CN1125299C - 直膨式太阳能热泵热水器 - Google Patents

Abstract

一种直膨式太阳能热泵热水器，太阳能集热器采用无盖板、无底部保温的平板型集热器，兼作液体制冷剂的蒸发器，其出口与压缩机的吸气口相连，压缩机的排气口与冷凝器的进气口连接，冷凝器的出液口与贮液器相连，然后分别经干燥过滤器、热力膨胀阀与集热/蒸发器的进液口相连，形成制冷剂的闭合循环通道，冷凝器布置在贮热水箱之中，太阳辐射仪及两个温度传感器连接控制器。本发明节能效果显著，采用特征温度控制压缩机的启动，能使热水器处于最佳运行状态，取消了独立的热泵冷凝器和供热回路，使系统结构更为紧凑、成本降低，采用的分体式结构方便安装，易于推广。

Description

直膨式太阳能热泵热水器

技术领域：

本发明涉及一种新型太阳能热水器，尤其涉及一种直接膨胀式太阳能热泵热水器，属于能源类供热技术领域。

背景技术：

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对居住环境和生活品质都提出了更高的要求，全年提供生活热水已经成为进入小康生活的一个重要标志。目前市场上普遍采用的电热水器是以消耗大量昂贵的电能为代价的，能源利用率很低，不符合我国的能源政策及可持续发展战略的要求。太阳能热水技术是目前可用性最大、实际应用最多的太阳能利用技术。但是，传统的太阳能热水器在阴雨天是不能生产热水的，必须设置辅助电加热器，而直接用电加热器加热热水经济性差，耗电量大而且安全性差，此外还存在供热能力均衡性差、装置全年利用率低等缺点。太阳能热泵热水器克服了传统太阳能热水器的上述缺点，具有更高的集热器性能和较高的热泵供热性能，节能效果显著。

但是，常规太阳能热泵热水器是将太阳能集热回路与热泵回路进行串联，通过循环泵或风机驱动集热回路中的循环介质(通常采用水或空气)，使其在太阳能集热器中能收集太阳辐射能，然后在蒸发器内与制冷剂进行热量交换。常规太阳能热泵热水器的系统结构一般都比较复杂、成本及安装费用也较高，因而难以获得商业上的成功。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，设计提供一种新型的直膨式太阳能热泵热水器，最大限度地简化系统、降低成本、节约安装及运行费用，以增强太阳能热泵热水器的市场竞争力，使其尽快走上产业化的道路。

本发明设计的直膨式太阳能热泵热水器的工作原理与典型的蒸汽压缩式热泵循环相同，只是将太阳能集热器同时用作热泵蒸发器，使太阳能的集热过程与液态制冷剂的蒸发过程在一个设备中同时发生，从而取消了集热回路及其循环泵，并节省了一个换热设备。这不仅简化了系统，降低了成本，同时也增强了系统的热力性能。

本发明的技术方案中，太阳能集热器采用无盖板、无底部保温的平板集热器，并在其表面喷涂选择性涂层。理论及实验研究的结果表明，在非寒冷地区，与具有单层或多层盖板的集热器相比，这种全裸式平板集热器的集热性能并无明显变化，然而其造价却大大降低，并且更易于安装在建筑物的屋顶或外墙之上。在直膨式太阳能热泵循环中，太阳能集热器的工作温度较低，因而可利用多种热源：在白天，如果板温高于环境温度，集热器只能获得直接太阳能增益；在阴天和夜间，如果板温低于环境温度，集热器就可以从大气中获得显热增益；如果板温低于露点温度，大气中的水蒸气在集热器表面产生冷凝，集热器则可以获得一部分潜热增益。由此可见，这种集热器可使系统供热能力均衡性得到极大的改善，增强系统的适用性。

在本发明设计的技术方案中，冷凝器布置在贮热水箱之中，作为水箱的一个组成部分。这种结构取消了独立的热泵冷凝器和供热回路，并节省了一个循环泵，使得系统结构更为紧凑、成本进一步降低。

本发明设计的直膨式太阳能热泵热水器为分体式结构，即太阳能集热器/蒸发器作为一个单独部件(室外装置)，可根据实际情况挂装在建筑物的南向外墙之上或倾斜布置在南向屋顶之上；压缩机、冷凝水箱及其余系统部件则作为一个整体部件(室内装置)放置在室内；室内装置与室外装置之间采用制冷剂管路连接。这种结构大大简化了系统的安装过程，降低了安装费用，更易于在城乡住宅中加以推广和应用，尤其适合于高层建筑住宅。

本发明所用的压缩机为冰箱压缩机，其电机功率小，使用220V的家用电源，因而不需要大电流的电气连接。

本发明采用了特征温度控制系统。所谓特征温度，是指一个综合考虑了太阳辐射强度和大气温度的等效温度，用以表征太阳能集热器/蒸发器工作条件。根据不同的天气情况可选择不同的特征温度来控制压缩机的启动，使该热水器能够经常处于最佳状态下运行。太阳能集热/蒸发器上安装了太阳辐射仪和温度传感器，将采集的表征太阳辐射强度及大气温度的热电势信号传递给控制器，由它将其转换为特征温度，并与设定值相比较，当二者相等时，控制器自动接通压缩机电源。另外，在贮热水箱中设置一个温度传感器，当水温达到设定值(55℃)时，通过控制器自动关闭压缩机。

本发明将太阳能热水技术与热泵技术有机地结合起来，可以同时改善太阳能集热器的集热性能和热泵的供热性能，是一种新型的绿色环保型热水器。同传统的全天候太阳能热水器(电辅助)相比，本发明具有节能效果显著、可全天候供热、全年适用性好等优点；同常规太阳能热泵热水器相比，本发明具有结构简单紧凑、价格便宜、安装及操作方便等优点。本发明设计的直膨式太阳能热泵热水器除压缩机外没有其它耗能和运动部件，因此整个装置能耗少、噪音小、运行安全、维护方便，而且不存在冬季防冻和管路腐蚀问题，特别适用于多阴雨天气的地域。热水器的太阳能集热/蒸发器可采用紧贴外墙面的壁挂方式，因而可以有效地与建筑结合，适合于各种建筑的用户。

附图说明：

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

图1为本发明的结构示意图。

如图所示，整个热水器装置主要包括太阳能集热/蒸发器1、热泵压缩机2、冷凝器3、贮热水箱4、贮液器5、干燥过滤器6、热力膨胀阀7、控制器8等。太阳能集热/蒸发器1的出口与热泵压缩机2的吸气口相连，压缩机2的排气口与冷凝器3的进气口连接，冷凝器3的出液口与贮液器5相连，然后分别先后连接于干燥过滤器6、热力膨胀阀7，最后使膨胀阀7的出口与集热/蒸发器1的进液口相连，从而形成制冷剂的闭合循环通道。冷凝器3布置在贮热水箱4之中，热力膨胀阀7的温包设置在太阳能集热/蒸发器1的出口管路上，集热/蒸发器1上的太阳辐射仪、温度传感器以及贮热水箱4中的温度传感器分别与控制器8的输入接口连接，控制器8的控制接口与压缩机电源开关连接。

太阳能集热/蒸发器1为无盖板、无底部保温、表面喷涂光谱选择性材料的平板型集热器，同时兼作液体制冷剂的蒸发器。采用铜管/铝板焊接方式或全铝板热压吹胀方式制作太阳能集热/蒸发器，管子外径可取10～16mm，内径取8～13mm，板厚取0.5～1mm，管间距取50～150mm。

本发明采用分体式结构，即太阳能集热/蒸发器可单独布置在室外，而压缩机、冷凝器、贮热水箱及其余部件做成一体，设置在室内。

热水器的循环工作过程如下：经热力膨胀阀7节流降压后的液体制冷剂流入太阳能集热/蒸发器1中，获取太阳能及空气中热量后得以蒸发，流出的制冷剂蒸汽被压缩机2吸入并被压缩成高温高压的制冷剂蒸汽，然后流入布置在贮热水箱4之中的冷凝器3，并将贮热水箱4中的水加热，冷凝后的液体制冷剂经过贮液器5、干燥过滤器6，并被热力膨胀阀7节流降压以后又流回太阳能集热/蒸发器1中重新吸热、蒸发，由此完成一次循环。

贮液器5安装在冷凝器4之后，是液体制冷剂的贮存罐，可使制冷剂的充灌量没有严格的限制。干燥过滤器6安装在热力膨胀阀7之前，能够防止水分、灰尘、金属碎屑进入膨胀阀造成堵塞。热力膨胀阀7可实现制冷剂液体的节流降压和循环流量的调节，并保证压缩机吸入的制冷剂蒸汽具有一定的过热度，避免“液击”现象的发生。

太阳能集热/蒸发器1上安装了太阳辐射仪和温度传感器，将采集的表征太阳辐射强度及大气温度的热电势信号传递给控制器8，由它将其转换为特征温度，并与设定值相比较，当二者相等时，控制器自动接通压缩机电源。另外，在贮热水箱中设置一个温度传感器，当水温达到设定值(55℃)时，通过控制器8自动关闭压缩机。控制器8可根据不同工作条件，实现对压缩机的自动启/停控制，使该热水器能够经常在最佳状态下运行。太阳辐射仪和两个温度传感器分别为控制器8的传感器件，压缩机电源开关则为控制器8的执行器件。

Claims (3)

1、一种直膨式太阳能热泵热水器，其特征在于主要包括太阳能集热/蒸发器(1)、压缩机(2)、冷凝器(3)、贮热水箱(4)、贮液器(5)、干燥过滤器(6)、热力膨胀阀(7)和控制器(8)等，太阳能集热/蒸发器(1)的出口与压缩机(2)的吸气口相连，压缩机(2)的排气口与冷凝器(3)的进气口连接，冷凝器(3)的出液口与贮液器(5)相连，然后分别先后连接于干燥过滤器(6)、热力膨胀阀(7)，最后使膨胀阀(7)的出口与集热/蒸发器(1)的进液口相连，从而形成制冷剂的闭合循环通道，冷凝器(3)布置在贮热水箱(4)之中，热力膨胀阀(7)的温包设置在太阳能集热/蒸发器(1)的出口管路上，集热/蒸发器(1)上的太阳辐射仪、温度传感器以及贮热水箱(4)中的温度传感器分别与控制器(8)的输入接口连接，控制器(8)的控制接口与压缩机电源开关连接。

2、如权利要求1所说的直膨式太阳能热泵热水器，其特征在于太阳能集热/蒸发器(1)为无盖板、无底部保温、表面喷涂光谱选择性材料的平板型集热器，同时兼作液体制冷剂的蒸发器。

3、如权利要求1所说的直膨式太阳能热泵热水器，其特征在于采用分体式结构，即太阳能集热/蒸发器(1)单独布置在室外，而压缩机(2)、冷凝器(3)、贮热水箱(4)及其余部件做成一体，设置在室内。

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