CN102706037B - 太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置 - Google Patents
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Abstract
太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，属于水源热泵技术领域。包括太阳能集热装置、空气能换热装置、水源热泵、供热水箱，水源热泵与供热水箱管路连接，太阳能集热装置和空气能换热装置组合供热于水源热泵。上述太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，结构简单、合理，安装、使用方便，可以实现太阳能、空气能同时供热，也可以选择性的供热，空气能、太阳能互相补充，当太阳能受到阴雨天气影响供热不足时，空气能同样可以满足水源热泵机组正常工作，避开劣势，显著提高了水源热泵的能效比值。
Description
技术领域
本发明属于水源热泵技术领域，具体为太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置。
背景技术
太阳能是一种可再生的环保能源，有巨大的开发和应用价值，太阳能集热技术在采暖和制热水领域应用十分普遍，有节能环保、安全可靠、一劳永逸的优点。但是，太阳能是借助于太阳光的照射发热的，到了冬季太阳光日照度下降，制热效率降低，夜间通过水箱、管道会散去部分热量，如果不增加其他辅助热源提高水温，大部分时间的热水达不到用户所需的温度，长时间维持低温的热水容易滋生病菌。所以，应用受到季节、天气、太阳光照强度的制约。
常用的空气源热泵通过吸收空气中的热能，实现冷热交换，是高效节能的冷暖设备。但是，冬季随着气温的下降，空气源热泵的COP下降，能耗上升；特别是冬季阴雨天气，蒸发温度过低，蒸发器翅片凝聚冰霜，无法吸收空气中的热能，系统不能运行。
目前，有太阳能集热器与空气源热泵结合生产热水的方法，大多是作为两种独立的加热设备供热，即太阳能集热系统供热温度未达到用户要求时，由空气源热泵补充加热到用户所需温度。但太阳能集热器与空气源热泵冬季共同存在效率低下的缺陷，没有互补性，而且，采用两种独立的加热设备，增加了项目的投资成本；也有太阳能与电加热结合的供热方法，节省投资，但电耗增加。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置的技术方案， 可以实现太阳能、空气能同时供热，也可以选择性的供热，空气能、太阳能互相补充，避开劣势，显著提高了水源热泵的能效比值。
所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，包括太阳能集热装置、空气能换热装置、水源热泵、供热水箱，水源热泵与供热水箱管路连接，其特征在于所述的水源热泵包括热泵型压缩机、板式换热器，热泵型压缩机外壁盘旋套接多通道热交换器，多通道热交换器内套接设置三根不同管径的内管、中管、外管，热泵型压缩机的高压管与板式换热器的氟里昂管进口相连接，板式换热器的氟里昂管出口与多通道热交换器的中管进口相连接，中管出口经过回气管与热泵型压缩机相连接；
太阳能集热装置的高温端出液口与水泵A进液口相连，水泵A的出液口与多通道热交换器的内管接口相连接，内管另一接口与太阳能集热装置的低温端进液口相连接；
空气能换热装置内设置翅管式换热器和风机，翅管式换热器的出液口与多通道热交换器的外管进液口相连接，外管出液口通过水泵C与翅管式换热器的进液口相连接。
所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，其特征在于：还包括蓄热水箱，蓄热水箱内设置管式换热器，管式换热器进液口与水泵A连接，管式换热器出液口与多通道热交换器的内管接口相连接，内管另一接口与太阳能集热装置的低温端进液口相连接；
蓄热水箱的上端丝口与给水管相连接，丝口内侧装有浮球阀，蓄热水箱另一侧的上端丝口略低于浮球阀的补水口，蓄热水箱与供热水箱之间上端安装的连通管使两个水箱联通，两个水箱的水位相同；供热水箱下部的出水口通过水泵B与水源热泵的板式换热器进水口相连接，板式换热器出水口与供热水箱上部进水口相连接。
所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，其特征在于：太阳能集热装置的高温端出液口与水泵A进液口之间的管路上连接设置加液罐A。
所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，其特征在于：外管出液口与水泵C的进液口之间的管路上连接设置加液罐B。
所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，其特征在于：板式换热器的氟里昂管出口与热力膨胀阀相连接，热力膨胀阀的另一侧与多通道热交换器的中管进口相连接。
本发明中涉及的各个部件产品均可以从市场上直接购得。
上述太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，结构简单、合理，安装、使用方便，可以实现太阳能、空气能同时供热，也可以选择性的供热，空气能、太阳能互相补充，当太阳能受到阴雨天气影响供热不足时，空气能同样可以满足水源热泵机组正常工作，避开劣势，显著提高了水源热泵的能效比值。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为水源热泵的结构示意图；
图3为多通道热交换器的局部结构示意图；
图中：1-太阳能集热装置、2-加液罐A、3-水泵A、4-给水管、5-浮球阀、6-蓄热水箱、7-管式换热器、8-连通管、9-供热水箱、10-热水供应管、11-水泵B、12-水源热泵、12a-热泵型压缩机、12b-高压管、12c-板式换热器、12d-热力膨胀阀、12e-外管、12f-内管、12g-中管、12h-多通道热交换器、12i-回气管、13-加液罐B、14-水泵C、15-空气能换热装置、15-翅管式换热器、15b-风机。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图所示，所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置包括太阳能集热装置1、空气能换热装置15、水源热泵12、供热水箱9，水源热泵12与供热水箱9管路连接。所述的水源热泵12包括热泵型压缩机12a、板式换热器12c，热泵型压缩机12a外壁盘旋套接多通道热交换器12h，多通道热交换器12h内套接设置三根不同管径的内管12f、中管12g、外管12e，热泵型压缩机12a的高压管12b与板式换热器12c的氟里昂管进口相连接，板式换热器12c的氟里昂管出口与热力膨胀阀12d相连接，热力膨胀阀12d的另一侧与多通道热交换器12h的中管12g进口相连接，中管12g出口经过回气管12i与热泵型压缩机12a相连接；
太阳能集热装置1的高温端出液口与水泵A3进液口相连，水泵A3的出液口与多通道热交换器12h的内管12f接口相连接，内管12f另一接口与太阳能集热装置1的低温端进液口相连接；太阳能集热装置1的高温端出液口与水泵A3进液口之间的管路上连接设置加液罐A2。
空气能换热装置15内设置翅管式换热器15a和风机15b，翅管式换热器15a的出液口与多通道热交换器12h的外管12e进液口相连接，外管12e出液口通过水泵C14与翅管式换热器15a的进液口相连接；外管12e出液口与水泵C14的进液口之间的管路上连接设置加液罐B13。
还包括蓄热水箱6，蓄热水箱6内设置管式换热器7，管式换热器7进液口与水泵A3连接，管式换热器7进液口与水泵A3的连接丝口设置在蓄热水箱6的三分之一高度；管式换热器7出液口与多通道热交换器12h的内管12f接口相连接，内管12f另一接口与太阳能集热装置1的低温端进液口相连接；蓄热水箱6的上端丝口与给水管4相连接，丝口内侧装有浮球阀5，蓄热水箱6另一侧的上端丝口略低于浮球阀5的补水口，蓄热水箱6与供热水箱9之间上端安装的连通管8使两个水箱联通，两个水箱的水位相同；供热水箱9的三分之二高度装有热水供应管10，通往热水使用网点，供热水箱9的水位下降时，蓄热水箱6通过连通管8溢流至平衡，所以蓄热水箱6是供热水箱9的补水箱。供热水箱9下部的出水口通过水泵B11与水源热泵12的板式换热器12c进水口相连接，板式换热器12c出水口与供热水箱9上部进水口相连接。
该组合供热装置工作原理如下所述：
热泵型压缩机12a排出氟利昂为高温高压蒸汽，板式换热器12c同时流过的氟利昂与水进行热交换，供热水箱9通过水泵B11使水循环，当供热水箱9的水温达到设定温度，水源热泵12停机，水泵B11随即也停机，氟利昂与水的热交换停止；当供热水箱9的水温未达到设定温度，水源热泵12与水泵B11同时启动，氟利昂与水继续热交换。氟利昂热量被换出，经过热力膨胀阀12d节流，在多通道热交换器12h的中管12g与内管12f之间的管腔蒸发吸热。多通道热交换器12h是由中管12g、内管12f、外管12e三根不同管径的铜管套合盘旋成椭圆状，椭圆状内环正好可以装下热泵型压缩机12a，热泵型压缩机12a工作时会产生大量热，大部分热被多通道热交换器12h吸收，既获得一定量的热能，又能可以给热泵型压缩机12a降温。多通道热交换器12h的两端用银钎焊焊成三个通口分别与铜管内腔之间呈现空隙相通，即内管12f的管腔通A防冻液，A防冻液是从加液罐A2上口加入，加液罐A2为柱状开式系统，起到加注防冻液、系统排气、液体膨胀的作用。内管12f的外壁与中管12g的内壁之间的管腔通氟利昂，中管12g的外壁与外管12e的内壁之间的管腔通B防冻液，B防冻液是从加液罐B13上口加入，加液罐B13的作用与加液罐A2相同。A、B防冻液与氟利昂的流动方向相反；A防冻液在水泵A3的作用下流过内管12f，氟利昂在热泵型压缩机12a的作用下流过内管12f的外壁与中管12g的内壁之间管腔，完成A防冻液与氟利昂的热交换，A防冻液受冷后流向太阳能集热装置1加热，再经过蓄热水箱6的管式换热器7热交换，A防冻液温度上升。管式换热器7的温度变化会对蓄热水箱6内的水具有吸热和放热的功能，当太阳能集热装置1产生的热量大于水源热泵12所消耗的热量或水源热泵12停止运行时，太阳能集热装置1的热能积聚，A防冻液流过管式换热器7的温度高，对蓄热水箱6内的水放热，当太阳能集热装置1产生的热量小于水源热泵12所消耗的热量时，A防冻液流过管式换热器7的温度低，对蓄热水箱6内的水吸热，这种放热和吸热功能可以缓解水源热泵12换热的温度变化过快，当太阳能供热不足时，可以通过放热延长供热时间，管式换热器7装在蓄热水箱6的三分之一高度的水平位置，管式换热器7放热时热水向上升，管式换热器7吸热时上升的热水不会立刻向下；蓄热水箱6与供热水箱9之间上端安装的连通管8使两个水箱联通，水位相同，蓄热水箱6向供热水箱9溢流，上端为相对较热的水流向供热水箱9。B防冻液在水泵B11的作用下流过中管12g的外壁与外管12e的内壁之间管腔，完成B防冻液与氟利昂的热交换，B防冻液受冷后流向翅管式换热器15a，翅管式换热器15a是由铝片与铜管穿管、涨管而成，通过风扇15b强制换热，使B防冻液温度上升，周而复始地与氟利昂热交换。当太阳能供热不足，蓄热水箱6的热量消耗殆尽，翅管式换热器15a从空气中获取热能，能使水源热泵12正常运行。
A、B防冻液也可以用防冻油替代，也能取得所述的有益效果。
本发明的水源热泵12特有的多通道热交换器12h是采用三层套管，与现有产品两层套管相比，同样管径、长度的换热面积可增加90%以上，换热效率大大提高；三层套管可以实现太阳能、空气能等多种热能的同时供热，与单一热源供热相比，当单一热源处于劣势时，使热泵机组能效比下降或者不能正常工作，而多种热能可以同时供热，也可以选择性的供热，避开劣势；椭圆状内环中安装热泵型压缩机12a，使结构更紧凑，热泵型压缩机12a工作时产生的热量，大部分热能被多通道热交换器12h吸收，既可以提高介质温度与氟利昂的换热效果，又能可以给热泵型压缩机12a降温，延长热泵型压缩机12a的使用寿命，测试显示，热泵型压缩机12a工作时机壳热量，在椭圆状内环中吸收与自然散热相比，前者可使机壳温度降低5-6度；
本发明的翅管式换热器15a与现有空气源热泵的蒸发器结构相同，是由铝片穿铜管、涨管而成，通过风扇强制换热。但是，空气源热泵的蒸发器是一个密闭的氟利昂循环与空气换热部件，而翅管式换热器15a在本发明中是一个开式的B防冻液循环与空气换热部件，采用B防冻液是为了防止与氟利昂热交换时受冷结冰，这样的介质换热与蒸发器直接换热相比，从换热理论来讲确实不如后者，但是空气源热泵冬季运行能效比下降，蒸发温度过低，蒸发器翅片产生结霜、积冰，无法与空气正常运行等问题相比，采用介质换热因为存在温度差，翅管式换热器不容易结霜、积冰，只要适当增加翅管式换热器15a的有效换热面积，提高介质的循环流量。所以，B防冻液在大通径的外管12e通腔的流量较大。实验证明，在空气能处于低温、高湿相对劣势时，本发明的采用独立的翅管式换热器15a介质换热法与空气源热泵的蒸发器直接换热相比，能效比值提高30%以上。
本发明采用A防冻液作为介质换热，一方面是为了防止与氟利昂热交换时受冷结冰，另一方面是寒冬季节太阳能集热装置1的防冻。现有技术多是太阳能集热装置1与水箱连接，寒冬季节防冻方式有检测系统温度，间隙性地水循环防冻；在系统薄弱点加管道伴热带防冻；这些防冻方式既耗费热能又耗费电。而本发明采用A防冻液循环的方法好处有：太阳能系统不用防冻处理，节能节电又安全；太阳能系统没有和自来水直接接触，不会产生锈蚀和水垢；管式换热器7因为无水垢阻热，保持较好的换热效果；A防冻液介质循环与蓄热水箱6结合的换热方式，可以延长太阳不足时的供热时间；当太阳能较好时，给水源热泵12供热的同时，还能把多余热储存到蓄热水箱6；当太阳能较差时了，吸收蓄热水箱6的热量给水源热泵12供热；蓄热水箱6上端的热水通过连通管8溢流到供热水箱9。太阳能集热装置1与水源热泵12热交换共用一台水泵A3，简化了结构，即提高水泵A3的工效。太阳能供热给多通道热交换器12h的内管12f通腔较小。所以，太阳能供氟利昂热交换消耗的热量不大，太阳能热大部分到供热水箱9，太阳能热得到最充分利用。
太阳能和空气能都是可再生的环保能源，本发明将太阳能和空气能结合，发挥各能源的优势为水源热泵12供热，提高氟利昂蒸发温度，从而提高热泵机组的能效比值；空气能、太阳能互相补充，当太阳能受到阴雨天气影响供热不足时，空气能同样可以满足水源热泵12机组正常工作，本发明太阳能和空气能组合供热于水源热泵12的装置全年平均能效比值可以达到普通空气源热泵的一倍以上，结构简单，维护方便。
Claims (4)
1.太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，包括太阳能集热装置（1）、空气能换热装置（15）、水源热泵（12）、供热水箱（9），水源热泵（12）与供热水箱（9）管路连接，其特征在于所述的水源热泵（12）包括热泵型压缩机（12a）、板式换热器（12c），热泵型压缩机（12a）外壁盘旋套接多通道热交换器（12h），多通道热交换器（12h）内套接设置三根不同管径的内管（12f）、中管（12g）、外管（12e），热泵型压缩机（12a）的高压管（12b）与板式换热器（12c）的氟里昂管进口相连接，板式换热器（12c）的氟里昂管出口与多通道热交换器（12h）的中管（12g）进口相连接，中管（12g）出口经过回气管（12i）与热泵型压缩机（12a）相连接；
太阳能集热装置（1）的高温端出液口与水泵A（3）进液口相连，水泵A（3）的出液口与多通道热交换器（12h）的内管（12f）接口相连接，内管（12f）另一接口与太阳能集热装置（1）的低温端进液口相连接；
空气能换热装置（15）内设置翅管式换热器（15a）和风机（15b），翅管式换热器（15a）的出液口与多通道热交换器（12h）的外管（12e）进液口相连接，外管（12e）出液口通过水泵C（14）与翅管式换热器（15a）的进液口相连接；
还包括蓄热水箱（6），蓄热水箱（6）内设置管式换热器（7），管式换热器（7）进液口与水泵A（3）连接，管式换热器（7）出液口与多通道热交换器（12h）的内管（12f）接口相连接，内管（12f）另一接口与太阳能集热装置（1）的低温端进液口相连接；
蓄热水箱（6）的上端丝口与给水管（4）相连接，丝口内侧装有浮球阀（5），蓄热水箱（6）另一侧的上端丝口略低于浮球阀（5）的补水口，蓄热水箱（6）与供热水箱（9）之间上端安装的连通管（8）使两个水箱联通，两个水箱的水位相同；供热水箱（9）下部的出水口通过水泵B（11）与水源热泵（12）的板式换热器（12c）进水口相连接，板式换热器（12c）出水口与供热水箱（9）上部进水口相连接。
2.如权利要求1所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，其特征在于：太阳能集热装置（1）的高温端出液口与水泵A（3）进液口之间的管路上连接设置加液罐A（2）。
3.如权利要求1所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，其特征在于：外管（12e）出液口与水泵C（14）的进液口之间的管路上连接设置加液罐B（13）。
4.如权利要求1所述的太阳能和空气能组合供热于水源热泵的装置，其特征在于：板式换热器（12c）的氟里昂管出口与热力膨胀阀（12d）相连接，热力膨胀阀（12d）的另一侧与多通道热交换器（12h）的中管（12g）进口相连接。
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