CN110307671A - 太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，属于热泵技术领域；提供了一种提高现有蒸汽压缩式热泵循环系统性能的中高温空气源热泵系统；本发明系统包括三通道套管换热器耦合的低压级太阳能喷射子系统与高压级蒸汽压缩子系统和热水循环系统；本系统可以根据系统制热量是否满足用户负荷以及太阳能辐射强度的强弱实现单级蒸汽压缩热泵循环、单级太阳能辅助喷射器增效的热泵循环、双级蒸汽压缩复叠热泵循环和双级太阳能喷射耦合蒸汽压缩复叠热泵循环四种循环模式；本系统通过多种循环模式的切换，提高了系统的适应性，实现了对太阳能的充分利用和最大程度的节能。

Description

太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统

技术领域

本发明太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，属于热泵技术领域。

背景技术

空气源蒸汽压缩式热泵循环系统是一种应用逆卡诺循环原理吸取低温空气中的能量加热空气或热水的系统，具有高效节能的特点，因而受到了人民群众和商家的青睐。但是，近年来随着能源需求的迅速增长，环境气候问题的日益突出以及低碳经济的发展，对热泵循环系统在节能、环保等方面提出更高的要求，因此，如何提高热泵循环系统的能效成为了其发展的方向。

太阳能是清洁而且用之不尽的能源，是21世纪人们解决能源可持续发展的重要出路之一。因此，进一步开发利用太阳能，将其应用于热泵循环系统，可以有效降低由于使用常规热泵设备而带来的巨额能源消耗，并减轻由于燃烧化石能源发电所带来的环境污染。而现有的方式多采用热水循环系统将太阳能与蒸汽压缩式热泵循环系统耦合，浪费了太阳能的做功能力。喷射器因其结构简单、成本低廉、无运动部件,适用于包括两相流的任何流体使用，所以也有人提出了以太阳能为驱动力的喷射式热泵循环系统。因此，如果能将太阳能和喷射器与空气源蒸汽压缩式热泵合理地结合，则能够设计出结构简单兼顾效率的更为经济实用的热泵系统。

发明内容

本发明太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，克服了现有技术存在的不足，提供了一种提高现有蒸汽压缩式热泵循环系统性能的中高温空气源热泵系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，包括太阳能喷射子系统、蒸汽压缩子系统和热水循环系统；

太阳能喷射子系统中，三通道套管换热器的出口分为两路，一路经第一截止阀后与工质泵的入口相连通，工质泵的出口与太阳能集热/发生器的入口相连通，太阳能集热/发生器的出口与喷射器 的工作流体入口相连通；另一路与第二膨胀阀的入口相连通，第二膨胀阀的出口与蒸发器的入口相连通；蒸发器的出口分两路，一路经第二截止阀后与喷射器的引射流体入口相连通，另一路经第三截止阀后与第二压缩机的吸气口相连通，喷射器的出口与第二压缩机的吸气口相连通；

蒸汽压缩子系统中，三通道套管换热器的出口经第一压缩机后与冷凝器的入口连通，冷凝器的出口与第一膨胀阀的入口连通；

热水循环系统中，空调用户的低温回水分为两路，一路通过管道与冷凝器相连通，三通阀的出口端b、第二进口端c接通，另一路通过管道与三通道套管换热器的内层套管相连通，三通阀的第一进口端a、出口端b接通，三通阀的出口端与热水循环泵的入口相连通，热水循环泵出口与空调用户的供水管路相连通。

进一步，所述三通道套管换热器中，内层套管和中层套管之间形成第一环形通道，中层套管和外层套管之间形成第二环形通道，内层套管中流通水，第一环形通道中流通低压级制冷剂，第二环形通道中流通高压级制冷剂。

进一步，所述低压级制冷剂为经过所述第二压缩机后的制冷剂，所述高压级制冷剂为经过所述第一压缩机后的制冷剂。

进一步，所述三通道套管换热器采用平行布置或者蛇形布置。

进一步，所述平行布置的三通道套管换热器中，相互平行的三通道套管的数量为2根及以上。

进一步，所述蛇形布置的三通道套管换热器中，三通道套管采用一次回折布置或多次回折布置的结构。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

相比于常规的蒸汽压缩式空气源热泵循环系统，本发明利用三通道套管换热器将太阳能喷射与蒸汽压缩热泵系统耦合，根据系统制热量是否满足用户负荷及太阳能辐射强度实现单级运行与复叠运行的切换，利用太阳能集热/发生器能为喷射器提供高压工作流体，在喷射器中引射蒸发器出口的低压制冷剂气体，提升压缩机的吸气压力从而降低循环中压缩机的功率消耗并提高压缩机的输气量，达到提高热泵系统能效的目的，并且该方案具有结构简单，成本低廉的优点。总之，该系统是一种经济、有效、可行的改善方案，能有效提蒸汽压缩式热泵循环系统的性能，促进蒸汽压缩式热泵循环系统节能技术的发展。

附图说明

图1为本发明实施例提供的热泵循环系统的示意图。

图2为本发明实施例一提供的平行三通道套管换热器的示意图。

图3为本发明实施例二提供的蛇形三通道套管换热器的示意图。

图4为图2或图3中A-A截面示意图。

图中，101-第一压缩机，102-冷凝器，103-第一膨胀阀，104-三通道套管换热器，105-工质泵，106-太阳能集热/发生器，107-第二膨胀阀，108-蒸发器，109-喷射器，110-第二压缩机，111-三通阀，112-热水循环泵，115-中层套管，116-第二环形通道，117-外层套管，118-内层套管，119-第一环形通道，120-第一截止阀，121-第二截止阀，122-第三截止阀， 123-热水入口管道，124-热水出口管道，125-低压级制冷剂出口管道，126-低压级制冷剂入口管道， 127-高压级制冷剂入口管道，128-高压级制冷剂出口管道，131-第一连接管，132-第二连接管，133-第三连接管，134-第四连接管，135-第五连接管，136-第六连接管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例一

如图1、图4所示，本发明一种太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，包括太阳能喷射子系统、蒸汽压缩子系统和热水循环系统。

太阳能喷射子系统中，三通道套管换热器104的出口分为两路，一路经第一截止阀120后与工质泵105的入口相连通，工质泵105的出口与太阳能集热/发生器106的入口相连通，太阳能集热/发生器106的出口与喷射器 109的工作流体入口相连通；另一路与第二膨胀阀107的入口相连通，第二膨胀阀107 的出口与蒸发器108的入口相连通；蒸发器108的出口分两路，一路经第二截止阀121后与喷射器109的引射流体入口相连通，另一路经第三截止阀 122后与第二压缩机110的吸气口相连通，喷射器109的出口与第二压缩机110的吸气口相连通。

蒸汽压缩子系统中，三通道套管换热器104的出口经第一压缩机101后与冷凝器102的入口连通，冷凝器102的出口与第一膨胀阀103的入口连通。

热水循环系统中，空调用户的低温回水分为两路，一路通过管道与冷凝器102相连通，三通阀111的出口端b、第二进口端c接通，另一路通过管道与三通道套管换热器104的内层套管118相连通，三通阀111的第一进口端a、出口端b接通，三通阀111的出口端与热水循环泵112的入口相连通，热水循环泵112出口与空调用户的供水管路相连通。

在本系统中利用太阳能集热/发生器106为喷射器109提供高压工作流体，在喷射器109中引射蒸发器108出口的低压制冷剂气体，提升第二压缩机110的吸气压力从而降低循环中压缩机的功率消耗并提高压缩机的输气量。

三通道套管换热器104中，内层套管118和中层套管115之间形成第一环形通道119，中层套管115和外层套管117之间形成第二环形通道116，第一环形通道119中只能流通低压级制冷剂；内层套管118和第二环形通道116可以有两种流通方式，第一种是内层套管118中流通热水，第二环形通道116中流通高压级制冷剂；第二种是内层套管118中流通高压级制冷剂，第二环形通道116中流通热水。本实施例描述中采用的第一种，但不限于这一种。

低压级制冷剂为经过第二压缩机110后的制冷剂，高压级制冷剂为经过第一压缩机101后的制冷剂。

如图2所示，平行布置的三通道套管换热器104中，相互平行的三通道套管的数量为2根及以上。平行布置的三通道套管换热器结构如下：每根三通道套管是直的，并且三通道套管之间相互平行布置。在三套管换热器104的左侧，热水入口管道123与第一连接管131连通，第一连接管131再分别与每根平行的三通道套管的内层套管118连通；在右侧，另一端每根平行的三通道套管的内层套管118分别与第六连接管136连通，第六连接管136再与热水出口管道124连通。在右侧，低压级制冷剂入口入口管道126与第五连接管135连通，第五连接管135再分别与每根平行的三通道套管的第一环形通道119连通；在左侧，第一环形通道119分别与第二连接管132连通，第二连接管132再与低压级制冷剂出口管道125连通。在左侧，高压级制冷剂入口管道127与第三连接管133连通，第三连接管133再分别与每根平行的三通道套管的第二环形通道116连通；在右侧，每根平行的三通道套管的第二环形通道116分别与第四连接管134连通，第四连接管134再与高压级制冷剂出口管道128连通。

实施例二

其中与实施例一相同或相应的零部件采用与实施例一相应的附图标记。为简便起见，仅描述实施例二与实施例一的区别点。

蛇形布置的三通道套管换热器104中，三通道套管采用一次回折布置或多次回折布置的结构。如图3所示，以四次回折布置的形式作为结构示意图，但不限于图3的结构形式。

本发明太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统的工作模式分为：太阳能充足且当单级热泵系统可以满足用户热负荷时的单级太阳能辅助喷射器增效的空气源热泵模式即工作模式①；太阳能充足且当单级热泵系统无法满足用户热负荷时的太阳能喷射耦合蒸汽压缩复叠热泵系统模式即工作模式②；太阳能不足且当单级热泵系统可以满足用户热负荷时的传统单级空气源热泵模式即工作模式③；太阳能不足且当单级热泵系统无法满足用户热负荷时的传统复叠空气源热泵模式即工作模式④。

如图1所示，本发明太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统的工作过程如下：工作模式①：此时第一压缩机101停机，三通阀111的a、b端接通，第一截止阀120和第二截止阀121开启，第三截止阀122关闭；第二压缩机110出口的过热制冷剂蒸汽进入三通道套管换热器104的第一环形通道119与内层套管118内的循环水换热冷凝为液态制冷剂，由第一环形通道119流出的一部分液态制冷剂经工质泵105后进入太阳能集热/发生器106吸热蒸发成为两相或过热制冷剂，该制冷剂作为工作流体进入喷射器109的工作流体入口；另一部分由第一环形通道119流出的液态制冷剂经第二膨胀阀107节流为气液两相制冷剂进入蒸发器108从环境空气中吸热蒸发为饱和或过热气态制冷剂，该制冷剂气体作为引射流体被来自太阳能集热/发生器106的制冷剂流体引射，两股流体在喷射器109中混合并增压，最后回到第二压缩机110；空调用户的低温回水进入三通道套管换热器104的内层套管118换热升温后经三通阀111、热水循环泵112送入空调系统的末端设备，实现供热，完成工作模式循环。

工作模式②：此时三通阀111的b、c端接通，第一截止阀120和第二截止阀121开启，第三截止阀122关闭；第二压缩机110出口的过热制冷剂蒸汽进入三通道套管换热器104的第一环形通道119与第二环形通道116内的高压级蒸汽压缩热泵系统的汽液两相制冷剂换热冷凝为液态制冷剂，由第一环形通道119流出的一部分液态制冷剂经工质泵105后进入太阳能集热/发生器106吸热汽化为两相或过热制冷剂，该制冷剂作为工作流体进入喷射器109的工作流体入口；另一部分由第一环形通道119流出的液态制冷剂经低压级膨胀阀107节流为气液两相制冷剂进入蒸发器108从环境空气中吸热蒸发为饱和或过热气态制冷剂，该制冷剂气体作为引射流体被来自太阳能集热/发生器106的制冷剂流体引射，两股流体在喷射器109中混合并增压，最后回到第二压缩机110，完成低压级太阳能喷射热泵系统循环；第一压缩机110出口的过热气态制冷剂进入高压级冷凝器102与用户循环水换热冷凝为液态制冷剂，然后通过第一膨胀阀103节流为气液两相制冷剂进入三通道套管换热器104的第二环形通道116与第一环形通道119内低压级太阳能喷射热泵系统的制冷剂换热蒸发为饱和或过热制冷剂，最终返回第一压缩机110，实现双级复叠热泵循环；空调用户的低温回水进入高压级冷凝器102换热升温后经三通阀111、热水循环泵112送入空调系统的末端设备，实现供热，完成工作模式循环。

工作模式：此时第一压缩机110停机，三通阀111的a、b端接通，第一截止阀120和第二截止阀121关闭，第三截止阀122开启；第二压缩机110出口的过热制冷剂蒸汽进入三通道套管换热器104的第一环形通道119与内层套管内的循环水换热冷凝为液态制冷剂，该制冷剂液体继续进入膨胀阀107中节流成为两相制冷剂流体，该两相制冷剂流体进入蒸发器108中吸热蒸发成为饱和或过热制冷剂气体，最后回到第二压缩机110；空调用户的低温回水进入三通道套管换热器104的内层套管换热升温后经三通阀111、热水循环泵112送入空调系统的末端设备，实现供热，完成工作模式循环过程。

工作模式：此时三通阀111的b、c端接通，第一截止阀120和第二截止阀121关闭，第三截止阀122开启；低压级第二压缩机110出口的过热制冷剂蒸汽进入三通道套管换热器104的第一环形通道119与第二环形通道116内的高压级蒸汽压缩热泵系统的汽液两相制冷剂换热冷凝为液态制冷剂，由第一环形通道119流出的液态制冷剂经低压级膨胀阀107节流为气液两相制冷剂进入蒸发器108从环境空气中吸热蒸发为饱和或过热气态制冷剂，最后回到第二压缩机110，完成低压级空气源热泵系统循环；第一压缩机110出口的过热气态制冷剂进入高压级冷凝器102与用户循环水换热冷凝为液态制冷剂，然后通过第一膨胀阀103节流为气液两相制冷剂进入三通道套管换热器104的第二环形通道116与第一环形通道119内低压级热泵系统的制冷剂换热蒸发为饱和或过热制冷剂，最终返回第一压缩机110，实现双级复叠热泵循环；空调用户的低温回水进入高压级冷凝器102换热升温后经三通阀111、热水循环泵112送入空调系统的末端设备，实现供热，完成工作模式循环。

本发明的低压级太阳能喷射子系统循环工作过程中存在有四个不同的工作压力，依次是太阳能集热/发生器106发生压力、三通道套管换热器104第一环形通道119中冷凝压力、第二压缩机110吸气压力和蒸发器108蒸发压力。其中太阳能集热/发生器106发生压力、三通道套管换热器104第一环形通道119中冷凝压力和蒸发器108蒸发压力是由循环系统的工作工况所决定，这又取决于制热温度要求、空气环境温度和太阳能辐射强度；第二压缩机110吸气压力是由喷射器106的工作特性、循环中的质量守恒、动量守恒和能量守恒关系所决定。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，其特征在于包括太阳能喷射子系统、蒸汽压缩子系统和热水循环系统；

太阳能喷射子系统中，三通道套管换热器（104）的出口分为两路，一路经第一截止阀（120）后与工质泵（105）的入口相连通，工质泵（105）的出口与太阳能集热/发生器（106）的入口相连通，太阳能集热/发生器（106）的出口与喷射器 （109）的工作流体入口相连通；另一路与第二膨胀阀（107）的入口相连通，第二膨胀阀（107）的出口与蒸发器（108）的入口相连通；蒸发器（108）的出口分两路，一路经第二截止阀（121）后与喷射器（109）的引射流体入口相连通，另一路经第三截止阀（122）后与第二压缩机（110）的吸气口相连通，喷射器（109）的出口与第二压缩机（110）的吸气口相连通；

蒸汽压缩子系统中，三通道套管换热器（104）的出口经第一压缩机（101）后与冷凝器（102）的入口连通，冷凝器（102）的出口与第一膨胀阀（103）的入口连通；

热水循环系统中，空调用户的低温回水分为两路，一路通过管道与冷凝器（102）相连通，三通阀（111）的出口端b、第二进口端c接通，另一路通过管道与三通道套管换热器（104）的内层套管（118）相连通，三通阀（111）的第一进口端a、出口端b接通，三通阀（111）的出口端与热水循环泵（112）的入口相连通，热水循环泵（112）出口与空调用户的供水管路相连通。

2.根据权利要求1所述的太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，其特征在于：所述三通道套管换热器（104）中，内层套管（118）和中层套管（115）之间形成第一环形通道（119），中层套管（115）和外层套管（117）之间形成第二环形通道（116），内层套管（118）中流通水，第一环形通道（119）中流通低压级制冷剂，第二环形通道（116）中流通高压级制冷剂。

3.根据权利要求2所述的太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，其特征在于：所述低压级制冷剂为经过所述第二压缩机（110）后的制冷剂，所述高压级制冷剂为经过所述第一压缩机（101）后的制冷剂。

4.根据权利要求1所述的太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，其特征在于：所述三通道套管换热器（104）采用平行布置或者蛇形布置。

5.根据权利要求4所述的太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，其特征在于：所述平行布置的三通道套管换热器（104）中，相互平行的三通道套管的数量为2根及以上。

6.根据权利要求4所述的太阳能喷射增效的中高温空气源热泵系统，其特征在于：所述蛇形布置的三通道套管换热器（104）中，三通道套管采用一次回折布置或多次回折布置的结构。