CN110068171A - 一种新型多源互补无霜空气源热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种多源互补型无霜空气源热泵热水系统，包括制冷剂回路、地埋管回路、溶液循环回路、太阳能光伏光热回路。与现有技术相比，本系统结合了太阳能、风能、地热能多种热源，确保了系统冬夏季的高效运行，且解决了冬季从空气摄取热量时存在的结霜问题，同时利用光伏特性，大大降低了整机的能耗。冬季溶液再生时可利用太阳能的光热特性，提高再生性能。本系统根据阀门的切换可有多种运行模式，大体上未脱离多源互补思想，实现了空调系统的可持续发展理念。
Description
技术领域
本发明属于太阳能、地热能、溶液除湿及空气源热泵领域，具体涉及一种新型多源互补无霜空气源热泵系统。
背景技术
常见建筑空调系统普遍使用的供暖空调系统为冷水机组加锅炉、空气源热泵和水地源热泵。冷水机组加锅炉在冬季运行时冷水机组会闲置，设备使用率低。锅炉一次能源利用率低，且在使用过程中会污染环境。空气源热泵在夏季效率远低于水冷机组，在冬季运行时存在结霜问题，在夏热冬冷地区冬季寒冷潮湿的条件下，结霜尤为严重，严重影响供热的能力和效率。水地源热泵冬夏季效率均较高，但其初投资高，且受到地理地质条件限制。热源塔热泵系统具有设备利用率高、夏季效率与冷水机组相当、冬季无结霜问题、不受地质条件限制等优点，相比传统供暖空调系统具有较强优势，在夏热冬冷地区具有广泛的应用前景。
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。
地源热泵通过电力对土壤中的低品位热做功，输出高品位热能。电力作为工具，地热作为温度调节的能量。而大地相当于一个巨大的太阳能收集器，阳光无处不在，大地的能量也就用之不竭，是一种可为我们所用的可再生资源。大地的温度受气候温度变化影响很小，常年保持在较适宜的10―20℃范围内，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。地源热泵的制热能效比（COP）一般都能达到3.5至4.5，热泵的制热能效比是3.5至 4.5，而普通空调机的制热能效比是2，电的制热能效比是1，燃油的制热能效比是0.9，燃煤的制热能效比是 0.55，因此热泵的效率是最高的。地源热泵运行用到电能和地热，运行期间不会产生任何污染物质。地源热泵集空调制冷、锅炉采暖、以及生活用水等原来多套设备用途于一身，实现了一机多用。地源热泵非常耐用，其地下部件使用寿命可达50年，地上部件使用寿命可达30年。地源热泵机组的使用寿命也在15年以上。地源热泵控制系统为全自动的，对温度、压力等环境参数设有相关保护程序，无需人员监控。地源热泵系统工作期间噪声小，不影响生活和工作环境。
因此，如何结合建筑自身特点实现溶液的自主再生，利用多源互补实现恶劣工况下的稳定高效运行，设计出一种新型的多源互补无霜空气源热泵系统成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，利用太阳能提供电能并辅助再生与供热，溶液除湿保证无霜运行，提高了热泵的性能系数，地埋管系统稳定提供冷热源，冬季提高机组的蒸发温度，夏季降低机组的冷凝温度，大幅度提高系统性能系数。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，包括光热光电系统、溶液循环系统、热泵循环系统与地埋管系统；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，地埋管系统冬季为系统提高热源，夏季为系统提供冷源，大幅度提高系统性能系数。
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板，用于存储热能的蓄热水箱一，稀溶液加热器，蓄热水箱二（与氟水板式换热器二相连）；
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、轴流风机和风冷翅片换热器；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，该轴流风机和风冷翅片换热器置于风道内，该轴流风机设置在风冷翅片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风冷翅片换热器相连，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、氟水板式换热器和风冷翅片换热器；所述四通换向阀分别与压缩机、氟水板式换热器相连，氟水板式换热器四与氟水板式换热器一通过阀与四通换向阀相连；
所述光热光电板的进水端通过水泵三与蓄热水箱一的入水端，通过水泵二与稀溶液加热器的回水端、蓄热水箱二的入水端相连；
所述光热光电板的出水端与蓄热水箱一的入水端和稀溶液加热器相连；
所述地埋管系统包括埋管、膨胀水箱、水泵一、阀门、氟水板式换热器，地埋管系统并联氟水板式换热器一与三，氟水板式换热器一置于四通换向阀后，氟水板式换热器二前，氟水板式换热器三置于水冷冷凝器后，电子膨胀阀一和旁通阀一前。两个氟水换热器可同时使用，也可单独使用。
所述溶液塔中设有填料，该填料包括除湿剂。
进一步的，所述光热光电板的出水端通过三通阀与蓄热水箱二、稀溶液加热器相连。
进一步的，所述溶液泵、水泵一、水泵二和轴流风机所需电能由光伏并网中和。
进一步的，所述热泵循环系统包括电子膨胀阀一和旁通阀一，所述电子膨胀阀一和旁通阀一并联，该电子膨胀阀一的一端与氟水板式换热器三相连，另一端与风冷翅片换热器相连。
进一步的，所述溶液循环系统还包括电子膨胀阀二和旁通阀二，所述电子膨胀阀二与旁通阀二并联，该电子膨胀阀二一端与风冷翅片换热器相连，另一端与板式换热器相连。旁通阀与电子膨胀阀并联用于切换制冷剂管道以实现系统的高低压切换。
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风阀一、风阀二和风阀三，所述风阀一为循环风道阀，所述风阀二作为风道的出风口，风阀三用于将室外空气接入风道。
进一步的，所述溶液塔设有补水端。
本发明的有益效果是：
（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；
（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。
（5）使用了地埋管系统，冬季提高了蒸发温度，夏季降低了冷凝温度，大幅度提高了热泵系统的性能。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图中，1、压缩机，2、氟水板式换热器一，3、氟水板式换热器二，4氟水板式换热器三，5、风冷翅片换热器，6、蓄热水箱一，7、氟水板式换热器四，8、板式换热器，9、溶液塔，10、稀溶液加热器，11、溶液泵，12、水泵一，13、地埋管，14、膨胀水箱，15、蓄热水箱二，19、旁通阀一，20、电子膨胀阀一，21、旁通阀二，22、电子膨胀阀二，23、三通阀，29、电子膨胀阀三，30、轴流风机，35、四通换向阀，36、光热光电板，37、水泵二，44、水泵三；旁通阀16、17、18、24、25、26、27、28、38、39、40、41、42、43、45。31、风阀一，32、风阀二，33、风阀三，34、截止阀 。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示的一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，包括光热光电板、溶液循环系统和热泵循环系统以及地埋管系统，其中，
光热光电板36将太阳能转化成热能储存在蓄热水箱一6中，并将太阳能转化成电能并入电网，该光热光电板36的出水端分为三路，一路与蓄热水箱一6相连，另一路与稀溶液加热器10相连，另一路与蓄热水箱二15相连。有两路接入水泵二37，一路为蓄热水箱二15（设有a、b、c、d四个端口）的d入水端，另一路接稀溶液加热器10（设有a、b、c、d四个端口）的b回水端，
该光热光电板36的进水端设置有水泵二37，此水箱夏季供给热水，冬季亦可提高蒸发温度。
溶液循环系统包括溶液塔9、溶液泵11、板式换热器8、稀溶液加热器10、轴流风机30、风冷翅片换热器5、风阀一31、风阀二32和风阀三33；
热泵循环包括压缩机1、板式换热器8、四个氟水板式换热器2、3、4、7、风冷翅片换热器5、四通换向阀35、旁通阀19、20、21、22、24、25、26、27、28、29、38、39、40、41、42、45。
所述热泵循环系统包括若干膨胀阀和旁通阀，其中电子膨胀阀一20与旁通阀一19并联，该电子膨胀阀一20的一端与氟水板式换热器三4相连，另一端与风冷翅片换热器5相连，所述电子膨胀阀三29与旁通阀24并联，该电子膨胀阀三29的一端与氟水板式换热器四7相连，另一端通过旁通阀40与板式换热器8相连，旁通阀25一端在电子膨胀阀一20与阀45之间，另一端在旁通阀27与氟水板式换热器四7之间，旁通阀26一端与四通换向阀35相连，另一端在氟水板式换热器四7与电子膨胀阀三29之间，旁通阀27一端接四通换向阀35，另一端接氟水板式换热器四7，旁通阀28一端接四通换向阀35，另一端在旁通阀一与风冷翅片换热器5之间，阀门38在四通换向阀35与氟水板式换热器一2之间，旁通阀39一端在旁通阀38与氟水板式换热器一2之间，另一端在旁通阀24与旁通阀40之间，旁通阀40在旁通阀24与板式换热器8之间，旁通阀41一端在旁通阀38与四通换向阀35之间，另一端在旁通阀40与板式换热器8之间。旁通阀42一端在四通换向阀35与旁通阀38之间，另一端在氟水板式换热器三4与旁通阀一19之间，旁通阀45在旁通阀25与旁通阀28接口端之间。
溶液泵11、水泵一12、水泵二37、轴流风机30所需电能均由太阳能光伏系统并网中和，太阳能利用效率高，节能效果显著。
地埋管系统包水泵一12、括埋管13、膨胀水箱14、阀门16、17、18、氟水板式换热器2与4。
夏季运行时，存在多种运行方式，一，地埋管系统不运行，地埋管与氟水板式换热器一2单独运行，地埋管与氟水板式换热器三4单独运行，地埋管与氟水板式换热器2与4共同运行。二，制冷循环管道上阀20、22、24、25、26、28、39、41、42关闭，阀19、21、27、29、38、40打开，热源塔9中加入自来水，风阀二32和风阀三33打开，风阀一31关闭，轴流风机30、溶液泵11打开，风冷翅片换热器5进入高压侧被热源塔中蒸发冷却后的空气冷却以增加冷端过冷度。或电子膨胀阀一20打开，旁通阀19、21、24关闭，电子膨胀阀22、29也关闭，阀25、26、28、39、41、42关闭，阀38、40打开，热源塔停止工作此时风冷翅片换热器5进入低压侧，空气作为热源。三，风冷翅片换热器5进入低压侧的前提下，与氟水板式换热器四7存在三种连接方式，1.夏季工况下，低压段，制冷剂先通过风冷翅片换热器5、8后通过氟水板式换热器四7，即先经由空气取热后经过光热光电板取热，此时的运行状态为：低压侧阀门20、21、24、27、40、45打开，阀门19、22、25、26、28、29均关闭。2. 风冷翅片换热器5与板式换热器8串联后与氟水板式换热器四7并联即空气源与光伏光热源并联，实现方式为：低压侧阀门21、24、25、26、40、45打开，阀门22、27、28、29关闭；3.制冷剂先经由氟水板式换热器四7吸收光伏光热，再通过风冷翅片换热器5与板式换热器8吸收空气的热量，实现方式为：低压段阀门21、24、25、28、40开启，阀门22、26、27、29、45关闭。如此夏季工况共有16中运行方式。
与此同时，当太阳光照强烈时，光热光电系统同时运行，光热光电板36产生的热水直接储存在蓄热水箱二15同时阀门43打开，水泵三44开启，提高系统蒸发温度，提高了本系统的COP，夏季溶液塔9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34，接入了补水设备。同时亦可打开泵二37，开启三通阀23的a与c端直接加热蓄热水箱二15中的水。当阳光较弱时，仅加热蓄热水箱一6，关闭水泵二37。
冬季供热除湿工况，切换四通换向阀35，高低压侧转换，高压侧只有氟水板式换热器四7，低压侧有换热器2、3、4、8与风冷翅片换热器5分别提供空气源、水源与光伏光热源。此时制冷循环管道上阀门的状态是：19、21、27、29、40、45开，20、22、24、25、26、28闭。溶液循环系统中，风阀二32和风阀三33打开，风阀一31关闭，轴流风机30，溶液泵11打开，溶液塔中加入除湿溶液氯化锂溶液。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35进入氟水板式换热器加热氟水板式换热器中的水，该氟水板式换热器与板式换热器相连在板式换热器8中工质实现气化，该板式换热器与风冷翅片换热器5相连，在风冷翅片换热器5、氟水板式换热器4、3、2中实现工质进一步气化，最后制冷剂过热后经过四通换向阀返回压缩机。重新循环，实施方式为：阀门19、21、27、29、38、40、45开，阀门20、22、24、25、26、28、39、41、42闭。这是低压段先经过摄取空气源后摄取地热源的运行方式。此外还有两种运行方式，即1. 风冷翅片换热器5与板式换热器8串联后再与氟水板式换热器2、3、4串联后并联。实施方式为：阀门19、21、27、29、39、40、42、45开，阀门20、22、24、25、26、28、38、41闭。2.低压段制冷剂先经过板式换热器2、3、4后经过风冷翅片换热器5与板式换热器8。实施方式为：阀门19、21、27、29、39、41、45开，阀门20、22、24、25、26、28、38、40、42闭。如此低压段有3种实施方式且地埋管系统有4种操作方式，因而共有12种运行方式。
此时，对于光热光电系统，三通阀23的b口一侧关闭，a与c两侧打开，当太阳光照强烈，光热光电系统制取的热水存入蓄热水箱二15，提高蒸发温度同时蓄存在水箱一6中，当太阳光照较弱时，三通阀23全部关闭，也不向蓄热水箱一6中流动，闲置只发电。
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旁通阀22、24打开，膨胀阀21、29关闭，风阀二32和风阀三33关闭，风阀一31打开，此时工质经氟水板式换热器四7，冷凝后的高压中温制冷剂液体直接在板式换热器8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，到风冷翅片换热器5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。实施方式为：阀门19、22、24、27、38、40、45开，阀门20、21、25、26、28、29、39、41、42闭。由于地埋管有4种运行方式因而再生工况共有4种运行方式。
此时，若太阳光照强烈，则三通阀23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一6中供取用，另一路到蓄热水箱二15中提高蒸发温度，另一路到稀溶液换热器10中加热稀溶液为溶液再生提供热源。若太阳光照较弱，只提供电能，关闭阀门43与水泵三44，停止与水箱一6的交换。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (9)
1.一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，其特征在于：包括光热光电板、地埋管系统、溶液循环系统、制冷剂循环系统；
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（36），用于存储热能的蓄热水箱一（6），稀溶液加热器（10），蓄热水箱二（15）；
所述溶液循环系统包括溶液塔（9）、溶液泵（11）、板式换热器（8）、稀溶液加热器（10）、轴流风机（30）和风冷翅片换热器（5）；所述溶液泵（11）和板式换热器（8）均与溶液塔（9）相连，该溶液塔（9）包括风道，该轴流风机（30）和风冷翅片换热器（5）置于风道内，该轴流风机（30）设置在风冷翅片换热器（5）和溶液塔（9）之间，该溶液泵（11）的另一端与稀溶液加热器（10）相连，所述板式换热器（8）通过阀（21）、（22）与风冷翅片换热器（5）相连，该稀溶液加热器（10）与板式换热器（8）相连；
所述热泵循环系统包括压缩机（1）、四通换向阀（35）、氟水板式换热器一（2）、氟水板式换热器二（3）、氟水板式换热器三（4）、电子膨胀阀一（20）、风冷翅片换热器（5）、电子膨胀阀二（22）、板式换热器（8）、电子膨胀阀三（29）、氟水板式换热器四（7）、节流阀（27）、其他若干阀门，所述阀门用于改变制冷剂流向；
所述光热光电板（36）的进水端通过水泵三（44）与蓄热水箱一（6）的入水端，通过水泵二（37）与稀溶液加热器（10）的回水端、蓄热水箱二（15）的出水端相连；
所述地埋管系统包括埋管（13）、膨胀水箱（14）、水泵一（12）、氟水板式换热器一（2）与氟水板式换热器三（4）；
所述溶液塔（9）中设有填料，该填料包括除湿剂。
2.根据权利要求1所述的一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述光热光电板（36）的出水端通过三通阀（23）与稀溶液加热器（10）、蓄热水箱二（15）相连，通过旁通阀与蓄热水箱一（6）相连。
3.根据权利要求1所述的一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液泵（11）、水泵一（12）、水泵二（37）和轴流风机（30）所需电能由光热光电板（36）并网中和。
4.根据权利要求1所述的一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液循环系统还包括电子膨胀阀二（22）和旁通阀二（21），所述电子膨胀阀二（22）与旁通阀二（21）并联，该电子膨胀阀二（22）一端与风冷翅片换热器（5）相连，另一端与板式换热器（8）相连。
5.根据权利要求1所述的一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述热泵循环系统包括电子膨胀阀一（20）和旁通阀一（19），所述电子膨胀阀一（20）和旁通阀一（19）并联，该电子膨胀阀一（20）的一端与氟水板式换热器三（4）相连，另一端与风冷翅片换热器（5）相连。
6.根据权利要求1所述的一种新型多源互补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。
7.根据权利要求1所述的一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液塔（9）的风道中还包括风阀一（31）、风阀二（32）和风阀三（33），所述风阀三（33）用于将室外空气接入风道，所述风阀一（31）为循环风道阀，所述风阀二（32）作为风道的出风口。
8.根据权利要求1所述的一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液塔（9）设有补水端（34）。
9.根据权利要求1所述的一种新型多源互补无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述地埋管系统并联氟水板式换热器一（2）与氟水板式换热器三（4），氟水板式换热器一（2）置于四通换向阀（35）后，氟水板式换热器二（3）前，氟水板式换热器三（4）置于氟水板式换热器二（3）后，电子膨胀阀一（20）和旁通阀一（19）前。
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