CN103216898A - 太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统，包括太阳能系统和热泵系统，太阳能系统包括太阳能集热器，自太阳能集热器的出口端至太阳能集热器的进口端连接的循环管路A上顺次连接有冷却塔、保温水箱和循环水泵，还有旁路A；热泵系统包括：自保温水箱的出口端至温水箱的进口端连接的循环管路B上顺次连接的供热水泵和地板采暖系统。本发明可以根据天气的具体情况选择太阳能系统和热泵系统是单独工作还是联合工作；夏季中，可以将热泵系统的工作模式在制冷和加热之间进行切换，以高效利用太阳能，在水温过高时可以使太阳能集热器产生的高温热水经过冷却塔进行降温，从而保护太阳能集热器中的管束，防止因水温过高而导致管束炸裂。

Description

太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统及方法

技术领域

本发明涉及一种空调系统，尤其涉及一种太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统。

背景技术

传统空调是以消耗电能提供热量。随着经济的发展，空调的使用越来越广泛，近年来，随着能源危机加剧，环境污染日益严重，作为可再生、清洁的能源-太阳能受到越来越来的重视。目前太阳能在发电、空调等各行业逐渐得到使用。

但是，由于太阳能密度小，使用太阳能热泵需要的真空集热管的面积非常大，在城市中，高楼林立，限制了太阳能热泵的使用。而小型别墅、学校有独立的校园，和较为宽敞的庭院，为太阳能热泵的使用提供了便利。在冬季水温不够时，使用电加热辅助使节能效果不明显；在夏季时，水温过高，真空集热管可能会因此炸裂，等诸多因素影响着太阳能热泵的使用。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统。本发明具有保护太阳能集热器的结构，可以防止因水温过高而导致管束炸裂的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统予以实现的技术方案是：该制冷和供热系统包括太阳能系统和热泵系统，所述太阳能系统包括太阳能集热器，自所述太阳能集热器的出口端至太阳能集热器的进口端连接的循环管路A上顺次连接有冷却塔、保温水箱和循环水泵；所述太阳能集热器的出口端与冷却塔之间的管段上设有电磁三通阀A，所述冷却塔与保温水箱之间的管段上设有电磁三通阀B，所述电磁三通阀A与所述电磁三通阀B之间连接有旁路A。所述热泵系统包括：自所述保温水箱的出口端至所述温水箱的进口端连接的循环管路B上顺次连接的供热水泵和地板采暖系统；所述供热水泵的出口端还连接至生活用水管道，所述供热水泵与所述地板采暖系统之间设有电磁阀A，所述供热水泵与所述生活用水管道之间设有电磁阀B；所述保温水箱内设有水冷换热器，所述水冷换热器的进口端连接有电磁三通阀C，所述水冷换热器的出口端连接有电磁三通阀D，所述电磁三通阀C与所述电磁三通阀D之间的一路上连接有风冷换热器A，所述电磁三通阀C与所述电磁三通阀D之间的另一路上连接有双向膨胀阀、风冷换热器B和四通阀，所述四通阀的另两个口之间串联有压缩机。

本发明中，利用上述太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统实现制冷和供热的方法包括：

冬季供热包括以下几种情形之一：

太阳能系统独立实现冬季供热：通过太阳能集热器产生的热水存储在保温水箱中，当用户需要热水供应和地板采暖时，打开电磁阀A和电磁阀B，供热水泵将热水送往生活用水管道和地板采暖系统；

太阳能系统和热泵系统联合实现冬季供热：当太阳能不充足或夜间长时间运行而导致保温水箱中的水温不能满足热水供应和地板采暖需求时，在太阳能系统工作的同时，电磁三通阀A和电磁三通阀B均与冷却塔断开，旁路A导通，并启动热泵系统供热，对保温水箱内热水进行加温；

热泵系统独立实现冬季供热：循环水泵停止工作，电磁三通阀B与保温水箱断开；启动热泵系统供热；

热泵系统实现夏季制冷、太阳能系统实现夏季生活用水加热：

通过电磁三通阀C和电磁三通阀D的切换使热泵系统实现夏季制冷，此时风冷换热器A与风冷换热器B工作，其中，风冷换热器A作为蒸发器，风冷换热器B作为冷凝器；

若需要对生活用水进行加热，关闭电磁阀B；三通电磁阀A和三通电磁阀B均与冷却塔断开，旁路A导通；通过太阳能集热器产生的热水存储在保温水箱中，当用户需要热水供应时，打开电磁阀A，供热水泵将热水送往生活用水管道；其中：

当保温水箱中的水温超过85℃时，三通电磁阀A和三通电磁阀B动作，三通电磁阀A和三通电磁阀B均与冷却塔导通，旁路A断开，热水流经冷却塔降温，防止太阳能集热器中的管束在高温下炸裂；

当保温水箱中的水温低于75℃时，三通电磁阀A和三通电磁阀B动作，三通电磁阀A和三通电磁阀B均与冷却塔断开，旁路A导通；

热泵系统独立实现夏季生活用水加热：

当保温水箱中的水温低于45℃时，通过电磁三通阀C和电磁三通阀D的切换使热泵系统实现水箱的加热，将电磁三通阀B与保温水箱之间断开，循环水泵停止运行，启动热泵系统对保温水箱中的水进行加热；

当保温水箱中的水温达到45℃时，通过电磁三通阀C和电磁三通阀D的切换使热泵系统实现夏季制冷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

无论是在冬季供暖（包括生活用水的加热）还是在夏季中，可以根据天气的具体情况选择太阳能系统和热泵系统是单独工作还是联合工作，而且在夏季使用过程中，可以将热泵系统的工作模式在制冷和加热之间进行切换，在充分高效地利用太阳能的前提下，合理利用热泵系统，从而提高了整体运行效率，节能效果显著，并降低了冬季供暖的成本。另外，本发明的特殊之处还在于，在夏季使用太阳能系统加热时，在水温过高时，如高于85℃时可以使太阳能集热器产生的高温热水经过冷却塔进行降温，从而保护太阳能集热器中的管束，防止因水温过高而导致管束炸裂。

附图说明

附图是本发明太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统结构示意图。

图中：

1-太阳能集热器   2-电磁三通阀A   3-冷却塔

4-电磁三通阀B    5-保温水箱      6-供热水泵

7-循环水泵       8-水冷换热器    9-电磁阀A

10-电磁阀B       11-四通阀       12-电磁三通阀C

13-风冷换热器A   14-电磁三通阀D  15-双向膨胀阀

16-压缩机        17-风冷换热器B  18-地板采暖系统

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如附图所示，本发明一种太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统，包括太阳能系统、热泵系统和用户系统，所述用户系统包括生活用水和地板采暖系统。

所述太阳能系统包括太阳能集热器1，自所述太阳能集热器1的出口端至太阳能集热器1的进口端连接的循环管路A上顺次连接有冷却塔3、保温水箱5和循环水泵7；所述太阳能集热器1的出口端与冷却塔3之间的管段上设有电磁三通阀A2，所述冷却塔3与保温水箱5之间的管段上设有电磁三通阀B4，所述电磁三通阀A2与所述电磁三通阀B4之间连接有旁路A。更详细的讲：所述太阳能集热器1的出口与电磁三通阀A2的3号口连接；所述电磁三通阀A2的2号口与电磁三通阀B4的2号口连接；所述电磁三通阀A2的1号口与冷却塔3的进口连接；所述冷却塔3的出口与电磁三通阀B4的1号口连接；所述电磁三通阀B4的3号与保温水箱5的循环水进口连接；所述保温水箱5的循环水出口与循环水泵7的进口连接；所述循环水泵7的出口与太阳能集热器1的进口连接。

所述热泵系统包括：自所述保温水箱5的出口端至所述温水箱5的进口端连接的循环管路B上顺次连接的供热水泵6和地板采暖系统18；所述供热水泵的出口端还连接至生活用水管道，所述供热水泵6与所述地板采暖系统18之间设有电磁阀A9，所述供热水泵6与所述生活用水管道之间设有电磁阀B10。所述保温水箱5内设有水冷换热器8，所述水冷换热器8的进口端连接有电磁三通阀C12，所述水冷换热器8的出口端连接有电磁三通阀D14，所述电磁三通阀C12与所述电磁三通阀D14之间的一路上连接有风冷换热器A13，所述电磁三通阀C12与所述电磁三通阀D14之间的另一路上连接有双向膨胀阀15、风冷换热器B17和四通阀11，所述四通阀11的另两个口之间串联有压缩机16。更详细的讲：所述压缩机16的出口与四通阀11的4号口连接；所述四通阀11的1号口与电磁三通阀C12的1号口连接；所述电磁三通阀C12的3号出口与风冷换热器A13的进口连接；所述电磁三通阀C12的2号口与水冷换热器8的进口连接；所述水冷换热器8的出口与电磁三通阀D14的3号口连接；所述电磁三通阀D14的2号口与风冷换热器A13的出口连接；所述电磁三通阀D14的1号口与双向膨胀阀15的进口连接；所述膨胀阀15的出口与风冷换热器B17的进口连接；所述风冷换热器B17的出口与四通阀11的3号口连接；所述四通阀的2号口与压缩机16的吸气口连接。

用户系统的构成是，保温水箱5的供热出口与供热水泵6的进口连接；所述供热水泵6的出口与电磁阀A9、电磁阀B10的进口连接；所述电磁阀A9的出口与生活用水管道连接；所述电磁阀B10的出口与地板采暖18的进口连接；所述地板采暖18的出口与水箱5的供热进口连接。

利用上述太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统实现制冷和供热的方法包括：

（1）冬季太阳能系统独立供热：电磁三通阀A2和电磁三通阀B4与冷却塔3断开，通过太阳能集热器1产生的热水存储在保温水箱5中，当用户需要地板采暖时，打开电磁阀B10，供热水泵6将热水送往地板采暖系统18。电磁阀A9可以根据用户需求开启，热水送往生活用水管道作为生活热水。

（2）太阳能系统和热泵系统联合实现冬季供热：当太阳能不充足或夜间长时间运行，冬季太阳能系统制取热水温度不够而导致保温水箱5中的水温不能满足热水供应和地板采暖需求时，在太阳能系统继续工作的同时启动热泵辅助加热。电磁三通阀A2和电磁三通阀B4均与冷却塔3断开，旁路A导通，启动热泵系统对保温水箱内热水进行加温，以保证保温水箱5内水温满足室内热水及地板供暖的需求；即：四通阀11导通，电磁三通阀C(12)、电磁三通阀D14均与风冷换热器A13断开，电磁三通阀C12与四通阀11、水冷换热器8导通，电磁三通阀D14与水冷换热器(8)、双向膨胀阀15导通，电磁阀B10导通，电磁阀A9根据用户需求关闭或导通；从而利用压缩机16排出的高温高压的制冷剂气体在水冷换热器8中对保温水箱5中的水进行加热，热水通过供热水泵6经过电磁阀B10送往地板采暖18，根据用户需求是否开启电磁阀A9，若开启，热水则作为生活热水通过电磁阀A9送往用户。

（3）冬季夜间、阴天时，没有太阳能可利用，利用热泵系统独立实现冬季供热：循环水泵7停止工作，电磁三通阀B4与保温水箱5断开；启动热泵系统供热，系统中相关阀体和管路的通止同上述情形（2）中的一样。

热泵系统实现夏季制冷、太阳能系统实现夏季生活用水加热：夏季时，热泵系统制冷时，生活用热水加热仅靠太阳能集热器提供。通过电磁三通阀C12和电磁三通阀D14的切换使热泵系统实现夏季制冷，此时风冷换热器A13与风冷换热器B17工作，其中，风冷换热器A13作为蒸发器，风冷换热器B17作为冷凝器；即：，四通阀11断开，电磁三通阀C12、电磁三通阀D14与均水冷换热器8断开，电磁三通阀C(12)与风冷换热器A13导通，电磁三通阀D14与风冷换热器A13、风冷换热器B17导通，与水冷换热器8断开，从压缩机16排出的高温高压的气体由四通阀11进入风冷换热器B17，经过双向膨胀阀15节流降压后，通过电磁三通阀D14进入风冷换热器A13中，气体经吸热蒸发后，通过电磁三通阀C12进入四通阀11，再由压缩机16吸气口吸入，从而完成制冷循环。

夏季天气晴朗时，太阳能集热器足够为用户提供热水,若需要对生活用水进行加热，关闭电磁阀B10；三通电磁阀A2和三通电磁阀B4均与冷却塔3断开，旁路A导通，通过太阳能集热器1制取的热水储存在保温水箱5中；当用户需要热水供应时，打开电磁阀A9，供热水泵6将热水送往生活用水管道。

夏季太阳能系统提供热水，并防止太阳能集热器炸裂：在夏季工况下，太阳能集热器制取的热水供用户作为生活用水，当当电磁三通阀A2、和电磁三通阀B4检测到保温水箱5中的水温超过85℃时，三通电磁阀A2和三通电磁阀B4动作，三通电磁阀A2和三通电磁阀B4均与冷却塔3导通，旁路A断开，热水流经冷却塔3降温，以防止太阳能集热器中的管束在高温下炸裂；此时，室内若有空调要求，热泵系统调节为制冷模式，满足室内生活需求。当电电磁三通阀A2和电磁三通阀B4检测到保温水箱5中的水温低于75℃时，则三通电磁阀A2和三通电磁阀B4动作，旁路A导通；三通电磁阀A2和三通电磁阀B4均与冷却塔3断开，继续使用太阳能制取热水。

夏季夜间、阴雨天时，太阳能集热器不能为用户提供足够的热水时，热泵系统暂时停止运行，热泵系统独立实现夏季生活用水加热：当保温水箱5中的水温低于45℃时，通过电磁三通阀C12和电磁三通阀D14的切换使热泵系统实现水箱的加热，将电磁三通阀B4与保温水箱5之间断开，循环水泵7停止运行，启动热泵系统对保温水箱5中的水进行加热，即：四通阀11导通；电磁三通阀C12与四通阀11、水冷换热器8导通，电磁三通阀C12与风冷换热器A13断开；电磁三通阀D14与双向膨胀阀15、水冷换热器8导通，电磁三通阀D14与风冷换热器A13断开，压缩机16的排气经过四通阀11后从电磁三通阀C12进入水冷换热器8，对保温水箱5的水进行加温。当保温水箱5中的水温达到45℃时，通过电磁三通阀C12和电磁三通阀D14的切换使热泵系统实现夏季制冷。

综上，本发明不但能提供生活用水、实现冬季供暖和夏季制热，而且在夏季工况下，还能有效防止太阳能集热器因为水温过高而炸裂。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统，包括太阳能系统，所述太阳能系统包括太阳能集热器（1），自所述太阳能集热器（1）的出口端至太阳能集热器（1）的进口端连接的循环管路A上顺次连接有冷却塔（3）、保温水箱（5）和循环水泵（7）；所述太阳能集热器（1）的出口端与冷却塔（3）之间的管段上设有电磁三通阀A（2），所述冷却塔（3）与保温水箱（5）之间的管段上设有电磁三通阀B（4），所述电磁三通阀A（2）与所述电磁三通阀B（4）之间连接有旁路A；其特征在于，还包括热泵系统，所述热泵系统包括：自所述保温水箱（5）的出口端至所述温水箱（5）的进口端连接的循环管路B上顺次连接的供热水泵（6）和地板采暖系统（18）；所述供热水泵的出口端还连接至生活用水管道，所述供热水泵（6）与所述地板采暖系统（18）之间设有电磁阀A（9），所述供热水泵（6）与所述生活用水管道之间设有电磁阀B（10）；所述保温水箱（5）内设有水冷换热器（8），所述水冷换热器（8）的进口端连接有电磁三通阀C（12），所述水冷换热器（8）的出口端连接有电磁三通阀D（14），所述电磁三通阀C（12）与所述电磁三通阀D（14）之间的一路上连接有风冷换热器A（13），所述电磁三通阀C（12）与所述电磁三通阀D（14）之间的另一路上连接有双向膨胀阀（15）、风冷换热器B（17）和四通阀（11），所述四通阀（11）的另两个口之间串联有压缩机（16）。

2.一种太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热方法，其特征在于，利用权利要求1所述太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热系统实现制冷和供热的方法包括：

冬季供热包括以下几种情形之一：

太阳能系统独立实现冬季供热：通过太阳能集热器（1）产生的热水存储在保温水箱（5）中，当用户需要热水供应和地板采暖时，打开电磁阀A（9）和电磁阀B（10），供热水泵（6）将热水送往生活用水管道和地板采暖系统（18）；

太阳能系统和热泵系统联合实现冬季供热：当太阳能不充足或夜间长时间运行而导致保温水箱（5）中的水温不能满足热水供应和地板采暖需求时，在太阳能系统工作的同时，电磁三通阀A（2）和电磁三通阀B（4）均与冷却塔（3）断开，旁路A导通，并启动热泵系统供热，对保温水箱（5）内热水进行加温；

热泵系统独立实现冬季供热：循环水泵（7）停止工作，电磁三通阀B（4）与保温水箱（5）断开；启动热泵系统供热；

热泵系统实现夏季制冷、太阳能系统实现夏季生活用水加热：

通过电磁三通阀C（12）和电磁三通阀D（14）的切换使热泵系统实现夏季制冷，此时风冷换热器A（13）与风冷换热器B（17）工作，其中，风冷换热器A（13）作为蒸发器，风冷换热器B（17）作为冷凝器；

若需要对生活用水进行加热，关闭电磁阀B（10）；三通电磁阀A（2）和三通电磁阀B（4）均与冷却塔（3）断开，旁路A导通；通过太阳能集热器（1）产生的热水存储在保温水箱（5）中，当用户需要热水供应时，打开电磁阀A（9），供热水泵（6）将热水送往生活用水管道；其中：

当保温水箱（5）中的水温超过85℃时，三通电磁阀A（2）和三通电磁阀B（4）动作，三通电磁阀A（2）和三通电磁阀B（4）均与冷却塔（3）导通，旁路A断开，热水流经冷却塔（3）降温，防止太阳能集热器中的管束在高温下炸裂；

当保温水箱（5）中的水温低于75℃时，三通电磁阀A（2）和三通电磁阀B（4）动作，三通电磁阀A（2）和三通电磁阀B（4）均与冷却塔（3）断开，旁路A导通；

热泵系统独立实现夏季生活用水加热：

当保温水箱（5）中的水温低于45℃时，通过电磁三通阀C（12）和电磁三通阀D（14）的切换使热泵系统实现水箱的加热，将电磁三通阀B（4）与保温水箱（5）之间断开，循环水泵（7）停止运行，启动热泵系统对保温水箱（5）中的水进行加热；

当保温水箱（5）中的水温达到45℃时，通过电磁三通阀C（12）和电磁三通阀D（14）的切换使热泵系统实现夏季制冷。

3.根据权利要求2所述太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热方法，其特征在于，启动热泵系统供热是：四通阀（11）导通，电磁三通阀C(12)、电磁三通阀D（14）均与风冷换热器A（13）断开，电磁三通阀C（12）与四通阀（11）、水冷换热器（8）导通，电磁三通阀D（14）与水冷换热器(8)、双向膨胀阀（15）导通，电磁阀B（10）导通，电磁阀A（9）关闭或导通；从而利用压缩机（16）排出的高温高压的制冷剂气体在水冷换热器（8）中对保温水箱（5）中的水进行加热。

4.根据权利要求2所述太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热方法，其特征在于，热泵系统实现夏季制冷是，四通阀（11）断开，电磁三通阀C（12）、电磁三通阀D（14）与均水冷换热器（8）断开，电磁三通阀C(12)与风冷换热器A（13）导通，电磁三通阀D（14）与风冷换热器A（13）、风冷换热器B（17）导通，与水冷换热器（8）断开，从压缩机（16）排出的高温高压的气体由四通阀（11）进入风冷换热器B（17），经过双向膨胀阀（15）节流降压后，通过电磁三通阀D（14）进入风冷换热器A（13）中，气体经吸热蒸发后，通过电磁三通阀C（12）进入四通阀（11），再由压缩机（16）吸气口吸入，从而完成制冷循环。

5.根据权利要求2所述太阳能与热泵系统联合运行的制冷和供热方法，其特征在于，启动热泵系统对保温水箱（5）中的水进行加热是，四通阀（11）导通；电磁三通阀C（12）与四通阀（11）、水冷换热器（8）导通，电磁三通阀C（12）与风冷换热器A（13）断开；电磁三通阀D（14）与双向膨胀阀（15）、水冷换热器（8）导通，电磁三通阀D（14）与风冷换热器A（13）断开，压缩机（16）的排气经过四通阀（11）后从电磁三通阀C（12）进入水冷换热器（8），对保温水箱（5）的水进行加温。

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