CN110307673A - 一种太阳能增效热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种太阳能增效热泵系统，属于热泵技术领域；提供了一种提高太阳能的利用率和对室外温度大幅变化的适应性的太阳能增效热泵系统；技术方案为：一种太阳能增效热泵系统，包括太阳能集热器、蒸发器、低压级压缩机、三套管换热器、低压级节流阀、高压级压缩机、冷凝器、高压级节流阀，第一至第六切换阀、供暖末端、定压补水装置和循环水泵，本系统按运行模式可分为一级压缩热泵制热系统、两级压缩热泵制热系统、太阳能集热器与一级压缩热泵联合制热系统、太阳能集热器与两级压缩热泵联合制热系统；本发明可广泛应用于供暖领域。

Description

一种太阳能增效热泵系统

技术领域

本发明一种太阳能增效热泵系统，属于热泵技术领域。

背景技术

太阳能利用技术现已比较成熟，利用太阳能进行制热也得到了普遍应用。太阳能充足、太阳能集热器面积足够、建筑朝向保温满足要求时，太阳能制热系统独立供热可满足用户要求，其中，太阳能集热器面积、建筑朝向保温等要求尚可控制，但是太阳能的变化具有不稳定性和间歇性的特点，因此太阳能制热系统独立供热难以满足用户需求。

经过对现有技术的文献检索发现，解决上述问题常用的制热结构是：采用辅助热源与太阳能集热器联合制热系统。公开号为CN 106322833A的发明专利公开了“一种复叠式超低温空气源热泵及其制热方法”，该装置由太阳能集热器制热系统和空气源热泵制热系统组成，一般情况下采用太阳能集热器制热系统与空气源热泵制热系统复叠运行模式；当太阳光照丰富时，采用太阳能集热器制热系统直接供暖模式；当太阳光照不足时，采用空气源热泵制热系统直接供暖模式。公开号为CN 204648741U的实用新型专利公开了一种“太阳能喷射与太阳能光伏蒸汽喷射压缩联合热泵系统”，该系统分为制冷工况和制热工况；制冷工况，无太阳辐射时，系统使用空气能双级蒸汽压缩辅助系统循环制冷，当收集的太阳能不足时，系统使用复叠式循环与空气能双级蒸汽压缩辅助系统循环同时制冷，当收集的太阳能满足制冷需求时，系统使用复叠式循环制冷；制热工况，在收集到足够的太阳能情况下，采用太阳能喷射与太阳能光伏蒸气喷射压缩系统供热，在没有收集到足够的太阳能情况下，只采用空气能双级蒸气压缩辅助系统供热。公开号为CN 102778079B的发明专利公开了一种“太阳能喷射与双级压缩联合热泵系统”，该装置在太阳能充足的情况下，采用太阳能喷射系统与一级蒸汽压缩系统的复叠式循环方案；在太阳能不能完全满足系统运行的情况下，采用太阳能喷射系统与一级蒸汽压缩系统的复叠式循环和室外侧双级蒸汽压缩辅助系统同时运行方案；在没有太阳能的情况下，采用室外侧双级蒸汽压缩辅助系统运行方案。

然而，在上述发明中，公开号为CN 106322833A的发明，在采用太阳能集热器制热系统与空气源热泵制热系统复叠运行模式下，换热器与表冷器并联，由于两者温差较大，运行过程中容易出现换热器与表冷器之间压力不平衡问题；公开号为CN 204648741U的实用新型专利结构复杂，不利于实际操作过程中切换运行模式，同时系统包括两个喷射器、两个压缩机，设备初投资较大；公开号为CN 102778079B的发明在太阳能喷射系统在高集热温度下才能驱动，而高集热温度降低了集热效率，对太阳能利用不利。综上所述，上述技术方案对太阳能的利用效率不够高，还有提升空间，同时对室外温度大幅变化时的适应性也有待提高。

发明内容

本发明一种太阳能增效热泵系统，克服了现有技术存在的不足，提供了一种提高太阳能的利用率和对室外温度大幅变化的适应性的太阳能增效热泵系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种太阳能增效热泵系统，包括太阳能集热器、蒸发器、低压级压缩机、三套管换热器、低压级节流阀、 高压级压缩机、冷凝器、高压级节流阀，第一至第六切换阀（9-14）、供暖末端、定压补水装置和循环水泵；供暖末端的入口为供水入口，出口为回水出口；

三套管换热器中的第一环形通道的出口通过管道依序经过低压级节流阀、蒸发器和低压级压缩机后与第一环形通道的入口相连通；

三套管换热器中的内层套管的出口通过管道依序经过高压级压缩机、冷凝器和高压级节流阀后与内层套管的入口相连通；

三套管换热器中的第二环形通道的出口通过管道经过第四切换阀后与供水入口相连通；三套管换热器中的第二环形通道的入口通过管道经过第三切换阀后与回水出口相连通；

供暖末端的出口通过管道依序经过定压补水装置、循环水泵、第五切换阀、冷凝器、第六切换阀后通与供暖末端的入口相连通；

太阳能集热器的出口通过管道经过第二切换阀后与供水入口相连通；太阳能集热器的入口通过管道经过第一切换阀后与回水出口相连通。

进一步，所述定压补水装置包括补给水箱、补给水泵和压力调节阀，补给水箱的出口通过管道依序经过补给水泵、压力调节阀和所述循环水泵入口相连通。

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

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。

1.无论太阳辐射强还是弱，本发明系统都能充分利用太阳能的热量、不足部分再用压缩热泵来补充，同时，随着室外温度的降低和建筑热负荷增大，本系统由一级压缩热泵运行方式切换为两级压缩热泵运行方式，可最大程度的节约电能。即本系统能够根据不同室外温度、太阳辐射强度选择不同运行模式，在满足室内热负荷需求的同时，充分利用太阳能资源。

2.本发明系统中低温热水回路、高温热水回路和太阳能热水回路相互并联的，在寒冷季节中，即使系统某部件发生故障，依然能保证系统为用户供暖，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明一种太阳能增效热泵系统的结构示意图。

图2是本发明一种太阳能增效热泵系统实施例第一种运行模式下的结构示意图。

图3是本发明一种太阳能增效热泵系统实施例第二种运行模式下的结构示意图。

图4是本发明一种太阳能增效热泵系统实施例第三种运行模式下的结构示意图。

图5是本发明一种太阳能增效热泵系统实施例第四种运行模式下的结构示意图。

图6是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7是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8是图6、图7中的A-A剖视图。

图中，1-太阳能集热器，2-蒸发器，3-低压级压缩机，4-三套管换热器，5-低压级节流阀， 6-高压级压缩机，7-冷凝器，8-高压级节流阀，9-第一切换阀，10-第二切换阀，11-第三切换阀，12-第四切换阀，13-第五切换阀，14-第六切换阀，15-供暖末端，16-补给水箱，17-补给水泵，18-压力调节阀，19-循环水泵，120-高压级制冷剂进口管道，121-高压级制冷剂出口管道，122-低压级制冷剂出口管道，123-低压级制冷剂入口管道，124-热水入口管道，125-热水出口管道，126-中层套管，127-第二环形通道，128-外层套管，129-内层套管，130-第一环形通道，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8所示，本发明一种太阳能增效热泵系统，包括太阳能集热器1、蒸发器2、低压级压缩机3、三套管换热器4、低压级节流阀5、 高压级压缩机6、冷凝器7、高压级节流阀8，第一至第六切换阀9-14、供暖末端15、定压补水装置和循环水泵19。供暖末端15用于用户取暖。供暖末端15的入口为供水入口，出口为回水出口；

三套管换热器4中的第一环形通道130的出口通过管道依序经过低压级节流阀5、蒸发器2和低压级压缩机3后与第一环形通道130的入口相连通，构成低压制冷剂回路。

供暖末端15的出口通过管道依序经过定压补水装置、循环水泵19、第五切换阀13、冷凝器7、第六切换阀14后通与供暖末端15的入口相连通，构成高温热水回路。

三套管换热器4中的内层套管129的出口通过管道依序经过高压级压缩机6、冷凝器7和高压级节流阀8后与内层套管129的入口相连通，构成高压制冷剂回路。

供暖末端15、定压补水装置、循环水泵19、第三切换阀11、三套管换热器4、第四切换阀12通过管道依次连通，构成低温热水回路。

三套管换热器4中的第二环形通道127的出口通过管道经过第四切换阀12后与供水入口相连通；三套管换热器4中的第二环形通道127的入口通过管道经过第三切换阀11后与回水出口相连通。

太阳能集热器1的出口通过管道经过第二切换阀10后与供水入口相连通；太阳能集热器1的入口通过管道经过第一切换阀9后与回水出口相连通。供暖末端15、定压补水装置、循环水泵19、第一切换阀9、太阳能集热器1、第二切换阀10通过管道依次连通，构成太阳能热水回路。

定压补水装置包括补给水箱16、补给水泵17和压力调节阀18，补给水箱16的出口通过管道依序经过补给水泵17、压力调节阀18和循环水泵19入口相连通。

三通道套管换热器4可以采用平行布置或者蛇形布置，但不限于以上两种形式。

如图6所示，平行布置的三通道套管换热器4中，相互平行的三通道套管的数量为2根及以上。平行的三套管换热器结构如下：每根三套管是直的，并且三套管之间相互平行布置。

在三通道套管换热器4的左侧，高压级制冷剂入口管道120与第一连接管131相连通，第一连接管131再分别与每根平行的三套管的内层套管129相连通；在右侧，每根平行的三套管的内层套管129分别与第六连接管136相连通，第六连接管136再与高压级制冷剂出口管道121相连通。在右侧，低压级制冷剂入口管道123与第五连接管135相连通，第五连接管135再分别与每根平行的三套管的第一环形通道130相连通；在左侧，每根平行的三套管的第一环形通道130分别与第二连接管132相连通，第二连接管132再与低压级制冷剂出口管道122相连通。在左侧，热水入口管道124与第三连接管133相连通，第三连接管133再分别与每根平行的三套管的第二环形通道127相连通；在右侧，每根平行的三套管的第二环形通道127分别与第四连接管134相连通，第四连接管134再与热水出口管道125相连通。

如图8所示，三通道套管换热器4中，内层套管129和中层套管126之间形成第一环形通道130，中层套管126和外层套管128之间形成第二环形通道127。第一环形通道130中只能流通低压级制冷剂；内层套管129和第二环形通道127可以有两种流通方式，第一种是内层套管129中流通高压级制冷剂，第二环形通道127中流通热水；第二种是内层套管129中流通热水，第二环形通道127中流通高压级制冷剂。本实施例描述中采用的第一种，但不限于这一种。

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4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7所示，以四次回折布置的形式作为结构示意图。

本发明一种太阳能增效热泵系统按系统运行模式划分，包括一级压缩热泵制热系统、两级压缩热泵制热系统、太阳能集热器与一级压缩热泵联合制热系统、太阳能集热器与两级压缩热泵联合制热系统。

一级压缩热泵制热系统是由低压制冷剂回路与低温热水回路构成。两级压缩热泵制热系统是由低压制冷剂回路、高压制冷剂回路与高温热水回路构成。太阳能集热器与一级压缩热泵联合制热系统是由低压制冷剂回路与低温热水回路、太阳能热水回路构成。太阳能集热器与两级压缩热泵联合制热系统是由低压制冷剂回路、高压制冷剂回路与高温热水回路、太阳能热水回路构成。

在室外温度较高、无太阳辐射或太阳辐射极弱时，采用一级压缩热泵制热运行模式，蒸发器2中制冷剂吸收热量，变为蒸汽，经过压缩机3压缩变成高温高压蒸汽，并通过三套管换热器4将热量传递到水中，为用户供暖；在室外温度较低、无太阳辐射或太阳辐射极弱时，采用两级压缩热泵制热运行模式，蒸发器2中制冷剂吸收的热量、低压级压缩机3与高压级压缩机6做功消耗的电能共同传给冷凝器7，通过冷凝器7将热量传递到水中，为用户供暖；在室外温度较高、有太阳辐射或太阳辐射较强时，采用太阳能集热器1与一级压缩热泵联合制热运行模式，热源由两部分组成，一部分是一级压缩热泵制热系统，另一部分是太阳能集热系统，一级压缩热泵制热系统由蒸发器2吸收热量与低压级压缩机3作的功传给三套管换热器4，并通过三套管换热器4将热量传递到水中对用户供暖，太阳能集热系统由太阳能集热器1吸收太阳光辐射直接加热管道中的水对用户供暖；在室外温度较低、有太阳辐射或太阳辐射较强时，采用太阳能集热器1与两级压缩热泵联合制热运行模式，热源由两部分组成，一部分是两级压缩热泵制热系统，另一部分是太阳能集热系统，两级压缩热泵制热系统由蒸发器2吸收热量、低压级压缩机3作功与高压级压缩机6作功共同传给冷凝器7，通过冷凝器7将热量传递到水中对用户供暖，太阳能集热系统由太阳能集热器1吸收太阳光辐射直接加热管道中的水对用户供暖。

下面对四种运行模式做进一步说明：

（一）一级压缩热泵制热运行模式。图2中实线表示该系统的结构关系：低温液态制冷剂在蒸发器2中吸热变为蒸汽后，进入低压级压缩机3压缩后变成中压中温蒸汽，再进入三套管换热器4与用户回水管中温度较低的水换热后冷凝为液态制冷剂，进入低压级节流阀5节流后温度压力降低再次进入蒸发器2中；从循环水泵19流出的用户回水通过第三切换阀11进入三套管换热器4换热后温度升高，通过第四切换阀12进入供暖末端15为用户供暖后，再回到循环水泵19完成循环。

上述一级压缩热泵制热运行模式的实现方法如下：

当室外温度较高、无太阳辐射或太阳辐射极弱时，第三、第四切换阀11、12打开，第一、第二、第五、第六切换阀9、10、13、14关闭，装置中一级压缩热泵制热系统运行。

（二）两级压缩热泵制热运行模式。图3中实线表示该系统的结构关系：低温液态制冷剂在蒸发器2中吸热变为蒸汽后，进入低压级压缩机3压缩后变成中温中压蒸汽，再进入三套管换热器4与高压级制冷剂进行换热冷凝为液态制冷剂，进入低压级节流阀5节流降温降压后再次进入蒸发器2中蒸发；三套管换热器4中的高压级制冷剂与低压级制冷剂换热蒸发变为气态制冷剂，再进入高压级压缩机6压缩后变成高温高压蒸汽，进入冷凝器7中冷凝放热，变成高压液态制冷剂后，经高压级节流阀8节流后温度压力降低，再回到三套管换热器4中吸热蒸发；从循环水泵19流出的用户回水通过切换阀13进入冷凝器7吸热温度升高，通过切换阀14进入供暖末端15为用户供暖后，再回到循环水泵19完成循环。

上述两级压缩热泵制热运行模式的实现方法如下：

当室外温度较低、无太阳辐射或太阳辐射极弱时，第五、第六切换阀13、14打开，第一、第二、第三、第四切换阀9、10、11、12关闭，装置中两级压缩热泵制热系统运行。

（三）太阳能集热器与一级压缩热泵联合制热运行模式。图4中实线表示该系统的结构关系：低温液态制冷剂在蒸发器2中吸热变为蒸汽后，进入低压级压缩机3压缩后变成中压中温蒸汽，再进入三套管换热器4与用户回水管中温度较低的水换热后冷凝为液态制冷剂，进入低压级节流阀5节流后温度压力降低再次进入蒸发器2中；用户回水管路出口分为两路，一路是从循环水泵19流出的用户回水通过切换阀11进入三套管换热器4换热后温度升高，通过切换阀12进入用户15为用户供暖后，再回到循环水泵19完成循环；另一路是从循环水泵19流出的用户回水通过切换阀9进入太阳能集热器1吸收太阳光辐射直接加热管道中的水，再通过切换阀10进入供暖15为用户供暖后，再回到循环水泵19完成循环。

上述太阳能集热器与一级压缩热泵联合制热运行模式的实现方法如下：

当室外温度高、有太阳辐射或太阳辐射较强时，第一、第二、第三、第四切换阀9、10、11、12打开，第五、第六切换阀13、14关闭，装置中太阳能集热器与一级压缩热泵联合制热系统运行。

（四）太阳能集热器与两级压缩热泵联合制热运行模式。图5中实线表示该系统的结构关系：低温液态制冷剂在蒸发器2中吸热变为蒸汽后，进入低压级压缩机3压缩后变成中温中压蒸汽，再进入三套管换热器4与高压级制冷剂进行换热冷凝为液态制冷剂，进入低压级节流阀5节流降温降压后再次进入蒸发器2中蒸发；三套管换热器4中的高压级制冷剂与低压级制冷剂换热蒸发变为气态制冷剂，再进入高压级压缩机6压缩后变成高温高压蒸汽，进入冷凝器7中冷凝放热，变成高压液态制冷剂后，经高压级节流阀8节流后温度压力降低，再回到三套管换热器4中吸热蒸发；用户回水管路出口分为两路，一路是从循环水泵19流出的用户回水通过切换阀13进入冷凝器7吸热温度升高，通过切换阀14进入供暖末端15为用户供暖后，再回到循环水泵19完成循环；另一路是从循环水泵19流出的用户回水通过切换阀9进入太阳能集热器1吸收太阳光辐射直接加热管道中的水，再通过切换阀10进入供暖末端15为用户供暖后，再回到循环水泵19完成循环。

上述太阳能集热器1与两级压缩热泵联合制热运行模式的实现方法如下：

当室外温度低、有太阳辐射或太阳辐射较强时，第一、第二、第五、第六切换阀9、10、13、14打开，第三、第四切换阀11、12关闭，装置中太阳能集热器与两级压缩热泵联合制热系统运行。

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)

1.一种太阳能增效热泵系统，其特征在于：包括太阳能集热器（1）、蒸发器（2）、低压级压缩机（3）、三套管换热器（4）、低压级节流阀（5）、 高压级压缩机（6）、冷凝器（7）、高压级节流阀（8），第一至第六切换阀（9-14）、供暖末端（15）、定压补水装置和循环水泵（19）；供暖末端（15）的入口为供水入口，出口为回水出口；

三套管换热器（4）中的第一环形通道（130）的出口通过管道依序经过低压级节流阀（5）、蒸发器（2）和低压级压缩机（3）后与第一环形通道（130）的入口相连通；

三套管换热器（4）中的内层套管（129）的出口通过管道依序经过高压级压缩机（6）、冷凝器（7）和高压级节流阀（8）后与内层套管（129）的入口相连通；

三套管换热器（4）中的第二环形通道（127）的出口通过管道经过第四切换阀（12）后与供水入口相连通；三套管换热器（4）中的第二环形通道（127）的入口通过管道经过第三切换阀（11）后与回水出口相连通；

冷凝器（7）的出口通过管道经过第六切换阀（14）后与供水入口相连通；冷凝器（7）的入口通过管道经过第五切换阀（13）后与回水出口相连通；

太阳能集热器（1）的出口通过管道经过第二切换阀（10）后与供水入口相连通；太阳能集热器（1）的入口通过管道经过第一切换阀（9）后与回水出口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能增效热泵系统，其特征在于：所述定压补水装置包括补给水箱（16）、补给水泵（17）和压力调节阀（18），补给水箱（16）的出口通过管道依序经过补给水泵（17）、压力调节阀（18）和所述循环水泵（19）入口相连通。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能增效热泵系统，其特征在于：所述三通道套管换热器（4）中，所述内层套管（129）和中层套管（126）之间形成所述第一环形通道（130），中层套管（126）和外层套管（128）之间形成所述第二环形通道（127），所述内层套管（129）中流通高压级制冷剂，所述第一环形通道（130）中流通低压级制冷剂，所诉第二环形通道（127）中流通热水。

4.根据权利要求3所述的一种太阳能增效热泵系统，其特征在于：所述三通道套管换热器（4）采用平行布置或者蛇形布置。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能增效热泵系统，其特征在于：所述平行布置的三通道套管换热器（4）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所述的一种太阳能增效热泵系统，其特征在于：所述蛇形布置的三通道套管换热器（4）中，三通道套管采用一次回折布置或多次回折布置的结构。