，冬季供暖期为169天，地源热泵制热时,从土壤取热时长为4056小时（169天*24小时）；而夏季昼热夜凉，空调运行时长约45天，地源热泵制冷时,向土壤放热时长仅为450小时（45天*10小时），土壤取热与放热时长差3606小时/年，这是该地区地热温场失衡的主要原因。
4.若能通过天然的土壤冷量吸收光伏板发电过程中产生的废热，通过跨季节集热存储，用于厂房冬季的供热，会有惊人的效果。利用既有的地源热泵中的地埋管换热器取热区域做为钢结构厂房所集光伏板废热的储存仓，通过蓄存钢结构厂房所集光伏板废热能和地源热泵相协同，实现钢结构厂房发电、供暖、制冷的完美组合。采用此途径，钢结构厂房光伏发电与地源热泵持续稳定运行的区域可以向全国更大范围延伸。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用钢结构厂房屋顶光伏余热补充地下热损的地源热泵系统，用于使用地源热泵系统取暖的钢结构厂房跨季节回补土壤热量，提高屋顶光伏发电效率，克服严寒地区地热温场失衡的问题，稳定地源热泵的供热效率。
6.本发明的地源热泵系统包括：吸取地源热的地埋管、安装在厂房内或厂房外遮蔽空间的热泵主机、安装在厂房内的散热器、地埋管与热泵主机之间的低温热媒循环管路、热泵主机与散热器之间的升温热媒循环管路、低温热媒循环管路上的热媒循环泵、升温热媒循环管路上的热媒循环泵及充入地埋管、热泵主机、散热器、热媒循环管路中的液态热媒。
7.其中的低温热媒循环管路包括：连接地埋管出口与热泵主机蒸发侧进口的低温热媒输送管、连接地埋管进口与热泵主机蒸发侧出口的低温热媒回流管。
8.其中的升温热媒循环管路包括：连接热泵主机冷凝侧出口与散热器进口的升温热媒输送管、连接热泵主机冷凝侧进口与散热器出口的升温热媒回流管。
9.所作的改进是：在钢结构厂房屋顶铺设集热管，集热管中充入液态热媒，在屋顶的集热管上侧再铺设光伏板，光伏板与屋顶表面板之间形成由集热管支撑的间隙。集热管进口连接集热热媒回流管，所述的集热热媒回流管连通低温热媒输送管的管腔。集热管出口连接集热热媒输送管，所述的集热热媒输送管连通低温热媒回流管的管腔。低温热媒输送管上有阀门，集热热媒输送管上有阀门，低温热媒回流管上有阀门，集热热媒回流管上有阀门。
10.所述的光伏板与控制器、蓄电池、逆变器组成光伏电源。所述的光伏电源接入热泵主机、低温热媒循环泵、升温热媒循环泵及散热器。所述的光伏电源与引入的商业电源组成可交替使用的供电电源。
11.本发明中，所使用的阀门优化方案是：低温热媒输送管上的阀门和集热热媒回流管上的阀门合并成一个安装在集热热媒回流管与低温热媒输送管连接处的三通切换阀。低温热媒回流管上的阀门和集热热媒输送管上的阀门合并成一个安装在集热热媒输送管与低温热媒回流管连接处的三通切换阀。
12.本发明中，光伏板板面与屋顶金属板板面优选间距30-100mm。
13.本发明中，厂房屋顶铺设的集热管优选按房脊至房檐方向铺设，集热管间距100-150mm。
14.本发明中，液态热媒优选汽车用冷却液，散热器优选风机盘管式散热器。
15.本发明的进一步改进是：在屋顶面板上有集热管嵌入槽，所述的集热管安装在嵌入槽中。
16.本发明的积极效果是：将光伏板连接在钢结构厂房金属屋顶的嵌入式集热管上，在光伏板与钢结构厂房金属屋顶间形成一个30-100mm的间层。充分利用金属导热系数高的特性，以及辐射和对流这三种方式为光伏板降温增强发电效率的同时，又弥补了严寒地区地源热泵冬季从土壤取热和夏季向土壤放热时长差的问题。
17.一是光伏板传导与辐射降温。将地埋管中的液态热媒循环至屋顶的嵌入式集热管，利用钢结构厂房屋顶金属板面导热系数高及热量在屋顶迅速传递的物理性能，液态热媒间接降低了屋顶金属板整体温度，在金属板屋顶形成冷辐射环境，虽然被冷却的金属板与光伏板间距在30-100mm，但加强了光伏板背面辐射换热微环境，均匀降温效果较为明显。
18.二是光伏板对流降温。光伏板与钢结构厂房屋顶之间形成的30-100mm通风间层，在金属板冷辐射环境的影响下，与周边空气形成较大的温度差，会在通风间层中形成一个持续的空气通路，当外界气流经过光伏板背面时，会带走更多的光伏板热量。
19.三是降低厂房的制冷与制热负荷。光伏板与钢结构厂房屋顶30-100mm通风间层，减少了厂房屋顶的太阳辐射总量，致使厂房内外表面温度降低，夏季可降低厂房制冷负荷，减少了空调系统的电耗。冬季日照充足的时间段，光伏板产生的热量又会给屋顶增温。夜间由于有了光伏板的遮挡，屋顶金属板向外的长波辐射散热量大幅降低，减少了钢结构厂房的热损失。
20.四是提高了土壤温度。弥补了严寒地区钢结构厂房利用地源热泵采暖，地埋管从土壤冬季取热和向土壤夏季放热时长差的问题，提高了严寒地区地源热泵在钢结构厂房的供热效率。
附图说明
21.图1为本发明的地源热泵系统整体结构图(光伏发电与地下补热模式)。
22.图2为本发明的地源热泵系统整体结构图(光伏发电与冬季供暖模式)。
具体实施方式
23.参阅图1、图2，本发明的地源热泵系统包括吸取地源热的地埋管1、安装在厂房7内的热泵主机3、安装在厂房内的风机盘管散热器12、连接地埋管出口与热泵主机蒸发侧进口的低温热媒输送管2-1、连接热泵主机蒸发侧出口与地埋管进口的低温热媒回流管2-2、连接热泵主机冷凝侧出口与风机盘管散热器进口的升温热媒输送管11-1、连接风机盘管散热器出口与热泵主机冷凝侧进口的升温热媒回流管11-2、安装在地埋管出口上的低温热媒循环泵10-1、安装在升温热媒回流管11-2上的升温热媒循环泵10-2、充入系统中的汽车用冷却液。
24.在钢结构厂房屋顶铺设集热管8。在屋顶面板上有集热管8嵌入槽，所述的集热管8安装在嵌入槽中。在屋顶的集热管上侧再铺设光伏板9，光伏板9与屋顶表面板之间形成由集热管8支撑的间隙。集热管8出口连接集热热媒输送5-2，集热热媒输送管5-2连通低温热媒回流管2-2的管腔，集热热媒输送管5-2上安装膨胀罐6。集热管8进口连接集热热媒回流管5-1，集热热媒回流管5-1连通低温热媒输送管2-1。在集热热媒回流管5-1与低温热媒输送管2-1连接处安装三通切换阀4-1。在集热热媒输送管5-2与低温热媒回流管2-2连接处安装三通切换阀4-2。。
25.所述的光伏板9与控制器13、蓄电池18、逆变器14组成光伏电源。所述的光伏电源接入热泵主机3、低温热媒循环泵10-1、升温热媒循环泵10-2及风机盘管散热器12。所述的光伏电源通过双电源切换器16、电器控制箱17与商业电源15形成与交替供电。
26.本实施例中，光伏板9板面与屋顶金属板板面优选间距40mm。
27.本实施例中，厂房屋顶铺设的集热管8优选按房脊至房檐方向铺设，集热管间距120mm。
28.本实施例的工作模式有：春夏秋三季光伏发电与地下补热模式：调整三通切换阀门4-1、4-2，开通集热管8与地埋管1之间的循环通路，关闭地埋管1与热泵主机3之间的循环通路，升温热媒回流管11-2上的循环泵10-2关闭。阳光照射光伏板9，光伏板9发电并驱动低温热媒循环泵10-1，在屋顶集热管8与地埋管1之间形成一个液态热媒的循环动力，推动液态热媒由地埋管1出口流出，经三通切换阀门4-1、集热热媒回流管5-1，进入屋顶的集热管8进口。液态热媒通过集热管8间接降低了屋顶金属板温度，在光伏板9背面形成一个冷辐射环境，降温后的屋顶金属板与光伏板9背面形成较大的换热温差，在辐射换热作用下，温度较高的光伏板9向温度较低的屋顶金属板传递热量，致使屋顶金属板温度升高，光伏板9温度得以降低。升温后的屋顶金属板与集热管8内的液态热媒形成较大的换热温差，集热管8内的液态热媒吸收热量，升温后的液态热媒沿集热热媒输送管5-2、三通切换阀门4-2进入地埋管1的进口，经地埋管1向地下土壤周围散热，致使地下土壤温度上升，液态热媒温度下降。降温后的液态热媒再次从地埋管1出口流出，重复上述循环，从而完成一次收集屋顶光伏余热向地下土壤补热的全过程。
29.冬季地下土壤取热给厂房供暖模式：冬季，室外空气温度较低，此时光伏板9发电过程中产生的热量与室外空气，屋顶金属板形成较大的换热温差，光伏板9产生的热量直接被散掉。调整三通切换阀门4-1、4-2，关闭集热管8与地埋管1之间的循环通路，开通地埋管1与热泵主机3蒸发侧之间的循环通路。优先采用光伏电源（无阳光时切换至商业电源），驱动低温热媒循环泵10-1、升温热媒循环泵10-2、热泵主机3和风机盘管散热器12。在热泵主机3与地埋管1之间形成一个液态热媒的循环动力，推动液态热媒进入地埋管1吸收地下土壤热量，吸收热量的液态热媒由地埋管1出口流出，经三通切换阀4-1，低温热媒输送管2-1进入热泵主机3的蒸发侧进后，热泵主机3吸收部分热量，液态热媒温度降低，降温后的液态热媒沿低温热媒回流管2-2、三通切换阀4-2，进入地埋管1进口再次进入地下土壤吸收热量。与此同时，在热泵主机冷凝侧，通过吸收蒸发侧液态热媒的热量，经热泵主机3压缩机做工形成升温液态热媒，升温液态热媒在升温热媒循环泵10-2的驱动下，沿升温热媒输送管11-1、进入风机盘管散热器12的进口，在风机盘管散热器12内与厂房内空气换热后，液态热媒温度降低，厂房内空气温度升高，降温后的液态热媒再沿升温热媒回流管11-2、升温热媒循环泵10-2进入在热泵主机3冷凝侧被再次加热，重复上述循环，从而完成一次从地下土壤取热给厂房供暖的全过程。

技术特征：
1.用钢结构厂房屋顶光伏余热补充地下热损的地源热泵系统，包括：吸取地源热的地埋管、安装在厂房内或厂房外遮蔽空间的热泵主机、安装在厂房内的散热器、地埋管与热泵主机之间的低温热媒循环管路、热泵主机与散热器之间的升温热媒循环管路、低温热媒循环管路上的热媒循环泵、升温热媒循环管路上的热媒循环泵及充入地埋管、热泵主机、散热器、热媒循环管路中的液态热媒，其中的低温热媒循环管路包括：连接地埋管出口与热泵主机蒸发侧进口的低温热媒输送管、连接地埋管进口与热泵主机蒸发侧出口的低温热媒回流管，其中的升温热媒循环管路包括：连接热泵主机冷凝侧出口与散热器进口的升温热媒输送管、连接热泵主机冷凝侧进口与散热器出口的升温热媒回流管,其特征是：在钢结构厂房屋顶铺设集热管，集热管中充入液态热媒，在屋顶的集热管上侧再铺设光伏板，光伏板与屋顶表面板之间形成由集热管支撑的间隙，集热管进口连接集热热媒回流管，所述的集热热媒回流管连通低温热媒输送管的管腔，集热管出口连接集热热媒输送管，所述的集热热媒输送管连通低温热媒回流管的管腔，低温热媒输送管上有阀门、集热热媒输送管上有阀门，低温热媒回流管上有阀门、集热热媒回流管上有阀门，所述的光伏板与控制器、蓄电池、逆变器组成光伏电源。2.根据权利要求1所述的用钢结构厂房屋顶光伏余热补充地下热损的地源热泵系统，其特征是：低温热媒输送管上的阀门和集热热媒回流管上的阀门合并成一个安装在集热热媒输送管与低温热媒回流管连接处的三通切换阀，低温热媒回流管上的阀门和集热热媒输送管上的阀门合并成一个安装在集热热媒输送管与低温热媒回流管连接处的三通切换阀。3.根据权利要求1或2所述的钢结构厂房屋顶光伏余热补充地下热损的地源热泵系统，其特征是：在屋顶面板上有集热管嵌入槽，所述的集热管安装在嵌入槽中。4.根据权利要求1所述的用钢结构厂房屋顶光伏余热补充地下热损的地源热泵系统，其特征是：所述的光伏电源接入热泵主机、低温热媒循环泵、升温热媒循环泵及散热器；所述的光伏电源与引入的商业电源组成可交替使用的供电电源。

技术总结
用钢结构厂房屋顶光伏余热补充地下热损的地源热泵系统，包括地埋管、热泵主机、散热器、温热媒循环管路、热媒循环泵。在钢结构厂房屋顶铺设集热管，集热管中注入热媒，在屋顶的集热管上侧铺设光伏板，光伏板与屋顶表面板形成由集热管支撑的间隙，集热热媒输送管连通低温热媒输送管的管腔，集热热媒回流管连通低温热媒回流管的管腔，热媒输送管和回流管上有阀门，所述的光伏电源接入热泵主机、循环泵及散热器。本发明的积极效果是：充分利用金属导热系数高的特性，辐射、对流和传导这三种方式为光伏板降温增强发电效率的同时，又弥补了地源热泵从土壤取热和放热时长差的问题。降低厂房的制冷与制热负荷、给土壤升温，提高了地源热泵的热效率。泵的热效率。泵的热效率。


技术研发人员：赵亮 刘晓杰 李民 赵建敏 袁志仁
受保护的技术使用者：吉林省鑫民科技有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/10/7