CN103245085B - 一种蓄能型太阳能振荡热管热泵供热系统及其方法 - Google Patents

一种蓄能型太阳能振荡热管热泵供热系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蓄能型太阳能振荡热管热泵供热系统及其方法，是基于振荡热管作为热传递媒介，将瞬时太阳能或者集热器中相变材料储存的太阳能传递给热泵系统蒸发器，并利用热泵循环加热热水，用以提供生活热水或者提供给散热器用以冬季供暖的新型太阳能热泵供热水。其中，蓄能型振荡热管太阳能集热器包括太阳能真空集热管、振荡热管和相变材料，振荡热管的蒸发段以U形管形式布置在太阳能真空集热管内；冷凝/蒸发换热器为套管式换热器，由换热器外壳、热泵蒸发器管路和振荡热管的冷凝段构成。本发明合理有效地利用蓄能介质实现对太阳能的集热及移峰填谷，并提高了热泵系统的制热效，能优化蓄能型太阳能热泵热水系统的整体性能。

Description

一种蓄能型太阳能振荡热管热泵供热系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种供热水系统及其方法，具体说是一种通过太阳能集热管集热，相变材料储存热量，振荡热管高效传热相结合的热泵供热系统和方法，属于太阳能利用领域。
背景技术
随着国民经济的持续增长和人民生活水平的不断提高，采暖和生活对热水供应的需求越来越强烈，这方面的能源消耗占建筑总能耗的比重也逐年增加。我国目前城镇民用建筑运行耗电占总发电量的22％～24％，城市民用建筑能耗仅洗澡热水用能就占近20％，而各类商业建筑能耗中热水能耗占10％～40％。利用可再生能源，走可持续发展道路是降低建筑能耗的有效途径之一。太阳能是可再生清洁能源，我国太阳能资源资源丰富，有2/3的地区年辐射总量大于5020MJ/m2、年日照小时在2200h以上。在民用供热、采暖等领域充分利用太阳能资源，将节约常规能源，减少环境污染，为我国节能减排做出重要贡献。目前，太阳热水器已得到快速发展，但因太阳能本身的不稳定性和间歇性，使其不宜作为供热水系统的主要热源，需要与辅助加热设备一起使用。
将太阳能利用技术和热泵技术结合起来，以太阳能作为热泵的低温热源，系统整体性能提高，但是在夜间及连续阴雨天无法正常工作。将太阳能热泵系统与蓄能技术结合起来，利用蓄能材料储存太阳能起到移峰填谷的作用，很好地解决系统不能连续运行的问题。潜热蓄能具有蓄能密度大、温度变化小等优点，引起国内外学者的普遍关注，并已得到广泛的应用。目前的蓄能型太阳能热泵系统多为集热器、蓄热器、蒸发器分开布置，系统相对复杂，制造成本增大，且利用载热介质从蓄热器中取出热量作为热泵低位热源，二次传热热损失大。而一体化蓄能型太阳能热泵系统虽然将太阳能集热器、热泵蒸发器和相变材料蓄能容器集于一体，系统简化，但是蒸发器管路长，制冷剂充灌量大，且蒸发管路压降大使得压缩机容积效率减少，影响系统性能。
中国专利CN200810020470.9“复合源集热/蓄能/蒸发一体化热泵热水系统”和CN200710190062.3“集热蓄能蒸发一体化太阳能热泵系统”中，热泵蒸发器均以U形管的形式布置于太阳能真空集热管中，每根蒸发管与真空集热管中间以相变材料填充起到蓄能容器的作用，减少了中间换热环节，节约了制造成本。但是这些系统制冷剂充灌量大，蒸发管路长导致管路压降大，使得压缩机容积效率减少，影响系统性能。而振荡热管具有结构简单、极小温差传热、热响应快、形状可任意弯曲等优点。有鉴于此，本发明提出利用振荡热管做媒介将集热器中相变材料储存的热量传递给热泵系统蒸发器，缩短热泵系统的管路，有效提高系统整体性能。
发明内容
本发明提供一种节能、高效、易行的热泵供热系统及其方法，目的在于合理有效地利用蓄能介质实现对太阳能的收集及移峰填谷，并利用振荡热管进行高效传热，从而提高热泵系统的制热效，优化蓄能型太阳能热泵热水系统的整体性能。
为解决上述技术问题，本发明系统提供的技术方案为：
一种蓄能型太阳能振荡热管热泵供热系统，包括蓄能型振荡热管太阳能集热器、冷凝/蒸发换热器、压缩机、水冷冷凝器、节流阀、水箱和水泵；所述蓄能型振荡热管太阳能集热器包括太阳能真空集热管、振荡热管和相变材料，振荡热管的蒸发段以U形管形式布置在太阳能真空集热管内；所述冷凝/蒸发换热器为套管式换热器，由换热器外壳、热泵蒸发器管路和振荡热管的冷凝段构成，换热器外壳套在振荡热管的冷凝段外部，换热器管外壳内流动的是热泵蒸发器的制冷剂，所述换热器外壳与热泵蒸发器管路连通；多个热泵蒸发器管路串联后，再和压缩机、水冷冷凝器的制冷剂管、水冷冷凝器、节流阀串联连接成一个闭合的制冷剂循环回路；所述水冷冷凝器、水冷冷凝器水管、水泵和水箱串联连接成一个闭合的水循环回路。
所述振荡热管蒸发段和真空集热管之间填充相变材料，可为石蜡、月桂酸、癸酸、十水硫酸钠、正十七烷、正十八烷或以上材料任意组合，也可为装有上述相变材料的胶囊并以水填充在胶囊的空隙间。
所述振荡热管蒸发段的管外设置有翅片，翅片选铜、铁、铝或合金为材料，以螺旋形盘绕在振荡热管的蒸发段外面，翅片的形状可为H形、三角形、梯形或矩形。
系统工作过程如下：真空集热管内的振荡热管蒸发段吸收相变材料传递的太阳能或者吸收相变材料释放的之前储存的太阳能，通过振荡热管内充注材料将热量高效传递给振荡热管冷凝段，振荡热管冷凝段和热泵蒸发器在冷凝/蒸发换热器中进行热交换，热泵蒸发器中制冷剂得到热量汽化成制冷剂蒸气，经压缩机加压后进入冷凝器，在其中放出热量冷却凝结，释放的热量用以加热冷凝器另一侧的冷却介质水，冷却凝结后的制冷剂液体通过节流阀节流后，进入热泵蒸发器中，继续吸收振荡热管传递的热量，如此完成一个循环。水冷冷凝器中的冷却介质水吸热后温度升高可提供生活用热水或者提供给散热器用以冬季供暖。
本发明基于振荡热管作为热传递媒介，将瞬时太阳能或者集热器中相变材料储存的太阳能传递给热泵系统蒸发器，并利用热泵循环加热热水，用以提供生活热水或者提供给散热器用以冬季供暖，具有以下优点：
1、此方法综合利用太阳能集热管集热，相变材料储存热量，振荡热管高效传热作为热泵低温热源，提高系统热力性能，节约常规能源，减少环境污染，实现了能源利用的可持续性发展。
2、本方法为太阳能作为热泵低温热源提供了一种可行的方法与方案，只需要将技术已经很成熟的热泵系统、振荡热管和蓄能型太阳能真空管加以耦合和改造即可实现。
3、可选用平板式集热器，和建筑外墙结合，实现建筑一体化。
4、可实现全年节能、环保、高效地向家庭、大型宾馆、休闲场所、商务办公楼等提供热水，或冬季向这些场所提供采暖热水。
5、系统紧凑，动力消耗小，构造简单，为太阳能作为热泵供热系统低温热源的利用提出了新的解决方法和途径，同时也为太阳能热泵供热系统的产业化提供了一种实施模式与思路。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；其中有：蓄能型振荡热管太阳能集热器1，冷凝/蒸发器换热器2，压缩机3，水冷冷凝器4，节流阀5，储水箱6，水泵7，水管8，制冷剂管9。
图2是蓄能型振荡热管太阳能集热器结构示意图；其中有：振荡热管12，翅片14，相变材料13，太阳能真空集热管15。
图3是冷凝/蒸发换热器结构示意图；其中有：热泵蒸发器管路10，振荡热管12，换热器外壳11。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种蓄能型太阳能振荡热管热泵供热水系统，由蓄能型振荡热管太阳能集热器1、冷凝/蒸发换热器2、压缩机3、水冷冷凝器4、节流阀5、储水箱6、水泵7组成。该系统多个冷凝/蒸发换热器2的热泵蒸发器管路10串联后，再和压缩机3、水冷冷凝器的制冷剂管9、水冷冷凝器4、节流阀5串联连接成一个闭合的制冷剂回路；水冷冷凝器4、水冷冷凝器水管8、水泵7、水箱6串联连接成一个闭合的水回路。
如图2、3所示，振荡热管12的蒸发段以U形管形式布置在太阳能真空集热管15内，振荡热管12的冷凝段和热泵蒸发器管路10构成冷凝/蒸发换热器2。
如图2所示，蓄能型振荡热管太阳能集热器由太阳能真空集热管15、振荡热管12和相变材料13构成。振荡热管12的蒸发段以U形布置于太阳能真空集热管15中，振荡热管12蒸发段与真空集热管15之间以相变材料13填充，相变材料13可为石蜡、月桂酸、癸酸、十水硫酸钠、正十七烷、正十八烷，也可为装有上述相变材料的胶囊并以水填充在胶囊的空隙间。振荡热管12蒸发段的管外有翅片14加强换热，翅片14选铜、铁、铝或合金为材料，以螺旋形盘绕在振荡热管12蒸发段外，翅片14的形状可为H形、三角形、梯形或矩形。
如图3所示，冷凝/蒸发换热器2为套管式换热器，由换热器外壳11、热泵蒸发器和振荡热管12的冷凝段构成，换热器外壳套在振荡热管的冷凝段外部，换热器管外壳内流动的是热泵蒸发器的制冷剂，振荡热管的充注材料和热泵蒸发器管路的制冷剂之间通过间壁换热，换热器外壳与热泵蒸发器的管路连通。
当太阳能充足时，太阳能真空集热管15吸收太阳能并将热量一部分通过相变材料13传递给振荡热管12，另一部分通过相变材料13的相变储存起来。当太阳能不够时，真空管内相变材料13通过相变将之前储存的太阳能释放出来，传递给振荡热管12，实现对太阳能的移峰填谷作用。
位于太阳能真空集热管15内的振荡热管12蒸发段吸收相变材料13传递的太阳能或者吸收相变材料13释放的之前储存的太阳能，通过振荡热管12内充注材料将热量高效传递给振荡热管12冷凝段，振荡热管12冷凝段和热泵蒸发器管路10在冷凝/蒸发换热器2中进行热交换，热泵蒸发器管路10中制冷剂得到热量汽化成制冷剂蒸气。
多个冷凝/蒸发换热器2采用串联的形式连接。热泵系统的制冷剂在多个冷凝/蒸发换热器2的热泵蒸发器管路10中依次吸收振荡热管12传递的热量汽化成蒸气后，经压缩机3加压后进入水冷冷凝器制冷剂管9，在其中放出热量冷却凝结，释放的热量用以加热水冷冷凝器水管8侧的冷却介质水，冷却凝结后的制冷剂液体再通过节流阀5节流后，进入热泵蒸发器管路10中，继续吸收振荡热管12传递的热量，如此完成一个循环。
水冷冷凝器水管8中的冷却介质水吸收冷凝器制冷剂管9侧放出的热量后温度升高，储存在储水箱6中，用来提供生活热水或者提供给散热器用以冬季供暖。

Claims (1)

1.一种蓄能型太阳能振荡热管热泵供热系统，包括蓄能型振荡热管太阳能集热器(1)、冷凝/蒸发换热器(2)、压缩机(3)、水冷冷凝器(4)、节流阀(5)、储水箱(6)和水泵(7)；其特征在于，所述蓄能型振荡热管太阳能集热器(1)包括太阳能真空集热管(15)、振荡热管(12)和相变材料(13)，振荡热管(12)的蒸发段以U形管形式布置在太阳能真空集热管(15)内，每一个U形管布置在一根太阳能真空集热管(15)内；所述冷凝/蒸发换热器(2)为套管式换热器，由换热器外壳(11)、热泵蒸发器管路(10)和振荡热管(12)的冷凝段构成，换热器外壳(11)套在振荡热管(12)的冷凝段外部，换热器管外壳(11)内流动的是热泵蒸发器的制冷剂，换热器外壳(11)与热泵蒸发器管路(10)连通；多个热泵蒸发器管路(10)串联后，再和压缩机(3)、水冷冷凝器的制冷剂管(9)、水冷冷凝器(4)、节流阀(5)串联连接成一个闭合的制冷剂循环回路；所述水冷冷凝器(4)、水冷冷凝器水管(8)、水泵(7)和储水箱(6)串联连接成一个闭合的水循环回路；
所述振荡热管(12)的蒸发段吸收相变材料(13)传递的太阳能，或者吸收相变材料(13)释放的已储存的太阳能，通过振荡热管(12)内的充注材料将热量高效传递给振荡热管(12)的冷凝段，振荡热管(12)的冷凝段和热泵蒸发器管路(10)在冷凝/蒸发换热器(2)中进行热交换，热泵蒸发器管路(10)中的制冷剂得到热量汽化成制冷剂蒸气，经压缩机(3)加压后进入水冷冷凝器(4)，在其中放出热量冷却凝结，释放的热量用以加热水冷冷凝器(4)另一侧的冷却介质水，冷却凝结后的制冷剂液体通过节流阀(5)节流后，进入热泵蒸发器管路(10)中，继续吸收振荡热管(12)传递的热量，如此完成一个循环；水冷冷凝器(4)中的冷却介质水吸热后温度升高可提供生活用热水或者提供给散热器用以冬季供暖；
其中，所述振荡热管(12)的蒸发段与太阳能真空集热管(15)之间采用相变材料填充，或者采用装有相变材料的胶囊并以水填充在胶囊的空隙间的方式；所述相变材料为石蜡、月桂酸、癸酸、十水硫酸钠、正十七烷或者正十八烷；所述振荡热管(12)的蒸发段的管外设置有翅片(14)，所述翅片(14)为铜、铁、铝或合金材料，并以螺旋形盘绕在振荡热管(12)的蒸发段外，翅片(14)的形状为H形、三角形、梯形或矩形。
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