CN101338955A - 一种环保、节能的供热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用太阳能等自然资源进行供热的方法技术领域。本发明所述的环保、节能的稳定供热方法，利用跨临界二氧化碳热泵系统辅助太阳能加热系统供热，并通过热水循环系统相互连接。本发明能把跨临界二氧化碳热泵系统与太阳能热水技术结合起来，提供四种制取热水模式，可以满足不同气候区域的全年热水供应。即使在严寒地区，也可以制取50℃～90℃的热水，保证了跨临界二氧化碳热泵系统在低温下的稳定运行。更重要的是，本发明采用自然工质二氧化碳以及可再生能源太阳能可以达到节能、环保的效果。

Description

一种环保、节能的供热方法

技术领域

本发明涉及利用太阳能等自然资源进行供热的方法技术领域。

背景技术

目前，环境和能耗问题是制约我国经济和社会发展的重要因素，温室效应和臭氧层破坏的环境问题也越来越受到人们的重视。

热水与我们的生活密切相关，由于受到能源与环保的限制，传统热水供应都存在某些地方的不足。目前市场上传统的热水器有三大类：燃煤、油、气热水器，电热水器，太阳能热水器。燃煤热水锅炉，由于煤的燃烧不充分及严重污染大气的问题，在很多大、中城市已经被国家明令禁止使用了。燃气热水器在使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有不完全燃烧的产物一氧化碳，容易发生中毒事故，其加热效率约为80％。电热水器，其加热效率大约为95％，电能浪费大。虽然电热水器上装有漏电保护，但在使用电热水器时容易发生触电事故。太阳能热水器，属于环保、节能产品，但受天气的影响较大，使用的区域和时间受到很大限制。

此外，市场上也有热泵热水器，但这些热泵热水器的工质一般为R22、R410A等传统工质，不仅会产生温室效应和破坏臭氧层，且这些工质要生产60℃以上的热水会使压缩机排气压力过高、EER过低，因此供热水的温度受到限制。另外在寒冷地区，环境温度很低时，热泵蒸发器容易结霜，出水温度不能满足要求，热泵效率低，甚至热泵不能工作，因此热泵热水器使用的地域范围受到很大限制。

二氧化碳作为天然工质，优点在于ODP为零，GWP值远远小于CFCS和HFCS，符合环保要求；绝热指数大，压缩机排气温度较高，满足制取较高温度热水的要求；具有优良的经济性，且无回收问题；良好的安全性和化学稳定性，安全无毒，不可燃，在高温下也不分解产生有害气体；此外由于CO₂具有良好的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑。

与传统热水器相比，跨临界二氧化碳热泵热水器主要有以下优点：

1、加热一定量的热水，能耗仅是电加热热水器和燃气热水器的1/4；

2、可以制取90℃高温热水，而传统热泵热水器一般制取热水不超过60℃；

3、在寒冷地区，CO₂热泵系统在低温环境下能够维持较高的供热量，大大节约辅助加热设备所耗费的能量，而传统热泵在低温环境下的使用受到很大限制。

另一方面，太阳能作为一种洁净的能源，既是一次能源，又是可再生能源，有着矿物质能源无可比拟的优越性。

发明内容

本发明的目的就是结合跨临界二氧化碳循环和太阳能加热各自的优势，提供一种环保、节能的稳定供热方法。

本发明的发明人针对目前使用的各种供热方法存在的优缺点，考虑到将二氧化碳热泵技术和太阳能技术两者结合起来，发现既能克服传统供热的缺点，又能发挥其节能、环保的优势，增强了供热系统的实用性，提高了系统的稳定性。

为达上述目的，本发明采取的具体技术方案如下：

一种环保、节能的供热方法，其特点是利用跨临界二氧化碳热泵系统辅助太阳能加热系统，通过热水循环系统相互连接。

本发明所述的跨临界二氧化碳循环是指二氧化碳在低于临界压力的条件下在蒸发器中吸热，在高于临界压力的条件下在气体冷却器内放热的循环。

本发明所述的太阳能加热是指利用乙二醇溶液在太阳能集热器内吸收太阳能热量，在盘管换热器B和盘管换热器C中放热的系统。

上述的环保、节能的供热方法，所说的跨临界二氧化碳热泵系统包括：用管道依次连接的节流阀(1)、蒸发器(2)、压缩机(3)和气体冷却器(4)。优选的方案是，蒸发器上还装有电加热融霜装置。跨临界二氧化碳热泵系统内循环的工质为二氧化碳。

上述的二环保、节能的供热方法，所说的热水循环系统包括：用管道依次连接的热水箱(5)、泵A(6)、止回阀A(7)、盘管换热器A(8)，及进水三通阀A(9)和出水截止阀(10)。

上述的环保、节能的供热方法，所说的太阳能加热系统包括：用管道依次连接的泵B(11)、止回阀B(12)、太阳能集热器(13)、三通阀B(14)、盘管换热器B(15)、三通阀C(16)，及与盘管换热器B(15)并联的盘管换热器C(17)。太阳能加热系统内循环的工质为乙二醇。优选的方案是，在太阳能集热器的进出口处还安装有温差控制器，在太阳能集热器的出口处安装有温度控制器。

上述的环保、节能的供热方法，其跨临界二氧化碳热泵系统通过蒸发器(2)与太阳能加热系统的盘管换热器C(17)相连接，跨临界二氧化碳热泵系统通过气体冷却器(4)与热水循环系统的盘管换热器A(8)相连接，热水循环系统通过热水箱(5)与太阳能加热系统的盘管换热器B(15)相连接。

本发明的有益效果：

首先能把跨临界二氧化碳热泵系统与太阳能热水技术结合起来，提供四种制取热水模式：太阳能加热系统单独制取热水、太阳能加热系统与跨临界二氧化碳热泵系统同时制取热水、跨临界二氧化碳热泵系统单独制取热水、太阳能或电加热辅助加热蒸发器跨临界二氧化碳热泵系统制取热水。因此，该系统可以满足各种不同的气候区全年有效的工作。特别是严寒地区，可以利用太阳能加热系统加热跨临界二氧化碳热泵系统的蒸发器，达到有效融霜的目的，保证了跨临界二氧化碳热泵系统在低温下的稳定运行。

例如，在阳光充足、太阳辐射强度很大的时段，太阳能加热系统单独制取热水即可满足需求；在阳光充足、太阳辐射强度不是很大的时段，可启动跨临界二氧化碳热泵系统作为太阳能加热系统的辅助，两系统同时制取热水；在阳光不充足及没有阳光的时段，太阳能系统无法有效工作，跨临界二氧化碳热泵系统单独运行制取热水；在寒冷的冬季，运行跨临界二氧化碳热泵系统，有充足阳光时，利用太阳能加热系统加热蒸发器；阳光不充足时，利用电加热器加热蒸发器，从而防止了蒸发器在低温条件下结霜的问题。

另外，本发明还可以通过检测太阳能集热器进出口处乙二醇溶液的温差Δt、出口处乙二醇溶液的温度t_out，来判断三通阀B、三通阀C的开启方向及跨临界二氧化碳热泵系统、太阳能加热系统的启停情况，使系统可以在各种制热模式中自动转换。

本发明充分利用跨临界二氧化碳热泵技术的优点，即使在严寒地区，也可以制取50℃~90℃的热水。更重要的是，本发明采用自然工质二氧化碳以及可再生能源太阳能可以达到节能、环保的效果。

附图说明

图1为本发明的环保、节能的供热方法的具体应用原理图之一。

图1中各个部件名称分别为：1-节流阀；2-蒸发器；3-压缩机；4-气体冷却器；5-热水箱；6、11-泵A和泵B；7、12-止回阀A和止回阀B；8、15、17-盘管换热器A、盘管换热器B、盘管换热器C；9、14、16-三通阀A、三通阀B、三通阀C；10-出水截止阀；13-太阳能集热器。

具体实施方式

本发明所述的环保、节能的供热方法，是利用跨临界二氧化碳热泵系统辅助太阳能加热系统，通过热水循环系统相互连接。其具体实施方式见实施例1：

实施例1

跨临界二氧化碳热泵系统：用管道依次连接的节流阀1、蒸发器2、压缩机3和气体冷却器4。优选的方案是，蒸发器上还装有电加热融霜装置。跨临界二氧化碳热泵系统内循环的工质为二氧化碳。

热水循环系统：用管道依次连接的热水箱5、泵A6、止回阀A7、盘管换热器A8，及进水三通阀A9和出水截止阀10。

太阳能加热系统：用管道依次连接的泵B11、止回阀B12、太阳能集热器13、三通阀B14、盘管换热器B15、三通阀C16，及与盘管换热器B15并联的盘管换热器C17。太阳能加热系统内循环的工质为乙二醇。优选的方案是，在太阳能集热器的进出口处还安装有温差控制器，在太阳能集热器的出口处安装有温度控制器。

将跨临界二氧化碳热泵系统通过蒸发器2与太阳能加热系统的盘管换热器C17相连接，跨临界二氧化碳热泵系统通过气体冷却器4与热水循环系统的盘管换热器A8相连接，热水循环系统通过热水箱5与太阳能加热系统的盘管换热器B15相连接。

把跨临界二氧化碳热泵系统与太阳能热水系统合理的结合起来。通过检测太阳能集热器进出口处乙二醇溶液的温差Δt、出口处乙二醇溶液的温度t_out，来判断三通阀B、三通阀C的开启方向，从而在不同的气候条件下实现跨临界二氧化碳热泵系统、太阳能加热系统的自动启停，使系统可以在各种制热模式中自动转换。给太阳能集热器进出口处温差控制器设定一个对比温差值m。当Δt＞m时，说明太阳能加热系统可以有效工作。给太阳能集热器的出口处温度控制器设定两个对比温度值t₁、t₂(t₁＞t₂)；当t_out＞t₂时，说明系统处于非寒冷季节；当t_out＞t₁时，说明太阳能单独制取热水可满足需求；当t₂＜t_out＜t₁时，说明单靠太阳能不能满足制取所需热水要求。

本发明进水管用三通阀9与热水箱5和盘管换热器A8相连接。在跨临界二氧化碳热泵系统运行阶段，如图1所示，三通阀A14的i、g两通道接通，补给水先通过盘管换热器A8加热在进入热水箱顶部；在跨临界二氧化碳热泵系统没有运行阶段，三通阀A14的h、g两通道接通，补给水直接进入热水箱底部。

具体运行方式如下：

(1)太阳能加热系统单独制取热水模式：当温差控制器、温度控制器检测得Δt＞m、t_out＞t₁时，说明阳光充足，太阳能加热系统可以有效工作且太阳能单独制取热水可以满足需求。此时，如图所示，三通阀B14的a、c两通道接通，三通阀C16的d、e两通道接通。同时温度控制器控制跨临界二氧化碳热泵系统停止运行。于是实现太阳能加热系统单独制取热水。

(2)太阳能加热系统与跨临界二氧化碳热泵系统同时制取热水模式：当温差控制器检测得Δt＞m、但温度控制器检测得t₂＜t_out＜t₁时，说明阳光充足，太阳能系统可以有效工作但不能满足热水需求。此时，如图所示，三通阀B14的a、c两通道接通，三通阀C16的d、e两通道接通。同时温度控制器控制跨临界二氧化碳热泵系统启动运行。于是实现太阳能加热系统与跨临界二氧化碳热泵系统同时制取热水。

(3)跨临界二氧化碳热泵系统单独制取热水模式：当温差控制器检测得Δt＜m、温度控制器检测得t_out＞t₂时，说明阳光不足或没有阳光，太阳能加热系统无法有效工作，但处于非寒冷季节。此时，温差控制器控制泵B11停止运行，太阳能加热系统停止运行。同时温差控制器控制跨临界二氧化碳热泵系统启动运行。于是实现跨临界二氧化碳热泵系统单独制取热水。

(4)冬季运行模式：当温度控制器检测得t_out＜t₂时，说明处于寒冷季节，即跨临界二氧化碳热泵系统容易结霜。当温差控制器检测得Δt＞m时，说明阳光充足，此时，如图所示，三通阀B的a、b两通道接通，三通阀C的d、f两通道接通，实现太阳能加热系统给蒸发器2加热除霜。则实现太阳能辅助加热蒸发器而跨临界二氧化碳热泵系统制取热水。当温差控制器检测得Δt＜m时，说明阳光不充足，太阳能无法有效工作，此时开启电加热装置加热蒸发器除霜。从而满足在冬季环境低温情况下，实现提供50℃~90℃的热水。

Claims (9)

1.一种环保、节能的供热方法，其特征在于，利用跨临界二氧化碳热泵系统辅助太阳能加热系统供热，并通过热水循环系统相互连接。

2.如权利要求1所述的环保、节能的供热方法，其特征在于，跨临界二氧化碳热泵系统通过其蒸发器(2)与太阳能加热系统的盘管换热器C(17)相连接，跨临界二氧化碳热泵系统通过其气体冷却器(4)与热水循环系统的盘管换热器A(8)相连接，热水循环系统通过热水箱(5)与太阳能加热系统的盘管换热器B(15)相连接。

3.如权利要求1所述的环保、节能的供热方法，其特征在于，可提供如下的四种供热方式：太阳能加热系统单独制取热水、太阳能加热系统与跨临界二氧化碳热泵系统同时制取热水、跨临界二氧化碳热泵系统单独制取热水、太阳能或电加热辅助加热蒸发器跨临界二氧化碳热泵系统制取热水。

4.如权利要求1所述的环保、节能的供热方法，其特征在于，跨临界二氧化碳热泵系统包括：用管道依次连接的节流阀(1)、蒸发器(2)、压缩机(3)和气体冷却器(4)。

5.如权利要求1所述的环保、节能的供热方法，其特征在于，热水循环系统包括：用管道依次连接的热水箱(5)、泵A(6)、止回阀A(7)、盘管换热器A(8)，及进水三通阀A(9)和出水截止阀(10)。

6.如权利要求1所述的环保、节能的供热方法，其特征在于，太阳能加热系统包括：用管道依次连接的泵B(11)、止回阀B(12)、太阳能集热器(13)、三通阀B(14)、盘管换热器B(15)、三通阀C(16)，及与盘管换热器B(15)并联的盘管换热器C(17)。

7.如权利要求1所述的环保、节能的供热方法，其特征在于，太阳能加热系统内循环的工质为乙二醇。

8.如权利要求4所述的环保、节能的供热方法，其特征在于，蒸发器上还装有电加热融霜装置。

9.如权利要求5所述的环保、节能的供热方法，其特征在于，在太阳能集热器的进出口处还安装有温差控制器，在太阳能集热器的出口处安装有温度控制器。