CN101226016A - 太阳能-地能双热源复合热泵装置 - Google Patents

太阳能-地能双热源复合热泵装置 Download PDF

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Abstract

一种太阳能－地能双热源复合热泵装置，该装置中所述蓄热水箱(11)的两个进水口中的一个进水口与太阳能集热器(12)的出水口相连接，另一个进水口与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第一种介质通道的出水管口相连通；蓄热水箱(11)的两个出水口中的一个出水口与太阳能集热器(12)的进水口相连接，另一个出水口与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第一种介质通道进水管口相连通；地下热源供水管与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第二种介质通道的进水管口相连接，第二种介质通道的出水管口与地下热源回水管道相连接；所述壳-套管式三介质复合换热器(2)的第三种介质通道管口的两端分别与用户侧换热器(3)中换热管的两端口相连接。

Description

太阳能-地能双热源复合热泵装置
技术领域
本发明涉地源热泵空调及太阳能热利用领域，尤其涉及太阳能-地能双热源复合热泵装置。
背景技术
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能源的优先发展战略。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。但是，太阳能是一种间歇性的能源，阴雨天及晚上无法直接利用，使太阳能热泵的应用受到极大的限制。地源热泵是一种高效节能装置，具有环保、节能、经济、可靠等显著的优点。地源热泵利用地下水、地下土壤、江河湖泊水中的热量作为热泵空调系统的冷热源，充分利用地热能这一可再生能源，实现热泵空调系统全年的高效运行。但地源热泵仍然存在地下水回灌困难，地下水循环量大，循环水泵能耗较高，地下埋管过多等问题。
发明内容
本发明的目的是在充分利用现有地源热泵及太阳能热水集热的成熟技术的基础上提供一种稳定高效的太阳能-地能双热源复合热泵装置。该装置既解决了太阳能供热不稳定的问题，又能充分利用太阳能，减少地源热泵地下水用量和水泵能耗，使太阳能热水系统与地源热泵有效结合。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现，但不限制本发明：
本发明的太阳能-地能双热源复合热泵装置包括压缩机，壳-套管式三介质复合换热器(冬季做蒸发器、夏季做冷凝器)，用户侧换热器，四通换向阀，节流阀，第一循环水泵，第二循环水泵，第三循环水泵，太阳能集热器，箱体内设置有换热盘管的蓄热水箱；其中所述蓄热水箱的两个进水口中的一个进水口通过设置在管路间的阀门与太阳能集热器的出水口相连接，另一个进水口通过旁通阀与壳-套管式三介质复合换热器的第一种介质通道的出水管口相连通；蓄热水箱的两个出水口中的一个出水口通过设置在管路间的阀门、第一循环水泵与太阳能集热器的进水口相连接，另一个出水口通过第二循环水泵与壳-套管式三介质复合换热器的第一种介质通道进水管口相连通；地下热源供水管通过阀门、第三循环水泵与壳-套管式三介质复合换热器的第二种介质通道的进水管口相连接，第二种介质通道的出水管口与地下热源回水管道相连接；所述壳-套管式三介质复合换热器的第三种介质通道管口的一端通过四通换向阀、压缩机与用户侧换热器中换热管一个端口相连接，第三种介质通道管口的另一端通过节流阀接入用户侧换热器中所述换热管的另一个端口。
本发明中所述蓄热水箱与其它相关部件的连接方式也可采用下述技术措施来实现：与蓄热水箱蓄热腔相连通的进水口通过设置在管路间的阀门与太阳能集热器的出水口相连接，与蓄热水箱蓄热腔相连通的出水口通过设置在管路间的阀门、第一循环水泵与太阳能集热器的进水口相连接；设置在蓄热水箱内的换热盘管的进水口通过旁通阀与壳-套管式三介质复合换热器的第一种介质通道的出水管口相连通；该换热盘管的出水口通过第二循环水泵与壳-套管式三介质复合换热器的第一种介质通道进水管口相连通。本发明可在在蓄热水箱上设置生活热水供水管口和补水管口，也可单独设置一个其腔体内安装有换热盘管的生活热水箱，该生活热水箱中的换热盘管的的进水口通过设置在管路间的阀门与太阳能集热器的出水口相连接，该换热盘管的出水口通过阀门与太阳能集热器的进水口相连接；在所述生活热水箱上设置有生活热水供水管口和补水管口。
本发明中所述蓄热水箱与其它相关部件的连接方式还可采用下述技术措施来实现：与蓄热水箱蓄热腔相连通的进水口通过旁通阀与壳-套管式三介质复合换热器的第一种介质通道的出水管口相连通；与蓄热水箱蓄热腔相连通的出水口通过第二循环水泵与壳-套管式三介质复合换热器的第一种介质通道进水管口相连通；设置在蓄热水箱内的换热盘管的进水口通过设置在管路间的阀门与太阳能集热器的出水口相连接，该换热盘管的出水口通过设置在管路间的阀门、第一循环水泵与太阳能集热器的进水口相连接；所述太阳能集热器的出水口通过设置在管路间的阀门与设置在生活热水箱内的换热盘管的进水口相连接，换热盘管的出水口通过阀门与太阳能集热器的进水口相连接；在所述生活热水箱上设置有生活热水供水管口和补水管口；所述太阳能集热器的出水口通过设置在管路问的阀门与生活热水箱的进水口相连接，生活热水箱的出水口通过阀门与太阳能集热器的进水口相连接；在所述生活热水箱上设置有生活热水供水管口和补水管口。
本发明中所采用的壳-套管式三介质复合换热器包括一端设置有介质进口、另一端设置有介质出口的密闭壳体，封装在壳体内且其两端分别延伸至的壳体外的换热管；所述换热管是由外套管和穿装在外套管管腔中的内套管组成，且内套管的外径小于外套管的孔径，并由内套管的外壁与外套管的内壁之间的环形空间构成第一个介质通道，内套管的管腔构成另一个介质通道，壳体内壁与外套管外壁构成第三个介质通道。所述壳-套管式三介质复合换热器由内向外构成了内管管腔、内外管之间、外套管外壁与壳体内壁三个介质通道，其中内管管腔走一种介质，内外管之间的通道走另一种介质，外套管外壁与壳体内壁之间的通道走第三种介质，内外管之间的介质可以单独与内管管腔内介质或单独与外管与壳体间介质进行换热；也可同时与内管管腔内介质和与外管与壳体间介质进行同步换热，实现三种介质同步复合换热。当介质从内外管之间的介质通道内流过时，既可以单独与外套管外壁与壳体内壁之间的介质通道的介质进行换热，也可以单独与内管管腔介质通道内的介质进行换热，还可以同时与壳体内壁之间的介质通道和内管管腔介质通道内的两种介质进行换热。
本发明与现有技术相比有以下优点：
由于本发明的技术方案将太阳能热水集热技术和地源热泵技术泵技术进行了科学合理的融合，使整个系统对太阳能和地能的利用方式更加灵活多变，采用壳-套管式三介质复合换热器，在进行热泵循环时，既可以同时利用太阳能低温热媒及地下热源作为热泵热源，又可以单独利用太阳能低温热媒或地下热源作为热泵热源。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，减少地下热媒循环量。该系统还可为用户提供生活热水。
本发明的太阳能-地能双热源复合热泵可以广泛应用于民用建筑、公共建筑、别墅建筑及工业生产工艺等场所。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明的第二种实施方式。
图3为本发明的第三种实施方式。
图1、2、3中序号：1压缩机，2壳-套管式三介质复合换热器，3用户侧换热器，4四通换向阀，5节流阀，6第三循环水泵，9第二循环水泵，10换热盘管，11蓄热水箱，12太阳能集热器，13第一循环水泵，7、8、14、15、16、17为连接在管路间的阀门，18生活热水箱。
图4、图5为图1、图2、图3中壳-套管式三介质复合换热器结构原理图。
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：
实施例1
如图1所示，本发明的太阳能-地能双热源复合热泵装置包括压缩机1，壳-套管式三介质复合换热器2，用户侧换热器3，四通换向阀4，节流阀5，第一循环水泵13，第二循环水泵9，第三循环水泵6，太阳能集热器12，箱体内设置有换热盘管10的蓄热水箱11；其中与蓄热水箱11蓄热腔相连通的进水口通过设置在管路间的阀门15与太阳能集热器12的出水口相连接，与蓄热水箱11蓄热腔相连通的出水口通过设置在管路间的阀门14、第一循环水泵13与太阳能集热器12的进水口相连接；设置在蓄热水箱11内的换热盘管10的进水口通过旁通阀8与壳-套管式三介质复合换热器2的第一种介质通道的出水管口相连通；该换热盘管10的出水口通过第二循环水泵9与壳-套管式三介质复合换热器2的第一种介质通道进水管口相连通。；地下热源供水管通过阀门7、第三循环水泵6与壳-套管式三介质复合换热器2的第二种介质通道的进水管口相连接，第二种介质通道的出水管口与地下热源回水管道相连接；所述壳-套管式三介质复合换热器2的第三种介质通道管口的一端通过四通换向阀4、压缩机1与用户侧换热器3中换热管一个端口相连接，第三种介质通道管口的另一端通过节流阀5接入用户侧换热器3中所述换热管的另一个端口；在蓄热水箱11上部设置生活热水供水接口，下部设置补水口。
实施例2
如图2所示，该实施例与实施例1相比其不同之处在于：在蓄热水箱11上未设置生活热水供水接口和补水口，而是另外单独设置一个生活热水箱18，该生活热水箱的进水口通过设置在管路间的阀门16与太阳能集热器的出水口相连接，该生活热水箱的出水口通过阀门17与太阳能集热器的进水口相连接；在所述生活热水箱上设置有生活热水供水管口和补水管口。
实施例3
如图3所示，该实施例与实施例2的不同之处在于：与蓄热水箱11蓄热腔相连通的进水口通过旁通阀8与壳-套管式三介质复合换热器2的第一种介质通道的出水管口相连通；与蓄热水箱11蓄热腔相连通的出水口通过第二循环水泵9与壳-套管式三介质复合换热器2的第一种介质通道进水管口相连通；设置在蓄热水箱11内的换热盘管10的进水口通过设置在管路间的阀门15与太阳能集热器12的出水口相连接，该换热盘管10的出水口通过设置在管路间的阀门14、第一循环水泵13与太阳能集热器12的进水口相连接；
本发明中的太阳能集热器12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12可以置于屋顶或阳台，蓄热水箱11和生活热水箱18由钢板或其它坚硬材料制成，可以置于室内或室外。蓄热水箱11和生活热水箱18内布置电辅助加热器，从而保证全年的生活热水供水温度。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16中的蓄热介质可为水或其它防冻液。蓄热水箱11内换热盘管为紫铜管或其它材料的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5所示，本发明中所述的壳-套管式三介质复合换热器包括一端设置有介质进口、另一端设置有介质出口的密闭壳体22，封装在壳体内且其两端分别延伸至的壳体外的换热管；所述换热管是由外套管23和穿装在外套管管腔中的内套管24；所述内套管24外径小于外套管23的孔径，并由内套管的外壁与外套管的内壁之间的环形空间构成第一个介质通道20，内套管的管腔构成另一个介质通道21，壳体内壁与外套管外壁构成第三个介质通道19。当介质从介质通道20内流过时，既可以单独与介质通道19内的介质进行换热，也可以单独与介质通道21内的介质进行换热，还可以同时与介质通道19和介质通道20内的两种介质进行换热。
本发明的工作流程如下：
(1)热泵工作模式
1)太阳能热媒单独供热模式：
第一循环水泵1 3、第二循环水泵9打开，阀门8、14、15打开，第三循环水泵6关闭，阀门7关闭；蓄热水箱11中的热媒经第一循环水泵13进入太阳能集热器12，被加热后送回蓄热水箱11；蓄热水箱11中换热盘管10中的热媒吸收蓄热水箱11中的热量后经第二循环水泵9送入壳-套管式三介质复合换热器2为热泵提供热源；吸热蒸发后的制冷剂蒸汽由压缩机1压缩，经四通换向阀4至用户侧换热器3向室内释放热量后，经节流阀5重新进入壳-套管式三介质复合换热器2吸收太阳能热媒热量后再次进入压缩机进入下一循环。
2)地能单独供热和太阳能供生活热水模式
第三循环水泵6打开，阀门7打开，第一循环水泵1 3打开，阀门14、15打开，第二循环水泵9关闭，阀门8关闭；地下热媒经第三循环水泵6送入壳-套管式三介质复合换热器2为热泵提供热源；制冷剂由压缩机1压缩，经四通换向阀4至用户侧换热器3向室内释放热量后，吸收蒸发后的制冷剂蒸汽经节流阀5进入热源侧换热器2吸收地下热媒热量后进入压缩机进入下一循环；蓄热水箱11(或生活热水向18)中的生活热水通过第一循环泵13进入太阳能集热器11，被加热后通过阀门15进入蓄热水箱11(或经过阀门16进入生活热水箱18)。
3)太阳能、地能联合供热模式
第一循环水泵13、第二循环水泵9、第三循环水泵6打开，阀门7、8、14、15打开；蓄热水箱11中的热媒经第一循环水泵13进入太阳能集热器12，被加热后送回蓄热水箱11；蓄热水箱11中换热盘管10中的热媒吸收蓄热水箱11中的热量后经第二循环水泵9送入壳-套管式三介质复合换热器2为热泵提供热源；地下热媒经第三循环水泵6送入壳-套管式三介质复合换热器2为热泵提供热源；制冷剂由压缩机1压缩，经四通换向阀4至用户侧换热器3向室内释放热量后，吸收蒸发后的制冷剂蒸汽经节流阀5进入壳-套管式三介质复合换热器2吸收太阳能热媒和地下热媒热量后进入压缩机进入下一循环。
(2)制冷和太阳能供生活热水模式
第三循环水泵6打开，阀门7打开，第一循环水泵13打开，阀门14、15打开，第二循环水泵9关闭，阀门8关闭；地下热媒经第三循环水泵6送入壳-套管式三介质复合换热器2为热泵提供热源；制冷剂由压缩机1压缩，经四通换向阀4至壳-套管式三介质复合换热器2释放热量，放热冷凝后的制冷剂液体经节流阀5节流进入用户侧换热器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；蓄热水箱11(或生活热水箱18)中的生活热水通过第一循环泵13进入太阳能集热器11，被加热后通过阀门15蓄热水箱11(或经过阀门16进入生活热水箱18)。

Claims (5)

1.一种太阳能-地能双热源复合热泵装置，其特征在于：该装置包括压缩机(1)，壳-套管式三介质复合换热器(2)，用户侧换热器(3)，四通换向阀(4)，节流阀(5)，第一循环水泵(13)，第二循环水泵(9)，第三循环水泵(6)，太阳能集热器(12)，箱体内设置有换热盘管(10)的蓄热水箱(11)；其中所述蓄热水箱(11)的两个进水口中的一个进水口通过设置在管路间的阀门(15)与太阳能集热器(12)的出水口相连接，另一个进水口通过旁通阀(8)与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第一种介质通道的出水管口相连通；蓄热水箱(11)的两个出水口中的一个出水口通过设置在管路间的阀门(14)、第一循环水泵(13)与太阳能集热器(12)的进水口相连接，另一个出水口通过第二循环水泵(9)与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第一种介质通道进水管口相连通；地下热源供水管通过阀门(7)、第三循环水泵(6)与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第二种介质通道的进水管口相连接，第二种介质通道的出水管口与地下热源回水管道相连接；所述壳-套管式三介质复合换热器(2)的第三种介质通道管口的一端通过四通换向阀(4)、压缩机(1)与用户侧换热器(3)中换热管一个端口相连接，第三种介质通道管口的另一端通过节流阀(5)接入用户侧换热器(3)中所述换热管的另一个端口。
2.根据权利要求1所述的太阳能-地能双热源复合热泵装置，其特征在于：与蓄热水箱(11)蓄热腔相连通的进水口通过设置在管路间的阀门(15)与太阳能集热器(12)的出水口相连接，与蓄热水箱(11)蓄热腔相连通的出水口通过设置在管路间的阀门(14)、第一循环水泵(13)与太阳能集热器(12)的进水口相连接；设置在蓄热水箱(11)内的换热盘管(10)的进水口通过旁通阀(8)与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第一种介质通道的出水管口相连通；该换热盘管(10)的出水口通过第二循环水泵(9)与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第一种介质通道进水管口相连通。
3.根据权利要求2所述的太阳能-地能双热源复合热泵装置，其特征在于：在蓄热水箱(11)上设置有生活热水供水管口和补水管口。
4.根据权利要求2所述的太阳能-地能双热源复合热泵装置，其特征在于：所述太阳能集热器(12)的出水口通过设置在管路间的阀门(16)与生活热水箱(18)的进水口相连接，生活热水箱(18)的出水口通过阀门(17)与太阳能集热器(12)的进水口相连接；在所述生活热水箱(18)上设置有生活热水供水管口和补水管口。
5.根据权利要求1所述的太阳能-地能双热源复合热泵装置，其特征在于：与蓄热水箱(11)蓄热腔相连通的进水口通过旁通阀(8)与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第一种介质通道的出水管口相连通；与蓄热水箱(11)蓄热腔相连通的出水口通过第二循环水泵(9)与壳-套管式三介质复合换热器(2)的第一种介质通道进水管口相连通；设置在蓄热水箱(11)内的换热盘管(10)的进水口通过设置在管路间的阀门(15)与太阳能集热器(12)的出水口相连接，该换热盘管(10)的出水口通过设置在管路间的阀门(14)、第一循环水泵(13)与太阳能集热器(12)的进水口相连接；所述太阳能集热器(12)的出水口通过设置在管路间的阀门(16)与生活热水箱(18)的进水口相连接，生活热水箱(18)的出水口通过阀门(17)与太阳能集热器(12)的进水口相连接；在所述生活热水箱(18)上设置有生活热水供水管口和补水管口。
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