CN105444246A - 一种太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统，包括外壳、透明盖板、吸热板、保温层、压缩机、蓄热水箱、冷凝器、控制器，其特征是：在吸热板上以紧密结合的方式附着有承压管，承压管的一个端口通过管路连接压缩机的入口、压缩机的出口连接冷凝器，冷凝器通过节流阀连接承压管的另一个端口，冷凝器置于蓄热水箱中，蓄热水箱上设有与散热器连接的管道，且管道上设有循环水泵，在外壳上设有空气流入管和空气流出管，在空气流出管上设有风机。其优点是：将太阳能空气集热器与太阳能热泵集热器融合在一起，并进行合理控制，初建投资低，集热器效率高，运行成本低，能够解决寒冷地区供暖问题。

Description

一种太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统，属于太阳能热利用技术领域。

背景技术

平板集热器主要由吸热板、透明盖板、绝热材料、外壳等几部分组成。平板集热器工作时，太阳辐射能穿过透明盖板后投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换为热能，吸收板热能传递给传热工质，使传热工质的温度升高或发生相变，然后，集热器通过传热工质输出热能。传热工质为空气时，该平板集热器就成为太阳能空气集热器；传热工质为液体时，该平板集热器称为太阳能液体集热器；传热工质为制热剂发生相变时，该平板集热器就成为太阳能热管集热器或太阳能热泵集热器。集热器是太阳能供暖的关键部件。

太阳能空气集热器，防冻措施简单，腐蚀问题不严重，系统没有过热汽化的危险，微小的不严密封不会严重影响太阳能空气集热器的工作性能，经过加热的空气不需要中间换热设备直接利用，与太阳能液体集热器相比不存在冬季的结冰问题。用太阳能空气集热器的太阳能热风采暖系统是最舒适的，再加集热器结构简单、易于维护，太阳能空气集热器供暖系统是有优势的。太阳能空气集热器供暖系统由太阳能空气集热器、卵石蓄热器（岩石堆积床）、风机、辅助热源等组成。由于空气的容积比热容（）要比水的容积比热容（）小得多，使得换热需要大量的空气，但由于风压小，风机容量是不会很大的，风机要消耗一定的电能。白天集热器加热的空气一部分直接用于采暖，另一部分要供给卵石蓄热器，把空气携带的热能传递给卵石蓄热器，以备夜间没有太阳能时，用存贮在卵石蓄热器的热能供给房间，由于这个过程，需要提高集热器出口空气温度，使得集热器效率下降，限制了太阳能空气集热器供暖系统在严寒和寒冷地区的应用。

太阳能液体集热器，应用于采暖系统，地暖要求集热器出口液体温度超过30℃；散热器采暖，要求集热器出口液体温度超过50℃。由于集热器出口液体温度高，集热器集热效率下降，平板液体集热器在寒冷地区的应用是困难的，一般采用真空玻璃管集热器。

太阳能热管集热器，传热介质在集热器中蒸发，发生相变，吸收太阳能，蒸气不经过压缩机压缩直接传递到冷凝器，蒸气在冷凝器中冷凝，蒸气相变为液体，蒸气热能传递给冷凝器。集热器本质上为蒸发器，蒸发器的温度高于冷凝器，热能从蒸发器到冷凝器的传递，本质上是从高温到低温的传递。集热器作为蒸发器吸收太阳能，通过蒸气，再经冷凝器，把热能传递给冷凝器，冷凝器吸收的热能用于供暖，由于集热器温度高于冷凝器，在寒冷地区平板集热器效率下降很多，使得太阳能热管平板集热器供暖系统不能应用于寒冷地区的供暖。

太阳能热泵集热器供暖系统，传热工质在集热器中相变蒸发吸收太阳能，集热器即为热泵蒸发器，该集热器也可称为集热蒸发器，冷凝器直接加热供暖水的供暖系统也可称为直接膨胀式太阳能热泵供暖系统。在太阳能热泵集热器供暖系统中，将太阳能集热器作为热泵的蒸发器，以低沸点传热工质作为太阳能集热器的传热工质，热泵的低沸点传热工质称为制热剂。太阳能集热器吸收太阳辐射能并转换成热能，传递到集热蒸发器内制热剂，使制热剂蒸发，太阳能集热器输出蒸气，送到压缩机进气口，蒸气经压缩机压缩成为高温高压气体并从压缩机排气口输出，然后，高温高压蒸气传递到冷凝器，冷凝为高压制热剂液体，并把蒸气热能传递给冷凝器，冷凝器吸收的热能再用于供暖，冷凝器出来的高压制热剂液体，经干燥过滤，再经节流阀（膨胀阀），成为低压制热剂液体，回送到太阳能集热器，形成循环。热能从太阳能集热器低温热源传递到冷凝器成为高温热能以便供暖利用。由于集热器温度降低，因此可以提高集热器的效率，但是，太阳能热泵集热器供暖系统中的压缩机要消耗大量电能。

平板液体集热器的吸热板和玻璃盖板之间无法抽真空，当吸热板吸收太阳能温度上升，吸热板与大气温差增大时，吸热板和玻璃之间的空气形成对流加大，热损增加，液体集热器效率下降，在北方地区冬季，气温较低，其热损耗是真空玻璃管集热器的3～5倍，使得平板液体集热器无法用于严寒和寒冷地区供暖。

由于太阳能具有间歇性、不稳定性，即使在太阳能资源较好的地区，也存在着冬季白天6～8小时太阳能集热时间与建筑24小时恒温供暖需求的匹配问题，因此，太阳能供暖系统必须设置储热设备。太阳能空气集热器供暖系统的储热设备可以是岩石堆积床，太阳能液体集热器供暖系统和太阳能热泵供暖系统的储热设备，可以采用储热水箱。阴雪天气没有太阳能辐射能，满足不了建筑物恒温供暖的要求，必须设置辅助热源解决这一问题。太阳能供暖系统的辅助热源可采用生物质能、燃气、电力、燃油、燃煤锅炉。太阳能提供给建筑物的供暖总热量的百分比，称为太阳能保证率。太阳能保证率大于50%，建筑物供暖热量中，太阳能提供的热量大于辅助热源提供的热量，供暖以太阳能为主。太阳能保证率小于50%，太阳能提供给建筑物供暖的热量要小于辅助热源提供的热量，供暖以辅助热源为主，太阳能为辅，严格意义讲，此种供暖系统应称为太阳能辅助供暖系统。截止2008年4月调研数据的《北京地区太阳能供暖工程现状调研报告》指出：整个采暖季太阳能供暖的平均保证率在20～40%。有专家指出，实际太阳能保证率应该在20～30%。这是不太理想的太阳能保证率，项目住户对太阳能供暖的设计也表示不太满意，到目前，太阳能供暖的诸多技术问题还有待解决。因此，为太阳能供暖的广泛应用，对太阳能供暖的研究，以提高太阳能集热器和供暖保证率是必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种将太阳能空气集热器与太阳能热泵集热器融合在一起、能够解决寒冷地区供暖问题的太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统。

本发明的技术方案如下：

本发明包括空气供暖系统和热泵供暖系统两个部分，组成部件包括外壳、透明盖板、吸热板、保温层、压缩机、蓄热水箱、冷凝器、控制器，透明盖板设置在外壳顶部，保温层设置在外壳内的底部，吸热板设置在外壳内的中间位置，吸热板与透明盖板、保温层之间均保持有间隔，其特征是：在吸热板上以紧密结合的方式附着有承压管，承压管的一个端口通过管路连接压缩机的入口、压缩机的出口连接冷凝器，冷凝器通过节流阀连接承压管的另一个端口，承压管、压缩机、冷凝器、节流阀构成热泵供暖系统，在热泵供暖系统的管路中密封填充有制热剂，冷凝器置于蓄热水箱中，蓄热水箱上设有与散热器连接的管道，且管道上设有循环水泵，在外壳上设有空气流入管和空气流出管，在空气流出管上设有风机，在外壳中，吸热板周围的间隙形成外壳内的空气通道，外壳、透明盖板、吸热板、空气流入管、空气流出管、风机构成空气供暖系统；控制器上设有房间温度设定控制键，风机、压缩机、节流阀、循环水泵的控制线路与控制器联接，控制器采集集热器空气温度、房间气温、蓄热水箱水温、热泵制热剂低压蒸气温度、热泵制热剂低压蒸气压力的信号，风机由控制器根据集热器空气温度、房间气温和房间温度设定值通过计算进行控制；循环水泵由控制器根据房间气温、房间温度设定值、蓄热水箱水温，以及空气供暖系统状况通过计算进行控制；压缩机由控制器根据热泵供暖系统的供暖量进行控制；节流阀由控制器根据热泵制热剂低压蒸气的过热度进行控制。

本发明用同一个平板集热器，让其中的吸热板吸收太阳辐射能，转换为热能，该热能分别传递给空气和热泵制热剂二种不同的传热工质，空气和热泵制热剂在平板集热器中各自走自己的通道，不相融合。空气的通道为吸热板的外部，主要通道有两个：一个是吸热板与下部保温隔热层之间的空间；另一个为吸热板与上部玻璃盖板之间的空间，压力约为大气压。热泵制热剂的通道为承压管内部，承压管附着在吸热板上良好结合，以降低吸热板与承压管之间的热阻，热泵制热剂的压力与其温度相关，压力与温度关系为热泵制热剂饱和温度特性和过热温度特性。经吸热板加热的空气直接供给房间供暖，由于没有加热卵石蓄热器的温升，吸热板温度可以降低到18℃，提高了平板集热器的效率。热泵制热剂在平板集热器中的工作温度控制在20～30℃的范围，使得该平板空气集热器能够在北方寒冷和严寒地区供暖应用。本发明的平板集热器是太阳能空气集热器与太阳能热泵制热剂集热器的复合，空气和热泵制热剂二种不同的传热工质共同用一个平板集热器，也就是共用一个玻璃盖板、一个吸热板、一个保温隔热层和一个外壳，形成一个太阳能空气与热泵制热剂复合集热器。

采用太阳能空气与热泵制热剂复合集热器（下简称集热器）的供暖系统，集热器中的吸热板吸收的太阳辐射能转换为热能，一部分传递给空气，另一部分传递给热泵制热剂。在集热器中太阳辐射能传递给空气的热能，空气温度升高，通过风机，直接供给建筑物采暖，把空气的热能传递给建筑物，空气温度下降，温度下降的空气再回到集热器，形成空气传热工质的循环。在集热器中太阳辐射能传递给热泵制热剂的部分，使热泵制热剂蒸发，热泵制热剂在集热器中发生相变，从集热器出来的热泵制热剂蒸气经压缩机压缩，变为高压高温蒸气，然后送到冷凝器，冷凝器置于蓄热水箱中，冷凝器中的热泵制热剂蒸气与蓄热水箱中的水进行热交换，把热能传递给水，热泵制热剂蒸气在冷凝器中凝结为液体，发生相变，相变热能传递给储热水箱中的水，水吸收热能后，水温升高。蓄热水箱的热水经循环水泵送给地板辐射供暖盘管或采暖散热器，热能传递到房间，回水回到蓄热水箱，形成水循环。

太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统的控制系统是关键部件之一，控制系统要控制集热器吸热板热能分配给空气供暖和热泵供暖的量，控制室内温度恒定，控制整个供暖系统的温度、压力、流量在额定范围之内。

集热器吸热板热能分配给空气供暖和热泵供暖量的控制，按照消耗电能最小原则和传热路径最短原则。相同供暖量，空气供暖风机消耗的电能远小于热泵供暖消耗的电能，这可以从下面几个方面论证：首先，空气供暖集热器输出加热的空气可以在18～29℃就能满足供暖，而热泵供暖，热泵出口蒸气温度需达到40～80℃，热泵供暖热能品位要高于空气供暖品位，热泵供暖要比空气供暖要更大的外力或消耗更多的电能；其次，空气供暖虽然空气量较大，但风压非常小，风机容量与空气量和风压乘积成正比，风机容量小，而热泵供暖，压缩机出口压力要达到几十个大气压，这使得相同供暖量热泵供暖压缩机容量要远大于空气供暖风机容量，热泵供暖比空气供暖消耗更多的电能；再就是空气供暖集热器加热的空气直接用于采暖，热泵供暖路径更长，需要循环水泵，这增加了热泵供暖消耗的电能。相同供暖量，空气供暖消耗的电能远小于热泵供暖耗电。白天有太阳辐射能时，控制系统控制优先空气供暖。当太阳辐射能较多时，空气供暖能够满足建筑物热量需求，并且有富余，多出的太阳辐射能通过热泵，传递给蓄热水箱存贮，此时控制循环水泵停机，控制蓄热水箱的热能不供暖。当太阳能辐射能较弱，全部的太阳辐射能，通过空气供暖系统供暖，此时，控制热泵供暖系统压缩机停机，由于太阳辐射能弱，空气供暖系统不能满足建筑物热量需求，控制热泵供暖系统循环水泵启动，用蓄热水箱的热能补充建筑物热量需求。当阴雪天气和夜晚没有太阳辐射能时，控制空气供暖系统风机和热泵供暖系统压缩机全部停机，控制循环水泵启动，用蓄热水箱存贮的热能满足建筑物采暖热量需求。空气供暖成本低廉，是白天有阳光时的供暖主力，可以降低热泵供暖的容量，运行电费低，因此，太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统，具有初建投资低，集热器效率高，运行成本低的特点，有利于太阳能供暖的广泛应用，减少排放量。

当集热器采光面积足够大时，太阳辐射能较强，通过空气供暖系统完全满足建筑物采暖热量需求，多余的太阳辐射能通过热泵传递到蓄热水箱存贮，蓄热水箱存贮的热量完全可是提供早晚太阳辐射能较弱时建筑物太阳能采暖热量不足部分和夜间建筑物采暖热量的需求，控制系统不启动辅助热源，如果不考虑压缩机、风机、水泵消耗的电能，此时的太阳能保证率为100%。控制系统只在阴雪天气启动辅助热源，太阳能平均保证率要小于100%。当集热器采光面积进一步扩大，可以通过热泵把更多的太阳辐射能存贮在蓄热水箱，可以保证1、2、3……天阴雪天气的建筑物供暖，控制系统无需启动辅助热源，可以进一步提高太阳能采暖期平均保证率，但这需要很大的集热器采光面积和很大蓄热水量。当蓄热量非常大时，可以实现跨季贮能，控制系统控制把夏季和春秋季的太阳能通过热泵供暖系统，把太阳能转换的热能在蓄热水箱存贮起来，以备冬季采暖，此时系统可以减少集热器采光面积。

太阳能空气与热泵制热剂复合集热器透明盖板采用钢化玻璃，耐撞击性能好，耐候性强，安全运行系数高，结构平整、美观、大方，再利用集热器平整的保温及外壳，把太阳能空气与热泵制热剂复合集热器作为建筑物房顶，该集热器具有建筑房顶的排雨、防漏、保温、密闭的功能，与建筑物结合成为一个整体，外观大方，有利于降低太阳能供暖建筑物整体投资。

本发明的优点是：将太阳能空气集热器与太阳能热泵集热器融合在一起，并进行合理控制，初建投资低，集热器效率高，运行成本低，能够解决寒冷地区供暖问题，建在建筑房顶上，能够与建筑物结合成为一个整体，有效起到了排雨、防漏、保温的作用。

附图说明

图1为太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统的结构示意图；

图2为太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统的控制系统示意图。

具体实施方式

参照附图1，太阳辐射能穿过透明盖板1投射在附着承压管的吸热板2上后转换为热能，该热能分别传递给空气和热泵制热剂二种传热工质，二种工质在集热器中各自走自己的通道，不相混合。空气传热工质通道为附着承压管的吸热板2的下层、上层空间，热泵制热剂工质通道为承压管内，承压管附着在吸热板上，承压管与吸热板紧密结合以减少热阻。附着承压管的吸热板2下层设有保温层3，透明盖板1可以用钢化玻璃。太阳能空气与热泵制热剂复合集热器由透明盖板1、附着承压管的吸热板2、保温层3和外壳4组成，该集热器可以把太阳辐射能转换为热能并分别传递给空气和热泵制热剂二种传热工质。该集热器把房间的冷空气5加热为热空气6输出给房间10，同时，该集热器可以把热泵制热剂低压液体7相变为热泵制热剂低压蒸气8，这个过程由集热器通过吸收太阳辐射能完成。

太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统包括空气供暖和热泵供暖。经集热器加热的热空气6通过风机9送到房间10，热空气6热能传递到房间10后变为冷空气5，冷空气5送回集热器，形成空气循环，空气传热工质把太阳辐射能转换的热能传递给房间10，完成空气供暖。太阳辐射能通过集热器转换为热能并部分传递给热泵制热剂传热工质，热泵制热剂在集热器中吸收热能后发生相变，成为热泵制热剂低压蒸气8，从集热器输出到压缩机11，压缩成为热泵制热剂高温高压蒸气12，送到冷凝器13，冷凝为热泵制热剂高压液体14并把热能传递给蓄热水箱15的水中，使水温升高，热泵制热剂高压液体14经节流阀16变为热泵制热剂低压液体7，热泵制热剂低压液体回流到集热器，形成热泵制热剂循环，热泵制热剂工质把集热器吸收太阳辐射能后转换的热能传递给蓄热水箱15的水中，热水17从蓄热水箱15流出供到散热器18，热水17的热能经散热器18传递给房间10后变为冷水19，冷水19经循环水泵20送到蓄热水箱15，形成水循环，完成热泵供暖。

参见附图1、2，太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统的控制系统由控制器21、输入信号及执行部件组成，输入信号有集热器空气温度22、房间气温23、房间温度设定值24、蓄热水箱水温25、热泵制热剂低压蒸气温度26、热泵制热剂低压蒸气压力27，执行部件由控制器21输出控制，执行部件有风机9、压缩机11、节流阀16、循环水泵20，风机9、压缩机11及循环水泵20可以由变频器驱动。

风机9由控制器21根据集热器空气温度22、房间气温23和房间温度设定值24控制，当房间气温23低于房间温度设定值24并且集热器空气温度22高于房间气温23时，风机9启动。当集热器空气温度22低于房间气温23时，风机9停机。当集热器空气温度22和房间气温23同时高于房间温度设定值24时，风机9停机。

循环水泵20由控制器21根据房间气温23、房间温度设定值24、蓄热水箱水温25及以空气供暖系统状况控制。白天在空气供暖富余的情况下不启动循环水泵20。夜间、阴雪天气和早晚太阳辐射能不足、蓄热水箱水温25高于房间气温23，并且当房间气温23低于房间温度设定值24时，启动循环泵20。当房间气温23高于房间温度设定值24时控制循环泵20停机。

压缩机11由控制器21根据空气供暖系统的供暖富余量控制。空气供暖有富余时，启动压缩机11。空气供暖没有富余时，压缩机11停机。夜间或没有太阳辐射能时，压缩机11停机。

节流阀16由热泵制热剂低压蒸气8的过热度控制。热泵制热剂低压蒸气过热度为热泵制热剂低压蒸气温度26和热泵制热剂低压蒸气压力27决定的饱和温度之差。过热度越大节流阀16开度越大，使更多的热泵制热剂液体供给到热泵蒸发器（集热器）。过热度越小节流阀16开度越小。

Claims (1)

1.一种太阳能空气与热泵制热剂复合集热器供暖系统，包括空气供暖系统和热泵供暖系统两个部分，组成部件包括外壳、透明盖板、吸热板、保温层、压缩机、蓄热水箱、冷凝器、控制器，透明盖板设置在外壳顶部，保温层设置在外壳内的底部，吸热板设置在外壳内的中间位置，吸热板与透明盖板、保温层之间均保持有间隔，其特征是：在吸热板上以紧密结合的方式附着有承压管，承压管的一个端口通过管路连接压缩机的入口、压缩机的出口连接冷凝器，冷凝器通过节流阀连接承压管的另一个端口，承压管、压缩机、冷凝器、节流阀构成热泵供暖系统，在热泵供暖系统的管路中密封填充有制热剂，冷凝器置于蓄热水箱中，蓄热水箱上设有与散热器连接的管道，且管道上设有循环水泵，在外壳上设有空气流入管和空气流出管，在空气流出管上设有风机，在外壳中，吸热板周围的间隙形成外壳内的空气通道，外壳、透明盖板、吸热板、空气流入管、空气流出管、风机构成空气供暖系统；控制器上设有房间温度设定控制键，风机、压缩机、节流阀、循环水泵的控制线路与控制器联接，控制器采集集热器空气温度、房间气温、蓄热水箱水温、热泵制热剂低压蒸气温度、热泵制热剂低压蒸气压力的信号，风机由控制器根据集热器空气温度、房间气温和房间温度设定值通过计算进行控制；循环水泵由控制器根据房间气温、房间温度设定值、蓄热水箱水温，以及空气供暖系统状况通过计算进行控制；压缩机由控制器根据热泵供暖系统的供暖量进行控制；节流阀由控制器根据热泵制热剂低压蒸气的过热度进行控制。