CN107228490B - 太阳能空气能聚合制热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能空气能聚合制热系统及方法，包括压缩机、涡轮泵、层级式相变储热水箱、储液罐、干燥过滤器、二元太阳能聚合板、汽液分离器、控制器、工质流通管道、传感器组、流道控制组件和管道连接件；上述构件通过组合布置构成适用不同场合的第一至第三制热回路和除霜回路；由控制器根据传感器组的检测信号对各回路是否投入工作进行控制。方法主要包括传感器组的检测信号上传信号、控制器比较信号与设定阈值、控制器根据判断结果控制相应回路投入工作。本发明造价成本不高、安装使用方便、使用时热转换效率高且可全天候24小时供热。

Description

太阳能空气能聚合制热系统及方法

技术领域

本发明涉及制热技术领域，具体涉及一种综合利用太阳能和空气能的制热系统及方法。

背景技术

太阳能、空气能作为重要的可再生清洁能源，其开发应用日益受到重视。目前，太阳能的应用主要在发电和制热两个方面；太阳能制热最大的不足是有太阳光的白天才能较好地使用；利用空气当中的热能制热也已见研究，但单靠空气能研制的空气能热水器其致热系数提升有限，而且当环境温度较低时应用受限，此外，当前空气能热水器安装占地面积大且价格不菲。

由于太阳能热水器和空气能热水器各自存在的缺陷，因而研制能够将太阳能和空气能综合应用的如热水器类的制热系统或装置，引起人们的极大兴趣。如申请公布号为CN102393079A的中国专利文献，公开了一种综合利用太阳能和空气能的集成供能系统；又如授权公告号为CN202267229U的中国专利文献，其公开了一种空气源、太阳能一体机；再如授权公告号为CN203719142U的中国专利文献，其公开了一种太阳能空气能一体式热水系统，其采用2个水箱。但目前如前述举例的利用太阳能和空气能制热的系统或装置，要么技术不够成熟，要么造价成本太高可推广性不强，要么热转换效率过低使得使用成本过高。因而，继续研发更加成熟高效的综合利用太阳能和空气能的制热系统，显得十分必要。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种造价成本不高、安装使用方便、使用时热转换效率高且可全天候供热的太阳能空气能聚合制热系统及方法。

本发明的技术方案是：本发明的太阳能空气能聚合制热系统，包括用于将工质与冷水进行热交换以输出热水的层级式相变储热水箱、用于利用太阳能和空气能制热的二元太阳能聚合板；上述的层级式相变储热水箱具有工质进嘴、工质出嘴、冷水进嘴和热水出嘴；二元太阳能聚合板具有太阳能集热板和空气热交换板，太阳能集热板和空气热交换板均设有工质进嘴和工质出嘴；其结构特点是：

还包括压缩机M1、涡轮泵M2、储液罐、干燥过滤器、汽液分离器、控制器、工质流通管道、传感器组、流道控制组件和管道连接件；

上述的流道控制组件包括单向阀V1、单向阀V2、单向阀V3、单向阀V4、二通电磁阀EV1、二通电磁阀EV2、二通电磁阀EV3、二通电磁阀EV4、二通电磁阀EV5和电子膨胀阀EEV；上述的管道连接件包括三通A、B、C、D、E、F、G和H；

上述的压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、层级式相变储热水箱的工质进嘴和工质出嘴、储液罐、干燥过滤器、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、空气热交换板的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、太阳能集热板的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V3、三通A、汽液分离器5、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道构成第一制热回路；

上述的压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、层级式相变储热水箱的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴、储液罐、干燥过滤器、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、空气热交换板的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、三通F、二通电磁阀EV4、三通A、汽液分离器、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道构成第二制热回路；

上述的涡轮泵M2出口、单向阀V2、三通H、三通B、层级式相变储热水箱的工质进嘴和工质出嘴、储液罐、干燥过滤器、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、二通电磁阀EV5、三通C、太阳能集热板的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V3、三通A、汽液分离器、三通G、二通电磁阀EV2、涡轮泵M2进口以及工质流通管道构成第三制热回路；

上述的压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、二通电磁阀EV3、三通E、三通D、空气热交换板的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、二通电磁阀EV4、三通A、汽液分离器、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道构成除霜回路；

上述的传感器组包括设于太阳能集热板上的第一温度传感器、设于空气能热交换板上的第二温度传感器、设于三通C处的第三温度传感器以及设于三通B处的温度压力传感器；传感器组的各传感器均与控制器电连接；

流道控制组件中的电子膨胀阀EEV以及各个二通电磁阀均与控制器电连接；

使用时，控制器用于根据传感器组中各传感器上传的检测信号，通过控制压缩机M1、涡轮泵M2、电子膨胀阀EEV以及各个二通电磁阀的开启或关闭，相应选择上述的第一至第三制热回路或除霜回路投入工作。

一种由上述的太阳能空气能聚合制热系统的工作方法，包括以下步骤：

①系统上电工作后，控制器实时接收第一温度传感器检测上传的温度t1、第二温度传感器检测上传的温度t2、第三温度传感器检测上传的温度t3以及温度压力传感器检测上传的温度t4和压力值P；并将t1与t2的差值t12与内置的阈值Y1进行比较，若t12≥Y1且t1≤90℃并且t3≥0℃，则进入步骤②；若t12＜Y1且t1≤90℃并且t3≥0℃，则进入步骤③；若t1＞90℃，则进入步骤④；若t3＜0℃，则进入步骤⑤；

②控制器启动上述的第一制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱的热水出嘴输出热水；同时，控制器将温度压力传感器检测上传的温度t4和压力值P与内置的第二阈值Y2以及第三阈值Y3进行比较，若t4＞Y2或P＞Y3，控制器关闭第一制热回路中的压缩机M1，并返回步骤①；

③控制器启动第二制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱的热水出嘴输出热水；同时，控制器将温度压力传感器检测上传的温度t4和压力值P与内置的第二阈值Y2以及第三阈值Y3进行比较，若t4＞Y2或P＞Y3，控制器关闭第一制热回路中的压缩机M1，并返回步骤①；

④控制器启动第三制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱的热水出嘴输出热水；

⑤控制器启动除霜回路对空气热交换板除霜，同时，当控制器判断第三温度传感器检测上传的温度t3>6℃时，控制器关闭除霜回路并返回步骤①。

进一步的方案是：上述的阈值Y1取值为5；阈值Y2取值为100℃；阈值Y3取值为2.8MPa。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的太阳能空气能聚合制热系统，其为利用一种工质将太阳能和大气能有效转化为热能的全天候、高效的制热循环系统，该系统在使用时能效比达到5～6，高于目前常见的太阳能和热泵制热系统。（2）本发明的太阳能空气能聚合制热系统，其造价成本不高，安装使用方便，全天候24小时均可工作，提供热能输出，可广泛应用于工业热水、取暖、干燥设备系统的供热，适应用强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

上述附图中的附图标记如下：

压缩机M1，涡轮泵M2，单向阀V1，单向阀V2，单向阀V3，单向阀V4，二通电磁阀EV1，二通电磁阀EV2，二通电磁阀EV3，二通电磁阀EV4，二通电磁阀EV5，电子膨胀阀EEV；

层级式相变储热水箱1；储液罐2；干燥过滤器3；二元太阳能聚合板4，太阳能集热板41，空气热交换板42；汽液分离器5；控制器6；工质流通管道7；第一温度传感器81，第二温度传感器82，第三温度传感器83，温度压力传感器84。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1，本实施例的太阳能空气能聚合制热系统，其主要由压缩机M1、涡轮泵M2、层级式相变储热水箱1、储液罐2、干燥过滤器3、二元太阳能聚合板4、汽液分离器5、控制器6、工质流通管道7、传感器组、流道控制组件和管道连接件组成。

流道控制组件包括单向阀V1，单向阀V2，单向阀V3，单向阀V4，二通电磁阀EV1，二通电磁阀EV2，二通电磁阀EV3，二通电磁阀EV4，二通电磁阀EV5，电子膨胀阀EEV。

管道连接件包括三通A、B、C、D、E、F、G和H共8个三通。

层级式相变储热水箱1本实施例中优选采用公开号为CN105972839A的中国专利文献公开的层级式相变储热水箱，层级式相变储热水箱1具有箱体、工质进嘴、工质出嘴、冷水进嘴和热水出嘴；层级式相变储热水箱1用于将高温高压气态的工质与输入到箱体内的冷水进行热交换对冷水加热，由热水出嘴输出加热后的热水。

二元太阳能聚合板4本实施例中优选采用公开号为CN105115174A的中国专利文献公开的二元太阳能聚合板，二元太阳能聚合板4具有集成一体的太阳能集热板41和空气热交换板42，太阳能集热板41设有集热管、工质进嘴和工质出嘴；空气热交换板42设有冷媒介质流通管、换热片、工质进嘴和工质出嘴。二元太阳能聚合板4用于利用空气能和太阳能对流过的低温高压的工质进行加热，输出高温工质。

压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、层级式相变储热水箱1的工质进嘴和工质出嘴、储液罐2、干燥过滤器3、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、二元太阳能聚合板4的空气热交换板42的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、二元太阳能聚合板4的太阳能集热板41的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V3、三通A、汽液分离器5、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道7构成第一制热回路。第一制热回路主要用于白天光照充足场合使用。

压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、层级式相变储热水箱1的工质进嘴和工质出嘴、储液罐2、干燥过滤器3、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、二元太阳能聚合板4的空气热交换板42的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、三通F、二通电磁阀EV4、三通A、汽液分离器5、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道7构成第二制热回路。第二制热回路主要用于夜间以及白天光照不足场合使用。此时，由于三通A处的压力比三通C处高，单向阀V3关闭，因而由三通C、二元太阳能聚合板4的太阳能集热板41的工质进嘴和工质出嘴以及单向阀V3构成的通道关闭。

涡轮泵M2出口、单向阀V2、三通H、三通B、层级式相变储热水箱1的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴、储液罐2、干燥过滤器3、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、二通电磁阀EV5、三通C、二元太阳能聚合板4的太阳能集热板41的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V3、三通A、汽液分离器5、三通G、二通电磁阀EV2、涡轮泵M2进口以及工质流通管道7构成第三制热回路。第三制热回路主要用于晴朗盛夏高温场合使用。此时，由于三通C处的压力比三通D处的压力高，单向阀V4关闭，因而由三通D、二元太阳能聚合板4的空气热交换板42的工质进嘴和工质出嘴以及单向阀V4构成的通道关闭。

压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、二通电磁阀EV3、三通E、三通D、二元太阳能聚合板4的空气热交换板42的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、二通电磁阀EV4、三通A、汽液分离器5、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道7构成除霜回路。除霜回路主要用于二元太阳能聚合板4的空气热交换板42结霜时使用。此时，由于三通A处的压力比三通C处高，单向阀V3关闭，因而由三通C、二元太阳能聚合板4的太阳能集热板41的工质进嘴和工质出嘴以及单向阀V3构成的通道关闭。

传感器组包括设于二元太阳能聚合板4的太阳能集热板41上的第一温度传感器81、设于二元太阳能聚合板4的空气热交换板42上的第二温度传感器82、设于三通C处的第三温度传感器83以及设于三通B处的温度压力传感器84。传感器组的各传感器均与控制器6电连接。

流道控制组件中的电子膨胀阀EEV以及各个二通电磁阀均与控制器6电连接。

控制器6用于根据传感器组中传感器上传的检测信号，通过控制压缩机M1、涡轮泵M2、电子膨胀阀EEV以及各个二通电磁阀的开启或关闭，相应选择前述的第一至第三制热回路或除霜回路投入工作。

前述的流道控制组件中的各单向阀优选采用膜片式单向阀，单向阀的作用是保证工质按照设定方向单向流动并防止回流；电子膨胀阀EEV用于将高压液态的工质经进行节流降压；电子膨胀阀EEV的开度由控制器6控制，以相应控制工质的流量和过热度，工质经电子膨胀阀EEV的节流降压后，温度急骤降低，变成气液混合态的工质。

本实施例的太阳能空气能聚合制热系统，其工作方法包括以下步骤：

①系统上电工作后，控制器6实时接收第一温度传感器81检测上传的温度t1、第二温度传感器82检测上传的温度t2、第三温度传感器83检测上传的温度t3以及温度压力传感器84检测上传的温度t4和压力值P；并将t1与t2的差值t12与内置的阈值Y1进行比较，若t12≥Y1且t1≤90℃并且t3≥0℃，则进入步骤②；若t12＜Y1且t1≤90℃并且t3≥0℃，则进入步骤③；若t1＞90℃，则进入步骤④；若t3＜0℃，则进入步骤⑤；

②控制器6启动第一制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱1的热水出嘴输出热水；同时，控制器6将温度压力传感器84检测上传的温度t4和压力值P与内置的第二阈值Y2以及第三阈值Y3进行比较，若t4＞Y2或P＞Y3，控制器6关闭第一制热回路中的压缩机M1，并返回步骤①；

③控制器6启动第二制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱1输出热水；同时，控制器将温度压力传感器84检测上传的温度t4和压力值P与内置的第二阈值Y2以及第三阈值Y3进行比较，若t4＞Y2或P＞Y3，控制器6关闭第一制热回路中的压缩机M1，并返回步骤①；

④控制器6启动第三制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱1输出热水；

⑤控制器6启动除霜回路对二元太阳能聚合板4的空气热交换板42除霜，同时，当控制器6判断第三温度传感器83检测上传的温度t3>6℃时，控制器6关闭除霜回路并返回步骤①。

本实施例中，前述的阈值Y1优选取值为5；阈值Y2优选取值为100℃；阈值Y3优选取值为2.8MPa。

本实施例中，工质优选采用R407C制冷剂。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种太阳能空气能聚合制热系统，包括用于将工质与冷水进行热交换以输出热水的层级式相变储热水箱（1）、用于利用太阳能和空气能制热的二元太阳能聚合板（4）；所述的层级式相变储热水箱（1）具有工质进嘴、工质出嘴、冷水进嘴和热水出嘴；二元太阳能聚合板（4）具有太阳能集热板（41）和空气热交换板（42），太阳能集热板和空气热交换板均设有工质进嘴和工质出嘴；其特征在于：

还包括压缩机M1、涡轮泵M2、储液罐（2）、干燥过滤器（3）、汽液分离器（5）、控制器（6）、工质流通管道（7）、传感器组、流道控制组件和管道连接件；

所述的流道控制组件包括单向阀V1、单向阀V2、单向阀V3、单向阀V4、二通电磁阀EV1、二通电磁阀EV2、二通电磁阀EV3、二通电磁阀EV4、二通电磁阀EV5和电子膨胀阀EEV；所述的管道连接件包括三通A、B、C、D、E、F、G和H；

所述的压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、层级式相变储热水箱（1）的工质进嘴和工质出嘴、储液罐（2）、干燥过滤器（3）、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、空气热交换板（42）的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、太阳能集热板（41）的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V3、三通A、汽液分离器5、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道（7）构成第一制热回路；

所述的压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、层级式相变储热水箱（1）的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴、储液罐（2）、干燥过滤器（3）、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、空气热交换板（42）的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、三通F、二通电磁阀EV4、三通A、汽液分离器（5）、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道（7）构成第二制热回路；

所述的涡轮泵M2出口、单向阀V2、三通H、三通B、层级式相变储热水箱（1）的工质进嘴和工质出嘴、储液罐（2）、干燥过滤器（3）、电子膨胀阀EEV、三通E、三通D、二通电磁阀EV5、三通C、太阳能集热板（41）的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V3、三通A、汽液分离器（5）、三通G、二通电磁阀EV2、涡轮泵M2进口以及工质流通管道（7）构成第三制热回路；

所述的压缩机M1出口、单向阀V1、三通H、三通B、二通电磁阀EV3、三通E、三通D、空气热交换板（42）的工质进嘴和工质出嘴、单向阀V4、三通C、二通电磁阀EV4、三通A、汽液分离器（5）、三通G、二通电磁阀EV1、压缩机M1进口以及工质流通管道（7）构成除霜回路；

所述的传感器组包括设于太阳能集热板（41）上的第一温度传感器（81）、设于空气能热交换板（42）上的第二温度传感器（82）、设于三通C处的第三温度传感器（83）以及设于三通B处的温度压力传感器（84）；传感器组的各传感器均与控制器（6）电连接；

流道控制组件中的电子膨胀阀EEV以及各个二通电磁阀均与控制器（6）电连接；

使用时，控制器（6）用于根据传感器组中各传感器上传的检测信号，通过控制压缩机M1、涡轮泵M2、电子膨胀阀EEV以及各个二通电磁阀的开启或关闭，相应选择所述的第一至第三制热回路或除霜回路投入工作。

2.一种由权利要求1所述的太阳能空气能聚合制热系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

①系统上电工作后，控制器（6）实时接收第一温度传感器（81）检测上传的温度t1、第二温度传感器（82）检测上传的温度t2、第三温度传感器（83）检测上传的温度t3以及温度压力传感器（84）检测上传的温度t4和压力值P；并将t1与t2的差值t12与内置的阈值Y1进行比较，若t12≥Y1且t1≤90℃并且t3≥0℃，则进入步骤②；若t12＜Y1且t1≤90℃并且t3≥0℃，则进入步骤③；若t1＞90℃，则进入步骤④；若t3＜0℃，则进入步骤⑤；

②控制器（6）启动所述的第一制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱（1）的热水出嘴输出热水；同时，控制器（6）将温度压力传感器（84）检测上传的温度t4和压力值P与内置的第二阈值Y2以及第三阈值Y3进行比较，若t4＞Y2或P＞Y3，控制器（6）关闭第一制热回路中的压缩机M1，并返回步骤①；

③控制器（6）启动第二制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱（1）的热水出嘴输出热水；同时，控制器（6）将温度压力传感器（84）检测上传的温度t4和压力值P与内置的第二阈值Y2以及第三阈值Y3进行比较，若t4＞Y2或P＞Y3，控制器（6）关闭第一制热回路中的压缩机M1，并返回步骤①；

④控制器（6）启动第三制热回路制热，并通过层级式相变储热水箱（1）的热水出嘴输出热水；

⑤控制器（6）启动除霜回路对空气热交换板（42）除霜，同时，当控制器（6）判断第三温度传感器（83）检测上传的温度t3>6℃时，控制器（6）关闭除霜回路并返回步骤①。

3.根据权利要求2所述的太阳能空气能聚合制热系统的工作方法，其特征在于：所述的阈值Y1取值为5；阈值Y2取值为100℃；阈值Y3取值为2.8MPa。

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