CN110068144A - 太阳能-空气能复合蒸发器、控制方法及热泵热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能‑空气能复合蒸发器及其控制方法，蒸发器包括由底面和四周边框围成的外壳、吸热管，吸热管里面循环流通有冷媒，外壳的顶部设置有能透光和反光的盖板，盖板的一侧与外壳的其中一边框通过转轴连接，用于打开或者关闭外壳的顶部开口，外壳内还设置有集热板，集热板位于所述吸热管的下方且与所述吸热管相接触设置，吸热管的表面和/或集热板的上表面设置有吸光涂层。本发明通过设置可以旋转的盖板，并根据环境温度和冷媒蒸发温度的差值来判断太阳的辐照强度，进而控制盖板所处的位置，从而实现无论在什么环境条件下，吸热管内冷媒与环境空气及太阳能的换热效率都能达到最高，即可大幅提高冷媒的蒸发温度，提高热泵的能效比。

Description

太阳能-空气能复合蒸发器、控制方法及热泵热水器
技术领域
本发明涉及一种蒸发器，具体地说，是涉及一种太阳能-空气能复合蒸发器。
背景技术
空气源热泵在环境温度较低时制热效果差，能效低，系统无法稳定运行，通常要引入辅助热源来解决这一问题，其中太阳能因能量品味高，节能环保等优点而成为了辅助空气源热泵很好的选择。目前太阳能和空气能结合的方式主要是直膨式和非直膨式两种热泵系统，非直膨式主要是增加一个太阳能集热器，该集热器可以和空气蒸发器串联、并联和混联，该方式增加的初投资较大，主要用于大中型系统，而直膨式是太阳能和空气能共用一个蒸发器（主要为吹涨式和翅片管式，统称裸板式），结构简单，占地面积小，初投资低，主要用于制取生活热水，在辐射照度较强时，热泵的能效比较高，相比于普通的空气源热泵具有较大节能优，已经在南方部分地区得到应用，但在辐射照度一般，环境温度较低时，由于蒸发器的集热效果差，集热效率低，导致热泵的能效非常低，甚至不能运行，主要依靠电加热制取热水，此时系统已经失去了节能意义，所以有必要研发新的太阳能-空气能复合蒸发器来解决这一问题。
发明内容
本发明为了解决现有直膨式太阳能热泵在环境温度较低、太阳辐射照度一般或没有时蒸发器集热效果差导致热泵制热效果差、能效低和太阳辐射照度强时蒸发器散热严重的技术问题，提出了一种太阳能-空气能复合蒸发器，可以解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种太阳能-空气能复合蒸发器，包括由底面和四周边框围成的外壳、设置在所述外壳内的吸热管，所述吸热管里面循环流通有冷媒，所述外壳的顶部设置有透光的盖板，冷媒流经吸热管时吸收热量，所述盖板的一侧与所述外壳的其中一边框通过转轴连接，用于打开或者关闭外壳顶部的开口，所述外壳内还设置有集热板，所述集热板位于所述吸热管的下方且与所述吸热管相接触设置，所述吸热管的外表面和/或所述集热板的上表面设置有吸光涂层。
进一步的，还包括集热反光板，所述集热反光板与所述盖板固定且位于所述盖板的下方，且两者之间具有间隙，所述集热反光板的上表面涂有吸光涂层，所述集热反光板的下表面涂有反光涂层，所述盖板打开时，照射到集热反光板下表面上的太阳光被反射到吸热管及集热板上，转化成热量被吸热管里边的低温冷媒吸收，冷媒同时吸收空气中的热量，所述盖板关闭时，集热反光板的下表面与所述吸热管相接触，太阳光透过所述盖板照射到集热反光板上，被吸光涂层转化成热量并被吸热管里的冷媒吸收。
进一步的，所述吸光涂层材料为黑铬、黑镍、黑漆中的一种，所述反光涂层材料为银粉、铝粉、聚碳酸脂中的一种。
进一步的，所述盖板包括左右两个分盖板，分别为第一分盖板和第二分盖板，且该两个分盖板呈对开式分别与所述外壳相对的两边框连接，两个分盖板关闭时，所述外壳的顶部开口完全封闭。
本发明同时提出了一种太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，该方法基于前面所述的太阳能-空气能复合蒸发器，所述控制方法包括：在两个分盖板关闭的前提条件下，当环境温度Ta与吸热管里面冷媒的蒸发温度Te的差值△T满足：△T> T1时，两个分盖板打开，使所述外壳顶部的开口达到最大，其中，T1的取值范围为：T1>15℃。
进一步的，在两个分盖板关闭的前提条件下，当环境温度Ta与吸热管里面冷媒的蒸发温度Te的差值△T满足：T2＜△T＜T1℃，则第一分盖板打开，正常反射太阳光，其中，T2的取值范围为：T1- T2>4℃。
进一步的，第一分盖板打开时间满足时间t1之后，若△T满足：△T＜T3，则第二分盖板打开，否则第一分盖板关闭，其中，T3的取值范围为：T3＜T2，时间t1的取值范围为：t1>5min。
进一步的，第二分盖板打开时间满足时间t2之后，若△T满足：△T＜T4，则第二分盖板保持打开，否则关闭，其中，T4的取值范围为：T4＜T3，时间t2的取值范围为：t2>5min。
进一步的，在两个分盖板关闭的前提条件下，当环境温度Ta与吸热管里面冷媒的蒸发温度Te的差值△T满足：若△T满足：△T＜T5，则两个分盖板保持关闭，其中，T5的取值范围为：T5＜T4。
进一步的，在两个分盖板关闭的前提条件下，当吸热管里面冷媒的蒸发温度Te>T6，则其中的一个分盖板打开，所述打开的分盖板的开口大小可依据Te的大小而变化，直至满足Te≤T6，其中，T6的取值范围为：T6>25℃。
进一步的，所述外壳与吸热管、集热板之间的空隙设置有保温层。
进一步的，所述盖板与所述外壳相连接的转轴部设置有电机，所述电机的动力输出轴与所述盖板和边框相连接的转轴转动连接，用于带动所述盖板绕轴转动。
本发明同时提出了一种热泵热水器，包括水箱、压缩机、节流阀以及蒸发器，所述冷凝器与所述蒸发器通过冷媒管道连通，压缩机驱动冷媒在所述冷媒管道中循环，用于将冷媒从蒸发器中吸收的热量转移到冷凝器中，给水箱里的水加热，所述蒸发器为前面所述的太阳能-空气能复合蒸发器。
进一步的，所述蒸发器进行除霜时，热泵系统发出除霜指令，控制所述盖板关闭，并控制冷媒进行逆循环除霜，吸热管里的冷媒将吸热管及集热板表面的霜融掉。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
（1）本发明的太阳能-空气能复合蒸发器，通过设置可以旋转的盖板，使其能够灵活的根据不同的太阳辐照强度进行调整，使盖板处于不同的位置，从而实现无论在什么环境条件下，吸热管内冷媒与环境空气及太阳能的换热效率都能达到最高。具体地，当太阳辐照强时，盖板关闭，将整个蒸发器密封，此时盖板起到透光和保温的作用；当太阳辐照一般时，一个分盖板打开，一个关闭；当太阳辐照弱时，盖板打开，此时盖板起到聚光的作用，冷媒同时吸收太阳能和空气能，从而大幅提高冷媒的蒸发温度，提高热泵的能效比。
（2）与现有的利用辐照仪测量太阳辐照强度来控制盖板的方法相比，本发明提出的根据环境温度和冷媒蒸发温度的差值变化来控制盖板开启/关闭的方法具有控制简单、成本低、效果好的优点。
（3）本发明在除霜时，盖板关闭，可避免蒸发器内部高温热量向外界的散热，从而可大幅缩短除霜时间，减少除霜能量，进一步提高热泵的能效比。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提出的太阳能-空气能复合蒸发器的一种实施例结构（旋转盖板关闭）示意图；
图2是图1的旋转盖板开启状态示意图；
图3是本发明所提出的太阳能-空气能复合蒸发器的再一种实施例结构（两个旋转盖板均关闭）示意图；
图4是图3的两个旋转盖板完全开启状态示意图。
图5是图3的其中的一个旋转盖板开启状态示意图；
图6是图3的其中的两个旋转盖板开启状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，目前的单空气源热泵在环境温度较低时制热效果差，能效低，系统无法稳定运行，而太阳能热泵受天气因素影响较大，太阳光充足时制热能力强，而太阳光弱或者没太阳光时制热能力降低，本实施例提出了一种太阳能-空气能复合蒸发器，如图1所示，包括由底面11和四周边框12围成的外壳1、设置在外壳11内的吸热管13，吸热管13里面循环流通有冷媒，外壳的顶部设置有能透光的盖板14，冷媒流经吸热管13时吸收热量，盖板14与四周边框 12搭接，且盖板14的一侧与外壳的其中一边框121通过转轴15连接，盖板14能够绕转轴15转动，用于控制外壳顶部开口的打开或者关闭，盖板14打开或者关闭的时机根据太阳辐射照度的强弱而定，吸热管13中循环流动有低温冷媒，外壳11内还设置有集热板16，集热板16位于吸热管13的下方且与吸热管13焊接在一起相，吸热管13的表面和/或集热板16的上表面设置有吸光涂层，有利于吸收阳光中的热量。
所述蒸发器的工作原理为：当太阳辐射照度较强时，盖板14关闭，阳光透光盖板14照射到吸热管13和集热板16的表面，被其表面的吸光涂层吸收转化成热量传递给吸热管13里的低温冷媒，冷媒吸热汽化，在压缩机的驱动下，将热量转移到冷凝器中，用于加热水，如此循环；当太阳辐射照度较弱时，盖板14打开，此时阳光直接照射到吸热管13和集热板16的表面，转化成热量用于加热冷媒，同时冷媒还能吸收空气中的热量。与传统的太阳能热泵蒸发器相比，本实施例的的太阳能-空气能复合蒸发器，通过设置可以旋转的盖板，使其能够根据不同的太阳辐照度调整采用不同的换热方式，当太阳辐照强时，盖板将外壳密封，即具有透光和保温功能，可避免热量的损失，提高蒸发器的集热效率，当太阳辐照弱时，通过开启盖板，同时吸收太阳能和空气能，从而大幅提高冷媒的蒸发温度，提高热泵的能效比。
当盖板14放下后，盖板14与四周边框 12搭接设置，搭接部位可以设置密封垫，提高盖板14与四周边框的密封性能，使得外壳内部形成密闭的空间，保温效果好。
为了进一步提高当盖板14放下后，外壳内部的保温性能，优选在外壳的内表面设置有保温层17。具体的，可以在底面11和四周边框12的内表面分别设置保温层，保温层材料可以为保温棉。
当盖板14放下后，吸热管13与盖板14之间具有一定间隙，间隔内的空气由于换热效果差，所以可以减少热量通过盖板14向外界的散热。
作为一个优选的实施例，如图2所示，本实施例的太阳能-空气能复合蒸发器还包括集热反光板18，盖板14位于集热反光板18的上方，集热反光板18与盖板14之间具有间隙，集热反光板18的上表面涂有吸光涂层，集热反光板18的下表面涂有反光涂层。当太阳辐射照度很强时，旋转盖板14关闭，此时旋转盖板14与四周边框紧密接触，集热反光板18的下表面与吸热管13相接触，阳光透光玻璃盖板14照射到集热反光板18的上表面，被表面的吸光涂层吸收转化成热量，通过导热的方式被吸热管13里的低温冷媒吸收，当太阳光照度一般时，旋转盖板14打开，照射到集热反光板131下表面的阳光，经过反光涂层的反射（聚光作用）后，照射到吸热管13和集热板16上，被其表面的吸光涂层吸收，转化成热量进而被冷媒吸收，同时冷媒也吸收直接照射到吸热管13和集热板16表面的太阳能以及空气中的热量。优选集热反光板18和玻璃盖板14之间具有间隙，以减少热量通过玻璃盖板向外界的散热。
作为一个优选的实施例，本实施例中所提到的吸光涂层材料可以为黑铬、黑镍、黑漆中的一种，其附着方式可以是电镀、喷涂、磁控溅射等，在本实施例中对其材质和附着方式不做具体限定，只要吸光涂层满足具有高吸收比，低发射率即可。同样，反光涂层可以为银粉、聚碳酸脂、铝粉中的一种，与吸光涂层的附着方式相同，或者根据材质特性选择合适的附着方式。
如图3-图6所示，优选盖板14所述盖板包括左右两个分盖板，分别为第一分盖板141和第二分盖板14，且该两个分盖板呈对开式分别与外壳相对的两边框通过转轴连接，两个分盖板关闭时，外壳的顶部开口完全封闭。两个分盖板的开启状态可以独立设置，相互不干扰，该种设置方式可以根据实际光照情况确定各自的开启状态或者开启角度，以使得热泵热水器的能效达到最大化。例如，当太阳光照度较强时，控制两个分盖板均关闭，当太阳光照度一般时，可以控制一个盖板打开，另一个盖板关闭，当太阳光照度较弱时，两个盖板均打开。
或者，根据环境温度Ta和冷媒的蒸发温度Te的差值确定两个分盖板的开启/关闭状态，
本实施例同时提出了太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，该方法基于前面所记载的太阳能-空气能复合蒸发器，具体控制方法如下：
如图4所示，在没有太阳光时，在两个分盖板关闭的前提条件下，由于两个分盖板关闭，冷媒无法与外界空气换热，只能与蒸发器内部的空气（与环境空气温度一样）自然对流换热，换热效果差，导致冷媒的蒸发温度Te较低，随着内部空气温度的降低，冷媒的蒸发温度Te会越来越低，环境温度Ta与蒸发温度Te的差值△T会越来越大，当差值△T大于设定值 T1时，说明此时没有太阳光，则两个分盖板立刻打开，且使得所述外壳顶部的开口达到最大，让冷媒与外界空气换热，从而提高冷媒的蒸发温度，提高热泵系统的能效比。其中，T1的取值范围为：T1>15℃。
如图5所示，在两个分盖板关闭的前提条件下，当环境温度Ta与吸热管13里面冷媒的蒸发温度Te的差值△T满足：T2＜△T＜T1，说明此时存在太阳辐射，但辐射照度较弱，所以立刻打开其中的一个分盖板，如打开第一分盖板141，正常反射太阳光。其中，T2的取值范围为：T1- T2>4℃，优选的，T2取10℃。
如图6所示，在第一分盖板141打开时间满足时间t1之后，若△T满足：△T＜T3，说明冷媒的蒸发温度有所升高（环境温度Ta不变），即第一分盖板141打开后，系统的得热量大于散热量，所以第二分盖板142也保持打开，否则第一分盖板141关闭，其中，T3的取值范围为：T3＜T2，优选的，T3取7℃，时间t1的取值范围为：t1>5min。
进一步，在第二分盖板142打开时间满足时间t2之后，若△T满足：△T＜T4，说明冷媒的蒸发温度有所升高（环境温度Ta不变），即第二分盖板142打开后，系统的得热量大于散热量，则第二分盖板保持打开，否则第二分盖板142关闭。其中，T4的取值范围为：T4＜T3，优选的，T4取5℃，时间t2的取值范围为：t2>5min。
如图3所示，在两个分盖板关闭的前提条件下，当环境温度Ta与吸热管里面冷媒的蒸发温度Te的差值△T满足：若△T满足：△T＜T5，说明此时太阳的辐射照度较强，冷媒的蒸发温度较高，甚至可能高于环境温度，所以控制两个分盖板保持关闭。其中，T5的取值范围为：T5＜T4，优选的，T5取3℃。
在两个分盖板关闭的前提条件下，当太阳光的辐射照度很强时，吸热管里面冷媒的蒸发温度Te通常会较高，当Te过高时，如大于T6，会导致冷媒流量过大，压缩机过载，进而降低压缩机的使用寿命或烧毁压缩机，所以为避免这一现象的发生，当Te较高时，打开其中的一个分盖板，将部分热量散到环境中去，以降低冷媒的蒸发温度Te，分盖板开口的大小可依据Te的大小而变化，直至满足Te≤T6，其中，T6的取值范围为：T6>25℃，优选的，T6取25℃。
所述环境温度Ta的获取可在蒸发器外部阳光照射不到的地方设有温度传感器，所述冷媒蒸发温度Te的获取可在吸热管13的管壁侧设置温度传感器，且温度传感器的周围贴有保温棉，以提高测量的精确性。
本实施例根据环境温度Ta和冷媒蒸发温度Te的差值△T来判定太阳辐射照度的强弱，并根据△T的变化来控制两个分盖板的打开和关闭，具有控制简单、成本低、效果好的优点。与传统的裸板式蒸发器相比，本发明的蒸发器能够充分吸收太阳能和空气能，大幅提高蒸发器的集热效率和冷媒的蒸发温度，提高系统的能效比。
本实施例中盖板14的开启状态可以采用动力机构（如电机）驱动实现，盖板14与外壳相连接的转轴15处设置有电机（由于角度原因图中未示出），电机的动力输出轴与转轴15传动连接，用于带动旋转盖板14绕转轴15进行转动。电机与热泵系统的控制模块连接，接受控制模块的控制执行相应的动作。进一步，外壳1的内部或者外部设置有追光装置，追光装置与控制模块连接，控制模块根据追光装置所检测的阳光角度信号调整电机转动角度，以保证无论太阳辐照角度如何变化，集热反光板都能最大限度的接收太阳能并将接收到的阳光反射到吸热管和集热板16上，从而进一步提高所述蒸发器对太阳光的吸收量，提高冷媒的蒸发温度。但增加追光装置同时也会增加成本。
实施例二，本实施例提出了一种热泵热水器，包括水箱、压缩机、节流阀蒸发器以及四通阀，所述冷凝器与所述蒸发器通过冷媒管道连通，压缩机驱动冷媒在所述冷媒管道中循环，用于将冷媒从蒸发器中吸收的热量转移到冷凝器中，给水箱里的水加热，所述蒸发器为实施例一中所记载的太阳能-空气能复合蒸发器，具体可参见实施例一所记载，在此不做赘述。
蒸发器需要除霜时，四通阀换向，控制冷媒的流向换向，旋转盖板14与四周边框紧密接触（关闭状态），起到保温作用，在压缩机的驱动下，高温冷媒进到吸热管13中，将吸热管13及集热板16表面的霜融掉。由于旋转盖板14可大大减少蒸发器内部高温热量向环境空气的传递，所以本实施例可大大减少除霜能耗，缩短除霜时间，进一步提高热泵的能效比。
所述冷媒为R410A、R134a、R22等制冷剂中的一种。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种太阳能-空气能复合蒸发器，包括由底面和四周边框围成的外壳、设置在所述外壳内的吸热管，所述吸热管里面循环流通有冷媒，所述外壳的顶部设置有透光的盖板，冷媒流经吸热管时吸收热量，其特征在于：所述盖板的一侧与所述外壳的其中一边框通过转轴连接，用于打开或者关闭外壳顶部的开口，所述外壳内还设置有集热板，所述集热板位于所述吸热管的下方且与所述吸热管相接触设置，所述吸热管的外表面和/或所述集热板的上表面设置有吸光涂层。
2.根据权利要求1所述的太阳能-空气能复合蒸发器，其特征在于：还包括集热反光板，所述集热反光板与所述盖板固定且位于所述盖板的下方，且两者之间具有间隙，所述集热反光板的上表面涂有吸光涂层，所述集热反光板的下表面涂有反光涂层，所述盖板打开时，照射到集热反光板下表面上的太阳光被反射到吸热管及集热板上，转化成热量被吸热管里边的低温冷媒吸收，冷媒同时吸收空气中的热量，所述盖板关闭时，集热反光板的下表面与所述吸热管相接触，太阳光透过所述盖板照射到集热反光板上，被吸光涂层转化成热量并被吸热管里的冷媒吸收。
3.根据权利要求2所述的太阳能-空气能复合蒸发器，其特征在于：所述吸光涂层材料为黑铬、黑镍、黑漆中的一种，所述反光涂层材料为银粉、铝粉、聚碳酸脂中的一种。
4.根据权利要求3所述的太阳能-空气能复合蒸发器，其特征在于：所述盖板包括左右两个分盖板，分别为第一分盖板和第二分盖板，且该两个分盖板呈对开式分别与所述外壳相对的两边框连接，两个分盖板关闭时，所述外壳的顶部开口完全封闭。
5. 一种太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，其特征在于：该方法基于权利要求4所述的太阳能-空气能复合蒸发器，所述控制方法包括：在两个分盖板关闭的前提条件下，当环境温度Ta与吸热管里面冷媒的蒸发温度Te的差值△T满足：△T> T1时，两个分盖板打开，使所述外壳顶部的开口达到最大，其中，T1的取值范围为：T1>15℃。
6.根据权利要求5所述的太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，其特征在于：在两个分盖板关闭的前提条件下，当环境温度Ta与吸热管里面冷媒的蒸发温度Te的差值△T满足：T2＜△T＜T1℃，则第一分盖板打开，正常反射太阳光，其中，T2的取值范围为：T1- T2>4℃。
7.根据权利要求6所述的太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，其特征在于：第一分盖板打开时间满足时间t1之后，若△T满足：△T＜T3，则第二分盖板打开，否则第一分盖板关闭，其中，T3的取值范围为：T3＜T2，时间t1的取值范围为：t1>5min。
8.根据权利要求7所述的太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，其特征在于：第二分盖板打开时间满足时间t2之后，若△T满足：△T＜T4，则第二分盖板保持打开，否则关闭，其中，T4的取值范围为：T4＜T3，时间t2的取值范围为：t2>5min。
9.根据权利要求5所述的太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，其特征在于：在两个分盖板关闭的前提条件下，当环境温度Ta与吸热管里面冷媒的蒸发温度Te的差值△T满足：若△T满足：△T＜T5，则两个分盖板保持关闭，其中，T5的取值范围为：T5＜T4。
10.根据权利要求5所述的太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，其特征在于：在两个分盖板关闭的前提条件下，当吸热管里面冷媒的蒸发温度Te>T6，则其中的一个分盖板打开，所述打开的分盖板的开口大小可依据Te的大小而变化，直至满足Te≤T6，其中，T6的取值范围为：T6>25℃。
11.根据权利要求5-10任一项所述的太阳能-空气能复合蒸发器控制方法，其特征在于，所述外壳与吸热管、集热板之间的空隙设置有保温层。
12.根据权利要求5-11任一项所述的太阳能-空气能复合蒸发器，其特征在于，所述盖板与所述外壳相连接的转轴部设置有电机，所述电机的动力输出轴与所述盖板和边框相连接的转轴转动连接，用于带动所述盖板绕轴转动。
13.一种热泵热水器，包括水箱、压缩机、节流阀以及蒸发器，所述冷凝器与所述蒸发器通过冷媒管道连通，压缩机驱动冷媒在所述冷媒管道中循环，用于将冷媒从蒸发器中吸收的热量转移到冷凝器中，给水箱里的水加热，其特征在于：所述蒸发器为权利要求1-12任一项所述的太阳能-空气能复合蒸发器。
14.根据权利要求13所述的热泵热水器，其特征在于，所述蒸发器进行除霜时，热泵系统发出除霜指令，控制所述盖板关闭，并控制冷媒进行逆循环除霜，吸热管里的冷媒将吸热管及集热板表面的霜融掉。
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