CN104315751A - 一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，包括太阳能集热器、超低温空气源热泵、换热水箱、制冷风盘和供暖管路，太阳能集热器和换热水箱通过走水循环管路连接而形成太阳能供热回路，超低温空气源热泵、换热水箱和供暖管路通过另一走水循环管路连接而形成供暖回路，超低温空气源热泵和制冷风盘连接成制冷回路；超低温空气源热泵包括依次连接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器形成冷媒回路，制冷风盘吹动的空气流经所述蒸发器。本发明利用太阳能实现供暖供热，节能环保；结合超低温空气源热泵实现供暖补热与制冷两种功能，充分利用了能源，能够节约运行成本。

Description

一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统

技术领域

本发明涉及太阳能集热技术领域，具体涉及一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，用于供暖、供生活热水和制冷。

背景技术

在很多北方城市，冬季特别寒冷，所以供暖成为了一种必然需求。采用燃煤或者天然气作为燃料的供暖系统，或多或少都会在价格或者环境污染方面不符要求，因此，促进了太阳能供暖和空气源热泵供暖行业的发展。

在冬天，太阳能集热模块需要汲取太阳能的热量来供暖，但是冬天温度本来就比较低，日照时间又短，加之太阳光强度不够，所以大部分时间还得依靠电能、燃煤、燃气等其他能源供暖。

一般采用空调制冷制热，但是现如今，空调在冬天制热运行时也并不算节能，因为冬天北方天气寒冷，制热能效低，需要辅助补热。

发明内容

本发明提供一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供暖与制冷系统，尽可能的使用太阳能这种环保安全无污染的节能产品，并且在很大程度上减少了电量的消耗。解决传统燃煤供暖、电加热供暖和空调制冷能源消耗大的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，包括太阳能集热器、超低温空气源热泵、换热水箱、制冷风盘和供暖管路，其中，所述太阳能集热器和换热水箱通过走水循环管路连接而形成太阳能供热回路，所述超低温空气源热泵、换热水箱和供暖管路通过另一走水循环管路连接而形成供暖回路，所述超低温空气源热泵和制冷风盘连接成制冷回路；所述超低温空气源热泵包括依次连接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，所述压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器形成冷媒回路，所述制冷风盘吹动的空气流经所述蒸发器。

在优选的方案中，所述太阳能集热器为双真空超导集热器，包括集热联箱和内部设有导热液的双真空超导热管，所述双真空超导热管包括蒸发段和外设护套管的冷凝段，所述护套管的内壁上设置有翅片，所述双真空超导热管与所述护套管之间的结合处设置有胶圈，所述双真空超导热管的设置有护套管的一端设置在所述集热联箱内。

在优选的方案中，所述翅片为0.2-0.5mm厚的铝波纹板。

在优选的方案中，所述制冷回路中设置有夏开冬关阀门，所述制冷回路与所述换热水箱之间的连接管路中设置有冬开夏关阀门。

在优选的方案中，所述换热水箱内设置有电辅助加热器。

在优选的方案中，所述的太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统还包括设置在所述供暖回路中的供暖控制阀门和用于测量所述供暖回路的水温的第一温度探头，当第一温度探头测量的温度低于设定供暖温度时自动打开所述供暖控制阀门，以便通过所述供暖回路向所述供暖管路供应热媒。

在优选的方案中，所述的太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统还包括设置在所述太阳能集热器的进口处的第六温度探头和出水口处的第四温度探头，以及用于控制所述太阳能供热回路的温差循环泵；当第六温度探头测量到的温度与第四温度探头测量到的温度之间的差值大于设定温差时，启动温差循环泵使得所述太阳能集热器循环运行，给所述换热水箱升温。

在优选的方案中，所述的太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统还包括设置在所述换热水箱中的水位探头，当所述换热水箱中的水位低于设定水位时，向所述换热水箱中注水。

在优选的方案中，所述的太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统还包括设置在换热水箱内的第三温度探头，当所述太阳能供热回路和供暖回路同时启动的情况下仍然不能满足换热水箱所设定的温度，即第三温度探头探测到的温度低于所设定的温度时，电辅助加热启动，对水箱中的水进一步加热，来满足供给需求(此情况大部分出现在连续阴雪天气时)。

本发明的有益效果如下：

本发明利用太阳能实现供暖供热，节能环保，结合超低温空气源热泵辅助实补热与实现制冷两种功能，充分利用了能源，能够节约运行成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统的示意图；

图2为图1中太阳能集热器中双真空超导热管的示意图；

图3为沿着图2中的双真空超导热管的径向切割而获得的截面图；

图4为图1中太阳能集热器中双真空超导热管的另一实施例的示意图。

附图标记说明：

1、太阳能集热器，2、超低温空气源热泵，3、制冷风盘，4、供暖管路，5、排气阀，6、第一温度探头，7、第二温度探头，8、第三温度探头，9、第四温度探头，10、水位计，11、第六温度探头，12、屋顶，13、地面，14、夏开冬关阀门，15、冬开夏关阀门，16、生活用水出口，17、自来水口，18、自动补水阀，19、冷凝水管，20、膨胀阀，21、分水器，22、温控电动阀，23、集热联箱，24、蒸发段，25、冷凝段，26、护套管，27、胶圈，28、翅片，29、缺口，30、换热水箱，31、Φ47硅胶圈，32、Φ58硅胶圈，33、温差循环泵，34、热循环泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

太阳能集热结合超低温空气源热泵供热与制冷的原理介绍如下：

本实施例的太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统包括太阳能集热器1、超低温空气源热泵2、换热水箱30、制冷风盘3和供暖管路4，其中，太阳能集热器1和换热水箱30通过走水循环管路连接而形成太阳能供热回路，超低温空气源热泵2、换热水箱30和供暖管路4通过另一走水循环管路连接而形成供暖回路，超低温空气源热泵2和制冷风盘3连接成制冷回路；超低温空气源热泵2包括依次连接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器形成冷媒回路，制冷风盘3吹动的空气流经蒸发器。

太阳能集热器1设置在屋顶12上，供暖管路4的地热部分设置在地面13下，换热水箱30有生活用水出口16和自来水口17。排气阀5用于为包括太阳能集热器1的太阳能集热模块放气。自动补水阀18用于为供暖回路供水。冷凝水管19用于为制冷回路供水。

下面我将整个系统分为四部分来讲，一部分是太阳能集热模块(太阳能集热器1)，一部分是超低温空气源热泵2，还有一部分是地暖管路(走水循环管路)，最后一部分是制冷风盘3：

第一部分是太阳能集热模块部分。可以采用传统的全玻璃真空管来收集太阳能，并且将热能传递到集热联箱中的水，加热后的水通过太阳能供热回路流动到换热水箱。也可以采用双真空超导集热器，包括集热联箱23和内部设有导热液的双真空超导热管，双真空超导热管包括蒸发段24和外设护套管26的冷凝段25，护套管26的内壁上设置有翅片28，双真空超导热管与护套管26之间的结合处设置有胶圈27，双真空超导热管的设置有护套管26的一端设置在集热联箱23内。翅片28与双真空超导热管之间的间隔距离为1.5mm-2.0mm之间。参见图4，胶圈27由Φ47硅胶圈31和Φ58硅胶圈32组成(Φ47表示直径47mm，Φ58表示直径58mm)，Φ47硅胶圈31是在护套管26内的，设置在冷凝段25与蒸发段24的分界处，Φ58硅胶圈32卡在集热联箱23的内壁处，能够起到很好的密封作用；集热联箱23包括聚氨酯发泡层，还可以包括不锈钢层。护套管26可以由不锈钢制成，优选为304BB不锈钢制成。

其中，翅片28的设计不是整个圆形，而是有个缺口，这样设计是方便在将双真空超导热管插入后，翅片28可以受力缩紧，一侧与护套管26的内侧贴紧，另一侧与双真空超导热管外侧贴紧，既可以箍住双真空超导热管使它不至于在里面动荡，不稳固，更重要的是通过翅片28的热传导，可以最大效率将双真空超导热管的热量通过金属套管26传递到水中，从而使水升温。

双真空超导热管中存有3ml至8ml，优选为5ml的导热液，导热液包括纯净水(H₂O)和/或乙醇，还可以包括硫酸铜等添加剂，纯净水和/或乙醇是起主要作用的导热液。导热液沸点低，冬天早上八点左右的光照温度就足以将它蒸发。工作时，双真空超导热管吸收太阳辐射热，传输给蒸发段24，使管内导热液体受热气化，以极低的热阻，几乎无损失地高速地传输到冷凝段25，通过与集热联箱23内的水进行热交换，使水温上升，气态导热液放出潜热后冷凝，依靠重力回流至蒸发段24继续吸热气化，如此不断循环往复，将双真空超导热管获得的太阳辐射能传递到集热联箱23。在太阳下山后，双真空超导热管因管内不走水而使热量无残存，减少了双真空超导热管在夜间无光照时的热量损失，可以将双真空超导热管中的能量充分回收。

第二部分是超低温空气源热泵。下文中使用的温度探头均为温度传感器。在超低温空气源热泵的所有循环回路中，由第二温度探头7来探测流入到超低温空气源热泵中的水温，在水温超过设定温度时，热泵不启动，水直接顺着管路通过；当温度低于设定温度时，首先是热循环泵34启动，在热循环泵34启动约几秒内，超低温空气源热泵2启动。超低温空气源热泵2包含四个核心部件：压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器：压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在冷凝器中的铜管，热量经铜管传导到水中，并被循环水带走，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量，同时，在制冷风盘3的作用下，大量的空气流过蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气释放，随后开始下一个制冷循环。

第三部分是供暖管路。从换热水箱30中出来的热水经过分水器21进入地暖，从地暖管中出来的水经过第一温度探头6的探测后，若回水温超过设定温度，此时室内供暖温度达到设定值，则温控电动阀22打开，直接从温控电动阀22短路回到超低温空气源热泵2最后回到水箱，不经过地暖管；而如若水温低于设定温度，则温控电动阀22关闭，经过分水器21进入地暖管，给室内供暖，再经分水器21流出通过热泵回到换热水箱30。

第四部分是制冷系统。即就是超低温空气源热泵2结合制冷风盘3制冷，在空气源热泵的整个回路中，有两个阀门，一个是冬开夏关阀门14，一个是夏开冬关阀门15。在冬天时，只打开冬开夏关阀门14，这样超低温空气源热泵2直接和地暖这部分形成回路供暖；在夏天，只打开夏开冬关阀门15，这样，超低温空气源热泵2和制冷风盘3形成回路，整个脱离太阳能集热部分，成为独立的系统，太阳能集热部分继续形成回路供给生活热水需求。而超低温空气源热泵2和制冷风盘3形成的回路切换为夏季供给制冷模式，相当于空调使用。

在整个系统中，还有很重要的一个器件：换热水箱中的电辅助加热，当第三温度探头8探测到空气源热泵2和太阳能模块两部分都不足以满足换热水箱30所需温度时，电辅助加热启动，可以保证整个系统在任何状况下水箱温度都能满足客户需求。

这样，整个太阳能结合空气源热泵工程就可以完成循环，下面细讲每部分选材的优势。

下面的表1描述了本发明采用的双真空超导热管与传统全玻璃真空管的区别。

表1：

此系统所选择的超低温空气源热泵的优势有以下几点：

1、超低温喷气增焓，增焓可以增加二次热回收，并且在低温条件下系统不瘫痪，采用谷轮压缩机；

2、智能化霜，避免(定温、定时)化霜的缺点，同时增大蒸发器的面积；

3、404A超低温冷媒，大大提高低温制热效果；

4、极寒冷地区，超低温空气源热泵采用分体式，分体式是将蒸发器和泵分开，蒸发器在外面，这样的做的目的可以使得空气源热泵在气候寒冷的极致条件下停机不冻坏；

5、热交换器的构造，热交换器的铜管外壁设计为锯齿状，内壁为膛线型，内外的这种设计都是为了增大交换面积增大流动阻力；一般情况下输出温度可达40℃-50℃，天气较好的情况下可达60℃。

另外，还可以采用控制器控制上述系统中各个组成部分，各个阀门以及泵的自动启动、停止等。

控制柜的设计是将整个系统的所有功能集合在一起，通过自动挡和手动挡两种方式来实现各个功能的随意切换，这样可以给客户提供方便。

可以在控制柜的控制面板上，将所有功能通过编程集成到单片机上，通过控制面板的设计就可以实现功能一体化的需求(温控补水，定时上水、定时加热、自动恒水位、自动恒温、集热温差循环、伴热循环、加热循环、供暖循环)。

另外，上述系统还可以具有如下功能：

1、第一温度探头6的设定，可以自动调节在设定温度内暖气管道供暖循环的关停。这样在冬天，假使我们设定第一温度探头6的温度为18℃，如果屋内温度低于18℃，则暖气管道打循环，使室内升温，若超过18℃，继续供给也只是浪费热量，则温控电动阀打开，短路回去。所以第一温度探头和温控电动阀的开启是相辅相成。

2、第二温度探头7的设定，可以自动调节超低温空气源热泵2及热循环泵34的关停，再次特别强调，供热循环泵34是由超低温空气源热泵2本身和控制柜双路控制，为了避免热循环泵34突然出现问题系统瘫痪，特此两路控制。我们加入了双向导通开关，来防止双路同时供电短路的情况，假若热循环泵34突然出现故障，继电器会自动断开，同时双向开关就会让另一路导通，这样供热循环泵34继续工作，系统也不致停止循环，造成冻坏瘫痪。

3、第三温度探头8和第四温度探头9的设定，可以自动调节温差循环泵33，第三温度探头8和第四温度探头9探测到的温度一旦到达设定的温差时，温差循环泵就启动，这样集热循环整个系统就会启动，将集热模块中的热水送到换热水箱中，往复循环升温。

4、水位探头(水位计10)的设定，可以自动调节补水循环的关停。即就是换热水箱30中的水位低于设定水位，自动补水阀门就会打开，来实现补水；而在短时间内不断补水的情况则被设定为报警，因为这种情况极有可能是管道漏水，以防万一，特设定此功能，水位补满时自动停止。

水位计也叫“液位计”或“液面计”。因换热水箱的水在高温时极易汽化，水和汽的损耗较大，要不断地补充水，使锅炉里的水位保持一定的高度，水位过低，换热水箱就有爆炸的危险。为了随时了解换热水箱内的水位，在换热水箱上端装有电阻水位计。

5、第六温度探头11的设定，可以自动调节伴热循环、伴热带的关停。在冬天温度很低的情况下，第六温度探头11是探测户外管道的温度，一旦低于设定温度，热循环泵34就打开，整个集热模块系统就会在温差循环泵的启动下，将水箱的热水循环到管路中，这样通过损失部分水箱温度来给管道升温，同时伴热带加热也打开，通过消耗部分电能来给管道升温，两者的同时开启都是防止在极冷的情况下管道冻裂。

6、电加热的设定，电加热在一般情况下不启动，只有当太阳能集热循环和空气源热泵的循环供给满足不了水温需求时，电加热就会自动启动(这种情况一般在冬季连续阴天下雪天容易发生)。

7、附属功能：水箱高温保护、水箱杀菌保护、防电热带起火、自动防溢流、防空晒、防炸管、低水压保护、停电记忆等。

整个系统的费用分析如下：

一、系统COP值(能量与热量之间的转换比率)

在整个太阳能结合空气源热泵供暖的系统中，用来衡量系统的性能指标的是个COP值，在热力学第一定律中有，ΔU＝Q+W，Q表示整个系统中能量转换，W表示外界对系统所做的功，ΔU表示现在整个系统中增加的内能，压缩机正是使用这一原理，通过电来对空气压缩做功W，使得制冷剂能够不断地从低温环境中吸收热量Q，并像高温环境中释放能量ΔU。而COP的指标是如下计算公式：

$\mathrm{COP}=\frac{\mathrm{\ΔU}}{W}=\frac{Q+W}{W}=1+\frac{Q}{W}\≥1$

从上述公式可知COP值永远大于等于1，只有在理想状态下才有可能等于1，实际情况下理想状态根本不存在，所以COP值永远大于1，由此可见，这是一个高效节能装置。

在以下几种季节的情况下，整个系统的COP值分别如下：

冬季：平均为2中午时间可达到3夜间低温(-20℃时)，达到1.6左右，夜间低温(-20℃)且为下雪天时达到1.3，夏天制热(生活热水)可达4.5。

二、系统的费用计算

1、太阳能集热模块部分的计算(冬天的基础水温：13℃；夏天的基础水温：15℃)，见如下表2：

表2

单位体积水	耗电量	时间	方式	温度
					1吨水	1kw	1小时	加热升温	0.8℃
1吨水	10kw	1小时	加热升温	8℃
					1吨水	10Kw	4小时	加热升温	32℃(冬天)
1吨水	10KW	6小时	加热升温	48℃(夏天)

从以上表格可以得出：

冬天将1吨水升温32℃需要40度电(由13℃升温到45℃)，即就是每一组模块全天可产热13.3KW；

夏天1吨水升温48℃需耗电60度电(由15升温至63℃)，即就是每一组模块全天可产热20KW。

而太阳能集热模块的计算如下：

1吨水相当于3组Φ58×30孔集热模块，集热面积S＝4.6m²×3组≈13.8平米(实际面积12平米)，而3组集热模块刚好晒一天(冬天光照时间8小时，夏天光照可达12小时)冬天可以将1吨水晒到45℃，相当于节省40度电，夏天可将水升温到61度，相当于节省60度电。

根据上面的相关数据计算(只估算冬季)，如果每天按太阳能集热器每组可产热达10-15℃电计算

一年120天(冬季)100m²建筑配套安装6组集热模块

6组*10度电/天*120天≈7200度电*0.5元/度＝3600元

2、超低温空气源热泵计算

由于其耗电量在冬季只有等量电热水器的二分之一，即相当于使用同样多的热水，使用空气源热泵，电费只需要电加热的二分之一，我们继续上面一年120天(冬季)100m²建筑来计算

供暖总需求耗电量：60W×100m²×24h×120天＝17280度电

空气源热泵耗电量＝17280-7200＝10080÷2＝5040度电

节省电量为：17280-5040＝12240度电×0.5元/度＝6120元

一年节省电量为：3600+6120＝9720

如果每天就只加热1吨水，加热到45℃，那么只是空气源热泵就可以省至少25度电(只估算冬季供暖四个月)

一年可以省钱＝25×120＝3000度电×1元/度电＝3000元

综上所述，太阳能的热量是免费享用的，除了泵花费的每天1-2度电之外，其他的完全是免费，而天气不好的情况下，太阳能和超低温空气源热泵一起共同使用，合理调配运用资源尽可能的省电，这样，一天两天看不出效果，一年，两年就很明显可以看出效果，所以这套系统绝对是现有的资源中最节能、环保、省电的一套经济适用并且合理划算的系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，包括太阳能集热器、超低温空气源热泵、换热水箱、制冷风盘和供暖管路，其中，所述太阳能集热器和换热水箱通过走水循环管路连接而形成太阳能供热回路，所述超低温空气源热泵、换热水箱和供暖管路通过另一走水循环管路连接而形成供暖回路，所述超低温空气源热泵和制冷风盘连接成制冷回路；所述超低温空气源热泵包括依次连接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，所述压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器形成冷媒回路，所述制冷风盘吹动的空气流经所述蒸发器。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，所述太阳能集热器为双真空超导集热器，包括集热联箱和内部设有导热液的双真空超导热管，所述双真空超导热管包括蒸发段和外设护套管的冷凝段，所述护套管的内壁上设置有翅片，所述双真空超导热管与所述护套管之间的结合处设置有胶圈，所述双真空超导热管的设置有护套管的一端设置在所述集热联箱内。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，所述翅片为0.2-0.5mm厚的铝波纹板。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，所述制冷回路中设置有夏开冬关阀门，所述制冷回路与所述换热水箱之间的连接管路中设置有冬开夏关阀门。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，所述换热水箱内设置有电辅助加热器。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，还包括设置在所述供暖回路中的供暖控制阀门和用于测量所述供暖回路的水温的第一温度探头，当第一温度探头测量的温度低于设定供暖温度时自动打开所述供暖控制阀门，以便通过所述供暖回路向所述供暖管路供应热媒。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，还包括设置在所述太阳能集热器的进口处的第六温度探头和出水口处的第四温度探头，以及用于控制所述太阳能供热回路的温差循环泵；当第六温度探头测量到的温度与第四温度探头测量到的温度之间的差值大于设定温差时，启动温差循环泵使得所述太阳能集热器循环运行，给所述换热水箱升温。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，还包括设置在所述换热水箱中的水位计，当所述换热水箱中的水位低于设定水位时，向所述换热水箱中注水。

9.根据权利要求5所述的一种太阳能集热结合超低温空气源热泵的供热与制冷系统，其特征在于，还包括设置在换热水箱内的第三温度探头，当所述太阳能供热回路和供暖回路同时启动的情况下仍然不能满足换热水箱所设定的温度，即第三温度探头探测到的温度低于所设定的温度时，电辅助加热启动，对水箱中的水进一步加热，来满足供给需求。