CN100543382C - 基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统 - Google Patents

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Abstract

基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统是一种新型的夏季热湿独立处理、冬季借助溶液从空气中吸热并实现制冷、制热时都充分利用太阳能的具有蓄能功能的热泵空调系统，该系统包括溶液部分、冷热水部分和空气处理部分，主要由冷热水机组、冷却塔、稀溶液储液器、浓溶液储液器、溶液再生器、太阳能集热器、除湿器、回热器、表冷器等主要部件组成，冬季制热运行时，基于溶液以空气源作为热泵热量来源，彻底解决了现有空气源热泵冬季制热运行时的结霜问题，提高了热泵的性能系数，同时将太阳能作为热泵系统的热量来源，并实现了基于溶液的太阳能能量蓄存，解决了太阳能的不稳定问题。

Description

基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统
技术领域
本发明属于太阳能、制冷空调系统设计与制造技术领域，是涉及一种基于溶液的具有蓄能功能的太阳能综合热源的热泵空调系统。
背景技术
随着经济的发展，能源紧张已经成为制约我国经济发展的主要因素，同时能源问题也成为世界性问题，化石能源的大量消耗和面临枯竭迫使人们去寻找和利用可再生能源。而随着人们生活水平的提高，建筑中中央空调系统得到越来越广泛应用，已成为建筑耗能的大户，因此如何将太阳能等可再生能源引入中央空调系统并通过蓄能解决太阳能的不稳定问题，将成为缓解我国能源紧张状况的一个重要途径，具有重要意义。
现有建筑中央空调系统大多采取夏季水冷冷水机组供冷，冬季锅炉供热方案，供冷和供热需要两套装置，造成中央空调系统初投资增大，同时夏季锅炉停止工作，冬季冷水机组停用都造成大量设备闲置。建筑中央空调系统也可采取空气源热泵供冷供热方案，但空气源热泵存在夏季制冷COP较低，冬季机组蒸发器表面结霜等问题。夏季空调系统中冷水机组即承担空调系统的热负荷也承担湿负荷，冷水机组为除去湿负荷采取冷冻除湿的方式，造成机组冷冻水温度较低，机组性能系数较难提高。
因此，解决如何实现在制冷和制热时都将太阳能引入中央空调系统并实现蓄能，解决水冷冷水机组冬季设备闲置浪费，空气源热泵夏季制冷COP较低，冬季结霜等问题并设计出实现热湿独立处理、设备结构简单的高性能空调系统成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种新型的实现夏季热湿独立处理、冬季借助溶液从空气中吸热并充分利用太阳能的具有蓄能功能的热泵空调系统，以解决现有空调技术所存在的上述不足。
技术方案：本发明基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统包括三部分：溶液部分、冷热水部分和空气处理部分。溶液部分包括冷热水机组、冷却塔、五个电磁阀、稀溶液储液器、浓溶液储液器、溶液再生器、太阳能集热器、三个变频泵、溶液控制阀、补水控制阀及其相关连接管路。整个溶液部分可分为：冷却塔溶液回路和太阳能溶液回路。在冷却塔溶液回路中，冷热水机组的第一输出端(即冷热水机组制冷时的冷凝器溶液输出端，)与冷却塔的溶液输入端相连，冷却塔的输出端出来后分成两路，一路通过第四电磁阀接浓溶液储液器的第一输入端，另一路通过第五电磁阀接稀溶液储液器的第一输入端，稀溶液储液器第一输出端接有补水控制阀同时也通过第一电磁阀接第一变频泵的输入端，第一变频泵输出端接冷热水机组的第一输入端(即冷热水机组制冷时的冷凝器溶液输入端)。在太阳能溶液回路中，稀溶液储液器的第二输出端通过第二电磁阀接第二变频泵的输入端，第二变频泵的输出端接太阳能集热器的输入端，太阳能集热器的输出端接溶液再生器的输入端，溶液再生器的输出端连浓溶液储液器的第二输入端，浓溶液储液器第一输出端通过溶液控制阀接稀溶液储液器的第二输入端，浓溶液储液器第二输出端通过第三电磁阀接第三变频泵的输入端，第三变频泵的输出端接除湿器的溶液输入端，除湿器的溶液输出端连稀溶液储液器的第三输入端。冷热水部分包括冷热水机组、第四水泵、表冷器及其相关连接管道，其中冷热水机组的第二输出端(即冷热水机组制冷时的蒸发器冷冻水输出端)与第四水泵的输入端相连，第四水泵输出端与表冷器的输入端相接，表冷器的输出端接冷热水机组的第二输入端(即冷热水机组制冷时的蒸发器冷冻水输入端)。空气处理部分包括除湿器、表冷器和回热器及其相关连接风道，其中回热器与除湿器相接，同时除湿器也与表冷器的空气输入端相接。
本发明的具体方法是：
基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统夏季制冷运行时：溶液在冷热水机组的冷凝器中被加热升温后进入冷却塔，在冷却塔内与空气进行热湿交换，溶液中水分蒸发，浓度升高，温度降低，然后通过第四电磁阀(此时第五电磁阀关闭)进入浓溶液储液器，浓溶液经过第三电磁阀(此时溶液控制阀关闭)、第三变频泵后进入除湿器，溶液在除湿器中与空气进行热湿交换，溶液浓度降低，然后进入稀溶液储液器，稀溶液从稀溶液储液器第一输出端出来后通过第一电磁阀、第一变频泵进入冷热水机组冷凝器，与制冷剂进行换热，将制冷剂冷凝成液体，自身温度升高，从冷热水机组出来后再次进入冷却塔进行循环。当空气中显热负荷较大，水分在冷却塔中蒸发过多时，为防止溶液浓度过高，加强冷却效果，通过调节补水控制阀，向进入冷热水机组(冷凝换热器)的溶液补充水从而调节冷却塔中溶液的浓度。当太阳充足时，稀溶液从稀溶液储液器中出来后经过第二电磁阀被第二变频泵吸入、加压后进入太阳能集热器，溶液温度升高，出来后进入溶液再生器与空气进行热湿交换，溶液实现再生，浓度提高，然后进入浓溶液储液器中储存，当除湿器需要工作时，溶液从浓溶液储液器中出来，经过第三电磁阀、第三变频泵进入除湿器，最后从除湿器出来，最终进入稀溶液储液器，从而构成一个回路。冷热水回路中机组冷冻水从冷热水机组第二输出端出来被第四水泵加压后送入表冷器，冷冻水在其中与空气进行换热，冷却空气，自身温度升高，再次返回冷热水机组蒸发器中与机组中制冷剂进行换热，降温出来后再次参与循环。空气处理部分中，室内回风将其中一部分空气经过回热器与新风换热后排入大气，其余部分与新风一起在除湿器与溶液进行热湿交换，空气被除湿，然后进入表冷器，空气在表冷器中被处理到送风状态，然后送入室内。
基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统冬季制热运行时：溶液在冷却塔内与空气进行热湿交换(溶液温度低于空气温度，溶液的水蒸汽分压力小于或等于空气中的水蒸汽分压力)，溶液从空气中吸收热量和水分，浓度降低，温度升高，然后通过第五电磁阀(此时第四电磁阀关闭)进入稀溶液储液器，稀溶液经过第一电磁阀、第一变频泵后送入冷热水机组蒸发器，溶液在其中与制冷剂进行换热，溶液放出热量，温度降低，从冷热水机组出来后再次进入冷却塔与空气进行热湿交换，从而形成循环。当太阳充足时，稀溶液从稀溶液储液器中出来后经过第二电磁阀被第二变频泵吸入、加压后进入太阳能集热器，溶液温度升高，出来后进入溶液再生器与空气进行热湿交换，溶液浓度提高，然后进入浓溶液储液器中储存(冬季机组制热时除湿器不工作，因此第三电磁阀、第三变频泵也停止工作)，当溶液控制阀打开时，浓溶液通过溶液控制阀进入稀溶液储液器，调节稀溶液储液器中的溶液浓度，从而构成回路。冷热水回路中机组所供热水从冷热水机组第二输出端出来被第四水泵加压后送入表冷器，热水在其中与空气进行换热，加热空气，自身温度降低，然后返回冷热水机组冷凝器中与机组中制冷剂进行换热，温度升高，出来后再次参与循环。空气处理部分中，除湿器冬季不工作，室内回风将其中一部分空气经过回热器与新风换热后排入大气，其余部分与新风混合后一起进入表冷器，空气在表冷器中被处理到送风状态，然后送入室内。
有益效果：
1、本发明提出的基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统，解决了将太阳能可再生能源同时引入空调系统夏季制冷和冬季制热的问题，并实现了基于溶液的太阳能蓄能，解决了太阳能的不稳定问题，充分利用了太阳能可再生能源。
2、基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统在夏季可实现水冷冷水机组功能，同时在冬季可实现以空气为热量来源进行制热，解决了原来冷水机组设备冬季闲置的问题，提高了设备利用率，减少了初投资。
3、基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统夏季制冷运行时，实现了空调负荷的热湿独立处理，溶液部分承担除湿负荷，冷冻水仅承担显热负荷，可采取较高温度的冷冻水，使得冷水机组的COP得到大大提高。
4、基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统彻底解决了现有空气源热泵冬季制热运行时所不可避免的结霜问题，提高了热泵的供热效率，同时增加了系统的寿命和可靠性。
附图说明：
图1是本发明基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统示意图。
以上图中有：冷却塔1；第四电磁阀2；第五电磁阀3；稀溶液储液器4；稀溶液储液器第一输入端4a；稀溶液储液器第二输入端4b；稀溶液储液器第二输出端4c；稀溶液储液器第三输入端4d；稀溶液储液器第一输出端4e；太阳能集热器5；溶液再生器6；浓溶液储液器7；浓溶液储液器第一输入端7a；浓溶液储液器第二输入端7b；浓溶液储液器第二输出端7c；浓溶液储液器第一输出端7d；第三电磁阀8；溶液控制阀9；第二变频泵10；第二电磁阀11；第三变频泵12；补水控制阀13；第一电磁阀14；第一变频泵15；冷热水机组16；冷热水机组第一输入端16a；冷热水机组第一输出端16b；冷热水机组第二输入端16c；冷热水机组第二输出端16d；第四水泵17；除湿器18；回热器19；表冷器20。
具体实施方式：
结合附图1进一步说明本发明的具体实施方式：本发明基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统包括三部分：溶液部分、冷热水部分和空气处理部分。具体的连接方式是冷热水机组第一输出端16b与冷却塔1的溶液输入端相连，冷却塔1的输出端分别通过第四电磁阀2接浓溶液储液器的第一输入端7a和通过第五电磁阀3接稀溶液储液器的第一输入端4a，稀溶液储液器第一输出端4e接有补水控制阀13同时也通过第一电磁阀14接第一变频泵15的输入端，第一变频泵15的输出端接冷热水机组的第一输入端16a。稀溶液储液器的第二输出端4c通过第二电磁阀11接第二变频泵10的输入端，第二变频泵10的输出端接太阳能集热器5的输入端，太阳能集热器5的输出端接溶液再生器6的输入端，溶液再生器6的输出端接浓溶液储液器的第二输入端7b，浓溶液储液器第一输出端7d通过溶液控制阀9接稀溶液储液器的第二输入端4b，浓溶液储液器第二输出端7c通过第三电磁阀8接第三变频泵12的输入端，第三变频泵12的输出端接除湿器18的溶液输入端，除湿器18的溶液输出端连稀溶液储液器的第三输入端4d。冷热水部分中冷热水机组的第二输出端16d接第四水泵17的输入端，第四水泵17的输出端接表冷器20的输入端，表冷器20的输出端接冷热水机组的第二输入端16c。空气处理部分中回热器19与除湿器18相接，同时除湿器18也与表冷器20的空气输入端相接。
本发明夏季制冷运行的具体过程是：溶液部分中的溶液在冷热水机组16(冷凝换热器)中被加热升温后进入冷却塔1，在冷却塔1内与空气进行热湿交换，溶液中水分蒸发，浓度升高，温度降低，然后通过第四电磁阀2(此时第五电磁阀3关闭)进入浓溶液储液器7，浓溶液经过第三电磁阀8(此时溶液控制阀9关闭)、第三变频泵12后进入除湿器18，溶液在除湿器18中与空气进行热湿交换，溶液浓度降低，然后进入稀溶液储液器4，稀溶液经过第一电磁阀14、第一变频泵15后进入冷热水机组16(冷凝换热器)，与制冷剂进行换热，将制冷剂冷凝成液体，自身温度升高，从冷热水机组16出来后再次进入冷却塔1进行循环。当空气中显热负荷较大，水分在冷却塔1中蒸发过多时，为防止溶液浓度过高，加强冷却效果，通过控制补水控制阀13，向进入冷热水机组16(冷凝换热器)的溶液补充水从而调节冷却塔1中溶液的浓度。
当太阳充足时，太阳能溶液回路中稀溶液从稀溶液储液器4中出来后经过第二电磁阀11、第二变频泵10后进入太阳能集热器5，溶液温度升高，出来后进入溶液再生器6与空气进行热湿交换，溶液实现再生，浓度提高，然后进入浓溶液储液器7中储存，当除湿器18需要工作时，溶液从浓溶液储液器7中出来，经过第三电磁阀8、第三变频泵12进入除湿器18，从除湿器18出来后，最终进入稀溶液储液器4，从而构成一个回路。冷热水回路中机组冷冻水从冷热水机组第二输出端16d出来经过第四水泵17后进入表冷器20，冷冻水在其中与空气进行换热，冷却空气，自身温度升高，再次返回冷热水机组16(蒸发换热器)中与机组中制冷剂进行换热，出来后再次参与循环。空气处理部分中，室内回风将其中一部分空气经过回热器19与新风换热后排入大气，其余部分与新风一起在除湿器18与溶液进行热湿交换，空气被除湿，然后进入表冷器20，空气在表冷器20中被处理到送风状态，然后送入室内。
本发明冬季制热运行的具体过程是：溶液部分中的溶液在冷却塔1内与空气进行热湿交换，通过控制溶液温度低于空气温度和调节溶液的浓度实现溶液中的水蒸汽分压力小于或等于空气中的水蒸汽分压力，则可保证溶液从空气中吸收热量和水分，浓度降低，温度升高，然后通过第五电磁阀3(此时第四电磁阀2关闭)进入稀溶液储液器4，稀溶液经过第一电磁阀14、第一变频泵15后进入冷热水机组16(蒸发换热器)，溶液在其中与制冷剂进行换热，溶液放出热量，温度降低，从冷热水机组16出来后再次进入冷却塔1与空气进行热湿交换，从而形成循环。当太阳充足时，太阳能溶液回路中稀溶液从稀溶液储液器4中出来后经过第二电磁阀11、第二变频泵10后进入太阳能集热器5，溶液温度升高，出来后进入溶液再生器6与空气进行热湿交换，溶液获得再生，浓度提高，然后进入浓溶液储液器7中储存(冬季空调系统除湿器不工作，因此第三电磁阀8关闭、第三变频泵12停止工作)，实现太阳能的蓄存。当冷却塔内1溶液浓度较低时，通过调节溶液控制阀9开度，浓溶液从浓溶液储液器7中经过溶液控制阀9进入稀溶液储液器4，从而实现对冷却塔1内溶液浓度进行调节。冷热水回路中机组所供热水从冷热水机组第二输出端16d出来被第四水泵17加压后送入表冷器20，热水在其中与空气进行换热，加热空气，自身温度降低，然后返回冷热水机组16(冷凝换热器)中与机组中制冷剂进行换热，温度升高，出来后再次参与循环。空气处理部分中，除湿器18冬季不工作，室内回风将其中一部分空气经过回热器19与新风换热后排入大气，其余部分与新风混合后一起进入表冷器20，空气在表冷器20中被处理到送风状态，然后送入室内。
本发明冬季制热运行时溶液在冷却塔中从空气中吸取热量的关键是：1、溶液温度低于空气温度，从而保证热量从空气传给溶液，本发明通过控制第一变频泵的频率改变进入冷热水机组(此时为制冷系统的蒸发器)的溶液流量，从而保证进入冷却塔的溶液温度低于空气温度；2、溶液中水蒸汽分压力小于空气中的水蒸汽分压力，使水蒸汽从空气中进入溶液，水蒸汽凝结放出热量给溶液。在溶液温度一定时溶液中水蒸汽分压力的大小取决于溶液的浓度，控制溶液的浓度就可实现溶液中水蒸汽分压力的控制。本发明通过调节溶液控制阀，调节浓溶液储液器中进入稀溶液储液器中的溶液流量，从而实现对冷却塔中与空气进行热湿交换的溶液浓度的控制，溶液浓度较小时开大溶液控制阀，加大浓溶液的注入，提高稀溶液储液器中溶液的浓度。本发明通过使浓溶液储液器与稀溶液储液器在垂直方向有一定高度差，保证浓溶液能够通过溶液控制阀进入稀溶液储液器。

Claims (4)

1、一种基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统，其特征在于包括溶液部分、冷热水部分和空气处理部分；
空调系统制冷和制热时，溶液部分中：冷热水机组第一输出端(16b)与冷却塔(1)的溶液输入端相连，冷却塔(1)的输出端分别通过第四电磁阀(2)接浓溶液储液器的第一输入端(7a)和通过第五电磁阀(3)接稀溶液储液器的第一输入端(4a)，稀溶液储液器第一输出端(4e)接有补水控制阀(13)同时也通过第一电磁阀(14)接第一变频泵(15)的输入端，第一变频泵(15)的输出端接冷热水机组的第一输入端(16a)；稀溶液储液器的第二输出端(4c)通过第二电磁阀(11)接第二变频泵(10)的输入端，第二变频泵(10)的输出端接太阳能集热器(5)的输入端，太阳能集热器(5)的输出端接溶液再生器(6)的输入端，溶液再生器(6)的输出端接浓溶液储液器的第二输入端(7b)，浓溶液储液器第一输出端(7d)通过溶液控制阀(9)接稀溶液储液器的第二输入端
(4b)，浓溶液储液器第二输出端(7c)通过第三电磁阀(8)接第三变频泵(12)的输入端，第三变频泵(12)的输出端接除湿器(18)的溶液输入端，除湿器(18)的溶液输出端连稀溶液储液器的第三输入端(4d)；
冷热水机组(16)制冷运行时，冷热水部分中：冷热水机组的第二输出端(16d)接第四水泵(17)的输入端，第四水泵(17)的输出端接表冷器(20)的输入端，表冷器(20)的输出端接冷热水机组的第二输入端(16c)；
空气处理部分中，回热器(19)与除湿器(18)相接，同时除湿器(18)也与表冷器(20)的空气输入端相接。
2、根据权利要求1所述的基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统，其特征在于空调系统制冷和制热时，太阳能集热器(5)、溶液再生器(6)都工作，实现太阳能全年引入空调系统。
3.根据权利要求1所述的基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统，其特征在于空调系统制冷和制热时，冷却塔(1)中都充满溶液。
4、根据权利要求1所述的基于溶液的太阳能蓄能型热泵空调系统，其特征在于冷热水机组(16)制冷运行时，制冷剂的冷凝热直接作为冷却塔内溶液的再生热量来源。
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太阳能与常规能源复合空调/热泵系统再别墅建筑中的应用研究. 孟玲燕等.制冷学报，第27卷第1期. 2006 *

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