CN100422663C - 多热源多功能太阳能热泵 - Google Patents

多热源多功能太阳能热泵 Download PDF

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Abstract

多热源多功能太阳能热泵由太阳能集热***和多功能热泵***组成，太阳能集热***包括太阳能全玻璃真空管集热器及蓄热大水箱、电磁阀和高温循环泵；多功能热泵***主要包括变频压缩机、室外水冷源换热器、室外风冷源换热器、室内风冷源换热器、室内带盘管热水箱、冷凝盘管、电子膨胀阀、储液器和第一电磁三通阀和第二电磁三通阀，这两部分通过变频高温循环泵、电磁阀连接在一起。本发明既能利用太阳能又能利用空气源作为热泵热源，并集制冷、制热和制取生活用热水多种功能于一体，解决了太阳能具有间歇性，阴雨天晚上无法直接利用的问题，提高了热泵***的COP值。

Description

多热源多功能太阳能热泵
技术领域
本发明涉及一种多热源多功能太阳能热泵。
背景技术
随着社会的发展和人民生活水平的提高，用于采暖、空调及制取生活用热水方面的能耗占能源总量的比例越来越大。因此城市家庭都配备有冷暖两用空调(专业用语为热泵)及热水器(主要有电热水器、燃气热水器及太阳能热水器)。这样将消耗大量的常规化石型能源(如电、煤、石油、天然气)，为了解决常规化石型能源的不足及其带来的环境污染等问题，各国学者争相研究利用太阳能热泵来进行采暖、空调和制取生活用热水。根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合形式，太阳能热泵可分为直膨式和间接膨胀式两种。T.L.Freeman，J.W.Mitchell，T.E.Audit.Performance of combinedsolar-heat pump systems，Solar energy，1979，22(2)：125-135.、G.L.Morrison.Simulation of packaged solar heat-pump water heaters.Solar Energy，1994，53(3)：249-257、K.Kaygusuz，T.Ayhan.Experimental and theoretical investigation ofcombined solar heat pump system for residential heating.Energy conversion &Management，1999，40(13)：1377-1396、旷玉辉，王如竹，于立强，太阳能热泵供热***的实验研究，太阳能学报，2002，23(4)408-413等都从不同方面对间接膨胀式***进行了研究。S.K.Chaturvedi，D.T.Chen，A.Kheireddine.Thermal performanceof a variable capacity direct expansion solar-assisted heat pump，EnergyConversion and Management，1998，39(3-4)：181-191、Sushil.K.Chaturvedi，James.Y.Shen.Thermal performance of a direct expansion solar-assisted heat pump，Solarenergy，1984，33(2)：155-162、J.P.Chyng，C.P.Lee and B.J.Huang.Performanceanalysis of a solar-assisted heat pump water heater，Solar Energy，2003，74(1)：33-44、Kuang，Y.H.，Sumathy，K.，Wang，R.Z..Study on a direct-expansionsolar-assisted heat pump water heating system.International Journal of EnergyResearch，2003，27，531-548、F.B.Gorozabel Chata，S.K.Chaturvedi，A.Almogbel.Analysis of a direct expansion solar assisted heat pump using differentrefrigerants.Energy Conversion and Management，2005，46(15-16)：2614-2624等也都根据各国及地区的不同气候特点对直膨式太阳能热泵进行了广泛的理论和实验研究，也有相关的专利申请CN02219389.8公开了太阳能热泵冷暖空调器、CN02239555.5公开了太阳能热泵制冷热***、CN03150625.9公开了直膨式太阳能热泵空调***。但上述各国及地区学者对太阳能热泵的研究及相关的专利申请都集中在太阳能与单一功能热泵技术的结合方面，并且都只利用太阳能这一单一热源，没有考虑多热源方案。而太阳能是一种间歇性的能源，阴雨天及晚上无法直接利用，单一热源单一功能的太阳能热泵势必影响到太阳能热泵的使用效率。季杰，裴刚，何伟等，空调-热水器一体机制冷兼制热水模式的性能模拟和实验分析，暖通空调，2003，33(2)：19-23和季杰，裴刚，何伟等，空调-热水器一体机单独制热水模式的性能模拟和实验分析，暖通空调，2004，34(1 2)：96-98、Jie ji，Gang Pei，Tin-tai Chow，et al.Performance ofmulti-functional domestic heat-pump system[J].Applied energy，2005，80(3)：307-326对家用多功能热泵***进行了广泛而深入的研究，申请有专利CN00240603.9家用空调和热水器一体化装置，但这种多功能热泵中没有利用太阳能作为热泵的热源。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种多热源多功能太阳能热泵，使其具有既能利用太阳能又能利用空气源作为热泵热源，并集制冷、制热和制取生活用热水多种功能于一体，以解决太阳能具有间歇性，阴雨天晚上无法直接利用的问题，并提高热泵***的COP值。
本发明的技术解决方案：多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：由太阳能集热***和多功能热泵***组成，太阳能集热***包括太阳能全玻璃真空管集热器及蓄热大水箱、第三电磁阀和高温循环泵，高温循环泵从蓄热大水箱上部出水口吸取蓄热大水箱中的水经第三电磁阀进入太阳能全玻璃真空管集热器，在太阳能全玻璃真空管集热器中被加热的热水再经蓄热大水箱的下部入水口回到蓄热大水箱，如此循环直到水温满足设计要求；多功能热泵***主要包括变频压缩机、室外水冷源换热器、室外风冷源换热器、室内风冷源换热器、室内带盘管热水箱、冷凝盘管、电子膨胀阀、储液器和第一电磁三通阀和第二电磁三通阀；太阳能集热***和多功能热泵***通过变频高温循环泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀连接在一起，变频压缩机出口经四通换向阀、第一电磁三通阀与室外水冷源换热器和室外风冷源换热器组成的并联通路相连，再经过电子膨胀阀与室内风冷源换热器和室内带盘管热水箱组成的并联通路相连，并经过第二电磁三通阀与四通换向阀相连，再经储液器回到变频压缩机入口，组成闭式回路；室内带盘管热水箱一个出口经第六电磁阀再分成两路，一路经第二电磁阀与蓄热大水箱的一个出口相连，另一路直接与室外水冷源换热器的水侧出口相连，室内带盘管热水箱另一个出口先分成两路，一路经第四电磁阀与高温循环泵的出口相连，另一路经第五电磁阀再分成两路，这两路中的其中一路通过第一电磁阀与蓄热大水箱另一出口相连，两路中的另一路经变频高温循环泵的入口再与室外水冷源换热器的水侧入口相连。
本发明的原理：本发明将室外水冷源换热器、室外风冷源换热器并联，根据不同的室外气象条件控制两者转换，以达到既能利用太阳能又能利用室外空气源中低温能源的目的；另外通过室内风冷源换热器、室内带盘管热水箱并联，根据用户不同用途来控制两者转换，以达到既能制冷又能制热并能制取热水等多功能的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明能够充分利用低品质的太阳能源和空气源，当太阳能源不足时使用空气源而不用电加热为辅助热源，使***能够获得稳定制热效果和稳定的热水，具有节能优点。
(2)本发明使用蓄热大水箱中的水为介质吸收储存太阳能作为热泵的热源，并通过变频压缩机及变频高温循环泵变频运行，使热泵***冬季供热时运行稳定，另外这种方式与直膨式太阳能热泵相比具有制冷剂线路短，泄漏可能性较小的特点；由于部分使用水源作为热泵冬季供热的热源，从而部分解决了空气源热泵冬季室外侧蒸发器外表面结霜的问题。本发明集采暖制冷热水多功能于一体，避免了一户同时购买安装多个设备，最大限度节省了建筑空间。
本发明主要用于别墅建筑、办公建筑，也可用于民用建筑。
附图说明
图1为本发明的组成结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由太阳能集热***和多功能热泵***组成，太阳能集热***包括太阳能全玻璃真空管集热器8及蓄热大水箱10、第三电磁阀16和高温循环泵20，太阳能全玻璃真空管集热器8和蓄热大水箱10根据用户的要求及具体安装条件可以置于屋顶或阳台，高温循环泵20从蓄热大水箱10上部出水口吸取蓄热大水箱10中的水经第三电磁阀16进入太阳能全玻璃真空管集热器8，在太阳能全玻璃真空管集热器8中被加热的热水再经蓄热大水箱10的下部入水口回到蓄热大水箱10，如此循环直到水温满足设计要求。多功能热泵***主要包括变频压缩机1、室外水冷源换热器3、室外风冷源换热器4、室内风冷源换热器5、室内带盘管热水箱6、冷凝盘管22、电子膨胀阀7、储液器11和第一电磁三通阀12和第二电磁三通阀13，这两部分通过变频高温循环泵21、第一电磁阀14、第二电磁阀15、第四电磁阀17、第五电磁阀18、第六电磁阀19连接在一起，变频压缩机1出口经四通换向阀2、第一电磁三通阀12与室外水冷源换热器3和室外风冷源换热器4组成的并联通路相连，再经过电子膨胀阀7与室内风冷源换热器5和室内带盘管热水箱6组成的并联通路相连，并经过第二电磁三通阀13与四通换向阀2相连，再经储液器11回到变频压缩机1入口组成闭式回路；室内带盘管热水箱6一个出口经第六电磁阀19再分成两路，一路经第二电磁阀15与蓄热大水箱10的一个出口相连，另一路直接与室外水冷源换热器3的水测出口相连，室内带盘管热水箱6另一个出口先分成两路，一路纤第四电磁阀17与高温循环泵20的出口相连，另一路经第五电磁阀18再分成两路，这两路中的其中一路通过第  电磁阀14与蓄热大水箱10另一出口相连，两路中的另一路经变频高温循环泵21的入口再与室外水冷源换热器3的水侧入口相连。
太阳能全玻璃真空管集热器8横置或竖置，通过联集管9连接在一起构成，其数量根据热泵功率大小和安装地域的气候条件确定。
蓄热大水箱10及室内带盘管热水箱6均为圆柱型保温水箱。本发明***有两个保温水箱，一个大水箱，夏季部分用来储存制冷用冷凝器的冷却水源，冬季主要用来储存热泵热源用水；另一个为小水箱，为闭式承压水箱，主要用来储存生活用热水。
室外水冷源换热器3为套管式水冷换热器，或铜制板式换热器；室外风冷源换热器4为普通翅片式换热器；室外水冷源换热器3和室外风冷源换热器4的制冷剂侧换热面积及容积相等。
室内风冷源换热器5为普通翅片式换热器，室内带盘管热水箱6中的冷凝盘管22由2-3根紫铜管并联盘制而成，且室内带盘管热水箱6中的冷凝盘管22制冷剂侧换热面积和容积应与室内风冷源换热器5相等。
本发明的工作过程：
在不同气候条件下的工作模式：
(1)工作模式一：单独供热模式。
冬季***按单独太阳能热水水源或空气源供热模式运行：
部分电磁阀，即第四电磁阀17、第五电磁阀18和第六电磁阀19关闭，另外部分电磁阀，即第一电磁阀14、第二电磁阀15、第四电磁阀17开启，第一电磁三通阀12使室外水冷源换热器3导通或关闭，第二电磁三通阀13使室内风冷换热器冷凝器5导通，高温循环泵20按设定的程序间断性地开启或关闭，太阳能全玻璃真空管集热器8给蓄热大水箱10中的水加热。变频高温循环泵21开启或关闭，该热泵按供热模式运行，室外水冷源换热器3吸收蓄热大水箱10中水的热量或通过室外风源换热器4吸收空气源中的热量，并通过室内风冷换热器5排到室内空气当中。
(2)工作模式二：制冷兼制热水模式。
当夏天没有阳光，太阳能集热***产生的热水温度不够时，***按制冷兼制热水模式运行：
第一电磁阀14、第二电磁阀15和第四电磁阀17关闭，第三电磁阀16、第五电磁阀18和第六电磁阀19开启，第二电磁三通阀13使室内风冷换热器5导通，第一电磁三通阀12使室外水冷源换热器3导通；高温循环泵20按设定的程序间断性地开启或关闭，太阳能全玻璃真空管集热器8给室内带盘管的热水箱6中的水加热，变频高温循环泵21开启，该热泵按制冷模式运行，室内风冷源换热器5吸收室内的热量，并通过室外水冷源换热器3通过强制对流循环排到室内带盘管的热水箱6中，给该热水箱中水加热。
(3)工作模式三：单独制热水模式。
此模式有两种运行方式：
A.当冬季没有阳光，太阳能集热***产生的热水温度不够时，***按单独制热水模式运行：
首先，一部分电磁阀，即第二电磁阀15、第四电磁阀17和第六电磁阀19开启，另一部分电磁阀，即第一电磁阀14、第三电磁阀16和第五电磁阀18关闭，先用蓄热大水箱10的水室内带盘管热水箱6灌满水，然后将第四电磁阀17、第五电磁阀18和第六电磁阀19关闭，第一电磁阀14、第二电磁阀15和第三电磁阀16开启，第二电磁三通阀13使室内带盘管的热水箱6导通，变频高温循环泵21按设定的程序间断性地开启或关闭，太阳能集热器8给蓄热大水箱10中的水加热，该热泵***运行方式分两种情况：
(a)当室内带盘管的热水箱6中水的温度低于室外空气温度时，第一电磁三通阀12使室外风冷源换热器4导通，变频高温循环水泵21关闭，室外风冷源换热器4从空气中吸热，由室内带盘管的热水箱6中的冷凝盘管22通过自然对流给室内带盘管的热水箱6中的热水加热。
(b)当室内带盘管的热水箱6中水的温度高于室外空气温度时，第一电磁三通阀12使室外水冷源换热器3导通，变频高温循环水泵21开启，室外水冷源换热器3从室内带盘管的热水箱6中热水吸热，由冷凝盘管22通过自然对流循环给室内带盘管的热水箱6中的热水加热。
B.当春秋季没有阳光，太阳能集热器***产生的热水温度不够时，***按单独制热水模式运行：
第四电磁阀17、第五电磁阀18和第六电磁阀19关闭，第一电磁阀14、第二电磁阀1 5和第三电磁阀16开启，第二电磁三通阀13使室内带盘管的热水箱6导通，第一电磁三通阀12使室外风冷源换热器4导通，高温循环泵20按设定的程序间断性地开启或关闭，太阳能全玻璃真空管集热器8给室内带盘管的热水箱6中的水加热，变频高温循环泵21关闭，室外风冷源换热器4从空气中吸热，由冷凝盘管22通过自然对流给室内带盘管的热水箱6中的热水加热。
(4)工作模式四：单独制冷模式。
夏季***按单独风冷制冷模式运行，分两种情况：
一种情况是，当室外气温小于35℃时或蓄热大水箱10中的水温超过40℃，第一电磁阀14、第二电磁阀15、第四电磁阀17、第五电磁阀18和第六电磁阀19关闭，第三电磁阀16开启，第二电磁三通阀13使室内风冷源换热器5导通，第一电磁三通阀12使室外风冷源换热器4导通，高温循坏水泵20按设定的程序间断性地运行，太阳能全玻璃真空管集热器8给室内带盘管的热水箱6中的水加热，变频高温循环泵21关闭，该热泵按制冷模式运行，室内风冷源换热器5吸收室内的热量，并通过室外风冷源换热器4排到室外空气当中；
另一种情况是，当室外气温大于35℃，且蓄热大水箱10中的水温低于35℃时，第四电磁阀17、第五电磁阀18和第六电磁阀19关闭，第一电磁阀14、第二电磁阀15、第三电磁阀16开启，第二电磁三通阀13使室内风冷源换热器5导通，第一电磁三通阀12使室外水冷源换热器3导通，高温循环水泵20按设定的程序间断性地运行，太阳能集热器给室内带盘管的热水箱6中的水加热，变频高温循环泵21开启，该热泵按制冷模式运行，室内风冷源换热器5吸收室内的热量，并通过室外水冷源换热器3排到蓄热大水箱10储存的水中。

Claims (9)

1. 多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：由太阳能集热***和多功能热泵***组成，太阳能集热***包括太阳能全坡璃真空管集热器(8)、联集管(9)及蓄热大水箱(10)、第三电磁阀(16)和高温循环泵(20)，高温循环泵(20)从蓄热大水箱(10)上部出水口吸取蓄热大水箱(10)中的水经第三电磁阀(16)进入太阳能全玻璃真空管集热器(8)，在太阳能全玻璃真空管集热器(8)中被加热的热水再经蓄热大水箱(10)的下部入水口回到蓄热大水箱(10)，如此循环直到水温满足设计要求；多功能热泵***主要包括变频压缩机(1)、室外水冷源换热器(3)、室外风冷源换热器(4)、室内风冷源换热器(5)、室内带盘管热水箱(6)、冷凝盘管(22)、电子膨胀阀(7)、储液器(11)和第一电磁三通阀(12)和第二电磁三通阀(13)；太阳能集热***和多功能热泵***通过变频高温循环泵(21)、第一电磁阀(14)、第二电磁阀(15)、第四电磁阀(17)、第五电磁阀(18)、第六电磁阀(19)连接在一起，变频压缩机(1)出口经四通换向阀(2)、第一电磁三通阀(12)与室外水冷源换热器(3)和室外风冷源换热器(4)组成的并联通路相连，再经过电子膨胀阀(7)与室内风冷源换热器(5)和室内带盘管热水箱(6)组成的并联通路相连，并经过第二电磁三通阀(13)与四通换向阀(2)相连，再经储液器(11)回到变频压缩机(1)入口，组成闭式回路；室内带盘管热水箱(6)一个出口经第六电磁阀(19)再分成两路，一路经第二电磁阀(15)与蓄热大水箱(10)的一个出口相连，另一路直接与室外水冷源换热器(3)的水侧出口相连，室内带盘管热水箱(6)另一个出口先分成两路，一路经第四电磁阀(17)与高温循环泵(20)的出口相连，另一路经第五电磁阀(18)再分成两路，这两路中的其中一路通过第一电磁阀(14)与蓄热大水箱(10)另一出口相连，两路中的另一路经变频高温循环泵(21)的入口再与室外水冷源换热器(3)的水侧入口相连。
2. 根据权利要求1所述的多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：所述的太阳能全玻璃真空管集热器(8)为多个太阳能全玻璃真空管横置或竖置，通过联集管(9)连接在一起构成。
3. 根据权利要求1所述的多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：所述的蓄热大水箱(10)及室内带盘管热水箱(6)均为圆枉型保温水箱。
4. 根据权利要求1所述的多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：所述的室外水冷源换热器(3)为套管式水冷换热器，或铜制板式换热器。
5. 根据权利要求1所述的多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：所述的室外风冷源换热器(4)为普通翅片式换热器。
6. 根据权利要求1所述的多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：所述的室外水冷源换热器(3)和室外风冷源换热器(4)两种换热器制冷剂侧换热面积及容积相等。
7. 根据权利要求1所述的多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：所述的室内带盘管热水箱(6)中的冷凝盘管(22)制冷剂侧换热面积和容积应与室内风冷源换热器(5)相等。
8. 根据权利要求1所述的多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：所述的室内风冷源换热器(5)为普通翅片式换热器。
9. 根据权利要求1或7所述的多热源多功能太阳能热泵，其特征在于：所述的室内带盘管热水箱(6)中的冷凝盘管(22)由2-3根紫铜管并联盘制而成。
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