CN109099614B - 一种新型太阳能无霜空气源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，包括光热光电系统、溶液循环系统、热泵系统；该系统利用溶液除湿系统实现了冬季热泵的无霜高效运行，利用光热系统提高了溶液再生的热源利用率，利用光电系统解决了系统内负载的耗能问题，同时系统冬夏皆能制取热水且可用于空调末端的室内调节。这种系统解决了传统空气源热泵冬季室外换热器的结霜问题以及除湿溶液的再生问题，充分利用了太阳能，体现了可持续发展的空调理念。

Description

一种新型太阳能无霜空气源热泵系统

技术领域

本发明属于太阳能及空气源热泵领域，具体涉及一种新型太阳能无霜空气源热泵系统。

背景技术

目前针对结霜这一问题传统的方法主要包括电加热除霜、热气旁通除霜和逆循环除霜等。电融霜虽然是一种简单，可操作性强的方法但是效率不高，逆循环除霜需要四通阀换向因而降低了室内温度，影响了人体舒适度。热气旁通除霜尽管不需要吸取室内热量，同时能提供少量的热量，避免了除霜时吹冷风感，供水温度下降较缓慢，但除霜时间过长将致室内温度下降。针对以上问题，大量学者从抑制结霜和缩短融霜时间的角度出发，对蒸发器表面翅片的材料及翅片的形状、大小、安装方式等进行了研究，开发出一系列优于传统翅片性能的新型翅片，在此基础上除霜方式也有所创新，应用溶液除湿剂对空气预处理的无霜空气源热泵逐渐进入学者们的视野。

太阳能作为一种清洁有效的能源是国家倡导的新能源利用的重要手段之一，而热泵冬季效率低且需要额外的除霜功耗。所以如果可以把太阳能集热与发电技术与热泵技术结合，提高热泵冬季效率并使系统稳定，那么既符合现代社会对室内热环境的要求，也是一种开源节流手段。

现有的空调系统对象多集中在封闭式空间，且利用太阳能的空调系统只利用了其光热部分，利用效率低，系统电耗大。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，利用太阳能提供电能并辅助再生，溶液除湿保证无霜运行，提高了热泵的性能系数。

本发明公开了一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，包括光热光电系统、溶液循环系统和热泵循环系统；光热光电系统主要用于供热与供电，为溶液循环系统中的风机与水泵提供电能，同时在溶液再生时以加热水的方式为溶液再生提供热源，同时也可以起到独立加热热水与辅助热泵加热热水的目的；溶液循环用于冬季结霜工况时预先除去空气中的水蒸气已实现热泵的无霜运行同时也能提高热泵的运行效率。

所述光热光电系统包括将太阳能转化成热能和电能的光热光电一体化模块、控制器、用于存储电能的蓄电池和用于存储热能的蓄热水箱；

所述溶液循环系统包括溶液塔、溶液泵、板式换热器、稀溶液加热器、轴流风机和翅片式风冷换热器；所述溶液泵和板式换热器均与溶液塔相连，该溶液塔包括风道，该轴流风机和翅片式风冷换热器置于风道内，该轴流风机设置在翅片式风冷换热器和溶液塔之间，该溶液泵的另一端与稀溶液加热器相连，所述板式换热器通过阀与翅片式风冷换热器相连，该稀溶液加热器与板式换热器相连；

所述热泵循环系统包括压缩机、四通换向阀水氟换热水器；所述四通换向阀分别与压缩机、翅片式风冷换热器、水氟换热水器直接相连，所述板式换热器通过阀与四通换向阀相连；

所述光热光电一体化模块的进水端通过水泵与水氟换热水器的入水端、稀溶液加热器的回水端、蓄热水箱的出水端相连；

所述光热光电一体化模块的出水端与蓄热水箱的入水端、水氟换热水器和稀溶液加热器相连；

所述溶液塔中设有填料，该填料包括除湿剂。

夏季运行时，所述翅片式风冷换热器通过四通换向阀获取来自压缩机的高温高压蒸汽，溶液塔的气体端与翅片式风冷换热器相连在翅片式风冷换热器中实现蒸汽与来自溶液塔的空气进行冷却换热，该溶液塔的溶液端与板式换热器相连在板式换热器中实现与溶液塔的冷却水换热过冷，所述板式换热器与水氟换热水器相连在水氟换热水器中实现冷却水制取，该水氟换热水器通过四通换向阀与压缩机相连，实现循环；

冬季供热时，该溶液塔与外界空气进行传质传热得到除湿后的空气和被稀释的溶液，除湿后的空气与工质在翅片式风冷换热器中传热，被稀释的溶液在板式换热器中进行传热；

高温高压蒸汽经过四通换向阀进入水氟换热水器加热水氟换热水器中的水，该水氟换热水器与板式换热器相连在板式换热器中工质实现进一步气化，该板式换热器与翅片式风冷换热器相连在翅片式风冷换热器中实现工质成为过热低压蒸汽，该翅片式风冷换热器通过四通换向阀转入压缩机，实现循环。

进一步的，所述光热光电一体化模块的出水端通过三通阀与水氟换热水器、稀溶液加热器。

进一步的，所述溶液泵、水泵和轴流风机所需电能由蓄电池提供。

进一步的，所述溶液循环系统还包括第一膨胀阀和第一旁通阀，所述第一膨胀阀与第一旁通阀并联，该第一膨胀阀一端与翅片式风冷换热器相连，另一端与板式换热器相连。

进一步的，所述热泵循环系统包括第二膨胀阀和第二旁通阀，所述第二膨胀阀与第二旁通阀并联，该第二膨胀阀的一端与水氟换热水器相连，另一端与板式换热器相连，该第二膨胀阀的一端通过第三旁通阀与四通换向阀相连。

进一步的，所述除湿剂为氯化锂溶液。

进一步的，所述溶液塔的风道中还包括第一风阀、第二风阀和第三风阀，所述第一风阀用于将室外空气接入风道，所述第二风阀为循环风道阀，所述第三风阀作为风道的出风口。

进一步的，所述蓄热水箱设有水箱补水端和水箱热水出水端。

进一步的，所述溶液塔设有补水端。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)利用太阳能驱动装置运行，太阳能利用效率高，节能效果显著；利用蓄热水箱及蓄电池，系统运行稳定。

(2)使用了溶液除湿系统，对空气进行了预处理，解决了冬季室外换热器的结霜问题。

(3)使用了太阳能光热光电系统，生产生活热水的同时，解决了溶液再生的热源问题，起到了辅助再生的功能。

(4)利用光电系统，解决了泵与风机的耗能问题，并入电网还有可能节电。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明。

如图1所示的一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，包括光热光电系统、溶液循环系统和热泵循环系统，其中，

光热光电系统包括光热光电一体化模块11、控制器12、蓄电池13和蓄热水箱14；光热光电一体化模块11将太阳能转化成热能储存在蓄热水箱14中，并将太阳能转化成电能储存在蓄电池13中，该光热光电一体化模块11的出水端分为两路，一路通过截止阀19接入蓄热水箱14的进水端，另一路通过截止阀20与三通阀25相连，水氟换热水器15与稀溶液加热器16均通过三通阀25接入光热光电一体化模块11的出水端的另一路。该光热光电一体化模块11的进水端设置有水泵17，有两路接入此水泵17，一路为水氟换热水器15(设有a、b、c、d四个端口)的b入水端或/和稀溶液加热器16(设有a、b、c、d四个端口)的a回水端，另一路接蓄热水箱14的出水端，所述蓄热水箱14通过截止阀21设有水箱补水端，通过截止阀22设有水箱热水出水端。

溶液循环系统包括溶液塔10、溶液泵18、板式换热器6、稀溶液加热器16、轴流风机29、翅片式风冷换热器3、第一风阀26、第二风阀27和第三风阀28；

热泵循环包括压缩机1、四通换向阀2、翅片式风冷换热器3、板式换热器6和水氟换热水器15。

溶液泵18、水泵17、轴流风机29所需电能均由蓄电池13提供，用太阳能驱动装置运行，太阳能利用效率高，节能效果显著；利用蓄热水箱14及蓄电池13，系统运行稳定。

夏季运行时，工质在压缩机1中获得能量成为高温高压蒸汽，经四通换向阀2后进入翅片式风冷换热器3中与来自溶液塔10的空气进行冷却换热后，通过第一旁通阀5(第一膨胀阀4关闭)，在板式换热器6中与来自溶液塔10的冷却水进行换热过冷，该冷却水由截止阀31外导入，而后在第二膨胀阀7(第二旁通阀8，第三旁通阀9关闭)中节流为两相工质，工质在水氟换热水器15中与水氟换热水器15内的冷冻水换热，消耗冷量，制取冷冻水，此时三通阀25关闭，其后工质经四通换向阀2回到压缩机1中开启下一轮循环。

与此同时，当太阳光照强烈时，光热光电系统同时运行，光热光电一体化模块11产生的热水储存在蓄热水箱14，此时截止阀20和截止阀24关闭，截止阀19、截止阀21、截止阀22和截止阀23均打开，水泵17打开，并在控制器12的作用下输出电能在水泵17、轴流风机29等负载和蓄电池13中，如此，蓄热水箱14制取了热水，水氟换热水器15制取了冷水，同时过冷了制冷剂，提高了本系统的COP，夏季溶液塔10中的自来水在运行中不断减少，因而需要定时补水，本系统对此增设了截止阀31，接入了补水设备。

冬季供热工况运行时，溶液塔10通过截止阀31外导入氯化锂溶液，工质在压缩机1中获得能量成为高压高温蒸汽，经四通换向阀2后进入水氟换热水器15消耗热能，此时第三旁通阀9关闭，加热水氟换热水器15中的水，经第二膨胀阀7(第二旁通阀8关闭)节流成为两相工质，该工质在板式换热器6中与除湿后升温的氯化锂溶液换热进一步气化，而后通过第一旁通阀5，此时第一膨胀阀4关闭，后在翅片式风冷换热器3中与来自溶液塔10中被除湿后的空气进行换热，工质吸热后成为过热低压蒸汽，最后通过四通换向阀2转入压缩机1，重新循环。

与此同时，溶液循环系统一直运行，第二风阀27关闭，第一风阀26、第三风阀28和溶液泵18打开，轴流风机29打开，室外空气在溶液塔10中与除湿剂传质传热，空气被除湿后与工质在翅片式风冷换热器3中传热，被稀释的氯化锂溶液与工质在板式换热器6中换热。

此时，对于光热光电系统，三通阀25接入水氟换热水器15的一侧关闭，其他两侧打开，当太阳光照强烈，截止阀19、截止阀20、截止阀21、截止阀22、截止阀23和截止阀24均打开，水泵17打开，光热光电系统制取的热水存入蓄热水箱14中同时通过截止阀21被取用，另一路经截止阀24和三通阀25流入水氟换热水器15中加热制取热水，另一路经截止阀23泵回到光热光电系统，同时控制器12将电能送入水泵17，轴流风机29等负载及蓄电池13。当太阳光照较弱时，截止阀19、截止阀21、截止阀22和截止阀23打开，截止阀20和截止阀24关闭。如此，生活热水在蓄热水箱14与水氟换热水器15中制取，耗能负载的电能由发热光电系统提供且由于空气被除湿，因而翅片式风冷换热器3不会结霜。

冬季再生工况运行时除湿后的氯化锂溶液被稀释，丧失了除湿能力，因而需要再生，此时在原供热工况需将第二旁通阀8打开，第二膨胀阀7关闭，第一风阀26和第三风阀28关闭，第二风阀27打开，此时工质经水氟换热水器15，冷凝后的高压中温制冷剂液体直接在板式换热器6中将冷凝余热传给稀溶液，使其温度升高，表面水蒸气分压力升高后与空气进行传热传质，空气吸收水分后，到翅片式风冷换热器3中冷凝出水降温降湿在风道中不断循环，直至溶液重新获得除湿能力。

此时，若太阳光照强烈，则三通阀25全开，截止阀19、截止阀20、截止阀21、截止阀22、截止阀23和截止阀24全开，光热光电系统制取的高温热水一部分续存在蓄热水箱14中供取用，另一路到水氟换热水器15中制取热水，另一路到稀溶液换热器16中加热稀溶液为溶液再生提供热源。若太阳光照较弱，截止阀19、截止阀21、截止阀22和截止阀23打开，截止阀20和截止阀24关闭，热水蓄存在蓄热水箱14中。

Claims (7)

1.一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，其特征在于：包括光热光电系统、溶液循环系统和热泵循环系统；

所述光热光电系统包括将太阳能转化成热能和电能的光热光电一体化模块(11)、控制器(12)、用于存储电能的蓄电池(13)和用于存储热能的蓄热水箱(14)；

所述溶液循环系统包括溶液塔(10)、溶液泵(18)、板式换热器(6)、稀溶液加热器(16)、轴流风机(29)和翅片式风冷换热器(3)；所述溶液泵(18)和板式换热器(6)均与溶液塔(10)相连，该溶液塔(10)包括风道，该轴流风机(29)和翅片式风冷换热器(3)置于风道内，该轴流风机(29)设置在翅片式风冷换热器(3)和溶液塔(10)之间，该溶液泵(18)的另一端与稀溶液加热器(16)相连，所述板式换热器(6)通过并联的第一膨胀阀(4)和第一旁通阀(5)与翅片式风冷换热器(3)相连，该稀溶液加热器(16)与板式换热器(6)相连；所述第一膨胀阀(4)与第一旁通阀(5)并联，该第一膨胀阀(4)一端与翅片式风冷换热器(3)相连，另一端与板式换热器(6)相连；

所述热泵循环系统包括压缩机(1)、四通换向阀(2)水氟换热水器(15)；所述四通换向阀(2)分别与压缩机(1)、翅片式风冷换热器(3)、水氟换热水器(15)直接相连，所述板式换热器(6)通过并联的第二膨胀阀(7)和第二旁通阀(8)与四通换向阀(2)相连；所述第二膨胀阀(7)与第二旁通阀(8)并联，该第二膨胀阀(7)的一端与水氟换热水器(15)相连，另一端与板式换热器(6)相连，该第二膨胀阀(7)的一端通过第三旁通阀(9)与四通换向阀(2)相连；

所述光热光电一体化模块(11)的进水端通过水泵(17)与水氟换热水器(15)的入水端、稀溶液加热器(16)的回水端、蓄热水箱(14)的出水端相连；

所述光热光电一体化模块(11)的出水端与蓄热水箱(14)的入水端、水氟换热水器(15)和稀溶液加热器(16)相连；

所述溶液塔(10)中设有填料，该填料包括除湿剂。

2.根据权利要求1所述的一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述光热光电一体化模块(11)的出水端通过三通阀(25)与水氟换热水器(15)、稀溶液加热器(16)。

3.根据权利要求1所述的一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液泵(18)、水泵(17)和轴流风机(29)所需电能由蓄电池(13)提供。

4.根据权利要求1所述的一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述除湿剂为氯化锂溶液。

5.根据权利要求1所述的一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液塔(10)的风道中还包括第一风阀(26)、第二风阀(27)和第三风阀(28)，所述第一风阀(26)用于将室外空气接入风道，所述第二风阀(27)为循环风道阀，所述第三风阀(28)作为风道的出风口。

6.根据权利要求1所述的一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述蓄热水箱(14)设有水箱补水端和水箱热水出水端。

7.根据权利要求1所述的一种新型太阳能无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液塔(10)设有补水端。

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