CN108302838A - 一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统及其控制方法，所述系统包括压缩机、四通换向阀、气液分离器、第二电子膨胀阀、室内换热器、室外换热器和相关的阀门及连接用的管路。其特点是，所述系统还包括蓄热器、太阳能集热器、第一电子膨胀阀。冬季环境温度低于切换温度时，通过蓄热器将太阳能和空气源热泵耦合起来，在其它季节时将太阳能直接用于制热水，从而充分发挥了太阳能的优势。本发明将蓄热器作为系统供热过程的低温热源，由于蓄热器内的压力为中间压力，可使得压缩机的压缩比大大降低，机组运行稳定，同时制热量也能大幅提高，当蓄热器的热量不足时，启动热泵蓄热过程为蓄热器蓄热。

Description

一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及供热领域，具体的说是一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统及其控制方法。
背景技术
空气源热泵在低温环境（如低于-5℃）运行时由于压缩机压缩比的增加，会导致排气温度过高，制热效果变差，机组的能效比会大大降低，可靠性变差，而且环境温度越低，这一问题愈严重，同时还伴随着机组结霜除霜的问题。传统的喷气增焓及双级压缩技术对改善机组低温下的制热性能有一定作用，但当室外温度很低时（如低于-20℃），机组仍然无法有效运行。
传统的复叠式热泵循环技术虽然能够很好的改善机组在低温时的运行性能，制热量也有所提高，但该技术方案系统过于复杂，成本高，而且不能单级运行，在热负荷较小时效率低，也不能运行制冷模式，导致设备的利用率低，难以大面积推广使用。
传统的逆循环除霜技术在除霜时系统由制热循环变为制冷循环，不仅不供热，还要从室内吸热用于除霜，致使室温下降剧烈（约下降5-8℃），严重影响室内舒适性，而且系统运行不稳定，可靠性差。因此，空气源热泵的结霜除霜问题成为了制约其高效运行的一个瓶颈，有待于解决。
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其利用一直是备受青睐。在供热领域，将太阳能和空气源热泵结合起来是一种利用太阳能的有效技术手段，但是冬季太阳辐射强度较弱，在低温下的集热效率较低，且集热器只在冬季使用，导致集热器的经济性不好。
发明内容
本发明的目的是提出一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统及其控制方法，旨在改善机组在低温下的制热性能，解决机组结霜除霜问题，提高集热器的利用效率和经济性。
本发明的目的是由以下技术方案来是实现的：一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统，所述系统包括压缩机1、四通换向阀2、室内换热器3、第二电子膨胀阀24、室外换热器25、气液分离器28，其特征在于，所述系统还包括第一电子膨胀阀7、蓄热器8、太阳能集热器16、热水箱18、第一电磁阀6、第二电磁阀11、第三电磁阀14、第四电磁阀19、第五电磁阀21、第六电磁阀26、第一管路4、第二管路5、第三管路23、第四管路12、第五管路13、第六管路20、第七管路22和第八管路27，蓄热器8内含有第一螺旋盘管9和第二螺旋盘管10并充有相变蓄热材料，太阳能集热器16位于热水箱18的下面，热水箱18内含有换热盘管15和电加热器17，压缩机1的排气口与四通换向阀2的第一通孔连通，四通换向阀2的第二通孔与室内换热器3的入口端连通，室内换热器3的出口端同时与第一管路4的入口端和第二管路5的入口端连通，第一管路4的出口端和第二管路5的出口端同时与蓄热器8内第一螺旋盘管9的入口端连通，第一电磁阀6设置在第二管路5上，第一电子膨胀阀7设置在第一管路4上，第一螺旋盘管9的出口端同时与第三管路23的入口端和第八管路27的入口端连通，第八管路27的出口端与气液分离器28的入口端连通，第六电磁阀26设置在第八管路27上，第三管路23的出口端与室外换热器25的入口端连通，室外换热器25的出口端与四通换向阀2的第三通孔连通，四通换向阀2的第四通孔与气液分离器28的入口端连通，气液分离器28的出口端与压缩机1的吸气口连通。蓄热器8内第二螺旋盘管10的出口端与第七管路22的入口端连通，第七管路22的出口端与同时与第六管路20的入口端和太阳能集热器16的入口端连通，第五电磁阀21设置在第七管路22上，第六管路20的出口端与热水箱18内换热盘管15的入口端连通，第四电磁阀19设置在第六管路20上，换热盘管15的出口端与第五管路13的入口端连通，第五管路13的出口端同时与第四管路12的入口端和太阳能集热器16的出口端连通，第三电磁阀14设置在第五管路13上，第四管路12的出口端与蓄热器8内第二螺旋盘管10的入口端连通，第二电磁阀11设置在第四管路12上。
所述蓄热器8中相变蓄热材料的相变温度在10-25℃之间。
所述系统的控制方法为：
1）用于冬季制热工况为：
（a）当室外空气温度高于切换温度,切换温度在-7℃~-2℃之间取值时，对于空气源热泵侧，第六电磁阀26和第一电子膨胀阀7关闭，第一电磁阀6打开，第二电子膨胀阀24正常动作。对于太阳能集热器侧，第二电磁阀11和第五电磁阀21关闭，第三电磁阀14和第四电磁阀19打开。当太阳能不足时，启动电加热器17，与太阳能联合或单独制热水；
（b）当室外空气温度低于所述切换温度时，对于空气源热泵侧，当室内温度低于设定值1℃时，机组启动供热过程，第一电子膨胀阀7正常动作，第一电磁阀6和第二电子膨胀阀24关闭，第六电磁阀26打开，室内换热器3的风机正常运转；该过程蓄热器8放热，室内温度上升，当室内温度高于设定值1℃时，机组启动蓄热过程，第一电磁阀6打开，第六电磁阀26、第一电子膨胀阀7和室内换热器3的风机关闭，第二电子膨胀阀24正常动作。该过程蓄热器8蓄热，室内温度下降，当室内温度低于设定值1℃时，机组又切换为供热过程；对于太阳能集热器侧，第二电磁阀11和第五电磁阀21打开，第三电磁阀14和第四电磁阀19关闭，由电加热器17负责制热水；
2）用于夏季制冷工况为：对于空气源热泵侧，第一电磁阀6和第六电磁阀26关闭，第一电子膨胀阀7正常动作，第二电子膨胀阀23全开；对于太阳能集热器侧，第二电磁阀11和第五电磁阀21关闭，第三电磁阀14和第四电磁阀19打开，当太阳能不足时，与太阳能联合或单独制热水；
3）用于除霜工况为：第六电磁阀26、第一电子膨胀阀7和室内换热器3的风机关闭，第一电磁阀6打开，第二电子膨胀阀24正常动作，制冷剂的流程为：从压缩机1出来的高温高压气体制冷剂经四通换向阀2进到室外换热器25中冷凝放热，放出的热量用于除霜，出来的制冷剂被第二电子膨胀阀24节流变成低温低压的液体进到蓄热器8中，通过第一螺旋盘管9吸收相变蓄热材料中的热量蒸发变成气体后经第一电磁阀6、室内换热器3、四通换向阀2、气液分离器28回到压缩机1的吸气口。
本发明的一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统及其控制方法的有益效果体现在：
（1）在冬季使用时，可根据实际需要进行单级或拟复叠模式的切换，使得机组在很宽的室外温度范围内能保持稳定高效的运行，而且系统比复叠式系统简单，控制方法比复叠式系统更加灵活；
（2）集热器在冬季只需要集热到10~25℃，可大幅提升集热效率；夏季因太阳辐射较强，直接集热到所需的热水温度，如此可保证集热器全年使用，且冬夏均有较高的集热效率，经济性显著提高；
（3）太阳能集热系统和热泵系统相互独立，互不干扰，二者通过蓄热耦合起来，蓄热器蓄放热时间短，所需容积小，成本低，易于加工制作；
（4）在除霜时除霜速度快，室内温度下降少，舒适性大大提高，同时机组运行稳定，除霜彻底。
附图说明
图1是本发明的一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统结构示意图。
具体实施方式
参照图1，一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统，所述系统包括压缩机1、四通换向阀2、室内换热器3、第二电子膨胀阀24、室外换热器25、气液分离器28，所述系统还包括第一电子膨胀阀7、蓄热器8、太阳能集热器16、热水箱18、第一电磁阀6、第二电磁阀11、第三电磁阀14、第四电磁阀19、第五电磁阀21、第六电磁阀26、第一管路4、第二管路5、第三管路23、第四管路12、第五管路13、第六管路20、第七管路22和第八管路27，蓄热器8内含有第一螺旋盘管9和第二螺旋盘管10并充有相变蓄热材料，太阳能集热器16位于热水箱18的下面，热水箱18内含有换热盘管15和电加热器17，压缩机1的排气口与四通换向阀2的第一通孔连通，四通换向阀2的第二通孔与室内换热器3的入口端连通，室内换热器3的出口端同时与第一管路4的入口端和第二管路5的入口端连通，第一管路4的出口端和第二管路5的出口端同时与蓄热器8内第一螺旋盘管9的入口端连通，第一电磁阀6设置在第二管路5上，第一电子膨胀阀7设置在第一管路4上，第一螺旋盘管9的出口端同时与第三管路23的入口端和第八管路27的入口端连通，第八管路27的出口端与气液分离器28的入口端连通，第六电磁阀26设置在第八管路27上，第三管路23的出口端与室外换热器25的入口端连通，室外换热器25的出口端与四通换向阀2的第三通孔连通，四通换向阀2的第四通孔与气液分离器28的入口端连通，气液分离器28的出口端与压缩机1的吸气口连通。蓄热器8内第二螺旋盘管10的出口端与第七管路22的入口端连通，第七管路22的出口端与同时与第六管路20的入口端和太阳能集热器16的入口端连通，第五电磁阀21设置在第七管路22上，第六管路20的出口端与热水箱18内换热盘管15的入口端连通，第四电磁阀19设置在第六管路20上，换热盘管15的出口端与第五管路13的入口端连通，第五管路13的出口端同时与第四管路12的入口端和太阳能集热器16的出口端连通，第三电磁阀14设置在第五管路13上，第四管路12的出口端与蓄热器8内第二螺旋盘管10的入口端连通，第二电磁阀11设置在第四管路12上。所述蓄热器8中相变蓄热材料的相变温度在10-25℃之间。
根据图1提供的一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统，所述系统的控制方法为：
1）用于冬季制热工况为：
（a）当室外空气温度高于切换温度，切换温度在-7℃~-2℃之间取值时，对于空气源热泵侧，第六电磁阀26和第一电子膨胀阀7关闭，第一电磁阀6打开，第二电子膨胀阀24正常动作。制冷剂的流程如下：从压缩机1出来的高温高压气体制冷剂经四通换向阀2进到室内换热器3中冷凝放热，实现向室内的供热，出来的制冷剂经第一电磁阀6进到蓄热器8中过冷，将热量通过第一螺旋盘管9传递给相变蓄热材料储存起来，过冷后的制冷剂被第二电子膨胀阀24节流变成低温低压的液体，进到室外换热器25中吸收空气中的热量蒸发变成气体后经四通换向阀2、气液分离器28回到喷气增焓压缩机1的吸气口；对于太阳能集热器侧，第二电磁阀11和第五电磁阀21关闭，第三电磁阀14和第四电磁阀19打开。制冷剂的流程如下；从太阳能集热器16出来的高温气体制冷剂经第三电磁阀14进到热水箱18中冷凝放热，放出的热量通过换热盘管15被水吸收，之后变成液体经第四电磁阀19回到太阳能集热器16中继续被加热。该过程若出现太阳能不足，制取的热水不够时，则启动电加热器17，与太阳能联合或单独制热水；
（b）当室外空气温度低于所述切换温度时，控制方法为：对于空气源热泵侧，当室内温度低于设定值1℃，如室内温度20℃，而设定值为21℃时，机组启动供热过程，第一电子膨胀阀7正常动作，第一电磁阀6和第二电子膨胀阀24关闭，第六电磁阀26打开，室内换热器3的风机正常运转，制冷剂的流程为：从压缩机1出来的高温高压气体制冷剂经四通换向阀2进到室内换热器3中冷凝放热，实现向室内的供热，出来的制冷剂被第一电子膨胀阀7节流变成低温低压的液体进到蓄热器8中，通过第一螺旋盘管9吸收相变蓄热材料中的热量蒸发变成气体后经第六电磁阀26、气液分离器28回到压缩机1的吸气口。该过程蓄热器8放热，室内温度会上升，当室内温度高于设定值1℃，即22℃时，机组启动蓄热过程，第一电磁阀6打开，第六电磁阀26、第一电子膨胀阀7和室内换热器3的风机关闭，第二电子膨胀阀24正常动作，制冷剂的流程为：从压缩机1出来的高温高压气体制冷剂经四通换向阀2、室内换热器3、第一电磁阀6进到蓄热器8中冷凝放热，放出的热量通过第一螺旋盘管9传递给相变蓄热材料储存起来，出来的制冷剂被第二电子膨胀阀24节流变成低温低压的液体，进到室外换热器25中吸收空气中的热量蒸发变成气体后经四通换向阀2、气液分离器28回到压缩机1的吸气口。该过程蓄热器8蓄热，室内温度会下降，当室内温度低于设定值1℃，即20℃时，机组又切换为供热过程，至此完成了一个供热和蓄热循环。对于太阳能集热器侧，控制方法为，第二电磁阀11和第五电磁阀21打开，第三电磁阀14和第四电磁阀19关闭，制冷剂的流程为：从太阳能集热器16出来的高温气体制冷剂经第二电磁阀11进到蓄热器8中冷凝放热，放出的热量通过第二螺旋盘管10传递给相变蓄热材料储存起来，出来的液态制冷剂经第五电磁阀21进到太阳能集热器16中继续被加热。热水箱中的热水由电加热器17制得；
2）用于夏季制冷工况为：对于太阳能集热器侧，由于太阳能丰富，因此直接用于制热水，第二电磁阀11和第五电磁阀21关闭，第三电磁阀14和第四电磁阀19打开，制冷剂的流程为：从太阳能集热器16出来的高温气体制冷剂经第三电磁阀14进到热水箱18中冷凝放热，放出的热量通过换热盘管15给水加热，之后变成液体经第四电磁阀19回到太阳能集热器16中继续被加热。该过程若出现太阳能不足，制取的热水不够时，则启动电加热器17，与太阳能联合制热水。对于空气源热泵侧，当需要制冷运行时，第一电磁阀6和第六电磁阀26关闭，第一电子膨胀阀7正常动作，第二电子膨胀阀23全开，制冷剂的流程如下：从压缩机1出来的高温高压气体制冷剂经四通换向阀2进到室外换热器25中冷凝放热，放出的热量被室外空气带走，出来的制冷剂经蓄热器8被第一电子膨胀阀7节流变成低温低压的液体进到室内换热器3中，吸收室内空气的热量蒸发变成气体后经四通换向阀2、气液分离器28回到压缩机1的吸气口；
3）用于除霜工况为：第六电磁阀26、第一电子膨胀阀7和室内换热器3的风机关闭，第一电磁阀6打开，第二电子膨胀阀24正常动作，制冷剂的流程为：从压缩机1出来的高温高压气体制冷剂经四通换向阀2进到室外换热器25中冷凝放热，放出的热量用于除霜，出来的制冷剂被第二电子膨胀阀24节流变成低温低压的液体进到蓄热器8中，通过第一螺旋盘管9吸收相变蓄热材料中的热量蒸发变成气体后经第一电磁阀6、室内换热器3、四通换向阀2、气液分离器28回到压缩机1的吸气口。
本发明的集热器在冬季只需要集热到10~25℃，可大幅提升集热效率；夏季因太阳辐射较强，可直接集热到所需的热水温度，如此可保证集热器全年使用，且冬夏均有较高的集热效率，经济性显著提高。
本发明在室外空气温度高于切换温度时通过单级运行即可满足制热需求，此时的蓄热器8充当过冷器的作用，将机组多余的制热量储存在相变蓄热材料中，等到室外空气温度低于切换温度时再释放出来作为机组的低温热源，这样可实现能量的合理利用，系统更加节能；在室外空气温度低于切换温度时：由于蓄热器8内的压力为中间压力，这样无论在供热过程还是蓄热过程，压缩机的压缩比都大大降低，从而保证了机组在低温下的稳定运行。而且在有太阳能时，机组的制热量还会大幅增加。
本发明在除霜时蓄热器8作为低位热源，可为除霜过程提供充足的热量，不仅除霜速度快，除霜彻底，而且除霜期间系统运行稳定，室内温度下降少，舒适性大大提高。
本发明中的压缩机1还可以与变频技术相结合，通过变频让机组在供热和蓄热工况下高频运行，这样不仅能大幅提高机组在低温下的制热量，还能缩短蓄热时间，进一步提高室内的舒适性，提高系统的能效比。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (3)

1.一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统，所述系统包括压缩机（1）、四通换向阀（2）、室内换热器（3）、第二电子膨胀阀（24）、室外换热器（25）、气液分离器（28），其特征在于，所述系统还包括第一电子膨胀阀（7）、蓄热器（8）、太阳能集热器（16）、热水箱（18）、第一电磁阀（6）、第二电磁阀（11）、第三电磁阀（14）、第四电磁阀（19）、第五电磁阀（21）、第六电磁阀（26）、第一管路（4）、第二管路（5）、第三管路（23）、第四管路（12）、第五管路（13）、第六管路（20）、第七管路（22）和第八管路（27），蓄热器（8）内含有第一螺旋盘管（9）和第二螺旋盘管（10）并充有相变蓄热材料，太阳能集热器（16）位于热水箱（18）的下面，热水箱（18）内含有换热盘管（15）和电加热器（17），压缩机（1）的排气口与四通换向阀（2）的第一通孔连通，四通换向阀（2）的第二通孔与室内换热器（3）的入口端连通，室内换热器（3）的出口端同时与第一管路（4）的入口端和第二管路（5）的入口端连通，第一管路（4）的出口端和第二管路（5）的出口端同时与蓄热器（8）内第一螺旋盘管（9）的入口端连通，第一电磁阀（6）设置在第二管路（5）上，第一电子膨胀阀（7）设置在第一管路（4）上，第一螺旋盘管（9）的出口端同时与第三管路（23）的入口端和第八管路（27）的入口端连通，第八管路（27）的出口端与气液分离器（28）的入口端连通，第六电磁阀（26）设置在第八管路（27）上，第三管路（23）的出口端与室外换热器（25）的入口端连通，室外换热器（25）的出口端与四通换向阀（2）的第三通孔连通，四通换向阀（2）的第四通孔与气液分离器（28）的入口端连通，气液分离器（28）的出口端与压缩机（1）的吸气口连通，蓄热器（8）内第二螺旋盘管（10）的出口端与第七管路（22）的入口端连通，第七管路（22）的出口端与同时与第六管路（20）的入口端和太阳能集热器（16）的入口端连通，第五电磁阀（21）设置在第七管路（22）上，第六管路（20）的出口端与热水箱（18）内换热盘管（15）的入口端连通，第四电磁阀（19）设置在第六管路（20）上，换热盘管（15）的出口端与第五管路（13）的入口端连通，第五管路（13）的出口端同时与第四管路（12）的入口端和太阳能集热器（16）的出口端连通，第三电磁阀（14）设置在第五管路（13）上，第四管路（12）的出口端与蓄热器（8）内第二螺旋盘管（10）的入口端连通，第二电磁阀（11）设置在第四管路（12）上。
2.根据权利要求1所述的一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统，其特征在于，所述蓄热器（8）中相变蓄热材料的相变温度在10-25℃之间。
3.根据权利要求1所述的一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵系统，其特征在于，所述系统的控制方法为：
1）用于冬季制热工况为：
（a）当室外空气温度高于切换温度，切换温度在-7℃~-2℃之间取值时，对于空气源热泵侧，第六电磁阀（26）和第一电子膨胀阀（7）关闭，第一电磁阀（6）打开，第二电子膨胀阀（24）正常动作；对于太阳能集热器侧，第二电磁阀（11）和第五电磁阀（21）关闭，第三电磁阀（14）和第四电磁阀（19）打开；当太阳能不足时，启动电加热器（17），与太阳能联合或单独制热水；
（b）当室外空气温度低于所述切换温度时，对于空气源热泵侧，当室内温度低于设定值1℃时，机组启动供热过程，第一电子膨胀阀（7）正常动作，第一电磁阀（6）和第二电子膨胀阀（24）关闭，第六电磁阀（26）打开，室内换热器（3）的风机正常运转，该过程蓄热器（8）放热，室内温度上升，当室内温度高于设定值1℃时，机组启动蓄热过程，第一电磁阀（6）打开，第六电磁阀（26）、第一电子膨胀阀（7）和室内换热器（3）的风机关闭，第二电子膨胀阀（24）正常动作；该过程蓄热器（8）蓄热，室内温度下降，当室内温度低于设定值1℃时，机组又切换为供热过程，对于太阳能集热器侧，第二电磁阀（11）和第五电磁阀（21）打开，第三电磁阀（14）和第四电磁阀（19）关闭，由电加热器（17）负责制热水；
2）用于夏季制冷工况为：对于空气源热泵侧，第一电磁阀（6）和第六电磁阀（26）关闭，第一电子膨胀阀（7）正常动作，第二电子膨胀阀（23）全开，对于太阳能集热器侧，第二电磁阀（11）和第五电磁阀（21）关闭，第三电磁阀（14）和第四电磁阀（19）打开，当太阳能不足时，启动电加热器（17），与太阳能联合或单独制热水；
3）用于除霜工况为：第六电磁阀（26）、第一电子膨胀阀（7）和室内换热器（3）的风机关闭，第一电磁阀（6）打开，第二电子膨胀阀（24）正常动作，制冷剂的流程为：从压缩机（1）出来的高温高压气体制冷剂经四通换向阀（2）进到室外换热器（25）中冷凝放热，放出的热量用于除霜，出来的制冷剂被第二电子膨胀阀（24）节流变成低温低压的液体进到蓄热器（8）中，通过第一螺旋盘管（9）吸收相变蓄热材料中的热量蒸发变成气体后经第一电磁阀（6）、室内换热器（3）、四通换向阀（2）、气液分离器（28）回到压缩机（1）的吸气口。
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