CN106440352A - 一种太阳能热泵热水系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能热泵热水系统及方法，包括太阳能蓄热蒸发器、压缩机、冷凝换热器、节流膨胀阀、蓄热水箱、水泵、旁路进口阀门、主水路进口阀、主水路出口阀、旁路出口阀、旁路管、主水管，太阳能蓄热蒸发器包括吸热涂层、吸热板、工质管道、蓄热层、热水管道、密封板。本发明采用太阳能集热器直接作为蒸发器，提高了蒸发器的换热温度，避免了蒸发器结霜结冻问题，而且本发明通过采用蓄热结合很好的解决了太阳能的合理持续利用，采用旁路系统方法很好的解决了夏季蒸发器温度过高导致压力超载的问题，具有很好的应有前景。

Description

一种太阳能热泵热水系统及方法
技术领域
本发明涉及太阳能热泵技术，尤其涉及一种太阳能热泵热水系统及方法。
背景技术
热泵作为一种高效节能设备，其主要通过利用部分低温热源(如空气源、地热源、水源等)，再通过做功实现高能效，具有广阔的发展前景。热泵的形式和分类很多，根据热源的不同，类型的不同具有不同的分类。
其中，对于空气源热泵而言，其关键问题之一就是低温环境下的COP较低和结霜结冻问题。为了解决结霜结冻问题，中国专利ZL 200910155863.5提出了一种自然通风盐水冷却塔方法解决冷却塔结霜结冻问题，并利用该技术原理，应用于诸如中国专利ZL201110119871.1的热泵系统中通过利用低凝固点盐水工质二次换热解决结霜结冻问题。需要指出的是，现有技术仅解决了冷却塔的结霜结冻问题，而且，对于小型系统而言，自然循环无法采用，必须采用强制循环，从而增加功耗。而且，现有空气源热泵系统多数都是采用强制风机循环，一方面风冷换热面积大导致主机笨重，另一方面，功耗大也大。因此，如何在解决蒸发器侧冬季结霜问题的同时，进一步减小换热功耗以及简化蒸发器换热结构，成为热泵发展的方向之一。
太阳能作为丰富的可再生能源，与热泵结合具有很好的应用前景。然而，现有的太阳能热泵主要采用的是太阳能热水+热泵热水并联的形式，达到了利用太阳能的目的，从而提高系统整体的能效。但是，太阳能技术的应用并没有根本上解决热泵系统自身存在的问题。而且，太阳能的应用收到天气的制约，如何提高太阳能利用的平稳性也是太阳能热泵发展面临的困难。
总之，如何利用太阳能技术解决传统空气源热泵的冬季结霜问题以及提高热泵系统的能效，简化系统结构是太阳能热泵发展的重要方向。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种太阳能热泵热水系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种太阳能热泵热水系统，包括太阳能蓄热蒸发器、压缩机、冷凝换热器、节流膨胀阀、蓄热水箱、水泵、旁路进口阀门、主水路进口阀、主水路出口阀、旁路出口阀、旁路管、主水管；太阳能蓄热蒸发器与压缩机、冷凝换热器、节流膨胀阀顺次连接构成热泵循环回路，水泵与冷凝换热器和蓄热水箱之间通过主水管顺次串联连接构成热泵热水主换热通路，旁路管分别与主水管的进出口以及太阳能蓄热蒸发器串联连接构成热水换热旁路，旁路管的进出口分别安装有路进口阀门、旁路出口阀，主水管的进出口与冷凝换热器之间分别安装有主水路进口阀、主水路出口阀；
太阳能蓄热蒸发器包括吸热涂层、吸热板、工质管道、蓄热层、热水管道、密封板；吸热板外表面镀有吸热涂层，吸热板内部设有工质管道，工质管道的进出口分别与节流膨胀阀和压缩机相连；密封板与吸热板设有蓄热层，蓄热层内安装有热水管道，热水管道的进出口分别与旁路管相连，蓄热层与吸热板之间通过密封板密封。
所述的蓄热层内的蓄热材料为熔点在50～80℃的所有常见蓄热相变材料，包括石蜡、脂酸类材料。
所述的工质管道上安装有压力传感器。
一种所述太阳能热泵热水系统方法：太阳能蓄热蒸发器的吸热涂层吸收太阳光加热吸热板，当太阳能蓄热蒸发器的加热板吸热功率高于蒸发器换热功率时，吸热板将热量一部分用于加热工质管道内的工质，一部分通过蓄热层的蓄热材料融化吸热储存，保证太阳能蓄热蒸发器的温度不高于阀值；工质通过在太阳能蓄热蒸发器的工质管道相变蒸发吸热，并通过压缩机升压后在冷凝换热器中冷凝换热加热热泵热水主换热通路中的水，最后经节流膨胀阀减压后开始新的循环；当太阳能蓄热蒸发器的加热板吸热功率低于蒸发器换热功率时，蓄热层的蓄热材料通过凝固放热，保证太阳能蓄热蒸发器的蒸发温度保持平稳，以保证热泵系统COP。当太阳能蓄热蒸发器的加热板吸热功率高于蒸发器换热功率，且蓄热层的蓄热材料已经完全融化时，蓄热达到极限，压力传感器达到临界值，通过开启旁路进口阀门、旁路出口阀，通过旁路系统将补水送入热水管道进行换热，进而增加太阳能蓄热蒸发器的换热功率，降低太阳能蓄热蒸发器的温度，进而保证太阳能蓄热蒸发器工质管道内的压力安全。
与现有技术相比，本发明的主要优点在于：
(1)本发明直接采用太阳能蓄热蒸发器使得蒸发器的温度相对较高，一方面提高了热泵的能效比，另一方面有效避免了冬季低温条件下的蒸发器结霜问题。
(2)本发明采用在太阳能蓄热蒸发器中通过蓄热层，通过蓄、放热过程，一方面保证太阳充足是富余能量的储存，避免由于加热板温度过高导致热泵系统回路压力超过工作极限；另一方面保证太阳不足或加热板吸热不足时，减缓蒸发器温度降低速率，保证COP平稳性，也避免了冬季低温条件下的结霜问题。
(3)本发明通过设计旁路系统，解决了蓄热达到极限时避免热泵系统回路压力超过工作极限的问题，提高了系统工作的稳定性。
附图说明
图1是太阳能热泵热水系统示意图；
图2太阳能蓄热蒸发器截面示意图；
图中：太阳能蓄热蒸发器1、压缩机2、冷凝换热器3、节流膨胀阀4、蓄热水箱5、水泵6、旁路进口阀门7、主水路进口阀8、主水路出口阀9、旁路出口阀10、旁路管11、主水管12、吸热涂层13、吸热板14、工质管道15、蓄热层16、热水管道17、密封板18、压力传感器19；
具体实施方式
如图1所示，一种太阳能热泵热水系统，包括太阳能蓄热蒸发器1、压缩机2、冷凝换热器3、节流膨胀阀4、蓄热水箱5、水泵6、旁路进口阀门7、主水路进口阀8、主水路出口阀9、旁路出口阀10、旁路管11、主水管12；太阳能蓄热蒸发器1与压缩机2、冷凝换热器3、节流膨胀阀4顺次连接构成热泵循环回路，水泵6与冷凝换热器3和蓄热水箱5之间通过主水管12顺次串联连接构成热泵热水主换热通路，旁路管11分别与主水管12的进出口以及太阳能蓄热蒸发器1串联连接构成热水换热旁路，旁路管11的进出口分别安装有路进口阀门7、旁路出口阀10，主水管12的进出口与冷凝换热器3之间分别安装有主水路进口阀8、主水路出口阀9；
太阳能蓄热蒸发器1包括吸热涂层13、吸热板14、工质管道15、蓄热层16、热水管道17、密封板18；吸热板14外表面镀有吸热涂层13，吸热板14内部设有工质管道15，工质管道15的进出口分别与节流膨胀阀4和压缩机2相连；密封板18与吸热板14设有蓄热层16，蓄热层16内安装有热水管道17，热水管道17的进出口分别与旁路管11相连，蓄热层16与吸热板14之间通过密封板18密封。
所述的蓄热层16内的蓄热材料为熔点在50～80℃的所有常见蓄热相变材料，包括石蜡、脂酸类材料。
所述的工质管道15上安装有压力传感器19。
一种所述太阳能热泵热水系统方法：太阳能蓄热蒸发器1的吸热涂层13吸收太阳光加热吸热板14，当太阳能蓄热蒸发器1的加热板14吸热功率高于蒸发器换热功率时，吸热板将热量一部分用于加热工质管道15内的工质，一部分通过蓄热层16的蓄热材料融化吸热储存，保证太阳能蓄热蒸发器1的温度不高于阀值；工质通过在太阳能蓄热蒸发器1的工质管道15相变蒸发吸热，并通过压缩机2升压后在冷凝换热器3中冷凝换热加热热泵热水主换热通路中的水，最后经节流膨胀阀4减压后开始新的循环；当太阳能蓄热蒸发器1的加热板14吸热功率低于蒸发器换热功率时，蓄热层16的蓄热材料通过凝固放热，保证太阳能蓄热蒸发器1的蒸发温度保持平稳，以保证热泵系统COP。当太阳能蓄热蒸发器1的加热板14吸热功率高于蒸发器换热功率，且蓄热层16的蓄热材料已经完全融化时，蓄热达到极限，压力传感器19达到临界值，通过开启旁路进口阀门7、旁路出口阀10，通过旁路系统将补水送入热水管道17进行换热，进而增加太阳能蓄热蒸发器1的换热功率，降低太阳能蓄热蒸发器1的温度，进而保证太阳能蓄热蒸发器1工质管道15内的压力安全。
太阳能热泵热水系统的工作过程如下：
一般工况下，制冷剂工质在太阳能蓄热蒸发器1的工质管道15内加热蒸发，在经过压缩机2做功升压升温后，进入冷凝换热器3中冷凝换热，将热量传递给由水泵6输送的补水进行加热升温成生活热水，并流入蓄热水箱5最终到热用户；冷凝后的液态制冷剂经节流膨胀阀4减压后再进入太阳能蓄热蒸发器1完成一个闭合循环。
当有太阳光照射时，太阳能蓄热蒸发器1的吸热涂层13吸收太阳光加热吸热板14，加热升温的加热板14一方面将热量传递给蓄热层16的相变材料吸热融化蓄热，一方面加热工质管道15内的工质蒸发，当吸热板14的净吸热功率大于蒸发器换热功率时，吸热板14与工质管道15以及蓄热层16之间耦合换热的结果为一部分热量保证了工质管道15内制冷剂的蒸发换热，另一部分热量则加热蓄热层16内的蓄热材料融化吸热储存，以保证太阳能蓄热蒸发器1的温度不会持续上升进而高于阀值。
当在太阳能光照不足的阴天或者夜间以及空气温度环境温度较低的冬季时，太阳能蓄热蒸发器1的加热板14的净吸热功率低于蒸发器换热功率时，蓄热层16的蓄热材料通过凝固放热，保证太阳能蓄热蒸发器1的蒸发温度保持平稳。
当太阳辐照强烈环境温度较高时，尤其是夏季晴天正午工况，太阳能蓄热蒸发器1加热板14吸热功率高于蒸发器换热功率，且蓄热层16的已经完全融化时，蓄热达到极限，此时，太阳能蓄热蒸发器1的温度会持续上升，工质管道内的工质的压力会因为加热量增大而导致压力上升，压力传感器19达到临界值，此时，当热泵循环不在工作则关闭主水路进口阀8、主水路出口阀9，开启旁路进口阀门7、旁路出口阀10，补水通过水泵6经过旁路系统直接进入太阳能蓄热蒸发器1的热水管道17进行换热降低太阳能蓄热蒸发器1的温度；当热泵循环在正常工作，则直接开启旁路进口阀门7、旁路出口阀10，同时增加循环水量，通过热水工质管道15和热水管道17内的并联换热，降低太阳能蓄热蒸发器1的温度，保证工质管道15不会因为压力过高导致泄漏保管。
本发明采用太阳能集热器直接作为蒸发器，提高了蒸发器的换热温度，避免了蒸发器结霜结冻温度，而且本发明通过采用蓄热结合很好的解决了太阳能的合理持续利用，采用旁路系统方法很好的解决了夏季蒸发器温度过高导致压力超载的问题，具有很好的应有前景。

Claims (4)

1.一种太阳能热泵热水系统，其特征在于包括太阳能蓄热蒸发器(1)、压缩机(2)、冷凝换热器(3)、节流膨胀阀(4)、蓄热水箱(5)、水泵(6)、旁路进口阀门(7)、主水路进口阀(8)、主水路出口阀(9)、旁路出口阀(10)、旁路管(11)、主水管(12)；太阳能蓄热蒸发器(1)与压缩机(2)、冷凝换热器(3)、节流膨胀阀(4)顺次连接构成热泵循环回路，水泵(6)与冷凝换热器(3)和蓄热水箱(5)之间通过主水管(12)顺次串联连接构成热泵热水主换热通路，旁路管(11)分别与主水管(12)的进出口以及太阳能蓄热蒸发器(1)串联连接构成热水换热旁路，旁路管(11)的进出口分别安装有路进口阀门(7)、旁路出口阀(10)，主水管(12)的进出口与冷凝换热器(3)之间分别安装有主水路进口阀(8)、主水路出口阀(9)；
太阳能蓄热蒸发器(1)包括吸热涂层(13)、吸热板(14)、工质管道(15)、蓄热层(16)、热水管道(17)、密封板(18)；吸热板(14)外表面镀有吸热涂层(13)，吸热板(14)内部设有工质管道(15)，工质管道(15)的进出口分别与节流膨胀阀(4)和压缩机(2)相连；密封板(18)与吸热板(14)设有蓄热层(16)，蓄热层(16)内安装有热水管道(17)，热水管道(17)的进出口分别与旁路管(11)相连，蓄热层(16)与吸热板(14)之间通过密封板(18)密封。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能热泵热水系统，其特征在于所述的蓄热层(16)内的蓄热材料为熔点在50～80℃的所有常见蓄热相变材料，包括石蜡、脂酸类材料。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能热泵热水系统，其特征在于所述的工质管道(15)上安装有压力传感器(19)。
4.一种使用如权利要求1所述太阳能热泵热水系统方法，其特征在于：太阳能蓄热蒸发器(1)的吸热涂层(13)吸收太阳光加热吸热板(14)，当太阳能蓄热蒸发器(1)的加热板(14)吸热功率高于蒸发器换热功率时，吸热板将热量一部分用于加热工质管道(15)内的工质，一部分通过蓄热层(16)的蓄热材料融化吸热储存，保证太阳能蓄热蒸发器(1)的温度不高于阀值；工质通过在太阳能蓄热蒸发器(1)的工质管道(15)相变蒸发吸热，并通过压缩机(2)升压后在冷凝换热器(3)中冷凝换热加热热泵热水主换热通路中的水，最后经节流膨胀阀(4)减压后开始新的循环；当太阳能蓄热蒸发器(1)的加热板(14)吸热功率低于蒸发器换热功率时，蓄热层(16)的蓄热材料通过凝固放热，保证太阳能蓄热蒸发器(1)的蒸发温度保持平稳，以保证热泵系统COP；当太阳能蓄热蒸发器(1)的加热板(14)吸热功率高于蒸发器换热功率，且蓄热层(16)的蓄热材料已经完全融化时，蓄热达到极限，压力传感器(19)达到临界值，通过开启旁路进口阀门(7)、旁路出口阀(10)，通过旁路系统将补水送入热水管道(17)进行换热，进而增加太阳能蓄热蒸发器(1)的换热功率，降低太阳能蓄热蒸发器(1)的温度，进而保证太阳能蓄热蒸发器(1)工质管道(15)内的压力安全。
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