CN108731084B - 一种太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统，包括室外侧热交换器、四通换向阀、气液分离器、压缩机、室内侧热交换器、膨胀阀、太阳能蓄热水箱、太阳能集热板、循环水泵、温度传感器、电路开关、电化霜加热管和电磁阀。本发明的优点：(1)本发明充分利用了太阳能，可以有效降低电能的消耗。(2)本发明的供暖系统可以在三种运行模式之间切换，在满足冬季供暖热水需求的情况下，最大限度地节能。(3)本发明能够在除霜时兼顾向室内供热，避免了逆循环除霜造成的室内温度降低、室内舒适性下降的问题(4)本发明利用太阳能蓄存的能量除霜，减少了压缩机的耗功及除霜时间，节能效果更好。

Description

一种太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，具体涉及一种太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统。
背景技术
随着常规能源的日益短缺和环境的严重污染，新能源的开发和利用越来越受到重视。太阳能分布范围广泛、安全环保，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。我国太阳能资源丰富，全年日照时间超过2200h的地区约占全国总面积的2/3，具有利用太阳能的经济价值。全年平均太阳能总辐照量为5.86GJ/m2，具有利用太阳能的良好条件。太阳能热水系统由于其方便经济的为人们提供热水而被广泛的应用于各地，但由于天气、昼夜等自然条件的影响，完全依靠太阳能供暖有一定的限制性，辅助能源在太阳能供暖系统中是必不可少的。
空气源热泵是一种利用部分高位能使热量由低温热源流向高温热源的装置，其具有节能环保、灵活性大、便于管理等众多优点。因此，太阳能与空气源热泵联合的供暖系统能够兼具节能、舒适、使用灵活的优点，充分利用太阳能资源，发挥清洁能源节能环保的优越性，同时不受天气影响，充分保证用户冬季全天候的供暖需求。
然而，空气源热泵在冬季运行时存在室外侧热交换器的结霜问题。霜层的形成既增大了热交换器表面的导热热阻，又增大了空气流过热交换器的阻力，从而降低了室外侧热交换器的传热系数，使机组制热量降低。
目前最常用的除霜方式为逆循环除霜与热气除霜。逆循环除霜通过四通换向阀换向，使制冷剂反向流动，从室内吸热排到室外侧热交换器以融霜，该方法存在较多缺点，如除霜时间较长、压缩机能耗较高、降低室内温度(除霜时需停止向室内供热)、四通换向阀频繁换向磨损严重等；热气除霜是将部分压缩机高温排气通入室外侧热交换器以融霜，该方法也存在除霜时间较长、压缩机能耗较高、排气温度较低等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统，本系统能够满足冬季供暖热水的需求，并充分利用可再生能源，从而减少了电能的消耗；本系统还能够克服传统空气源热泵除霜方式的缺点，利用太阳能除霜，在除霜时兼顾向室内供热，从而解决了室内温度降低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的一种太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统，包括：
太阳能蓄热水箱，所述太阳能蓄热水箱的集热出口端通过集热循环管道依次连接循环水泵、太阳能集热板和太阳能蓄热水箱的集热入口端，在所述的太阳能蓄热水箱上安装有用于检测太阳能蓄热水箱中的实时水温的第一温度传感器，在所述的太阳能蓄热水箱中安装有太阳能蓄热水箱的制冷剂盘管；
室内侧热交换器，在所述的室内侧热交换器内安装有室内侧热交换器的制冷剂盘管，所述的室内侧热交换器的出水口通过装有第三温度传感器的热供水管与室内采暖末端入口连通，所述的室内侧热交换器的进水口通过装有第二温度传感器以及第二电磁阀的热回水管与室内采暖末端出口连通；安装有第一电磁阀的第一管道用来将热回水管内的热回水送入太阳能蓄热水箱，安装有第三电磁阀的第二管道用来将太阳能蓄热水箱内的蓄热水送入热回水管；所述的第二温度传感器和第三温度传感器分别用于检测热回水温度及热供水温度，所述的第二电磁阀位于第二管道与热回水管相连的部位以及第一管道与热回水管相连的部位之间的热回水管上，装有第四电磁阀的第三管道的两端分别与热供水管的进水口处、热回水管的出水口处连通；
室外侧热交换器，在所述的室外侧热交换器内安装有制冷剂盘管以及电化霜加热管；所述的电化霜加热管通过电路开关及导线与220V交流电压相连，当太阳能蓄存的能量不足以满足除霜需求时辅助除霜；
气液分离器，所述的气液分离器顶部上的出口通过管线依次与压缩机、四通换向阀以及气液分离器侧壁上的入口相连；
一个制冷剂循环管道，用于接收从制冷剂盘管来的低温低压气态制冷剂，使制冷剂经过四通换向阀、第七电磁阀、室内侧热交换器的制冷剂盘管、第五电磁阀和膨胀阀后返回制冷剂盘管；
一个除霜用制冷剂输入管道，用于接收从太阳能蓄热水箱的制冷剂盘管来的低温低压气态除霜用制冷剂，使低温低压气态除霜用制冷剂经第八电磁阀送入制冷剂循环管道位于四通换向阀与第七电磁阀之间的第一管段；
一个除霜用制冷剂输出管道，用于接收从制冷剂循环管道位于膨胀阀与第五电磁阀之间的第二管段流出的低温低压液态除霜用制冷剂，并将低温低压液态除霜用制冷剂通过第六电磁阀送至太阳能蓄热水箱的制冷剂盘管的入口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明充分利用了太阳能，相较于单一空气源热泵系统，能够有效降低电能消耗。
本发明通过在太阳能蓄热水箱、热供水管、热回水管上安装温度传感器，检测实时水温，从而使太阳能与空气源热泵联合供暖系统在三种运行模式之间切换，在满足冬季供暖热水需求的情况下，最大限度地节能。
本发明能够在除霜时兼顾向室内供热，避免了逆循环除霜造成的室内温度降低、室内舒适性下降的问题。
本发明利用太阳能蓄存的能量除霜，减少了压缩机的耗功及除霜时间，节能效果更好。
附图说明
图1为本发明所述的太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统，包括：
太阳能蓄热水箱7，所述太阳能蓄热水箱7的集热出口端通过集热循环管道依次连接循环水泵9、太阳能集热板8和太阳能蓄热水箱7的集热入口端，在所述的太阳能蓄热水箱7上安装有用于检测太阳能蓄热水箱中的实时水温的第一温度传感器10，在所述的太阳能蓄热水箱7中安装有太阳能蓄热水箱7的制冷剂盘管7-1；
室内侧热交换器5，在所述的室内侧热交换器5内安装有室内侧热交换器5的制冷剂盘管5-1，所述的室内侧热交换器5的出水口通过装有第三温度传感器12的热供水管23-1与室内采暖末端入口连通，所述的室内侧热交换器5的进水口通过装有第二温度传感器11以及第二电磁阀16的热回水管23-2与室内采暖末端出口连通；安装有第一电磁阀15的第一管道23-3用来将热回水管23-2内的热回水送入太阳能蓄热水箱7，安装有第三电磁阀17的第二管道23-4用来将太阳能蓄热水箱7内的蓄热水送入热回水管23-2；所述的第二温度传感器11和第三温度传感器12分别用于检测热回水温度及热供水温度。所述的第二电磁阀16位于第二管道23-4与热回水管相连的部位以及第一管道23-3与热回水管相连的部位之间的热回水管上，装有第四电磁阀18的第三管道23-5的两端分别与热供水管23-1的进水口处、热回水管23-2的出水口处连通。
室外侧热交换器1，在所述的室外侧热交换器1内安装有制冷剂盘管1-1以及电化霜加热管14；所述的电化霜加热管14通过电路开关13及导线与220V交流电压相连，当太阳能蓄存的能量不足以满足除霜需求时辅助除霜。
气液分离器3，所述的气液分离器3顶部上的出口通过管线依次与压缩机4、四通换向阀2以及气液分离器3侧壁上的入口相连；也即：四通换向阀2的两个接口分别与气液分离器3的入口及压缩机4的出口相连；所述气液分离器3的出口与所述压缩机4的入口相连。
一个制冷剂循环管道23-8，用于接收从制冷剂盘管1-1来的低温低压气态制冷剂，使制冷剂经过四通换向阀2、第七电磁阀21、室内侧热交换器5的制冷剂盘管5-1、第五电磁阀19和膨胀阀6后返回制冷剂盘管1-1；
一个除霜用制冷剂输入管道23-7，用于接收从太阳能蓄热水箱7的制冷剂盘管7-1来的低温低压气态除霜用制冷剂，使低温低压气态除霜用制冷剂经第八电磁阀22送入制冷剂循环管道23-8位于四通换向阀2与第七电磁阀21之间的第一管段23-9；
一个除霜用制冷剂输出管道23-6，用于接收从制冷剂循环管道23-8位于膨胀阀6与第五电磁阀19之间的第二管段23-10流出的低温低压液态除霜用制冷剂，并将低温低压液态除霜用制冷剂通过第六电磁阀20送至太阳能蓄热水箱7的制冷剂盘管7-1的入口。
本实施例的太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统能够实现供暖与除霜两种功能，详细的工作流程如下：
一、供暖：
打开四通换向阀2，室外侧热交换器1的制冷剂盘管1-1的出口与气液分离器3的入口连通，室内侧热交换器5的制冷剂盘管5-1的入口与压缩机4的出口经第一管段23-9与第七电磁阀21连通；
低温低压的液态制冷剂首先进入室外侧热交换器1的制冷剂盘管1-1蒸发吸热，变为低温低压的气态制冷剂，随后进入气液分离器3使制冷剂气体与液体分离，再经过压缩机4，变为高温高压的气态制冷剂，之后进入室内侧热交换器5的制冷剂盘管5-1冷凝放热，将热量传递给回水，变为高温高压的液态制冷剂，最后经过膨胀阀6节流降压，再次变为低温低压的液态制冷剂，完成制冷循环；
此过程中，第五电磁阀19与第七电磁阀21始终打开，第六电磁阀20与第八电磁阀22始终关闭；
此过程中，第一温度传感器10、第二温度传感器11、第三温度传感器12实时检测太阳能蓄热水箱中的水温、热回水温度及热供水温度，使得供暖系统分为三种运行模式：
①太阳能单独供暖模式。当第一温度传感器10检测到的蓄热水箱实时水温高于第三温度传感器12检测到的热供水温度时，第一电磁阀15、第三电磁阀17、第四电磁阀18打开，第二电磁阀16关闭，由太阳能作为供暖系统的热源，热回水经第一管道23-3、第一电磁阀15流入太阳能蓄热水箱7，由太阳能蓄热水箱7加热后的热供水经第二管道23-4、第三电磁阀17、第三管道23-5、第四电磁阀18流入热供水管23-1；
②太阳能与空气源热泵(主要由室外侧热交换器1、压缩机4、室内侧热交换器5、膨胀阀6等装置构成)联合供暖模式。当第一温度传感器10检测到的蓄热水箱实时水温介于第二温度传感器11检测到的热回水温度及第三温度传感器12检测到的热供水温度之间时，第一电磁阀15、第三电磁阀17打开，第二电磁阀16、第四电磁阀18关闭，由太阳能与空气源热泵共同作为联合供暖系统的热源，热回水经第一管道23-3、第一电磁阀15首先流入太阳能蓄热水箱7，由太阳能蓄热水箱7加热后的热回水经第二管道23-4、第三电磁阀17、热回水管23-2再流入室内侧热交换器5，由室内侧热交换器5加热后的热供水流入热供水管23-1；
③空气源热泵单独供暖模式。当第一温度传感器10检测到的蓄热水箱实时水温低于第二温度传感器11检测到的热回水温度时，第二电磁阀16打开，第一电磁阀15、第三电磁阀17、第四电磁阀18关闭，由空气源热泵作为供暖系统的热源，热回水经热回水管23-2、第二电磁阀16流入室内侧热交换器5，由室内侧热交换器5加热后的热供水流入热供水管23-1。
二、除霜：
打开四通换向阀2，太阳能蓄热水箱7的制冷剂盘管7-1的出口与气液分离器3的入口连通，室外侧热交换器1的制冷剂盘管1-1的入口与压缩机4的出口通过四通换向阀2及制冷剂循环管道23-8连通；
此过程中，低温低压的液态制冷剂依次经过第二管段23-10、除霜用制冷剂输出管道23-6，进入太阳能蓄热水箱7的制冷剂盘管7-1蒸发吸收水箱中热水的热量，变为低温低压的气态制冷剂，随后经过除霜用制冷剂输入管道23-7与第一管段23-9进入气液分离器3使制冷剂气体与液体分离，再经过压缩机4，变为高温高压的气态制冷剂，之后进入室外侧热交换器1的制冷剂盘管1-1冷凝放热，从而融化室外侧热交换器1表面的霜层；
此过程中，第六电磁阀20与第八电磁阀22始终打开，第五电磁阀19与第七电磁阀21始终关闭；
此过程中，第一电磁阀15、第三电磁阀17、第四电磁阀18打开，第二电磁阀16关闭，使太阳能蓄热水箱7在除霜期间持续向室内供热，避免了传统逆循环除霜方式造成的室内温度大幅降低、室内舒适性大幅下降的问题。
此过程中，当太阳能蓄热水箱蓄存的能量不能同时满足除霜与供暖的要求时，闭合电路开关13，220V交流电压给电化霜加热管14通电使其发热，辅助除霜。

Claims (1)

1.一种太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统，其特征在于包括：
太阳能蓄热水箱，所述太阳能蓄热水箱的集热出口端通过集热循环管道依次连接循环水泵、太阳能集热板和太阳能蓄热水箱的集热入口端，在所述的太阳能蓄热水箱上安装有用于检测太阳能蓄热水箱中的实时水温的第一温度传感器，在所述的太阳能蓄热水箱中安装有太阳能蓄热水箱的制冷剂盘管；
室内侧热交换器，在所述的室内侧热交换器内安装有室内侧热交换器的制冷剂盘管，所述的室内侧热交换器的出水口通过装有第三温度传感器的热供水管与室内采暖末端入口连通，所述的室内侧热交换器的进水口通过装有第二温度传感器以及第二电磁阀的热回水管与室内采暖末端出口连通；安装有第一电磁阀的第一管道用来将热回水管内的热回水送入太阳能蓄热水箱，安装有第三电磁阀的第二管道用来将太阳能蓄热水箱内的蓄热水送入热回水管；所述的第二温度传感器和第三温度传感器分别用于检测热回水温度及热供水温度，所述的第二电磁阀位于第二管道与热回水管相连的部位以及第一管道与热回水管相连的部位之间的热回水管上，装有第四电磁阀的第三管道的两端分别与热供水管的进水口处、热回水管的出水口处连通；
室外侧热交换器，在所述的室外侧热交换器内安装有制冷剂盘管以及电化霜加热管；所述的电化霜加热管通过电路开关及导线与220V交流电压相连，当太阳能蓄存的能量不足以满足除霜需求时辅助除霜；
气液分离器，所述的气液分离器顶部上的出口通过管线依次与压缩机、四通换向阀以及气液分离器侧壁上的入口相连；
一个制冷剂循环管道，用于接收从制冷剂盘管来的低温低压气态制冷剂，使制冷剂经过四通换向阀、第七电磁阀、室内侧热交换器的制冷剂盘管、第五电磁阀和膨胀阀后返回制冷剂盘管；
一个除霜用制冷剂输入管道，用于接收从太阳能蓄热水箱的制冷剂盘管来的低温低压气态除霜用制冷剂，使低温低压气态除霜用制冷剂经第八电磁阀送入制冷剂循环管道位于四通换向阀与第七电磁阀之间的第一管段；
一个除霜用制冷剂输出管道，用于接收从制冷剂循环管道位于膨胀阀与第五电磁阀之间的第二管段流出的低温低压液态除霜用制冷剂，并将低温低压液态除霜用制冷剂通过第六电磁阀送至太阳能蓄热水箱的制冷剂盘管的入口；
太阳能与空气源热泵联合供暖兼除霜系统能够实现供暖与除霜两种功能，工作过程如下：
其中，供暖步骤为：
打开四通换向阀，室外侧热交换器的制冷剂盘管的出口与气液分离器的入口连通，室内侧热交换器的制冷剂盘管的入口与压缩机的出口经第一管段与第七电磁阀连通；
低温低压的液态制冷剂首先进入室外侧热交换器的制冷剂盘管蒸发吸热，变为低温低压的气态制冷剂，随后进入气液分离器使制冷剂气体与液体分离，再经过压缩机，变为高温高压的气态制冷剂，之后进入室内侧热交换器的制冷剂盘管冷凝放热，将热量传递给回水，变为高温高压的液态制冷剂，最后经过膨胀阀节流降压，再次变为低温低压的液态制冷剂，完成制冷循环；
此过程中，第五电磁阀与第七电磁阀始终打开，第六电磁阀与第八电磁阀始终关闭；
此过程中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器实时检测太阳能蓄热水箱中的水温、热回水温度及热供水温度，使得供暖系统分为三种运行模式：
太阳能单独供暖模式：当第一温度传感器检测到的蓄热水箱实时水温高于第三温度传感器检测到的热供水温度时，第一电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀打开，第二电磁阀关闭，由太阳能作为供暖系统的热源，热回水经第一管道、第一电磁阀流入太阳能蓄热水箱，由太阳能蓄热水箱加热后的热供水经第二管道、第三电磁阀、第三管道、第四电磁阀流入热供水管；
太阳能与空气源热泵联合供暖模式：当第一温度传感器检测到的蓄热水箱实时水温介于第二温度传感器检测到的热回水温度及第三温度传感器检测到的热供水温度之间时，第一电磁阀、第三电磁阀打开，第二电磁阀、第四电磁阀关闭，由太阳能与空气源热泵共同作为联合供暖系统的热源，热回水经第一管道、第一电磁阀首先流入太阳能蓄热水箱，由太阳能蓄热水箱加热后的热回水经第二管道、第三电磁阀、热回水管再流入室内侧热交换器，由室内侧热交换器加热后的热供水流入热供水管；
空气源热泵单独供暖模式：当第一温度传感器检测到的蓄热水箱实时水温低于第二温度传感器检测到的热回水温度时，第二电磁阀打开，第一电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀关闭，由空气源热泵作为供暖系统的热源，热回水经热回水管、第二电磁阀流入室内侧热交换器，由室内侧热交换器加热后的热供水流入热供水管；
除霜过程为：
打开四通换向阀，太阳能蓄热水箱的制冷剂盘管的出口与气液分离器的入口连通，室外侧热交换器的制冷剂盘管的入口与压缩机的出口通过四通换向阀及制冷剂循环管道连通；
此过程中，低温低压的液态制冷剂依次经过第二管段、除霜用制冷剂输出管道，进入太阳能蓄热水箱的制冷剂盘管蒸发吸收水箱中热水的热量，变为低温低压的气态制冷剂，随后经过除霜用制冷剂输入管道与第一管段进入气液分离器使制冷剂气体与液体分离，再经过压缩机，变为高温高压的气态制冷剂，之后进入室外侧热交换器的制冷剂盘管冷凝放热，从而融化室外侧热交换器表面的霜层；
此过程中，第六电磁阀与第八电磁阀始终打开，第五电磁阀与第七电磁阀始终关闭；
此过程中，第一电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀打开，第二电磁阀关闭，使太阳能蓄热水箱在除霜期间持续向室内供热；
此过程中，当太阳能蓄热水箱蓄存的能量不能同时满足除霜与供暖的要求时，闭合电路开关，220V交流电压给电化霜加热管通电使其发热，辅助除霜。
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