CN110631268B - 一种真空集热蓄热型空气源热泵 - Google Patents

一种真空集热蓄热型空气源热泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真空集热蓄热型空气源热泵，真空集热蓄热装置为至少一个，包括真空保温管和螺旋集热器，所述真空保温管的壳体为透明的双层保温结构，所述螺旋集热器设置于真空保温管的内部，两者同轴设置；螺旋集热器包括储热筒和设置于储热筒外壁的螺旋片，储热筒内填充有蓄热剂，蓄热剂与螺旋片之间通过导热丝连接，螺旋片上涂覆吸热涂层；真空保温管的一端开口为空气进口，另一端开口为空气出口；空气出口侧设置空气源热泵的蒸发器；风机设置于蒸发器的下游，为空气流动提供动力。

Description

一种真空集热蓄热型空气源热泵
技术领域
本发明属于空气源热泵技术领域，具体涉及一种真空集热蓄热型空气源热泵。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术，以制冷剂为媒介，压缩机把低温低压气态冷媒转换成高压高温气态，高温高压的气态冷媒在冷凝器中与水或者空气进行热交换，高压的冷媒在常温下被冷却、冷凝为液态。这个过程中，冷媒放出热量用来加热水或者空气，获取热水或者热风。高压液态冷媒通过膨胀阀减压，压力下降，回到比外界低的温度，具有吸热蒸发的能力，低温低压的液态冷媒经过蒸发器吸收空气中的热量自身蒸发，由液态变为气态。吸收了热量的冷媒变成低温低压气体，再由压缩机吸入进行压缩，如此往复循环，不断地从空气中吸热，而在水侧(空气侧)换热器放热，制取热水或者热风。
通过上述原理可知，空气源热泵是以室外空气作为热源侧载能介质的冷热源设备，因此当室外环境温度低时，蒸发温度低、压缩比大导致制热量小、能效比低、压缩机排气温度过高，有时甚至出现不能启动的问题，且还容易室外换热器结霜，加剧性能下降。
现有的公开专利中，太阳能和空气源复合供暖系统主要是分三类，一是直膨式太阳能空气源热泵系统，二是通过太阳能和空气源热泵共同制取热水或者热风，通过太阳能进行初级加热，热泵进行二次加热的串联形式，或者两者制取热水或者热风后的混合并联形式，三是通过太阳能产生的热量提高蒸发温度。发明人发现，以上三种情况都存在太阳能的热量无法持续供应和太阳能能量供应率低，难以实现其设计目的等技术问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种真空集热蓄热型的空气源热泵。本发明旨在提出一种高效的真空集热、蓄热空气源热泵供热系统，一是大大提高单位面积下太阳能集热效率，有效提高环境温度，二是实现了高效蓄能，且创新设计机组整体结构，使得二者有机结合，通过自动保温百叶窗现自由切换，实现持续高效的机组运行。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种真空集热蓄热型空气源热泵，包括：真空集热蓄热装置、空气源热泵和风机，空气源热泵位于真空集热蓄热系统的下游；
其中，所述真空集热蓄热装置为至少一个，包括真空保温管和螺旋集热器，所述真空保温管的壳体为透明的双层保温结构，所述螺旋集热器设置于真空保温管的内部，两者同轴设置；
螺旋集热器包括储热筒和设置于储热筒外壁的螺旋片，储热筒内填充有蓄热剂，蓄热剂与螺旋片之间通过导热丝连接，螺旋片上涂覆吸热涂层；
真空保温管的一端开口为空气进口，另一端开口为空气出口；
空气出口侧设置空气源热泵的蒸发器；
风机设置于蒸发器的下游，为空气流动提供动力。
真空保温管的壳体采用透明的双层保温结构，不但可以提高太阳能的吸收效率，还可以起到较好的保温性能，以减少能量的散失。
在储热筒的外壁上设置螺旋片，可以显著增大受光面积，进而提高对太阳能的吸收量。在螺旋片上涂覆吸热涂层，以提高对太阳能的吸收效率。螺旋片吸收的能量通过导热丝输送至储热筒中的蓄热剂中，以实现热量的储存。
太阳光照充足时，螺旋集热器上的螺旋片涂覆有吸热涂层，具有较好的吸热效果，其吸收的热量通过导热丝传递给储热筒内部的蓄热剂(石蜡油等)中，起到热量的储存，使蓄热剂具有较高的温度。此时，如果空气自真空保温管的空气进口端进入真空保温管中，会在太阳光照、螺旋片和蓄热剂的加热作用下，温度进一步提高，当较高温度的空气流向蒸发器时，可以为空气源热泵提供较大的驱动力。经蒸发器冷却后的空气在风机的动力作用下排至外界环境。
如果外界环境中空气的温度较高时，空气也可以直接输送至蒸发器，而不经过真空集热蓄热装置，此时，真空集热蓄热装置仅起到存储能量的作用。当太阳光照不充足，或外界环境的温度显著下降时，将外界空气通过真空集热蓄热装置输送至蒸发器，此时，蓄热剂中存储的热量通过导热丝输送至螺旋片，空气在流动过程中与螺旋片接触换热，实现对空气的加热。同时，螺旋片还可以起到扰流作用，以提高对空气的加热均匀程度。通过此种方式，解决了当室外环境温度低时，蒸发温度低、压缩比大导致制热量小、能效比低、压缩机排气温度过高，有时甚至出现不能启动的问题，以保证空气源热泵的循环功能的实现。
此外，由于外界的冷空气经过加热后具有较高的温度，所以可以有效缓解蒸发器出现结霜等问题，以保证蒸发器的换热性能。
在一些实施例中，所述真空集热蓄热装置的数量为2-30个，多个真空集热蓄热装置并排安装。
通过设置多个真空集热蓄热装置，可以有效提高对太阳能的吸收效率和吸收量，以保证对空气的加热效果。
进一步的，多个真空集热蓄热装置并排安装在同一透明壳体内，形成多个空气流通通道。这样设置，便于加工和安装，而且还可以起到一定的保温作用，减少能量的损失。
更进一步的，所述透明壳体的一端设置第一百叶窗，另一端设置第二百叶窗。
第一百叶窗和第二百叶窗可以实现对空气通道的开闭，同时当其关闭时，还可以起到一定的保温作用，以减少能量的损失。
进一步的，还包括第三百叶窗，第三百叶窗、所述透明壳体以及周围侧壁围成长方体稳流腔室，其中，第三百叶窗与透明壳体垂直设置，透明壳体的出口端与第三百叶窗之间留有一定间隙；
透明壳体水平安装，且位于稳流腔室的顶部；
蒸发器安装于稳流腔室内部，位于透明壳体的下方，且覆盖整流腔室的竖向横截面；
风机和第三百叶窗分别位于蒸发器的两端。
由于来自多个真空集热蓄热装置的空气流形成多股气流，气流较为集中，当多股气流冲向蒸发器时，容易导致蒸发器与空气流的各部分接触不均匀，不利于蒸发器换热效率的提高。
所以，第三百叶窗、蒸发器以及透明壳体之间围成的稳流腔室，可以将多股气流进行缓冲、稳流，使进入到蒸发器横截面各个位置的气流流量一致，有利于提高蒸发器的换热效率。
当风机开启，第三百叶窗开启时，可以将较高温度的空气直接引流至蒸发器。
进一步的，蒸发器与风机之间的腔室形成静压箱，静压箱四周的侧壁材质为透明材质。当太阳光照充足时，百叶窗关闭，整个真空厢体相当于蓄热体，温度蓄存到指定温度时，开启百叶窗可以对外供热。
进一步的，所述透明壳体的出口端设置有导流片。将被加热的导流至整流腔室中。
在一些实施例中，所述导热丝为金属丝。
进一步的，所述第一百叶窗、第二百叶窗和第三百叶窗上都设置有保温层。其关闭时，可以实现保温性能。
更进一步的，所述保温层的材质为岩棉。
在一些实施例中，所述真空集热蓄热型空气源热泵还包括冷凝器、压缩机、储液器、气液分离器和节流阀，压缩机的进口与蒸发器的出口连接，压缩机的出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与储液器进口连接，储液器出口通过节流阀与蒸发器进口连接。
吸热后的制冷剂变为气态，气态制冷剂被压缩机压缩后，变为高温高压的气体，进入冷凝器放热，放出的热量传给水或者空气，获取热水或者热风用于供暖。然后放热后的制冷剂经气液分离，其中的液态制冷剂进入蒸发器，吸收了环境中热量的冷媒变成低温低压气体，再由压缩机吸入进行压缩，如此往复循环，不断地从空气中吸热，而在水侧(空气侧)换热器制取热水或者热风。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种实现环境温度可控的装置，使得空气源热泵在冬季地环境温度下运行时进口空气环境温度可以持续有效的提高，避免了低环境温度下导致的性能衰减以及不能启动问题；
本发明装置可实现实时的热风融霜，融霜速度快，且节能；
本发明装置在百叶窗采用电动开启闭合的自动控制系统，有限避免了杂物、雪、冰雹等物体侵入，影响装置运行；
本发明装置采用空气能和太阳能清洁可再生能源，节能环保。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例真空集热蓄热型的空气源热泵结构示意图；
图2为本发明实施例真空集热蓄热装置的结构示意图；
图3为本发明实施例真空集热蓄热装置的侧面示意图；
图4为本发明实施例真空集热蓄热装置的俯视结构示意图；
图5为本发明实施例百叶窗自动控制开闭的结构示意图。
其中，101、第一百叶窗，102、第二百叶窗，103、第三百叶窗，201、储热筒，202、集热器进风通道，203、吸热涂层，204、螺旋片，205、金属丝，206、真空保温管，301、导流片，302、蒸发器，303、风机，304、静压箱，305、压缩机，306、储液器，307、节流阀，308、冷凝器，401、百叶片，402、电机，403、控制器，404、转轴。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，一种真空集热蓄热型空气源热泵，包括：真空集热蓄热装置、空气源热泵和风机303，空气源热泵位于真空集热蓄热系统的下游；
如图2、图3和图4所示，其中，所述真空集热蓄热装置为至少一个，可以为2-30个，如可以为5个、6个、8个、10个、12个、15个、18个、20个、25个、27个等，每个包括真空保温管206和螺旋集热器，所述真空保温管206的壳体为透明的双层保温结构，所述螺旋集热器设置于真空保温管206的内部，两者同轴设置；
螺旋集热器包括储热筒201和设置于储热筒外壁的螺旋片204，储热筒201内填充有蓄热剂(如石蜡油等)，蓄热剂与螺旋片204之间通过导热丝连接，导热丝可以为金属丝205等，螺旋片204上涂覆吸热涂层203；螺旋集热器与真空保温管206之间形成集热器进风通道202。
真空保温管206的一端开口为空气进口，另一端开口为空气出口；
多个真空集热蓄热装置并排安装在同一透明壳体内，形成多个空气流通通道。这样设置，便于加工和安装，而且还可以起到一定的保温作用，减少能量的损失。透明壳体的一端设置第一百叶窗101，另一端设置第二百叶窗102。第一百叶窗101和第二百叶窗102可以实现对空气通道的开闭，同时当其关闭时，还可以起到一定的保温作用，以减少能量的损失。
真空集热蓄热装置的空气出口侧设置空气源热泵的蒸发器302；
风机303设置于蒸发器302的下游，为空气流动提供动力。
此外，还包括第三百叶窗103，第三百叶窗103、所述透明壳体以及周围侧壁围成长方体稳流腔室，其中，第三百叶窗103与透明壳体垂直设置，透明壳体的出口端与第三百叶窗之间留有一定间隙；
透明壳体水平安装，且位于稳流腔室的顶部；
蒸发器302安装于稳流腔室内部，位于透明壳体的下方，且覆盖整流腔室的竖向横截面；
风机303和第三百叶窗103分别位于蒸发器302的两端。
蒸发器302与风机303之间的腔室形成静压箱304，静压箱304四周的侧壁材质为透明材质。当太阳光照充足时，百叶窗关闭，整个真空厢体相当于蓄热体，温度蓄存到指定温度时，开启百叶窗可以对外供热。
所述透明壳体的出口端设置有导流片，将被加热的导流至整流腔室中。
所述第一百叶窗101、第二百叶窗102和第三百叶窗103上都设置有保温层。其关闭时，可以实现保温性能。所述保温层的材质为岩棉。
如图5所示，本发明中的百叶窗包括第一百叶窗、第二百叶窗、第三百叶窗，实现了自动开启和关闭，百叶窗包括边框和若干百叶片401，每个百叶片401通过一根转轴404与边框连接，转轴的一端穿过边框与同步轮连接，同步轮通过同步带与电机402连接，电机与控制器403连接，实现百叶窗的自动开启和关闭。
所述真空集热蓄热型空气源热泵还包括冷凝器308、压缩机305、储液器306、节流阀307，压缩机305的进口与蒸发器302的出口连接，压缩机305的出口与冷凝器308进口连接，冷凝器308出口与储液器306进口连接，储液器306出口连接节流阀307与蒸发器302进口连接，其中热泵系统还包括一些保证系统运行常规的阀器件，因不属于该发明的创新内容，就不一一列出。
太阳光照充足时，螺旋集热器上的螺旋片涂覆有吸热涂层，具有较好的吸热效果，其吸收的热量通过导热丝传递给储热筒内部的蓄热剂(石蜡油等)中，起到热量的储存，使蓄热剂具有较高的温度。此时，如果空气自真空保温管的空气进口端进入真空保温管中，会在太阳光照、螺旋片和蓄热剂的加热作用下，温度进一步提高，当较高温度的空气流向蒸发器时，可以为空气源热泵提供较大的驱动力。经蒸发器冷却后的空气在风机的动力作用下排至外界环境。
如果外界环境中空气的温度较高时，空气也可以直接输送至蒸发器，而不经过真空集热蓄热装置，此时，真空集热蓄热装置仅起到存储能量的作用。当太阳光照不充足，或外界环境的温度显著下降时，将外界空气通过真空集热蓄热装置输送至蒸发器，此时，蓄热剂中存储的热量通过导热丝输送至螺旋片，空气在流动过程中与螺旋片接触换热，实现对空气的加热。同时，螺旋片还可以起到扰流作用，以提高对空气的加热均匀程度。通过此种方式，解决了当室外环境温度低时，蒸发温度低、压缩比大导致制热量小、能效比低、压缩机排气温度过高，有时甚至出现不能启动的问题，以保证空气源热泵的循环功能的实现。
气态制冷剂被压缩机305压缩后，变为高温高压的气体，进入冷凝器308放热，放出的热量传给水或者空气，获取热水或者热风用于供暖，降温后的制冷剂进入储液器306中，经过节流阀307节流降压后，重新进入蒸发器，制冷剂在蒸发器中吸收了环境中热量变成低温低压气体，再由压缩机吸入进行压缩，如此往复循环，不断地从空气中吸热，而在水侧(空气侧)换热器制取热水或者热风。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种真空集热蓄热型空气源热泵，其特征在于：包括：真空集热蓄热装置、空气源热泵和风机，空气源热泵位于真空集热蓄热系统的下游；
其中，所述真空集热蓄热装置为至少一个，包括真空保温管和螺旋集热器，所述真空保温管的壳体为透明的双层保温结构，所述螺旋集热器设置于真空保温管的内部，两者同轴设置；
螺旋集热器包括储热筒和设置于储热筒外壁的螺旋片，储热筒内填充有蓄热剂，蓄热剂与螺旋片之间通过导热丝连接，螺旋片上涂覆吸热涂层；
真空保温管的一端开口为空气进口，另一端开口为空气出口；多个真空集热蓄热装置并排安装在同一透明壳体内，形成多个空气流通通道；所述透明壳体的一端设置第一百叶窗，另一端设置第二百叶窗；
还包括第三百叶窗，第三百叶窗、所述透明壳体以及周围侧壁围成长方体稳流腔室，其中，第三百叶窗与透明壳体垂直设置，透明壳体的出口端与第三百叶窗之间留有一定间隙；
透明壳体水平安装，且位于稳流腔室的顶部；所述透明壳体的出口端设置有导流片；
空气源热泵的蒸发器安装于稳流腔室内部，位于真空保温管的空气出口侧，并位于透明壳体的下方，且覆盖稳流腔室的竖向横截面；
风机和第三百叶窗分别位于蒸发器的两端，且风机设置于蒸发器的下游，所述第一百叶窗、第二百叶窗和第三百叶窗上都设置有保温层。
2.根据权利要求1所述的真空集热蓄热型空气源热泵，其特征在于：所述真空集热蓄热装置的数量为2-30个，多个真空集热蓄热装置并排安装。
3.根据权利要求1所述的真空集热蓄热型空气源热泵，其特征在于：蒸发器与风机之间的腔室形成静压箱，静压箱四周的侧壁材质为透明材质。
4.根据权利要求1所述的真空集热蓄热型空气源热泵，其特征在于：所述导热丝为金属丝。
5.根据权利要求1所述的真空集热蓄热型空气源热泵，其特征在于：所述保温层的材质为岩棉。
6.根据权利要求1所述的真空集热蓄热型空气源热泵，其特征在于：还包括冷凝器、压缩机、储液器和节流阀，压缩机的进口与蒸发器的出口连接，压缩机的出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与储液器进口连接，储液器出口与节流阀相连接，节流阀连接蒸发器。
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