CN103528291B - 无霜热泵系统中的水溶性防冻液的太阳能再生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无霜热泵系统中的水溶性防冻液的太阳能再生系统，包括有由压缩机、室外换热器、节流元件、室内换热器、气液分离器构成连接回路的第一级制冷剂循环系统，由室外换热器、冷却塔、第二循环溶液泵构成连接回路的第二级换热循环系统，由冷却塔、连接管道或槽道、CPC集热器或槽式跟踪型聚光集热器依次连接构成的第三级再生循环系统。为采用水溶性防冻液作为间接除霜型热泵的换热工质，除了室内循环的第一级循环、室外吸热的第二级循环外，增加一个利用太阳能聚光再生的第三级循环，此种方式防冻液再生无额外能耗，无需大量存储防冻液成本低，对系统制热性能无损切有所提高，提高了热泵在冬天低温使用时的舒适性和节能性。

Description

无霜热泵系统中的水溶性防冻液的太阳能再生系统

技术领域

本发明属于太阳能和热泵综合利用领域，针对使用热泵易结霜地区，目标为无霜高效连续运行。

背景技术

热系通过消耗一定量的电，从自然界的空气中捕获低品位热能，转移并提升至可供人们生产、生活利用的高品位热能，因而空气源热泵通过消耗电能产生更多热能的装置，其产生的效率远远高于电加热装置，其节能效果显著。

热泵系统既可为建筑在夏季供冷，也可在冬季供热，而且安装方便，特别是在现阶段随着能源燃料价格的攀高，环境保护使得很多城市对燃料种类的限制，热泵的采用可以为客户节省更多费用，所以在国内外得到越来越多的使用。

尽管热泵系统有诸多优点，但是该系统存在的最大的问题就是：系统性能受室外环境的气候条件影响较大。当用于冬季供热时，随着室外空气温度的降低，系统蒸发温度也降低，系统性能降低。同时，随着室外空气温度的进一步降低，某些情况下，空气中的水分将在换热器表面凝结并结霜，导致蒸发器的制热量降低，在结霜严重情况下导致排气温度压力过高，必须停机除霜，这使得热泵系统的制热量及性能均会降低，热泵舒适性严重降低，这就严重制约了热泵的广泛推广。

为了解决结霜问题，已有诸多研究者进行了研究并提出了一些建议，可以分为直接除霜和间接除霜两种方式。间接除霜是指通过增加溶液环节实现防止结霜目的，而直接除霜则是不增加额外换热流路实现除霜。

现阶段用的比较多的是直接除霜，一般是通过停机除霜合作和直接在换热器上或者底盘上盘绕电加热的方式。直接除霜方式耗能大，系统性能波动剧烈。

间接除霜方式是采用水溶性防冻液或者地源、河水等，连续或者间歇的与换热器接触，采用此种方式的好处是制热性能稳定。但是这种方式涉及到防冻液在稀释后的再生问题，有报道采用电加热或者大存储替换方式，前者耗电大违背了节能的初衷，后者成本增加过多，防冻液浪费。

以上提及的除霜方式都具有一些难以克服的缺点，限制了节能的热泵制热方式在低温地区的推广。

发明内容

本发明的目的是在冬季低温情况下热泵可以连续制热且不额外耗电进行除霜。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：无霜热泵系统中的水溶性防冻液的太阳能再生系统，包括有由压缩机、室外换热器、节流元件、室内换热器、气液分离器构成连接回路的第一级制冷剂循环系统，由室外换热器、冷却塔、第二循环溶液泵构成连接回路的第二级换热循环系统，由冷却塔、连接管道或槽道、CPC集热器或槽式跟踪型聚光集热器依次连接构成的第三级再生循环系统。

通过三级不同的循环系统实现室内放热、室外吸热的目标。其中对于室内制热换热第一级循环与常规热泵系统的结构一样，热泵制热时从压缩机流出的高温高压制冷剂流经室外换热器，制冷剂吸热后流经节流装置然后经室内换热器放热后会到压缩机进气口，经过压缩机压缩后变为高温高压重复进行吸放热，此为第一级循环；在室外换热系统采用水溶性防冻液作为循环工质，通过换热器、冷却塔、泵和管道组成第二级室外吸热循环，在室外换热器中，水溶性防冻液被冷却放热给制冷剂，然后流出到冷却塔，在冷却塔中吸收空气中的热量，同时空气中的水汽也因为冷凝成水分进入防冻液使得浓度降低而冰点升高，防冻液的采用保证在零度下天气情况水冷系统的高效连续稳定运行，无停机除霜动作；为了防止防冻液因为稀释后浓度过低导致凝固，冷却塔并联有CPC太阳能聚光集热器组成第三级再生循环，此集热器实现太阳能聚光，进而实现在短时间内的防冻液的快速大幅度升温，从而提高被加热的防冻液的水分蒸发，实现防冻液再生；同样采用大温差提高再生能力的原理，太阳能槽式聚光集热器等太阳能聚光方式也可以通过聚光实现局部防冻液的高温，从而实现防冻液再生，保证无霜热泵系统在低温环境下的连续高效稳定运行。防冻液在第二级循环和第三级循环中实现以下循环：在环境吸热和稀释-太阳能聚光升温浓缩再生-回到环境再次吸热和稀释。

本发明为一种可以在冬季高效无间歇制热的思路，针对北方冬季低温情况易结霜情况下普通热泵制热的停止制热除霜动作导致系统性能起伏大、对热泵零部件损伤大、室内舒适性差、系统制热耗能加大等问题，本发明采用水溶性防冻液作为室外吸放热循环工质避免结霜问题，热泵可以连续高效平稳制热；同时在冷却塔并联有CPC聚光集热器组成水溶性防冻液的再生循环。

所述的思路，与普通风冷和水冷热泵热泵制热有所不同，由冷却塔、管道、泵和换热器组成第二级换热循环中循环工质为水溶性防冻液，此类防冻液在热泵室内制热时在冷却塔中吸收空气中的热量和水蒸气温度升高，通过壳管式换热器或者板式换热器，制冷剂和防冻液在换热器内不接触进行换热，制冷剂被加热升温，防冻液则被冷却降温，通过此循环实现对环境的吸热；制冷剂运行在第一级循环回路中，与普通的风冷和水冷热泵系统在原理、结构形式和运行循环回路上一样，因此可以直接对现有热泵系统进行升级；

所述的思路，随着第二级换热循环的不断进行，工质防冻液不断稀释，导致其冰点逐渐提高，在稀释到某个浓度和某个运行环境温度情况下，防冻液作为循环工质会结冰，由此导致第二级循环不能正常进行，进而影响第一级循环的正常运行，影响系统安全、稳定，为解决此问题，在第二级循环的冷却塔同时被用在第三级防冻液再生循环回路中；

所述思路，第三级循环回路中与第二级循环防冻液工质连通，第三级循环回路中包括CPC集热器和连接管道，通过晴天CPC聚光太阳能加热集热管中的防冻液，防冻液升温后水分迅速蒸发，防冻液浓度升高；升温后的防冻液基于温度和密度的相关特性进行自然循环，热的浓防冻液流回冷却塔，冷却塔中的部分冷的稀溶液流进CPC，形成水溶性防冻液的再生循环，同时冷却塔中的水溶性防冻液温度升高，有利于热泵制热；

由此三级循环所组成的系统可以保持系统的稳定运行，无需采用电加热或者停机除霜的方式就能进行稳定制热，保证了制热性能的稳定性和低能耗，如果应用在热泵空调系统则可以保证房间可以不间断无波动稳定制热，提升房间舒适性；

类似第三级循环，使用跟踪型槽式聚光集热器代替CPC集热器，提高聚光比，集热管内部的防冻液升温更快、再生能力更强，此种方式需要跟踪控制系统匹配；

所述冷却塔的底部为接水盘，接水盘与连接管道或槽道连接，冷却塔的上部分两侧倾斜的壁面为平面透明板，平面透明板上方水平设有凸透镜，所述凸透镜的焦点位于接水盘上。通过太阳光聚集加热焦点位置的防冻液使其升温提高再生能力，无论太阳光斜射还是垂直凸透镜主光轴入射，其聚焦点都是在平行于镜体的一个平面上，因此即使太阳光照射角度发生变化，其聚光加热平面仍然在接水盘上，更加充分的利用太阳能。

冷却塔内的底部为接水盘，接水盘与连接管道或槽道连接，冷却塔的上部分两侧倾斜的壁面为菲涅尔透明板。

也可以以透明材料制造冷却塔外壳，直接使得冷却塔外壳成型为聚光结构，太阳光照射到冷却塔外壳时聚焦到防冻液上，实现快速再生。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：主要方法是通过使用一种与传统除霜方式不同的，利用水溶性防冻液作为换热工质防止换热器结霜的方式，而通过太阳能聚光系统利用大温差时水分蒸发速度快的特性实现防冻液的再生和升温，实现热泵连续高效稳定运行制热的目标。本发明的思路为采用水溶性防冻液作为间接除霜型热泵的换热工质，除了室内循环的第一级循环、室外吸热的第二级循环外，增加一个利用太阳能聚光再生的第三级循环，此种方式防冻液再生无额外能耗，无需大量存储防冻液成本低，对系统制热性能无损切有所提高，提高了热泵在冬天低温使用时的舒适性和节能性。此专利的实现，有利于热泵的推广和在低温地区的冬季使用，减少了因为停机除霜对热泵主机的危害并提高房间舒适度。

附图说明

图1为本发明利用CPC聚光的水溶性防冻液再生示意图；

图2为本发明利用凸透镜聚光的水溶性防冻液再生示意图；

图3为本发明利用菲涅尔透明材料聚光的水溶性防冻液再生示意图；

附图标记说明：1、室内换热器；2、室外换热器；3、气液分离器；4、压缩机；5、节流元件；6、冷却塔；7、第二循环溶液泵；8、连接管道；9、CPC集热器，10、凸透镜，11、平面透明板，12、菲涅尔透明板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例一：

请参阅图1所示，无霜热泵系统中的水溶性防冻液的太阳能再生系统，包括有由压缩机4、室外换热器2、节流元件5、室内换热器1、气液分离器3构成连接回路的第一级制冷剂循环系统，由室外换热器2、冷却塔6、第二循环溶液泵7构成连接回路的第二级换热循环系统，由冷却塔6、连接管道8或槽道、CPC集热器9或槽式跟踪型聚光集热器依次连接构成的第三级再生循环系统。

如图1所示，冬季热泵制热时，从压缩机4流出的高温高压制冷剂流经室外换热器2，制冷剂吸热后流经节流装置5然后经室内换热器1放热后，进入气液分离器3然后重新进入压缩机4，此为第一级制冷剂循环系统。

在室外换热器中2，水溶性防冻液被冷却放热给制冷剂，然后流出到冷却塔6，水溶性防冻液在与空气充分接触后吸热升温，空气中的水汽也因为冷却被吸收，防冻液因此被稀释，落入冷却塔的接溶液盘中，由第二循环溶液泵7重新泵入换热器2，此为第二级换热循环系统。

冷却塔6通过连接管道8与复合抛物面聚光集热器9相连，在晴天时，CPC聚光吸热，其吸热管升温高，与冷却塔6通过管道8形成自然循环，此为第三级再生循环系统。其中连接管道8可以管道，也可以为槽道。

第三级再生循环系统的集热器也可以使用槽式跟踪型聚光集热器，通过感光跟踪，其聚光比大，温升更快，再生能力更强。

一种可以在冬季高效无间歇制热的思路，针对北方冬季低温情况易结霜情况下普通热泵制热的停止制热除霜动作导致系统性能起伏大、对热泵零部件损伤大、室内舒适性差、系统制热耗能加大等问题，本发明采用水溶性防冻液作为室外吸放热循环工质避免结霜问题，热泵可以连续高效平稳制热；同时在冷却塔并联有CPC聚光集热器组成水溶性防冻液的再生循环。

与普通风冷和水冷热泵热泵制热有所不同，由冷却塔、管道、泵和换热器组成第二级换热循环中循环工质为水溶性防冻液，此类防冻液在热泵室内制热时在冷却塔中吸收空气中的热量和水蒸气温度升高，通过壳管式换热器或者板式换热器，制冷剂和防冻液在换热器内不接触进行换热，制冷剂被加热升温，防冻液则被冷却降温，通过此循环实现对环境的吸热；制冷剂运行在第一级循环回路中，与普通的风冷和水冷热泵系统在原理、结构形式和运行循环回路上一样，因此可以直接对现有热泵系统进行升级；

随着第二级换热循环系统的不断进行，工质防冻液不断稀释，导致其冰点逐渐提高，在稀释到某个浓度和某个运行环境温度情况下，防冻液作为循环工质会结冰，由此导致第二级循环系统不能正常进行，进而影响第一级循环系统的正常运行，影响系统安全、稳定，为解决此问题，在第二级循环系统的冷却塔同时被用在第三级防冻液再生循环回路中；

第三级循环回路中与第二级循环防冻液工质连通，第三级循环回路中包括CPC集热器和连接管道，通过晴天CPC聚光太阳能加热集热管中的防冻液，防冻液升温后水分迅速蒸发，防冻液浓度升高；升温后的防冻液基于温度和密度的相关特性进行自然循环，热的浓防冻液流回冷却塔，冷却塔中的部分冷的稀溶液流进CPC，形成水溶性防冻液的再生循环，同时冷却塔中的水溶性防冻液温度升高，有利于热泵制热；

可以保持系统的稳定运行，无需采用电加热或者停机除霜的方式就能进行稳定制热，保证了制热性能的稳定性和低能耗，如果应用在热泵空调系统则可以保证房间可以不间断无波动稳定制热，提升房间舒适性；

使用跟踪型槽式聚光集热器代替CPC集热器，提高聚光比，集热管内部的防冻液升温更快、再生能力更强，此种方式需要跟踪控制系统匹配；这两种方式可以采用自然循环方式，也可以使用泵通过强制循环方式，选择更加自由方便。

请参阅图2所示，冷却塔6内的底部为接水盘61，接水盘61与连接管道8或槽道连接，冷却塔6的上部分两侧倾斜的壁面为平面透明板11，平面透明板11上方水平设有凸透镜10，，所述凸透镜10的焦点位于接水盘61上。在冷却塔的上部安装一个凸透镜，其焦点位于冷却塔的接水盘，通过太阳光聚集加热焦点位置的防冻液使其升温提高再生能力，无论太阳光斜射还是垂直凸透镜主光轴入射，其聚焦点都是在平行于镜体的一个平面上，因此即使太阳光照射角度发生变化，其聚光加热平面仍然在接水盘上，更加充分的利用太阳能

请参阅图3所示，冷却塔6内的底部为接水盘61，接水盘61与连接管道8或槽道连接，冷却塔6的上部分两侧倾斜的壁面为菲涅尔透明板12。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.无霜热泵系统中的水溶性防冻液的太阳能再生系统，其特征在于:包括有由压缩机(4)、室外换热器(2)、节流元件(5)、室内换热器(1)、气液分离器(3)构成连接回路的第一级制冷剂循环系统，由室外换热器(2)、冷却塔(6)、第二循环溶液泵(7)构成连接回路的第二级换热循环系统，由冷却塔(6)、连接管道(8)或槽道、CPC集热器(9)或槽式跟踪型聚光集热器依次连接构成的第三级再生循环系统；同时采用顶部透明聚光型冷却塔或者在冷却塔并联有CPC集热器(9)组成水溶性防冻液的再生循环。

2.如权利要求1所述的无霜热泵系统中的水溶性防冻液的太阳能再生系统，其特征在于:所述冷却塔(6)内的底部为接水盘(61)，接水盘(61)与连接管道(8)或槽道连接，冷却塔(6)的上部分两侧倾斜的壁面为平面透明板(11)，平面透明板(11)上方水平设有凸透镜(10)，所述凸透镜(10)的焦点位于接水盘(61)上。

3.如权利要求1所述的无霜热泵系统中的水溶性防冻液的太阳能再生系统，其特征在于:所述冷却塔(6)内的底部为接水盘(61)，接水盘(61)与连接管道(8)或槽道连接，冷却塔(6)的上部分两侧倾斜的壁面为菲涅尔透明板(12)。