CN100547321C - 太阳能—燃气机热泵加热装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

太阳能—燃气机热泵加热装置是一种将太阳能利用技术与燃气机热泵技术有效结合为一体的加热装置，该装置由太阳能集热***、燃气机热泵***及水路循环***等组成，包括发动机、压缩机、保温水箱、膨胀阀、三通阀、中间换热器、集热器、空气源蒸发器、烟气热交换器及流量调节阀等装置。本发明装置有三种不同的工作模式：当外界太阳辐射强度足够大时，燃气机热泵不运行，直接利用太阳能即可以满足要求；当太阳辐射强度很小，以至于水箱中的水温很低时，开启热泵，使其以空气为热源进行工作；当太阳辐射强度介于两者之间时，使燃气机热泵以水箱中被太阳能加热了的工质为热源进行工作。本发明装置可全天候、持续供应热水，热水温度可以达到80～90℃。

Description

太阳能-燃气机热泵加热装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种新型太阳能-燃气机热泵加热装置，属于热泵热水器制造的技术领域。

背景技术

长期以来，在我国一次能源消费结构中，煤炭一直占主导地位，煤炭大量使用带来严重的环境污染，给我国经济发展和环境保护带来很大压力。天然气是一种绿色能源，它洁净且可达到完全燃烧状态，提高天然气在我国能源使用中的比例，有助于调整能源结构。燃气空调与电力空调相比，在节约能源、减少大气污染、改善城市环境质量、调节电力峰谷平衡率、提高电力负载率方面具有明显的比较优势，还可平衡燃气季节峰谷，提高燃气管网利用率，降低供气综合成本，因而推广应用燃气空调具有显著的经济效益和社会效益；同时，太阳能是一种清洁环保、取之不竭的能源，充分有效的利用太阳能，可以大大节省一次能源的消耗，太阳能热水装置已经进入了实用阶段。

由于受太阳能自身分散性和间歇性等特性的限制，当前的太阳能热水装置仍存在一些不足：集热***效率普遍比较低，集热面积过大，集热温度一般不超过100℃，装置难以全天候持续供热水，热水供应时间受限制，热水温度难以保持稳定，一般需要配置辅助加热装置；与此同时，在燃气热泵应用过程中，发动机缸套的散热和排烟废热的利用还不充分，***余热利用率还有望进一步提高。本发明通过将太阳能利用技术与燃气机热泵技术有效结合在一起，弥补两者单一使用时的缺陷，提高了装置能源利用率，达到节能、环保的目的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种太阳能-燃气热泵加热装置及其操作方法，该热水装置将燃气热泵技术与太阳能利用技术有机结合成整体，燃气发动机余热回收率得到提高，***能源利用率更高，该热水装置效果好，可以全天候持续供热水，热水温度可以达到80～90℃。

技术方案：太阳能热泵加热***将太阳能利用技术与热泵技术有机结合起来，一方面可以有效地降低集热器的板面温度，从而提高集热效率，减少集热器向外界的热损失。研究表明，在非寒冷地区，即便使用普通平板型集热器，集热器的效率也高达60％～80％。另一方面在太阳能辐射条件良好的情况下，太阳能热泵加热***可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度，从而提高热泵***的性能，达到减少能源消耗的目的。因此，太阳能热泵***得到了广泛的关注和研究应用。

燃气机热泵是主要以天然气为能源、以燃气发动机驱动的蒸气压缩式热泵装置，并能充分利用发动机废热、工业余热以及低品位环境热量，实现冬季采暖、夏季供冷的高效空调供热装置。它广泛适应于宾馆、商场、办公楼、住宅、工业厂房等各种建筑。与其他供热空调方式相比，燃气机热泵一次能源利用率高，能够实现优质能源的高效利用，燃气机热泵还具有舒适性好、节能、变容量调节容易、部分负荷性能高、节省电能、调节用电高峰等诸多优点，应用前景极为广阔，在世界上得到了越来越广泛的采用。

太阳能热泵与燃气机热泵具有良好的互补性。为了解决好太阳能利用技术中的间歇性和不可靠性问题，在太阳能热泵***中，一般都需设置一个大容量太阳能储热水箱和配置辅助加热装置；而对于燃气机热泵，***为了提高一次能源利用率，需回收发动机缸套散热及排烟废热，需要额外的水循环***。将太阳能热泵与燃气机热泵有机结合起来，能解决好太阳能利用的间歇性和不可靠性问题，减小储热水箱的容量，而且不需要额外的辅助加热装置。

本发明的结构为：发动机与压缩机通过轴或皮带连接，压缩机的排气管与保温水箱制冷剂入口接通，保温水箱制冷剂出口通过相串联的干燥过滤器、膨胀阀、第一三通阀与中间换热器制冷剂入口相连，中间换热器的制冷剂出口通过第四三通阀分别与空气源蒸发器和压缩机相通，空气源蒸发器的制冷剂入口接第一三通阀；中间换热器、第二三通阀、集热器、泵、第三三通阀相串联成一个介质回路，保温水箱的介质入口接第二三通阀，介质出口接第三三通阀；保温水箱热水出口分为两路，一路通过流量调节阀与热水出口相通，另一路通过流量调节阀与发动机缸套冷却水入口相连，发动机缸套冷却水出口与烟气换热器冷却水入口相连，烟气换热器冷却水出口与热水出口相连。

本发明提供的太阳能-燃气机热泵加热装置设有两个蒸发器，一个以环境为热源，另一个以被太阳能加热的工质为热源。根据室外不同的具体条件，有三种不同的工作模式：当外界太阳辐射强度足够大时，此时燃气机热泵不运行，直接利用太阳能即可以满足要求；当太阳辐射强度很小，以至于水箱中的水温很低时，开启热泵，使其以空气为热源进行工作；当太阳辐射强度介于两者之间时，使燃气机热泵以水箱中被太阳能加热了的工质为热源进行工作。

在本发明装置的太阳能集热***中，太阳能集热***是一个闭合回路，循环介质采用的是防冻有机溶液，如乙二醇、丙二醇等，不存在管路被冻问题；循环介质也可以采用水，但要在水中添加防冻剂，降低冰点，从而达到防冻的目的。

本发明操作方法为：当太阳辐射强度足够大时，发动机和压缩机不运行，第二三通阀分别与集热器和保温水箱相通，第三三通阀分别与保温水箱和泵相通，第一流量调节阀处于全闭状态，第二流量调节阀处于全开状态；当太阳能辐射强度很小时，泵停止工作，发动机和压缩机工作，第四三通阀分别与压缩机和空气源蒸发器相通，第一三通阀分别与空气源蒸发器和膨胀阀相通，第一流量调节阀开启，第二流量调节阀开启；当太阳能辐射强度介于两者之间时，发动机和压缩机工作，第四三通阀分别与压缩机和中间换热器相通，第一三通阀分别与中间换热器和膨胀阀相通，第二三通阀分别与中间换热器和集热器相通，第三三通阀分别与中间换热器和泵相通，第一流量调节阀开启，第二流量调节阀开启。

有益效果：本发明的有益效果有：

(1)本发明可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度，从而提高热泵***的性能，减少能源消耗，节能效果明显。

(2)本发明将太阳能利用技术与热泵有机地结合起来，可以有效地降低集热器的板面温度，减少集热器向外界的热损失，从而提高集热器的集热效率，有效减少集热器的集热面积。

(3)本发明将太阳能利用技术与燃气机热泵有机地结合起来，强化了发动机缸的余热回收，提高了燃气机热泵***的一次能源利用率。

(4)与常规太阳能热水装置相比，在不需要辅助加热装置条件下，本发明装置可全天候、持续供应热水，热水温度可以达到80～90℃。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。其中有：发动机1、压缩机2、保温水箱3、干燥过滤器4、膨胀阀5、第一三通阀6、中间换热器7、第二三通阀8、集热器9、泵10、第三三通阀11、空气源蒸发器12、第四三通阀13、烟气热交换器14、第一流量调节阀15及第二流量调节阀16。

具体实施方式

本发明的太阳能-燃气机热泵加热装置是一种将太阳能利用技术与燃气机热泵技术结合为有机整体的新型热泵加热装置。其中，发动机1与压缩机2通过轴或皮带连接，压缩机2的排气管与保温水箱3制冷剂入口接通，保温水箱3制冷剂出口与干燥过滤器4一端相连，干燥过滤器4另一端与膨胀阀5相通，膨胀阀5另一端与第一三通阀6一路相通，第一三通阀6的第二路与中间换热器7制冷剂入口相连，中间换热器7制冷剂出口与第四三通阀13一路相通，第一三通阀6的第三路与空气源蒸发器12制冷剂入口相连，空气源蒸发器12制冷剂出口与第四三通阀13第二路相连，第四三通阀13第三路与压缩机2制冷剂入口相连；集热器9的介质出口与第二三通阀8一路相通，第二三通阀8第二路与中间换热器7介质入口相连，中间换热器7介质出口与第三三通阀11一路相通，保温水箱3的介质入口接第二三通阀8，介质出口接第三三通阀11；三通阀11第三路与泵10一端相通，泵10另一端与集热器9的介质入口相通；保温水箱3热水出口分为两路，一路与第二流量调节阀16一端相连，第二流量调节阀16与热水出口相通，另一路与第一流量调节阀15一端相连，第一流量调节阀15另一端与发动机缸套冷却水入口相连，发动机缸套冷却水出口与烟气换热器14冷却水入口相连，烟气换热器14冷却水出口与热水出口相连。

本发明装置根据室外不同的环境，有三种不同的工作模式：

(1)当太阳辐射强度足够大时，发动机1和压缩机2不运行，第二三通阀8分别与集热器9和保温水箱3相通，第三三通阀11分别与保温水箱3和泵10相通，流量调节阀15处于全闭状态，流量调节阀16处于全开状态。

(2)当太阳能辐射强度很小时，泵10停止工作，发动机1和压缩机2工作，第四三通阀13分别与压缩机2和空气源蒸发器12相通，第一三通阀6分别与空气源蒸发器12和膨胀阀5相通，流量调节阀15开启，流量调节阀16开启。

(3)当太阳能辐射强度介于两者之间时，发动机1和压缩机2工作，三通阀13分别与压缩机2和中间换热器7相通，第一三通阀6分别与中间换热器7和膨胀阀5相通，第二三通阀8分别与中间换热器7和集热器9相通，三通阀11分别与中间换热器7和泵10相通，流量调节阀15开启，流量调节阀16开启。

Claims (2)

1.一种太阳能-燃气机热泵加热装置，其特征在于燃气发动机(1)与压缩机(2)通过轴或皮带连接，压缩机(2)的排气管与保温水箱(3)制冷剂入口接通，保温水箱(3)制冷剂出口通过相串联的干燥过滤器(4)、膨胀阀(5)、第一三通阀(6)与中间换热器(7)制冷剂入口相连，中间换热器(7)的制冷剂出口通过第四三通阀(13)分别与空气源蒸发器(12)和压缩机(2)相通，空气源蒸发器(12)的制冷剂入口接第一三通阀(6)；中间换热器(7)、第二三通阀(8)、集热器(9)、泵(10)、第三三通阀(11)相串联成一个介质回路，保温水箱(3)的介质入口接第二三通阀(8)，保温水箱(3)的介质出口接第三三通阀(11)；保温水箱(3)热水出口分为两路，一路通过第二流量调节阀(16)与热水出口相通，另一路通过第一流量调节阀(15)与发动机缸套冷却水入口相连，发动机缸套冷却水出口与烟气换热器(14)冷却水入口相连，烟气换热器(14)冷却水出口与热水出口相连。

2.一种如权利要求1所述的太阳能-燃气机热泵加热装置的操作方法，其特征在于：当太阳辐射强度足够大时，发动机(1)和压缩机(2)不运行，第二三通阀(8)分别与集热器(9)和保温水箱(3)相通，第三三通阀(11)分别与保温水箱(3)和泵(10)相通，第一流量调节阀(15)处于全闭状态，第二流量调节阀(16)处于全开状态；当太阳能辐射强度很小时，泵(10)停止工作，发动机(1)和压缩机(2)工作，第四三通阀(13)分别与压缩机(2)和空气源蒸发器(12)相通，第一三通阀(6)分别与空气源蒸发器(12)和膨胀阀(5)相通，第一流量调节阀(15)开启，第二流量调节阀(16)开启；当太阳能辐射强度介于两者之间时，发动机(1)和压缩机(2)工作，第四三通阀(13)分别与压缩机(2)和中间换热器(7)相通，第一三通阀(6)分别与中间换热器(7)和膨胀阀(5)相通，第二三通阀(8)分别与中间换热器(7)和集热器(9)相通，第三三通阀(11)分别与中间换热器(7)和泵(10)相通，第一流量调节阀(15)开启，第二流量调节阀(16)开启。

Images