CN207019164U - 太阳空气混合源热泵恒温供暖系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太阳空气混合源热泵恒温供暖系统，包括集热器、铝排管温度传感器、大气霜点温度传感器、控制器、室温传感器、室温设定值装置、压缩机、冷凝器、节流装置、风机，其特征是：集热器由铝排管构成，集热器做为蒸发器，不设置保温材料和透光盖板，铝排管裸露在大气中直接吸收太阳能和空气热能，铝排管温度传感器、大气霜点温度传感器、室温传感器、室温设定值装置、压缩机、大气温度传感器通过信号线与控制器相联。其优点是：能够同时吸收太阳能与空气热能，低成本、高效率，集热器不凝霜，非常适合北方高寒地区使用。

Description

太阳空气混合源热泵恒温供暖系统

技术领域

本实用新型涉及一种太阳空气混合源热泵恒温供暖系统，属于太阳能和空气热利用技术领域。

背景技术

应对雾霾等环境问题，推进北方地区冬季清洁取暖，加快解决燃煤污染问题是大趋势。

北京：“煤改电”正攻坚》：今年，北京“煤改电”进入攻坚阶段，预计将在采暖季前完成522个村、约20.5万户的改造任务。改造后，北京“煤改电”总户数将达到近80万户，基本实现朝阳、海淀、丰台、石景山、通州、房山、大兴平原地区无煤化。从胡同深处到农家宅院，从二环里的城市核心区到面积广大的京郊农村地区，为打好蓝天保卫战做贡献，近年来每年减少燃煤180万吨。（人民日报 ，2017年04月22日 10 版）

空气源热泵供暖在不凝霜地区是非常有效的，但在北方地区冬季供暖，由于除霜需要消耗大量电能，使得供暖系数COP在1.1左右，有的地区COP甚至低于1，供暖费用比电直接取暖费用还要高，制约了空气源热泵供暖在北方地区冬季供暖的应用。

太阳能平板集热器供暖，平板集热器设置有保温材料和透明盖板，在北方地区冬季供暖的应用仍存在效率低、成本高、居民不能承受的问题。

太阳能全玻璃真空集热器供暖，在北方地区冬季供暖的应用也存在效率低、成本高、居民不能承受的问题。

国内太阳能热泵供暖系统研究已经取得了成绩，公开了1875条这方面的有关专利条目，这些有关专利条目均没有主动控制太阳能集热器不凝霜，这些太阳能热泵供暖系统均存在效率低和成本高的共性问题，这些共性问题也制约了太阳能热泵供暖系统的推广应用。太阳能热泵集热器的效率随着外界温度降低而降低，在低温天气时热泵制热效果无法保证，无法满足北方地区冬季供暖需求。高效率的太阳能热泵供暖系统是很好的降成本方案，集热器效率又是太阳能热泵供暖系统效率的主要制约因数，因此，提高太阳能集热器效率是非常重要的，是当前太阳能热泵供暖技术的发展方向。

空气源热泵蒸发器凝霜后，有些技术采用太阳能集热器除霜，这些系统本质上是空气源热泵，不属于太阳能热泵，太阳能只是做为辅助除霜热源，太阳能热泵热源主要来自于太阳能。

公开了9条无水地暖有关专利条目，空气源热泵无水地暖，冷凝器做为地暖盘管系统，不存在水地暖冷冻故障问题，但仍存在蒸发器凝霜的共性问题。解决蒸发器凝霜问题是十分重要的。

空气是氮气、氧气和一些其他少量气体的混合。大气中通常含有水蒸气或水分。完全不含水蒸气的空气称为干空气。因为，干空气的组元和成分通常是一定的，可以当做一种单一气体，然而，大气中水蒸气含量随着江河湖海、林树草木、庄稼甚至人体的水分蒸发与凝结量变化，因此，可以把大气认为是干空气和水蒸气的混合，大气压为干空气分压与水蒸气分压的和，干空气的存在不影响水蒸气与水凝聚相的相平衡，相平衡温度为水蒸气分压所对应的饱和温度，用干空气和水蒸气的混合来研究与大气接触的物体表面水的蒸发、凝结、升华、凝华是方便的。虽然水蒸气在大气中的含量很小，但是水蒸气分压和其对应的饱和温度以及蒸发器温度对蒸发器凝霜起决定作用，所以它是蒸发器凝霜的重要条件。

在水的p-T三相图中，汽化曲线是液气两相的分界线，溶解曲线是固液两相分界线，升华曲线是固气两相的分界线，三条曲线把水的三相分成三个区域：水区域、冰区域、汽区域，三条曲线有一个共同的交点，即三相点，它对应于一个确定不变的温度、和一个确定不变的压力，它是固、液、汽三相平衡共存的唯一状态。露点在汽化曲线上，霜点在升华曲线上。

蒸发器凝霜是水的固相。大气中的水蒸气分压比三相点压强低时，给蒸发器凝霜加热，就能使凝霜直接转变成水蒸气，蒸发器凝霜之固体就发生升华现象，升华热等于溶解热与汽化热之和，因此，升华时要吸收大量热能。这也是空气源热泵除霜的原理，也是空气源热泵除霜需要消耗大量能量的原因。

在凝霜升华情况下，和凝霜平衡的水蒸汽分压即为凝霜表面的饱和蒸汽压，水蒸汽饱和蒸汽压对应的温度是霜点温度，饱和蒸汽压与霜点温度的关系在p-T图上是为升华曲线，升华曲线是凝霜和水蒸汽的分界线，升华曲线上的点是凝霜和水蒸汽两相平衡共存的状态，而且升华曲线的斜率由克拉珀龙方程所决定。

压缩式热泵供暖系统基本部件压缩机、节流装置和冷凝器的技术比较成熟，太阳空气混合源热泵恒温供暖系统直接利用了空调和空气源热泵的基本部件压缩机、节流装置和冷凝器成熟技术。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高效率、低成本，能够同时吸收太阳能与空气热能的混合源热泵恒温供暖系统。

本实用新型提供的技术方案如下：

本实用新型包括集热器、铝排管温度传感器、大气霜点温度传感器、控制器、室温传感器、室温设定值装置、大气温度传感器、压缩机、冷凝器、节流装置、风机，其特征是：集热器由铝排管构成，集热器做为蒸发器，不设置保温材料和透光盖板，铝排管裸露在大气中直接吸收太阳能和空气热能，铝排管温度传感器、大气霜点温度传感器、室温传感器、室温设定值装置、压缩机、大气温度传感器通过信号线与控制器相联。

本实用新型的优点是：能够同时吸收太阳能与空气热能，低成本、高效率，集热器不凝霜，非常适合北方高寒地区使用。

附图说明

图1是太阳空气混合源热泵恒温供暖系统结构示意图。

附图中：1-铝排管构成的集热器；2-铝排管温度传感器；3-大气霜点温度传感器；4-控制器；5-室温传感器；6-室温设定值装置；7-压缩机；8-冷凝器；9-节流装置；10-风机；11-大气温度传感器。

具体实施方式

参照附图1，是太阳空气混合源热泵恒温供暖系统结构示意图，铝排管构成的集热器（下简称集热器或铝排管）1做为蒸发器。集热器1不设置保温材料和透光盖板，铝排管直接裸露在大气中直接吸收太阳能和空气热能。由于本发明的集热器能同时吸收太阳能和空气热能，该集热器在没有阳光时也能单独吸收空气热能，所以由该集热器构成的太阳能与空气热能混合源热泵恒温供暖系统，简称太阳空气混合源热泵恒温供暖系统。

集热器的铝排管吸收太阳能取决于有没有太阳照射到铝排管上。有太阳照射到铝排管上，铝排管吸收太阳能；没有太阳照射到铝排管上，铝排管不吸收太阳能。

集热器的铝排管凝霜与否取决于铝排管温度与大气霜点温度。铝排管温度大于大气霜点温度，铝排管不凝霜；铝排管温度小于大气霜点温度，铝排管将凝霜。控制器4控制铝排管温度大于大气霜点温度，此时铝排管不凝霜，也就是说集热器1不凝霜。

集热器的铝排管吸收空气热能取决于铝排管温度与大气温度。控制器4控制铝排管温度低于大气温度，大气热能将传递给铝排管，也就是说铝排管将吸收空气热能。如果铝排管温度大于大气温度，铝排管热能将传递给大气，也就是说铝排管将放出热能到空气中。

参照附图1，本实用新型的太阳空气混合源热泵恒温供暖系统，由铝排管构成的集热器1、铝排管温度传感器2、大气霜点温度传感器3、控制器4、室温传感器5、室温设定值装置6、压缩机7、冷凝器8、节流装置9、风机10、大气温度传感器11构成，其中：铝排管构成的集热器1为蒸发器，控制器4通过信号线与铝排管温度传感器2、大气霜点温度传感器3、室温传感器5、室温设定值装置6、压缩机7、大气温度传感器相联，控制器4收集铝排管温度传感器2测到的铝排管温度、大气霜点温度传感器3测到的大气霜点温度、室温传感器5测到的室温和室温设定值装置6发出的室温设定值、大气温度传感器11测到的大气温度，经过计算比较后控制压缩机7的启动、停机；当铝排管温度大于大气霜点温度并且室温低于室温设定值时控制器4控制压缩机7启动，太阳空气混合源热泵恒温供暖系统运行；当铝排管温度小于等于大气霜点温度或者室温大于等于室温设定值时控制器4控制压缩机7停机，太阳空气混合源热泵恒温供暖系统不供热。

热泵可以工频运行也可以变频运行。

集热器1不设置透光盖板、集热器温度低于大气温度，集热器1不向大气传热，铝排管吸收太阳能的效率是很高的。集热器1不设置保温材料和透光盖板，铝排管能够同时直接吸收太阳能和空气热能，集热器1 的成本是很低的，也就是太阳空气混合源热泵恒温供暖系统成本很低。

实际上集热器温度自适应能力很强，为了便于分析，先不考虑太阳能的影响，根据热力学第一定律，热泵系统如果能够吸收空气热能，那么集热器温度一定低于大气温度，太阳空气混合源热泵恒温供暖系统显然能够吸收空气热能，因此可以取消大气温度传感器11，进一步简化系统。考虑太阳能的影响，集热器面积越大，吸收的太阳能越多，集热器成本越大，设计集热器是面积最小原则，在最低气温运行时如果集热器温度大于大气温度，说明集热器面积设计的大了，可以减小集热器面积，直到在最低气温运行时集热器温度低于大气温度，因此可以取消大气温度传感器11。

如果热泵系统运行的不精细、或控制的不精细，可以取消大气霜点温度传感器3，后果是集热器凝霜不能受控，集热器凝霜后，可以利用自然风、空气对流增强升华除霜效果，或利用太阳能升华除霜，这必然会影响热泵供热系统的供热系数。

集热器工质液体入口的工质处于饱和状态，因此可以用入口工质压力间接测量入口工质温度，可以估计集热器温度。

本实用新型可以应用于热泵水暖系统、热泵蒸汽锅炉系统、热泵无水地暖系统。

Claims (1)

1.一种太阳空气混合源热泵恒温供暖系统，包括集热器、铝排管温度传感器、大气霜点温度传感器、控制器、室温传感器、室温设定值装置、压缩机、冷凝器、节流装置、风机，其特征是：集热器由铝排管构成，集热器做为蒸发器，不设置保温材料和透光盖板，铝排管裸露在大气中直接吸收太阳能和空气热能，铝排管温度传感器、大气霜点温度传感器、室温传感器、室温设定值装置、压缩机、大气温度传感器通过信号线与控制器相联。