CN103499163A - 一种直膨式太阳能热泵空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种直膨式太阳能热泵空调系统，主要由1套直膨式太阳能热泵系统、1套空气源热泵系统、1个蓄热装置组成，具体包括1台室外冷凝器、1个储液罐、1个过滤器、1个毛细管节流器、1台室内空冷换热器、1台水冷换热器、6个阀门、1台压缩机、1个四通变向阀、1台太阳能集热器、1个相变蓄热装置。带有相变蓄热装置的太阳能热泵空调系统与室外冷凝器并联，冬季可提供生活热水、热气，夏季可实现正常空调制冷。将蓄热装置与压缩机保护装置合二为一，不但可以将多余太阳能存储起来，供晚上或阴雨天使用，而且可以克服环境影响使压缩机入口温度维持在一定值，提高了热力性能，延长压缩机的使用寿命，结构简单、节能环保。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种太阳能光热系统，特别是涉及到一种将相变蓄热装置应用于空调和直膨式太阳能热泵中的直膨式太阳能热泵空调系统，属能源供热和空调技术领域。
技术背景
能源和环境问题己经成为当今社会最受关注的焦点问题之一。近年来，随着我国建筑业的迅猛发展，建筑的采暖和空调耗能不断扩大。在发达国家，建筑能耗占总能耗的25%～40%，在我国约占社会能源总消耗的近1/3。在建筑能耗中，主要部分是空调能耗和热水能耗，分别约占总量的24%和17%。空调器、热水器的能源利用效率，直接影响到我国能源的总体利用情况。尤其是再淮河以南地区，冬天取暖主要靠空调，大大增加了电力负荷，造成电力紧张。因此，提高能源的利用率、鼓励优先利用太阳能等新能源、提倡建筑节能尤为必要。
热泵系统具有结构紧凑、热利用率高、适应经济性强、节能环保等优点，得以加以推广。但热泵机组特别是空气源风冷机组，其受气候温差等影响特别大，热力性能大为下降，在温度较低时，蒸发器表面容易结霜，影响其传热性能。随着环境温度的降低，其系统COP大为下降，蒸发器还可因为吸热量不足，气液混合冲击压缩机，减小了压缩机的使用寿命。
直膨式太阳能热泵由于其环保节能、集热效率高等也备受关注。但直膨式太阳能热泵系统稳定性差，易随季节、气候、昼夜等环境因素影响。专利“直膨式太阳能热泵空调及热水系统”（公开号CN1515850）将太阳能热泵与冰蓄冷空调结合起来，使得集热器的工作温度与制冷剂的蒸发温度保持一致（接近环境温度），大大提高了集热器效率和热泵性能系数。冬季工质从平板太阳能集热器中吸收热量，经过循环制备生活热水和热空气。夏季，晚上制冷循环完成制冰并存储在蓄冰槽供白天使用。此发明虽然利用了太阳能热泵，提高了热力性能（集热器效率一般可达60%-80%，热泵COP一般可超过3），但没有考虑环境变换对系统性能的影响，系统未见压缩机保护装置。专利“直膨式太阳能热泵热水器”（公开号：CN1337556）采用无盖板的太阳能集热蒸发器，利用水冷冷凝器制取生活热水。此专利将太阳能集热器室外冷凝、蒸发器设计为一体，结构简单紧凑，并能够充分利用露水的相变潜热，但没有实现夏季制冷功能，未能就结露对室外影响热力性能以及冬季夜晚霜冻情况给予说明改进，而且在蓄热水箱温度达到设定值后没有安装蓄热装置，使富余太阳能未能充分利用。
发明内容
本发明针对上述现有空调及直膨式太阳能热泵的不足，提供一种将蓄热装置与压缩机保护装置合二为一的直膨式太阳能热泵空调系统。该系统不但可以将多余太阳能存储起来，供晚上或阴雨天使用，而且可以克服环境影响，使压缩机入口温度维持在一定值，提高了热力性能，延长压缩机的使用寿命，结构简单、节能环保。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种直膨式太阳能热泵空调系统，主要由1套直膨式太阳能热泵系统、1套空气源热泵系统、1个蓄热装置组成，具体包括1台室外冷凝器、1个储液罐、1个过滤器、1个毛细管节流器、1台室内空冷换热器、1台水冷换热器、6个阀门、1台压缩机、1个四通变向阀、1台太阳能集热器、1个相变蓄热装置。太阳能集热器出口经过太阳能集热器出口阀门与相变蓄热装置入口连接，相变蓄热装置出口与压缩机入口相连接，压缩机出口与四通变向阀的端口a连接，四通变向阀的端口b分别经过水冷换热器入口阀门、空冷换热器入口阀门与水冷换热器、室内的空冷换热器相连接，之后经过管路汇合后依次与毛细管节流器、过滤器、储液罐相连接，储液罐出口分别与室外冷凝器、太阳能集热器入口阀门连接，太阳能集热器入口阀门与太阳能集热器相连接；室外冷凝器经室外冷凝器入口阀门与四通变向阀的c端口连接，压缩机入口与四通变向阀的d端口连接。
相变蓄热装置由带有保温层的壳体、紫铜管、相变蓄热材料、配型接头组成；带有保温层的壳体是包有聚氨酯发泡保温层的不锈钢筒体，两头为配型接头；圆柱体内插有若干紫铜管，紫铜管与不锈钢外壳钎焊密封，与两头配型接头直通，铜管之间装有相变蓄热材料。
相变蓄热装置内管道可以是紫铜管，也可以是翅片管或螺纹管等；相变蓄热材料为纯石蜡，还可以是添加纳米金属或膨胀石墨的石蜡或其它相关材料。
直膨式太阳能热泵系统与典型的蒸汽压缩式制冷循环原理相同，都由冷凝器、蒸发器、压缩机、储液灌、过滤器、毛细管节流器组成，由管道连接成一个密封的系统。从蒸发器完成热交换汽化产生的低压蒸汽被压缩机吸入压缩成高温高压气体，进入冷凝器冷却成液体，经过滤器、毛细管节流器后进入蒸发器，在蒸发器蒸发吸热完成制冷循环。
与传统的间接膨胀式热泵、空气源热泵相比，其不同点在于直膨式太阳能热泵的太阳能集热器作为系统的蒸发器，工质在集热器中吸收太阳能辐射的热能，减小了集热回路过程，使得结构简单，便于安装。
空气源热泵系统为常见家庭空调，室内外均采用空冷换热器，其工作原理为蒸汽压缩式制冷循环原理。
带有相变蓄热装置的太阳能热泵空调系统与室外冷凝器并联，冬季可提供生活热水、热气，夏季可实现正常空调制冷。
本发明的有益效果是，将蓄热装置与压缩机保护装置合二为一，不但可以将多余太阳能存储起来，供晚上或阴雨天使用，而且可以克服环境影响使压缩机入口温度维持在一定值，提高了热力性能，延长压缩机的使用寿命，结构简单、节能环保。
附图说明
图1为直膨式太阳能热泵空调系统原理示意图。
图2为相变蓄热装置剖面图。
图中：1.太阳能集热器，2.太阳能集热器出口阀门，3.太阳能集热器入口阀门，4.室外冷凝器入口阀门，5.相变蓄热装置，6.压缩机，7.空冷换热器入口阀门，8.空冷换热器，9.室外冷凝器，10.水冷换热器入口阀门，11.水冷换热器，12.毛细管节流器，13.过滤器，14.储液罐，15.四通变向阀，16.带有保温层的壳体，17.紫铜管，18.相变蓄热材料，19.配型接头。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
参照附图1和附图2，一种直膨式太阳能热泵空调系统包括1台室外冷凝器、1个储液罐、1个过滤器、1个毛细管节流器、1台室内空冷换热器、1台水冷换热器、6个阀门、1台压缩机、1个四通变向阀、1台太阳能集热器、1个相变蓄热装置。
太阳能集热器（1）出口经过太阳能集热器出口阀门（2）与相变蓄热装置（5）入口连接，相变蓄热装置（5）出口与压缩机（6）入口相连接，压缩机（6）出口与四通变向阀（15）的端口a连接，四通变向阀（15）的端口b分别经过水冷换热器入口阀门（10）、空冷换热器入口阀门（7）与水冷换热器（11）、室内的空冷换热器（8）相连接，之后经过管路汇合后依次与毛细管节流器（12）、过滤器（13）、储液罐（14）相连接，储液罐（14）出口分别与室外冷凝器（9）、太阳能集热器入口阀门（3）连接，太阳能集热器入口阀门（3）与太阳能集热器（1）相连接；室外冷凝器（9）经室外冷凝器入口阀门（4）与四通变向阀（15）的c端口连接，压缩机（6）入口与四通变向阀（15）的d端口连接。
参照附图2，相变蓄热装置外壳是包有聚氨酯发泡保温层的不锈钢筒体，两头为配型接头（19），在配型接头（19）上有一联通管道与系统连接；圆柱体内插有若干紫铜管（17），紫铜管（17）与带有保温层的壳体（16）钎焊密封，与两头配型接头（19）直通，铜管之间装有相变蓄热材料（18）。
本发明工作原理和工作过程为：
冬季白天，开启太阳能集热器出口阀门（2）、太阳能集热器入口阀门（3），关闭室外冷凝器入口阀门（4），调节四通变向阀（15）使ab端口接通，cd端口接通。制冷剂在太阳能集热器（1）中吸收热量蒸发，高温的制冷剂进入相变蓄热装置（5），在相变蓄热装置（5）内换热，通过相变蓄热装置（5）将温度较高的制冷剂冷却，吸收并存储多余热量保持制冷剂温度恒定，避免对压缩机（6）造成不利影响。制冷剂由压缩机（6）入口吸入，压缩成高温高压气体，开启空冷换热器入口阀门（7），高温高压气体经四通变向阀（15）进入室内空冷换热器（8），与室内气体换热提供热气，或开启水冷换热器入口阀门（10）经水冷换热器（11）制取生活用热水。经过室内空冷换热器（8）或水冷换热器（11）冷凝后的液体经过毛细管节流器（12）节流成为低温低压的湿蒸汽，然后经过滤器（13）过滤后的制冷剂存储在储液罐（14）里，最后湿蒸汽流入室外太阳能集热器（1）（蒸发器），蒸发吸热完成循环。
冬季晚上，开启太阳能集热器出口阀门（2）、太阳能集热器入口阀门（3），关闭室外冷凝器入口阀门（4），调节四通变向阀（15）使ab端口接通，cd端口接通。制冷剂湿蒸汽主要从相变蓄热装置（5）内吸热，将白天储存的富余热量加以利用，制冷剂之后依次经过压缩机（6）、四通变向阀（15）、室内换热器（8）或水冷换热器（11）、毛细管节流器（12）、过滤器（13）、储液罐（14），最后回到相变蓄热装置（5）。
夏季制冷：开启室外冷凝器入口阀门（4），关闭太阳能集热器出口阀门（2）、太阳能集热器入口阀门（3），调节四通变向阀（15）使db端口接通，ca端口接通，工作介质进入制冷循环。从室内空冷换热器（8）完成热交换汽化产生的低压蒸汽经过空冷换热器入口阀门（7）、四通变向阀（15）后被压缩机（6）吸入压缩成高温高压气体，进入室外换热器（9）冷却成液体，经储液罐（14）、过滤器（13）、毛细管节流器（12）最后进入室内空冷换热器（8）吸热，使室内环境温度降低，完成制冷循环。
夏季制取生活用热水模式与冬季制取热水模式相同。
Claims (4)
1.一种直膨式太阳能热泵空调系统，主要由1套直膨式太阳能热泵系统、1套空气源热泵系统、1个蓄热装置组成，具体包括1台室外冷凝器、1个储液罐、1个过滤器、1个毛细管节流器、1台室内空冷换热器、1台水冷换热器、6个阀门、1台压缩机、1个四通变向阀、1台太阳能集热器、1个相变蓄热装置，其特征在于：太阳能集热器（1）出口经过太阳能集热器出口阀门（2）与相变蓄热装置（5）入口连接，相变蓄热装置（5）出口与压缩机（6）入口相连接，压缩机（6）出口与四通变向阀（15）的端口a连接，四通变向阀（15）的端口b分别经过水冷换热器入口阀门（10）、空冷换热器入口阀门（7）与水冷换热器（11）、室内的空冷换热器（8）相连接，之后经过管路汇合后依次与毛细管节流器（12）、过滤器（13）、储液罐（14）相连接，储液罐（14）出口分别与室外冷凝器（9）、太阳能集热器入口阀门（3）连接，太阳能集热器入口阀门（3）与太阳能集热器（1）相连接；室外冷凝器（9）经室外冷凝器入口阀门（4）与四通变向阀（15）的c端口连接，压缩机（6）入口与四通变向阀（15）的d端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种直膨式太阳能热泵空调系统，其特征在于：相变蓄热装置（5）由带有保温层的壳体（16）、紫铜管（17）、相变蓄热材料（18）、配型接头（19）组成；带有保温层的壳体（16）是包有聚氨酯发泡保温层的不锈钢筒体，两头为配型接头（19）；圆柱体内插有若干紫铜管（17），紫铜管（17）与不锈钢外壳钎焊密封，与两头配型接头（17）直通，铜管之间装有相变蓄热材料（18）。
3.根据权利要求1所述的一种直膨式太阳能热泵空调系统，其特征在于：带有相变蓄热装置（5）的太阳能热泵空调系统与室外冷凝器（9）并联，冬季可提供生活热水、热气，夏季可实现正常空调制冷。
4.根据权利要求1所述的一种直膨式太阳能热泵空调系统，其特征在于：相变蓄热装置（5）内管道可以是紫铜管（17），也可以是翅片管或螺纹管等；相变蓄热材料（18）为纯石蜡，还可以是添加纳米金属或膨胀石墨的石蜡或其它相关材料。
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