CN112393317A - 一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于可再生能源利用技术领域，公开了一种双水箱太阳能‑空气源热泵耦合供热装置，将太阳能热水系统和空气源热泵热水系统有机结合，组成空气源热泵与太阳能热水耦合系统，并设置集热和供暖两个水箱。一方面，在太阳能资源不足时，可利用空气源热泵补充供热，克服太阳能间断性、波动性的缺点；另一方面可以弥补空气源热泵因室外环境温度低而导致的制热性能低下和结霜的缺点，从而最大程度的弥补单一系统存在的缺点，发挥各自的优势，保证居住建筑生活热水供应和连续供暖的需求。

Description

一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置
技术领域
本发明属于可再生能源利用技术领域，尤其是涉及一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置。
背景技术
在建筑耗能中，暖通空调系统的运行以及生活热水制备所对应的耗能已经占总能耗的65％以上。同时，随着人们对居住环境舒适度要求的提高，建筑耗能逐步攀升。我国目前存在的环境污染、能源消耗等现状迫切需要寻找和开发清洁、无污染的可再生能源，从而降低建筑能耗、缓解环境污染等问题，同时提高能源利用率。
太阳能作为一种可再生能源，具有分布广泛、储量大、清洁无污染的特点，并且可以通过光热、光电等多种转化技术被加以利用。太阳能光热技术主要是通过集热器吸收太阳能辐射，并转化为热量传递给集热工质输送至用热末端加以利用的技术，主要有太阳能供暖技术、太阳能热水技术等。在光热转化中存在着辐射、导热、对流等热交换过程。但在太阳能光热利用过程中同时也发现了太阳能资源不可克服的缺点：太阳能辐照受天气条件的影响较大，并且能流密度低，因此不能保证较高的太阳能利用率。当利用太阳能资源满足建筑供暖和生活热水的需求时，单一的太阳能集热系统的稳定性较差，并且需要很大的集热面积，将导致系统初始投资。
空气源热泵热水系统以空气能为低温热源，应用逆卡诺循环原理，制冷剂通过温差吸热，提取了空气中的低品位热能，并经过压缩机压缩成高温高压气体，与水换热冷凝，实现循环，是热效率较高的装置，实现了全年四季均能稳定运行而不受阴雨天气的影响，具有高效节能、清洁无污染等特点。空气源热泵热水机组高效节能，制备相同的热水量，其能源成本仅为电热水器的25％、燃气热水器的33％。但随着室外气温的降低，空气源热泵机组的效率及供热量及也会随之下降，尤其是在冬季室外气温降至0℃以下时，机组还存在结霜除霜的问题，从而导致热泵机组的制热量减小，制热效率降低。此时若要满足建筑热负荷和生活热水需求，就要考虑选用大容量机组或者增加辅助热源。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷与限制，本发明提供一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，将太阳能热水系统和空气源热泵热水系统有机结合，组成空气源热泵与太阳能热水耦合系统，并设置集热和供暖两个水箱。一方面，在太阳能资源不足时，可利用空气源热泵补充供热，克服太阳能间断性、波动性的缺点；另一方面可以弥补空气源热泵因室外环境温度低而导致的制热性能低下和结霜的缺点，从而最大程度的弥补单一系统存在的缺点，发挥各自的优势，保证居住建筑生活热水供应和连续供暖的需求。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，包括太阳能集热器、集热循环泵、换热盘管、集热水箱、生活用水循环泵、空气源热泵热水机组、双水箱换热循环泵、供暖水箱、辐射供暖循环泵、低温地板辐射供暖末端、生活热水末端；
所述太阳能集热器的出口与所述换热盘管的进口连接，所述换热盘管的出口通过所述集热循环泵与所述太阳能集热器的进口连接；所述换热盘管设置于所述集热水箱内部；
所述集热水箱的上部出水口分两个支路：支路一连接通过所述生活用水循环泵连接至所述生活热水末端，支路二连接至所述供暖水箱的上部进水口，所述供暖水箱的下部出水口通过所述双水箱换热循环泵与所述集热水箱的下部进水口连接；
所述供暖水箱的上部出水口连接至所述低温地板辐射供暖末端的入口，所述低温地板辐射供暖末端的出口通过所述辐射供暖循环泵与所述供暖水箱的下部进水口连接；
所述集热水箱的上部出水口的支路二通过三通阀的M1-b端与所述空气源热泵热水机组的进水口连接，所述空气源热泵热水机组的出水口经三通阀的M2-b端连接至所述生活热水末端；所述供暖水箱的中部出水口经三通阀的M1-a端与所述空气源热泵热水机组的进水口连接，所述空气源热泵热水机组的出水口经三通阀的M2-a端与所述供暖水箱的中部进水口连接。
进一步地，所述集热水箱的底部补水口与自来水补水连接。
进一步地，所述太阳能集热器采用平板集热器或真空管集热器，其传热介质为防冻液。
进一步地，所述集热循环泵、所述双水箱换热循环泵、所述生活用水循环泵、所述辐射供暖循环泵均采用定频泵。
进一步地，所述集热循环泵的开关由所述太阳能集热器出口和所述集热水箱底部温差控制，当该温差大于等于第一设定值时，所述集热循环泵开启；当该温差小于等于第二设定值时，所述集热循环泵关闭。
进一步地，所述双水箱换热循环泵的开关由所述集热水箱的底部和所述供暖水箱的底部温差控制，当该温差高于等于设定值时，所述双水箱换热循环泵开启；当该温差低于设定值时，所述双水箱换热循环泵关闭。
进一步地，所述空气源热泵热水机组中空气源热泵的开关受所述集热水箱的出水温度控制，当出水温度低于等于设定值时，开启所述空气源热泵；当出水温度高于设定值时，关闭所述空气源热泵。
本发明的有益效果是：
(一)本发明提供的双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，能够同时解决太阳能热水系统和空气源热泵热水系统单独运行时的问题和缺点，实现太阳能、空气能的优势互补，保证居住建筑的连续供暖和生活热水负荷需求。太阳能集热器对于集热水箱的蓄热，减小了空气源热泵机组在冬季的运行时间，节约能源；同时增加了空气源热泵的换热效率，解决了空气源热泵在低温环境下中容易结霜的难题。
(二)本发明提供的双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，可实现空气源热泵机组在阴天时对供暖水箱的加热功能，保障了用户连续的供暖需求。并且，空气源热泵能够从空气中吸取热量，大大减少了太阳能集热器面积以及集热水箱的体积，降低了太阳能集热系统的初投资费用。
(三)本发明提供的双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，设置了集热水箱和供暖水箱，集热过程中能及时把集热水箱内达到控制温度的热水放至供暖水箱，降低了集热水箱内的初始水温，避免了单水箱集热系统热水持续加热，水温过高导致集热效率降低，因此可以提升太阳能系统集热效率并降低系统能耗。
附图说明
图1是本发明的双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置的结构示意图。
上述图中：1，太阳能集热器；2，集热循环泵；3，换热盘管；4，集热水箱；5，生活用水循环泵；6，空气源热泵热水机组；7，双水箱换热循环泵；8，供暖水箱；9，辐射供暖循环泵；10，低温地板辐射供暖末端；11，生活热水末端；12，自来水补水。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供了一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，包括太阳能集热器1、集热循环泵2、换热盘管3、集热水箱4、生活用水循环泵5、空气源热泵热水机组6、双水箱换热循环泵7、供暖水箱8、辐射供暖循环泵9、低温地板辐射供暖末端10、生活热水末端11、自来水补水12。
换热盘管3设置在集热水箱4内部。太阳能集热器1的出口与换热盘管3的进口相连，将热量传至集热水箱4；换热盘管3的出口经阀门V1与集热循环泵2的进口相连，集热循环泵2的出口连接至太阳能集热器1的进口。
集热水箱4的上部出水口分两个支路：支路一连接生活用水循环泵5的进口，生活用水循环泵5的出口经阀门V3连接至生活热水末端11，构成生活热水供水循环；支路二经阀门V2连接至供暖水箱8的上部进水口，供暖水箱8的下部出水口连接双水箱换热循环泵7的进口，双水箱换热循环泵7的出口再回流连接至集热水箱4的下部进水口，构成双水箱换热循环。
供暖水箱8的上部出水口连接至低温地板辐射供暖末端10的入口，低温地板辐射供暖末端10的出口连接至辐射供暖循环泵9的进口，辐射供暖循环泵9的出口再回流连接至供暖水箱8下部进水口，构成供暖循环。
当太阳辐射充足时，太阳能集热器1将太阳能转化为热能，集热循环泵2开启，通过集热水箱4内的换热盘管3对集热水箱4内的水进行加热。通过生活热水循环泵5将集热水箱4的热水传输至用户生活热水末端11。通过双水箱换热循环泵7将集热水箱4的热水传输至供暖水箱8；通过辐射供暖循环泵9将供暖水箱8的热水传输至用户低温地板辐射供暖末端10。
当出现阴雨天气或太阳辐射不足时，开启空气源热泵热水机组6辅助加热，此时集热水箱4出水经空气源热泵热水机组6进一步加热后供给用户生活热水末端11；同时空气源热泵热水机组6对供暖水箱8进行加热升温后供给用户低温地板辐射供暖末端10。具体地，如图1虚线所示，若集热水箱4出水温度低于设定值，集热水箱4上部出水口的支路二经三通阀的M1-b端进入空气源热泵热水机组6的进水口，空气源热泵热水机组6的出水口经三通阀的M2-b端连接至生活热水末端11；若供暖水箱8出水温度低于设定值，空气源热泵热水机组6还对供暖水箱8内的水进行加热升温：供暖水箱8中部出水口经三通阀的M1-a端进入空气源热泵热水机组6的进水口，空气源热泵热水机组6的出水口经三通阀的M2-a端连接至供暖水箱8的中部进水口，从而同时保证用户生活热水负荷和连续供暖的需求。
当集热水箱4内水位低于设定值时，开启自来水补水12，自来水经阀门V4进入集热水箱4底部补水口。
上述方案中，太阳能集热器1采用平板集热器或真空管集热器，安装在南向屋顶，根据当地太阳高度角确定安装倾角，太阳能集热器1内传热介质为防冻液。
上述方案中，集热循环泵2和双水箱换热循环泵7采用定频泵；生活用水循环泵5和辐射供暖循环泵9采用定频泵，根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，实现最大限度地节能运行。
上述方案中，在太阳辐射较低时，空气源热泵热水机组6一方面对集热水箱4出水进行加热升温，然后供给用户生活热水末端11；另一方面对供暖水箱8进行加热，从而同时保证用户生活热水负荷和连续供暖的需求。
根据能源的优先级关系，本发明提出的一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置优先采用清洁无污染且运行费用较低的太阳能集热器1进行集热，其次采用空气源热泵热水机组6进行辅助加热。其具体适用方式如下：
1、太阳能集热运行控制
太阳辐射充足时，太阳能集热器1将太阳能转化为热能，对集热器内工质进行加热升温。当太阳能集热器1出水温度与集热水箱4底部温度的差值大于等于第一设定值时，集热循环泵2自动开启，通过集热水箱4内的换热盘管3对集热水箱4进行加热；当两者温差小于等于第二设定值时，集热循环泵2自动关闭，避免工质循环带走集热水箱4中的热量。
2、双水箱换热运行控制
当集热水箱4底部温度和供暖水箱8底部温度的差值大于设定值时，双水箱换热循环泵7自动开启，将集热水箱4中的热量及时传递给供暖水箱8；当两者温差小于设定值时，双水箱换热循环泵7自动关闭，避免出现热量倒流的现象。集热水箱4通过生活热水循环泵5将热水供给用户生活热水末端11；供暖水箱8通过供暖循环泵9将热水供给用户供暖末端10。
3、空气源热泵运行控制
出现太阳能资源不足时，开启空气源热泵热水机组6辅助加热。当集热水箱4出水温度低于设定值时，空气源热泵热水机组6开启，对集热水箱4出水进一步加热至设定温度后供给用户生活热水末端11，同时空气源热泵热水机组6还对供暖水箱8进行加热升温，供给用户低温地板辐射供暖末端10；当集热水箱4出水温度满足要求时关闭空气源热泵热水机组6，从而同时保证用户生活热水负荷和连续供暖的需求。
4、自来水补水控制
当集热水箱内水位低于设定值时，开启自来水补水阀门V4，补充自来水，达到设定值时关闭自来水补水末端12。
从以上的描述中可以看出，本发明能够同时解决太阳能热水系统和空气源热泵热水系统单独运行时的问题和缺点。本发明将空气源热泵与太阳能热水系统耦合在一起，同时设置集热水箱和供暖水箱，能够实现太阳能、空气能的优势互补，保证居住建筑的连续供暖和生活热水负荷需求。太阳能集热器对于集热水箱的蓄热，减小了空气源热泵机组在冬季的运行时间，节约能源。空气源热泵机组在太阳能资源不足时对供暖水箱的加热功能，保障了用户连续的供暖需求。并且，空气源热泵能够从空气中吸取热量，大大减少了太阳能集热器以及集热水箱的体积，降低了太阳能集热器的初投资费用。太阳能集热器的使用，增加了空气源热泵的换热效率，解决了空气源热泵在低温环境下中容易结霜的难题。此外，本发明设置了双水箱，集热过程中能及时把集热水箱内达到控制温度的热水放至供暖水箱，降低了集热水箱内的初始水温，避免了单水箱集热系统热水持续加热，水温过高导致集热效率降低，因此本发明可以提升太阳能系统集热效率并降低系统能耗。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，其特征在于，包括太阳能集热器、集热循环泵、换热盘管、集热水箱、生活用水循环泵、空气源热泵热水机组、双水箱换热循环泵、供暖水箱、辐射供暖循环泵、低温地板辐射供暖末端、生活热水末端；
所述太阳能集热器的出口与所述换热盘管的进口连接，所述换热盘管的出口通过所述集热循环泵与所述太阳能集热器的进口连接；所述换热盘管设置于所述集热水箱内部；
所述集热水箱的上部出水口分两个支路：支路一连接通过所述生活用水循环泵连接至所述生活热水末端，支路二连接至所述供暖水箱的上部进水口，所述供暖水箱的下部出水口通过所述双水箱换热循环泵与所述集热水箱的下部进水口连接；
所述供暖水箱的上部出水口连接至所述低温地板辐射供暖末端的入口，所述低温地板辐射供暖末端的出口通过所述辐射供暖循环泵与所述供暖水箱的下部进水口连接；
所述集热水箱的上部出水口的支路二通过三通阀的M1-b端与所述空气源热泵热水机组的进水口连接，所述空气源热泵热水机组的出水口经三通阀的M2-b端连接至所述生活热水末端；所述供暖水箱的中部出水口经三通阀的M1-a端与所述空气源热泵热水机组的进水口连接，所述空气源热泵热水机组的出水口经三通阀的M2-a端与所述供暖水箱的中部进水口连接。
2.根据权利要求1所述的一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，其特征在于，所述集热水箱的底部补水口与自来水补水连接。
3.根据权利要求1所述的一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，其特征在于，所述太阳能集热器采用平板集热器或真空管集热器，其传热介质为防冻液。
4.根据权利要求1所述的一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，其特征在于，所述集热循环泵、所述双水箱换热循环泵、所述生活用水循环泵、所述辐射供暖循环泵均采用定频泵。
5.根据权利要求1所述的一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，其特征在于，所述集热循环泵的开关由所述太阳能集热器出口和所述集热水箱底部温差控制，当该温差大于等于第一设定值时，所述集热循环泵开启；当该温差小于等于第二设定值时，所述集热循环泵关闭。
6.根据权利要求1所述的一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，其特征在于，所述双水箱换热循环泵的开关由所述集热水箱的底部和所述供暖水箱的底部温差控制，当该温差高于等于设定值时，所述双水箱换热循环泵开启；当该温差低于设定值时，所述双水箱换热循环泵关闭。
7.根据权利要求1所述的一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热装置，其特征在于，所述空气源热泵热水机组中空气源热泵的开关受所述集热水箱的出水温度控制，当出水温度低于等于设定值时，开启所述空气源热泵；当出水温度高于设定值时，关闭所述空气源热泵。
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