太阳能辅助二氧化碳热泵联合空调***
技术领域
本发明涉及的是一种太阳能利用与空调技术领域的***,具体是一种太阳能辅助二氧化碳热泵联合空调***。
背景技术
全球性化石能源的紧缺以及温室效应的加剧给环境和社会发展带来了诸多负面效应,对高效节能技术的迫切需求推动了太阳能空调与空气源热泵应用技术的快速发展。其中,二氧化碳热泵由于采用自然工质,相对常规氟利昂工质,在环保方面具有极大的优势,得到越来越多的重视。此外,步入21世纪,建筑能耗占全国能耗的比重越来越高,且其中大部分能耗来自空调与生活热水部分,这对该领域相关***研发提出了更高的要求。
二氧化碳热泵,由于其跨临界循环的特性,在供暖和提供生活热水方面具有超越常规氟利昂热泵的性能。同时如上所述,其为自然工质,对臭氧层的破坏和温室效应的积聚作用,几乎可以忽略不计。由于以上两点,二氧化碳热泵热水器近年来在欧美日地区得到了大力的发展,截止2010年在日本已累计销售7百多万台,被誉为“生态精灵(Eco-cute)”。相对供暖,二氧化碳热泵循环在制冷方面性能不尽如人意,相关实验装置或产品制冷性能较差,与常规氟利昂工质产品相比,不具有竞争力,故近年来“二氧化碳热泵制冷性能的提高”成为高校、研究机构和企业的研究热点。同时,近年来对可再生能源利用的呼声越来越高,将可再生能源、特别是太阳能应用于热泵空调***中,将大大减少常规热泵空调对电能的依赖。因此,研制一种不仅满足建筑供暖和热水需求,还可满足制冷需求,达到较高性能,同时可以利用太阳能的二氧化碳热泵产品,即满足建筑全年制冷、供暖和生活热水需求的、利用太阳能的、高效的二氧化碳热泵空调***,成为该领域节能环保产品研发的一个目标。
经过对现有技术文献的检索发现,中国专利公开号为:CN1453516A,发明名称为“太阳能热泵空调***和太阳能+空气源热泵空调***”的专利提出了一种将太阳能与空气源热泵***结合的设备,该发明中太阳能收集热能,作为热泵供暖模式下的低温热源,并不辅助制冷,制冷主要仍由空气源热泵提供,冷凝回收热用于生活热水。相对于该专利中的常规空气源热泵循环,二氧化碳热泵循环工作在更高的跨临界区域,其压力和温度的工作区间均有所不同,故在具体设备的耐压等方面有特殊要求。而该专利并没有针对二氧化碳工质进行更有针对性的设计。
中国专利授权公告号为:CN2529115Y,实用新型名称为“太阳能热泵冷暖空调器”的专利采用空气源热泵作为制冷的主要手段,没有把太阳能的热量转化为冷量,辅助空气源热泵制冷。此外,也没有描述针对二氧化碳特殊工质的跨临界特性,对换热器与压缩机进行何种具体改良。
中国专利公开号为:CN1888726A,发明名称为“太阳能热泵及使用该热泵的冬夏两用空调***”的专利使用冷凝器作为重要部件,事实上,如果应用二氧化碳作为工质,由于其工作在跨临界区域,需应用气体冷却器替代常规工质热泵***中应用的冷凝器。
中国专利授权公告号为:CN100470170C,发明名称为“太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵综合空调***”的专利考虑了二氧化碳工质特性,有较强的针对性,但其太阳能集热器收集热量并不直接转化为冷量补充二氧化碳热泵制冷,而只是在供暖和热水模式下,辅助热泵产生热量,或者独立提供热量。因此,制冷仍然是由二氧化碳热泵独立承担。如前所述,二氧化碳热泵制冷性能较差,供暖和制热水能力较强,太阳能的引入并没有将其优势与劣势进行平衡、弥补二氧化碳热泵循环原有在制冷上的不足。
专利公开号为WO2006124776(A2),发明名称为HYBRID VAPORCOMPRESSION-ABSORPTION CYCLE,中文译名为混合压缩-吸收循环,该发明首先在循环构型上与常规吸收式热泵循环(ABSC,ABSorption Cycle)和气体压缩式循环(VCC,VaporCompression Cycle)不同,习惯上称为复合循环(VCCSC,Vapor Compression Cycles withSolution Circuits)。该种循环无论对压缩机设计和循环工质都提出了新的要求,通常为复合两元或三元工质,二氧化碳自然工质并不在该循环适应工质范围内,目前也没有相关专利或报道VCCSC循环使用太阳能作为辅助制冷的热源。类似的国际专利的专利文献号为US4031712(A),名称为Combined absorption and vapor-compression refrigeration system(中文译名:联合吸收压缩式制冷***)和专利文献号为US7765823(B2),名称为Hybrid vaporcompression-absorption cycle(中文译名:复合压缩吸收式循环)。
NIPPONDENSO公司申请的三个专利,专利文献号分别为JP11223414-A(Solar heatutilization type combined cycle refrigeration system for air conditioning of residential andfactory buildings-desorbs refrigerant from absorbent by solar heat inabsorption refrigeratingcycle which cools refrigerant discharged from compressor of vapor compression refrigeratingcycle,中文译名:适合家庭和厂房空调的、联合制冷循环的太阳能热利用***-吸收制冷循环中使用太阳能解吸制冷剂,产生的冷量用来冷却压缩制冷循环中的压缩机排出制冷剂)、JP11223415-A(Solar heat utilization type combined cycle refrigeration system for airconditioning of residential and factory buildings-uses vapor compression refrigerating cycle tocool condenser of absorption refrigerating cycle which uses solar heat for desorption ofrefrigerant from absorber,中文译名:适合家庭和厂房空调的、联合制冷循环的太阳能热利用***-压缩制冷循环的冷量用来冷却吸收制冷循环中的冷凝器,吸收制冷循环中太阳能用来解吸制冷剂)、JP11223416-A(Solar heat utilization type combined cycle refrigeration system forair conditioning of residential and factory buildings-uses evaporator of vapor compressionrefrigerating cycle to recool air cooled with absorption refrigerating cycle,中文译名:适合家庭和厂房空调的、联合制冷循环的太阳能热利用***-压缩制冷循环的冷量用来再冷却、辅助吸收制冷循环中的空冷),这三个发明专利的共同点是设计了一种制冷***,该***应用太阳能驱动吸收式制冷机组,产生冷量与压缩式制冷配合工作,区别在于补充冷量使用的位置不同,其中专利文献号为JP11223414-A将太阳能驱动吸收式制冷机产生的这部分冷量应用于压缩式制冷循环的冷凝器后、节流阀前。但该专利发明相对于前文所述的预期产品——应用太阳能辅助二氧化碳热泵的联合空调***仍有几项不足:第一,用途单一,仅为制冷***,并未考虑全年时间段内对建筑综合需求的满足;第二,压缩式制冷部分并未考虑针对二氧化碳特性的相关诸多改造,比如:冷凝器部分并未表示改造为气体冷却器等;第三,吸收式制冷装置与压缩式制冷装置为单独两台装置,虽然通过管路连接,但其发明专利描述或图示并未考虑在实际产品中合并为一体。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种太阳能辅助二氧化碳热泵联合空调***,该***能够实现建筑全年制冷、供暖和生活热水综合需求,能够使***整体的制冷和供暖能力得到平衡,整机性能较为完善,具有更高的性能指标,工质绿色环保,利用可再生能源,降低了***整体对一次能源的依赖性。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括:集热***、蓄热***、生活热水供应***、热泵空调***和空调室内末端***,其中:集热***依次与蓄热***和生活热水供应***串联,蓄热***依次与热泵空调***和空调室内末端***串联。
所述的热泵空调***包括:太阳能制冷阀、热泵控制组件、太阳能水泵、热泵独立工作水泵和联合工作主机,所述的联合工作主机由串联连接的吸收式制冷机和集水器组成,其中:太阳能制冷阀的一端与蓄热***和热泵控制组件连接,太阳能制冷阀的另一端与吸收式制冷机的一端连接,吸收式制冷机的另一端与太阳能水泵的一端和热泵控制组件连接,太阳能水泵的另一端与蓄热***连接,热泵独立工作水泵的一端与集水器连接,热泵独立工作水泵的另一端与热泵控制组件连接,热泵控制组件分别与蓄热***和空调室内末端***连接。
所述的集水器的输入端设有二氧化碳热泵,该二氧化碳热泵采用二氧化碳作为工质,该热泵的工作压力范围为3MPa至15MPa,工作温度范围为-20℃至95℃,二氧化碳热泵内部所采用的设备原件能够满足跨临界工质特性。
所述的热泵控制组件包括:两个三通阀和四个阀门,其中:第一三通阀的蓄热端与蓄热***连接,第一三通阀的主机端与太阳能制冷阀连接,第一三通阀的控制端与第一阀门的一端连接,第一阀门的另一端与空调室内末端***和第二阀门的一端连接,第二阀门的另一端与集水器连接,第二三通阀的蓄热端与太阳能水泵连接,第二三通阀的主机端与吸收式制冷机连接,第二三通阀的控制端与第四阀门的一端连接,第四阀门的另一端与空调室内末端***和第三阀门的一端连接,第三阀门的另一端与热泵独立工作水泵连接。
所述的集热***包括:太阳能采集循环装置和热交换装置,其中:太阳能采集循环装置与热交换装置连接,热交换装置与蓄热***连接。
所述的蓄热***包括:带有热交换管的保温循环水箱、感温控制器和电加热器,其中:感温控制器和电加热器均与保温循环水箱连接,保温循环水箱分别与集热***和热泵空调***连接,保温循环水箱的热交换管与生活热水供应***连接。
所述的生活热水供应***包括:混水阀、两个供水阀门和热水水泵,其中:混水阀的控制端依次与第一供水阀门和热水水泵串联,热水水泵依次与第二供水阀门、蓄热***和混水阀的水箱端串联。
所述的吸收式制冷机的工质采用溴化锂溶液。
本发明有五种工作模式,包括:制冷模式,制冷兼供热水模式,供暖模式,供暖兼供热水模式和热水模式。同时,依据太阳辐照度不同,供暖有太阳能直接供暖和热泵供暖两种运行形式,制冷有太阳能吸收式单独制冷、二氧化碳热泵单独制冷和太阳能吸收式制冷与二氧化碳热泵联合制冷三种运行形式,热水有太阳能供热和电加热辅助两种运行形式。
综上所述,对不同***运行模式切换进行描述。制冷模式下,当感温控制器所测得温度高于85℃时,使用太阳能驱动吸收式制冷机制冷;当感温控制器所测得温度低于85℃时,使用二氧化碳热泵制冷。供暖模式下,当感温控制器所测得温度高于45℃时,使用太阳能蓄存热水直接供暖;当感温控制器所测得温度低于45℃时,使用二氧化碳热泵供暖。热水模式、制冷兼供热水模式和供暖兼供热水模式下,当感温控制器所测得温度低于55℃时,均开启电加热器对保温水箱内的热水进行辅助加热。
本发明能够实现建筑全年制冷、供暖和生活热水综合需求;在夏季制冷模式下,通过吸收式制冷机辅助二氧化碳热泵,弥补了其制冷能力较差的劣势,使***整体的制冷和供暖能力得到平衡,整机性能较为完善,具有更高的性能指标;使用二氧化碳作为主要工质,代替常规氟利昂,绿色环保;应用太阳能降低了***整体对一次能源的依赖性。
附图说明
图1和图2为实施例1***示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示,本实施例包括:集热***1、蓄热***2、生活热水供应***3、热泵空调***4和空调室内末端***5,其中:集热***1依次与蓄热***2和生活热水供应***3串联,蓄热***2依次与热泵空调***4和空调室内末端***5串联。
如图1和2所示,所述的热泵空调***4包括:太阳能制冷阀6、热泵控制组件7、太阳能水泵8、热泵独立工作水泵9和联合工作主机10,所述的联合工作主机10由串联连接的吸收式制冷机11和集水器12组成,其中:太阳能制冷阀6的一端与蓄热***2和热泵控制组件7连接,太阳能制冷阀6的另一端与吸收式制冷机11的一端连接,吸收式制冷机11的另一端与太阳能水泵8的一端和热泵控制组件7连接,太阳能水泵8的另一端与蓄热***2连接,热泵独立工作水泵9的一端与集水器12连接,热泵独立工作水泵9的另一端与热泵控制组件7连接,热泵控制组件7分别与蓄热***2和空调室内末端***5连接。
所述的集水器12的输入端设有二氧化碳热泵13。
所述的热泵控制组件7包括:第一三通阀14、第二三通阀15、第一阀门16、第二阀门17、第三阀门18和第四阀门19,其中:第一三通阀14的蓄热端与蓄热***2连接,第一三通阀14的主机端与太阳能制冷阀6连接,第一三通阀14的控制端与第一阀门16的一端连接,第一阀门16的另一端与空调室内末端***5和第二阀门17的一端连接,第二阀门17的另一端与集水器12连接,第二三通阀15的蓄热端与太阳能水泵8连接,第二三通阀15的主机端与吸收式制冷机11连接,第二三通阀15的控制端与第四阀门19的一端连接,第四阀门19的另一端与空调室内末端***5和第三阀门18的一端连接,第三阀门18的另一端与热泵独立工作水泵9连接。
所述的集热***1包括:太阳能采集循环装置20、第五阀门21、第一循环泵22和热交换装置23,其中:太阳能采集循环装置20依次与第五阀门21、热交换装置23和第一循环泵22串联,热交换装置23与蓄热***2连接。
所述的蓄热***2包括:带有热交换管的保温循环水箱24、第六阀门25、第二循环泵26、感温控制器27和电加热器28,其中:感温控制器27和电加热器28均与保温循环水箱24连接,感温控制器27与电加热器28连接,保温循环水箱24分别与第六阀门25的一端和第二循环泵26的一端连接,第六阀门25的另一端和第二循环泵26的另一端均与热交换器连接,保温循环水箱24分别与太阳能水泵8和第一三通阀14的蓄热端连接,保温循环水箱24的热交换管与生活热水供应***3连接。
所述的生活热水供应***3包括:混水阀29、第一供水阀门30、热水水泵31和第二供水阀门32,其中:混水阀29的控制端依次与第一供水阀门30和热水水泵31串联,热水水泵31依次与第二供水阀门32、蓄热***2和混水阀29的水箱端串联。
所述的二氧化碳热泵13采用二氧化碳作为工质,该热泵的工作压力范围为3MPa至15MPa,工作温度范围为-20℃至95℃,二氧化碳热泵13内部所采用的设备原件能够满足跨临界工质特性。
所述的吸收式制冷机11的工质采用溴化锂溶液。
本装置有五种工作模式,包括:制冷模式、制冷兼供热水模式、供暖模式、供暖兼供热水模式和热水模式。同时,依据太阳辐照度不同,供暖有太阳能直接供暖和热泵供暖两种运行形式,制冷有太阳能吸收式单独制冷、二氧化碳热泵13单独制冷和太阳能吸收式制冷与二氧化碳热泵13联合制冷三种运行形式,热水有太阳能供热和电加热辅助两种运行形式。
所述的太阳能采集循环装置20可布置在屋顶、阳台等建筑外立面,实现建筑太阳能装置一体化。
所述的太阳能采集循环装置20收集太阳能辐射热能,传递给工质水,水通过第一循环泵22,在环路内循环,持续将热量传递给热交换装置23。
所述的热交换装置23将热量传递给工质水,通过第二循环泵26,在环路内循环,持续将热量储存在感温保温水箱。
所述的保温循环水箱24,将储存的热量传递给热交换管内的工质水。该工质水来自市政管网,其通过热水水泵31,分为两个支路,一路通过第二供水阀门32,经过保温循环水箱24的热交换管,升温变为热水,另一路通过第一供水阀门30,保持低水温,两路不同温度的水,通过混水阀29进行混合,供给生活热水。当感温控制器27测得水温低于55℃,则开启电加热器28,补充热量进入保温水箱。
热水模式下,***内除上述设备外,其余设备均不开启,没有制冷或供暖输出,只提供生活热水。
制冷模式下,所述的水热水水泵31、第一供水阀门30、第二供水阀门32和混水阀29关闭,不提供生活热水。保温循环水箱24通过太阳能水泵8,将储存的热水供给至联合工作主机10内部的溴化锂吸收式制冷机11,产生冷量,此时第一三通阀14使水流向太阳能制冷阀6,太阳能制冷阀6开启,第一阀门16关闭,第二三通阀15使水流向太阳能水泵8。所述的溴化锂吸收式制冷机11,将产生的冷量传递至集水器12。所述的集水器12还与二氧化碳热泵13相连接,当冷量不足时,开启二氧化碳热泵13,辅助制冷。
制冷模式下,所述的水热水水泵31、第一供水阀门30、第二供水阀门32和混水阀29关闭,不提供生活热水。当感温控制器27测得水温低于85℃,则溴化锂吸收式制冷机11不启动,太阳能水泵8不启动,太阳能制冷阀6、第一阀门16和第四阀门19关闭,第二阀门17和第三阀门18开启,热泵独立工作水泵9开启,二氧化碳热泵13单独制冷。
制冷模式兼供热水模式,在如上所述的制冷模式基础上,所述的水热水水泵31、第一供水阀门30、第二供水阀门32和混水阀29开启,提供生活热水。
供暖模式下,所述的水热水水泵31、第一供水阀门30、第二供水阀门32和混水阀29关闭,不提供生活热水。所述的保温循环水箱24内的热水,通过第一三通阀14和第一阀门16至空调室内末端***5,再通过第四阀门19、第二三通阀15和太阳能水泵8,回到保温循环水箱24,完成太阳能热水独立供暖,二氧化碳热泵13不开启,此时,太阳能制冷阀6、第二阀门17和第三阀门18关闭。
供暖模式下,所述的水热水水泵31、第一供水阀门30、第二供水阀门32和混水阀29关闭,不提供生活热水。当感温控制器27内水温低于45℃,不再采用太阳能热水独立供暖,而使用二氧化碳热泵13供暖,此时,太阳能制冷阀6、第一阀门16、第四阀门19和太阳能水泵8关闭,二氧化碳热泵13开启,热泵独立工作水泵9开启。所述的二氧化碳热泵13供应热水,通过热泵独立工作水泵9、集水器12和第二阀门17至空调室内末端***5,供给热量至室内,其后通过第三阀门18回到热泵独立工作水泵9。
供暖模式兼供热水模式,在如上所述的供暖模式基础上,所述的水热水水泵31、第一供水阀门30、第二供水阀门32和混水阀29开启,提供生活热水。所述的集水器12,与热泵独立工作水泵9相连接,通过热泵独立工作水泵9使环路内工质水维持循环,工质水离开集水器12后,通过第二阀门17,到达空调室内末端***5,向室内输送冷量或热量,其后通过第三阀门18回到热泵独立工作水泵9。
综上所述,对不同***运行模式切换进行描述。制冷模式下,当感温控制器27所测得温度高于85℃时,使用太阳能驱动吸收式制冷机11制冷;当感温控制器27所测得温度低于85℃时,使用二氧化碳热泵13制冷。供暖模式下,当感温控制器27所测得温度高于45℃时,使用太阳能蓄存热水直接供暖;当感温控制器27所测得温度低于45℃时,使用二氧化碳热泵13供暖。热水模式、制冷兼供热水模式和供暖兼供热水模式下,当感温控制器27所测得温度低于55℃时,均开启电加热器28对保温水箱内的热水进行辅助加热。