CN113188210B - 一种太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能和空气能相结合并采用了相变蓄热方式为用户提供冬季采暖和夏季制冷空调系统装置，本系统装置配置有：矩形抛物镜面聚集太阳能于一条线上,该聚焦线上有太阳能收集装置；相变蓄热装置、中央热泵及制冷主机、功能切换组合式阀门、两用塔及相应的防冻液浓缩装置。本系统装置可用于昼夜温差较大及夏季制冷耗能大幅小于冬季采暖耗能的一些地区，其投资费用相对小于满足采暖需求量全额热泵机组，此采暖与制冷空调对环境无污染、零排放、节能显著的中央空调系统。
Description
本申请是母案名称为“一种太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统”的发明专利的分案申请；母案申请的申请号为：CN201811518164.8；母案申请的申请日为：2019.12.12。
技术领域
本发明属于可再生能源利用工程领域，尤其涉及一种太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统。
背景技术
自工业革命以来，由于人类活动释放大量的温室气体，使得大气中温室气体的浓度急剧升高，结果造成大气中的温室效应日益增强，科学家们把这种人为活动引起的温室效应称为“增强的温室效应”，这正是全球环境科学家们密切关注和担忧的温室效应。随着大气温室效应不断加剧，全球平均气温也必将逐年升高，最终导致全球气候变暖，产生一系列现在科学不可预测的全球性气候问题。
人类进入工业化以后，大量开采使用地下矿物能源。近30年来，煤、石油和天然气等化石燃料的燃烧每年大约释放50亿吨CO2，让人大吃一惊。此外，大气中CO2的增加还有一个主要原因，就是原始森林树木被大量砍伐当作燃料焚烧。每立方米的森林可以吸收1.5kg左右的CO2，进而降低温室效应。而砍伐树木则把原本是大气CO2的吸收“库”破坏性地变成了一个大气CO2的排放来“源”。据世界粮农组织估计，每年约有12亿m3的树木被砍伐焚烧，这些树木燃烧产生大量的CO2，每年可使大气CO2浓度至少升高0.4ppm；大气中CH4含量的增加也十分迅速，主要是由于全球范围水稻种植面积的不断扩大，以及畜牧养殖业的快速导致。人和草食动物的肠道、粪便、沼泽湿洼地、淹水稻田、化石燃料燃烧等都是大气CH4的重要来源。此外，人类在开采天然气和煤炭时，也会向大气中排放CH4；大气中N2O的增加主要是农田化学氮肥的投入和动物排泄物数量的增加导致，也与化石燃料燃烧和生物量焚烧的增加有关系。大气中的N2O不仅具有温室效应，还可以破坏臭氧层，使到达地球表面的太阳紫外线强度增加，对皮肤造成伤害。温室气体增多贻害无穷，必将给人类带来毁灭性灾难，为此人类必须及早谋划未来新能源高效使用。
目前，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1,369w/m2。地球赤道的周长为40,000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源(地热能资源除外)，虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，每秒照射到地球的能量则为499,400,00,000焦。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。
空气能是风能、太阳能、潮汐能之后被人类开发利用广泛的新能源，它不仅能效比高而且低碳环保，利用后不会排放二氧化碳更不会产生有害气体，重要它是可再生的，有很高的利用价值，是国内积极鼓励开发利用的重点新能源。空气能热泵的热量来源就是我们都必须要的空气，而作为一种节能产品其节能程度的好坏都与COP值能效比密切相关。由于市场上大部分的空气能热泵设计正常工作温度在0-40℃。故在环境温度比较高的南方，空气能热泵往往有上佳的表现。而冬季气温只有-10℃的北方城市空气能热泵很难达到设计中预想的效果。如果气温为-20℃机组甚至都不能启动。尤其现行空气能热泵化霜依然采用反向运行化霜，这就严重影响到用户的体验，并且耗费许多时间在化霜上面，又需要停止制热工作。
我们若把太阳能与空气能结合起来利用可以有效防止蒸发器结霜，完全可以杜绝蒸发器铜管被胀坏，更重要的是热泵主机能效比也会大幅提高，尤其采用了相变储热方式更让综合能效比大幅提高。我们知道现行风冷式热泵机组不仅能效比低，而且化霜也是一大难题，由此而来的热源塔便应运而生了，但依然会遇到防冻液冰点温度上移问题，也就是说当空气中水汽不断凝结并融入防冻液后其浓度相应变稀，那么它的冰点温度会上移，超过结冰点相应温度是就会造成结冰事故发生，所以必须想办法解决此问题，当然会有浓缩防冻液办法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统，本发明综合利用了太阳能、热源塔、相变储热各优势所组成一个系统设备及装置，仅可能减少电能的消耗扩大可再生能源利用率，尤其高纬度北方地区夏季制冷需求量远远小于冬季采暖对热能量需求，若为满足冬季采暖而配备热泵机组到了夏季制冷时其余量过大，这对初次投资来说是很不划算的，或某一个时段要求热量特别多，所以必须考虑配备储热设备，可以针对热量需求起到削峰填谷的作用，也就是说平时天气相对暖和情况下，利用自然天气条件在高能效比运行工况下热泵机组可以多做功，并采用低温相变材料把热能以潜热方式储存起来，到很冷时段再把此储存的潜热释放出来，这可大大节约投资费用和运行费用。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统，包括太阳能系统，太阳能系统连通有相变蓄热装置和热泵主机；太阳能系统和相变蓄热装置通过第二功能切换组合式阀门连通热泵主机；热泵主机再通过第一功能切换组合式阀门连通太阳能系统和相变蓄热装置构成回路；热泵主机连通有热源塔，热源塔连通有防冻液浓缩装置。
进一步的改进，太阳能系统包括有矩形抛物镜面，配合矩形抛物镜面安装有真空玻璃管太阳能收集装置，真空玻璃管太阳能收集装置通过集热循环泵连通相变蓄热装置，相变蓄热装置再连通真空玻璃管太阳能收集装置构成循环回路。
进一步的改进，所述相变蓄热装置通过第一阀门连通有第一功能切换组合式阀门和热泵主机的蒸发器；所述相变蓄热装置通过第二阀门连通第二功能切换组合式阀门和溶液循环泵；溶液循环泵与蒸发器连通构成回路。
进一步的改进，所述热泵主机包括蒸发器，蒸发器通过压缩机连通冷凝器，冷凝器通过节流装置连通蒸发器构成循环回路。
进一步的改进，所述冷凝器一端连通第一功能切换组合式阀门，另一端通过循环泵连通第二功能切换组合式阀门。
进一步的改进，所述第一功能切换组合式阀门通过第三阀门连通有用户，用户通过第四阀门连通第二功能切换组合式阀门。
进一步的改进，所述第一功能切换组合式阀门通过第五阀门连通热源塔热源塔通过第六阀门连通第二功能切换组合式阀门。
进一步的改进，所述防冻液浓缩装置包括与热源塔连通的负压蒸发室，负压蒸发室连通有冷凝喷射器；冷凝喷射器连通喷射循环水箱，喷射循环水箱连通有喷射循环泵，喷射循环水箱、冷凝喷射器、喷射循环泵构成通过负压蒸发室的循环回路。
进一步的改进，所述真空玻璃管太阳能收集装置中安装有黑体吸热管，黑体吸热管内外都设置有导热翅片；黑体吸热管内充入有防冻液流体。
进一步的改进，所述相变蓄热装置内设有换热器，换热器外侧为低温相变蓄热材料。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明综合利用了太阳能、热源塔、相变储热各优势所组成一个系统设备及装置，仅可能减少电能的消耗扩大可再生能源利用率，尤其高纬度北方地区夏季制冷需求量远远小于冬季采暖对热能量需求，若为满足冬季采暖而配备热泵机组到了夏季制冷时其余量过大，这对初次投资来说是很不划算的，或某一个时段要求热量特别多，所以必须考虑配备储热设备，可以针对热量需求起到削峰填谷的作用，也就是说平时天气相对暖和情况下，利用自然天气条件在高能效比运行工况下热泵机组可以多做功，并采用低温相变材料把热能以潜热方式储存起来，到很冷时段再把此储存的潜热释放出来，这可大大节约投资费用和运行费用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
附图标记说明：1-用户，2-第三阀门，3-喷射循环水箱，4-冷凝喷射器，5-喷射循环泵，6-负压蒸发室，7-热源塔，8-第五阀门，9-第一功能切换组合式阀门，10-第一阀门，11-第六阀门，12-压缩机，13-蒸发器，14-冷凝器，15-节流装置，16-循环泵，17-溶液循环泵，18-第二功能切换组合式阀门，19-相变蓄热装置，20-第二阀门，21-矩形抛物镜面，22-集热循环泵，23-第四阀门，24-真空玻璃管太阳能收集装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，1为用户，7为热源塔(两用塔)，热泵主机包括有压缩机12，蒸发器13、冷凝器14、节流装置15；太阳能系统包括有矩形抛物镜面21，真空玻璃管太阳能收集装置24，集热循环泵22，太阳能矩形抛物镜面比球形抛物镜面具有一定优势，因为球形抛物镜面太阳光聚焦在一个点上，而矩形抛物镜面聚焦是在一个线上，这有利于防冻液可以通过管道置于聚焦线上来循环，其获得的太阳能热量其效率会大大提高，聚焦在一个点上虽然可以获得较高温度的热量，但相同面积的抛物镜面获得热量额显然不如聚焦线上的优势，因此本发明专利采用矩形抛物镜面来实现太阳能高效收集工作。在聚焦线上采用真空玻璃管的太阳能收集装置，这能够起到很好的隔热作用和防止阳光向外反射，本发明专利还有一个特征在于真空玻璃管内用来循环防冻液的管道内外都设置有导热翅片，而黑体吸热材料涂层是涂在管外导热翅片上，这可在有限体积内增大吸热面积。这些太阳能设备可以是并联结构，也可以是串联结构方式来布置，并通过集热循环泵22把获取太阳能的热量输送到相变储热装置19储存起来，当用户负荷增大时第一阀门10和第二阀门20便打开，同时关闭第六阀门11和第五阀门8可为蒸发器13提供温度较高热源，这样热泵主机能效比可以大幅提高，而且主机使用寿命也会延长许多。或通过溶液循环泵17，并过蒸发器13，过第一功能切换组合式阀门9，过第三阀门2为用户1提供纯太阳能的采暖。平时也可以通过空气能来实现，也就是说启动热源塔7，并启动主机，防冻液把从空气中获得的显热与潜热通过溶液循环泵17输送到蒸发器13里为低压情况下的制冷剂蒸发提供热源，而获取防冻液潜热蒸发后制冷剂被压缩机12压入到冷凝器14内释放潜热又重新冷凝成液态制冷剂，而液态制冷剂又通过节流装置15重新进入到蒸发器13里，就这样周而复始地实现制冷剂相变循环过程。在制热过程中由于空气中含有水汽，所以热源塔里循环着的防冻液会不断被稀释，为了防止溶液冰点温度上移而导致结冰胀坏蒸发器13里的铜管，本发明专利为热源塔配置了防冻液浓缩装置，该浓缩装置包括有：喷射循环水箱3、冷凝喷射器4、喷射循环泵5、负压蒸发室6等组成。在利用空气能为系统储存热量时，必须关闭第三阀门2和第四阀门23，并启动热泵机组和热源塔。在夏季制冷时可以通过第一功能切换组合式阀门9和第二功能切换组合式阀门18的调整实现夏季制冷空调模式，此时第二阀门20和第一阀门10处于关闭状态，而第五阀门8和第六阀门11打开，而热源塔7就变成了冷却塔了，而循环泵16变成冷却泵了，循环泵17变成冷冻泵了。而太阳能系统可以通过其他管路设计作为产生热水的热源。
本实施例只代表本发明专利一个流程结构形式，按照本发明专利思路还可以产生其它相关流程图，有些小部件没有在示意图标注并不等于不需要，只要主题结构流程相吻合皆属于本发明专利权利范畴。
Claims (6)
1.一种太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统，其特征在于，包括太阳能系统，太阳能系统连通有相变蓄热装置(19)和热泵主机；所述太阳能系统和所述相变蓄热装置通过第二功能切换组合式阀门(18)连通所述热泵主机；所述热泵主机再通过第一功能切换组合式阀门(9)连通所述太阳能系统和所述相变蓄热装置构成回路；所述热泵主机连通有热源塔(7)，所述热源塔(7)连通有防冻液浓缩装置，所述热源塔(7)为加热和制冷两用塔；
所述热泵主机包括蒸发器(13)，所述蒸发器(13)通过压缩机(12)连通冷凝器(14)，所述冷凝器(14)通过节流装置(15)连通所述蒸发器(13)构成循环回路；所述相变蓄热装置(19)通过第一阀门(10)连通有所述第一功能切换组合式阀门(9)和所述热泵主机的所述蒸发器(13)；所述相变蓄热装置(19)通过第二阀门(20)连通所述第二功能切换组合式阀门(18)和溶液循环泵(17)；所述溶液循环泵(17)与所述蒸发器(13)连通构成回路；所述冷凝器(14)一端连通所述第一功能切换组合式阀门(9)，另一端通过循环泵(16)连通所述第二功能切换组合式阀门(18)；
所述防冻液浓缩装置包括与所述热源塔(7)连通的负压蒸发室(6)，所述负压蒸发室(6)连通有冷凝喷射器(4)；所述冷凝喷射器(4)连通喷射循环水箱(3)，所述喷射循环水箱(3)连通有喷射循环泵(5)，所述喷射循环水箱(3)、所述冷凝喷射器(4)、所述喷射循环泵(5)构成通过所述负压蒸发室(6)的循环回路；
所述太阳能系统包括有矩形抛物镜面(21)，配合矩形抛物镜面(21)安装有真空玻璃管太阳能收集装置(24)，所述矩形抛物镜面(21)用于将太阳光聚焦于一条线上，形成聚焦线，所述真空玻璃管太阳能收集装置(24)位于所述聚焦线上；所述真空玻璃管太阳能收集装置(24)中安装有黑体吸热管，所述黑体吸热管内外都设置有导热翅片，所述黑体吸热管外侧的所述导热翅片上涂有黑体吸热材料涂层，所述黑体吸热管内充入有防冻液流体。
2.如权利要求1所述的太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统，其特征在于，所述真空玻璃管太阳能收集装置(24)通过集热循环泵(22)连通所述相变蓄热装置(19)，所述相变蓄热装置(19)再连通所述真空玻璃管太阳能收集装置(24)构成循环回路。
3.如权利要求1所述的太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统，其特征在于，所述第一功能切换组合式阀门(9)通过第三阀门(2)连通有用户(1)，所述用户(1)通过第四阀门(23)连通所述第二功能切换组合式阀门(18)。
4.如权利要求1所述的太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统，其特征在于，所述第一功能切换组合式阀门(9)通过第五阀门(8)连通所述热源塔(7)，所述热源塔(7)通过第六阀门(11)连通所述第二功能切换组合式阀门(18)。
5.如权利要求1所述的太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统，其特征在于，所述矩形抛物镜面(21)与所述真空玻璃管太阳能收集装置(24)串联安装，所述矩形抛物镜面(21)以及所述真空玻璃管太阳能收集装置(24)设置有多组，多组所述矩形抛物镜面(21)以及所述真空玻璃管太阳能收集装置(24)串联或并联设置；多组所述矩形抛物镜面(21)以及所述真空玻璃管太阳能收集装置(24)均与所述相变蓄热装置(19)连通。
6.如权利要求1所述的太阳能及空气能相变蓄热式中央空调系统，其特征在于，所述相变蓄热装置(19)内设有换热器，所述换热器的外侧为低温相变蓄热材料。
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