CN216114740U - 一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种热泵技术领域，尤其涉及一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统。本实用新型系统包含热泵子系统和太阳能集热子系统，两系统通过热能增效器相连接。本实用新型依据热泵能效曲线、环境温度、光照强度等优化热泵、太阳能集热子系统联合运行方式，最大限度减少集热器热量损失，把该热量用于提高热泵子系统中蒸发器换热介质温度，从而同时提升太阳能集热子系统、热泵子系统换热效率；采用能量微增率，能够跟随环境温度、日照强度等变化最大限度的吸收热量，同时降低整体太阳能集热子系统电能能耗；不改变热泵子系统结构，简化太阳能集热子系统与热泵子系统结合的复杂度，设计调试灵活。

Description

一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统

技术领域

本实用新型属于一种热泵技术领域，尤其涉及一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统。

背景技术

太阳能利用形式有光电和光热。光热在环境温度较高或光热集热器换热介质温度与环境温度温差较大时COP(能效)较高，若环境温度较低或集热器换热介质温度与环境温度温差较小时，COP急剧降低。

现有太阳能集热器在换热介质温度与环境温度温差较大时COP较低，主要是因为温差大集热器向周围环境散热多，热泵在低温环境COP低与从环境所能汲取热量少，功耗大有关。此外现有太阳能结合热泵技术，仅简单的将太阳能集热板与蒸发器串联，通过热泵将集热器低品味的热变为高品味热予以采集，并未考虑减少集热器散热问题，且通常采用制冷剂换热而使得造价较高，同时也未考虑运行中的能耗。

因此，太阳能低能量密度、低效率等缺点制约其在寒冷地区进一步推广应用。热泵与光热有类似问题。当环境温度较高或热泵蒸发器制冷剂温度与环境温度温差较大时COP(能效)较高，若环境温度较低或温差较小时，COP较低。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本实用新型提供了一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统。其目的是为了实现在不改变热泵子系统结构的前提条件下，简化太阳能集热子系统与热泵子系统结合的复杂度，最大限度减少集热器热量损失的实用新型目的。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，包括热泵子系统和太阳能集热子系统，所述太阳能集热子系统经热能增效器与热泵子系统的蒸发器相连接。

进一步的，所述热能增效器包括余热收集器、空气预热器或集成在热泵子系统、太阳能集热子系统的设备中的热量收集设备。

进一步的，所述蒸发器包含有引风机或循环泵，所述蒸发器为能量增效器。

进一步的，所述太阳能集热子系统为集热发电一体化系统，通过热能增效器，集成在热泵子系统中的蒸发器里，将太阳能集热子系统与热泵子系统相结合。

进一步的，所述热泵子系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器依次通过管路相连接构成；其中压缩机的排气口连接冷凝器的一次侧入口，冷凝器的一次侧出口连接至膨胀阀的入口，膨胀阀的出口与蒸发器的加热室入口相连，蒸发器的蒸发室出口连接到压缩机的吸气口，形成闭环管路；管路中为冷媒。

进一步的，所述冷凝器为套管式换热器。

进一步的，所述太阳能集热子系统包括蓄热水箱、集热器、引风机、第一电控阀、第二电控阀、第三电控阀、第一三通阀、入风口、温控开关、排风口、第二三通阀、第三三通阀、换热器、换热器及第二循环水构成；其中，集热器的出风口连接至引风机的入口，引风机的出口连接到第三三通阀汇流口，第三三通阀一个分流口连接换热器的一次侧风道入口，第三三通阀的另一个分流口连接蒸发器的一次侧风道入口；换热器的一次侧风道出口和蒸发器的一次侧风道出口汇流后连接至第二三通阀汇流端口，第二三通阀的一个分流口连接排风口，第二三通阀的另一个分流口连接温控开关的入口；温控开关的出口连接到第一三通阀汇流口，第一三通阀的一个分流口连接排风口，第一三通阀的另一个分流口连接集热器的入风口，形成换热风道；

其中，第一电控阀、第二电控阀、第三电控阀串联连接，将集热器中的个太阳能集热板风道两两串联后，分别于与第一电控阀、第二电控阀和第二电控阀、第三电控阀并联，依据需要控制电控阀的通断；

第一循环水泵的入口与冷凝器的二次侧入口连接，第一循环水泵的出口与蓄热水箱相连接；冷凝器的二次侧出口与蓄热水箱相连接，形成闭环，用于储热；

第二循环水泵的入口与换热器的二次侧入口连接，第二循环水泵的的出口与蓄热水箱相连接；换热器的二次侧出口与蓄热水箱相连接，形成闭环，用于储热；

第三循环水泵与用户的出口连接，第三循环水泵的出口与蓄热水箱相连，用户的入口与蓄热水箱相连，形成闭环向用户供热。

进一步的，所述换热器为翅片式换热器。

进一步的，所述换热器、冷凝器放置于蓄热水箱内部或者外部换热。

进一步的，所述用户包括暖气或地热。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

本实用新型依据热泵能效曲线、环境温度、光照强度等优化热泵、太阳能集热子系统联合运行，最大限度减少集热器热量损失，把该热量用于提高热泵子系统中蒸发器换热介质温度，从而同时提升太阳能集热子系统、热泵子系统换热效率；采用能量微增率，能够跟随环境温度、日照强度等变化最大限度的吸收热量，同时降低整体太阳能集热子系统电能能耗；不改变热泵子系统结构，简化太阳能集热子系统与热泵子系统结合的复杂度，设计调试灵活。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：

压缩机1，冷凝器2，膨胀阀3，蒸发器4，第一循环水泵5，蓄热水箱6，集热器7，引风机8，第一电控阀9，第二电控阀10，第三电控阀11，第一三通阀12，入风口13，温控开关14，排风口15，第二三通阀16，第三三通阀17，换热器18，第二循环水泵19，第三循环水泵20，用户21。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1描述本实用新型一些实施例的技术方案。

实施例1

本实用新型是一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，如图1所示，图1是本实用新型的结构示意图。

本实用新型系统包含有两套子系统：热泵子系统和太阳能集热子系统，所述太阳能集热子系统经热能增效器与热泵子系统的蒸发器相连接。所述热能增效器可以是余热收集器、空气预热器或集成在热泵子系统、太阳能集热子系统的设备中的热量收集设备，本实施例中所述蒸发器4包含有引风机或循环泵，将热能增效器中热量引至蒸发器。

所述太阳能集热子系统为集热发电一体化系统即PV/T，通过热能增效器，集成在热泵子系统中的蒸发器里，将太阳能集热子系统与热泵子系统相结合。太阳能集热子系统为负压运行，减少集热器向周围环境散热量，并把该热量用于提升热泵换热介质的温度，提高其换热效率，通过热泵子系统与太阳能集热子系统联合优化运行，降低运行能耗。

其中，所述热泵子系统由压缩机1、冷凝器2、膨胀阀3、蒸发器4依次通过管路相连接构成。具体是由压缩机1排气口连接冷凝器2的一次侧入口，冷凝器2的一次侧出口连接至膨胀阀3的入口，膨胀阀3的出口与蒸发器4的加热室入口相连，蒸发器4的蒸发室出口连接到压缩机1的吸气口，形成闭环管路，管路中为冷媒。

所述换热器18、冷凝器2放置于蓄热水箱6内部或者外部换热；通过对热泵子系统、太阳能集热子系统优化运行，减少系统散热，减少能耗。

所述冷凝器2为套管式换热器；所述蒸发器4为能量增效器。

所述太阳能集热子系统由蓄热水箱6、集热器7、引风机8、第一电控阀9、第二电控阀10、第三电控阀11、第一三通阀12、入风口13、温控开关14、排风口15、第二三通阀16、第三三通阀17、换热器18、换热器18、第二循环水19构成。具体为：集热器7的出风口连接至引风机8的入口，引风机8的出口连接到第三三通阀17汇流口，第三三通阀17一个分流口连接换热器18的一次侧风道入口，第三三通阀17的另一个分流口连接蒸发器4的一次侧风道入口；换热器18的一次侧风道出口和蒸发器4的一次侧风道出口汇流后连接至第二三通阀16汇流端口，第二三通阀16的一个分流口连接排风口15，第二三通阀16的另一个分流口连接温控开关14的入口；温控开关14的出口连接到第一三通阀12汇流口，第一三通阀12的一个分流口连接排风口15，第一三通阀12的另一个分流口连接集热器7的入风口，形成换热风道；

所述的第一电控阀9、第二电控阀10、第三电控阀11串联连接，将集热器7中的4个太阳能集热板风道两两串联后，分别于与第一电控阀9、第二电控阀10和第二电控阀10、第三电控阀11并联，依据需要控制电控阀的通断。

所述换热器18为翅片式换热器。

所述第一循环水泵5的入口与冷凝器2的二次侧入口连接，第一循环水泵5的出口与蓄热水箱6相连接；冷凝器2的二次侧出口与蓄热水箱6相连接，形成闭环，用于储热。蓄热水箱6、换热器18、第二循环水泵19连接方式与第一循环水泵5、冷凝器2、蓄热水箱6相同；第三循环水泵20入口与用户21的出口连接，第三循环水泵20的出口与蓄热水箱6相连，用户21的入口与蓄热水箱6相连，形成闭环向用户供热。

所述用户21包括暖气、地热等。

本中热泵子系统和太阳能集热子系统既可以独立运行，也可以联合运行。

具体实施时，当太阳能集热子系统能效高，且满足用户21的用热热量需求时太阳能集热子系统独立运行。所述太阳能集热子系统独立运行时，根据用户21的热量需求，参考运行的历史数据，结合预报的温度及光照强度等选择集热效率最高时间段集热；依据用户需求设定集热器出口温度，采用变频技术，优化运行。

当太阳能集热子系统能效低，不满足用户用热需求或快速提升蓄热箱温度或在环境温度较低导致热泵COP低的条件下时，热泵子系统和太阳能集热子系统相结合，并联合运行。即配合热泵能效曲线，提升二者的综合换热效率。可以合理设定热能增效器出口温度，优化运行太阳能集热子系统，使得热能增效器汇集的热量按设定温度输出，该热量加热提升蒸发器换热介质温度，最大限度减少太阳能集热子系统热量损失，从而提升集热器、热泵综合换热效率。

此外，热泵子系统采用能量微增率，能够跟随热能增效器热量变化最大限度的吸收热量，同时降低整体集热系统电能能耗；不改变热泵子系统结构，简化太阳能集热子系统与热泵子系统结合的复杂度，使得本系统调试运行灵活。

实施例2

本实用新型是一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统在实施时，具体包括两种运行状态：独立运行和联合运行。

热泵与集热子系统联合运行：采用与独立运行相同方法确定系统运行时间段，结合环境温度、光照强度及热泵能效曲线等，依据用户需求设定热能增效器出口温度值。依据设定温度调整循环换热的速度及运行方式；

所述独立运行：通常指太阳能集热子系统单独运行。

首先优化选择太阳能集热子系统运行的起止时间。包括：中午光照强、温度高，选择热量最高的时间段集热。

所述起止时间的选择具体实施过程如下：

步骤1.首先计算用户热量需求，然后依据环境温度、风速、光照强度计算集热器7采集热量，达到用户热量需求集热最短的时间段为太阳能集热子系统运行的起止时间；

步骤2.其次，设定集热器7出口温度。依据集热系统散热量最小设定集热器7的出口温度；

步骤3.最后，依据设定集热器出口温度，通过第一电控阀9、第二电控阀10、第三电控阀11的通断改变集热器7串并联运行方式，同时控制引风机变频速度，改变换热速率；第一电控阀9、第三电控阀11通，第二电控阀10断时为串联运行，第一电控阀9、第二电控阀10通，第三电控阀11断时为并联运行。

所述联合运行：是当集热器7白天集热量不满足用户用热需求或快速提升蓄热水箱6温度或在环境温度较低低导致热泵COP低的条件下，将热泵子系统与太阳能集热子系统联合运行。

具体实施过程如下：

步骤(1)首先优化选择太阳能集热子系统运行的起止时间。

其优化过程与独立运行相同，即依据环境温度、风速、光照强度等优化选择太阳能集热子系统运行的起止时间；

步骤(2)其次，设定集热器7出口温度。依据环境温度、风速、光照强度，参考热泵能效曲线，在满足用户热能需求前提下，以集热系统能耗比最小设定集热器7出口温度值。

太阳能集热子系统及热泵子系统分别控制。太阳能集热子系统控制集热器7出口温度。若集热器7出口升高，提高引风机8的风速；反之减小引风机8的风速；若蒸发器4换热出口空气温度低于环境温度时，换热后的空气经过排风口15直接排于环境中，其中空气换热循环为开环运行；若蒸发器4换热出口空气温度高于环境温度时，换热后的空气则经温控开关14送回集热器7，此时空气换热循环为闭环运行。

热泵子系统控制依据热泵热量微增率，即测量热泵子系统集热量增量ΔQ与电能能耗增量ΔP的比值dQ/dP，具体为通过测量循环水泵5的流速与出入口水温差计算换热器的集热量增量ΔQ，与对应热泵的电能能耗增量ΔP计算dQ/dP，当dQ/dP>0，增加热泵的换热速率；当dQ/dP<0,反之减少热泵的换热速率。

其中，上述式中d表示求导，Q表示热量，P,表示能耗。

所述集热器出口温度、热能增效器出口温度值是依据用户需求设定优化目标，通过优化算法计算得出。

依据集热器出口温度、热能增效器出口温度设定值确定集热子系统中集热板及热能增效器串并组合方式。

所述太阳能集热子系统依据设定温度调整循环换热的速度，即若热能增效器温度升高，提高换热介质流动速度；反之减小换热介质流动速度。

依据热量微增率控制热泵子系统换热速率。所述热量微增率即集热量增量与对应能耗增量的比值。测量热泵热量微增率，当热泵子系统热量微增率大于零，增加热泵子系统的换热速率；反之减少热泵子系统的换热速率。

在本实用新型中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“连接”、“固定”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：包括热泵子系统和太阳能集热子系统，所述太阳能集热子系统经热能增效器与热泵子系统的蒸发器相连接；

所述太阳能集热子系统为集热发电一体化系统，通过热能增效器，集成在热泵子系统中的蒸发器里，将太阳能集热子系统与热泵子系统相结合；

所述热能增效器包括余热收集器、空气预热器或集成在热泵子系统、太阳能集热子系统的设备中的热量收集设备；

所述热泵子系统由压缩机（1）、冷凝器（2）、膨胀阀（3）、蒸发器（4）依次通过管路相连接构成；其中压缩机（1）的排气口连接冷凝器（2）的一次侧入口，冷凝器（2）的一次侧出口连接至膨胀阀（3）的入口，膨胀阀（3）的出口与蒸发器（4）的加热室入口相连，蒸发器（4）的蒸发室出口连接到压缩机（1）的吸气口，形成闭环管路；管路中为冷媒。

2.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述蒸发器（4）包含有引风机或循环泵，所述蒸发器（4）为能量增效器。

3.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述冷凝器（2）为套管式换热器。

4.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述太阳能集热子系统包括蓄热水箱（6）、集热器（7）、引风机（8）、第一电控阀（9）、第二电控阀（10）、第三电控阀（11）、第一三通阀（12）、入风口（13）、温控开关（14）、排风口（15）、第二三通阀（16）、第三三通阀（17）、换热器（18）、换热器（18）及第二循环水泵（19）构成；其中，集热器（7）的出风口连接至引风机（8）的入口，引风机（8）的出口连接到第三三通阀（17）汇流口，第三三通阀（17）一个分流口连接换热器（18）的一次侧风道入口，第三三通阀（17）的另一个分流口连接蒸发器（4）的一次侧风道入口；换热器（18）的一次侧风道出口和蒸发器（4）的一次侧风道出口汇流后连接至第二三通阀（16）汇流端口，第二三通阀（16）的一个分流口连接排风口（15），第二三通阀（16）的另一个分流口连接温控开关（14）的入口；温控开关（14）的出口连接到第一三通阀（12）汇流口，第一三通阀（12）的一个分流口连接排风口（15），第一三通阀（12）的另一个分流口连接集热器（7）的入风口（13），形成换热风道；

其中，第一电控阀（9）、第二电控阀（10）、第三电控阀（11）串联连接，将集热器（7）中的4个太阳能集热板风道两两串联后，分别于与第一电控阀（9）、第二电控阀（10）和第二电控阀（10）、第三电控阀（11）并联，依据需要控制电控阀的通断；

第一循环水泵（5）的入口与冷凝器（2）的二次侧入口连接，第一循环水泵（5）的出口与蓄热水箱（6）相连接；冷凝器（2）的二次侧出口与蓄热水箱（6）相连接，形成闭环，用于储热；

第二循环水泵（19）的入口与换热器（18）的二次侧入口连接，第二循环水泵（19）的出口与蓄热水箱（6）相连接；换热器（18）的二次侧出口与蓄热水箱（6）相连接，形成闭环，用于储热；

第三循环水泵（20）与用户（21）的出口连接，第三循环水泵（20）的出口与蓄热水箱（6）相连，用户（21）的入口与蓄热水箱（6）相连，形成闭环向用户供热。

5.根据权利要求4所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述换热器（18）为翅片式换热器。

6.根据权利要求4所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述换热器（18）、冷凝器（2）放置于蓄热水箱（6）内部或者外部换热。

7.根据权利要求4所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述用户（21）包括暖气或地热。

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