CN101191681A - 太阳能热管热泵装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能热管热泵装置及其实现方法。它包含有一个可以吸收太阳能辐射热或其它热源(如余热)的热量，同时又是系统蒸发器的蒸发集热器、压缩机、节流装置、冷凝器、系统连接管、汽相旁通阀、液相旁通阀等部件。其特征是：本装置以热管模式工作时，太阳的辐射热或其他介质的热量将集热器管内的液态工质蒸发为汽态，汽态工质进入冷凝器加热水箱内的水，凝结为液态，靠重力推动再次回到蒸发集热器内，如此对水进行循环加热。本装置以热泵模式工作，此时集热器作为蒸发器处于低温低压下，可以吸收太阳能或其他介质中的热能，对冷凝器中的被加热介质进行加热。本加热装置的能耗为电热水器的25％以下。

Description

太阳能热管热泵装置及其实现方法

所属技术领域  本发明涉及一种商用或家用的太阳能热水生产装置。它包含有一个可以吸收太阳能热能，同时又是蒸发器的蒸发集热器、压缩机、节流装置、冷凝器、系统连接管、汽相旁通阀、液相旁通阀等。其特征是：在太阳能量充沛，太阳能集热板的温度高于被加热水的温度达到某一设定程度时，本装置可以以热管模式工作：蒸发集热器内的液态工质吸收太阳能辐射的热量蒸发为汽态，较高温度的汽态工质，通过与压缩机并联的汽相旁通阀进入冷凝器加热冷凝器内的水，自身放热后又重新凝结为液态，在重力作用下，通过与节流装置并联的液相旁通阀，再次流回蒸发集热器内，重新吸热蒸发，如此循环对被加热介质进行加热；在太阳能能量不足时，本装置即开始以热泵模式工作，此时压缩机运行，汽相旁通阀和液相旁通阀关闭，蒸发集热器处于低压低温下，吸收外部如风、光、雨水等介质的能量蒸发汽化，经压缩机加压加温后，进入冷凝器放热凝结，对冷凝器中的被加热介质进行加热。确保在各个环境条件下用户的热水需求。

背景技术

目前，热水的加热装置主要有燃(油)气热水装置、电热水装置、太阳能热水装置和热泵热水装置。它们各有自己的优点又有自己的缺点。燃(油)气热水装置使用方便，即开即用，较易提高发热功率，但是热效率低下，安全性和环保性能差，安装使用不当会引起火灾、爆炸和一氧化碳中毒。电热水装置一般有两种形式：即热式和储热式，但都存在使用成本较高，安全隐患大，耗电量太大等缺点。

太阳能热水装置和热泵热水装置由于都具有出色的节能效果，近年来得到快速的发展，但是也都有各自的不足：太阳能热水装置的热源单一，单位产热水能力所需的迎光面积较大，安装方向限制要求高，安装受到建筑、楼层等因素的制约，许多条件下难以安装，在阴雨、灰霾、雾、雪等气候条件下不能提供充足的热水，而且系统脆弱、容易起垢，很大程度上限制了它的应用；热泵热水器虽然不受光线问题的影响，但是在冬季也会由于结霜的问题大大降低其效率，在温度较低时难以应用，同时在光线充沛时无法直接利用太阳能，夏季运行压缩机给热泵系统带来隐患，同样也难以得到更好的使用效果；

近年来由于全球范围内能源日益紧张，石油、煤炭和电力的价格不断上涨，而且出于环保的要求，社会也需要更加节能和更加容易使用的热水装置。针对以上问题，我们设计出了一种使用成本更低，应用范围更广，安全可靠的太阳能热管热泵装置。

发明内容：

本发明的目的是提供一种市场迫切需要的高效节能、使用成本低、安全可靠、设计合理的全新的热水装置，是太阳能集热技术、环型热管技术和热泵技术的有机结合，集中了太阳能热水器和热泵热水器的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：由一个可以吸收太阳能量同时又可以作为热泵系统蒸发器的蒸发集热器(1)、压缩机(2)、冷凝器(3)、节流装置(4)、系统连接管路(5)、汽相旁通阀(6)、液相旁通阀(7)等组成一台高效太阳能热管热泵装置，在阳光充沛时，本装置可以以热管模式工作：太阳辐射将热能传递给蒸发集热器(1)，蒸发集热器内的液态工质吸收热能，沸腾蒸发为汽态，吸收了热能后的汽态工质经与压缩机并联的汽相旁通阀和管路进入冷凝器(3)，释放热能加热冷水，自身又重新凝结为液态，靠重力作用，通过与节流装置并联的液相旁通阀再次流回到蒸发集热器(1)内，如此循环，对冷凝器中的水进行加热；当外来能量(如阳光)不足时，本装置即开始以热泵模式工作，此时压缩机(2)运行，蒸发集热器(1)作为热泵系统的蒸发器，工质在其中吸热沸腾，蒸发集热器处于较低温度下，可以吸收太阳能、空气中的热能、雨水以及霜雪等介质中的能量，经压缩机加压加温后，对水进行加热，自身又凝结为液态，经过节流装置(4)降压后，再次进入蒸发集热器吸热蒸发为汽态，如此循环，对冷凝器中的水进行加热。

由于热管模式的制热效率接近于无限大，基本不消耗能量，而热泵的加热效率也比燃气热水器和电热水器高出2-5倍，两者的结合将使这一装置的制热效率成倍提高；

同时在太阳能的利用中，由于太阳能集热器(蒸发器)与现有的热泵蒸发器翅片结构完全不同，无翅片间距过小等问题，可以允许更厚的结霜，而且在化霜时霜块容易由重力作用，以固体状态滑落，脱离蒸发集热器表面，大大减少溶霜所需的耗能和化霜时间，提高热泵效率，可以在北方较寒冷的地区使用。

本发明的有益效果是，太阳能得到有效利用，在外来能量充沛时无须开动系统的压缩机，使系统更加可靠；同时本装置具有热泵加热的功能，使得热水的供应更有保障。由于本装置在太阳能热管模式时的能效比(即产热量与消耗功率之比)接近无限大，而热泵模式时的能效比也可达3--5倍，本装置的实际能效比可高达5-30倍以上，在制热效率和可靠的制热能力方面，高于目前市场上所有类型的热水器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构原理图。

图中1.蒸发集热器，2压缩机，3.冷凝器，4.节流装置，5.管路，6.汽相旁通阀，7.液相旁通阀。

具体实施方式：

本装置可以根据外部条件的不同，以两种模式进行工作，即热管模式和热泵模式。

热管工况：压缩机停，汽相旁通阀(6)和液相旁通阀(7)开通，工质在外来能量的加热下，在蒸发集热器中吸热汽化，经过汽相旁通阀(6)进入冷凝器(3)，向冷凝器排放热量后凝结为液态，再经过液相旁通阀(7)流入蒸发集热器(1)中吸热汽化，循环往复，加热冷凝器中较低温度的被加热介质；

热泵工况：当需要热水而又外来能量不足时，本装置以热泵模式工作，此时，压缩机(2)开，汽相旁通阀和液相旁通阀关闭，工质经压缩机(2)压缩后，进入冷凝器(3)，加热水后自身冷凝为液态，经节流装置(4)，进入蒸发集热器(1)吸收光、风、雨、雪等介质的热能而汽化，再回到压缩机进行压缩，如此循环往复，不断加热冷凝器中的被加热介质。

太阳能热管热泵装置，由于单位集热面积的产热能力大，对集热板安装的方向等条件要求不高，特别有利于太阳能热水装置与建筑的一体化。

Claims (4)

1.一种太阳能热管热泵装置及其实现方法。它包含有一个可以作为系统蒸发器的蒸发集热器、压缩机、节流装置、冷凝器、系统连接管、汽相旁通阀、液相旁通阀等。其特征是：由本方法制作的加热装置，有两种不同的工作模式：在外来热能如太阳能、废热水、余热等介质的温度高于被加热介质达到某一设定程度时，本装置即以热管模式开始工作，蒸发集热器内的液态工质吸收外来的热量蒸发为汽态，较高温的汽态工质通过与压缩机并联的汽相旁通阀上升进入冷凝器加热冷凝器内的水，自身放热后又重新凝结为液态，在重力作用下，通过与节流装置并联的液相旁通阀，再次回到蒸发集热器内吸热汽化，如此循环，对被加热介质进行加热；而在外来热能的温度不足时，本装置即转换为以热泵模式工作，此时压缩机运行，蒸发集热器作为低压段，工质在蒸发集热器内沸腾汽化，使蒸发集热器处于低温状态，从环境中吸收阳光、废水、空气、雨水等介质的热能，经压缩机加温加压后进入冷凝器对被加热介质进行加热。

2.根据权利要求1所述的太阳能热管热泵装置，其特征是：在压缩机的进排气两端，和压缩机并联有一只汽相旁通阀，在节流装置两端，和节流装置并联有液相旁通阀。该两只旁通阀的特征是，在压缩机运行时关闭，在压缩机停机时导通。

3.根据权利要求2所述的太阳能热管热泵装置，其特征是：本装置在热管模式时，冷凝器和蒸发器由两只在压缩机停机时可以导通的汽相旁通阀、液相旁通阀和管路构成一个呈环形的回路，其中与压缩机并联的一侧为汽路，蒸发集热器内汽化的工质由此路进入冷凝器；与节流装置并联的一侧为液路，在冷凝器内放热液化的工质由此路进入蒸发集热器。

4.根据权利要求2所述的太阳能热管热泵装置，是热管与热泵装置的有机结合，可以分别以热管模式和热泵模式工作，其工质相同并共用。

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