CN205373138U - 太阳能及热泵复合温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统涉及一种用于实现随时具有集热和制冷双重功能的温度控制系统。其目的是为了提供一种具有实时集热和制冷双功能、能够进行模块化组装、耗能和使用成本低、使用方便的太阳能及热泵复合温度控制系统。本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统包括用于集热和制冷的太阳能系统、用于存储热能和冷能的储能系统和用于集热和制冷的热泵系统，太阳能系统包括多个串联的具有集热和制冷双功能的太阳能集热器和循环泵，太阳能集热器的换热工质出口还与储能系统中的储热模块相连，换热工质入口还与储能系统中的储冷模块相连，热泵系统包括储液过滤模块、第二空气换热器、压缩机和阀组。

Description

太阳能及热泵复合温度控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种温度控制系统，特别是涉及一种用于实现随时具有集热和制冷双重功能的太阳能及热泵复合温度控制系统。

背景技术

目前，以全玻璃真空太阳集热管为集热元件的太阳能集热器和系统主要用于太阳能集热，技术较为成熟，广泛应用于低温太阳能热利用产品方面，形成年产值近千亿的市场规模。但采用同一支太阳能管，或太阳能集热器，充分利用太阳能，实现集热和制冷双功能的技术和产品研究还很少。现有的通过一支太阳能管来实现集热和制冷双功能的设计，或者结构过于复杂，批量加工难度大，或者成本高昂而无法满足市场化需求。而且现有的太阳能集热器多为单独使用，没有储能系统，使用时具有一定的局限性，没有形成模块化产品，更没有形成系统的产业化应用。单独采用热泵系统可以实现制冷和制热功能，但一般系统仅限于单独制冷或单独制热功能，且能耗较大，无法充分利用低谷电价实现低成本运行。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有实时集热和制冷双功能、能够进行模块化组装、耗能和使用成本低、使用方便的太阳能及热泵复合温度控制系统。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，包括用于集热和制冷的太阳能系统、用于存储热能和冷能的储能系统和用于集热和制冷的热泵系统，所述太阳能系统包括多个串联的具有集热和制冷双功能的太阳能集热器，串联后的太阳能集热器具有一个换热工质入口和一个换热工质出口，所述换热工质出口与循环泵入口相连，循环泵出口与换热工质入口相连，所述换热工质出口还与储能系统中的储热模块相连，所述储热模块包括第一换热盘管、第二换热盘管和储热材料，所述第一换热盘管的入口和出口分别连接换热工质出口和循环泵的入口，第一换热盘管的出口与循环泵的入口之间安装有第四阀门，所述换热工质入口还与储能系统中的储冷模块相连，所述储冷模块包括第一换冷盘管、第二换冷盘管和储冷材料，所述第一换冷盘管的入口和出口分别连接循环泵的出口和换热工质入口，第一换热盘管的入口与循环泵的出口之间安装有第六阀门，所述第二换热盘管和第二换冷盘管连接在热泵系统中，所述热泵系统包括储液过滤模块，所述储液过滤模块的入口和出口分别与第二换冷盘管的出口和第二换热盘管的入口相连，且储液过滤模块的出口与第二换热盘管的入口之间安装有第九阀门，储液过滤模块的入口与第二换冷盘管的出口之间安装有第八阀门，第二换冷盘管的出口还与第二空气换热器的入口相连，第二换冷盘管的出口与第二空气换热器的入口之间安装有第十阀门，第二空气换热器的出口和所述第二换热盘管的出口均与压缩机的入口相连，第二空气换热器的出口与压缩机的入口之间安装有第十二阀门，压缩机的出口与第二换冷盘管的入口相连，所述第二空气换热器的出口还与储液过滤模块的入口相连，第二空气换热器的出口与储液过滤模块的入口之间安装有第十三阀门，所述储液过滤模块的出口还与第二空气换热器的入口相连，储液过滤模块的出口与第二空气换热器的入口之间安装有第十一阀门。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，其中所述换热工质出口与循环泵入口之间安装有第一阀门，循环泵出口与换热工质入口之间安装有第三阀门，循环泵的出口与第三阀门之间安装有第一空气换热器，所述第一空气换热器的入口与循环泵的出口之间安装有第二阀门，第一空气换热器的出口与循环泵的出口两端并联安装有第五阀门。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，其中所述储液过滤模块包括储液罐和过滤器，所述储液罐的出口与过滤器的入口相连，过滤器的出口还连接有第七阀门，其中储液罐的入口作为储液过滤模块的入口，第七阀门的出口作为储液过滤模块的出口。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，其中所述太阳能集热器包括管架，管架上方放置有联箱，联箱包括外壳和内胆，所述内胆中填充有换热工质，内胆左右两侧分别设置有换热工质进口和换热工质出口，所述管架上水平排列有多个太阳能管，所述太阳能管包括内管和套装在内管外侧的罩玻璃管，内管上方设置有冷凝管，其中冷凝管与内管之间形成内真空腔体，内管与罩玻璃管之间形成外真空腔体，内真空腔体内壁上固定有水平设置的环形隔板，所述环形隔板固定在内真空腔体的上部，环形隔板上安装有阻流管，所述阻流管的中轴线与内管的中轴线平行，内真空腔体底部设置有集热工质，内管外表面涂覆有选择性吸收涂层，所述太阳能管上部的冷凝管伸入到联箱的内胆中。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，其中所述热泵系统的各条管路中填充有循环工质，所述循环工质选用R134a、水、防冻液、氟利昂或导热油。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，其中所述储热模块还包括供热盘管，所述供热盘管连接有供热接口。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，其中所述储冷模块还包括供冷盘管，所述供冷盘管连接有供冷接口。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，其中所述储冷材料选用水或相变石蜡。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统，其中所述储热材料选用水、油、防冻液、相变石蜡或熔盐。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统与现有技术不同之处在于本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统具有集热和制冷的双功能，通过太阳能系统和热泵系统两部分结构，实时调节储能系统中的储热模块和储冷模块的温度，保证储能系统始终处于设定温度。本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统中的太阳能系统采用具有集热和制冷双功能的太阳能管，在充分利用太阳能的前提下，当没有足够阳光时也可以具有良好的制冷作用。太阳能系统的热量和冷量分别通过系统管路传送到储热模块和储冷模块。当太阳能系统无法满足储能系统的温度要求时，采取具有集热和制冷双功能的热泵系统进行集热和制冷。本实用新型中的热泵系统通过阀组和管路的设计，简单高效的实现了对储热模块和储冷模块的单独控制和统一控制。当储热模块和储冷模块均未到达设定温度时，热泵系统可以直接让储冷模块中多余的热量向储热模块输送，当储热模块和储冷模块中有一个达到设定温度后，热泵系统可以改变阀门的通断，启动第二空气换热器，单独调节未达到设定温度的模块，直到储热模块和储冷模块均达到设定温度。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统采取同时具有集热和制冷双功能的太阳能系统和热泵系统，分别对储能系统进行热量和冷量的实时补充和调节，使用十分方便，且优先使用太阳能系统，减少能源的消耗，同时在储热模块和储冷模块均未到达设定温度时，热泵系统可以让储热模块和储冷模块中多余的能量优先利用，无须始终依靠两个空气换热器进行调节，可以有效减少能耗和使用成本。

本实用新型充分利用了太阳能的制冷和制热双功能特征，最大化的利用了太阳能能源。最大化的优化了热泵的制冷和制热功能，从而使热泵系统的COP值达到最大化。通过储冷模块和储热模块的设定，使系统能充分利用低谷电价实现制冷和制热，并实现实时供冷和供热。上述系统设计可广泛用于民用、工业应用中的复合制冷、制热需求，尤其是对于家用、宾馆、农业等集中用热、用冷的地方，系统尤其适合实现跨季节蓄冷和蓄热使用。

下面结合附图对本实用新型的太阳能及热泵复合温度控制系统作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统中太阳能集热器的结构示意图；

图2为本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统中太阳能管的结构示意图；

图3为本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统的系统原理图。

具体实施方式

如图3所示，本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统包括太阳能系统、储能系统和热泵系统。太阳能系统包括三个串联的太阳能集热器21，如图1所示，太阳能集热器21包括管架1，包括管架1上方放置有联箱6，联箱6长宽比为5:1～20:1，联箱6包括外壳和内胆7，外壳和内胆7之间为保温层5。内胆7中设置有温度传感器8，用于实时检测内胆7中的温度，内胆7中还填充有换热工质，换热工质为水或乙二醇水溶液。内胆7左右两侧分别设置有换热工质进口4和换热工质出口9。管架1上水平排列有多个太阳能管2。如图2所示，太阳能管2的上部通过联箱6底部的通孔伸入到联箱6的内胆7中，太阳能管2和联箱6的内胆7的接触面下方设置有密封圈3，太阳能管2和联箱6外壳的接触面下方设置有挡风圈10。如图2所示，太阳能管2包括内管16和套装在内管16外侧的罩玻璃管17，内管16上方设置有冷凝管13，内管16和冷凝管13可选用玻璃，如高硼硅玻璃，或者金属材料，如铜或不锈钢，其中冷凝管13位于联箱6的内胆7中。冷凝管13、内管16和罩玻璃管17的接口处密封形成环封口，其中冷凝管13与内管16之间形成内真空腔体11，内真空腔体11内压强小于5.0x10^-3Pa，内管16与罩玻璃管17之间形成外真空腔体12。内真空腔体11内壁上采用熔封、粘接或机械连接方式固定有水平设置的环形隔板15。环形隔板15固定在内真空腔体11的上部，环形隔板15与内真空腔体11的连接处位于环封口的上方或下方，且距环封口的距离不大于400mm，便于安装。环形隔板15上安装有竖直方向设置的阻流管14，阻流管14的中轴线与内管16的中轴线平行，阻流管14上下两端距离环形隔板15的距离差不大于阻流管14长度的3/4，距离差过大容易影响阻流管14安装的稳定性，进而影响阻流效果。内管16外表面涂覆有选择性吸收涂层(未画出)，选择性吸收涂层选用AL-N/AL涂层或SS-ALN/cu涂层。内真空腔体11底部设置有集热工质18，集热工质18选用质量比为0.1:1.0～1.0:0.1的溴化锂-水混合溶液，也可选用固液混合物，如质量比为0.5:2～2:0.5的沸石-水混合物。集热工质18的体积与内真空腔体11的体积比为0.01～0.5：1。外真空腔体12内设置有支架19，支架19用于保持内管16始终处于竖直方向，支架19上还放置有吸气剂20。设备使用一段时间后，外真空腔体12内的真空度将会下降，吸气剂20可以持续性地吸附外真空腔体12内的气体，保证外真空腔体12内的真空度不变。

如图3所示，本实施例中的三个太阳能集热器21串联后具有一个换热工质入口和一个换热工质出口。换热工质出口连接循环泵26的入口，换热工质出口与循环泵26的入口之间安装有第一阀门27。循环泵26的出口连接第一空气换热器24的入口，循环泵26的出口与第一空气换热器24的入口之间安装有第二阀门25。第一空气换热器24的进出口两端并联安装有第五阀门28，第一空气换热器24的出口还连接换热工质入口，第一空气换热器24的出口与换热工质入口之间安装有第三阀门22。

储能系统包括储热模块31和储冷模块51。储热模块31具有第一换热盘管30和第二换热盘管34。第一换热盘管30连接在换热工质出口和循环泵26的入口之间，且第一换热盘管30与循环泵26之间安装有第四阀门29。第一换热盘管30和第二换热盘管34为储热模块31内部的储热材料33换热，储热材料33选用水，也可为油、防冻液、相变石蜡或熔盐，储热材料33通过供热盘管32和供热接口35向外部供热。储冷模块51具有第一换冷盘管52和第二换冷盘管48。第一换冷盘管52连接在换热工质入口和第一空气换热器24的出口之间，且第一换冷盘管52与第一空气换热器24之间安装有第六阀门23。第一换冷盘管52和第二换冷盘管48为储冷模块51内部的储冷材料49换冷，储冷材料49选用水，也可为相变石蜡，储冷材料49通过供冷盘管50和供冷接口47向外部供冷。

热泵系统包括压缩机41、第二空气换热器42、储液过滤模块和用于控制管路通断的阀组，其中储液过滤模块包括依次连接的储液罐40、过滤器38和第七阀门37，储液罐40的入口作为储液过滤模块的入口，第七阀门37的出口作为储液过滤模块的出口。热泵系统管路中的循环工质选用R134a，也可选用水、防冻液、氟利昂或导热油。压缩机41的出口连接储冷模块51中第二换冷盘管48的入口，第二换冷盘管48的出口同时连接储液过滤模块的入口和第二空气换热器42的入口。第二换冷盘管48与储液过滤模块之间安装有第八阀门46，第二换冷盘管48与第二空气换热器42的入口之间安装有第十阀门44。储液过滤模块的出口连接储热模块31中第二换热盘管34的入口，储液过滤模块的出口与第二换热盘管34的入口之间安装有第九阀门36。第二换热盘管34的出口和第二空气换热器42的出口均与压缩机41的入口相连。第二空气换热器42的出口与压缩机41的入口之间安装有第十二阀门39。第二空气换热器42的出口还与储液过滤模块的入口连接，第二空气换热器42的出口与储液过滤模块的入口之间安装有第十三阀门45。储液过滤模块的出口还与第二空气换热器42的入口连接，储液过滤模块的出口与第二空气换热器42的入口之间安装有第十一阀门43。

本实用新型太阳能及热泵复合温度控制系统的工作原理为：一般情况下，系统优先启动太阳能系统，当有太阳辐照时，利用太阳能集热器21的集热功能给储能系统中的储热模块31加热，当没有太阳辐照时，利用太阳能集热器21的制冷功能给储能系统中的储冷模块51降温，当太阳能系统不能满足使用要求时，启用热泵系统，为未到达使用温度的储热模块31或储冷模块51提供热量或冷量。具体过程如下：当白天太阳辐照较好时，太阳能集热器21获取太阳能，太阳照射到太阳能管2中内管16外侧的选择性吸收涂层上时，内管16上的选择性吸收涂层将太阳能转化为热能，并将太阳能管2内的集热工质18加热，集热工质18内的水气化为蒸汽向上流动，经过阻流管14进入冷凝管13。此时换热工质进口4进入换热工质，将冷凝管13上的热量换走，实现太阳能集热器21的集热功能，同时降低冷凝管13内的温度。冷凝管13内的水蒸气遇冷冷凝成水，留存在冷凝管13内。由此，太阳能管2不断的吸收太阳能，并持续换热给换热工质，实现太阳能集热器21的持续集热。当太阳能集热器21温度达到设定温度时，开启循环泵26、第三阀门22、第四阀门29和第五阀门28，关闭第一阀门27、第二阀门25和第六阀门23。通过第一换热盘管30将储热模块31中的储热材料33加热。当储热材料33加热到设定温度后，关闭循环泵26、第三阀门22、第四阀门29和第五阀门28，完成太阳能集热功能。当晚上无太阳辐照时，太阳能集热器21利用太阳能管制冷特性，启动制冷功能。此时内管16因热容较低，对空辐射热损较大而温度降低。内管16内低含水的集热工质18，体现出低温吸附水蒸气的特性，使管内的水蒸气量降低。冷凝管13内存留的冷凝水不断蒸发，并被内管16底部的低含水的集热工质18吸附。冷凝水蒸发时吸收大量的热量，致使冷凝管13内温度降低，不断吸收换热工质的热量，实现太阳能集热器21的持续制冷。当太阳能集热器21温度达到设定温度时，开启循环泵26、第一阀门27、第五阀门28和第六阀门23，关闭第二阀门25、第三阀门22和第四阀门29。通过第一换冷盘管52将储冷模块51中的储冷材料49制冷。当储冷材料49制冷到设定温度后，关闭循环泵26、第一阀门27、第五阀门28和第六阀门23，完成太阳能制冷功能。

太阳能系统通过白天和夜晚的交替工作，实现太阳能集热、储热和制冷、储冷的功能。但由于制冷量和制热量是基本相等的，而用冷或用热量是不等的，因此，当用冷或用热失去平衡时，可造成太阳能系统失效。此时需要启动太阳能系统中的第一空气换热器24。当太阳能集热器21出现过热或过冷时，开启循环泵26、第一阀门27、第二阀门25、第一空气换热器24和第三阀门22，将太阳能集热器21中过热的热量或过冷的冷量传输到空气中，直至太阳能集热器21达到设定温度。

由于太阳能的不稳定性，当由太阳能获取的热量或冷量不足以满足使用要求时，则需要启动热泵系统。当储冷模块51和储热模块31均未达到设定温度时，启动热泵系统。开启压缩机41、第八阀门46、储液罐40、过滤器38、第七阀门37和第九阀门36，关闭阀组中其他阀门。热泵系统经第二换冷盘管48从储冷模块51获取热量，经过换热盘管提供给储热模块31，实现储冷模块51制冷，同时储热模块31制热。直至储热模块31或储冷模块51达到设定温度。当储热模块31未达到设定温度，而储冷模块51达到设定温度时，热泵系统切换到空气换热模式。开启压缩机41、第十阀门44、第二空气换热器42、第十三阀门45、储液罐40、过滤器38和第七阀门37，关闭阀组中其它阀门，热泵系统从空气中获取热量，实现持续对储热模块31供热，直至储热模块31达到设定温度。此时储冷模块51处于低温状态，流经储冷模块51中第二换冷盘管48的介质无法从储冷模块51中提取热量，因此不会对储冷模块51内的温度产生影响。当储冷模块51未达到设定温度，而储热模块31达到设定温度时，热泵系统也将切换到空气换热模式。开启压缩机41、第八阀门46、储液罐40、过滤器38、第七阀门37、滴十一阀门、第二空气换热器42和第十二阀门39，关闭阀组中其它阀门，热泵系统从空气中获取冷量，实现持续对储冷模块51供冷，直至达到储冷模块51达到设定温度。

当外部环境需要供冷时，可通过储冷模块51中的供冷盘管50从储冷材料49中获取冷量，连接供冷接口47实现供冷功能。当外部环境需要供热时，可通过储热模块31中的供热盘管32从储热材料33中获取热量，连接供热接口35实现供热功能。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：包括用于集热和制冷的太阳能系统、用于存储热能和冷能的储能系统和用于集热和制冷的热泵系统，所述太阳能系统包括多个串联的具有集热和制冷双功能的太阳能集热器(21)，串联后的太阳能集热器(21)具有一个换热工质入口和一个换热工质出口，所述换热工质出口与循环泵(26)入口相连，循环泵(26)出口与换热工质入口相连，所述换热工质出口还与储能系统中的储热模块(31)相连，所述储热模块(31)包括第一换热盘管(30)、第二换热盘管(34)和储热材料(33)，所述第一换热盘管(30)的入口和出口分别连接换热工质出口和循环泵(26)的入口，第一换热盘管(30)的出口与循环泵(26)的入口之间安装有第四阀门(29)，所述换热工质入口还与储能系统中的储冷模块(51)相连，所述储冷模块(51)包括第一换冷盘管(52)、第二换冷盘管(48)和储冷材料(49)，所述第一换冷盘管(52)的入口和出口分别连接循环泵(26)的出口和换热工质入口，第一换热盘管(30)的入口与循环泵(26)的出口之间安装有第六阀门(23)，所述第二换热盘管(34)和第二换冷盘管(48)连接在热泵系统中，所述热泵系统包括储液过滤模块，所述储液过滤模块的入口和出口分别与第二换冷盘管(48)的出口和第二换热盘管(34)的入口相连，且储液过滤模块的出口与第二换热盘管(34)的入口之间安装有第九阀门(36)，储液过滤模块的入口与第二换冷盘管(48)的出口之间安装有第八阀门(46)，第二换冷盘管(48)的出口还与第二空气换热器(42)的入口相连，第二换冷盘管(48)的出口与第二空气换热器(42)的入口之间安装有第十阀门(44)，第二空气换热器(42)的出口和所述第二换热盘管(34)的出口均与压缩机(41)的入口相连，第二空气换热器(42)的出口与压缩机(41)的入口之间安装有第十二阀门(39)，压缩机(41)的出口与第二换冷盘管(48)的入口相连，所述第二空气换热器(42)的出口还与储液过滤模块的入口相连，第二空气换热器(42)的出口与储液过滤模块的入口之间安装有第十三阀门(45)，所述储液过滤模块的出口还与第二空气换热器(42)的入口相连，储液过滤模块的出口与第二空气换热器(42)的入口之间安装有第十一阀门(43)。

2.根据权利要求1所述的太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：所述换热工质出口与循环泵(26)入口之间安装有第一阀门(27)，循环泵(26)出口与换热工质入口之间安装有第三阀门(22)，循环泵(26)的出口与第三阀门(22)之间安装有第一空气换热器(24)，所述第一空气换热器(24)的入口与循环泵(26)的出口之间安装有第二阀门(25)，第一空气换热器(24)的出口与循环泵(26)的出口两端并联安装有第五阀门(28)。

3.根据权利要求1所述的太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：所述储液过滤模块包括储液罐(40)和过滤器(38)，所述储液罐(40)的出口与过滤器(38)的入口相连，过滤器(38)的出口还连接有第七阀门(37)，其中储液罐(40)的入口作为储液过滤模块的入口，第七阀门(37)的出口作为储液过滤模块的出口。

4.根据权利要求1所述的太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：所述太阳能集热器(21)包括管架(1)，管架(1)上方放置有联箱(6)，联箱(6)包括外壳和内胆(7)，所述内胆(7)中填充有换热工质，内胆(7)左右两侧分别设置有换热工质进口(4)和换热工质出口(9)，所述管架(1)上水平排列有多个太阳能管(2)，所述太阳能管(2)包括内管(16)和套装在内管(16)外侧的罩玻璃管(17)，内管(16)上方设置有冷凝管(13)，其中冷凝管(13)与内管(16)之间形成内真空腔体(11)，内管(16)与罩玻璃管(17)之间形成外真空腔体(12)，内真空腔体(11)内壁上固定有水平设置的环形隔板(15)，所述环形隔板(15)固定在内真空腔体(11)的上部，环形隔板(15)上安装有阻流管(14)，所述阻流管(14)的中轴线与内管(16)的中轴线平行，内真空腔体(11)底部设置有集热工质(18)，内管(16)外表面涂覆有选择性吸收涂层，所述太阳能管(2)上部的冷凝管(13)伸入到联箱(6)的内胆(7)中。

5.根据权利要求1所述的太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：所述热泵系统的各条管路中填充有循环工质，所述循环工质选用R134a、水、防冻液、氟利昂或导热油。

6.根据权利要求1所述的太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：所述储热模块(31)还包括供热盘管(32)，所述供热盘管(32)连接有供热接口(35)。

7.根据权利要求1所述的太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：所述储冷模块(51)还包括供冷盘管(50)，所述供冷盘管(50)连接有供冷接口(47)。

8.根据权利要求1所述的太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：所述储冷材料(49)选用水或相变石蜡。

9.根据权利要求1所述的太阳能及热泵复合温度控制系统，其特征在于：所述储热材料(33)选用水、油、防冻液、相变石蜡或熔盐。