CN101571329A - 一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统。本发明的制冷剂循环系统具有依次连接的压缩机、室内换热器、制冷剂－水换热器、室外换热器、高压储液桶、节流装置，三通阀、单向阀和气液分离器，水循环系统具有依次连接的太阳能集热装置、水箱、水泵和制冷剂－水换热器。本发明可以高效率地实现冷暖空调和热水器功能，具有很强的节能性、实用性和经济性，市场前景广阔。本发明特别适用于太阳能资源丰富，同时需要冷暖空调和热水供应的场合。

Description

一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统

技术领域

本发明属于热泵型空调、热泵热水器以及太阳能利用领域，尤其涉及一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统。

背景技术

20世纪70年代爆发的全球性的能源危机促进了太阳能热泵发展。太阳能辅助式热泵是太阳能与热泵技术的结合的一种有效途径，它以太阳能为热泵蒸发器侧的补充热量，通过提高蒸发温度来实现更高效的供热。太阳能辅助式热泵又分为间接膨胀式(简称间膨式)和直接膨胀式(简称直膨式)两种。早期的太阳能辅助式热泵以间膨式为主，通过水或其他载冷剂来连接太阳能集热器和热泵。后来发展起来的直膨式太阳能辅助热泵是将热泵室外换热器和集热器整合为一体，制冷剂直接在集热器中蒸发吸热，不但可以直接吸收太阳能，而且可以在没有太阳能的时候直接吸收集热器周围的空气能。因此，系统结构大为简化，对于单独采暖的系统比较适用。

随着人们生活水平的提高，能够实现室内制热、室内制冷和制取生活热水的直膨式多功能热泵越来越受到欢迎。因此，为了实现良好的夏季室内制冷，一般通过配置第二个室外换热器与集热器并联，在制冷季节作冷凝器。为了满足现代舒适生活的需要制取生活热水，还需要配置水箱及其换热器。现有的直膨式多功能太阳能辅助热泵有三种方式，第一种是将水箱及其换热器与室内机串联，其缺点是制冷季节无法实现热泵制热水功能，不能有效地热泵的节能潜力。第二种是将水箱及其换热器与室内机并联，其缺点也是制冷季节无法实现热泵制热水功能。第三种是将水箱及其换热器串联于压缩机和四通阀之间，其缺点是在采暖季节无法利用水箱中的热水用于辅助除霜，影响室内制热的舒适性。

本发明通过一种带高压储液桶的新桥路模块，采用四个节流元件分别与系统的四个换热器一一对应进行连接，仅用五个电动阀门即可实现八种功能模式，大幅降低了成本，降低了控制难度，提高了运行的可靠性。特别适用于太阳能资源丰富，同时需要冷暖空调和热水供应的场合。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统。

直膨式多功能太阳能辅助热泵系统为：压缩机1高压出口与四通换向阀第一端口相连，四通换向阀第二端口与第一三通阀的第一端口相连，四通换向阀的第三端口经汽液分离器与压缩机低压进口相连，四通换向阀的第四端口与第二三通阀的第一端口相连；第一三通阀的第二端口分别与第一截止阀的第一端口和第二截止阀的第一端口相连，第一三通阀的第三端口与室内换热器的第一端口相连；室内换热器的第二端口分别与第一单向截止阀的第二端口和第一节流元件的第一端口相连；第一单向截止阀的第一端口分别与第二单向截止阀的第一端口、高压储液罐的第一端口、第三单向截止阀的第一端口和第四单向截止阀的第一端口相连；第一节流元件的第二端口分别与第二节流元件的第二端口、干燥过滤器出口、第三节流元件的第二端口和第四节流元件的第二端口相连；第二单向截止阀的第二端口分别与带换热盘管水箱的第二端口和第二节流元件的第一端口相连；高压储液罐的第二端口与干燥过滤器的进口相连；第三单向截止阀的第二端口分别与第三节流元件的第一端口和直膨式集热器的第二端口相连；第四单向截止阀的第二端口分别与室外换热器的第一端口和第四节流元件的第一端口相连；第一截止阀的第二端口与带换热盘管水箱的第一端口相连；第二截止阀的第二端口分别与第三截止阀的第一端口和第二三通阀的第三端口相连；第三截止阀的第二端口与直膨式集热器的第一端口相连；第二三通阀的第二端口与室外换热器的第二端口相连。

所述的第一节流元件、第二节流元件、第三节流元件或第四节流元件是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。第一单向截止阀、第二单向截止阀、第三单向截止阀或第四单向截止阀是手动截止阀或自动截止阀。第一单向截止阀、第二单向截止阀、第三单向截止阀或第四单向截止阀可由双向截止阀代替。第一截止阀、第二截止阀或第三截止阀是双向截止阀。第一三通阀或第二三通阀可由两个双向截止阀代替。室内换热器或室外换热器是风冷换热器或水冷换热器。带换热盘管水箱是内部装有换热器的密闭承压保温容器。带换热盘管水箱内换热盘管为光管沉浸式换热器或套片管沉浸式换热器。直膨式集热器是制冷剂在其中直接蒸发，其外表涂有吸收太阳能涂层的太阳能集热器。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)节能性。本发明制取热水平均效率能达到300％左右，远高于普通电加热和燃气热水器效率。本发明能够有效利用太阳能作为制冷剂蒸发能量，大大地提高系统在冬季运行的COP值，弥补普通空调冬季运行存在COP很低的缺点。

2)实用性。本发明将空调和热水器一体化设计，实现了多种使用功能。

3)经济性。直膨式太阳能集热器的成本大大低于间膨式太阳能集热器，有着明显的经济优势，非常有利于推广。

4)安全性。本发明制取热水用时不会出现电热水器的漏电现象，也不会有燃气热水器的气体中毒危险。

5)稳定性。在寒冷冬季条件下，本发明可有效利用太阳能，减少普通空调因蒸发温度过低而导致的各类故障。另外，本发明的热水源可用于室外蒸发器的快速除霜，提高系统的稳定性。分别用四个节流元件独立控制进入四个换热器的流量，可以很好地适应功能模式之间的转化，进一步提高了系统运行的可靠性。

附图说明

附图是直膨式多功能太阳能辅助热泵系统流程图；

图中：压缩机1、室内换热器2、带换热盘管水箱3、直膨式集热器4、室外换热器5、高压储液罐6、干燥过滤器7、第一节流元件8、第二节流元件9、第三节流元件10，第四节流元件11、四通换向阀12、汽液分离器13、第一三通阀14、第二三通阀15、第一单向截止阀16、第二单向截止阀17、第三单向截止阀18、第四单向截止阀19、第一截止阀20、第二截止阀21、第三截止阀22。

具体实施方式

如附图所示，直膨式多功能太阳能辅助空调系统的制冷剂循环系统为：压缩机1高压出口1b与四通换向阀12第一端口12a相连，四通换向阀12第二端口12b与第一三通阀14的第一端口14a相连，四通换向阀12的第三端口12c经汽液分离器13与压缩机1低压进口1a相连，四通换向阀12的第四端口12d与第二三通阀15的第一端口15a相连；第一三通阀14的第二端口14b分别与第一截止阀20的第一端口20a和第二截止阀21的第一端口21a相连，第一三通阀14的第三端口14c与室内换热器2的第一端口2a相连；室内换热器2的第二端口2b分别与第一单向截止阀16的第二端口16b和第一节流元件8的第一端口8a相连；第一单向截止阀16的第一端口16a分别与第二单向截止阀17的第一端口17a、高压储液罐6的第一端口6a、第三单向截止阀18的第一端口18a和第四单向截止阀19的第一端口19a相连；第一节流元件8的第二端口8b分别与第二节流元件9的第二端口9b、干燥过滤器7出口、第三节流元件10的第二端口10b和第四节流元件11的第二端口11b相连；第二单向截止阀17的第二端口17b分别与带换热盘管水箱3的换热盘管第二端口3b和第二节流元件9的第一端口9a相连；高压储液罐6的第二端口6b与干燥过滤器7的进口相连；第三单向截止阀18的第二端口18b分别与第三节流元件10的第一端口10a和直膨式集热器4的第二端口4b相连；第四单向截止阀19的第二端口19b分别与室外换热器5的第一端口5a和第四节流元件11的第一端口11a相连；第一截止阀20的第二端口20b与带换热盘管水箱3的换热盘管第一端口3a相连；第二截止阀21的第二端口21b分别与第三截止阀22的第一端口22a和第二三通阀15的第三端口15c相连；第三截止阀22的第二端口22b与直膨式集热器4的第一端口4a相连；第二三通阀15的第二端口15b与室外换热器5的第二端口5b相连。

所述的第一节流元件8、第二节流元件9、第三节流元件10或第四节流元件11是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。第一单向截止阀16、第二单向截止阀17、第三单向截止阀18或第四单向截止阀19是手动截止阀或自动截止阀。第一单向截止阀16、第二单向截止阀17、第三单向截止阀18或第四单向截止阀19可由双向截止阀代替。第一截止阀20、或第二截止阀21或第三截止阀是双向截止阀。

第一三通阀15或第二三通阀16可由两个双向截止阀代替。用两个双向截止阀，分别设为A、B代替三通阀14时，A装在端口14b和三个管道交汇点23之间的管路上，B装在端口14c和室内换热器2的第一端口2a之间的管路上；用两个双向截止阀，分别设为C、D代替三通阀15时，C装在第二端口15b和室外换热器5的第二端口5b之间的管路上，D装在端口15c和三个管道交汇点24之间的管路上。

室内换热器2或室外换热器5是风冷换热器或水冷换热器。带换热盘管水箱3是内部装有换热器的密闭承压保温容器。带换热盘管水箱3内换热器为光管沉浸式换热器或套片管沉浸式换热器。直膨式集热器4是制冷剂在其中直接蒸发，其外表涂有吸收太阳能涂层的太阳能集热器。

本发明采用分体式结构，室内换热器2需安装在室内，室外换热器5和压缩机可安装于离水箱不远的地方，水箱可放在室内，也可与室外换热器、压缩机可作为一个整体部件安装于室外。直膨式集热器4安装在室外太阳能辐射最强和最长时间的屋顶等地方，室内装置和室外装置用制冷剂管路连接。带换热盘管水箱3的进水管与建筑供水系统相连接，水箱热水中的生活热水通过出水口放出供使用。

本发明能实现的主要功能有：普通室内制热、太阳能辅助室内制热、普通室内制冷、室内制冷兼热泵制热水、普通热泵制热水、冬季除霜、太阳能辅助热泵制热水和蓄热室内制热。以下是这八种功能模式的详细工作流程：

1)普通室内制热

在没有充足太阳能时，系统按照普通空调制热循环进行。室内换热器2作冷凝器，室外换热器5作蒸发器，直膨式集热器4和带换热盘管水箱3不使用

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压制冷剂流过四通换向阀12，经过第一个三通阀14的第一个端口14a流向第三个端口14c，在室内换热器2中冷凝放热后，经过第一个单向截止阀16，到达高压储液罐6，制冷剂液体从高压储液罐6底部流出，经过干燥过滤器7，通过第四个节流元件11降压进入室外换热器5，在室外换热器5中蒸发后，从第二个三通阀15的第二个端口15b流向第一个端口15a，经过四通阀12和汽液分离器13，回到压缩机1。

2)太阳能辅助室内制热

在天气较好，太阳能充足时，将本发明中的直膨式集热器4作为蒸发器使用，室内换热器2作冷凝器，室外换热器5和带换热盘管水箱3不使用。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压制冷剂流过四通换向阀12，经过第一个三通阀14的第一个端口14a流向第三个端口14c，在室内换热器2中冷凝放热后，经过第一个单向截止阀16，到达高压储液罐6，制冷剂液体从高压储液罐6底部流出，经过干燥过滤器7，通过第三个节流元件10降压进入直膨式集热器4，在直膨式集热器4中蒸发后，经过第三个截止阀22，从第二三通阀15的第三个端口15c流向第一个端口15a，通过四通换向阀12和汽液分离器13，最后回到压缩机1。

3)普通室内制冷

循环按照普通空调制冷循环进行。室内换热器2作蒸发器，室外换热器5作冷凝器，直膨式集热器4和带换热盘管水箱3不使用。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂流过四通换向阀12，经过第二个三通阀15的第一个端口15a流向第二个端口15b，经过室外换热器5，在其中冷凝放热后，经过第四个单向截止阀19，到达高压储液罐6，制冷剂液体从高压储液罐6底部流出，经过干燥过滤器7，通过第一个节流元件8降压进入室内换热器2，在室内换热器2中蒸发后，从第一个三通阀14的第三个端口14c流向第一个端口14a，经过四通阀换向阀12和汽液分离器13，回到压缩机1。

4)室内制冷兼制热水

在夏季可利用部分冷凝器所放出的热量来制热水。此模式下系统中的带换热盘管水箱3内换热盘管将作冷凝器用来制热水，室内换热器2作蒸发器，室外换热器5，直膨式集热器4不使用，此时获得的热水是免费的。当水温被加热到设定温度后，带换热盘管水箱3即停止工作，切换成室外换热器5作为冷凝器继续工作。此项换热器切换过程可以通过阀门和自动控制系统实现。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂流过四通换向阀12，经过第二个三通阀15的第一个端口15a流向第三个端口15c，经过第二截止阀21，第一截止阀20，在带换热盘管水箱3内换热盘管中冷凝放热后，经过第二个单向截止阀17，到高压储液罐6，制冷剂液体从高压储液罐6底部流出，经过干燥过滤器7和第一个节流元件8，在室内换热器2中蒸发后，从第一个三通阀14的第三个端口14c流向第一个端口14a，经过四通阀换向12和汽液分离器13，回到压缩机1。

5)普通热泵制热水

此模式下室内换热器2不投入使用，室外换热器5当作蒸发器使用，本发明中的带换热盘管水箱3内换热盘管作冷凝器用于加热水，此时系统作为普通热泵热水器使用。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂流过四通换向阀12，经过第一个三通阀14的第一个端口14a流向第二个端口14b，经过第一截止阀20，在带换热盘管水箱3内换热盘管中冷凝放热后，经过第二个单向截止阀17，到高压储液罐6，制冷剂液体从高压储液罐6底部流出，经过干燥过滤器7和第四个节流元件11，在室外换热器5中蒸发后，从第二个三通阀15的第二个端口15b流向第一个端口15a，经过四通阀换向阀12和汽液分离器13，回到压缩机1。

6)冬季除霜

本发明采用优于普通空调的热水源除霜循环，能快速高效地进行除霜。此时室外换热器5作为冷凝器，制冷剂冷凝放热融霜，而带换热盘管水箱3内换热盘管作为蒸发器，热水提供蒸发潜热的热源，室内换热器2和直膨式集热器4不使用。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂流过四通换向阀12，经过第二个三通阀15的第一个端口15a流向第二个端口15b，在室外换热器5中冷凝放热后，经过第四个单向截止阀19，到高压储液罐6，制冷剂液体从高压储液罐6底部流出，经过干燥过滤器7和第二个节流元件9，在带换热盘管水箱3内换热盘管中蒸发后，经过第一截止阀20，从第一个三通阀14的第二个端口14b流向第一个端口14a，经过四通阀换向阀12和汽液分离器13，回到压缩机1。

7)太阳能辅助热泵制热水

在天气较好，太阳能充足时，将本发明中的直膨式集热器4作为蒸发器使用，带换热盘管水箱3作冷凝器，制取热水。室内换热器2和室外换热器5不使用。该模式下制取的热水可以用来蓄能，然后在没有太阳光照或光照不足的夜晚或阴雨天，应用蓄热室内制热模式进行制热达到节省能源，提高效率的目的。此种模式下，室内换热器2和室外换热器5不投入使用。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压制冷剂流过四通换向阀12，经过第一个三通阀14的第一个端口14a流向第二个端口14b，经过第一截止阀20，在带换热盘管水箱3内换热盘管中冷凝放热后，经过第二个单向截止阀17，到达高压储液罐6，制冷剂液体从高压储液罐6底部流出，经过干燥过滤器7，通过第三个节流元件10降压进入直膨式集热器4，在直膨式集热器4中蒸发后，经过第二个截止阀22，从第二三通阀15的第三个端口15c流向第一个端口15a，通过四通换向阀12和汽液分离器13，最后回到压缩机1。

8)蓄热室内制热

当带换热盘管水箱3蓄有热水时，可以进行此模式。室内换热器2作冷凝器，带换热盘管水箱3内换热盘管作蒸发器。直膨式集热器4和室外换热器5不使用。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压制冷剂流过四通换向阀12，经过第一个三通阀14的第一个端口14a流向第三个端口14c，在室内换热器2中冷凝放热后，经过第一个单向截止阀16，到达高压储液罐6，制冷剂液体从高压储液罐6底部流出，经过干燥过滤器7，通过第二个节流元件9降压进入带换热盘管水箱3内换热盘管，在带换热盘管水箱3内换热盘管中蒸发后，经过第二个截止阀21，从第二三通阀15的第三个端口15c流向第一个端口15a，通过四通换向阀12和汽液分离器13，最后回到压缩机1。

Claims (8)

1、一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统，一种直膨式多功能太阳能辅助空调系统的制冷剂循环系统为：压缩机(1)高压出口(1b)与四通换向阀(12)第一端口(12a)相连，四通换向阀(12)第二端口(12b)与第一三通阀(14)的第一端口(14a)相连，四通换向阀(12)的第三端口(12c)经汽液分离器(13)与压缩机(1)低压进口(1a)相连，四通换向阀(12)的第四端口(12d)与第二三通阀(15)的第一端口(15a)相连；第一三通阀(14)的第二端口(14b)分别与第一截止阀(20)的第一端口(20a)和第二截止阀(21)的第一端口(21a)相连，第一三通阀(14)的第三端口(14c)与室内换热器(2)的第一端口(2a)相连；室内换热器(2)的第二端口(2b)分别与第一单向截止阀(16)的第二端口(16b)和第一节流元件(8)的第一端口(8a)相连；第一单向截止阀(16)的第一端口(16a)分别与第二单向截止阀(17)的第一端口(17a)、高压储液罐(6)的第一端口(6a)、第三单向截止阀(18)的第一端口(18a)和第四单向截止阀(19)的第一端口(19a)相连；第一节流元件(8)的第二端口(8b)分别与第二节流元件(9)的第二端口(9b)、干燥过滤器(7)出口、第三节流元件10)的第二端口(10b)和第四节流元件(11)的第二端口(11b)相连；第二单向截止阀(17)的第二端口(17b)分别与带换热盘管水箱(3)的换热盘管第二端口(3b)和第二节流元件(9)的第一端口(9a)相连；高压储液罐(6)的第二端口(6b)与干燥过滤器(7的进口相连；第三单向截止阀(18)的第二端口(18b)分别与第三节流元件(10)的第一端口(10a)和直膨式集热器(4)的第二端口(4b)相连；第四单向截止阀(19)的第二端口(19b)分别与室外换热器(5)的第一端口(5a)和第四节流元件(11)的第一端口(11a)相连；第一截止阀(20)的第二端口(20b)与带换热盘管水箱(3)的换热盘管第一端口(3a)相连；第二截止阀(21)的第二端口(21b)分别与第三截止阀(22)的第一端口(22a)和第二三通阀(15)的第三端口(15c)相连；第三截止阀(22)的第二端口(22b)与直膨式集热器(4)的第一端口(4a)相连；第二三通阀(15)的第二端口(15b)与室外换热器(5)的第二端口(5b)相连。

2、根据权利要求1所述的一种直膨式多功能太阳能辅助空调系统，其特征在于所述的第一节流元件(8)、第二节流元件(9)、第三节流元件(10)或第四节流元件(11)是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

3、根据权利要求1所述的一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统，其特征在于所述的第一单向截止阀(16)、第二单向截止阀(17)、第三单向截止阀(18)或第四单向截止阀(19)是手动截止阀或自动截止阀。

4、根据权利要求1所述的一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统，其特征在于所述的第一单向截止阀(16)、第二单向截止阀(17)、第三单向截止阀(18)或第四单向截止阀(19)可由双向截止阀代替。

5、根据权利要求1所述的一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统，其特征在于所述的第一三通阀(15)或第二三通阀(16)可由两个双向截止阀代替。

6、根据权利要求1所述的一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统，其特征在于所述的带换热盘管水箱(3)是内部装有换热器的密闭承压保温容器。带换热盘管水箱3内换热器为光管沉浸式换热器或套片管沉浸式换热器。

7、根据权利要求1所述的一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统，其特征在于所述的室内换热器(2)或室外换热器(5)是风冷换热器水冷换热器。

8、根据权利要求1所述的一种直膨式多功能太阳能辅助热泵系统，其特征在于所述的直膨式集热器(4)是制冷剂在其中直接蒸发，其外表涂有吸收太阳能涂层的太阳能集热器。

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