CN101581518A - 一种太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵*** - Google Patents

一种太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵*** Download PDF

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Abstract

一种太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***，用于解决热能循环利用问题。其技术方案是：该***由太阳能集热辅助部分和跨临界二氧化碳热泵部分组成，两个***由两个膨胀压缩机连接，整个***的工作介质均采用二氧化碳。本发明的优点体现在如下方面：1.节能性：本发明能够有效利用太阳能作为***驱动能量，大大提高***运行的COP值，起到节能的效果；2.环保性：整个***的制冷工作介质均采用CO2，不存在对环境的污染问题；3.经济性。本发明只需一次性投资，后期维护和投资费用非常小。可广泛用于空调、供暖、制冷等场合。

Description

一种太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***
技术领域
本发明涉及一种太阳能热利用技术，特别是一种利用太阳能的热泵***，属热交换技术领域。
背景技术
以煤为主的一次能源结构不但能源利用效率低，而且造成严重的环境污染，SO2排放量的90％和NOx排放量的60％都来自于燃煤。严重的环境污染对生态环境造成的影响已经威胁到经济和社会的可持续发展。随着经济的快速发展，能源消耗日益提高，能源逐渐成为制约社会经济发展的“瓶颈”。有研究报道，我国的建筑能耗占社会总能耗25％以上，而在建筑能耗中，空调能耗占到50％以上，并且建筑物空调的需求量呈逐年上升趋势，给能源、电力和环境带来很大的压力，在这种情况下，太阳能作为一种可再生能源越来越受到人们的重视。太阳能是一种巨大的清洁能源，每天到达地球表面的太阳辐射能为5.57×1018MJ，相当于190万亿吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56×104倍。太阳能以其取之不尽、廉价、安全、无需运输、清洁无污染等特点受到人们的重视，光热、光电、光化学等太阳能利用技术正在迅速地发展。
由于臭氧层破坏和温室效应的影响，用自然工质替代合成工质越来越受到国内外制冷界的重视。在几种常用的自然工质中，除水和空气以外，CO2是与环境最为友善的制冷工质。CO2作为制冷工质有很多优点：它的ODP＝0，GDP＝1；使用安全，无毒；物理化学稳定性好；单位容积制冷量大，有利于减少装置体积；在超临界条件下，它的流动传热性能好；此外，CO2容易获取，价格低廉，不需要回收。在二氧化碳跨临界循环中，二氧化碳的放热过程是在超临界压力下进行的，有较大的温度回落，这个温度特别适合加热家用热水，二氧化碳热泵热水器是目前公认的各方面优于R22、R134a等常规工质的热泵热水装置。
膨胀压缩机是一种膨胀功回收装置，膨胀机的膨胀功提供给辅助压缩机作为输入功，以驱动压缩机完成压缩过程。采用膨胀压缩机有利于提高整个***的性能系数，从而达到节能目的。
综上所述，若能将太阳能的有效利用、跨临界二氧化碳热泵***及膨胀压缩机等技术融为一体，是一种实现高效率供热、供冷等多项功能的有效途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种有效利用太阳能、大大提高***运行循环性能系数COP值的太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的：
一种太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***，该***以二氧化碳为工作介质，构成中包括太阳能集热器、第一膨胀压缩机、第二膨胀压缩机、贮气器、气体冷却器、蒸发器和两台分别与第一、第二膨胀压缩机的压缩机相连的电动机，其中，太阳能集热器连接在第一膨胀压缩机的膨胀机的进口管路中，膨胀机流出的二氧化碳经贮气器、气体冷却器送入第二膨胀压缩机的压缩机的进口，该压缩机出口接至太阳能集热器进口，由上述部件组成太阳能集热辅助热源的闭路循环***；所述第一膨胀压缩机的压缩机出口将二氧化碳经贮气器、气体冷却器送入第二膨胀压缩机的膨胀机进口，膨胀机出口连通蒸发器，蒸发器出口接通第一膨胀压缩机的压缩机的进口，上述部件组成另一路跨临界二氧化碳热泵闭路循环***。
上述太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***，所述蒸发器与第一膨胀压缩机的压缩机进口之间设有气液分离器。
上述太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***，所述三通阀两个出口处分别设有电磁阀。
本发明针对目前存在的能源利用及环境污染问题，提出一种带膨胀压缩机的太阳能辅助跨临界二氧化碳节能热泵技术，该技术由太阳能集热辅助***和跨临界二氧化碳热泵***两部分组成，两部分中分别设置一套膨胀压缩机，整个***以二氧化碳为工作介质。本发明的优点体现在如下方面：1.节能性：本发明能够有效利用太阳能作为***驱动能量，大大提高了***运行的COP值，起到节能的效果。在***刚刚启动或太阳光照强度比较弱的时候，启动两个电动机，此时，***的COP也比单级跨临界二氧化碳热泵***的COP大很多。当太阳光照强度足够强的时候，电动机的耗能会更小，此时***的COP将会更大。2.环保性：整个***的制冷工作介质均采用CO2，不存在对环境的污染问题。3.经济性：从长远考虑，本发明只需一次性投资，后期维护和投资费用非常小。基于上述优点及人们对节能环保、太阳能以及绿色工质二氧化碳的重视，同时随着膨胀压缩机的不断研究和改进，使其成本不断降低，从而为本发明的广泛应用提供了技术基础。可广泛用于空调、供暖、制冷等场合。
附图说明
图1是本发明示意图；
图2是本发明循环***的p-h图。
图中各标号含义如下：1.太阳能集热器；2.第一膨胀压缩机；2-1.第一膨胀压缩机的膨胀机；2-2.第一膨胀压缩机的压缩机；3.第一电动机；4.贮气器；5.气液分离器；6.气体冷却器；7.三通阀；8.蒸发器；9.第二膨胀压缩机；9-1.第二膨胀压缩机的膨胀机；9-2.第二膨胀压缩机的压缩机；10.第二电动机；11、12.电磁阀。
具体实施方式
参看图1，本发明构成中包括太阳能集热器1、第一膨胀压缩机2、第二膨胀压缩机9、贮气器4、气液分离器5、气体冷却器6、蒸发器7、三通阀8、电磁阀11、12.和两台分别与第一、第二膨胀压缩机的压缩机相连的电动机M，上述部件通过管道连接，形成太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***，该***以二氧化碳为工作介质。太阳能集热器1一般放在房顶，CO2蒸气经太阳能集热器加热后通过管道进入第一膨胀压缩机2中膨胀机2-1的进口，驱动膨胀机对外做功后通过管道进入贮气器4，在贮气器中与从压缩机2-2出来的CO2蒸气混合，从贮气器出口出来后通过管道进入气体冷却器6的进口，在气体冷却器中冷却放出热量，然后通过管道依次经过三通阀7、电磁阀11，经第二膨胀压缩机9中压缩机9-2压缩后进入太阳能集热器1重新加热，这样就组成太阳能集热辅助封闭部分。CO2蒸气经第一膨胀压缩机中的压缩机2-2压缩后通过管道进入贮气器4，在贮气器中与中膨胀机的排气混合后，通过管道进入气体冷却器6冷却放出热量，从气体冷却器出来后的CO2蒸气通过管道依次经过三通阀7的另一端出口和电磁阀12，然后驱动第二膨胀压缩机9中的膨胀机带动与其相连的压缩机做功，做功后的CO2制冷剂进入蒸发器8蒸发制冷，最后通过管道经气液分离器5后进入第一膨胀压缩机中的压缩机2-2，从而组成跨临界二氧化碳热泵部分。在本发明中，两膨胀压缩机中的膨胀机和压缩机同轴连接，两膨胀压缩机中的压缩机与电动机同轴连接。
图2是为本发明循环***的p-h图。蒸发器8出口的CO2为饱和状态，经第一膨胀压缩机2中压缩机由a点压缩至b点，过热的CO2蒸气在第一膨胀压缩机2的膨胀机中由f点膨胀至e点，从b点和e点出来的CO2蒸气在贮气器混合后形成k点，然后，经气体冷却器6等压冷却至c点，再经第二膨胀压缩机9中的膨胀机等熵膨胀至d点，最后，在蒸发器内吸热至饱和蒸气状态a点。c点至e点为第二膨胀压缩机中压缩机的压缩过程，e点至f点为太阳能集热器的加热加压过程，f点至g点为第一膨胀压缩机中膨胀机的对外做功过程。其中a-b-k-c-d-a为跨临界CO2热泵部分，e-f-g-k-c-e为太阳能集热辅助循环部分。
下面以某小区321m2别墅住宅为例进行实例计算分析：设计采用的冷热规格：夏季采用7/12℃，冬季采用地板辐射采暖35/50℃。室外设计参数：夏季空调室外计算干球温度为33.2℃；夏季空调室外计算湿球温度为26.4℃；冬季空调室外计算温度为-12℃；冬季供暖室外计算温度为-9℃。室内设计参数如表1所示。
表1室内设计参数
根据别墅的结构和功能的特点，计算出该建筑夏季空调负荷为27.3kW，冬季地板辐射供暖及空调负荷为32.8kW。
为了分析方便，在以下条件下进行循环分析：(1)***循环处于稳态；(2)压缩机的指示效率均为0.9，联轴器的机械效率为0.98，膨胀机的效率为0.8；(3)气体冷却器、蒸发器与环境之间没有热交换；(4)气体冷却器的换热温差为5℃，蒸发器的换热温差为5℃；(5)管路压力总损失忽略不计。
基于以上的理论计算公式和初始假设条件，对带膨胀压缩机的太阳能辅助跨临界CO2热泵***进行了理论分析。表2为跨临界CO2热泵循环主要状态点的物性参数。
表2跨临界CO2热泵循环主要状态点的物性参数
  状态点   t(℃)   p(MPa)   h(KJ/Kg)   s(KJ/K·Kg)   ρ(Kg/m3)
  a   2   3.669   430.4   1.837   103.7
  b   69.97   9   465.5   1.837   207.6
  c   40   8   403.3   1.659   278.4
  d   2.001   3.669   381.5   1.659   128.4
理论计算分析表明：当太阳能集热器的面积为25m2，每平方米吸热量为1KW，气体冷却器总放热量为50KW时，本发明***的COP为4.79，其性能系数明显高于单级CO2跨临界热泵***。
为使气体冷却器进口的压力达到CO2的临界压力，应采用中温太阳能集热器，其正常工作温度范围为100℃～180℃，此时膨胀压缩机A中膨胀机进口的压力范围为12MPa～14MPa。
当整个***刚开始启动或太阳光照强度不能满足需要时，需要启动第一电动机3和第二电动机10，此时电动机10输入的功较大；当太阳光照强度满足需要时，可调节电动机10输入较小的功，电动机3可直接关闭。
电磁阀11和12可根据需要分别调节制冷工质的流量。
太阳能集热辅助部分和跨临界二氧化碳热泵部分共用一个气体冷却器6，气体冷却器放出的热量可供用户根据需要自由分配利用，从而达到制热、供热水或制热+热水的目的，冷却介质可以为水、空气等。
跨临界二氧化碳热泵部分中蒸发器8向外界吸收热量，达到制冷、供冷水或制冷+冷水的目的，可根据用户需要进行合理的设计和安装。冷却介质也可采用其他物质，如水、空气等。

Claims (3)

1.一种太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***，该***以二氧化碳为工作介质，其特征在于：构成中包括太阳能集热器(1)、第一膨胀压缩机(2)、第二膨胀压缩机(9)、贮气器(4)、气体冷却器(6)、蒸发器(8)和两台分别与第一、第二膨胀压缩机的压缩机相连的电动机，其中，太阳能集热器连接在第一膨胀压缩机的膨胀机的进口管路中，膨胀机流出的二氧化碳经贮气器、气体冷却器送入第二膨胀压缩机的压缩机的进口，该压缩机出口接至太阳能集热器进口，由上述部件组成太阳能集热辅助热源的闭路循环***；所述第一膨胀压缩机的压缩机出口将二氧化碳经贮气器、气体冷却器送入第二膨胀压缩机的膨胀机进口，膨胀机出口连通蒸发器，蒸发器出口接通第一膨胀压缩机的压缩机的进口，上述部件组成另一路跨临界二氧化碳热泵闭路循环***。
2.根据权利要求1所述的太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***，其特征在于：所述蒸发器(8)与第一膨胀压缩机的压缩机(2-2)进口之间设有气液分离器(5)。
3.根据权利要求2所述的太阳能辅助热源二氧化碳跨临界节能热泵***，其特征在于：所述三通阀(7)两个出口处分别设有电磁阀。
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