CN104534594B - 一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统 - Google Patents

一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其包括冷却塔，具有处理区和再生区的除湿单元和与之耦合的太阳能热泵系统，太阳能热泵系统包括太阳能集热器、蒸发器、冷凝器、蓄热机构。日间太阳能集热器与蓄热机构形成热媒循环回路，冷凝器与再生区除湿单元通过管路连接形成热媒循环回路；夜间蓄热机构与再生区除湿单元形成热媒循环回路，蒸发器与处理区除湿单元形成冷却水循环回路。本发明利用热泵技术为再生区除湿单元提供热量，使低品位太阳能热源得以利用，有助于节能减排；将太阳能热泵与转轮除湿进行耦合，以实现不受时间限制的高密度能量转换，在日夜工况可切换的情况下实现除湿空调系统不间断工作。

Description

一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统
技术领域
本发明是关于一种转轮除湿空调系统，特别是关于一种太阳能热泵耦合的转轮除湿空调系统。
背景技术
近年来我国用电需求增长势头强劲，然而全国的电力供应形势日趋紧张，部分地区短缺情况已经非常严重，拉闸限电以及错峰用电等已成我国大中城市常用的强制措施。目前中国的电力供应大部分是依靠火力发电，化石能源的消耗增加必然导致愈发严重的环境污染问题。
中国的太阳能资源非常丰富，极高的年太阳辐射量和年日照时数使得我国的太阳能利用前景广阔。干燥除湿是一项高能耗的工艺过程，其在工业生产中电力能耗高达12％，占全部生产费用的60％-70％。因此，传统的干燥除湿工艺所面临的技术问题是保证产品质量的前提下尽量减少其耗电量，利用太阳能进行干燥除湿，把低品位的能源(太阳能)转变为高品位的能源(干燥)，对促进环保节能领域的发展意义重大。
热泵技术应用于除湿方面具有显著的节能效果，但驱动其通常需要优质电能。化学热泵(或吸附床热泵)作为一种先进的节能技术，其可以实现不受时间限制的高密度、高转化率的储能。基于此结合太阳能这一清洁的可再生资源，互相弥补了传统干燥系统大量消耗常规能源以及太阳能稳定性不佳的缺点，对解决环境危机和能源短缺有着深远的意义。
目前，普遍采用的空调除湿是利用氯化锂、氯化钙以及溴化锂等溶液在除湿器中吸附空气中的水分，然后在再生器中加热溶液，最后变浓的溶液重新用于除湿。中国专利申请200510040466.5公开了一种太阳能驱动的供冷空调装置，然而除湿稀溶液会对太阳能集热器造成腐蚀，从而降低太阳能集热器的使用寿命。中国专利申请01128404.8公开了一种太阳能中高温集热吸收式空调系统，但是该系统中并没有采用除湿装置。
因此，提供一种可以充分利用太阳能且日夜不间断的高寿命除湿空调系统成为业界亟需解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其通过将太阳能热泵系统和转轮除湿系统进行耦合，以实现不受时间限制的高密度能量转换，可以进行日夜工况切换，除湿空调系统可以不间断进行工作。
为实现以上目的，本发明采取以下的技术方案：
一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其包括冷却塔、具有再生区和处理区的除湿单元以及与所述除湿单元耦合的太阳能热泵系统，其中，所述太阳能热泵系统包括太阳能集热器、蓄热机构、冷凝器、蒸发器，再生区的除湿单元与室外空气相连，处理区的除湿单元与室内待除湿空气相连；
所述除湿空调系统于日间运行时，太阳能集热器和蓄热机构通过热媒管道连接形成第一日间热媒循环回路，所述冷凝器与再生区的除湿单元通过热媒主管道连接形成第二日间热媒循环回路，并且所述蓄热机构与冷凝器通过第一气体管道连接以使蓄热机构产生的水蒸气进入冷凝器，所述冷却塔与处理区的除湿单元通过冷却水主管道连接形成日间冷却水循环回路；
所述除湿空调系统于夜间运行时，所述冷凝器通过液体管道将冷凝水输送给蒸发器，蒸发器在吸收热量的同时释放出水蒸气通过第二气体管道进入蓄热机构，各自形成冷源与热源，所述蓄热机构与再生区的除湿单元通过热媒主管道连接形成夜间热媒循环回路，所述蒸发器与处理区的除湿单元通过冷却水主管道连接形成夜间冷却水循环回路。
所述蓄热机构为化学蓄热反应器，该化学蓄热反应器的工作介质为水和金属氧化物，所述除湿空调系统于日间运行时，化学蓄热反应器和太阳能集热器形成化学蓄热体系。
所述蓄热机构为吸附床，该吸附床的工作介质为水和硅胶，所述除湿空调系统于日间运行时，吸附床和太阳能集热器形成物理蓄热体系。
所述除湿单元包括第一除湿单元和第二除湿单元，所述第一除湿单元和第二除湿单元之间分别通过第三气体管道和第四气体管道连接，所述第三气体管道上分别设有第十二阀门和第十三阀门，所述第四气体管道上分别设有第十四阀门和第十五阀门，且第十二阀门位于第十三阀门和第一除湿单元之间，第十四阀门位于第十五阀门和第一除湿单元之间，所述室内待除湿空气通过第五气体管道连接至第十二阀门和第十三阀门之间的第三气体管道上，所述室外空气通过第六气体管道连接至第十四阀门和第十五阀门之间的第四气体管道上。
所述热媒管道、第一气体管道、第二气体管道以及液体管道上分别设有第十六、三、四、五阀门；所述热媒主管道的一端通过第一热媒支管道和第二热媒支管道分别与冷凝器和蓄热机构连接，该热媒主管道的另一端通过第三热媒支管道和第四热媒支管道分别与第一除湿单元和第二除湿单元连接，所述第一热媒支管道、第二热媒支管道、第三热媒支管道和第四热媒支管道分别设有第二、一、九、十一阀门；所述冷却水主管道的一端通过第一冷却水支管道和第二冷却水支管道分别与冷却塔和蒸发器连接，该冷却水主管道的另一端通过第三冷却水支管道和第四冷却水支管道分别与第一除湿单元和第二除湿单元连接，所述第一冷却水支管道、第二冷却水支管道、第三冷却水支管道和第四冷却水支管道分别设有第七、六、八、十阀门。
所述第一除湿单元和第二除湿单元均可作为再生区和处理区的除湿单元使用，以实现处理区和再生区的相互切换。
在除湿空调系统于日间运行时：
当第一除湿单元作为再生区的除湿单元使用时，则第二除湿单元为处理区的除湿单元，所述第二、三、七、九、十、十三、十四、十六阀门处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态；
当第一除湿单元切换为处理区的除湿单元时，则第二除湿单元为再生区的除湿单元，所述第二、三、七、八、十一、十二、十五、十六阀门处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态。
在除湿空调系统于夜间运行时：
当第一除湿单元作为再生区的除湿单元使用时，则第二除湿单元为处理区的除湿单元，所述第一、四、五、六、九、十、十三、十四阀门处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态；
当第一除湿单元切换为处理区的除湿单元时，则第二除湿单元为再生区的除湿单元，所述第一、四、五、六、八、十一、十二、十五阀门处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.利用热泵技术为再生区除湿单元提供热量，实现太阳能热利用“削峰填谷”达到提升太阳能热利用效率目的，使低品位太阳能热源得以利用，有助于节能和改善因燃煤燃油造成的环境污染。
2.利用太阳能热泵与转轮除湿进行耦合，以实现不受时间限制的高密度能量转换，可以进行日夜工况切换，除湿空调系统可以不间断进行工作。
附图说明
图1为本发明一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统包括：太阳能集热器1，蓄热机构2，冷凝器3，蒸发器4，冷却塔5，除湿单元6与7，室内待除湿空气8以及室外空气9。其中，蓄热机构2可以采用工作介质为水和金属氧化物的化学蓄热反应器，也可以采用工作介质为水和硅胶的吸附床。图1中实线所示为输送热媒或者冷却水的管道，虚线所示为输送液体或者气体的管道；位于实线旁的箭头所指方向为热媒或者冷却水的流动方向，位于虚线旁的箭头所指方向为液体或者气体的流动方向。
其工作原理为：
一、日间运行
1、日间太阳能集热器1进行工作，打开电磁阀25通过热媒管道将热能输送给蓄热机构2，其在储存热量的同时释放出水蒸气并打开电磁阀12通过气体管道进入冷凝器3，与此同时电磁阀门10、13、14以及15呈关闭状态，电磁阀门11以及16为开启状态。
2、假设除湿单元6初始为再生区(即除湿单元6作为再生区的除湿单元使用，以下同理)时，则除湿单元7为处理区，打开电磁阀18以及19，关闭电磁阀17以及20，通过热媒管道将热能从冷凝器3输送给除湿单元6，冷却塔5则是通过冷却水管道与除湿单元7相连接。与此同时打开电磁阀22以及23，关闭电磁阀21以及24，室内待除湿空气8通过气体管道进入除湿单元7，室外空气9通过气体管道进入除湿单元6。
3、当除湿单元7作为处理区的除湿单元吸附饱和时，则无法再对室内待除湿空气8除湿，此时，除湿单元7切换为再生区，则除湿单元6为处理区，打开电磁阀17以及20，关闭电磁阀18以及19，通过热媒管道将热能从冷凝器3输送给除湿单元7，冷却塔5则是通过冷却水管道与除湿单元6相连接。与此同时打开电磁阀21以及24，关闭电磁阀22以及23，室内待除湿空气8通过气体管道进入除湿单元6，室外空气9通过气体管道进入除湿单元7。
4、以此循环步骤2和3，实现除湿空调系统日间的不间断工作。
二、夜间运行
1、夜间太阳能集热器1停止工作，关闭电磁阀25。打开电磁阀门14，冷凝器3通过液体管道将冷凝水输送给蒸发器4，其在吸收热量的同时释放出水蒸气并打开电磁阀13通过气体管道进入蓄热机构2，与此同时电磁阀门10以及15呈开启状态，电磁阀门11、12以及16为关闭状态。
2、假设除湿单元6初始为再生区，则除湿单元7为处理区，打开电磁阀18以及19，关闭电磁阀17以及20，通过热媒管道将热能从蓄热机构2输送给除湿单元6，蒸发器4则是通过冷却水管道与除湿单元7相连接。与此同时打开电磁阀22以及23，关闭电磁阀21以及24，室内待除湿空气8通过气体管道进入除湿单元7，室外空气9通过气体管道进入除湿单元6。
3、当除湿单元7作为处理区的除湿单元吸附饱和时，则无法再对室内待除湿空气8除湿，此时，除湿单元7切换为再生区，除湿单元6切换为处理区，打开电磁阀17以及20，关闭电磁阀18以及19，通过热媒管道将热能从蓄热机构2输送给除湿单元7，蒸发器4则是通过冷却水管道与除湿单元6相连接。与此同时打开电磁阀21以及24，关闭电磁阀22以及23，室内待除湿空气8通过气体管道进入除湿单元6，室外空气9通过气体管道进入除湿单元7。
4、以此循环步骤2和3，并综合日间运行情况从而实现除湿空调系统日夜的不间断工作。
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 (8)

1.一种太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其特征在于，其包括冷却塔(5)、具有再生区和处理区的除湿单元以及与所述除湿单元耦合的太阳能热泵系统，其中，所述太阳能热泵系统包括太阳能集热器(1)、蓄热机构(2)、冷凝器(3)、蒸发器(4)，再生区的除湿单元与室外空气(9)相连，处理区的除湿单元与室内待除湿空气(8)相连；
所述除湿空调系统于日间运行时，太阳能集热器(1)和蓄热机构(2)通过热媒管道连接形成第一日间热媒循环回路，所述冷凝器(3)与再生区的除湿单元通过热媒主管道连接形成第二日间热媒循环回路，并且所述蓄热机构(2)与冷凝器(3)通过第一气体管道连接以使蓄热机构(2)产生的水蒸气进入冷凝器(3)，所述冷却塔(5)与处理区的除湿单元通过冷却水主管道连接形成日间冷却水循环回路；
所述除湿空调系统于夜间运行时，所述冷凝器(3)通过液体管道将冷凝水输送给蒸发器(4)，蒸发器(4)在吸收热量的同时释放出水蒸气通过第二气体管道进入蓄热机构(2)，所述蓄热机构(2)与再生区的除湿单元通过热媒主管道连接形成夜间热媒循环回路，所述蒸发器(4)与处理区的除湿单元通过冷却水主管道连接形成夜间冷却水循环回路。
2.根据权利要求1所述的太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其特征在于，所述蓄热机构(2)为化学蓄热反应器，该化学蓄热反应器的工作介质为水和金属氧化物，所述除湿空调系统于日间运行时，化学蓄热反应器和太阳能集热器(1)形成化学蓄热体系。
3.根据权利要求1所述的太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其特征在于，所述蓄热机构(2)为吸附床，该吸附床的工作介质为水和硅胶，所述除湿空调系统于日间运行时，吸附床和太阳能集热器(1)形成物理蓄热体系。
4.根据权利要求1所述的太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其特征在于，所述除湿单元包括第一除湿单元(6)和第二除湿单元(7)，所述第一除湿单元(6)和第二除湿单元(7)之间分别通过第三气体管道和第四气体管道连接，所述第三气体管道上分别设有第十二阀门(21)和第十三阀门(22)，所述第四气体管道上分别设有第十四阀门(23)和第十五阀门(24)，且第十二阀门(21)位于第十三阀门(22)和第一除湿单元(6)之间，第十四阀门(23)位于第十五阀门(24)和第一除湿单元(6)之间，所述室内待除湿空气(8)通过第五气体管道连接至第十二阀门(21)和第十三阀门(22)之间的第三气体管道上，所述室外空气(9)通过第六气体管道连接至第十四阀门(23)和第十五阀门(24)之间的第四气体管道上。
5.根据权利要求4所述的太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其特征在于，所述热媒管道、第一气体管道、第二气体管道以及液体管道上分别设有第十六、三、四、五阀门(25、12、13、14)；所述热媒主管道的一端通过第一热媒支管道和第二热媒支管道分别与冷凝器(3)和蓄热机构(2)连接，该热媒主管道的另一端通过第三热媒支管道和第四热媒支管道分别与第一除湿单元(6)和第二除湿单元(7)连接，所述第一热媒支管道、第二热媒支管道、第三热媒支管道和第四热媒支管道分别设有第二、一、九、十一阀门(11、10、18、20)；所述冷却水主管道的一端通过第一冷却水支管道和第二冷却水支管道分别与冷却塔(5)和蒸发器(4)连接，该冷却水主管道的另一端通过第三冷却水支管道和第四冷却水支管道分别与第一除湿单元(6)和第二除湿单元(7)连接，所述第一冷却水支管道、第二冷却水支管道、第三冷却水支管道和第四冷却水支管道分别设有第七、六、八、十阀门(16、15、17、19)。
6.根据权利要求5所述的太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其特征在于，所述第一除湿单元(6)和第二除湿单元(7)均可作为再生区和处理区的除湿单元使用，以实现处理区和再生区之间的相互切换。
7.根据权利要求6所述的太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其特征在于，在除湿空调系统于日间运行时：
当第一除湿单元(6)作为再生区的除湿单元使用时，则第二除湿单元(7)为处理区的除湿单元，所述第二、三、七、九、十、十三、十四、十六阀门(11、12、16、18、19、22、23、25)处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态；
当第一除湿单元(6)切换为处理区的除湿单元时，则第二除湿单元(7)为再生区的除湿单元，所述第二、三、七、八、十一、十二、十五、十六阀门(11、12、16、17、20、21、24、25)处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态。
8.根据权利要求6所述的太阳能热泵耦合驱动除湿空调系统，其特征在于，在除湿空调系统于夜间运行时：
当第一除湿单元(6)作为再生区的除湿单元使用时，则第二除湿单元(7)为处理区的除湿单元，所述第一、四、五、六、九、十、十三、十四阀门(10、13、14、15、18、19、22、23)处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态；
当第一除湿单元(6)切换为处理区的除湿单元时，则第二除湿单元(7)为再生区的除湿单元，所述第一、四、五、六、八、十一、十二、十五阀门(10、13、14、15、17、20、21、24)处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态。
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