CN112013451A - 太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统及工作方法 - Google Patents

太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统及工作方法，包括储热系统、热泵系统、太阳能蓄电逆变系统；热泵系统将双冷换热器作为蒸发器，可同时吸收来自空气和换热流体的热量，实现单一换热器耦合多源供热的设计。在非采暖季，光伏光热模块阵列、储热水箱与水泵联合运行，为建筑供电供热水，同时热泵系统进入制冷模式为建筑供冷。在采暖季，白天时，光伏光热模块阵列除供电外，同时为储热水箱和双冷换热器供热，热泵系统以空气能和太阳能为热源为建筑供暖；夜晚时，热泵系统以空气和储热水箱白天的蓄热为热源继续为建筑供热。本发明将光伏供热阵列与双冷换热器热泵相结合，可实现为建筑供电、热水、供冷及供热。

Description

太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统及工作方法
技术领域
本发明属于太阳能热泵技术与建筑结合领域，具体涉及光伏光热模块阵列与双冷换热器热泵系统在建筑中的应用。
背景技术
热泵系统是一种可将低位热源的热能转移到高位热源的装置，其可通过四通阀的控制实现蒸发器与冷凝器的转换，达到对建筑供冷或供热的功能。但冬季供热时，由于室外空气温度较低，热泵长时间运行会导致室外蒸发器表面结霜，严重影响系统性能，需经常停机除霜。太阳能可在白天提供高温热源，其与热泵系统的结合可提高系统热源，防止蒸发器结霜，为增加热泵系统能源来源，太阳能与空气能同时被设计成热泵系统的热源，此类系统多采用太阳能换热器与风冷换热器分离作为并联蒸发器，二者根据不同运行环境单独运行或同时运行，此种方案不能及时控制两种换热器内的换热状态，易造成冷媒分液不均，同时，系统不能充分利用太阳能，夜间蒸发器运行依然有结霜的缺点。
发明内容
针对现有太阳能热泵系统蒸发换热器分离、冬季蒸发器表面结霜等问题，本发明提出了一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统。该系统采用双冷换热器作为冬季采暖时的蒸发器，利用同一换热器同时吸收来自换热流体和空气的能量，高低温热量混合提升冷媒蒸发温度，减缓或避免表面结霜，同时，储存太阳能，延长太阳能使用时间，提高太阳能利用率。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统，包括储热系统、热泵系统、太阳能蓄电逆变系统；
储热系统包括作为蓄热体的储热水箱4，其内部设有水箱换热器3，水箱换热器3管道内部设有防冻液，储热水箱4内部和水箱换热器3之间为储热水；
热泵系统包括双冷换热器7、双冷换热器风扇8、设置在室内的风冷换热器11、压缩机9 以及毛细管12，双冷换热器7内部设有双冷换热器冷媒通道7-1、双冷换热器液冷通道7-2、双冷换热器风冷通道7-3，双冷换热器7正对各通道的一面设有双冷换热器风扇8；
水箱换热器3的出口分为第一支路和第二支路，第一支路经第一阀门5连接双冷换热器液冷通道7-2的入口，第二支路不经过双冷换热器7、通过第二阀门6直接连接至双冷换热器液冷通道7-2的出口，双冷换热器液冷通道7-2的出口管路再分为第三支路和第四支路，第三支路经第三阀门13连接光伏光热模块阵列1的入口，光伏光热模块阵列1的出口连接至水泵2的入口，第四支路不经过光伏光热模块阵列1、通过第四阀门14直接连接至水泵2的入口，水泵2的出口连接至水箱换热器3的入口；
双冷换热器冷媒通道7-1出口经过四通阀10后与压缩机9进口相连，压缩机9出口经四通阀10后与风冷换热器11进口相连，风冷换热器11出口经毛细管12后与双冷换热器冷媒通道7-1进口相连，形成一个封闭环路，冷媒在压缩机9的推动下在双冷换热器冷媒通道7-1 内部循环传热；
太阳能蓄电逆变系统包括光伏光热模块阵列1、太阳能蓄电池15、太阳能逆变系统16，光伏光热模块阵列1和太阳能蓄电池15连接，太阳能蓄电池15和太阳能逆变系统16连接，太阳能逆变系统16连接至用户端17。
作为优选方式，双冷换热器冷媒通道7-1的直径大于双冷换热器液冷通道7-2，双冷换热器冷媒通道7-1套于双冷换热器液冷通道7-2的外侧，相邻的双冷换热器冷媒通道7-1外壁之间设有间隙，所述间隙形成双冷换热器风冷通道7-3。
作为优选方式，储热水箱4上设有连接至用户端17的热水出口。
本发明还提供一种所述太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统的工作方法，其为：
在非采暖季，第一阀门5和第四阀门14关闭，第二阀门6和第三阀门13开启；水箱换热器3管道内部的防冻液在水泵2推动下、不经过双冷换热器7、直接通过第二阀门6经过进入光伏光热模块阵列1，被太阳能加热后，高温流体经水泵2后进入水箱换热器3，并将热量传递给储热水箱4内部的冷水，完成制热水功能；同时，光伏光热模块阵列1通过太阳能逆变系统16将产生的电能储存于太阳能蓄电池15内，并提供给客户端17使用；同时，冷媒在风冷换热器11内蒸发吸收室内空气的热量，气态冷媒进入压缩机9加压加热后，经四通阀 10进入双冷换热器冷媒通道7-1，双冷换热器风扇8推动室外空气进入双冷换热器风冷通道 7-3并吸收气态冷媒的热量，冷媒放热冷凝后经过毛细管12等焓降压降温后，再次进入风冷换热器11，完成建筑制冷功能；
在采暖季，白天时，第二阀门6和第四阀门14关闭，第一阀门5和第三阀门13开启，光伏光热模块阵列1、水泵2以及热泵系统同时运行，防冻液在水泵2推动下从水箱换热器3通过第一阀门5进入双冷换热器液冷通道7-2，再经过第三阀门13进入光伏光热模块阵列1，经光伏光热模块阵列1的加热后，高温防冻液经水泵2后进入水箱换热器3并将部分热量释放给储热水箱4内的水，在水箱换热器3被一次冷却后的防冻液经第一阀门5进入双冷换热器液冷通道7-2，同时，双冷换热器风扇8推动室外空气进入双冷换热器风冷通道7-3，此时，双冷换热器冷媒通道7-1内的液态冷媒蒸发同时吸收来自防冻液和空气的热量，防冻液被二次冷却，以高低温热量的混合提高冷媒的蒸发温度，减缓或防止蒸发器表面结霜；二次冷却后的防冻液进入光伏光热模块阵列1，以低温吸热冷却光伏光热模块阵列1，提高光伏光热模块阵列1的光电光热综合效率；液态冷媒经低温等压吸收防冻液与空气热量后气化，并经四通阀10进入压缩机9后被加热加压成高温高压气体，建筑房间18内的冷空气与高温高压冷媒气体通过风冷换热器11交换热量，室内空气吸热成为热空气用于采暖，冷媒气体等温等压放热后相变为液体，在压缩机9的推动下进入毛细管12后等焓变为低温低压两相流体，并再次进入双冷换热器冷媒通道7-1，完成一次热泵采暖功能的热量循环；
夜间时，第二阀门6和第三阀门13第关闭，第一阀门5和四阀门14开启；低温防冻液在水泵2的推动下进入水箱换热器3并被储热水箱4内的水加热，加热后的防冻液经第一阀门5进入双冷换热器液冷通道7-2，同时，双冷换热器风扇8推动室外空气进入双冷换热器风冷通道7-3，此时，储热水箱4白天所储存的热量和空气同时为双冷换热器7提供热量，热泵系统继续为建筑房间18供暖。
本发明通过光伏光热模块阵列1、储热水箱4和双冷换热器热泵系统的结合可实现发电、制热水、采暖和制冷功能。
热泵系统采用双冷换热器7同时吸收空气和防冻液的热量，以高低温热源的耦合提升热泵蒸发温度，防止或减缓蒸发器的表面结霜。
进一步的，系统通过控制第一阀门5、第二阀门6、第三阀门13和第四阀门14的关闭和开启完成不同季节不同功能的转换。
本发明系统的技术构思如下：
采用光伏光热模块阵列、储热水箱与热泵系统耦合实现为建筑供电、供暖、供冷和供生活热水的功能。在非采暖季，光伏光热模块阵列与热泵系统各自单独运行，前者为建筑提供电能和热能，后者为建筑供冷。在采暖季，光伏光热模块阵列与热泵系统联合运行，白天，以太阳能和空气能为热源为建筑供暖，并储存多余的太阳能；夜间时，利用白天储存的热量和空气能为热源继续为建筑供暖。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
1、本发明将光伏光热系统与热泵系统相结合，可为建筑提供电能、热水、采暖和供冷功能，实现了系统功能多样化。
2、系统采用双冷换热器实现单一换热器同时吸收太阳能与空气能热量，以高低温热量的耦合换热防止或减缓热泵蒸发器表面结霜。
附图说明
图1为本发明实施例提供的非采暖季一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统的运行示意图；
图2为本发明实施例提供的采暖季白天时一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统运行示意图；
图3为本发明实施例提供的采暖季夜间时一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统运行示意图；
图中，1为光伏光热模块阵列，2为水泵，3为水箱换热器，4为储热水箱，5为第一阀门，6为第二阀门，7为双冷换热器，7-1为双冷换热器冷媒通道，7-2为双冷换热器液冷通道，7-3双冷换热器风冷通道，8为双冷换热器风扇，9为压缩机，10为四通阀，11为风冷换热器，12为毛细管，13为第三阀门，14为第四阀门，15为太阳能蓄电池，16为太阳能逆变系统，17为用户端，18为建筑房间。
具体实施方式
如图1所示，一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统，包括储热系统、热泵系统、太阳能蓄电逆变系统；
储热系统包括作为蓄热体的储热水箱4，其内部设有水箱换热器3，水箱换热器3管道内部设有防冻液，储热水箱4内部和水箱换热器3之间为储热水；
热泵系统包括双冷换热器7、双冷换热器风扇8、设置在室内的风冷换热器11、压缩机9 以及毛细管12，双冷换热器7内部设有双冷换热器冷媒通道7-1、双冷换热器液冷通道7-2、双冷换热器风冷通道7-3，双冷换热器7正对各通道的一面设有双冷换热器风扇8；
水箱换热器3的出口分为第一支路和第二支路，第一支路经第一阀门5连接双冷换热器液冷通道7-2的入口，第二支路不经过双冷换热器7、通过第二阀门6直接连接至双冷换热器液冷通道7-2的出口，双冷换热器液冷通道7-2的出口管路再分为第三支路和第四支路，第三支路经第三阀门13连接光伏光热模块阵列1的入口，光伏光热模块阵列1的出口连接至水泵2的入口，第四支路不经过光伏光热模块阵列1、通过第四阀门14直接连接至水泵2的入口，水泵2的出口连接至水箱换热器3的入口；
双冷换热器冷媒通道7-1出口经过四通阀10后与压缩机9进口相连，压缩机9出口经四通阀10后与风冷换热器11进口相连，风冷换热器11出口经毛细管12后与双冷换热器冷媒通道7-1进口相连，形成一个封闭环路，冷媒在压缩机9的推动下在双冷换热器冷媒通道7-1 内部循环传热；
太阳能蓄电逆变系统包括光伏光热模块阵列1、太阳能蓄电池15、太阳能逆变系统16，光伏光热模块阵列1和太阳能蓄电池15连接，太阳能蓄电池15和太阳能逆变系统16连接，太阳能逆变系统16连接至用户端17。
双冷换热器冷媒通道7-1的直径大于双冷换热器液冷通道7-2，双冷换热器冷媒通道7-1 套于双冷换热器液冷通道7-2的外侧，相邻的双冷换热器冷媒通道7-1外壁之间设有间隙，所述间隙形成双冷换热器风冷通道7-3。
储热水箱4上设有连接至用户端17的热水出口。
本实施例还提供一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统的工作方法，其为：
如图1所示，在非采暖季，第一阀门5和第四阀门14关闭，第二阀门6和第三阀门13开启；水箱换热器3管道内部的防冻液在水泵2推动下、不经过双冷换热器7、直接通过第二阀门6经过进入光伏光热模块阵列1，被太阳能加热后，高温流体经水泵2后进入水箱换热器3，并将热量传递给储热水箱4内部的冷水，完成制热水功能；同时，光伏光热模块阵列1通过太阳能逆变系统16将产生的电能储存于太阳能蓄电池15内，并提供给客户端17使用；同时，冷媒在风冷换热器11内蒸发吸收室内空气的热量，气态冷媒进入压缩机9加压加热后，经四通阀10进入双冷换热器冷媒通道7-1，双冷换热器风扇8推动室外空气进入双冷换热器风冷通道7-3并吸收气态冷媒的热量，冷媒放热冷凝后经过毛细管12等焓降压降温后，再次进入风冷换热器11，完成建筑制冷功能；
如图2所示，在采暖季，白天时，第二阀门6和第四阀门14关闭，第一阀门5和第三阀门13开启，光伏光热模块阵列1、水泵2以及热泵系统同时运行，防冻液在水泵2推动下从水箱换热器3通过第一阀门5进入双冷换热器液冷通道7-2，再经过第三阀门13进入光伏光热模块阵列1，经光伏光热模块阵列1的加热后，高温防冻液经水泵2后进入水箱换热器3 并将部分热量释放给储热水箱4内的水，在水箱换热器3被一次冷却后的防冻液经第一阀门 5进入双冷换热器液冷通道7-2，同时，双冷换热器风扇8推动室外空气进入双冷换热器风冷通道7-3，此时，双冷换热器冷媒通道7-1内的液态冷媒蒸发同时吸收来自防冻液和空气的热量，防冻液被二次冷却，以高低温热量的混合提高冷媒的蒸发温度，减缓或防止蒸发器表面结霜；二次冷却后的防冻液进入光伏光热模块阵列1，以低温吸热冷却光伏光热模块阵列1，提高光伏光热模块阵列1的光电光热综合效率；液态冷媒经低温等压吸收防冻液与空气热量后气化，并经四通阀10进入压缩机9后被加热加压成高温高压气体，建筑房间18内的冷空气与高温高压冷媒气体通过风冷换热器11交换热量，室内空气吸热成为热空气用于采暖，冷媒气体等温等压放热后相变为液体，在压缩机9的推动下进入毛细管12后等焓变为低温低压两相流体，并再次进入双冷换热器冷媒通道7-1，完成一次热泵采暖功能的热量循环；
如图3所示，夜间时，第二阀门6和第三阀门13第关闭，第一阀门5和四阀门14开启；低温防冻液在水泵2的推动下进入水箱换热器3并被储热水箱4内的水加热，加热后的防冻液经第一阀门5进入双冷换热器液冷通道7-2，同时，双冷换热器风扇8推动室外空气进入双冷换热器风冷通道7-3，此时，储热水箱4白天所储存的热量和空气同时为双冷换热器7提供热量，热泵系统继续为建筑房间18供暖。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (4)

1.一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统，其特征在于：包括储热系统、热泵系统、太阳能蓄电逆变系统；
储热系统包括作为蓄热体的储热水箱(4)，其内部设有水箱换热器(3)，水箱换热器(3)管道内部设有防冻液，储热水箱(4)内部和水箱换热器(3)之间为储热水；
热泵系统包括双冷换热器(7)、双冷换热器风扇(8)、设置在室内的风冷换热器(11)、压缩机(9)以及毛细管12，双冷换热器(7)内部设有双冷换热器冷媒通道(7-1)、双冷换热器液冷通道(7-2)、双冷换热器风冷通道(7-3)，双冷换热器(7)正对各通道的一面设有双冷换热器风扇(8)；
水箱换热器(3)的出口分为第一支路和第二支路，第一支路经第一阀门(5)连接双冷换热器液冷通道(7-2)的入口，第二支路不经过双冷换热器(7)、通过第二阀门(6)直接连接至双冷换热器液冷通道(7-2)的出口，双冷换热器液冷通道(7-2)的出口管路再分为第三支路和第四支路，第三支路经第三阀门(13)连接光伏光热模块阵列(1)的入口，光伏光热模块阵列(1)的出口连接至水泵(2)的入口，第四支路不经过光伏光热模块阵列(1)、通过第四阀门(14)直接连接至水泵(2)的入口，水泵(2)的出口连接至水箱换热器(3)的入口；
双冷换热器冷媒通道(7-1)出口经过四通阀(10)后与压缩机(9)进口相连，压缩机(9)出口经四通阀(10)后与风冷换热器(11)进口相连，风冷换热器(11)出口经毛细管(12)后与双冷换热器冷媒通道(7-1)进口相连，形成一个封闭环路，冷媒在压缩机(9)的推动下在双冷换热器冷媒通道(7-1)内部循环传热；
太阳能蓄电逆变系统包括光伏光热模块阵列(1)、太阳能蓄电池(15)、太阳能逆变系统(16)，光伏光热模块阵列(1)和太阳能蓄电池(15)连接，太阳能蓄电池(15)和太阳能逆变系统(16)连接，太阳能逆变系统(16)连接至用户端(17)。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统，其特征在于：双冷换热器冷媒通道(7-1)的直径大于双冷换热器液冷通道(7-2)，双冷换热器冷媒通道(7-1)套于双冷换热器液冷通道(7-2)的外侧，相邻的双冷换热器冷媒通道(7-1)外壁之间设有间隙，所述间隙形成双冷换热器风冷通道(7-3)。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统，其特征在于：储热水箱(4)上设有连接至用户端(17)的热水出口。
4.权利要求1至3任意一项所述的一种太阳能光伏光热耦合双冷换热器热泵系统的工作方法，其特征在于：
在非采暖季，第一阀门(5)和第四阀门(14)关闭，第二阀门(6)和第三阀门(13)开启；水箱换热器(3)管道内部的防冻液在水泵(2)推动下、不经过双冷换热器(7)、直接通过第二阀门(6)经过进入光伏光热模块阵列(1)，被太阳能加热后，高温流体经水泵(2)后进入水箱换热器(3)，并将热量传递给储热水箱(4)内部的冷水，完成制热水功能；同时，光伏光热模块阵列(1)通过太阳能逆变系统(16)将产生的电能储存于太阳能蓄电池(15)内，并提供给客户端(17)使用；同时，冷媒在风冷换热器(11)内蒸发吸收室内空气的热量，气态冷媒进入压缩机(9)加压加热后，经四通阀(10)进入双冷换热器冷媒通道(7-1)，双冷换热器风扇(8)推动室外空气进入双冷换热器风冷通道(7-3)并吸收气态冷媒的热量，冷媒放热冷凝后经过毛细管(12)等焓降压降温后，再次进入风冷换热器(11)，完成建筑制冷功能；
在采暖季，白天时，第二阀门(6)和第四阀门(14)关闭，第一阀门(5)和第三阀门(13)开启，光伏光热模块阵列(1)、水泵(2)以及热泵系统同时运行，防冻液在水泵(2)推动下从水箱换热器(3)通过第一阀门(5)进入双冷换热器液冷通道(7-2)，再经过第三阀门(13)进入光伏光热模块阵列(1)，经光伏光热模块阵列(1)的加热后，高温防冻液经水泵(2)后进入水箱换热器(3)并将部分热量释放给储热水箱(4)内的水，在水箱换热器(3)被一次冷却后的防冻液经第一阀门(5)进入双冷换热器液冷通道(7-2)，同时，双冷换热器风扇(8)推动室外空气进入双冷换热器风冷通道(7-3)，此时，双冷换热器冷媒通道(7-1)内的液态冷媒蒸发同时吸收来自防冻液和空气的热量，防冻液被二次冷却，以高低温热量的混合提高冷媒的蒸发温度，减缓或防止蒸发器表面结霜；二次冷却后的防冻液进入光伏光热模块阵列(1)，以低温吸热冷却光伏光热模块阵列(1)，提高光伏光热模块阵列(1)的光电光热综合效率；液态冷媒经低温等压吸收防冻液与空气热量后气化，并经四通阀(10)进入压缩机(9)后被加热加压成高温高压气体，建筑房间(18)内的冷空气与高温高压冷媒气体通过风冷换热器(11)交换热量，室内空气吸热成为热空气用于采暖，冷媒气体等温等压放热后相变为液体，在压缩机(9)的推动下进入毛细管(12)后等焓变为低温低压两相流体，并再次进入双冷换热器冷媒通道(7-1)，完成一次热泵采暖功能的热量循环；
夜间时，第二阀门(6)和第三阀门(13)第关闭，第一阀门(5)和四阀门(14)开启；低温防冻液在水泵(2)的推动下进入水箱换热器(3)并被储热水箱(4)内的水加热，加热后的防冻液经第一阀门(5)进入双冷换热器液冷通道(7-2)，同时，双冷换热器风扇(8)推动室外空气进入双冷换热器风冷通道(7-3)，此时，储热水箱(4)白天所储存的热量和空气同时为双冷换热器(7)提供热量，热泵系统继续为建筑房间(18)供暖。
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