CN110686308B - 太阳能和空气源热泵热能分级利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源装备技术领域，特别是涉及太阳能和空气源热泵热能分级利用系统。该系统包括喷气增焓压缩机、四通换向阀、冷凝器、第一电子膨胀阀、经济器、第二电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器，还包括水箱、太阳能集热器、第一电磁阀和第二电磁阀，其中第一换热盘管、第二换热盘管置于水箱内。本发明提供的系统和控制方法，可根据环境温度和辐射强度以及用热温度需求，切换不同的运行模式，实现热能分级高效利用。该系统能提高低温适应性，在环境温度低于‑20℃时依然稳定运行；同时还能提高太阳能的利用率，使集热器在冬季和夏季均能高效运行，减少热量浪费，实现能源的最大化利用。

Description

太阳能和空气源热泵热能分级利用系统
技术领域
本发明属于新能源设备技术领域，特别是涉及太阳能和空气源热泵热能分级利用系统。
背景技术
在温度较低的我国北方地区，传统的空气源热泵系统使用中存在一些问题，亟待解决。如系统的制热量随着外温的下降而迅速下降，而需热量却随着外温的下降而迅速上升，当外界温度很低时，系统的制热量将小到无法满足这些地区的冬季采暖需求。与此同时，随着室外环境温度的降低，机组 COP 急剧下降，压缩机的压比会越来越大，导致排气温度不断升高，长期运行必然会严重损坏压缩机。
高质能源在使用的过程中，能源的温度是逐渐下降的(即能质下降)，而每种设备在消耗能源时，总有一个最经济合理的使用温度范围。这样，当高质能源在一个装置中已降至经济适用范围以外时，可转至另一个能够经济使用这种较低能质的装置中去使用，使总的能源利用率达到最高水平，极大地提高能源利用率。
随着能源紧缺，太阳能的利用变得越来越广。太阳能由于受天气影响大、连续性差，在低温下集热效率较低，因而限制了太阳能在供暖或制热水中的应用。在供热领域，将太阳能和空气源热泵结合起来是一种利用太阳能的有效技术手段。而如何能够实现高质能源的分级利用，提高利用率，是本领域迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，旨在改善系统在低温环境下的制热性能，能够实现高效供暖、制冷和制热水，节能高效，低成本，特别适用于低温环境下使用。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的:
太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，包括非直棚式和直棚式两种结构配置，所述非直棚式包括喷气增焓压缩机、水箱、四通换向阀、冷凝器、第一电子膨胀阀、经济器、第二电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、太阳能集热器、第一换热盘管、第一电磁阀、第二电磁阀、第二换热盘管、进水电磁阀和出水电磁阀；所述直棚式在非直棚式结构配置的基础上还包括第三电磁阀和第四电磁阀；所述系统在冬季环境温度低于0℃时，可将水箱中的水作为喷气支路的辅助热源，对经过电子膨胀阀的降压后的低温低压的冷媒进行加热，提高中间压力，增加压缩机排气量机组制热量，使机组在环境温度低于-20℃时依然稳定运行；在其它季节时，可将太阳能直接用于制热水。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，非直棚式和直棚式结构配置各部分相同的连接关系为：所述第一换热盘管、第二换热盘管置于水箱内，喷气增焓压缩机的排气口与水箱内第一换热盘管的入口端相连，水箱内第一换热盘管的出口端与四通换向阀的第一通孔相连，四通换向阀的第二通孔与冷凝器进口相连，冷凝器出口与经济器和第一电子膨胀阀的入口相连，经济器的第一出口与第二电子膨胀阀相连，第二电子膨胀阀的出口与蒸发器的入口相连，经济器的第二出口与第一电磁阀和第二电磁阀的入口相连，第一电磁阀的出口与喷气增焓压缩机的补气口相连，蒸发器的出口与四通阀换向阀的第三通孔相连，四通换向阀的第四通孔与汽液分离器的入口端相连，汽液分离器的出口端与喷气增焓压缩机吸气口相连，水箱内第二换热盘管的出口端与喷气增焓压缩机的补气口端相连。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，非直棚式结构配置独有的连接关系为：所述水箱内第二换热盘管的入口端与第二电磁阀的出口端相连，制冷剂不进入水箱，太阳能集热器吸收的热量直接加热水箱里的水，避免水箱中换热盘管过多。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，直棚式结构配置独有的连接关系为：所述第二电磁阀的出口在第三电磁阀和第四电磁阀之间的管路上，第三电磁阀设置在太阳能集热器的入口端，第四电磁阀设置在第二换热盘管的入口端，制冷剂进入水箱，和水箱中的水进行换热。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，水箱包括由低导热系数材料制成的隔热板，隔热板中间有对流孔。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，第一换热盘管在隔热板上方，第二换热盘管在隔热板的下方。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，系统制热控制方法的第一种情形，即当室外空气温度高于第一切换温度，第一切换温度在0℃~10℃之间取值时：如果太阳能充足：对于所述非直棚式和直棚式结构配置，都需停止热泵系统，都只运行太阳能系统；如果太阳能不足：对于所述非直棚式和直棚式结构配置，都需开启热泵系统，第一电子膨胀阀关闭，第二电子膨胀阀开启，第一电磁阀和第二电磁阀关闭；对于直棚式结构配置，还需同时将第三电磁阀和第四电磁阀关闭。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，系统制热控制方法的第二种情形，即当室外空气温度在第一切换温度与第二切换温度之间，第二切换温度在-10℃~0℃之间取值时：对于所述非直棚式结构配置：第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀开启，当室外太阳辐射强度较高以至于平板集热器出口的水温高于水箱设定温度时，第一电磁阀开启，第二电磁阀关闭；当室外太阳辐射强度较低以至于平板集热器出口的水温低于水箱设定温度时，第一电磁阀关闭，第二电磁阀开启, 第二换热盘管可以吸收部分水箱温度以提高压缩机排气口温度；对于所述直棚式结构配置：第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀开启，当室外太阳辐射强度较高以至于平板集热器出口的水温高于水箱设定温度时，第一电磁阀开启，第二电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀均关闭；当室外太阳辐射强度较低以至于平板集热器出口的水温低于水箱设定温度时，第一电磁阀关闭，第二电磁阀开启，当平板集热器出口温度高于经济器出口温度时，第三电磁阀开启，第四电磁阀关闭，制冷剂直接回到压缩机喷气口以提高压缩机排气温度；当平板集热器出口温度低于经济器出口温度时，第三电磁阀关闭，第四电磁阀开启，制冷剂进入水箱，通过换热盘管加热水箱中的水，最后回到压缩机。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，系统制热控制方法的第三种情形，即当室外空气温度低于所述第二切换温度时：对于所述非直棚式结构，第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀开启，第一电磁阀关闭，第二电磁阀开启；对于所述直棚式结构，在非直棚式结构控制方法基础上，当太阳能集热器出口温度高于经济器出口温度时，第三电磁阀开启，第四电磁阀关闭；当太阳能集热器出口温度低于经济器出口温度时，第三电磁阀关闭，第四电磁阀开启。
所述的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，系统制冷控制的方法为：对于所述非直棚式结构配置：四通换向阀切换为制冷模式，第一电子膨胀阀工作关闭，第二电子膨胀阀开启，第一电磁阀和第二电磁阀关闭，太阳能集热器制取热水；对于所述直棚式结构配置：其控制方法是在非直棚式结构控制方法基础上同时关闭第三电磁阀和第四电磁阀。
本发明的有益效果如下：
（1）用于制热使用时，水箱的设置可增加喷气支路的流量，大幅提高制热量和制热能效，对排气的冷却效果更好，使机组在环境温度很低（如低于-20℃）时依然稳定运行，特别适用我国北方冬季制热使用；
（2）将太阳能与空气源热泵供暖制冷进行了有效的结合，可以互相补充，来达到高效节能，降本增效的目的；
（3）将太阳能和空气源的热量按照不同利用方式的不同要求分级利用，可以提高空气源热泵和太阳能系统热利用的热效率和有效能利用率；
（4）根据各级热量的需求情况以及太阳能辐照情况，可以通过切换阀门，改变系统制冷剂的运行管路，以实现空气源热泵中热能利用的最大化，减少热能损失；
（5）太阳能可以对空气源热泵供热、供热水功能进行补充热量，不仅减少能源的消耗，还保证了供热制冷系统的可靠性及稳定性。
前面所述的为本申请的概述，因此必然有简化、概括和细节省略的情况；本领域的技术人员应该认识到，概述部分仅是对本申请的说明，而不应看作是对本申请的任何限定。本说明书中描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优点将会由于本说明书的阐述而变得清晰。概述部分是用来以一种简化的方式导入多个将在以下具体实施方式部分进一步描述的概念。本概述部分既非用于确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也非用来作为确定所要求保护主题的范围的辅助手段。
附图说明
通过下面说明书和所附的权利要求书并与附图结合，就会更加充分地清楚理解本申请的上述和其他特征。应当理解，这些附图仅是对本申请若干实施方式的描述，不应认为是对本申请范围的限定，通过附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。
图1是本发明的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统的非直棚式结构配置示意图；
图2是本发明的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统的直棚式结构配置示意图；
图3是本发明的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统的非直棚式结构配置的水箱结构示意图；
图4是本发明的太阳能和空气源热泵热能分级利用系统的直棚式结构配置的水箱结构示意图。
附图标记说明：1-喷气增焓压缩机、2-水箱、3-四通换向阀、4-冷凝器、5-第一电子膨胀阀、6-经济器、7-第二电子膨胀阀、8-蒸发器、9-气液分离器、10-太阳能集热器、11-第一换热盘管、12-隔热板、13-第一电磁阀、14-第二电磁阀、15-第三电磁、16-第四电磁阀、17-第二换热盘管、18-进水电磁阀、19-出水电磁阀。
具体实施方式
在下面的具体实施方式部分中，结合作为说明书一部分的附图进行说明。在附图中，相同/类似的标记通常表示相同/类似的部件，除非说明书中另有说明。具体实施方式、附图和权利要求书中描述的用来举例说明的实施方式不应认为是对本申请的限定。在不偏离本申请表述的主题的精神或范围的情况下，可以采用本申请的其他实施方式，并且可以对本申请做出其他变化。应该很容易理解，可以对本说明书中一般性描述的、附图中图解说明的本申请的各个方面进行各种不同构成的配置、替换、组合，设计，而所有这些改变都显然在预料之中，并构成本申请的一部分。
太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，包括非直棚式（参照图1）和直棚式（参照图2）两种结构配置。非直棚式包括喷气增焓压缩机1、水箱2、四通换向阀3、冷凝器4、第一电子膨胀阀5、经济器6、第二电子膨胀阀7、蒸发器8、气液分离器9、太阳能集热器10、第一换热盘管11、第一电磁阀13、第二电磁阀14、第二换热盘管17、进水电磁阀18和出水电磁阀19。直棚式在非直棚式结构配置的基础上还包括第三电磁阀15和第四电磁阀16。该系统在冬季环境温度低于0℃时，可将水箱中的水作为喷气支路的辅助热源，对经过电子膨胀阀的降压后的低温低压的冷媒进行加热，提高中间压力，增加压缩机排气量机组制热量，使机组在环境温度低于-20℃时依然稳定运行；在其它季节时，可将太阳能直接用于制热水。
参照图1和图2，非直棚式和直棚式结构配置各部分相同的连接关系为：所述第一换热盘管11、第二换热盘管17置于水箱2内，喷气增焓压缩机1的排气口与水箱2内第一换热盘管11的入口端相连，水箱2内第一换热盘管11的出口端与四通换向阀3的第一通孔相连，四通换向阀3的第二通孔与冷凝器4进口相连，冷凝器4出口与经济器6和第一电子膨胀阀5的入口相连，经济器6的第一出口与第二电子膨胀阀7相连，第二电子膨胀阀7的出口与蒸发器8的入口相连，经济器6的第二出口与第一电磁阀13和第二电磁阀14的入口相连，第一电磁阀13的出口与喷气增焓压缩机1的补气口相连，蒸发器8的出口与四通阀换向阀3的第三通孔相连，四通换向阀3的第四通孔与汽液分离器9的入口端相连，汽液分离器9的出口端与喷气增焓压缩机1吸气口相连，水箱2内第二换热盘管17的出口端与喷气增焓压缩机1的补气口端相连。参照图1，非直棚式结构配置独有的连接关系为：所述水箱2内第二换热盘管17的入口端与第二电磁阀14的出口端相连，制冷剂不进入水箱，太阳能集热器吸收的热量直接加热水箱里的水，避免水箱中换热盘管过多。参照图2，直棚式结构配置独有的连接关系为：所述第二电磁阀14的出口在第三电磁阀15和第四电磁阀16之间的管路上，第三电磁阀15设置在太阳能集热器10的入口端，第四电磁阀16设置在第二换热盘管17的入口端，制冷剂进入水箱，和水箱中的水进行换热。
参照图3和图4，水箱2包括由低导热系数材料制成的隔热板12，隔热板12中间有对流孔。第一换热盘管11在隔热板12上方，第二换热盘管17在隔热板12的下方。
参照图1和图2，本发明提供的系统控制方法包括制冷控制和制热控制，制热控制又分为三种情形，具体控制方法如下：
该系统制热控制方法的第一种情形，即当室外空气温度高于第一切换温度，第一切换温度在0℃~10℃之间取值时：如果太阳能充足：对于所述非直棚式和直棚式结构配置，都需停止热泵系统，都只运行太阳能系统；如果太阳能不足：对于所述非直棚式和直棚式结构配置，都需开启热泵系统，第一电子膨胀阀5关闭，第二电子膨胀阀7开启，第一电磁阀13和第二电磁阀14关闭；对于直棚式结构配置，还需同时将第三电磁阀15和第四电磁阀16关闭。
该系统制热控制方法的第二种情形，即当室外空气温度在第一切换温度与第二切换温度之间，第二切换温度在-10℃~0℃之间取值时：对于所述非直棚式结构配置：第一电子膨胀阀5和第二电子膨胀阀7开启，当室外太阳辐射强度较高以至于平板集热器10出口的水温高于水箱2设定温度时，第一电磁阀13开启，第二电磁阀14关闭；当室外太阳辐射强度较低以至于平板集热器10出口的水温低于水箱2设定温度时，第一电磁阀13关闭，第二电磁阀14开启, 第二换热盘管17可以吸收部分水箱温度以提高压缩机排气口温度；对于所述直棚式结构配置：第一电子膨胀阀5和第二电子膨胀阀7开启，当室外太阳辐射强度较高以至于平板集热器10出口的水温高于水箱2设定温度时，第一电磁阀13开启，第二电磁阀14，第三电磁阀15，第四电磁阀16均关闭；当室外太阳辐射强度较低以至于平板集热器10出口的水温低于水箱2设定温度时，第一电磁阀13关闭，第二电磁阀14开启，当平板集热器10出口温度高于经济器6出口温度时，第三电磁阀15开启，第四电磁阀16关闭，制冷剂直接回到压缩机喷气口以提高压缩机排气温度；当平板集热器10出口温度低于经济器6出口温度时，第三电磁阀15关闭，第四电磁阀16开启，制冷剂进入水箱，通过换热盘管加热水箱中的水，最后回到压缩机。
系统制热控制方法的第三种情形，即当室外空气温度低于所述第二切换温度时：对于所述非直棚式结构，第一电子膨胀阀5和第二电子膨胀阀7开启，第一电磁阀13关闭，第二电磁阀14开启；对于所述直棚式结构，在非直棚式结构控制方法基础上，当太阳能集热器10出口温度高于经济器6出口温度时，第三电磁阀15开启，第四电磁阀16关闭；当太阳能集热器10出口温度低于经济器6出口温度时，第三电磁阀15关闭，第四电磁阀16开启。
系统制冷控制的方法为：对于所述非直棚式结构配置：四通换向阀2切换为制冷模式，第一电子膨胀阀工作5关闭，第二电子膨胀阀7开启，第一电磁阀13和第二电磁阀14关闭，太阳能集热器制取热水；对于所述直棚式结构配置：其控制方法是在非直棚式结构控制方法基础上同时关闭第三电磁阀15和第四电磁阀16。
本发明提供的系统在室外空气温度高于第一切换温度时无需启动喷气增焓支路，通过单级运行即可满足制热需求，此时的经济器6充当过冷器的作用，水箱中的水作为生活用水，在室外空气温度低于第二切换温度时，水箱2中隔热板下方的热量作为喷气路的辅助热源，由于其温度高，热量充足，可大幅增加喷气路制冷剂的质量流量，从而能够起到很好的冷却排气的作用，使机组在环境温度很低（如低于-10℃）时依然能稳定运行，而且在有太阳能时，机组的制热量还会大幅增加。喷气增焓压缩机1还可以用双级压缩机代替，大幅提高机组在低温下的制热量，进一步提高室内的舒适性，提高系统的能效比。该系统中水箱的设置增加了喷气流量，提高了对压缩机排气冷却的效果，可应用到-30℃甚至更低的低温环境下。
该系统的水箱内设置了一个带对流孔的隔热板，当集热器用于制取生活热水时，集热器的集热温度较高，隔热板下方的温度高于上方，水在温差产生的自然对流作用下快速将热量从下方传递到上方，从而保证上下水温差异较小，整个水箱温度基本均匀，有利于提高水箱的蓄热能力；当集热器用于加热热泵系统中压支路时，所需集热温度较低，隔热板下方的温度低于上方，不会形成自然对流，上方的高温水只能通过导热的方式缓慢的将热量从上方传递到下方，实现上下水温的稳定分层，实现一个水箱产生两种温度满足两种功能需求。通过设计对流孔的相对大小可实现不同的温度分层效果。
本系统压缩机的排气先制取高温生活热水，然后供暖，实现热能分级利用；同时，集热器根据实际情况可选择高温集热制取生活热水，也可低温集热用于加热中压支路，实现热能的分级利用。本系统从两方面实现热能分级利用，可根据实际热能需求，合理切换运行模式，保证一年四季均可高效用能，经济性好；同时可在冬季极限低温下运行，低温适应性远超现有空气源热泵，适用范围广。
前述已通过框图、流程图和/或实施例子进行了详细描述，阐明了本申请装置和/或方法的不同实施方式。当这些框图、流程图和/或实施例包含一个或多个功能和/或操作时，本领域的技术人员会明白，这些框图、流程图和/或实施例中的各功能和/或操作可以通过各种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合而单独地和/或共同地实施。本领域的技术人员会认识到，以本说明书中说明的方式描述装置和/或方法，然后进行工程实践以将所描述的装置和/或方法集成到数据处理系统中，在本领域里是很常见的。也就是说，本说明书中描述的装置和/或方法中的至少一部分，可通过合理数量的实验集成到数据处理系统中。对于本说明书中所用的基本上任何复数和/或单数术语，本领域的技术人员可以将复数解释为单数和/或将单数解释为复数，只要这样做从上下文和/或应用上看是合适的即可。为了清楚起见，在本说明书中可能将各种单数/复数组合明确地表述出来。
本申请中公开了本申请的多个方面和实施方式，本领域的技术人员会明白本申请的其它方面和实施方式。本申请中公开的多个方面和实施方式只是用于举例说明，并非是对本申请的限定，本申请的真正保护范围和精神应当以下面的权利要求书为准。

Claims (1)

1.一种太阳能和空气源热泵热能分级利用系统，其特征在于包括非直棚式和直棚式两种结构配置，所述非直棚式包括喷气增焓压缩机（1）、水箱（2）、四通换向阀（3）、冷凝器（4）、第一电子膨胀阀（5）、经济器（6）、第二电子膨胀阀（7）、蒸发器（8）、气液分离器（9）、太阳能集热器（10）、第一换热盘管（11）、第一电磁阀（13）、第二电磁阀（14）、第二换热盘管（17）、进水电磁阀（18）和出水电磁阀（19）；
所述直棚式在非直棚式结构配置的基础上还包括第三电磁阀（15）和第四电磁阀（16）；
所述非直棚式和直棚式结构配置各部分相同的连接关系为：所述第一换热盘管（11）、第二换热盘管（17）置于水箱（2）内，喷气增焓压缩机（1）的排气口与水箱（2）内第一换热盘管（11）的入口端相连，水箱（2）内第一换热盘管（11）的出口端与四通换向阀（3）的第一通孔相连，四通换向阀（3）的第二通孔与冷凝器（4）进口相连，冷凝器（4）出口与经济器（6）和第一电子膨胀阀（5）的入口相连，经济器（6）的第一出口与第二电子膨胀阀（7）相连，第二电子膨胀阀（7）的出口与蒸发器（8）的入口相连，经济器（6）的第二出口与第一电磁阀（13）和第二电磁阀（14）的入口相连，第一电磁阀（13）的出口与喷气增焓压缩机（1）的补气口相连，蒸发器（8）的出口与四通阀换向阀（3）的第三通孔相连，四通换向阀（3）的第四通孔与汽液分离器（9）的入口端相连，汽液分离器（9）的出口端与喷气增焓压缩机（1）吸气口相连，水箱（2）内第二换热盘管（17）的出口端与喷气增焓压缩机（1）的补气口端相连；
所述系统在冬季环境温度低于0℃时，可将水箱中的水作为喷气支路的辅助热源，对经过电子膨胀阀的降压后的低温低压的冷媒进行加热，提高中间压力，增加压缩机排气量机组制热量，使机组在环境温度低于-20℃时依然稳定运行；在其它季节时，可将太阳能直接用于制热水；
所述水箱（2）包括由低导热系数材料制成的隔热板（12），隔热板（12）中间有对流孔；
所述第一换热盘管（11）在隔热板（12）上方，第二换热盘管（17）在隔热板（12）的下方。
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