CN101126561A - 空气——太阳能双热源同步复合式热泵装置 - Google Patents

Abstract

一种空气-太阳能双热源同步复合式热泵装置，它包括太阳能集热、蓄热部分和气-液双热源同步复合式太阳能热泵部分，其中太阳能集热、蓄热部分包括太阳能集热器(4)，蓄热水箱(5)，生活水箱(6)及换热盘管(17)，第一循环水泵(7)，第二循环水泵(8)及连接管路、阀门组成；复合式太阳能热泵部分包括压缩机(1)，翅片套管复合式换热器(2)，用户侧换热器(3)，第一毛细管(13)，第二毛细管(14)，单向阀(15)，四通换向阀(16)，连接管路及阀门等组成；所述换热器(2)包括外套管(22)、穿装在外套管中的内套管(23)、以及与外套管外壁相结合的翅片(21)；内套管外壁与外套管内壁之间的环型空间构成一种介质通道(19)，内套管的管腔构成另一种介质通道(18)，外套管外壁与翅片之间构成第三种介质通道(20)。

Description

空气——太阳能双热源同步复合式热泵装置

技术领域

本发明涉及空气源热泵空调及太阳能热利用领域，尤其涉及一种空气-太阳能双热源同步复合式热泵装置。

背景技术

当前，能源紧缺与环境污染已经成为制约全球可持续发展的两个突出问题，引起世界各国越来越广泛的关注。能源紧缺突出表现在两个方面：一方面是全球能源系统的主体是“碳基能源”-石油与煤炭，这些不可再生能源已日渐枯竭；另一方面是全球能耗总量的迅速膨胀和能源浪费现象严重，进一步加剧了能源紧缺状况。另外，随着社会的发展和人民生活水平的提高，用于采暖、空调及制取生活用热水方面的能耗占能源总量的比例越来越大。为此，大力开发和有效利用可再生能源已成为各国的优先发展战略。太阳能作为拥有巨大应用前景和市场的可再生清洁能源，其开发和有效利用越来越受到广泛的重视。太阳能热泵作为太阳能热利用综合技术，将太阳能集热技术与热泵技术有机集成，可同时提高太阳能集热效率和热泵系统性能。因此，创新与开发低成本、高效率的新型太阳能热泵技术和产品，已成为太阳能热泵技术的研究重点和发展方向。从目前的研究开发方向上来看，多集中在以下两类太阳能热泵技术和产品。

(1)单一热源太阳能热泵系统：此类系统中又分为间接式太阳能热泵膨胀系统和直膨式太阳能热泵系统。中国专利200510044352.8公开的热泵供暖装置为间接膨胀式系统，而中国专利02219389.8公开的太阳能热泵冷暖空调器、02239555.5公开的太阳能热泵制冷热系统、03150625.9公开的直膨式太阳能热泵空调系统则属于第二类。上述专利申请都集中在太阳能与单一功能热泵技术的结合方面，并且都只利用太阳能这一单一热源，没有考虑多热源复合利用方案。而太阳能是一种间歇性的能源，阴雨天及晚上无法直接利用，单一热源单一功能的太阳能热泵势必影响到太阳能热泵的使用效率。

(2)双热源太阳能热泵系统：中国专利02117298.6公开了一种太阳能热泵空调系统和太阳能+空气源热泵空调系统，该系统在热泵室外循环侧串联了太阳能换热器；专利200610050285.5公开了太阳能辅助多功能热泵系统，在制冷\热泵循环中串联了与太阳能热水进行换热的换热盘管，热泵工作时可以分别或同时利用空气热源和太阳能热源；专利200420019167.4公开了太阳能热泵水机户式中央空调，该系统在室外侧风冷换热器上并联了太阳能换热器；专利200610114393.4公开了一种空气源和太阳能可以切换使用的多功能太阳能热泵，热泵工作时可以在空气热源和太阳能热源中切换使用。上述太阳能热泵系统的主要特点是串联和并联了太阳能换热器，太阳能热泵虽然可以采用两种热源，但均需要增加额外的太阳能换热器，增加了系统的复杂程度和设备投资，且并联式太阳能热泵实行两种热源切换使用，不能同时采用空气和太阳能两种热源。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中所存在的不足之处，在充分利用现有空气源热泵及太阳能热水集热的成熟技术的基础上，提供一种高效的空气-太阳能双热源同步复合式热泵装置。

本发明的目的可通过下述技术措施来实现：

本发明的空气-太阳能双热源同步复合式热泵装置包括压缩机，翅片套管复合式换热器，用户侧换热器，太阳能集热器，蓄热水箱，生活水箱，第一毛循环水泵，第二循环水泵，第一毛细管，第二毛细管，单向阀，四通换向阀，换热盘管及连接管路和阀门；其中太阳能集热器的出水口分别与蓄热水箱和生活水箱中的换热盘管入水口相连接；生活水箱中的换热盘管出水口和蓄热水箱的下出水口分别通过阀门接入第一循环水泵，经该循环水泵与太阳能集热器的进水口相连接；第一循环水泵接入太阳能集热器的进水口；蓄热水箱的下回水口通过第二循环泵与翅片套管复合式换热器中由内、外套管构成的两种介质通道中的一种介质(液态热源)通道管口相连通，该介质通道的另一管口通过阀门分别接入连接在第二循环泵与蓄热水箱下回水口之间的回水管路和蓄热水箱侧上方的出水口；所述两种介质通道中的另一种介质(热泵工作介质)通道的一个管口通过四通换向阀、压缩机与用户侧换热器的一个管口相连接，该介质通道的另一个管口通过第一毛细管、第二毛细管、单向阀接入用户侧换热器的另一个管口。

本发明中所述翅片套管复合式换热器括外套管、穿装在外套管管腔中的内套管、以及与外套管外壁相结合的翅片；所述内套管外径小于外套管的孔径，并由内套管外壁与外套管内壁之间的环型空间构成一种介质(热泵工作介质)通道，内套管的管腔构成另一种介质(液态热源)通道，；外套管外壁与翅片之间构成第三种介质(气态热源)通道。

为简化加工工艺、降低制造成本，本发明中所述翅片套管复合式换热器也可采用下述结构方式来实现：在内、外套管的共同弯折处，内套管的∩形弯折端穿出外套管∩形弯折端管壁，并置于外套管∩形弯折端之外。

本发明中的翅片套管复合式换热器的工作原理如下：该换热器由内向外构成了内管、内外管之间、外管与翅片间三个通道，其中内管通道走液态热源介质，内外管之间的环型通道走热泵工作介质，外管外壁与翅片间通道走气态热源介质，内外管之间热泵工作介质可以单独与内管液态热源介质或单独与外管外壁与翅片间的气态热源进行换热，或同时与内管液态热源介质和与外管外壁与翅片间的气态热源介质进行换热，实现气-液双源同步复合换热。

由于本发明的技术方案将太阳能集热、蓄热部分和气-液双热源同步复合式太阳能热泵两部进行了科学合理的结合，并将气态热源换热器与液态热源换热器合二为一，设计成一体式结构的翅片套管复合式换热器，使整个系统大为简化，在进行热泵循环时，翅片套管复合式换热器(做为蒸发器)既可以同时利用空气源和太阳能低温热媒作为热泵热源，又可以单独利用空气源或太阳能低温热水作为热泵热源。该系统还可实现白天储存太阳能集热量供热泵夜晚使用，解决太阳能具有间歇性，夜晚无法直接利用的问题，从而充分提高冬季热泵工作效率。

本发明相比现有技术具有如下优点：(1)可同时利用太阳能和空气两种资源量巨大的可再生清洁能源，其应用范围非常广泛，不受气候条件和水源条件限制；(2)只使用一个换热器——翅片套管复合式换热器即可实现同时从太阳能热水和空气中获取热量，在使热泵机组的供热性能系数COP和运行稳定性明显提高的同时，使系统组成更为简化；(3)太阳能热水环路作为热泵空调蒸发器的低温热源，可实现太阳能集热器的低温集热，热水温度通常为20～30℃，集热器集热效率提高，散热损失小。

本发明的气-液双热源同步复合式太阳能热泵可以广泛应用于民用建筑、公共建筑、别墅建筑等所有可以采用空气源热泵的场所。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为图1中翅片套管复合式换热器结构原理图。

图3、图4分别为图2的左、右视图。

图5为图1中翅片套管复合式换热器的第二种实施方案。

图6、图7分别为图5的左、右视图。

图8为翅片套管复合式换热器绕装式翅片的结构图。

图9、图10分别为图8的左、右视图。

图中序号：1压缩机，2翅片-套管复合式换热器，3用户侧换热器，4太阳能集热器，5蓄热水箱，6生活水箱，7第一循环水泵，8第二循环水泵，9、10、11、12、为连接在管路间的阀门，13第一毛细管，14第二毛细管，15单向阀，16四通换向阀，17换热盘管，18内管管腔构成的液态热源介质通道，19内外管之间的环型空间构成的热泵工作介质通道，20翅片与外套管外表面构成气态热热源介质通道，21翅片，22外套管，23内套管，24风机。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例(附图)作进一步描述：

如图1所示，本发明的空气-太阳能双热源同步复合式热泵装置包括太阳能集热、蓄热部分和气-液双热源同步复合式太阳能热泵部分，其中太阳能集热、蓄热部分包括太阳能集热器4，蓄热水箱5，生活水箱6及换热盘管17，第一循环水泵7，第二循环水泵8及连接管路、阀门组成；气-液双热源同步复合式太阳能热泵部分包括压缩机1，翅片套管复合式换热器2，用户侧换热器3，第一毛细管13，第二毛细管14，单向阀15，四通换向阀16，连接管路及阀门等组成。其各部件之间的具体连接关系如下：太阳能集热器4的出水口分别与蓄热水箱5和生活水箱6中的换热盘管17入水口相连接；生活水箱6中的换热盘管出水口的下出水口通过阀门接入循环水泵7，经循环水泵7与太阳能集热器4的进水口相连接；蓄热水箱5的下出水口通过阀门12、循环水泵7接入太阳能集热器4的进水口，蓄热水箱5的下回水口通过循环泵8与翅片套管复合式换热器2中由内、外套管构成的两种介质通道中的液态热源介质通道18管口相连通，该通道的另一管口通过阀门9、10分别接入连接在循环泵8与蓄热水箱5下回水口之间的回水管路和蓄热水箱5侧上方的出水口；所述两种介质通道中的热泵工作介质通道19的一个管口通过四通换向阀16、压缩机1与用户侧换热器3的一个管口相连接，该通道的另一个管口通过第一毛细管13、第二毛细管14、单向阀15接入用户侧换热器3的另一个管口。

本发明中的太阳能集热器5可选择全玻璃真空管型太阳集热器或平板型太阳集热器，集热面积根据热泵功率大小及安装地太阳辐射条件确定。太阳能集热器5可以置于屋顶或阳台，蓄热水箱5和生活水箱6由钢板或其它坚硬材料制成，可以置于室内或室外。生活水箱6内布置电辅助加热器，从而保证生活热水供水温度。本发明中的太阳能集热、蓄热系统室外、室内管路中的热媒及蓄热水箱5中的蓄热介质可为水或其它防冻液。生活水箱6中换热盘管17为紫铜管或其它具有高换热系数盘管。

本发明中的压缩机1可选定频压缩机或变频压缩机，可使用现有的常用工质和新型环保工质做冷媒。

如图2、图3、图4所示，本发明中所述翅片套管复合式换热器2包括壳体，位于壳体内的风机24和换热器本体，所述换热器本体包括以S形盘绕的外套管22、穿装在外套管管腔中的内套管23、以及与外套管外壁相结合的翅片21；所述内套管外径小于外套管的孔径，并由内套管外壁与外套管内壁之间的环型空间构成热泵工作介质通道19，内套管的管腔构成液态热源介质通道18，翅片21与外套管外壁构成气态热源通道20。当单独与气态热源换热时，关闭通道18，开启风机24，通道19内的热泵工作介质与气态热源进行换热。当单独与液态热源换热时，关闭风机24，通道19内的热泵工作介质与通道18内的液态热源介质进行换热。当需要与液态和气态热源同时换热时，开启通道18，开启风机24，通道19内的热泵工作介质与通道18内的液态热源介质和通道20内的气态热源通道同时进行换热。

本发明中翅片与外套管的结合方式除采用图1所示的结构外，也可采用图8、图9、图10所示的表面绕装翅片的结构方式。

为简化加工工艺、降低制造成本，本发明的翅片套管复合式换热器2可采用图5、图6、图7所示的结构方式来实现：即在内、外套管的共同弯折处，内套管的∩形弯折端穿出外套管∩形弯折端管壁，并置于外套管∩形弯折端之外。其工作原理及其它部件的结构均同于图2、图3、图4所示技术方案。

本发明的工作流程如下：

(1)热泵工作模式

此模式下分两种运行方式进行工作。

a、蓄热、供热同步运行：太阳能蓄热系统一边蓄热，一边向热泵系统提供部分热量辅助热泵系统制热运行。

阀门11关闭，阀门9，阀门10，阀门12开启，热媒(水或防冻剂)经太阳能集热器4加热后进入蓄热水箱5，提高蓄热水箱5中热媒温度，蓄热水箱5中一部分热媒经阀门12，循环水泵7重新进入太阳能集热器4被加热进入下一轮循环，蓄热水箱5中另一部分热媒经阀门10进入翅片套管复合式换热器2释放热量辅助热泵制热运行。

制冷剂由压缩机1压缩，经四通换向阀16至用户侧换热器3向室内释放热量后，经毛细管14，毛细管13节流后进入翅片套管复合式换热器2吸收空气中热量及热媒热量后进入压缩机进入下一循环。通过阀门9控制调整进入翅片套管复合式换热器2热媒温度，当蓄热水箱5中的热媒温度较高时，开大阀门9，当蓄热水箱5中的热媒温度较低时，关小阀门9，直至关闭阀门9。阀门9的开度由以进入翅片套管复合式换热器2中的热媒温度略高于室外空气，热媒不通过翅片套管复合式换热器2向室外空气散发热量为准。

b、蓄热、供热分步运行：太阳能蓄热系统白天蓄热，夜间向热泵系统提供主要热量或部分热量保证热泵系统正常供热运行。热泵系统白天以空气为热源进行工作，夜间以太阳能热水、空气两种热源复合供热进行。

白天，阀门11，阀门9，阀门10关闭，阀门12开启，热媒(水或防冻剂)经太阳能集热器4加热后进入蓄热水箱5，提高蓄热水箱5中热媒温度后，经阀门12，循环水泵7循环回太阳能集热器进一步加热。制冷剂由压缩机1压缩，经四通换向阀16至用户侧换热器3向室内释放热量后，经毛细管14，毛细管13节流后进入翅片套管复合式换热器2吸收空气中热量后进入压缩机进入下一循环。

夜间，阀门11，阀门12关闭，阀门9，阀门10开启，太阳能集热系统停止工作。制冷剂由压缩机1压缩，经四通换向阀16至用户侧换热器3向室内释放热量后，经毛细管14，毛细管13节流后进入翅片套管复合式换热器2吸收空气中热量及热媒热量后进入压缩机进入下一循环。通过阀门9控制调整进入翅片套管复合式换热器2热媒温度，当蓄热水箱5中的热媒温度较高时，开大阀门9，当蓄热水箱5中的热媒温度较低时，关小阀门9，直至关闭阀门9。阀门9的开度由以进入翅片套管复合式换热器2中的热媒温度略高于室外空气，热媒不通过翅片套管复合式换热器2向室外空气散发热量为准。

(2)制冷工作模式。

此模式下分别由制冷循环及太阳能供生活热水循环两个独立循环组成：

A.制冷运行：

阀门9，阀门10关闭，制冷剂由压缩机1压缩，经四通换向阀16至翅片套管复合式换热器2释放热量后，经毛细管13，单向阀15节流后进入用户侧换热器3与室内空气对流释放冷量后，冷媒进入压缩机继续进行循环工作。

B.太阳能供热水：

阀门12关闭，循环水泵7开启，热媒(水或防冻剂)经太阳能集热器4加热后进入生活水箱6中的盘管17，经盘管17与生活水箱6中水进行换热后，经循环水泵7回到太阳能集热器4进入下一轮循环，使生活水箱6中水温不断升高，达到生活热水温度。

Claims (5)

1.一种空气—太阳能双热源同步复合式热泵装置，其特征在于：该装置包括压缩机(1)，翅片套管复合式换热器(2)，用户侧换热器(3)，太阳能集热器(4)，蓄热水箱(5)，生活水箱(6)，第一循环水泵(7)，第二循环水泵(8)，第一毛细管(13)，第二毛细管(14)，单向阀(15)，四通换向阀(16)，换热盘管(17)及连接管路和阀门；其中太阳能集热器(4)的出水口分别与蓄热水箱(5)和生活水箱(6)中的换热盘管(17)入水口相连接；生活水箱(6)中的换热盘管出水口和蓄热水箱(5)的下出水口分别通过阀门接入循环水泵(7)，经循环水泵(7)与太阳能集热器(4)的进水口相连接；蓄热水箱(5)的下出水口通过阀门(12)、循环水泵(7)接入太阳能集热器(4)的进水口，蓄热水箱(5)的下回水口通过循环泵(8)与翅片套管复合式换热器(2)中由内、外套管构成的两种介质通道中的一种介质通道管口相连通，该通道的另一管口通过阀门(9)、(10)分别接入连接在循环泵(8)与蓄热水箱(5)下回水口之间的回水管路和蓄热水箱(5)侧上方的出水口；所述两种介质通道中的另一种介质通道的一个管口通过四通换向阀(16)、压缩机(1)与用户侧换热器(3)的一个管口相连接，该通道的另一个管口通过第一毛细管(13)、第二毛细管(14)、单向阀(15)接入用户侧换热器(3)的另一个管口。

2.根据权利要求1所述的空气—太阳能双热源同步复合式热泵装置，其特征在于：所述翅片套管复合式换热器(2)包括外套管(22)、穿装在外套管管腔中的内套管(23)、以及与外套管外壁相结合的翅片(21)；所述内套管外径小于外套管的孔径，并由内套管外壁与外套管内壁之间的环型空间构成一种介质通道(19)，内套管的管腔构成另一种介质通道(18)；外套管外壁与翅片之间构成第三种介质通道(20)。

3.根据权利要求2所述的空气—太阳能双热源同步复合式热泵装置，其特征在于：在内、外套管(23)、(22)的共同弯折处，内套管的∩形弯折端穿出外套管∩形弯折端管壁，并置于外套管∩形弯折端之外。

4.根据权利要求2所述的空气—太阳能双热源同步复合式热泵装置，其特征在于：翅片套管复合式换热器(2)的外套管(5)外壁上的翅片(4)采用套片式结构。

5.根据权利要求2所述的空气—太阳能双热源同步复合式热泵装置，其特征在于：翅片套管复合式换热器(2)的外套管(5)外壁上的翅片(4)采用绕片式结构。

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