CN1321866A - 采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵系统 - Google Patents
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Abstract
一种采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵系统,通过太阳空气电热三能源互补实现采暖空调热水三功能综合利用,依据地理和气象条件从11种运行方式中优选节能方案;实现空调与热水联供,避免户外热污染;统一循环水系统减少换热环节,降低制造成本,实现循环水显热蓄热,从而具有水环热泵优点;太阳能集热效率与系统供热系数高,蓄热密度大,融霜次数和时间少使供热量损失低,初投资与运行费低于复合前三项技术之合。
Description
本发明涉及一种利用太阳、空气、电热三能源实现采暖、空调、热水三功能复合热泵(3-3)系统。
空气是广泛、均匀的热源，在各种不同温度下都能提供几乎任意数量的热量，这是目前空气热泵系统已在世界范围内广泛商业化的前提。然而由于空气温度随地区、季节变化大，因而在空气热泵系统的使用过程中存在如下问题：
1、从冬季过低温度的空气中采热时，热泵系统难以启动、供热系数减小；
2、为保持足够采热平均温差，热泵系统需要比制冷系统大得多的空气量掠过蒸发器，从而增加风机电耗，降低热泵系统供热系数；按经验，热泵系统每kW供热量实际使用1200m3/h的经济可行空气量；
3、为保持空气温度和蒸发温度之间的5℃温差，在上述经济可行空气量条件下，所需蒸发器换热面积约两倍于单向制冷系统的蒸发器；
4、空气温度在-5-+5℃之间时，由于空气绝对含湿量较高，因此存在盘管结霜现象，使换热效率降低，严重时会完全堵塞空气进口；
5、上述4、工况时，需要每小时1-2次的融霜循环，此时热泵系统不供热，反而从建筑物内提取融霜热量，造成6-21％的供热量损失。
采用空气热泵系统从封闭的居室阳台或塑料大棚内的温热空气中采热，虽然运行情况良好，但占用较大的有用空间。
太阳能也是广泛、均匀、高品位的理想热源，这是目前太阳能集热器已在世界范围内商业化的前提。然而由于太阳能低密度的特征，使得太阳能集热器存在如下问题：
1、￥5000-10000/kW的初投资，使其难以在现有工业平台上实现更大规模的商业化；
2、当集热温度较高时，环境热损较大，导致集热效率降低。
相比之下电加热器的初投资最低，但长年连续运行时，耗电量巨大，因此也不宜独立运行。
本发明的目的是综合现有空气热泵系统、太阳能集热器、电加热器三种技术的优点，同时克服其各自单独技术的不足之处，提供一种由太阳、空气、电热三能源互补来实现采暖、空调、热水三功能的综合利用，以使15年内初投资与运行费之合最低的三位一体复合热泵(3-3)系统。
附图说明：
附图1为本发明的系统流程图。
附图2为本发明中混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的剖面图。
附图3为本发明中双向节流阀组(3)的流程图。
本发明采用的技术方案，即采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵系统如附图1、附图2、附图3所示，其中：1-混热、蓄热、蒸发/冷凝器；2-蒸发/冷凝管；3-双向节流阀组；4-流量调节阀；5-空气蒸发/冷凝器；6-循环水蒸发/冷凝器；7-四通换向阀；8-压缩机组；9-气液分离器；10-冷/热水循环泵；11-供水四通阀组；12-回水四通阀组；13-混水循环泵；14-混水三通阀组；15-集热联箱；16-混合三通阀组；17-风机盘管；18-热水器；19-热水盘管；20-定压、膨胀罐；21-循环水；22-相变蓄热管；23-电加热管；24-太阳能集热管；25-电动机；26-风机；27-节流阀；28-逆止阀；29-干燥过滤器。
按照附图1、附图2、附图3所示的采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵系统：混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中蒸发/冷凝管(2)的进/出口分别通过双向节流阀组(3)和2个流量调节阀(4)形成太阳侧支路，然后与空气蒸发/冷凝器(5)的进/出口分别通过双向节流阀组(3)和2个流量调节阀(4)形成的空气侧支路并联，并联通路的一端再通过管道顺次连接循环水蒸发/冷凝器(6)的制冷剂侧、四通换向阀(7)、压缩机组(8)、气液分离器(9)，最后再与该并联通路的另一端相联，形成太阳、空气、电热复合热泵系统回路；
循环水蒸发/冷凝器(6)循环水侧的出口通过管道连接于供水四通阀组(11)，而回水四通阀组(12)通过管道连接于冷/热水循环泵(10)、循环水蒸发/冷凝器(6)循环水侧的进口，形成复合热泵系统供冷/热水回路；
混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混水侧出口通过管道连接于混水循环泵(13)、混水三通阀组(14)，混水三通阀组(14)再通过管道连接于集热联箱(15)、混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混合侧进口，形成集热回路；
混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混水侧出口通过管道连接于混水循环泵(13)、混水三通阀组(14)，混水三通阀组(14)再通过管道连接于供水四通阀组(11)，而回水四通阀组(12)通过管道连接于混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混合侧进口，形成供热回路；
供水四通阀组(11)通过管道连接于风机盘管(17)系统、回水四通阀组(12)，形成采暖、空调冷/热水回路；
供水四通阀组(11)通过管道连接于热水器(18)系统中的热水盘管(19)、回水四通阀组(12)，形成加热水回路；
定压、膨胀罐(20)的定压管成2路分别连接于集热联箱(15)的出口和冷/热水循环泵(10)的入口。
混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)内的循环水(21)中，同时均匀布置着流通制冷剂的蒸发/冷凝管(2)、填充相变工质的相变蓄热管(22)、电加热管(23)；其中蒸发/冷凝管(2)和相变蓄热管(22)可以是直管，也可是螺旋盘管；相变工质为相变温度6-66℃的结晶水合盐、石蜡、酯酸。
集热联箱(15)所集太阳辐射由1-10000根平行相间的热管真空管型或全玻璃真空管型太阳能集热管(24)实现。
空气蒸发/冷凝器(5)的空气侧由电动机(25)驱动风机(26)。
1个节流阀(27)与1个逆止阀(28)反向并联，组成单向节流阀组；2组单向节流阀组再同类型阀门反向串联，2组中间还串联1个干燥过滤器(29)，从而组成双向节流阀组(3)。
混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中的电加热管(23)可省去。
由热水器(18)中的热水盘管(19)组成的加热供水回路可省去。
本发明的工作原理结合附图1、附图2、附图3说明如下：
一、太阳能集热系统供热方式
当出现太阳辐射和/或混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中的循环水(21)的温度大于风机盘管(17)的采暖供水温度和/或热水器(18)的加热供水温度时，混水循环泵(13)启动，以驱动循环水(21)流经混水三通阀组(14)后，进行：
1、集热循环：循环水(21)流经集热联箱(15)、混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中的相变蓄热管(22)，构成集热循环，以把从太阳能集热管(24)中选择性翼片表面吸收太阳全射辐射并由热管导入上端集热联箱(15)，最后以对流方式释放的集热，输送到混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)内，再通过对流方式把一部分集热传递给相变蓄热管(22)的外表面，并由其中的相变工质以吸热熔解方式蓄热。
2、供热循环：循环水(21)流经供水四通阀组(11)、风机盘管(17)系统和/或热水器(18)系统、回水四通阀组(12)、混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)，构成供热循环，把以对流方式从相变蓄热管(22)和/或电加热管(23)中，接受的凝固放热和/或电加热，输送给风机盘管(17)系统和/或热水器(18)系统。
3、混水循环：即集热循环与供热循环的并联循环，其中来自集热联箱(15)的集热循环供水，与来自回水四通阀组(12)的供热循环回水经过混合三通阀组(16)后混合均温。
二、热泵系统供热方式
1、太阳热泵循环系统：当混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中的循环水(21)温度小于风机盘管(17)的采暖供水温度和/或热水器(18)的加热供水温度时，压缩机组(8)启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀(7)、循环水蒸发/冷凝器(6)、流量调节阀(4)、双向节流阀组(3)、蒸发/冷凝管(2)、流量调节阀(4)、四通换向阀(7)、气液分离器(9)，构成太阳热泵循环系统，以把蒸发/冷凝管(2)中采集的低位热能泵至循环水蒸发/冷凝器(6)内；冷/热水循环泵(10)预先启动，以驱动循环水(21)流经循环水蒸发/冷凝器(6)、供水四通阀组(11)、风机盘管(17)系统和/或热水器(18)系统、回水四通阀组(12)、冷/热水循环泵(10)，构成供热回路，以把循环水蒸发/冷凝器(6)内的冷凝放热输送给风机盘管(17)系统和/或热水器(18)系统。
2、空气热泵循环系统：当混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中的循环水(21)温度低于风机盘管(17)的采暖供水温度和/或热水器(18)的加热供水温度时，压缩机组(8)启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀(7)、循环水蒸发/冷凝器(6)、流量调节阀(4)、双向节流阀组(3)、空气蒸发/冷凝器(5)、流量调节阀(4)、四通换向阀(7)、气液分离器(9)，构成空气热泵循环系统，以把空气蒸发/冷凝器(5)中采集的低位热能泵至循环水蒸发/冷凝器(6)内；冷/热水循环泵(10)预先启动，以驱动循环水(21)流经循环水蒸发/冷凝器(6)、供水四通阀组(11)、风机盘管(17)系统和/或热水器(18)系统、回水四通阀组(12)、冷/热水循环泵(10)，构成供热回路，以把循环水蒸发/冷凝器(6)内的冷凝放热输送给风机盘管(17)系统和/或热水器(18)系统。
3、太阳、空气复合热泵循环系统：当混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中的循环水(21)温度低于风机盘管(17)的采暖供水温度和/或热水器(18)的加热供水温度时，压缩机组(8)启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀(7)、循环水蒸发/冷凝器(6)、三通、2路流量调节阀(4)、2路双向节流阀组(3)、蒸发/冷凝管(2)和空气蒸发/冷凝器(5)、2路流量调节阀(4)、三通、四通换向阀(7)、气液分离器(9)，构成太阳、空气复合热泵循环系统，以把蒸发/冷凝管(2)和空气蒸发/冷凝器(5)中采集的低位热能泵至循环水蒸发/冷凝器(6)内；冷/热水循环泵(10)预先启动，以驱动循环水(21)流经循环水蒸发/冷凝器(6)、供水四通阀组(11)、风机盘管(17)系统和/或热水器(18)系统、回水四通阀组(12)、冷/热水循环泵(10)，构成供热回路，以把循环水蒸发/冷凝器(6)内的冷凝放热输送给风机盘管(17)系统和/或热水器(18)系统。
三、制冷系统与太阳能集热系统供冷/热方式
1、制冷循环系统：压缩机组(8)启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀(7)、流量调节阀(4)、空气蒸发/冷凝器(5)、双向节流阀组(3)、流量调节阀(4)、循环水蒸发/冷凝器(6)、四通换向阀(7)、气液分离器(9)，构成制冷循环系统，以把循环水蒸发/冷凝器(6)中提取的热能泵至空气蒸发/冷凝器(5)中，向环境空气释放。
2、制冷/供热联合循环系统：压缩机组(8)启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀(7)、流量调节阀(4)、蒸发/冷凝管(2)、双向节流阀组(3)、流量调节阀(4)、循环水蒸发/冷凝器(6)、四通换向阀(7)、气液分离器(9)，构成制冷/供热联合循环系统，以把循环水蒸发/冷凝器(6)中提取的热能泵至蒸发/冷凝管(2)后向加热供水释放。
3、空调循环系统：冷/热水循环泵(10)启动，以驱动循环水(21)流经循环水蒸发/冷凝器(6)、供水四通阀组(11)、风机盘管(17)系统、回水四通阀组(12)、冷/热水循环泵(10)，构成空调回路，以把循环水蒸发/冷凝器(6)内的吸热蒸发冷量输送给风机盘管(17)系统。
4、热水循环系统：当混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中的循环水(21)温度大于热水器(18)的加热供水温度时，混水循环泵(13)启动，以驱动循环水(21)流经混水三通阀组(14)、供水四通阀组(11)、热水器(18)系统、回水四通阀组(12)、混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)，把以对流方式从混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中接受的蓄热和/或电加热输送给热水器(18)系统。
5、混水循环系统：集热循环与供热循环并联循环，其中来自集热联箱(15)的集热循环供水，与来自回水四通阀组(12)的供热循环回水经过混合三通阀组(16)后混合均温。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、通过太阳、空气、电热三能源互补实现采暖、空调、热水三功能综合利用；
2、依据地理和气象条件从11种运行方式中优选节能方案；
3、实现空调与热水联供，使用户热量自平衡，避免户外热污染；
4、把蒸发/冷凝管(2)、相变蓄热管(22)、电加热管(23)整合到混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的循环水(21)中，利用统一的循环水(21)系统，减少换热环节和环境热损，降低制造成本；
5、集热回路、供热回路、采暖/空调回路、热水回路等形成统一的循环水(21)系统，其全部管路中的循环水(21)，既作为显热蓄热体，又作为导热性良好的热媒体，减小其与蒸发/冷凝管(2)、相变蓄热管(22)、电加热管(23)的换热温差，从而提高系统供热系数，使本发明兼具水环热泵系统的优点；
6、通过太阳能集热管(24)、相变蓄热管(22)的集热、蓄热作用，使太阳热泵循环系统或太阳、空气复合热泵循环系统的平均采热蒸发温度接近或高于环境温度，从而提高系统供热系数；
7、太阳能集热既可作为供热，也可作为太阳热泵循环系统的采热，从而实现太阳能集热的分级利用；
8、太阳热泵循环系统可把集热温度降低至接近于环境的温度，从而减少环境热损，提高太阳能集热效率；
9、把相变工质填充于相变蓄热管(22)内，可减轻其导热系数低和凝固收缩时产生空气间隙对充/放热速率的影响；同时也提高混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)内的蓄热密度，使其体积减小；
10、太阳、空气复合热泵循环系统的运行使空气蒸发/冷凝器(5)的蒸发采热量减半，从而降低采热温差，减少融霜循环次数和循环时间，降低供热量损失；
11、在采暖、空调、热水三功能综合利用的前提下，由于实现了太阳、空气、电热三能源互补，从而使得本发明在15年内的初投资与运行费之合，远低于空气热泵系统、太阳能集热器、电加热器，这三项技术分别实现采暖、空调、热水三功能时的投资与运行费之合。
实施例
本发明提出的采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵系统的实施例如附图1、附图2、附图3所示，现说明如下：由厚1.2mm不锈钢板制成的直径800mm、高2500mm的混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中，直径10mm铜制螺旋蒸发/冷凝盘管(2)的进/出口分别通过双向节流阀组(3)和2个流量调节阀(4)形成太阳侧支路；然后与铜管套铝翅片式、换热面积40m2的空气蒸发/冷凝器(5)的进/出口，分别通过双向节流阀组(3)和2个流量调节阀(4)形成的空气侧支路并联；该并联通路的一端再通过管道顺次连接不锈钢、换热速率14kW的板式换热器(6)的R22侧、四通换向阀(7)、功率4.0kW的全封闭涡旋式压缩机组(8)、气液分离器(9)，最后再与该并联通路的另一端相联，形成太阳、空气复合热泵循环系统回路；板式换热器(6)循环水侧的出口通过管道连接于供水四通阀组(11)，而回水四通阀组(12)通过管道连接于流量3m3/h、扬程14mH2O的冷/热水循环泵(10)、板式换热器(6)循环水侧的进口，形成复合热泵循环系统的供冷/热水回路；混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混水侧出口通过管道连接于流量3m3/h、扬程14mH2O的混水循环泵(13)、混水三通阀组(14)，混水三通阀组(14)再通过管道连接于集热联箱(15)、混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混合侧进口，形成集热回路；混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混水侧出口通过管道连接于混水循环泵(13)、混水三通阀组(14)，混水三通阀组(14)再通过管道连接于供水四通阀组(11)，而回水四通阀组(12)通过管道连接于混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混合侧进口，形成供热回路；供水四通阀组(11)通过管道连接于风机盘管(17)系统、回水四通阀组(12)，形成采暖、空调冷/热水回路；供水四通阀组(11)通过管道连接于厚1.2mm不锈钢板制成的直径300mm、长800mm热水器(18)系统中直径10mm的不锈钢热水盘管(19)、回水四通阀组(12)，形成加热供水回路；体积201的定压、膨胀罐(20)的直径15mm定压管成2路分别连接于集热联箱(15)的出口和冷/热水循环泵(10)的入口。混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)内的循环水(21)中，同时均匀布置着流通R22的蒸发/冷凝管(2)、400根直径32mm填充熔点30℃石蜡的不锈钢相变蓄热直管(22)、电加热管(23)。集热联箱(15)所集太阳辐射热量由110根平行相间、长2000mm、直径100mm的热管真空管型太阳能集热管(24)提供，太阳能集热管(24)由壁厚2.5mm高硼硅玻璃管封接，维持10-3Pa压力，其中玻璃透光率0.87，内部采用铜制热管外裹宽92mm、长1950mm的铝制吸光翼片，翼片选择性吸光表面的太阳光吸收率0.92、红外发射率0.8，热管伸出太阳能集热管(24)封口端的12mm接头通过导热胶插入集热联箱(15)的传热铝块插孔内。1个节流阀(27)与1个逆止阀(28)反向并联，组成单向节流阀组；2组单向节流阀组再按同型阀门反向串联，2组中间还串联1个干燥过滤器(29)，从而组成双向节流阀组(3)。空气蒸发/冷凝器(5)的空气侧由电动机(25)驱动低噪音轴流风机(26)。本发明实施例在日平均太阳全射辐射强度700W/m2、日照时间8小时、日平均环境气温-10℃的气象条件下，循环供水(21)温度55℃时，可实现采暖、热水的制热功率18.0kW，供热系数4.0，总输入电功率4.5kW，距离机组1m处运行噪音60dB，运行重量200kg。本发明实施例在日平均太阳全射辐射强度700W/m2、日照时间8小时、日平均环境气温35℃的气象条件下，循环供水(21)温度55℃时，可实现空调制冷功率13.5kW，热水供热功率4.8kW，制冷系数COP3.0，总输入电功率4.5kW。
Claims (7)
1、一种由压缩机、制冷剂-水蒸发/冷凝器、制冷剂-空气蒸发/冷凝器、节流阀、四通换向阀、风机盘管等组成的空气-水热泵系统，其特征是：本采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵系统中，混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中蒸发/冷凝管(2)的进/出口分别通过双向节流阀组(3)和2个流量调节阀(4)形成太阳侧支路，然后与空气蒸发/冷凝器(5)的进/出口分别通过双向节流阀组(3)和2个流量调节阀(4)形成的空气侧支路并联，并联通路的一端再通过管道顺次连接循环水蒸发/冷凝器(6)的制冷剂侧、四通换向阀(7)、压缩机组(8)、气液分离器(9)，最后再与该并联通路的另一端相联，形成太阳、空气、电热复合热泵系统回路；循环水蒸发/冷凝器(6)循环水侧的出口通过管道连接于供水四通阀组(11)，而回水四通阀组(12)通过管道连接于冷/热水循环泵(10)、循环水蒸发/冷凝器(6)循环水侧的进口，形成复合热泵系统供冷/热水回路；混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混水侧出口通过管道连接于混水循环泵(13)、混水三通阀组(14)，混水三通阀组(14)再通过管道连接于集热联箱(15)、混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混合侧进口，形成集热回路；混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混水侧出口通过管道连接于混水循环泵(13)、混水三通阀组(14)，混水三通阀组(14)再通过管道连接于供水四通阀组(11)，而回水四通阀组(12)通过管道连接于混合三通阀组(16)、混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)的混合侧进口，形成供热回路；供水四通阀组(11)通过管道连接于风机盘管(17)系统、回水四通阀组(12)，形成采暖、空调冷/热水回路；供水四通阀组(11)通过管道连接于热水器(18)系统中的热水盘管(19)、回水四通阀组(12)，形成加热水回路；定压、膨胀罐(20)的定压管成2路分别连接于集热联箱(15)的出口和冷/热水循环泵(10)的入口。
2、按照权利要求1、所述的太阳空气电热复合热泵系统，其特征在于：混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)内的循环水(21)中，同时均匀布置着流通制冷剂的蒸发/冷凝管(2)、填充相变工质的相变蓄热管(22)、电加热管(23)；其中蒸发/冷凝管(2)和相变蓄热管(22)可以是直管，也可是螺旋盘管；相变工质为相变温度6-66℃的结晶水合盐、石蜡、酯酸。
3、按照权利要求1、所述的太阳空气电热复合热泵系统，其特征在于：集热联箱(15)所集太阳辐射由1-10000根平行相间的热管真空管型或全玻璃真空管型太阳能集热管(24)实现。
4、按照权利要求1、所述的太阳空气电热复合热泵系统，其特征在于：空气蒸发/冷凝器(5)的空气侧由电动机(25)驱动风机(26)。
5、按照权利要求1、所述的太阳空气电热复合热泵系统，其特征在于：1个节流阀(27)与1个逆止阀(28)反向并联，组成单向节流阀组；2组单向节流阀组再同类型阀门反向串联，2组中间还串联1个干燥过滤器(29)，从而组成双向节流阀组(3)。
6、按照权利要求1、所述的太阳空气电热复合热泵系统，其特征在于：混热、蓄热、蒸发/冷凝器(1)中的电加热管(23)可省去。
7、按照权利要求1、所述的太阳空气电热复合热泵系统，其特征在于：由热水器(18)中的热水盘管(19)组成的加热供水回路可省去。
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