CN106895474B - 一种多模式太阳能热泵冷热水系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于,包括制冷剂循环回路、生活水循环回路、太阳能冷热水回路,具体包括太阳能集热板、室外空气源换热器、相变蓄热装置、压缩机、四通换向阀、水箱、循环水泵、板式换热器、储液器、过滤器、电子膨胀阀、电磁阀、单向阀、流量调节阀以及U型管路，其中制冷剂侧以及水侧主要通过板式换热器进行能量的传递。本发明不仅能够将太阳能与空气源热泵有机结合起来，并通过系统中的蓄热装置，解决太阳能辅助空气源热泵的稳定性问题，改善对系统的性能，同时还能够维持压缩机入口制冷剂的温度，延长压缩机的使用寿命。

Description

一种多模式太阳能热泵冷热水系统

技术领域

本发明属于太阳能利用设备技术领域,特别是涉及一种多模式太阳能热泵冷热水系统。

背景技术

随着世界能源消费量的大幅度增长，人们把能源利用的重点转移到可再生能源的开发和利用上来。太阳能以其取之不尽、廉价、安全、无需运输、清洁无污染等特点受到人们的重视。由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。

目前我国的太阳能热能利用产品主要是简约单体太阳能热水器。但是由于其系统复杂，部件品种比较多，并且各个系统分散，不易与建筑结合，造成了设计安装复杂，技术要求高；另一方面由于太阳能热能流密度低，不稳定，受季节和天气影响较大，太阳能供热系统常常在供热品位和供热总量上无法满足需求。因此，降低空调等制冷设备的能耗，高效利用制冷设备冷凝热制取生活热水，并利用太阳能热泵和空气源热泵的一体化结合，实现制冷空调设备能量的综合利用，提高太阳能热能利用和制冷设备的科学用能水平已成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

中国专利申请CN1515850公开了一种直膨式太阳能热泵空调及热水系统,，该系统将空气源与太阳能并联，能够生产生活热水、冷热水的多功能太阳能利用系统，但并未考虑如何储存多余的太阳能，以及环境变化对系统的影响。中国专利申请CN103499163公开了一种直膨式太阳能热泵空调系统，该系统通过蓄热装置将多余的太阳能储存其中，并使压缩机入口温度维持稳定，但其系统在夏季未能实现冷热水联供以提高能源利用效率，并且在冬季制热水同时未能保持室内供暖。中国专利申请CN105716329公开了一种蓄热/蒸发于一体的直膨式太阳能热泵系统，可用于采暖、生活热水和空调制冷，但在夏天制冷与制生活热水模式下，系统制生活热水受环境影响较大，很难实现实时制热的效果。

综上所述，如何克服现有技术所存在的不足已成为当今太阳能利用设备技术领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种多模式太阳能热泵冷热水系统，本发明不仅能够将太阳能与空气源热泵有机结合起来，并通过系统中的蓄热装置，解决太阳能辅助空气源热泵的稳定性问题，改善对系统的性能，同时还能够维持压缩机入口制冷剂的温度，延长压缩机的使用寿命。

根据本发明提出的一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于,包括制冷剂循环回路、生活水循环回路、太阳能冷热水回路,其中：

所述制冷剂循环回路包括：压缩机、第一换热器、四通换向阀、第二换热器、U型管路A、U型管路B、U型管路C、U型管路D、储液器、过滤器、电子膨胀阀、第一电磁阀、太阳能集热板、第二电磁阀、第一单向阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第二单向阀、室外空气源换热器、相变蓄热装置以及适配的连接管道；其中，所述压缩机输出端与所述第一换热器的第一输入端连接，所述第一换热器的第一输出端与所述四通换向阀的第一输入端连接，所述四通换向阀的第一输出端与所述第二换热器的第一输入端连接，所述第二换热器的第一输出端通过所述U型管路A接入所述储液器，所述储液器的输出端与所述过滤器的输入端连接，所述过滤器的输出端与所述电子膨胀阀的输入端连接，所述电子膨胀阀输出端与所述U型管路D的输入端连接，所述U型管路B与所述U型管路C均为制冷剂逆流流通的管路，所述U型管路D的输出端出来的制冷剂分为两路，一路通过所述第一电磁阀与所述太阳能集热板的输入端连接，太阳能集热板的输出端与所述第一单向阀的输入端连接，另一路通过所述第二电磁阀与所述第一单向阀的输出端交汇；所述第一单向阀的输出端出口分为两路，一路通过所述第二单向阀和所述第三电磁阀与相变蓄热装置的输入端连接，所述第五电磁阀所在支路为所述相变蓄热装置的旁路，另一路通过所述第四电磁阀与所述室外空气源换热器输入端连接，两路交汇于所述相变蓄热装置的输出端，所述相变蓄热装置的输出端与所述四通换向阀第二输入端连接，所述四通换向阀的第二输出端与压缩机的输入端连接。

所述生活水循环回路包括：第一水箱、第一循环水泵、第一换热器；其中，所述第一水箱的输出端通过第一循环水泵与所述第一换热器第二输入端连接，所述第一换热器的第二输出端与所述第一水箱的输入端连接。

所述太阳能冷热水回路包括：第二循环水泵、第二换热器、第二水箱、相变蓄热装置、第一流量调节阀、第二流量调节阀、第三循环水泵；其中，所述第二水箱的第一输出端通过第二循环水泵与所述第二换热器的第二输入端连接，所述第二换热器的第二输出端与所述第二水箱的第一输入端连接，所述第二水箱的第二输出端与所述第三循环水泵的输入端连接，第三循环水泵的输出端出来的循环水分为两路，一路通过所述第二流量调节阀与冷热水出水端连接，另一路通过所述第一流量调节阀与所述相变蓄热装置的输入端连接，所述相变蓄热装置的输出端与所述第二水箱的第二输入端连接。

本发明的实现原理是：本发明将室外太阳能集热器与室外空气源换热器并联，根据不同的天气状况实现热源利用的转换；同时，利用蓄热装置保持太阳能集热器出口制冷剂的温度，并且在热泵加热生活热水的同时保持空调水的温度，实现在制取热水的同时保持供暖。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：

第一，本发明能够充分利用低品位的太阳能与空气源，并实现利用的最大化，保持系统制热及制热水效果的稳定，具有环保节能的显著效果。

第二，本发明在太阳能集热板出口加装相变蓄热装置，由于系统中压降以及太阳能的影响，集热板出口制冷剂通常处于较为严重的过热状态，蓄热装置能够吸收集热板出口过热制冷剂的部分热量，使其保持一定温度，提高压缩机的热力性能并保证稳定的运行。

第三，本发明提供了多种工作模式，保障用户的多方面需求；同时考虑了在制生活热水的同时制热的问题，能够在制热水的同时最大限度地保持室内供暖。

附图说明

图1是本发明提出的一种多模式太阳能热泵冷热水系统的结构示意图。

图2是本发明提出的相变蓄热装置的剖面结构示意图。

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做进一步的详细说明。

结合图1和图2，本发明提出的一种多模式太阳能热泵冷热水系统,包括制冷剂循环回路、生活水循环回路、太阳能冷热水回路,其中：

制冷剂循环回路包括：压缩机(14)、第一换热器(15)、四通换向阀(18)、第二换热器(19)、U型管路A、U型管路B、U型管路C、U型管路D、储液器(24)、过滤器(26)、电子膨胀阀(27)、第一电磁阀(5)、太阳能集热板(6)、第二电磁阀(8)、第一单向阀(7)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、第五电磁阀(25)、第二单向阀(12)、室外空气源换热器(11)、相变蓄热装置(13)以及适配的连接管道；其中，所述压缩机(14)输出端与所述第一换热器(15)的第一输入端(15a)连接，所述第一换热器(15)的第一输出端(15b)与所述四通换向阀(18)的第一输入端(18a)连接，所述四通换向阀(18)的第一输出端(18b)与所述第二换热器(19)的第一输入端(19a)连接，所述第二换热器(19)的第一输出端(19b)通过所述U型管路A接入所述储液器(24)，所述储液器(24)的输出端与所述过滤器(26)的输入端连接，所述过滤器(26)的输出端与所述电子膨胀阀(27)的输入端连接，所述电子膨胀阀(27)输出端与所述U型管路D的输入端连接，所述U型管路B与所述U型管路C均为制冷剂逆流流通的管路，所述U型管路D的输出端出来的制冷剂分为两路，一路通过所述第一电磁阀(5)与所述太阳能集热板(6)的输入端连接，太阳能集热板(6)的输出端与所述第一单向阀(7)的输入端连接，另一路通过所述第二电磁阀(8)与所述第一单向阀(7)的输出端交汇；所述第一单向阀(7)的输出端出口分为两路，一路通过所述第二单向阀(12)和所述第三电磁阀(9)与相变蓄热装置(13)的输入端连接，所述第五电磁阀(25)所在支路为所述相变蓄热装置(13)的旁路，另一路通过所述第四电磁阀(10)与所述室外空气源换热器(11)输入端连接，两路交汇于所述相变蓄热装置(13)的输出端，所述相变蓄热装置(13)的输出端与所述四通换向阀第二输入端(18c)连接，所述四通换向阀(18)的第二输出端(18d)与压缩机(14)的输入端连接。

所述生活水循环回路包括：第一水箱(17)、第一循环水泵(16)、第一换热器(15)；其中，所述第一水箱(17)的输出端(17a)通过第一循环水泵(16)与所述第一换热器(15)第二输入端(15c)连接，所述第一换热器(15)的第二输出端(15d)与所述第一水箱(17)的输入端(17b)连接。

所述太阳能冷热水回路包括：第二循环水泵(20)、第二换热器(19)、第二水箱(21)、相变蓄热装置(13)、第一流量调节阀(23)、第二流量调节阀(24)、第三循环水泵(22)；其中，所述第二水箱的第一输出端(21a)通过第二循环水泵(20)与所述第二换热器(19)的第二输入端(19c)连接，所述第二换热器(19)的第二输出端(19d)与所述第二水箱(21)的第一输入端(21b)连接，所述第二水箱(21)的第二输出端(21c)与所述第三循环水泵(22)的输入端连接，第三循环水泵(22)的输出端出来的循环水分为两路，一路通过所述第二流量调节阀(24)与冷热水出水端连接，另一路通过所述第一流量调节阀(23)与所述相变蓄热装置(13)的输入端(13a)连接，所述相变蓄热装置(13)的输出端(13b)与所述第二水箱(21)的第二输入端连接。

本发明提出的一种多模式太阳能热泵冷热水系统的进一步优选方案是：

所述太阳能集热板(6)与所述相变蓄热装置(13)为串联运行，所述太阳能集热板(6)与所述室外空气源换热器(11)为并联运行。

所述太阳能集热板(6)为采用高吸收涂层铝平板的平板型太阳能集热器板。

所述第一水箱(17)和所述第二水箱(21)的形状均为圆柱形保温水箱。

所述室外空气源换热器(11)为普通翅片式换热器。

所述相变蓄热装置(13)的外壳为带有保温层的壳体(28)。

所述相变蓄热装置(13)内设有制冷剂流通管路(29)及循环水流通管路(30)。

所述相变蓄热装置(13)的相变材料为石蜡。

具体实施例。结合图1和图2，以本发明在不同气候条件下的工作模式为例，进一步公开本发明的具体应用过程如下：

实施例1。在冬季供热及制热水模式下，当白天有太阳能辐射时，制冷循环回路中的制冷剂被压缩机(14)做功压缩后排出，首先经过第一换热器(15)，第一循环水泵(16)不工作，制冷剂经过四通换向阀(18)后进入第二换热器(19)，第二循环水泵(20)处于运行状态，制冷剂在第二换热器(19)中放出热量冷凝；此后，制冷剂经过U型管A以此进入储液器(24)、过滤器(26)，在电子膨胀阀(27)中节流降温降压后进过U型管D、第一电磁阀(5)进入太阳能集热板(6)，此时第二电磁阀(8)关闭，制冷剂在太阳能集热板(6)中吸热升温后经过第一单向阀(7)、第三电磁阀(9)、第二单向阀(12)进入相变蓄热装置(13)，此时第四电磁阀(10)关闭，高温制冷剂在相变蓄热装置(13)的温度得到稳定，并将部分热量储存于相变蓄热装置(13)中，当蓄热装置内温度大于制冷剂温度时，第三电磁阀(9)关闭，第五电磁阀(25)开启，此后制冷剂经过四通换向阀(18)再次进入压缩机(14)，蒸发吸热完成循环；第三循环水泵(22)开启，第一流量调节阀(23)以及第二流量调节阀(24)部分开启，在保证供热稳定的情况下将多余热量储存于变蓄热装置(13)中并保证出口水温稳定。当需要制取生活热水时，开启第一循环水泵(16)，关闭第二循环水泵(20)，制冷剂在第一换热器(15)中冷凝放热，调整第一流量调节阀(23)、第二流量调节阀(24)开度，保持第二水箱(21)中水温稳定以及供暖需求。

在傍晚以及夜间时，制冷剂从压缩机(14)排出后在第二换热器(19)中冷凝放热，制冷剂经过U型管A，储液器(24)，过滤器(26)，在电子膨胀阀(27)中降压降温，此后经过U型管D、第二电磁阀(8)、第四电磁阀(10)，进入室外空气源换热器(11)，此时第一电磁阀(5)、第二电磁阀(9)关闭，制冷剂在室外空气源换热器(11)吸热后经过四通换向阀(18)进入压缩机，完成制热循环。当需要制取生活热水时，开启第一循环水泵(16)，关闭第二循环水泵(20)，制冷剂在第一换热器(15)中冷凝放热，调整第一流量调节阀(23)、第二流量调节阀(24)开度，保持第二水箱(21)中水温稳定以及供暖需求。

在凌晨室外环境温度较低时，第一电磁阀(5)、第四电磁阀(10)关闭，第二电磁阀(8)，第三电磁阀(9)开启，第五电磁阀(25)关闭，制冷剂在相变蓄热装置(13)中蒸发吸热，经过压缩机(14)加压升温后，在第二换热器(19)中冷凝放热，用于供暖。

实施例2。在夏季制热水及供冷模式下，冷热联供时，制冷剂被压缩机(14)做功压缩后排出，首先在第一换热器中(15)冷凝换热，此时第一循环水泵(16)运行，经过四通换向阀(18)后经过室外空气源换热器(11)，此时室外空气源换热器(11)不工作，制冷剂经过第四电磁阀(10)，第二电磁阀(8)进入储液器(24)，此时第一电磁阀(5)、第三电磁阀(9)、第五电磁阀(25)关闭，制冷剂经过过滤器(26)、电子膨胀阀(27)后在第二换热器(19)中蒸发吸热，第二循环水泵(20)运行，制冷剂经过四通换向阀(18)进入压缩机完成循环。

单独供冷时，第一电磁阀(5)、第三电磁阀(9)、第五电磁阀(25)关闭，第二电磁阀(8)、第四电磁阀(10)开启，第一循环水泵(16)不运行，第二循环水泵(20)运行，室外空气源换热器(11)运行，制冷剂从压缩机(14)出来后经过四通换向阀(18)进入室外空气源换热器(11)冷凝放热，此后经过电子膨胀阀(27)降温降压进入第二换热器(19)制取冷水，经过四通换向阀(18)进入压缩机(14)，完成供冷循环。

单独制热水时，在有太阳辐射情况下，制冷剂在太阳能集热板(6)中吸收太阳能，经过相变蓄热装置(13)后进入压缩机，在第一换热器(15)中冷凝放热，此时第一循环水泵(16)运行，第二循环水泵(20)不运行，制冷剂在电子膨胀阀(27)中降压之后进入太阳能集热板(6)，完成制热水循环。

本发明的具体实施方式中凡未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种多模式太阳能热泵冷热水系统技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (8)

1.一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于,包括制冷剂循环回路、生活水循环回路、太阳能冷热水回路,其中：

所述制冷剂循环回路包括：压缩机(14)、第一换热器(15)、四通换向阀(18)、第二换热器(19)、U型管路A、U型管路B、U型管路C、U型管路D、储液器(24)、过滤器(26)、电子膨胀阀(27)、第一电磁阀(5)、太阳能集热板(6)、第二电磁阀(8)、第一单向阀(7)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、第五电磁阀(25)、第二单向阀(12)、室外空气源换热器(11)、相变蓄热装置(13)以及适配的连接管道；其中，所述压缩机(14)的输出端与所述第一换热器(15)的第一输入端(15a)连接，所述第一换热器(15)的第一输出端(15b)与所述四通换向阀(18)的第一输入端(18a)连接，所述四通换向阀(18)的第一输出端(18b)与所述第二换热器(19)的第一输入端(19a)连接，所述第二换热器(19)的第一输出端(19b)通过所述U型管路A接入所述储液器(24)，所述储液器(24)的输出端与所述过滤器(26)的输入端连接，所述过滤器(26)的输出端与所述电子膨胀阀(27)的输入端连接，所述电子膨胀阀(27)的输出端与所述U型管路D的输入端连接，所述U型管路B与所述U型管路C均为制冷剂逆流流通的管路，所述U型管路D的输出端出来的制冷剂分为两路，一路通过所述第一电磁阀(5)与所述太阳能集热板(6)的输入端连接，太阳能集热板(6)的输出端与所述第一单向阀(7)的输入端连接，另一路通过所述第二电磁阀(8)与所述第一单向阀(7)的输出端交汇；所述第一单向阀(7)的输出端出口分为两路，一路依次通过所述第二单向阀(12)和所述第三电磁阀(9)与相变蓄热装置(13)的输入端连接，且所述第五电磁阀(25)的支路为所述相变蓄热装置(13)的旁路，另一路通过所述第四电磁阀(10)与所述室外空气源换热器(11)输入端连接；两路交汇于所述相变蓄热装置(13)的输出端，所述相变蓄热装置(13)的输出端与所述四通换向阀(18)的第二输入端(18c)连接，所述四通换向阀(18)的第二输出端(18d)与压缩机(14)的输入端连接；

所述生活水循环回路包括：第一水箱(17)、第一循环水泵(16)、第一换热器(15)；其中，所述第一水箱(17)的输出端(17a)通过第一循环水泵(16)与所述第一换热器(15)的第二输入端(15c)连接，所述第一换热器(15)的第二输出端(15d)与所述第一水箱(17)的输入端(17b)连接；

所述太阳能冷热水回路包括：第二循环水泵(20)、第二换热器(19)、第二水箱(21)、相变蓄热装置(13)、第一流量调节阀(23)、第二流量调节阀(24)、第三循环水泵(22)；其中，所述第二水箱(21)的第一输出端(21a)通过第二循环水泵(20)与所述第二换热器(19)的第二输入端(19c)连接，所述第二换热器(19)的第二输出端(19d)与所述第二水箱(21)的第一输入端(21b)连接，所述第二水箱(21)的第二输出端(21c)与所述第三循环水泵(22)的输入端连接，第三循环水泵(22)的输出端出来的循环水分为两路，一路通过所述第二流量调节阀(24)与冷热水出水端连接，另一路通过所述第一流量调节阀(23)与所述相变蓄热装置(13)的输入端(13a)连接，所述相变蓄热装置(13)的输出端(13b)与所述第二水箱(21)的第二输入端(21d)连接。

2.根据权利要求1所述的一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于，所述太阳能集热板(6)与所述相变蓄热装置(13)为串联运行，所述太阳能集热板(6)与所述室外空气源换热器(11)为并联运行。

3.根据权利要求2所述的一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于，所述太阳能集热板(6)为采用高吸收涂层铝平板的平板型太阳能集热器板。

4.根据权利要求3所述的一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于，所述第一水箱(17)和所述第二水箱(21)的形状均为圆柱形保温水箱。

5.根据权利要求4所述的一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于，所述室外空气源换热器(11)为普通翅片式换热器。

6.根据权利要求5所述的一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于，所述相变蓄热装置(13)的外壳为带有保温层的壳体(28)。

7.据权利要求6所述的一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于，所述相变蓄热装置(13)内设有制冷剂流通管路(29)及循环水流通管路(30)。

8.根据权利要求7所述的一种多模式太阳能热泵冷热水系统，其特征在于，所述相变蓄热装置(13)的相变材料为石蜡。