CN113719883A - 一种利用太阳能热泵供暖的节能系统 - Google Patents

一种利用太阳能热泵供暖的节能系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，包括太阳能集热器、蓄热水箱、热泵机组和供暖装置，所述太阳能集热器通过第一循环水泵与蓄热水箱形成集热循环，所述蓄热水箱与热泵机组并联，并通过三通阀连接供暖装置。与现有技术相比，该发明能够弥补太阳能的不稳定性，还可以改善热泵系统性能，实现能量的梯级利用，减少能量消耗。

Description

一种利用太阳能热泵供暖的节能系统
技术领域
本发明涉及太阳能热供暖技术领域，尤其是涉及一种利用太阳能热泵供暖的节能系统。
背景技术
随着经济的快速发展带动人民消费结构的改变，人们追求更加舒适的生活环境，供暖、空调带来的能源消耗问题日益突出，可再生能源在建筑应用中得到迅速发展。
太阳能是一种相当环保的能源供给方式，我国太阳能资源丰富，全年日照时间超过2200h的地区约占全国总面积的2/3，具有利用太阳能的经济价值。全年平均太阳能总辐照量为5.86GJ/m，具有利用太阳能的良好条件。太阳能热水系统由于其方便经济的为人们提供热水而被广泛的应用于各地，但太阳能能量密度低，辐射受环境影响大，具有明显的间歇性。因此，太阳能在使用过程中，需要设置辅助热源来保证实际供暖效果。
热泵技术由于利用了低品位能量，也是一种能源利用率特别高，十分清洁环保的技术，但其单独供热的效果并不突出且产生高昂电费。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，该系统能够弥补太阳能的不稳定性，还可以改善热泵系统性能，实现能量的梯级利用，减少能量消耗。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，包括太阳能集热器、蓄热水箱、热泵机组和供暖装置，所述太阳能集热器通过第一循环水泵与蓄热水箱形成集热循环并提供集热介质；所述蓄热水箱与热泵机组并联，并通过三通阀连接供暖装置进行供暖。
优选地，所述蓄热水箱上安装有用于检测蓄热水箱中实时水温的温度传感器。
优选地，所述太阳能集热器采用真空管集热管。
优选地，供暖装置包括依次连接的第三循环水泵、分水器、用户和集水器，所述蓄热水箱的出口端依次连接第二循环水泵和第一三通阀，并通过第一三通阀与第三循环水泵连接，所述蓄热水箱的进口端通过第二三通阀与集水器连接。
优选地，所述热泵机组包括依次通过制冷剂管路连接的空气源蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀，所述冷凝器的两端与蓄热水箱的两端连接。
优选地，所述节能系统设有四种运行模式，包括蓄热模式、太阳能直供模式、太阳能热泵联合供暖模式和热泵直供模式。
优选地，当所述蓄热水箱的温度≥60℃时，所述节能系统运行模式为蓄热模式，所述蓄热模式的运行过程为：
S1.1：所述第一循环水泵驱动集热介质进入太阳能集热器，吸收太阳辐射能热能，集热介质温度升高；
S1.2：所述第一循环水泵推动温度升高的集热介质进入所述蓄热水箱，使得蓄热水箱中的水温升高，从而将太阳辐射能转换为热能并存储在蓄热水箱中；
S1.3：集热介质通过所述第一循环水泵送入所述太阳能集热器进一步升高温度。
优选地，当所述蓄热水箱的温度为45℃-60℃时，所述节能系统运行模式为太阳能直供模式，所述太阳能直供模式的运行过程为：
S2.1：所述第一循环水泵驱动集热介质进入太阳能集热器，吸收太阳辐射能热能，集热介质温度升高；
S2.2：所述第一循环水泵推动温度升高的集热介质进入所述蓄热水箱，使得蓄热水箱中的水温升高，从而将太阳辐射能转换为热能直接送往供暖装置进行供暖。
优选地，当所述蓄热水箱的温度≤45℃时，所述节能系统运行模式为太阳能热泵联合供暖模式，所述太阳能热泵联合供暖模式的运行过程为：
S3.1：第二循环水泵将蓄热水箱中的水作为供暖介质并通过第一三通阀送进供暖装置供暖；
S3.2：所述供暖介质经过分水器进入不同管道为用户供暖；
S3.3：所述供暖介质完成供暖后经过分水管道汇总在集水器，并通过第二三通阀重新回到蓄热水箱。
优选地，当遇到夜间和阴雨雪天气时，太阳能系统无法正常工作，所述节能系统运行模式为热泵直供模式，所述热泵直供模式的运行过程为：
S4.1：电能驱动空气源蒸发器吸收空气中的热量，制冷剂管路内的制冷剂变为低温低压的蒸汽气体；
S4.2：所述蒸汽气体进入压缩机进行压缩后送入冷凝器冷凝为液体，冷凝过程中释放热量用于供暖；
S4.3：所述冷凝器释放制冷剂，所述制冷剂流经节流阀，进入空气源蒸发器，重新运行S4.1。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明将太阳能技术与空气源热泵技术相结合，弥补太阳能技术的不稳定性，还可改善热泵系统性能，有效提高联合系统的效率。
2、本发明采用非直膨并联式太阳能热泵供暖系统，保证热泵机组的相对独立，便于维护修理，且并联式系统吸收太阳辐射可直接供暖，降低用户的供暖成本。
3、本发明提出的系统针对不同天气情况设置四个模式，具有可行、高效的特点，且使用能源环保，符合全球当前能源危机下能源结构转型的方向。
4、本发明采用真空管集热管作为太阳能集热器，不仅消除了对流热损失，同时还减小了导热损失；能够在短时间内获得热量，抗冻性非常优秀。
附图说明
图1为本实施例一种利用太阳能热泵供暖的节能系统的结构示意图；
图中标记为：1、太阳能集热器，2、第一循环水泵，3、蓄热水箱，4、第二循环水泵，5、空气源蒸发器，6、冷凝器，7、节流阀，8、压缩机，9、第三循环水泵，10、分水器，11、集水器，12-1、第一三通阀，12-2第二三通阀，13、用户。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例提供一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，包括太阳能集热器1、第一循环水泵2、蓄热水箱3、第二循环水泵4、空气源蒸发器5、冷凝器6、节流阀7、压缩机8、第三循环水泵9、分水器10、集水器11、第一三通阀12-1、第二三通阀12-2、用户13。
太阳能集热器1、第一循环水泵2和蓄热水箱3共同形成太阳能集热循环回路，太阳能集热器1采用真空管集热器，蓄热水箱3上安装有用于检测蓄热水箱中实时水温的温度传感器，空气源蒸发器5、压缩机8、冷凝器6和节流阀7依次通过制冷剂管路连接并形成空气源热泵机组，第三循环水泵9、分水器10、用户13和集水器11依次连接形成供暖环路。蓄热水箱3的两端与冷凝器6的两端连接，使得太阳能集热循环回路与热泵机组形成并联电路；且蓄热水箱3与冷凝器6连接的一端通过第一三通阀12-1与第三循环水泵9连接，蓄热水箱3与冷凝器6连接的另一端通过第二三通阀12-2与集水器11连接，形成闭合的利用太阳能泵供暖的节能系统。
空气源热泵和太阳能集热器1并联连接，当温度传感器检测蓄热水箱3中的温度低于45℃时，控制系统将三通阀连接空气源热泵侧的阀口开启，从而启动空气源热泵风机开始工作为空气源蒸发器5提供空气。
用户13房间内采用低温地板辐射系统，供暖的热水进入房间通过地板辐射系统，供给用户热量；使室内空气速度与温度分布较均匀，地板表面影响范围较大，室内空间温差小，舒适性好。
本实施例提供的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其工作原理如下：
太阳能集热器的集热循环：第一循环水泵2驱动集热介质进入太阳能集热器1，吸收太阳辐射能热能，集热介质温度升高；进而，第一循环水泵2推动温度升高的集热介质进入蓄热水箱3，使得蓄热水箱3中的水温升高，从而将太阳辐射能转换为热能并存储在蓄热水箱3中；最后，集热介质再通过第一循环水泵2送入太阳能集热器1进一步升高温度。
太阳能集热器的供暖循环：集热循环将蓄热水箱3中的水温提高到足够满足房间供暖需求时，第二循环水泵4将蓄热水箱中升温后的水通过第一三通阀12-1送进供暖回路作为供暖介质，供暖介质经过分水器10进入不同管道满足用户13各个房间的供暖需求，再经过分水管道汇总在集水器11，最后经过第二三通阀12-2重新回到蓄热水箱3。
空气源热泵的集热循环：冷凝器6释放制冷剂，制冷剂流经节流阀7并经过等焓节流后，进入空气源蒸发器5吸收室外空气的热量。
空气源热泵的供暖循环：电能驱动空气源蒸发器5吸收空气中的热量，管路内的制冷剂变位低温低压的蒸汽气体，随后送入压缩机8进行压缩并重新送回冷凝器6，蒸汽气体经冷凝器6冷凝为液体，冷凝过程中将热量释放给供暖介质，供暖介质在满足供暖温度需求后，进入供暖回路完成供暖循环。
根据太阳辐射强度的不同，本实施例提供的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统有四种不同的运行模式，并且通过调整不同的运行模式，最大程度地提高能源的利用率。模式之间的切换依靠控制系统自动完成。在不同条件下选择最合适的运行模式，可以为用户采暖降低能源使用成本，并且节省不必要能源的消耗。
蓄热模式：
当所述蓄热水箱3的温度≥60℃时，节能系统运行模式为蓄热模式，蓄热模式的运行过程为：
S1.1：第一循环水泵2驱动集热介质进入太阳能集热器1，吸收太阳辐射能热能，集热介质温度升高；
S1.2：第一循环水泵2推动温度升高的集热介质进入蓄热水箱3，使得蓄热水箱3中的水温升高，从而将太阳辐射能转换为热能并存储在蓄热水箱3中；
S1.3：集热介质通过第一循环水泵2送入太阳能集热器1进一步升高温度。
太阳能直供模式：
当蓄热水箱3的温度为45℃-60℃时，节能系统运行模式为太阳能直供模式，太阳能直供模式的运行过程为：
S2.1：第一循环水泵2驱动集热介质进入太阳能集热器1，吸收太阳辐射能热能，集热介质温度升高；
S2.2：第一循环水泵2推动温度升高的集热介质进入所述蓄热水箱3，使得蓄热水箱3中的水温升高，从而将太阳辐射能转换为热能直接送往供暖装置进行供暖。
在节能系统以太阳能直供模式运行一段时间后，用户13房间热负荷变小，由房间内安装的热量表计算获得，此时可以再次切换为蓄热模式。
太阳能热泵联合供暖模式：
当蓄热水箱3的温度≤45℃时，节能系统运行模式为太阳能热泵联合供暖模式，太阳能热泵联合供暖模式的运行过程为：
S3.1：第二循环水泵4将蓄热水箱3中的水作为供暖介质并通过第一三通阀12-1送进供暖装置供暖；
S3.2：供暖介质经过分水器10进入不同管道为用户13供暖；
S3.3：供暖介质完成供暖后经过分水管道汇总在集水器11，并通过第二三通阀12-2重新回到蓄热水箱3。
热泵直供模式：
在遇到夜间和阴雨雪天气时，太阳能系统无法正常工作，节能系统运行模式为热泵直供模式，所述热泵直供模式的运行过程为：
S4.1：电能驱动所述空气源蒸发器5吸收空气中的热量，所述制冷剂管路内的制冷剂变为低温低压的蒸汽气体；
S4.2：蒸汽气体进入压缩机8进行压缩后送入冷凝器6冷凝为液体，冷凝过程中释放热量用于供暖；
S4.3：冷凝器6释放制冷剂，所述制冷剂流经节流阀7，进入空气源蒸发器5，重新运行S4.1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，包括太阳能集热器(1)、蓄热水箱(3)、热泵机组和供暖装置，所述太阳能集热器(1)通过第一循环水泵(2)与蓄热水箱(3)形成集热循环并提供集热介质；所述蓄热水箱(3)与热泵机组并联，并通过三通阀连接供暖装置进行供暖。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，所述蓄热水箱(3)上安装有用于检测蓄热水箱(3)中实时水温的温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，所述太阳能集热器(1)采用真空管集热管。
4.根据权利要求1所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，所述供暖装置包括依次连接的第三循环水泵(9)、分水器(10)、用户(13)和集水器(11)，所述蓄热水箱(3)的出口端依次连接第二循环水泵(4)和第一三通阀(12-1)，并通过第一三通阀(12-1)与第三循环水泵(9)连接，所述蓄热水箱(3)的进口端通过第二三通阀(12-2)与集水器(11)连接。
5.根据权利要求1所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，所述热泵机组包括依次通过制冷剂管路连接的空气源蒸发器(5)、压缩机(8)、冷凝器(6)和节流阀(7)，所述冷凝器(6)的两端与蓄热水箱(3)的两端连接。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，所述节能系统设有四种运行模式，包括蓄热模式、太阳能直供模式、太阳能热泵联合供暖模式和热泵直供模式。
7.根据权利要求6所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，当所述蓄热水箱(3)的温度≥60℃时，所述节能系统运行模式为蓄热模式，所述蓄热模式的运行过程为：
S1.1：所述第一循环水泵(2)驱动集热介质进入太阳能集热器(1)，吸收太阳辐射能热能，集热介质温度升高；
S1.2：所述第一循环水泵(2)推动温度升高的集热介质进入所述蓄热水箱(3)，使得蓄热水箱(3)中的水温升高，从而将太阳辐射能转换为热能并存储在蓄热水箱(3)中；
S1.3：集热介质通过所述第一循环水泵(2)送入所述太阳能集热器(1)进一步升高温度。
8.根据权利要求6所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，当所述蓄热水箱(3)的温度为45℃-60℃时，所述节能系统运行模式为太阳能直供模式，所述太阳能直供模式的运行过程为：
S2.1：所述第一循环水泵(2)驱动集热介质进入太阳能集热器(1)，吸收太阳辐射能热能，集热介质温度升高；
S2.2：所述第一循环水泵(2)推动温度升高的集热介质进入所述蓄热水箱(3)，使得蓄热水箱(3)中的水温升高，从而将太阳辐射能转换为热能直接送往供暖装置进行供暖。
9.根据权利要求6所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，当所述蓄热水箱(3)的温度≤45℃时，所述节能系统运行模式为太阳能热泵联合供暖模式，所述太阳能热泵联合供暖模式的运行过程为：
S3.1：第二循环水泵(4)将蓄热水箱(3)中的水作为供暖介质并通过第一三通阀(12-1)送进供暖装置供暖；
S3.2：所述供暖介质经过分水器(10)进入不同管道为用户(13)供暖；
S3.3：所述供暖介质完成供暖后经过分水管道汇总在集水器(11)，并通过第二三通阀(12-2)重新回到蓄热水箱(3)。
10.根据权利要求6所述的一种利用太阳能热泵供暖的节能系统，其特征在于，当遇到夜间和阴雨雪天气时，太阳能系统无法正常工作，所述节能系统运行模式为热泵直供模式，所述热泵直供模式的运行过程为：
S4.1：电能驱动空气源蒸发器(5)吸收空气中的热量，制冷剂管路内的制冷剂变为低温低压的蒸汽气体；
S4.2：所述蒸汽气体进入压缩机(8)进行压缩后送入冷凝器(6)冷凝为液体，冷凝过程中释放热量用于供暖；
S4.3：所述冷凝器(6)释放制冷剂，所述制冷剂流经节流阀(7)，进入空气源蒸发器(5)，重新运行S4.1。
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