CN1235007C - 直膨式太阳能热泵空调及热水系统 - Google Patents

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Abstract

一种直膨式太阳能热泵空调及热水系统，将直膨式太阳能热泵与冰蓄冷空调有机结合起来，主要由太阳能集热/散热器、压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、四通换向阀、蓄热水箱、热水箱、空调末端装置以及系统控制部件等组成。太阳能集热/散热器采用无盖板、底部保温、表面喷涂太阳光谱吸收性材料的平板型集热器，夏季作为夜间辐射散热器兼热泵的冷凝器。蓄能装置采用闭式承压蓄热水箱，内置高效换热设备，冬季蓄热，夏季蓄冰。本发明的系统集冬季采暖、夏季空调及全年生活热水供应等多种功能于一体，具有适用性好、设备利用率高、节能效果显著、寿命长、技术经济性能较好等优点，是一种绿色环保型的建筑复合能量系统，适用于我国广大城乡建筑。

Description

直膨式太阳能热泵空调及热水系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能光热利用系统，尤其涉及一种直膨式太阳能热泵空调及热水系统，属于能源类供热及空调技术领域。
背景技术
近年来，随着我国建筑业的迅猛发展，建筑的采暖和空调耗能不断扩大。据统计，我国的建筑能耗约占全国总能耗的1/4，居耗能首位。能源的消耗不仅加剧了矿物燃料的日益紧缺和枯竭，而且严重污染了环境。要满足不断增长的建筑用能需求，而又不致于影响其他部门用能的需求或者不加剧已经严重的污染状况，最好的办法是实施建筑节能。利用太阳能光热技术来满足建筑物对采暖、空调及热水的需求是目前最具现实意义和开发利用前景的领域。太阳能光热技术在建筑物中的应用主要有被动式太阳房、太阳能直接采暖、太阳能热泵、太阳能吸收式或吸附式空调等多种形式。其中，被动式太阳房对建筑设计有特殊要求，适用性和灵活性较差，而太阳能直接采暖系统一般比较庞大、太阳能依存率低、经济性能差，目前都难于在我国城乡建筑中加以规模化的推广应用。由于采用现有的太阳能集热器和吸附式制冷机，太阳能吸收式空调通常只能在单效工况下运行，使得实际供热性能系数COP较双效COP低了50％。例如，文献《最新制冷空调技术》(王如竹、丁国良等，科学出版社2002，9：113～116)就指出，我国“九五”期间实施的两个较大型的太阳能吸收式空调系统(100kW)，投资额高达200余万元，而实际COP却被限制在0.6～0.7以下，技术经济性能很差，从根本上限制了其推广使用。此外，太阳能吸附式空调目前尚处于初步研究阶段，还必须克服运转间歇性、系统效率低、冷重比小等问题，才能真正加以实际应用。
太阳能热泵克服了上述太阳能采暖及空调系统的缺点，将太阳能光热技术与电动热泵技术有机结合起来，大大降低了集热器工作温度，并提高了热泵的蒸发温度，因而具有较高的集热器效率和热泵性能系数，而且结构紧凑、适用性强、技术经济性能也较好，为太阳能空调走上产业化发展道路提供了一条有效途径。但是，常规的非直膨式太阳能热泵存在结构比较复杂、集热器件难以与建筑结构集成、功能单一、设备全年利用率不高等缺点，使其推广应用也受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型的直膨式太阳能热泵空调及热水系统，将太阳能热泵与冰蓄冷空调加以结合，集冬季采暖、夏季空调及全年生活热水供应等多种功能于一体，使结构更加紧凑、适用性更好、设备利用率高、节能效果更加显著，并使集热器件易于与建筑结构实现一体化集成。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用直膨式太阳能热泵系统形式，即将太阳能集热器直接作为热泵的蒸发器，使太阳能的吸收过程与制冷剂的蒸发过程在同一设备中完成。在夏季蓄冰工况下，太阳能集热/散热器将被作为夜间辐射散热器，兼作热泵的冷凝器，使制冷剂蒸汽在此通过辐射和对流换热而得到冷凝。整个系统包括太阳能集热/散热器、压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、四通换向阀、蓄热(冷)槽、生活热水箱、气液分离器、储液器、干燥过滤器、管路及阀件等。太阳能集热/散热器在冬季作为集热器兼热泵的蒸发器，夏季则作为夜间辐射散热器兼热泵的冷凝器。冬季运行时太阳能集热/散热器的出口与四通换向阀的一个端口连接，四通换向阀的常出端口与气液分离器的进口相连，气液分离器的出口与变频压缩机的进气口连接，压缩机排气口与冷凝盘管的进口连接，冷凝盘管的出口与四通换向阀的常入端口连接，四通换向阀的剩余端口与换热盘管的进口连接，换热盘管的出口经单向阀与储液器的进口连接，储液器的出口与干燥过滤器的进口连接，干燥过滤器的出口与电子膨胀阀的进口相连，电子膨胀阀的出口再经单向阀与太阳能集热/散热器的进口相连，形成闭合的制冷剂循环通道；夏季运行时四通换向阀发生换向，使得换热盘管出口通过四通换向阀与气液分离器的进口相连，气液分离器的出口与压缩机的进口相连，压缩机的出口与冷凝盘管的进口连接，而冷凝盘管的出口经四通换向阀与太阳能集热/散热器的进口相连，太阳能集热/散热器的出口经单向阀、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀与换热盘管相连接，从而形成闭合的制冷剂环路。冷凝盘管布置在热水箱中用于生产40～60℃的生活热水，而换热盘管则布置在蓄热(冷)槽中，将一部分热(冷)量用于房间采暖(空调)，另一部分热(冷)量储存在水箱中作为备用。冷凝盘管和换热盘管均设有旁通管路，每个旁通管路上各设有一个电磁阀进行通断控制。蓄热(冷)槽的上、下端分别设有供、回水接管，从而可以与空调末端装置进行连接。空气换热器的进、出口分别通过电磁三通阀与太阳能集热/散热器并联，作为热泵的辅助蒸发器或冷凝器。
本发明采用易于与建筑结构实现一体化集成的平板型太阳能集热/散热器。吸热体可采用铜铝复合焊接板或全铝热压吹胀板，顶部无盖板，底部及四周加以适当保温，表面喷涂光谱吸收性材料，管路承压要求在15～20kgf/cm2以上。由于该太阳能集热/散热器结构简单、质轻体薄，所以易于倾斜安装在屋顶之上或垂直挂装在南向外墙壁上，特别适合于多层或高层建筑。在夏季蓄冰工况下，太阳能集热/散热器又作为夜间辐射散热/冷凝器使用。
本发明采用闭式承压蓄热水箱，水箱内布置高效的铜管换热器，管内为制冷剂通路，通过自然对流和导热与水进行换热，冬季利用水的显热实现蓄热，夏季利用水的潜热(包括一部分显热)实现蓄冷。
本发明采用直膨式太阳能热泵系统形式，使得集热器的工作温度与制冷剂的蒸发温度始终保持一致，并接近环境温度，大大提高了集热器效率和热泵性能系数(集热器效率一般可达60％～80％，热泵COP一般可超过3)。本发明采用易于与建筑结构实现一体化集成的、廉价的平板式集热/蒸发器，集热成本非常低，极大地改善了系统的经济性能。本发明在阴雨天或太阳辐射相对不足的情况下可利用空气作为热泵热源，保证了冬季采暖的连续性和稳定性，且不消耗其它高品位能源。本发明在夏季可利用深夜电力进行蓄冷运行以满足白天空调负荷的需要，不仅提高了设备利用率、满足了建筑多种用能需求，而且有利于城市电力错峰。
本发明集冬季采暖、夏季空调及全年生活热水供应等多种功能于一体，具有适用性好、设备利用率高、节能效果显著、寿命长、技术经济性能较好等诸多优点，是一种新型的绿色环保型的建筑复合能量系统，适用于我国广大城乡建筑。
附图说明
图1为本发明的系统结构和冬季采暖工况的示意图。
图2为本发明的夏季蓄冰工况的示意图。
图1、图2中，1为太阳能集热/散热器，2为四通换向阀，3为气液分离器，4为压缩机，5为冷凝盘管，6为生活热水箱，7为电磁阀，8为换热盘管，9为蓄热(冷)槽，10为单向阀组，11为储液器，12为过滤干燥器，13为电子膨胀阀，14为电磁三通阀，15为风冷换热器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
本发明的系统结构如图1所示。整个系统由太阳能集热/散热器1、四通换向阀2、气液分离器3、变频压缩机4、冷凝盘管5、生活热水箱6、换热盘管8、蓄热(冷)槽9、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13、风冷换热器15以及制冷管路和阀件等组成。太阳能集热/散热器1在冬季作为集热器兼热泵的蒸发器，夏季则作为夜间辐射散热器兼热泵的冷凝器。冬季运行时太阳能集热/散热器1的出口与四通换向阀2的一个端口连接，四通换向阀2的常出端口与气液分离器3的进口相连，气液分离器3的出口与变频压缩机4的进气口连接，压缩机4排气口与冷凝盘管5的进口连接，冷凝盘管5的出口与四通换向阀2的常入端口连接，四通换向阀2的剩余端口与换热盘管8的进口连接，换热盘管8的出口经单向阀组10与储液器11的进口连接，储液器11的出口与干燥过滤器12的进口连接，干燥过滤器12的出口与电子膨胀阀13的进口相连，电子膨胀阀13的出口再经单向阀组10与太阳能集热/散热器1的进口相连，形成闭合的制冷剂循环通道；夏季运行时四通换向阀2发生换向，使得换热盘管8出口通过四通换向阀2与气液分离器3的进口相连，气液分离器3的出口与压缩机4的进口相连，压缩机4的出口与冷凝盘管5的进口连接，而冷凝盘管5的出口经四通换向阀2与太阳能集热/散热器1的进口相连，太阳能集热/散热器1的出口经单向阀组10、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13与换热盘管8相连接，从而形成闭合的制冷剂环路。其中，冷凝盘管5布置在生活热水箱6中，用于生产40～60℃的生活热水，而换热盘管8则布置在蓄热(冷)槽9中，并且冷凝盘管5和换热盘管8均设有旁通管路，上述两个旁通管路上各设有一个电磁阀7进行通断控制。蓄热(冷)槽9的上、下部分别设一接管与空调末端装置的供、回水管路加以连接，通过水泵形成水的强制循环回路。风冷换热器15作为太阳能集热/散热器1的辅助设备，其进、出口分别通过一个电磁三通阀14与太阳能集热/散热器1并联。
在冬季采暖工况下，系统循环工作过程描述如下：白天，制冷剂经电子膨胀阀13节流后流入太阳能集热/散热器1中，通过吸收太阳辐射能而蒸发，随后经气液分离器3的分离作用使制冷剂蒸汽被压缩机4吸入，产生的高温高压蒸汽首先被排入冷凝盘管5与生活热水箱6中的水进行换热，一部分蒸汽得到冷凝，此后湿蒸汽又流入蓄热水槽9中的换热盘管8继续冷凝，一部分热量用于房间采暖，另一部分则被蓄存起来，冷凝后的液态制冷剂经单向阀10、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13、单向阀组10流回太阳能集热/散热器1重新吸收太阳能，从而完成一次循环。夜间，如果蓄热水槽9中的水温足够高，则通过空调末端循环直接从蓄热水槽9中取热，不必启动压缩机4。但是，如果白天蓄存的热量不足以满足夜间(或阴雨天)连续采暖的需要，则电磁三通阀14开启旁通管路，利用风冷换热器15作为系统的辅助热源装置，以满足房间采暖的舒适性要求。
图2为本发明的夏季蓄冰工况示意图。
通过四通换向阀2的换向，将太阳能集热/散热器1用作夜间辐射散热/冷凝器，辐射散热/冷凝器1的进口经四通换向阀2与冷凝盘管5的出口相连，与此同时蓄热水槽9作为冰蓄冷槽，而换热盘管8的出口则经四通换向阀2与气液分离器3的进气口连接起来，其余部件之间的连接关系保持不变。
在夏季蓄冰工况下，系统循环工作过程如下：夜间，从压缩机4出来的制冷剂蒸汽首先流入冷凝盘管5，通过加热生活热水而部分冷凝，然后湿蒸汽经四通换向阀2流入夜间辐射散热/冷凝器1，通过对流和辐射散热继续冷凝，得到的液态制冷剂经单向阀组10、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13流入换热盘管8内，通过吸收蓄冷槽9中水的热量而蒸发，使得水温的不断下降直至冰点，制得的冰一部分供夜间空调使用，另一部分蓄存在冰槽中供白天空调使用，蒸发后的制冷剂经气液分离器3又重新被压缩机4吸入、压缩，从而完成一次循环。如果夜间蓄存的冰量足以满足白天空调的需要，则可以利用空调末端循环直接从蓄冰槽9中提取冷量，不必启动热泵机组。如果夜间蓄冰量不足，则开启电磁三通阀14的旁通管路，采用风冷换热器15作为系统的辅助冷凝器，以保证白天房间空调的需要。
在过渡季热水工况下，通过降低压缩机4的频率来减少制冷剂的循环量，同时开启电磁阀7，使得制冷剂蒸气在冷凝盘管5中全部冷凝用于生产热水，而冷凝后的制冷剂液体经换热盘管8的旁通管直接流入储液器11中。
在系统控制方面，本发明主要采用以下几点措施：1)采用四通换向阀进行冬夏工况的转换；2)采用电子膨胀阀控制压缩机吸气过热度，并根据气象条件的变化情况，通过变频器控制压缩机的电动机转速，从而使得整个系统始终能够保持高效、稳定的运行；3)根据蓄能介质温度及气象条件的变化，采用温差控制器启动后备风冷换热器以及控制电磁三通阀的开度；4)在冬季工况下，热水箱内温控器用于控制其旁通管路上电磁阀的启闭，即当热水温度达到设定温度时，打开旁通管路。在过渡季工况下，该温控器则用于控制压缩机的启停，即当热水温度达到设定温度时，压缩机自动停机。

Claims (3)

1、一种直膨式太阳能热泵空调及热水系统，其特征在于太阳能集热/散热器(1)在冬季作为集热器兼热泵的蒸发器，夏季则作为夜间辐射散热器兼热泵的冷凝器，冬季运行时太阳能集热/散热器(1)的出口与四通换向阀(2)的一个端口连接，四通换向阀(2)的常出端口与气液分离器(3)的进口相连，气液分离器(3)的出口与变频压缩机(4)的进气口连接，压缩机(4)排气口与冷凝盘管(5)的进口连接，冷凝盘管(5)的出口与四通换向阀(2)的常入端口连接，四通换向阀(2)的剩余端口与换热盘管(8)的进口连接，换热盘管(8)的出口经单向阀组(10)与储液器(11)的进口连接，储液器(11)的出口与干燥过滤器(12)的进口连接，干燥过滤器(12)的出口与电子膨胀阀(13)的进口相连，电子膨胀阀(13)的出口再经单向阀组(10)与太阳能集热/散热器(1)的进口相连，形成闭合的制冷剂循环通道；夏季运行时四通换向阀(2)发生换向，使得换热盘管(8)出口通过四通换向阀(2)与气液分离器(3)的进口相连，气液分离器(3)的出口与压缩机(4)的进口相连，压缩机(4)的出口与冷凝盘管(5)的进口连接，冷凝盘管(5)的出口经四通换向阀(2)与太阳能集热/散热器(1)的进口相连，太阳能集热/散热器(1)的出口经单向阀组(10)、储液器(11)、干燥过滤器(12)、电子膨胀阀(13)与换热盘管(8)相连接，从而形成闭合的制冷剂环路；冷凝盘管(5)布置在生活热水箱(6)中，换热盘管(8)则布置在蓄热/冷槽(9)中，并且冷凝盘管(5)和换热盘管(8)均设有旁通管路，上述两个旁通管路上各设有一个电磁阀(7)进行通断控制，蓄热/冷槽(9)的上、下部分别设一接管与空调末端装置的供、回水管路相连，风冷换热器(15)的进、出口分别通过电磁三通阀(14)与太阳能集热/散热器(1)并联。
2、如权利要求1的直膨式太阳能热泵空调及热水系统，其特征在于所述的太阳能集热/散热器(1)采用无盖板、底部保温、表面喷涂太阳光谱吸收性材料平板型集热器。
3、如权利要求1的直膨式太阳能热泵空调及热水系统，其特征在于所述的蓄热/冷槽(9)采用闭式承压蓄热水箱，水箱内布置铜管换热器，管内为制冷剂通路，冬季蓄热，夏季蓄冷。
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