CN1389688A - 太阳能热水风冷热泵机组 - Google Patents

Abstract

太阳能热水风冷热泵机组属于太阳能应用领域。本发明主要包括:太阳能热水循环回路、太阳能加热空气循环回路、风冷热泵制冷供热循环回路和煤气或燃气热水补充支路,太阳能热水循环回路通过分流三通阀、合流三通阀与太阳能加热空气循环回路并联连接,风冷热泵制冷供热循环回路本身形成独立封闭的循环回路,煤气或燃气热水补充支路与太阳能热水循环回路通过生活热水箱的进水管连接。本发明能够利用太阳能的能量加热流过室外换热器的空气,防止风冷热泵的室外换热器结霜,同时风冷热泵能够降低集热器表面温度,提高集热效率,提升低品位太阳能向房间供热,由太阳能、空气中的热能及可选择的燃气能量实现空调、供热、生活热水的综合利用。

Description

太阳能热水风冷热泵机组

技术领域：本发明涉及的是一种风冷热泵机组，特别是一种太阳能热水风冷热泵机组，属于太阳能应用领域。

背景技术：风冷热泵系统在世界范围内已得到了广泛的应用，它在夏季利用室外空气制冷，冬季利用室外空气向房间供热。但是由于冬季室外空气温度随地域气候差异变化很大，导致空气源(风冷)热泵在使用过程中存在以下问题：

1、在东北、华北等较冷的地区，冬季室外空气温度很低。随着室外空气温度的下降，风冷热泵机组的COP值将明显下降，当室外温度降至一定限度时(通常为-5～-10℃，少数设备可达-15℃)，机组将难以启动，无法正常使用。

2、即使冬季室外气温在-5℃～0℃，热泵可以启动，但由于此时室外换热器盘管表面温度在0℃以下，当空气吹过换热器表面，会使空气中水蒸气在盘管表面凝露结霜。换热器表面霜层厚度增加，不仅增大管壁附加热阻(霜层热阻约是钢管热阻的90～450倍，视霜层厚度而不同)减小换热器的传热系数，恶化传热降低效率，而且使盘管的空气流道变窄，妨碍对流，增加空气流动阻力，造成风机功率增加。

3、在结霜情况下，风冷热泵机组一般采用电加热融霜或逆循环进行融霜，这两种融霜方法前者耗电量大，后者融霜时风冷热泵不仅不向室内供热，相反还从室内提取融霜热量，造成6～12％的供热量损失。

为了减少风冷热泵机组室外换热器结霜对机组性能的影响，技术上目前都是在研究采用什么除霜方式以及如何优化除霜控制方法使风冷热泵机组在低温条件下稳定可靠的运行。经文献检索发现，黄虎等人在《建筑热能通风空调》2000年第1期，撰文“提高风冷热泵冷热水机组结霜工况下性能的途径”，该文提出了通过改进室外风侧换热器的翅片间距、翅片型式及换热器的回路数，采用电子膨胀阀反循环进行除霜，提高除霜控制技术来提高风冷热泵在结霜下的性能。检索中还发现，陈汝东等人在《流体机械》1999年第2期，撰文“风冷热泵空调器除霜控制的研究”，该文提出了具有省电效果的除霜点控制方法适时进行除霜以保持风冷热泵高效率运行。但是无论采用什么除霜方式，如何优化除霜控制方式，都是在室外换热器结霜之后通过融霜来提高风冷热泵机组的性能，不能从根本上解决风冷热泵机组的结霜问题。

发明内容：本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种太阳能热水风冷热泵机组，使其综合太阳能集热器和风冷热泵的优势，既能防止风冷热泵的室外换热器结霜，又能够降低集热器表面温度，提高集热效率。本发明主要包括：太阳能热水循环回路、太阳能加热空气循环回路、风冷热泵制冷供热循环回路和煤气或燃气热水补充支路，其连接方式为：太阳能热水循环回路通过分流三通阀、合流三通阀与太阳能加热空气循环回路并联连接，风冷热泵制冷供热循环回路本身形成独立封闭的循环回路，煤气或燃气热水补充支路与太阳能热水循环回路通过生活热水箱的进水管连接，煤气或燃气热水补充支路负责向太阳能热水循环回路补水。

太阳能热水循环回路主要包括：太阳能集热器、循环泵、分流三通阀、合流三通阀、生活热水箱换热器、生活热水箱，太阳能集热器的热水出口与分流三通阀的入口相接，分流三通阀的一个出口通过管道与生活热水箱中的生活热水箱换热器进口相连，生活热水箱换热器的出口与合流三通阀的一个进口相连，合流三通阀的合流出口与循环泵的吸入管相接，循环泵的压出管与太阳能集热器的入口相连。

太阳能加热空气循环回路主要包括：太阳能集热器、循环泵、分流三通阀、合流三通阀、空气加热器，太阳能集热器热水出口与分流三通阀的入口相接，分流三通阀的另外一个出口与空气加热器的入口相接，空气加热器的出口与合流三通阀的另外一个进口相连，合流三通阀的合流出口与循环泵的吸入管相接，循环泵的压出管与太阳能集热器的入口相连，这样，串联构成太阳能加热空气循环回路。

风冷热泵制冷供热循环回路主要包括：风冷热泵室外冷凝器/蒸发器、供热循环膨胀阀、止回阀(一)和(二)、四通换向阀、压缩机、风冷热泵室内蒸发器/冷凝器、制冷循环膨胀阀，室外冷凝器/蒸发器的制冷剂出口与并联的膨胀阀、止回阀(一)构成的供热循环阀组的一端相连，供热循环阀组的另一端与并联的制冷循环膨胀阀、止回阀(二)构成的制冷循环阀组一端相接，制冷循环阀组的另一端与室内蒸发器/冷凝器的制冷剂入口相连，室内蒸发器/冷凝器的制冷剂出口与四通换向阀的右侧入口相连，四通换向阀的中间出口与压缩机的吸入口相接，压缩机的压出口与四通换向阀的上侧进口相连，四通换向阀的左侧出口与室外冷凝器/蒸发器的制冷剂入口相连，这样，串联构成热泵制冷供热循环回路。

煤气或燃气热水补充支路主要包括：燃气或煤气热水器、自动浮球阀、生活热水箱，自来水供水管道与煤气或燃气热水器的冷水进口相连，煤气或燃气热水器的热水出口通过管道与自动浮球阀一侧连接，自动浮球阀另外一侧与生活热水箱的供水管串联连接，形成煤气或燃气热水补充支路。

室外空气冷凝器/蒸发器的空气侧由室外风机及驱动电机构成，连接方式为：室外风机的旋转叶轮固定在驱动电机伸出的转轴上，驱动电机的转轴作为叶轮的旋转轴，带动室外风机叶轮转动。

室内空气蒸发器/冷凝器的空气侧由室内风机及驱动电机构成，连接方式为：室内风机的旋转叶轮固定在驱动电机伸出的转轴上，驱动电机的转轴作为叶轮的旋转轴，带动室内风机叶轮转动。

太阳能集热器可以采用平板型或全玻璃真空管型或热管真空管型集热器，其工作介质为乙二醇溶液。本发明的工作过程和工作原理具体如下：

1、太阳能热水循环回路供应生活热水方式

当风冷热泵处于制冷模式或在停机的条件下，控制分流三通阀，合流三通阀接通太阳能热水循环回路，关闭太阳能加热空气循环回路。流过太阳能集热器的乙二醇溶液吸收太阳辐射能，经分流三通阀进入生活热水箱中的换热器与箱中的水对流换热降温后，经三通阀由循环泵重新打回太阳能集热器，周而复始加热生活热水箱中的生活用水，形成太阳能供应生活热水方式。

2、太阳能加热空气循环回路加热空气循环方式

当风冷热泵在供热模式下工作，风冷热泵一启动，就控制分流三通阀合流三通关闭太阳能热水循环回路，打开太阳能加热空气循环回路。流过太阳能集热器的乙二醇溶液吸收太阳辐射能温度升高，经过分流三通阀进入空气加热器，加热掠过加热器盘管管外的室外空气，乙二醇溶液温度降低后，经合流三通阀被循环泵重新打回太阳能集热器，如此循环不断加热流进室外机的空气，形成太阳能加热空气方式。

3、风冷热泵制冷/供热循环方式

(1)制冷循环

在夏季，制冷剂在室内蒸发器/冷凝器中吸收室内空气中的热量之后，经过四通换向阀进入压缩机被压缩，接着流入室外冷凝器/蒸发器，制冷剂中热量被室外空气带走。然后制冷剂经止回阀被制冷循环膨胀阀节流，降温减压之后，重新流回室内蒸发器/冷凝器，完成风冷热泵制冷循环。在制冷循环中，风冷热泵吸收室内空气中的热量，释放给室外空气，完成室内的制冷过程。

(2)供热循环

在冬季，制冷剂在室外冷凝器/蒸发器中吸收室外空气的热量，经四通换向阀换向，反向流入压缩机，压缩机压缩制冷剂后，制冷剂流入室内蒸发/冷凝器。在室内蒸发器/冷凝器中制冷剂以对流换热方式把在室外吸收的热量传递给室内空气，然后经供热循环膨胀阀、止回阀减压，重新流回室外冷凝器/蒸发器，完成供热循环。在供热循环中，风冷热泵吸收室外空气和空气加热器中的热量，释放给室内空气，完成室内的供热过程。

4、煤气或燃气加热器供生活热水方式

当冬季风冷热泵供热循环启动后，太阳能集热器系统不再加热生活热水。此时可以利用煤气或燃气加热器加热城市自来水，通过自动浮球阀的自动控制向生活热水箱补充生活热水；在其他情况下，可根据生活热水水温，考虑打开或关闭煤气加热器，通过自动浮球阀的控制队生活热水箱进行补水。

本发明的具有以下功能和效果：

1、夏季利用风冷热泵对室内制冷，利用太阳能制生活热水，冬季太阳能联合风冷热泵对室内进行供热。

2、由于冬季热泵供热循环下，利用太阳能对室外空气进行加热，避免了室外冷凝器/蒸发器的结霜，改善换热状况，提高换热系数，同时减少室外风机功耗，扩大了风冷热泵的适用范围。

3、利用热泵将低品位的太阳能，空气中的热能提升为可供热的高品位热能，提高了风冷热泵的COP指标。

4、通过夏季制取生活热水，冬季加热空气，降低了返回太阳能集热器的乙二醇溶液的温度，进而降低了集热器表面与环境温度的温差，提高了集热器吸收太阳能的效率。

5、采用乙二醇溶液作为太阳能集热系统的工作介质，在冬季系统具有防冻的功能。

6、太阳能热水风冷热泵系统使用的是太阳能、电能清洁能源，对环境无污染。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明综合太阳能集热器、风冷热泵的优势，能够利用太阳能的能量加热流过室外换热器的空气，防止风冷热泵的室外换热器结霜，扩大了风冷热泵适用的地域范围，同时风冷热泵能够降低集热器表面温度，提高集热效率，提升低品位太阳能向房间供热，由太阳能、空气中的热能及可选择的燃气能量实现空调、供热、生活热水的综合利用。

附图说明：图1本发明总体结构示意图

图2本发明组成部分结构示意图

具体实施方式：如图1和图2所示，本发明主要包括：太阳能热水循环回路1、太阳能加热空气循环回路2、风冷热泵制冷供热循环回路3和煤气或燃气热水补充支路4，其连接方式为：太阳能热水循环回路1通过分流三通阀7、合流三通阀8与太阳能加热空气循环回路2并联连接，风冷热泵制冷供热循环回路3本身形成独立封闭的循环回路，煤气或燃气热水补充支路4与太阳能热水循环回路1通过生活热水箱10的进水管连接。

太阳能热水循环回路1主要包括：太阳能集热器5、循环泵6、分流三通阀7、合流三通阀8、生活热水箱换热器9、生活热水箱10，太阳能集热器5的热水出口与分流三通阀7的入口相接，分流三通阀7的一个出口通过管道与生活热水箱10中的生活热水箱换热器9进口相连，生活热水箱换热器9的出口与合流三通阀8的一个进口相连，合流三通阀8的合流出口与循环泵6的吸入管相接，循环泵6的压出管与太阳能集热器5的入口相连。太阳能集热器5可以为平板型或全玻璃真空管型或热管真空管型集热器，其工作介质为乙二醇溶液。

太阳能加热空气循环回路2主要包括：太阳能集热器5、循环泵6、分流三通阀7、合流三通阀8、空气加热器11，太阳能集热器5热水出口与分流三通阀7的入口相接，分流三通阀7的另外一个出口与空气加热器11的入口相接，空气加热器11的出口与合流三通阀8的另外一个进口相连，合流三通阀8的合流出口与循环泵6的吸入管相接，循环泵6的压出管与太阳能集热器5的入口相连。

风冷热泵制冷供热循环回路3主要包括：风冷热泵室外冷凝器/蒸发器12、供热循环膨胀阀13、止回阀14和25、四通换向阀15、压缩机16、风冷热泵室内蒸发器/冷凝器17、制冷循环膨胀阀18，室外冷凝器/蒸发器12的制冷剂出口与并联的膨胀阀13、止回阀14构成的供热循环阀组的一端相连，供热循环阀组的另一端与并联的制冷循环膨胀阀18、止回阀25构成的制冷循环阀组一端相接，制冷循环阀组的另一端与室内蒸发器/冷凝器17的制冷剂入口相连，室内蒸发器/冷凝器17的制冷剂出口与四通换向阀15的右侧入口相连，四通换向阀15的中间出口与压缩机16的吸入口相接，压缩机16的压出口与四通换向阀15的上侧进口相连，四通换向阀15的左侧出口与室外冷凝器/蒸发器12的制冷剂入口相连。

煤气或燃气热水补充支路4主要包括：燃气或煤气热水器19、自动浮球阀20、生活热水箱10，自来水供水管道与燃气或煤气热水器19的冷水进口相连，燃气或煤气热水器19的热水出口通过管道与自动浮球阀20一侧连接，自动浮球阀20另外一侧与生活热水箱10的供水管串联连接。

室外空气冷凝器/蒸发器12的空气侧由室外风机21及驱动电机22构成，连接方式为：室外风机21的旋转叶轮固定在驱动电机22伸出的转轴上，驱动电机22的转轴作为叶轮的旋转轴。

室内空气蒸发器/冷凝器17的空气侧由室内风机23及驱动电机24构成，连接方式为：室内风机23的旋转叶轮固定在驱动电机24伸出的转轴上，驱动电机24的转轴作为叶轮的旋转轴。

Claims (8)

1、一种太阳能热水风冷热泵机组，主要包括：太阳能热水循环回路(1)、太阳能加热空气循环回路(2)、风冷热泵制冷供热循环回路(3)和煤气或燃气热水补充支路(4)，其特征在于连接方式为：太阳能热水循环回路(1)通过分流三通阀(7)、合流三通阀(8)与太阳能加热空气循环回路(2)并联连接，风冷热泵制冷供热循环回路(3)本身形成独立封闭的循环回路，煤气或燃气热水补充支路(4)与太阳能热水循环回路(1)通过生活热水箱(10)的进水管连接。

2、根据权利要求1所述的这种太阳能热水风冷热泵机组，其特征是太阳能热水循环回路(1)主要包括：太阳能集热器(5)、循环泵(6)、分流三通阀(7)、合流三通阀(8)、生活热水箱换热器(9)、生活热水箱(10)，太阳能集热器(5)的热水出口与分流三通阀(7)的入口相接，分流三通阀(7)的一个出口通过管道与生活热水箱(10)中的生活热水箱换热器(9)进口相连，生活热水箱换热器(9)的出口与合流三通阀(8)的一个进口相连，合流三通阀(8)的合流出口与循环泵(6)的吸入管相接，循环泵(6)的压出管与太阳能集热器(5)的入口相连。

3、根据权利要求2所述的这种太阳能热水风冷热泵机组，其特征是太阳能集热器(5)可以为平板型或全玻璃真空管型或热管真空管型集热器，其工作介质为乙二醇溶液。

4、根据权利要求1所述的这种太阳能热水风冷热泵机组，其特征是太阳能加热空气循环回路(2)主要包括：太阳能集热器(5)、循环泵(6)、分流三通阀(7)、合流三通阀(8)、空气加热器(11)，太阳能集热器(5)热水出口与分流三通阀(7)的入口相接，分流三通阀(7)的另外一个出口与空气加热器(11)的入口相接，空气加热器(11)的出口与合流三通阀(8)的另外一个进口相连，合流三通阀(8)的合流出口与循环泵(6)的吸入管相接，循环泵(6)的压出管与太阳能集热器(5)的入口相连。

5、根据权利要求1所述的这种太阳能热水风冷热泵机组，其特征是风冷热泵制冷供热循环回路(3)主要包括：风冷热泵室外冷凝器/蒸发器(12)、供热循环膨胀阀(13)、止回阀(14)和(25)、四通换向阀(15)、压缩机(16)、风冷热泵室内蒸发器/冷凝器(17)、制冷循环膨胀阀(18)，室外冷凝器/蒸发器(12)的制冷剂出口与并联的膨胀阀(13)、止回阀(14)构成的供热循环阀组的一端相连，供热循环阀组的另一端与并联的制冷循环膨胀阀(18)、止回阀(25)构成的制冷循环阀组一端相接，制冷循环阀组的另一端与室内蒸发器/冷凝器(17)的制冷剂入口相连，室内蒸发器/冷凝器(17)的制冷剂出口与四通换向阀(15)的右侧入口相连，四通换向阀(15)的中间出口与压缩机(16)的吸入口相接，压缩机(16)的压出口与四通换向阀(15)的上侧进口相连，四通换向阀(15)的左侧出口与室外冷凝器/蒸发器(12)的制冷剂入口相连。

6、根据权利要求5所述的这种太阳能热水风冷热泵机组，其特征是室外空气冷凝器/蒸发器(12)的空气侧由室外风机(21)及驱动电机(22)构成，连接方式为：室外风机(21)的旋转叶轮固定在驱动电机(22)伸出的转轴上，驱动电机(22)的转轴作为叶轮的旋转轴。

7、根据权利要求5所述的这种太阳能热水风冷热泵机组，其特征是室内空气蒸发器/冷凝器(17)的空气侧由室内风机(23)及驱动电机(24)构成，连接方式为：室内风机(23)的旋转叶轮固定在驱动电机(24)伸出的转轴上，驱动电机(24)的转轴作为叶轮的旋转轴。

8、根据权利要求1所述的这种太阳能热水风冷热泵机组，其特征是煤气或燃气热水补充支路(4)主要包括：燃气或煤气热水器(19)、自动浮球阀(20)、生活热水箱(10)，自来水供水管道与燃气或煤气热水器(19)的冷水进口相连，燃气或煤气热水器(19)的热水出口通过管道与自动浮球阀(20)一侧连接，自动浮球阀(20)另外一侧与生活热水箱(10)的供水管串联连接。

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