CN102798250B - 一种双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统 - Google Patents

一种双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统 Download PDF

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Abstract

一种双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，它包括太阳能集热系统，吸附式制冷系统、CO2热泵系统和辅助换热器，所述辅助换热器内设置有三根换热管，第一换热管串接在CO2热泵系统的循环回路中，第二换热管串接在吸附式制冷系统的过冷管路中，所述太阳能集热系统输出的集热流体经热水循环水泵后分成两路，一路经制冷系统电磁阀驱动吸附式制冷系统，另一路经换热器电磁阀流经辅助换热器的第三换热管。本发明利用辅助换热器将太阳能集热系统和吸附式制冷系统与CO2热泵系统有机结合在一起，大大提高了系统的性能系数，增强了系统的地域适应性和系统稳定性，保证了太阳能的充分、合理利用，提高了部件利用率，降低了对环境造成的污染。

Description

一种双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统
技术领域
本发明涉及一种以太阳能为辅助能源的跨临界CO2多功能热泵系统，属热泵技术领域。
背景技术
石油、煤炭等化石能源的大量使用，不仅引发了全球范围的能源危机，同时也导致了酸雨，温室效应，气候变暖等一系列环境问题。因此，可再生新能源（如太阳能、风能、海洋能等）的开发和利用迫在眉睫。
热泵是一种从低温热源吸热送往高温热源的循环设备，其热效率大于1。用热泵生产低品位的热水时，其热效率可达到3以上。CO2是一种环保型工质，跨临界CO2热泵的排气温度比较高，一般在80℃以上（最高不超过130℃），并且放热过程在超临界压力下进行，有较大温度滑移，特别适合提供高温热水。另外，CO2热泵系统具有压缩机体积小，换热器结构紧凑等优势，有利于一体化装置的设计。对于CO2热泵来说，系统性能会随蒸发温度的下降急剧下降，过热过冷对CO2热泵制热制冷来说都是有利的，可以提高系统的性能系数。
太阳能热水器在我国广泛使用，但太阳能具有不稳定性，加热的温度也会因为每天辐射量不同而不同。而且在夏季气温高，太阳辐射充足，集热器收集的热量多，但热水的使用量却大大减少（人们在夏季主要需要的是冷量），导致太阳能热水器大多闲置，降低了设备的利用率。
因此，如果能够将太阳能热水器与CO2热泵有机结合在一起，充分利用收集到的太阳能，使CO2热泵在高蒸发温度下运行，冬季取暖，夏季制冷，不仅能提高系统的性能系数及各部件的年利用率，而且可以减少化石能源的使用量，降低环境污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，以提高热泵系统的性能系数及太阳能热水器的年利用率，减少化石能源的消耗，降低环境污染。
本发明所述问题是由以下技术方案实现的：
一种双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，它包括太阳能集热系统，吸附式制冷系统、CO2热泵系统和辅助换热器，所述辅助换热器内设置有三根换热管，第一换热管串接在CO2热泵系统的循环回路中，第二换热管串接在吸附式制冷系统的过冷管路中，所述太阳能集热系统输出的集热流体经热水循环水泵后分成两路，一路经制冷系统电磁阀驱动吸附式制冷系统，另一路经换热器电磁阀流经辅助换热器的第三换热管。
上述双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，所述CO2热泵系统包括压缩机、主换热器、室外换热器、两个节流阀、两个四通阀和两个电磁阀，所述压缩机接于第一四通阀的b口和d口之间，第一四通阀的c口依次经主换热器和第一节流阀接第二四通阀的c口，a口接第二四通阀的a口；第二四通阀的b口依次经第二节流阀、室外换热器和辅助换热器的第一换热管接第二四通阀的d口；两个电磁阀分别与两个节流阀并接；所述主换热器设置有生活热水、循环空调水和冷热风输出口。
上述双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，所述太阳能集热系统包括太阳能集热器、太阳能集热箱和太阳能集热循环水泵，三者依次首尾相接构成集热流体循环系统，所述太阳能集热箱经热水循环水泵给吸附式制冷系统和CO2热泵系统提供集热流体。
上述双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，在太阳能集热箱内的集热流体中还设置有生活热水换热管。
上述双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，所述太阳能集热系统中的集热流体采用防冻液。
上述双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，所述CO2热泵系统为跨临界CO2循环系统。
本发明利用辅助换热器将太阳能集热系统和吸附式制冷系统与CO2热泵系统有机结合在一起，太阳能集热系统和吸附式制冷系统通过辅助换热器实现对CO2热泵系统的过热或过冷，大大提高了系统的性能系数，增强了系统的地域适应性和系统稳定性，保证了太阳能的充分、合理利用，提高了部件利用率，降低了对环境造成的污染。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图中各标号为：1、压缩机；2、第一四通阀；3、主换热器；4、第一节流阀；5、第二四通阀；6、第二节流阀；7、室外换热器；8、辅助换热器；9、A号电磁阀；10、B号电磁阀；11、吸附式制冷系统；12、制冷系统电磁阀；13、换热器电磁阀；14、热水循环水泵；15、太阳能集热箱；16、太阳能集热循环水泵；17、生活热水换热管；18、太阳能集热器。
具体实施方式
参看图1，本发明包括太阳能集热系统、吸附式制冷系统、CO2热泵系统和辅助换热器8。太阳能集热系统驱动吸附式制冷系统， CO2热泵系统通过辅助换热器与太阳能集热系统和吸附式制冷系统联接。
CO2热泵系统由压缩机1、第一四通阀2、主换热器3、第一节流阀4、第二四通阀5、第二节流阀6、室外换热器7、辅助换热器8、A号电磁阀9、B号电磁阀10组成。其中，第一四通阀2、主换热器3、第一节流阀4依次串联，第二四通阀5、第二节流阀6、室外换热器7、辅助换热器8依次串联，第一节流阀4和第二四通阀5相连，第一节流阀4与A号电磁阀9并联，第二节流阀6与B号电磁阀10并联，第一四通阀2的b口与压缩机1出口相连，第一四通阀2的c口与主换热器3相连，第一四通阀2的d口与压缩机1进口相连，第一四通阀2的a口与第二四通阀5的a口相连，第二四通阀5的b口与第二节流阀6相连，第二四通阀5的c口与第一节流阀4相连，第二四通阀5的d口与辅助换热器8相连。
太阳能集热系统由太阳能集热器18、太阳能集热箱15组成。其中，太阳能集热箱15与吸附式制冷系统11相连，中间连接有制冷系统电磁阀12和热水循环水泵14，太阳能集热箱15内部具有加热生活热水的换热管17，太阳能集热箱15与辅助换热器8相连，中间有换热器电磁阀13和温控流量的热水循环水泵14。
太阳能集热系统中的集热流体采用防冻液，CO2热泵系统为跨临界CO2循环，工质为CO2，其中所有设备应满足高压特点。
本发明有六种工作模式：太阳能热水模式、水源热泵热水模式、高温热水模式、空气源热泵热水模式、吸附式辅助制冷模式和热泵制冷模式。
本发明所有装置都处于室外，或者置于单独的设备房间内。太阳能集热器18置于屋顶或者阳台。可以通过管道把从太阳能集热箱15和主换热器3得到的高温热水、空调水和冷暖风送至室内。
    本装置中A号电磁阀9、B号电磁阀10、换热器电磁阀13、制冷系统电磁阀12默认情况下处于常闭状态；室外换热器7为风冷式翅片换热器，电风扇默认处于运行状态；主换热器3为套管式换热器或翅片式换热器。
太阳能集热系统中太阳能集热器18和太阳能集热循环水泵16有太阳辐射时运行，并把收集到的热量储存在太阳能集热箱15中，无太阳辐射时停止运行。
太阳能热水模式下，太阳能集热箱15温度超过50℃时，装置并不工作，通过太阳能加热换热管17中的水送至室内。
水源热泵热水模式下，太阳能集热箱15温度低于50℃，且室外温度在10℃以下时，A号电磁阀9和换热器电磁阀13打开，热水循环水泵14运行，室外换热器7的电风扇关闭。高温高压CO2流体从压缩机1出来，经第一四通阀2到主换热器3中换热降温，然后通过A号电磁阀9和第二四通阀5，经过第二节流阀6时节流蒸发，到室外换热器7中不换热，经辅助换热器8时与太阳能热水换热，然后再经过第二四通阀5和第一四通阀2，最后回到压缩机1，完成循环。此过程中室外换热器7不工作。热水循环水泵14可以控制工质的过热度。
高温热水模式下，太阳能集热箱15温度低于30℃，A号电磁阀9和换热器电磁阀13打开，热水循环水泵14运行。高温高压CO2流体从压缩机1出来，经第一四通阀2到主换热器3换热降温，然后通过A号电磁阀9和第二四通阀5，经过第二节流阀6时节流蒸发，到室外换热器7中换热，经过辅助换热器8时再与太阳能热水换热，然后再经过第二四通阀5和第一四通阀2，最后回到压缩机1，完成循环。热水循环水泵14可以控制CO2的过热度。
空气源热泵热水模式下，太阳能集热箱15温度低于0℃或者低于室外温度时，A号电磁阀9打开，换热器电磁阀13关闭。高温高压CO2流体从压缩机1出来，经第一四通阀2，到主换热器3换热降温，然后通过A号电磁阀9和第二四通阀5，经过第二节流阀6时节流蒸发，到室外换热器7中换热，经过辅助换热器8时不与太阳能热水换热，然后再经过第二四通阀5和第一四通阀2，最后回到压缩机1，完成循环。此过程中辅助换热器8不工作。
吸附式辅助制冷模式下，太阳能水箱17的温度高于吸附式制冷设定的驱动温度时，B号电磁阀10和制冷系统电磁阀12打开，热水循环水泵14运行。高温高压的CO2流体从压缩机1出来，通过第一四通阀2和第二四通阀5，经B号电磁阀10，到室外换热器7换热降温，经过辅助换热器8时与吸附式制冷系统11换热再降温，然后通过第二四通阀5，经过第一节流阀4时节流蒸发，到主换热器3中换热，再经过第一四通阀2，最后回到压缩机1，完成循环。
热泵制冷模式下，太阳能储热箱15的温度低于吸附式制冷机设定的驱动温度时，B号电磁阀10打开，制冷系统电磁阀12关闭。高温高压的CO2流体从压缩机1出来，通过第一四通阀2和第二四通阀5，经B号电磁阀10，到室外换热器7换热降温，然后通过辅助换热器8和第二四通阀5，经过第一节流阀4节流蒸发，到主换热器3中换热，再经过通过第一四通阀2，最后回到压缩机1，完成循环。此过程吸附式制冷机不工作。
假设太阳能热水器的容量为150L，北京冬季气温为-10℃，CO2热泵功率为2kw。假设跨临界CO2热泵高压压力为10MPa，气体冷却器的出口温度为40℃，压缩机效率为0.8，换热器换热温差为5℃，则蒸发温度设定在-15℃时，空气源热泵模式的制热效率为2.3；太阳能热水高于30℃时则蒸发温度设定在10℃时，则水源热泵模式的制热效率为3.8，热效率提高65%。
假设太阳能热水为40℃，在水源热泵模式下降温至30℃时，能在15分钟生产60℃热水42kg（自来水温度为15℃）；高温热水模式下，在蒸发温度为-15℃时，过热15℃可使CO2的放热焓差相比空气源热泵模式增加14%，在0℃最高过热度为25℃时，可使CO2的放热焓差相比空气源热泵模式增加25%。
假设在制冷工况下，跨临界CO2高压压力为10MPa，气体冷却器出口温度为40℃，压缩机效率为0.8，蒸发温度为5℃，则CO2热泵制冷模式下的COP为2.5,在吸附式辅助制冷模式下吸附式制冷机每过冷1℃系统COP增加3%左右。

Claims (6)

1.一双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征是，它包括太阳能集热系统，吸附式制冷系统（11）、CO2热泵系统和辅助换热器（8），所述辅助换热器（8）内设置有三根换热管，第一换热管串接在CO2热泵系统的循环回路中，第二换热管串接在吸附式制冷系统（11）的过冷管路中，所述太阳能集热系统输出的集热流体经热水循环水泵（14）后分成两路，一路经制冷系统电磁阀（12）驱动吸附式制冷系统（11），另一路经换热器电磁阀（13）流经辅助换热器（8）的第三换热管。
2.根据权利要求1所述的双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述CO2热泵系统包括压缩机（1）、主换热器（3）、室外换热器（7）、两个节流阀、两个四通阀和两个电磁阀，所述压缩机（1）接于第一四通阀（2）的b口和d口之间，第一四通阀（2）的c口依次经主换热器（3）和第一节流阀（4）接第二四通阀（5）的c口，a口接第二四通阀（5）的a口；第二四通阀（5）的b口依次经第二节流阀（6）、室外换热器（7）和辅助换热器（8）的第一换热管接第二四通阀（5）的d口；两个电磁阀分别与两个节流阀并接；所述主换热器（3）设置有生活热水、循环空调水和冷热风输出口。
3.根据权利要求1或2所述的双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述太阳能集热系统包括太阳能集热器（18）、太阳能集热箱（15）和太阳能集热循环水泵（16），三者依次首尾相接构成集热流体循环系统，所述太阳能集热箱（15）经热水循环水泵（14）给吸附式制冷系统（11）和CO2热泵系统提供集热流体。
4.根据权利要求3所述的双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，在太阳能集热箱（15）内的集热流体中还设置有生活热水换热管（17）。
5.根据权利要求4所述的双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述太阳能集热系统中的集热流体采用防冻液。
6.根据权利要求5所述的双热源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述CO2热泵系统为跨临界CO2循环系统。
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