CN101235974A - 基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统 - Google Patents
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Abstract
一种节能技术领域的基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统，本发明太阳能集热器出口与变频压缩机的吸气口相连，压缩机的排气口与套管换热器的进气口连接，套管换热器的出口与热力膨胀阀的进口连接，热力膨胀阀的出口与太阳能集热器的进口相连，完成制冷剂侧系统的闭合循环；蓄热水箱水循环出口与水泵连接，水泵出口与套管换热器入口连接，由套管换热器的出水口与蓄热水箱水循环入口相连，完成水侧系统的闭合循环，以上两个循环均通过控制显示电路控制实现。本发明采用玻璃盖板、底部发泡材料保温、表面喷涂Ni－Cr选择性吸收涂层的平板型集热器，造价低廉，系统性能高，适用地区广泛，绿色无污染。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种太阳能技术领域的热水系统，是一种基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统。
背景技术
太阳能是一种巨大的，无污染的能源，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，它既是一次能源，又是可再生能源。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。其他形式的能源(地热能资源除外)最终也都是来自于太阳，因此可以说它是人类赖以生存的能量之源。我国太阳能资源十分丰富，主要集中在西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏和内蒙古等西部地区。我国太阳能总储量约为1.47×108亿千瓦时/年，相当于2.4万亿吨标准煤。由于我国太阳能资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。因此太阳能的有效利用，对于缓解我国能源需求量大而且资源紧张的状况，具有极大的现实意义。
作为将太阳能这种“取之不尽”的低温位能量有效加以利用的一种方法，太阳能热泵正逐渐受到人们的重视。太阳能热泵是一种反向使用的制冷机，它的热能大部分来自周围环境，只有很小的一部分是由电能转变而成的。以花费少量电能作为代价，将周围低温环境的热能“泵”到温度较高的环境中，因而具有很高的能量使用效率。太阳能热泵将太阳能光热技术与电动热泵技术有机结合起来，大大降低了集热器的工作温度，并提高了热泵的蒸发温度，因而具有较高的集热器效率和热泵性能系数，而且结构紧凑、适用性强、技术经济性能也较好，为太阳能热利用的产业化发展道路提供了一条有效途径。以直膨式太阳能热泵为核心的建筑热水供应系统以太阳辐射热能作为蒸发器主热源，以环境空气(甚至是降雨)潜热作为蒸发器辅助热源，由于对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能，因此具有良好的商业实用化前景。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利名称为：直膨式太阳能热泵热水器，专利号为：ZL 01126634.1，该专利中公开了一种太阳能热泵热水器。采用无盖板、无底部保温的平板型集热器，其出口与压缩机的吸气口相连，压缩机的排气口与冷凝器的进气口连接，冷凝器的出液口与贮液器相连，然后分别经干燥过滤器、热力膨胀阀与集热/蒸发器的进液口相连，形成制冷剂的闭合循环通道，冷凝器布置在贮热水箱之中。其不足在于结构比较复杂，不易于日常维护，由于冷凝器布置在贮热水箱之中，连接接管路长，系统充注量大且容易发生泄漏，这使其推广应用和批量生产也受到一定的限制；另外，系统的关键部件-集热器难以与建筑结构集成，其在建筑上的应用也必然受到束缚。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统，使其具有结构简单、成本低廉、系统充注量很小，能够与建筑完美集成并且全年能够保持较高效率运行，达到结构更加紧凑、运行经济性更强、适用性更广泛的最终目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括太阳能集热器、气液分离器、压缩机、套管换热器、蓄热水箱、水泵、启动电容、热力膨胀阀、控制显示电路、室外机箱壳。控制显示电路采用的现有技术实现。
本发明上述的组件中，太阳能集热器、气液分离器、压缩机、套管换热器、启动电容、热力膨胀阀、控制显示电路、室外机箱壳组成制冷剂侧系统；套管换热器、蓄热水箱、水泵组成水侧系统，气液分离器、压缩机、套管换热器、启动电容、热力膨胀阀、控制显示电路容于室外机箱壳之中构成室外机部分。整个系统的连接方式为：电源正负极与控制显示电路相连，控制显示电路分别与启动电容，压缩机接电源处正负极分别相连，启动电容与压缩机第三极连接，太阳能集热器出口与气液分离器相连，气液分离器与压缩机的吸气口相连，压缩机的排气口与套管换热器的进气口连接，套管换热器的出口与热力膨胀阀的进口连接，热力膨胀阀的出口与太阳能集热器的进口相连，此部分完成制冷剂侧系统的闭合循环；蓄热水箱水循环出口与水泵连接，水泵出口与套管换热器入口连接，由套管换热器的出水口与蓄热水箱水循环入口相连，此部分完成水侧系统的闭合循环，以上两个循环均通过控制显示电路控制实现，直至水温达到预定温度，控制停机。
所述的太阳能集热器，包括总管、铜翅片、铝合金边框、玻璃盖板、制冷剂铜管、太阳能集热器发泡保温材料，其中铜翅片涂覆Ni-Cr选择性吸收涂层，玻璃盖板盖装于铝合金边框上，铜翅片中央焊于制冷剂铜管上，且均匀布置于铝合金边框内，制冷剂铜管两端垂直通连总管，接口处焊接，总管接头连接气液分离器吸入口，发泡保温材料设置在太阳能集热器背面。
采用直膨式太阳能热泵的系统形式，即将太阳能集热器直接作为热泵的蒸发器，使太阳能的吸收过程与制冷剂的蒸发过程在同一设备中完成。直膨式系统中制冷剂R22(CHF2Cl)作为太阳能集热介质直接在太阳能集热器中吸热蒸发，经出口进入压缩机，在压缩机中多变状态下压缩，进入套管换热器与水侧闭合循环进行逆流换热，从套管换热器的出口进入热力膨胀阀，节流后进入太阳能集热器，完成制冷剂侧的闭合循环，与此同时，冷却水由水泵循环强制换热，首先由水泵抽出并经过水泵，再通过套管换热器与制冷剂侧闭合循环进行逆流换热，被加热后由套管换热器的出水口回到蓄热水箱，完成水侧的闭合循环，在此过程中，本发明中采用有透射率为95％的玻璃盖板、底部发泡材料保温、表面喷涂吸收率90％且发射率45％的Ni-Cr选择性吸收涂层的平板型集热器，是考虑到冬季是热水需求最大而热水系统工作环境又最为恶劣，特别在太阳能集热器上加装了透射率达到95％的玻璃盖板以引入温室效应，有效保护收集到的热量，同时玻璃盖板还可以起到保护集热板，灵活多变地安装与房顶的一体化建筑接口的作用。吸热体采用铜焊接板，同时底部及四周加以保温，表面喷涂Ni-Cr选择性吸收涂层，高吸收率达到90％，而发射率较低，只有45％，管路承压要求在25kgf/cm2以上。
与常规的太阳能热水装置相比较，以直膨式太阳能热泵为核心的本发明具有以下几个显著特点：(1)首先，由于该太阳能集热器结构简单、质轻体薄，特别适于倾斜安装在屋顶之上或垂直挂装在南向外墙壁上，适合多层或高层建筑。(2)本发明成本低廉，现有技术条件下一套三口之家的家用热水系统的批量生产成本可以降低到2500元以下，接近甚至低于现有市面上的常规热水系统。(3)常规太阳能热水装置的工作温度高于环境温度，集热器通过对流换热以及辐射换热造成的散热损失较大，而太阳集热板内由于制冷剂的节流冷效应，使得工作温度远低于环境温度，因此在吸收太阳辐射的同时，还可以进一步吸收周围空气中的热量，集热效率高。在太阳辐射条件较好的情况下，本发明压缩机的耗电量仅占所供热量的一小部分(1/COP)。
附图说明
图1为本发明实施例中系统结构示意图。
图1中，1为太阳能集热器，2为气液分离器，3为压缩机，4为套管换热器，5为蓄热水箱，6为水泵，7为过滤干燥器，8为热力膨胀阀，9为控制显示电路，10为室外机箱壳。A处通往用户用水处，B处连接自来水供水处，C处连接220V电源。
图2为本发明实施例中太阳能集热器的结构示意图一。
图3为本发明实施例中太阳能集热器的结构示意图二。
图2、3中，11为总管，12为铜翅片(涂覆Ni-Cr系选择性吸收涂层)，13为铝合金边框，14为玻璃盖板，15为制冷剂铜管，16为太阳能集热器发泡保温材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例整个系统分为两路，一路是制冷剂侧系统，一路是水侧系统。制冷剂侧系统由太阳能集热器1，气液分离器2，压缩机3，套管换热器4，启动电容7，热力膨胀阀8，控制显示电路9，室外机箱壳10组成；水侧系统由套管换热器4，蓄热水箱5，水泵6组成。整个系统的连接方式为：气液分离器2，压缩机3，套管换热器4，启动电容7，热力膨胀阀8，控制显示电路9容于室外机箱壳10之中构成室外机部分。电源正负极与控制显示电路9相连，控制显示电路9分别与启动电容7，压缩机3接电源处正负极分别相连，启动电容7与压缩机3第三极连接，在制冷剂系统一侧，太阳能集热器1出口与气液分离器2相连，气液分离器2与压缩机3的吸气口相连，压缩机3的排气口与套管换热器4的进气口连接，套管换热器4的出口与热力膨胀阀8的进口连接，热力膨胀阀8的出口与太阳能集热器1的进口相连，完成制冷剂侧系统的闭合循环；在水系统一侧，蓄热水箱5水循环出口与水泵6连接，水泵6出口与套管换热器4入口连接，由套管换热器4的出水口与蓄热水箱5水循环入口相连，完成水侧系统的闭合循环，以上两个循环均通过控制显示电路9编程控制实现，直至水温达到预定温度，控制停机。
如图2、3所示，本实施例中，太阳能集热器1包括：总管11、铜翅片12、铝合金边框13、玻璃盖板14、制冷剂铜管15、太阳能集热器发泡保温材料16，其中铜翅片12涂覆Ni-Cr选择性吸收涂层。玻璃盖板14盖装于铝合金边框13上，铜翅片12中央焊于制冷剂铜管15上，均匀布置于铝合金边框13内(共8根)，8根制冷剂铜管15两端垂直通连总管11，接口处焊接，本实施例系统的3块集热板共6根总管接头处可靠焊接并检漏后连接气液分离器2吸入口，太阳能集热器背面装发泡保温材料16。
本实施例中，所述涂覆Ni-Cr选择性吸收涂层，其吸收率为90％，发射率为45％，集热温度可以达到摄氏110度。
本实施例中，所述太阳能集热器1的外型尺寸为1m*1.5m(长*宽)。
本实施例中，所述玻璃盖板14的外型尺寸为0.93m*1.43m*0.06m(长*宽*厚度)。
本实施例中，所述铜翅片12的尺寸为0.12m*0.95m(长*宽)。
本实施例中，控制显示电路9采用现有的江苏华扬太阳能有限公司生产的控制电路板，其主要作用是测量显示水温，当水温到达预设温度时切断电源，同时检测水泵6和压缩机3的运行电流，出现电流过大时切断电源，保护系统。
表1和表2是本实施例的设计指标及相关参数。
表1太阳能建筑一体化节能热水系统设计参数及指标
表2主要部件参数
上述结构的系统运行时工作循环过程描述如下：系统启动后，控制显示电路9得电，同时启动电容7得电，延时启动压缩机3，直膨式系统中制冷剂R22(CHF2Cl)作为太阳能集热介质直接在太阳能集热器中吸热蒸发，经出口进入压缩机3，在压缩机3中多变状态下压缩，进入套管换热器4与水侧闭合循环进行逆流换热，从套管换热器4的出口进入热力膨胀阀8，节流后进入太阳能集热器1，完成制冷剂侧的闭合循环，与此同时，冷却水由水泵6循环强制换热，首先由水泵6抽出并经过水泵6，再通过套管换热器4与制冷剂侧闭合循环进行逆流换热，被加热后由套管换热器4的出水口回到蓄热水箱5，完成水侧的闭合循环，以上两个循环均通过控制显示电路9编程控制实现，直至水温达到预定温度，控制停机。夏季工况下，因为系统的工作温度高于制冷剂的蒸发温度，在外界环境为30℃的情况下，其蒸发温度为10℃左右，因此系统不仅可以从太阳辐射中吸收辐射能量，更可以在周围高温的环境下吸收空气中的热量，这样系统的热效率就会大幅度提高。实验数据显示在环境温度为30℃，太阳辐射达到800W/m2时，太阳能集热板从周围空气中吸收的热量可以占有效利用的总能量的25％以上。而在冬季工况下，环境温度骤然降低，太阳辐射减弱，本系统采用的玻璃盖板以及背板保温材料将形成一个类似温室的腔体，有效地保证了所采集的太阳辐射能量得到充分利用，同时此时的蒸发温度已经降至0℃左右，仍然低于环境温度，仍然可以从周围环境中吸收热量，从而充分保护了所采集的环境能量。
本实施例采用核心为直膨式太阳能热泵的系统形式，使得太阳能集热器的工作温度与制冷剂的蒸发温度始终保持一致，并接近环境温度，大大提高了太阳能集热器效率和热泵性能系数(集热器效率一般可达70％～90％，夏季热泵COP一般可超过6，冬季也可以超过3)。本实施例采用易于与建筑结构实现一体化集成的、廉价的太阳能集热器，集热成本低，极大地改善了系统的经济性能。同时在阴雨天或太阳辐射相对不足的情况下可利用空气作为热泵热源，保证了冬季采暖的连续性和稳定性。本实施例具有适用性好、设备利用率高、节能效果显著、寿命长、技术经济性能较好等诸多优点，是一种新型的绿色环保型的建筑复合能量系统，适用于我国广大城乡建筑。
Claims (5)
1. 一种基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统，包括太阳能集热器、气液分离器、压缩机、套管换热器、蓄热水箱、水泵、启动电容、热力膨胀阀、控制显示电路、室外机箱壳，其特征在于，电源正负极与控制显示电路相连，控制显示电路分别与启动电容，压缩机接电源处正负极分别相连，启动电容与压缩机第三极连接，太阳能集热器出口与气液分离器相连，气液分离器与压缩机的吸气口相连，压缩机的排气口与套管换热器的进气口连接，套管换热器的出口与热力膨胀阀的进口连接，热力膨胀阀的出口与太阳能集热器的进口相连，此部分完成制冷剂侧系统的闭合循环；蓄热水箱水循环出口与水泵连接，水泵出口与套管换热器入口连接，由套管换热器的出水口与蓄热水箱水循环入口相连，此部分完成水侧系统的闭合循环，以上两个循环均通过控制显示电路控制实现，直至水温达到预定温度，控制停机。
2. 如权利要求1的基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统，其特征是，所述的太阳能集热器，包括总管、铜翅片、铝合金边框、玻璃盖板、制冷剂铜管、太阳能集热器发泡保温材料，其中铜翅片涂覆Ni-Cr选择性吸收涂层，玻璃盖板盖装于铝合金边框上，铜翅片中央焊于制冷剂铜管上，且均匀布置于铝合金边框内，制冷剂铜管两端垂直通连总管，接口处焊接，总管接头连接气液分离器吸入口，发泡保温材料设置在太阳能集热器背面。
3. 如权利要求2的基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统，其特征是，所述Ni-Cr选择性吸收涂层，其吸收率为90％，发射率为45％，集热温度达到摄氏110度。
4. 如权利要求1的基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统，其特征是，所述蓄热水箱为闭式承压蓄热水箱，水箱内无铜盘管，通过套管换热器采用水泵强制对流换热。
5. 如权利要求1或4的基于直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化节能热水系统，其特征是，所述套管换热器内管为制冷剂通路，外管为水流通路。
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