CN106766358A - 一种太阳能冰源热泵供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热泵供热技术领域，公开了一种太阳能冰源热泵供热系统，包括供热单元、制冰单元和融冰单元；供热单元包括通过管路顺次连接以形成闭合回路的：压缩机、冷凝器、膨胀阀、过冷却器的第一流道；制冰单元包括通过管路顺次连接以形成闭合回路的：蓄冰槽、第一水泵、过冷却器的第二流道，以及用于解除过冷的超声波发生器；融冰单元包括太阳能集热器和第二水泵；通过这三个单元实现了将太阳能转换为室内空气内能的目的。本发明提供的太阳能冰源热泵供热系统，通过采用制冷剂与冷水直接换热的方式制造过冷水，换热效率高，设备初投资少，供热效率高，成本低，且环保无污染。供热过程中，不易受外界环境温度影响。

Description

一种太阳能冰源热泵供热系统

技术领域

本发明涉及热泵供热技术领域，特别是涉及一种太阳能冰源热泵供热系统。

背景技术

北方地区冬季非常寒冷，需要供暖装置提升室内温度，传统的供暖设备大都采用燃煤供暖，这样不仅会对矿物资源造成很大的浪费，而且会造成空气污染，因此，环保节能的热泵供热技术应运而生。“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低位热能，经过电能做功，提供可被人们所用的高位热能的装置。

现有技术中家用的热泵供暖设备通常为空气源热泵和地源热泵。空气源热泵以无处不在的空气中的能量作为主要动力，通过少量电能驱动压缩机运转，实现能量的转移，无需复杂的配置、昂贵的取水、回灌或者土壤换热系统和专用机房，能够逐步减少传统采暖给大气环境带来的大量污染物排放，保证采暖功效的同时实现节能环保的目的有着使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干净等多重优势。地下土壤中蕴含着丰富的温度资源，夏季地下土壤的温度低于地上空间的温度，冬季地下土壤的温度高于地上空间的温度。地温热泵供暖技术就是利用这种季节性温度差，通过专门装置在冬季将地下土壤的高温资源转提取上来，并通过地上室内采暖末端，为室内供暖。地源热泵供暖不仅采暖范围大，而且节能、环保、可再生、寿命长。

但是空气源热泵和地源热泵均存在一些缺陷，空气源热泵在冬季室外温度低的情况下，供热效率会大幅度降低。地源热泵供暖需要设置大量的基础设施，且在温度低的时候换热效率低，受室外温度影响较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种太阳能冰源热泵供热系统，以解决现有技术中热泵供热效率降低的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能冰源热泵供热系统，包括供热单元、制冰单元和融冰单元；

所述供热单元包括通过管路顺次连接以形成闭合回路的：压缩机、冷凝器、膨胀阀、过冷却器的第一流道，所述供热单元的管路中通有制冷剂；

所述制冰单元包括通过管路顺次连接以形成闭合回路的：蓄冰槽、第一水泵、过冷却器的第二流道；所述制冰单元的管路内通有冷水；用于解除过冷的超声波发生器设置在所述蓄冰槽内，或设置在第二流道的出口与所述蓄冰槽的入口之间；

所述融冰单元包括太阳能集热器和第二水泵；所述第二水泵将所述蓄冰槽中的水泵至所述太阳能集热器加热，加热后的水通过集热器回水管返回至所述蓄冰槽；

所述过冷却器的第一流道和第二流道进行热交换，产生过冷水。

其中，所述第一水泵与所述第二流道的入口之间设有冰晶过滤器。

其中，所述制冰单元中设有用于调节水的流量的流量调节阀。

其中，所述第二流道的出水管路延伸至所述蓄冰槽内以形成出冰管路，所述出冰管路的末端向上折弯。

其中，在所述蓄冰槽内，所述出冰管路的末端分为多条支路。

其中，在所述蓄冰槽内，所述集热器回水管的末端分为多条支路。

(三)有益效果

本发明提供的太阳能冰源热泵供热系统，通过采用制冷剂与冷水直接换热的方式制造过冷水，换热效率高，设备初投资少。通过将过冷水制冰与太阳能化冰的过程相结合，将太阳能高效率地转换为室内空气的热能，提升室内温度，可以应用在北方冬季集中供暖设备中，供热效率高，成本低，且利用的是清洁能源，环保无污染。供热过程中，不易受外界环境温度影响，只要有太阳即可实现化冰过程，大大提高了供热系统的供热效率。

附图说明

图1为本发明实施例中太阳能冰源热泵供热系统示意图；

图2为图1中的蓄冰槽结构示意图；

图中，1、压缩机1；2、冷凝器；3、膨胀阀；4、过冷却器；5、流量调节阀；6、电磁流量计；7、冰晶过滤器；8、第一水泵；9、蓄冰槽；10、超声波发生器；11、第二水泵；12、太阳能集热器；13、电磁阀；14、出冰管路；15、集热器回水管；16、回水汇流排；17、出冰汇流排；18、冰水混合液18。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例中太阳能冰源热泵供热系统示意图；图2为图1中的蓄冰槽结构示意图。

如图1所示，本实施例提供一种太阳能冰源热泵供热系统，包括供热单元、制冰单元和融冰单元。

供热单元包括通过管路顺次连接以形成闭合回路的：压缩机1、冷凝器2、膨胀阀3、过冷却器4的第一流道，供热单元的管路中通有制冷剂。

供热单元是利用制冷剂汽化时吸热、冷凝时放热的效应来实现制冷的。当制冷剂处在密闭容器中时，此容器中除了制冷剂及制冷剂本身所产生的蒸汽外，不存在其他任何气体。制冷剂和制冷剂蒸汽将在某一压力下达到平衡，此时的气体称为饱和蒸汽，压力称为饱和压力，温度称为饱和温度。达到平衡时制冷剂不再汽化，此时如果将一部分蒸汽从容器中抽走，液体制冷剂必然要继续汽化产生一部分蒸汽来维持这一平衡。液体制冷剂汽化时要吸收热量，此热量称为汽化潜热。汽化潜热来自被冷却的对象，使被冷却对象温度降低。为了使这一过程连续进行，就必须从容器中不断地抽走蒸汽，当蒸汽凝结成液态后再回到容器中去，如此循环即可不断吸取被冷却物质的热量，形成制冷循环。

本实施例中的压缩机1将输入的制冷剂压缩后，形成高温高压的过热蒸汽。压缩机1与冷凝器2之间通过铜管连接，过热蒸汽沿铜管形成的管路输送至冷凝器2。冷凝器属于换热器的一种，能将内部管子中的高温物质的热量以很快的方式传到管子附近的空气中。冷凝器2放置在室内，冷凝器2中设置有风机，在风机的作用下，室内空气不断流通，不断与管子中的制冷剂进行热交换，冷凝器2工作过程是个放热的过程，工作过程会提升室内的温度，实现室内制热的效果。高温高压的蒸汽通过冷凝器2后，热量传递给环境中的空气，温度降低，形成中温高压的液态制冷剂，输出至膨胀阀3。中温高压的液态制冷剂通过膨胀阀3的节流变为低温低压的汽液混合态的制冷剂，输出至过冷却器4的第一流道，在第一流道内的汽液混合态制冷剂与第二流道内的冷水进行换热后，变为低温低压的气态制冷剂，再被压缩机1吸入后压缩，变为高温高压的蒸汽，完成一个循环。整个循环过程中，制冷剂不与外界的空气接触。

制冰单元包括通过管路顺次连接以形成闭合回路的：蓄冰槽9、第一水泵8、过冷却器4的第二流道。制冰单元的管路内通有冷水；用于解除过冷的超声波发生器10设置在蓄冰槽9内，或设置在第二流道的出口与蓄冰槽9的入口之间。

制冰单元的原理是通过制造过冷水，再通过解过冷操作，使得过冷水产生晶核，进而凝结为冰晶，生成冰浆，即流态冰。过冷水是在0℃以下仍然保持液态的冷水，因为水中缺少凝结核，液态水即使处于0℃以下，依然没办法凝结形成冰。过冷水是不稳定的，只要水体中产生少许该物质的晶核，便能诱发过冷水结晶，并使其温度回升到凝固点，即过冷水通常处在亚稳态，在微小扰动下就会很快转变为稳定状态。

本发明中的制冰单元即利用解除过冷水的亚稳态制冰。蓄冰槽9中储存的是冰水混合物，既有由过冷水制得的冰晶，也有未结冰的0℃水。第一水泵8将蓄冰槽9中的水泵出后，通过管路输送至过冷却器4的第二流道，第一流道中流通的是低温低压的汽液混合态制冷剂，此时制冷剂吸收第二流道中0℃水的热量，使第二流道中冷水的温度继续降低，此时由于0℃水中不含任何杂质和冰晶，虽然水的温度降低，但不会凝结出冰晶，进而产生过冷水。过冷水由第二流道输出至蓄冰槽9中。过冷水从第二流道的输出口进入蓄冰槽9之前，需要通过冷却解除器进行解过冷操作，即破坏过冷水的亚稳态。例如，过冷却解除器可以采用超声波发生器10，可以是能产生高速气流的装置，或者能在过冷水流动过程中产生扰动的装置。本实施例中采用超声波发生器10，且设置在蓄冰槽9槽底。超声波发生器10产生的超声波使过冷水振动产生晶核，进而使过冷水凝结生成冰浆并送入蓄冰槽9中。或者，超声波发生器10也可设置在蓄冰槽9的内部，对处于蓄冰槽9中的过冷水进行解过冷。制冰单元的管路内流通冷水，冷水流通过程中会有多种状态，先变为过冷水，过冷水解过冷后变为冰浆进入蓄冰槽9，在蓄冰槽9中冰水分离，冰通常飘在水面上层或悬浮在上层，在蓄冰槽9底部基本不含冰晶。第一水泵8从蓄冰槽9底部将分离后的水泵至第二流道，完成一次过冷水的制取流程。如此多次循环使蓄冰槽9中的冰得到积累，进而储存大量的冷能。过冷却器4的第一流道和第二流道进行热交换的过程中，即产生过冷水。

融冰单元包括太阳能集热器12、第二水泵11。第二水泵11将蓄冰槽9中的水泵至太阳能集热器12加热，太阳能集热器12采用真空管式。加热后的水返回至蓄冰槽9，由于此时的回水温度高于0℃，回水放热，冰吸热融化，进而将吸收的太阳能通过融冰过程存储下来，再通过制冰循环中进行的制冷剂与过冷水的热交换，最终实现将收集的太阳能转移至室内空气中，实现室内制热的目的。白天的时候太阳能集热器12吸热加热集热器内的水，加热后的水并不需要很高的温度，通常10℃以下即可，这样即使外界环境温度较低时，也能保持较高的集热效率。夜晚没有太阳光的时候，制冰单元仍然可以继续工作为室内供热，这样即可将太阳能持续不断地转换为热能，为室内环境供热。

本发明提供的太阳能冰源热泵供热系统，通过采用制冷剂与冷水直接换热的方式制造过冷水，换热效率高，设备初投资少。通过将过冷水制冰与太阳能化冰的过程相结合，将太阳能高效率地转换为室内的热能，提升室内温度，可以应用在北方冬季集中供暖设备中，供热效率高，成本低，且利用的是清洁能源，环保无污染。供热过程中，不易受外界环境温度影响，只要有太阳即可实现化冰过程，大大提高了供热系统的供热效率。

在上述实施例的基础上，第一水泵8与第二流道的入口之间设有冰晶过滤器7。冰晶过滤器7通常与第一水泵8的出口处相连，用来过滤冷水中小冰晶，使得进入第二流道的冷水中不含晶核，进而保证过冷水的正常产生。第一水泵8需要将蓄冰槽9中的冷水泵至第二流道中，而蓄冰槽9中通常是冰水混合物，当冰量较多时，会在蓄冰槽9的底层中也存在少量的小冰晶，在泵的吸力作用下，很容易进入第二流道中，这样在第二流道中就容易产生冰堵现象，而设置冰晶过滤器7对进入第二流道的冷水进行过滤，即减小了冰堵发生的几率，提高制冰效率。

在上述实施例的基础上，制冰单元中设有用于调节过冷水流量的流量调节阀5。例如，制冰期间，环境温度的变化会影响制冷单元输出的冷量，冷量的变化会影响过冷水的过冷度，通过设置流量调节阀5来对过冷水的流量进行调节。流量调节阀5设置在冷水进入第二流道之前的管路中，流量调节阀5可以采用电动比例调节阀，通过调节电动比例调节阀的开度来调节进入第二流道的冷水的流量，用来保证产生的过冷水维持合适的过冷度，进而能稳定产生冰浆。还可以在制冰单元的管路中设置电磁流量计6，用来实时监测通过的冷水的流量，方便控制。

在上述实施例的基础上，第二流道的出水管路延伸至蓄冰槽9内以形成出冰管路14，出冰管路14的出口设有向上的折弯。如图1中所示，出冰管路14有一个向上的折弯，目的是减缓进入蓄冰槽9中冰浆的速度。冰浆在泵的作用下会产生较大的冲力，若出冰管路14竖直向下，冰浆在冲力作用下有可能直接冲至蓄冰槽9底部，再在第一泵的作用下流向第二流道，这样既会导致第二流道发生冰堵现象，又浪费了制造出来的冰晶，使得制冰效率下降。将出冰管路14设置向上的折弯，会很好地起到缓冲作用，降低冰浆向下的冲力，使得冰浆较缓慢地落入蓄冰槽9中，提高制冰效率。

在上述实施例的基础上，出冰管路14的末端包括多条支路，如图2中所示。例如位于蓄冰槽9内的出冰管路14的末端可制成出冰汇流排17，冰浆从出冰管路14输出后，由出冰汇流排17进行分流后落入蓄冰槽9中。由于蓄冰槽9体积通常比较大，通过出冰汇流排17对冰浆进行分流后，能使冰浆更均匀地落入蓄冰槽9中，避免了大量的冰堆积在出冰管路14下，冰的流动性较差，很容易越积越高，当累积至出冰管路14出口时，可能导致出冰管路14堵塞，设置出冰汇流排17即避免了这用情况的发生。

在上述实施例的基础上，太阳能集热器12加热后的水通过集热器回水管15输送至所述蓄冰槽9，所述集热器回水管15延伸至蓄冰槽9内，且末端包括多条支路。例如位于蓄冰槽9内的集热器回水管15的末端可制成回水汇流排16，如图2中所示，热水从集热器回水管15输出后，由回水汇流排16进行分流后落入蓄冰槽9中。由于蓄冰槽9体积通常比较大，通过回水汇流排16对热水进行分流后，能使热水均匀地分散在蓄冰槽9中，避免了热水只聚集在某一处而降低化冰效率。另外。另外在太阳能集热器到蓄冰槽的这段管路上，还可以设置电磁阀13，用来控制融冰单元管路的通断，因为在夜晚，太阳能集热器是不工作的，此时可以通过电磁阀切断管路中水的流通，降低不必要的消耗。

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 (6)

1.一种太阳能冰源热泵供热系统，其特征在于，包括供热单元、制冰单元和融冰单元；

所述供热单元包括通过管路顺次连接以形成闭合回路的：压缩机、冷凝器、膨胀阀、过冷却器的第一流道，所述供热单元的管路中通有制冷剂；

所述制冰单元包括通过管路顺次连接以形成闭合回路的：蓄冰槽、第一水泵、过冷却器的第二流道；所述制冰单元的管路内通有冷水；用于解除过冷的超声波发生器设置在所述蓄冰槽内，或设置在第二流道的出口与所述蓄冰槽的入口之间；

所述融冰单元包括太阳能集热器和第二水泵；所述第二水泵将所述蓄冰槽中的水泵至所述太阳能集热器加热，加热后的水通过集热器回水管返回至所述蓄冰槽；

所述过冷却器的第一流道和第二流道进行热交换，产生过冷水。

2.如权利要求1所述的太阳能冰源热泵供热系统，其特征在于，所述第一水泵与所述第二流道的入口之间设有冰晶过滤器。

3.如权利要求1所述的太阳能冰源热泵供热系统，其特征在于，所述制冰单元中设有用于调节水的流量的流量调节阀。

4.如权利要求1所述的太阳能冰源热泵供热系统，其特征在于，所述第二流道的出水管路延伸至所述蓄冰槽内以形成出冰管路，所述出冰管路的末端向上折弯。

5.如权利要求4所述的太阳能冰源热泵供热系统，其特征在于，在所述蓄冰槽内，所述出冰管路的末端分为多条支路。

6.如权利要求1-5任一项所述的太阳能冰源热泵供热系统，其特征在于，在所述蓄冰槽内，所述集热器回水管的末端分为多条支路。