CN107388630A - 一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统 - Google Patents

一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统，包括热水系统和热泵系统；所述热水系统包括真空管集热器、水泵和保温罐；所述水泵通过管道依次与真空管集热器和保温罐闭环连接；所述真空管集热器内填充液体介质，通过真空管集热器将吸收的太阳能储存在液体介质中；所述热泵系统包括冷凝器、膨胀阀、蒸发器和压缩机；所述压缩机通过管道依次与冷凝器、膨胀阀和蒸发器闭环连接；所述蒸发器位于保温罐内部，所述蒸发器的进出口位于所述保温罐的外壳上；所述保温罐填充功能热流体，通过功能热流体使蒸发器与液体介质热交换。本发明可以防止冬季结霜、提高COP太阳能热泵系统。

Description

一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统
技术领域
本发明涉及空调领域和太阳能应用领域，特别涉及一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统。
背景技术
目前，全球能源枯竭问题与环境污染日益严重。能源已成为经济发展的命脉，世界上没有哪一个国家能够在能源供应不足的情况维持国家实力的稳定上升。中国是世界最大的发展中国家，同时也是世界第二大能源消费国，中国的人均能源消费量也在不断上升，1953年，中国人均能源消费量是0.09t标准煤，2005年中国人均能源消费量为1.71t标准煤，到2016 年这一数字已达到3.16t。因此，节约能源问题就显得尤为重要。
公知的空气源热泵在冬季工作时，蒸发温度较低，空气源热泵制热效率较低，要达到同等室内设计温度，必然需要运行更长时间，消耗更多能量。同时，目前常见的空气源热泵在冬季运行时都会产生结霜的问题，空调每运行一段时间都会有一个除霜过程，而在这个过程中，室外蒸发器转为冷凝器使用，而室内机则转为蒸发器使用，室内温度会因此有一些降低。
太阳能蓄能热泵技术是利用可再生能源的典范，是国内外研究的重大课题。太阳能蓄能热泵系统按蓄热方式划分主要有两种形式，一种是显热蓄热，一种是相变蓄热。国内外对显热蓄热的研究比较多，技术比较成熟，相变蓄热相对比较少，关于提高相变材料的蓄放能效率的研究较少。相变蓄热相对于显热蓄热拥有更强的蓄热能力。
现技术对太阳能蓄能热泵技术已有比较成熟研究，例如：
三套管蓄能型太阳能和空气源热泵集成系统。使得空气源热泵技术、太阳能热泵技术和相变蓄能技术通过三套管蓄能换热器有机结合在一起，组成一个有机的集成系统。该系统存在的问题：结构比较复杂，工艺上不易实现，成本较高，对于相变材料的蓄能过程，放能过程效率偏低，冬季空气源热泵制热时的容易产生结霜。在太阳能热泵系统中应用相变材料实现稳定的供热工况，提高系统性能。该系统存在的问题：直接添加相变材料，介质之间的不相容性，相变材料的腐蚀性使得在原有系统中添加相变材料存在技术难度。采用石蜡为介质的一体化太阳能热泵热水器。采用蓄能材料为石蜡的一种新型集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器。一种新型太阳能蓄能/蒸发/集热器，一体化太阳能热泵热水系统。这三个系统具有较大的相似性，存在的问题是，蓄能、放能效率不高，系统的储存热量的大小受蒸发器大小的限制。纳米流体热泵系统，采用纳米流体作为流动介质，使得提高流体与换热器之间的对流换热。该系统存在问题：纳米流体的制备技术要求高，且制备的纳米流体稳定性不好。
专利申请号为：201710351577.0的一种基于相变蓄热和热管传热的太阳能热泵系统，采用热管作为传热介质，能够提高相变材料的蓄、放能过程的传热效率。该系统存在的问题：热管加工技术难度大，成本较高，该系统提高的传热效率有限。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统，可以防止冬季结霜、提高COP太阳能热泵系统。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统，包括热水系统和热泵系统；所述热水系统包括真空管集热器、水泵和保温罐；所述水泵通过管道依次与真空管集热器和保温罐闭环连接；所述真空管集热器内填充液体介质，通过真空管集热器将吸收的太阳能储存在液体介质中；所述热泵系统包括冷凝器、膨胀阀、蒸发器和压缩机；所述压缩机通过管道依次与冷凝器、膨胀阀和蒸发器闭环连接；所述蒸发器位于保温罐内部，所述蒸发器的进出口位于所述保温罐的外壳上；所述保温罐填充功能热流体，通过功能热流体使蒸发器与液体介质热交换。
进一步，所述真空管集热器为螺旋盘管。
进一步，所述保温罐还设有保温层，所述保温层内填充岩棉。
进一步，所述功能热流体为含颗粒状的相变材料；所述保温罐的出口安装有过滤器，用于防止功能热流体进入管道中。
进一步，所述颗粒状的相变材料的大小为毫米级颗粒。
进一步，还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱设在连接在真空管集热器和保温罐之间，用于恒定管理系统的压力。
进一步，所述冷凝器优选为风冷式冷凝器；所述膨胀阀优选为内平衡式膨胀阀。
进一步，所述压缩机优选为高背压式压缩机。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，通过利用相变材料蓄能，使得热泵的蒸发温度提高，达到改善冬季空气源热泵制热时的结霜问题。
2.本发明所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，本发明所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，通过利用液体的流动以及提高传热时的接触表面积，达到提高相变材料蓄能、放能过程的传热效率。
3.本发明所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，通过利用功能热流体的蓄热、放热达到热量的充分利用，从而提升热泵系统的制热cop。
4.本发明所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，通过改变保温罐容量大小，改变功能热流体的量，达到调节系统的蓄热量。
5.本发明所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，通过位置的布置，达到太阳能热量的储存与利用。
附图说明
图1为本发明所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统原理图。
图中：
1-冷凝器；2-膨胀阀；3-蒸发器；4-压缩机；5-过滤器；6-保温罐；7-功能热流体；8-水泵；9-真空管集热器；10-膨胀水箱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统，包括热水系统和热泵系统；所述热水系统包括真空管集热器9、水泵8和保温罐6；所述水泵8通过管道依次与真空管集热器9 和保温罐6闭环连接；所述真空管集热器9为螺旋盘管。所述真空管集热器9内填充液体介质，通过真空管集热器9将吸收的太阳能储存在液体介质中；所述热泵系统包括冷凝器1、膨胀阀2、蒸发器3和压缩机4；所述压缩机4通过管道依次与冷凝器1、膨胀阀2和蒸发器 3闭环连接；所述蒸发器3位于保温罐6内部，所述蒸发器3的进出口位于所述保温罐6的外壳上；所述保温罐6填充功能热流体7，通过功能热流体7使蒸发器3与液体介质热交换。所述保温罐6还设有保温层，所述保温层内填充岩棉，用于防止保温罐6热能流失。所述冷凝器1优选为风冷式冷凝器；膨胀阀2优选为内平衡式膨胀阀；所述压缩机优选为高背压式压缩机。
工作过程：真空管集热器9吸收的太阳热能储存在液体介质中，通过水泵8将液体介质输送到保温罐6内，保温罐6内的功能热流体7与液体介质进行热交换，同时蒸发器3吸收液体介质的热量，将热泵系统的管道介质状态由低温液汽混合物变成低温蒸汽。压缩机4对热泵系统的管道介质做功，管道的介质状态由低温蒸汽变成高温蒸汽。经过冷凝器1向外界放出热量，管道的介质状态由高温蒸汽变成高温液体。管道的介质经过膨胀阀2节流后，状态高温液体变成低温液汽混合物，完成一个循环。
本系统在不同的太阳辐射强度情况下，通过利用热水系统的液体介质作为传热介质，可实现三个功能，达到提高相变材料蓄能、放能过程的传热效率。具体如下：
供热、蓄热模式：太阳辐射强度较强时，真空管集热器9吸收太阳能，蒸发器3吸收热水系统的液体介质的热量，当蒸发器3温度上升至大于等于Tsd，其中Tsd为设定的温度，由功能热流体特性决定，液体介质内的热量对流换热传递给功能热流体7，功能热流体中的介质以固-液相变潜热形式蓄积太阳能，可以使得热泵系统蒸发器附近的温度相对于环境温度有所提高，从而提高热泵制热效果。
部分释热、供热模式：当太阳辐射强度不足时，液体介质的热量下降，导致蒸发器3温度下降，当蒸发器3温度小于Tsd，此时功能热流体7中的介质通过对流换热释放蓄积的热能作为补充。
释热、供热模式：夜间没有太阳能可以利用时，功能热流体7中的介质释放蓄积的太阳能，作为热泵系统的低温热源。
所述功能热流体7为含颗粒状的相变材料；所述保温罐6的出口安装有过滤器5，用于防止功能热流体7进入管道中。所述颗粒状的相变材料的大小为毫米级颗粒。含颗粒状的相变材料的功能热流体7具有储热密度高，热传递速率大，储热、传热过程中热损失小。
还包括膨胀水箱10，所述膨胀水箱10设在连接在真空管集热器9和保温罐6之间。膨胀水箱10的作用有三个：用来贮存管道受热的膨胀水量；方便排气；恒定系统的压力。
本系统可根据供热需求，确定真空集热管的面积尺寸，进一步确定功能热流体的量，以及保温罐的容积，使得热泵系统的蒸发器的工作环境温度维持在较高的温度，改善了冬季热泵系统制热的结霜问题，使用了热管作为传热材料，提高相变材料蓄能、放能过程的传热效率使得蒸发器附近温度比较高，从而提升热泵制热效果，提升了热泵系统COP，实现了节能。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统，其特征在于，包括热水系统和热泵系统；
所述热水系统包括真空管集热器(9)、水泵(8)和保温罐(6)；所述水泵(8)通过管道依次与真空管集热器(9)和保温罐(6)闭环连接；所述真空管集热器(9)内填充液体介质，通过真空管集热器(9)将吸收的太阳能储存在液体介质中；
所述热泵系统包括冷凝器(1)、膨胀阀(2)、蒸发器(3)和压缩机(4)；所述压缩机(4)通过管道依次与冷凝器(1)、膨胀阀(2)和蒸发器(3)闭环连接；所述蒸发器(3)位于保温罐(6)内部，所述蒸发器(3)的进出口位于所述保温罐(6)的外壳上；所述保温罐(6)填充功能热流体(7)，通过功能热流体(7)使蒸发器(3)与液体介质热交换。
2.根据权利要求1所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，其特征在于，所述真空管集热器(9)为螺旋盘管。
3.根据权利要求1所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，其特征在于，所述保温罐(6)还设有保温层，所述保温层内填充岩棉。
4.根据权利要求1所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，其特征在于，所述功能热流体(7)为含颗粒状的相变材料；所述保温罐(6)的出口安装有过滤器(5)，用于防止功能热流体(7)进入管道中。
5.根据权利要求4所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，其特征在于，所述颗粒状的相变材料的大小为毫米级颗粒。
6.根据权利要求1所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，其特征在于，还包括膨胀水箱(10)，所述膨胀水箱(10)设在连接在真空管集热器(9)和保温罐(6)之间，用于恒定管理系统的压力。
7.根据权利要求1所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，其特征在于，所述冷凝器(1)优选为风冷式冷凝器；所述膨胀阀(2)优选为内平衡式膨胀阀。
8.根据权利要求1所述的基于相变蓄热的太阳能热泵系统，其特征在于，所述压缩机(4)优选为高背压式压缩机。
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