CN100470170C - 太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于太阳能利用与空调技术领域的一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统。包括二氧化碳热泵(制冷)系统、太阳能集热系统、室内换热系统和室外换热系统四部分通过三通阀、四通阀按系统运行路线连接构成。该系统针对春夏秋冬不同天气条件，可采用制热、制冷、热水、制热+热水、制冷+热水五种运行模式，实现热水、供冷和供热三联供；此外，由于采用二氧化碳作为热泵(制冷)工质，所以本系统具有高效、节能环保、紧凑、低成本运行的优点。

Description

太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统
技术领域
本发明属于太阳能利用与空调技术领域，特别涉及一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统。具体说是将太阳能集热系统与空气源跨临界二氧化碳循环系统相结合的综合利用太阳能-空气源的跨临界二氧化碳热泵热水与空调系统，具有制热、制冷及热水三联供的综合系统。
背景技术
二氧化碳作为一种自然物质，是较为理想的制冷剂，其优点在于无毒、不燃、具有零ODP值、温室效应很低、价格低廉、勿需回收、对环境没有不可预见的负作用等。实际上，从1866年开始至20世纪30年代，采用亚临界循环的二氧化碳制冷装置曾被广泛使用，但由于效率较低，系统工作压力高，以致设备机械强度要求高且笨重，被后来的氟利昂系统所取代。近年来提出的二氧化碳系统则采用跨临界循环，通过改进换热器、压缩机等措施，其制冷效率可接近甚至好于氟利昂系统。目前作为制冷界的一个热点研究领域，跨临界二氧化碳制冷空调系统的研究工作正在全球迅速展开，许多研究者预测二氧化碳将是下一代制冷剂。
太阳能是地球上一切能量的主要来源，也是一种无污染、无穷无尽的自然能源。我国太阳能热水器的保有量已超过2000万平方米，年产量达300万平方米，是世界上生产太阳能热水器最多的国家。但是太阳能热水器受天气变化的影响较大，这阻碍了它的进一步发展。
随着人们对舒适性要求的不断提高，生活热水的用量不断增加，产生生活热水需要的能耗约占家庭总能耗的三分之一左右。而现有技术中，对于小型户式的空气调节系统和生活热水系统一般是分离的，而空调系统也一般只在夏季和冬季使用，这就造成了设备的利用率不高，并增加了购买成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统。所谓跨临界二氧化碳循环是指二氧化碳在低于临界压力的条件下在蒸发器中吸热，而在超临界压力条件下在气体或液体冷却器中(而不是常规压缩制冷系统中的“冷凝器”)放热。所述太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统是由太阳能集热系统和空调系统复合而成的利用太阳能-空气源热泵的综合空调系统。
所述太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统的结构包括二氧化碳热泵空调系统、太阳能集热系统、室内换热系统和室外换热系统四部分；其特征在于，室外换热系统由室外空气换热器11、第四三通阀12和室外水换热器13串接，室内换热系统由室内空气换热器5与室内水换热器4串接后通过第五三通阀18和水泵17连接；室内水换热器4和室外水换热器13均通过第六三通阀19与太阳能集热器15连接，太阳能集热器15和蓄热水箱16相连。室内水换热器4通过并联的第一三通阀3接至第一四通阀2，第一四通阀2再分别和室外水换热器13、压缩机1和储液罐14连接；内部换热器8一路接在压缩机1和储液罐14之间，另一路一端直接接第二四通阀7，另一端通过节流阀9和第二四通阀7连接；室外空气换热器11通过并联的第三三通阀10连接至第二四通阀7，室内空气换热器5通过并联的第二三通阀6连接至第二四通阀7。
所述空调系统的制冷工作介质为临界二氧化碳。
本发明的有益效果将太阳能集热系统与热泵空调系统紧密配合，以适应春夏秋冬不同季节的制热、制冷、制热+热水、制冷+热水、热水等不同的需求，达到设备紧凑，节约能耗的要求。具有制热、制冷及热水三联供的综合系统。
本发明还在于提供一种环保的、高能效比的热水+空调综合系统，首先采用二氧化碳这种绿色工质，其次采用太阳能集热系统，利用了可再生的太阳能，具有节能环保的优点。
附图说明
图1为太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统结构示意图。
图1中各个部件名称分别为：1-压缩机；2—第一四通阀，7-第二四通阀；4-室内水换热器；5-室内空气换热器；8-内部换热器；9-节流阀；11-室外空气换热器；13-室外水换热器；14-储液罐；15-太阳能集热器；16-蓄热水箱；17-水泵；其余3—第一三通阀、6—第二三通阀、10—第三三通阀、12—第四三通阀、18—第五三通阀、19—第六三通阀。
图2热泵制热水运行模式原理图。
图3制冷+热水运行模式原理图。
具体实施方式
本发明提供一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，是由太阳能集热系统和空调系统复合而成的利用太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统。包括二氧化碳热泵空调系统、太阳能集热系统、室内换热系统和室外换热系统四部分(如图1所示)。
此系统在不同气候条件下，通过太阳能和热泵空调系统的协调配合，可达到制热水、制热和制冷三种功能，总的来说，此系统有5种工作模式，分别是：(1)热水工况；(2)制热工况；(3)制热+热水工况；(4)制冷工况；(5)制冷+热水工况。下面结合图1、图2、图3分别予以介绍：
(1)热水工况
a)在光照强度足够的情况下，利用太阳能集热器的热量可直接将热水加热到指定温度。此时，可切换第五三通阀门18和第六三通阀门19，使太阳能集热器15、蓄热水箱16和水泵17组成热水采集回路(如图1、图2所示)。
b)当光照强度不足时，开启压缩机，切换第一四通阀2和第二四通阀7，进入热泵工作模式。热泵系统冷端由室外空气换热器11从外界环境吸收热量，热端由室内水换热器4对水放出热量。热水回路由水泵17、第五三通阀门18、室内水换热器4、第六三通阀19、太阳能集热器15和蓄热水箱16组成。具体循环原理图如图2所示。
(2)制热工况
首先，切换第一四通阀2和第二四通阀7，进入热泵工作模式。热端通过室内空气换热器5与室内空气进行换热。
a)当蓄热水箱温度大于室外环境温度时，热泵系统冷端可同时利用空气源和水源，将室外空气换热器11与室外水换热器13串接入热泵循环。这样利用太阳能水换热器将冷源温度提高，从而提高系统制热性能系数。此时，水路循环回路由水泵17、第五三通阀门18、室外水换热器13、第六三通阀19、太阳能集热器15和蓄热水箱16组成。
b)当蓄热水箱温度小于等于室外环境温度时，室外水换热器13不再连入热泵循环，冷端只由室外空气换热器从室外环境吸收热量。
(3)制热+热水工况
a)在光照强度足够的情况下，太阳能集热器的水回路系统和热泵系统可相互独立。热水回路由太阳能集热器15、蓄热水箱16和水泵17组成。热泵冷端为室外空气换热器11，热端为室内空气换热器5，室外水换热器13和室内水换热器4都不串接入循环中。但当太阳能集热量大量富余的情况下，可暂时调节第四三通阀12，将室外水换热器13串接入热泵循环，提高冷端温度，从而提高性能系数。此时，回路组成与上述第2种制热工况的第一种情况相同。
b)当光照强度不足时，可在热泵制热的同时，暂时将室内水换热器4串接入热泵循环，此时加热热水回路由水泵17、第五三通阀门18、室内水换热器4、第六三通阀19、太阳能集热器15和蓄热水箱16组成。当蓄热水箱16到达指定温度后，就将调节第一三通阀门3，将室内水换热器4从热泵循环中断开。
(4)制冷工况
切换第一四通阀2和第二四通阀7，进入制冷工作模式。此时，制冷循环冷端为室内空气换热器5，从空气中吸收热量；热端为室外空气换热器11，向室外环境放出热量。室外水换热器13和室内水换热器4都不串接入循环中。
(5)制冷+热水工况
a)在光照强度足够的情况下，通过太阳能集热器的水回路系统和制冷系统可相互独立。热水回路由太阳能集热器15、蓄热水箱16和水泵17组成。制冷系统回路与上述第四种工况相同。
b)当光照强度不足时，切换第四三通阀门12将室外水换热器串接入制冷系统中，加热热水回路由水泵17、第五三通阀门18、室外水换热器13、第六三通阀19、太阳能集热器15和蓄热水箱16组成。当蓄热水箱16到达指定温度后，就将调节第一三通阀门3，将室内水换热器4从热泵循环中断开。这样不但利用了二氧化碳高冷却温度的优点，还回收了向室外环境的冷却散热，减小了对室外的热污染。具体循环原理图如图3所示。

Claims (3)

1.一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，其特征在于，所述一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统是由太阳能集热系统和跨临界二氧化碳热泵空调系统复合而成。
2.根据权利要求1所述太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，所述综合空调系统包括跨临界二氧化碳热泵空调系统、太阳能集热系统、室内换热系统和室外换热系统四部分；其特征在于，室外换热系统由室外空气换热器(11)、第四三通阀(12)和室外水换热器(13)串接；室内换热系统由室内空气换热器(5)与室内水换热器(4)串接后通过第五三通阀(18)和水泵(17)连接；室内水换热器(4)和室外水换热器(13)均通过第六三通阀(19)与太阳能集热器(15)连接，太阳能集热器(15)和蓄热水箱(16)相连；室内水换热器(4)通过第一三通阀(3)接至第一四通阀(2)，第一四通阀(2)再分别和室外水换热器(13)、压缩机(1)和储液罐(14)连接；内部换热器(8)一路接在压缩机(1)和储液罐(14)之间，另一路一端直接接第二四通阀(7)，另一端通过节流阀(9)和第二四通阀(7)连接；室外空气换热器(11)通过第三三通阀(10)连接至第二四通阀(7)，室内空气换热器(5)通过第一三通阀(6)连接至第二四通阀(7)。
3.根据权利要求1所述太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，其特征在于，所述跨临界二氧化碳热泵空调系统的制冷工作介质为跨临界二氧化碳，其工作压力为3.0MPa-12MPa；工作温度则针对热泵或空调系统而有所不同；对于热泵系统，低温侧温度可达-20℃，高温侧温度可达95℃；对于空调系统，低温侧温度可达16℃，高温侧温度可达45℃；其相应的主要部件及管路系统应满足15MPa的耐压要求。
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