CN107449027A - 一种太阳能与空气源热泵耦合热水*** - Google Patents

一种太阳能与空气源热泵耦合热水*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，该***共有三种运行模式，在太阳能日照充足时采用太阳能直接供热，太阳能不足时利用空气源热泵***供应热水。另设置蓄热装置，将热泵供热模式下的太阳能热量储存，并在再生模式下将其用作固体吸附除湿剂再生时的低温热源，此时太阳能部分继续对蓄热装置补充热量以满足吸附剂再生时的热量要求，从而实现热泵无霜运行和除湿吸附剂循环再生。故该***能够在充分利用太阳能进行供热的基础上，附加热泵供热***从而实现不间断热水供应，并将蓄热装置中蓄存的太阳能热量用于吸附除湿再生时的低温热源，实现空气源热泵无霜运行。

Description

一种太阳能与空气源热泵耦合热水***
技术领域
本发明属于制冷设备技术领域，具体涉及一种太阳能与空气源热泵耦合热水***。
背景技术
太阳能清洁环保，无任何污染，利用价值高，目前有广泛的应用，特别是在建筑供热领域，太阳能光热***是主要的生活热水解决方案；而空气源热泵占用空间小、节能、环保、方便，供热能效比高，同样在建筑供热领域受到越来越多的青睐。其中太阳能热水***受天气条件影响大，其波动性与稳定的生活热水使用需求相悖，目前多使用电辅热***，但是耗电量较大，节能性不佳。
此外，冬季制热运行时空气源热泵室外翅片管换热器上有时会结霜。空气源热泵在结霜工况下运行时，随着霜层增厚，热泵制热性能将越来越差，其制热能力会随着室外温度的下降而急剧下降，特别是在寒冷的北方地区和高湿寒冷的南方，甚至会频频出现压缩机停机或触发低压保护而影响使用的现象，因此空气源热泵低温工况下的结霜问题严重制约着空气源热泵的发展。现今的多种除霜方式中，电加热除霜只适用于小型装置且耗电较多，逆循环除霜会对***部件造成冲击，热气旁通法会造成制热量下降，蓄热干燥除霜法使用时缺乏合适低位热源，除霜能量来源不足，现今实际运行中除霜性能难以令人满意，稳定性与可靠性也较差。
因此，如何最大限度发挥太阳能***的供能潜力，确保不间断供应热水，以及如何解决空气源热泵运行中的除霜难题，达到稳定可靠的无霜运行是太阳能热水***与空气源热泵供热***推广发展需要克服的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供了一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，具有不间断提供热水，同时确保热泵***无霜运行的优点。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：
一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，包括压缩机、换热器、蓄热装置、太阳能集热器和水箱；其中，
压缩机出口经四通阀后连接冷凝器的制冷剂侧入口，冷凝器的制冷剂侧出口之后的管路经第一干燥过滤器连接于除湿换热器，再经第二干燥过滤器连接于蒸发器，之后分为两条管路，一条管路连接四通阀，四通阀经管路连接于压缩机的入口，另一条管路经第三干燥过滤器及第三电子膨胀阀连接于蓄热装置的制冷剂侧入口，蓄热装置的制冷剂侧出口经管路连接四通阀，并通过四通阀连接于压缩机的入口；
太阳能集热器出口分为两条管路，一条管路与蓄热装置的水侧入口相连，蓄热装置的水侧出口经第一水泵连接于太阳能集热器的入口；另一条管路经第二水泵与水箱相连，水箱之后的管路连接于太阳能集热器的入口；
水箱出口连接于冷凝器的水侧入口，冷凝器的水侧出口经第二水泵连接于水箱入口。
本发明进一步的改进在于四通阀与压缩机入口连接的管路上设置有高压保护装置。
本发明进一步的改进在于压缩机出口和四通阀之间的管路上设置有低压保护装置。
本发明进一步的改进在于第一干燥过滤器和第二干燥过滤器的下游管路上分别设置有第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀。
本发明进一步的改进在于蒸发器后分为两条管路，分别由第一电磁阀与第二电磁阀控制。
本发明进一步的改进在于，太阳能集热器出口的两条管路中，一条管路经第三电磁阀与蓄热装置的水侧入口相连；另一条管路经第四电磁阀及第二水泵与水箱相连，水箱之后的管路经第六电磁阀连接于太阳能集热器的入口；
水箱出口经由第五电磁阀连接于冷凝器的水侧入口。
本发明具有以下的有益效果：
相比较现有技术，本发明设置蓄热装置，将太阳能热水***和空气源热泵***耦合为一体，利用太阳能集热***蓄存下来的能量作为吸附除湿剂再生时的低位热源。故该***能够充分发挥太阳能供热能力，直接提供生活热水。同时，在蒸发换热器前设干燥除湿换热器对室外空气进行除湿，除湿后使空气露点温度低于蒸发换热器内制冷剂蒸发温度，达到无霜运行的目的，提高空气源热泵的制热效率。再生模式时，以蓄热装置中储存的太阳能热量为低温热源，利用制冷剂在冷凝器中冷凝后的余热对除湿换热器内吸附剂进行再生，同时太阳能***始终保持蓄热装置内有足够的热量满足低位热源能量需求，从而使除湿吸附剂不断循环再生，保证空气源热泵***无霜运行，提高了低温环境下空气源热泵的效率和稳定性，并且最大限度发挥太阳能可再生清洁能源的特点，降低空气源热泵除霜成本。
综上所述，本发明最大限度利用了太阳能能源，合理结合两种供热***的特点，解决了传统太阳能***供能不稳定及空气源热泵***运行易结霜两大问题，提高了太阳能和空气源热泵耦合热水***的使用稳定性和运行效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明太阳能供热水模式原理图；
图3为本发明热泵供热水模式原理图；
图4为本发明再生模式原理图。
图中：1为压缩机，2为高压保护装置，3为四通阀，4为冷凝器，5为第一干燥过滤器，6为第一电子膨胀阀，7为除湿换热器，8为第二干燥过滤器，9为第二电子膨胀阀，10为蒸发器，11为第一电磁阀，12为第二电磁阀，13为蓄热装置，14为第三电子膨胀阀，15为第三干燥过滤器，16为低压保护装置，17为太阳能集热器，18为第三电磁阀，19为第一水泵，20为第四电磁阀，21为第二水泵，22为水箱，23为第五电磁阀，24为第六电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步的说明。
参见图1，本发明提供的一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，包括压缩机1，压缩机1的出口和入口分别设置有高压保护装置2和低压保护装置16，高压保护装置2的出口、低压保护装置16的入口和冷凝器4的制冷剂侧入口均与四通阀3相连通，冷凝器4的制冷剂侧出口分别连接第一干燥过滤器5和第一电子膨胀阀6，第一电子膨胀阀6与除湿换热器7的入口相连接，除湿换热器7的翅片表面涂有固体除湿吸附剂，除湿换热器7的出口依次经过第二干燥过滤器8和用于调节制冷剂在蒸发器10中蒸发温度的第二电子膨胀阀9后，分为两条管路。一条经第一电磁阀11连接于四通阀3；另一条经第二电磁阀12，依次经过第三干燥过滤器15和第三电子膨胀阀14与蓄热装置13制冷剂侧入口相连，蓄热装置13中填充蓄热介质，蓄热装置13制冷剂侧出口连接于四通阀3。太阳能集热器17出口经第三电磁阀18连接于蓄热装置13水侧入口，蓄热装置13水侧出口经第一水泵19与太阳能集热器17入口相连；同时太阳能集热器17出口依次经过第四电磁阀20与第二水泵21与水箱22入口，水箱出口经第六电磁阀24与太阳能集热器17入口相连，水箱22经第五电磁阀23与冷凝器4水侧入口相连，冷凝器4水侧出口经第二水泵21连接于水箱22入口。
本发明在除湿换热器7与蒸发器10连接的风管内设置有控制第一电磁阀11、第二电磁阀12及第一电子膨胀阀6开度的温湿度传感器。
本发明在太阳能集热器17内设置有调节第一水泵19频率的温度传感器及控制第三电磁阀18、第四电磁阀20和第六电磁阀24。
本发明在蓄能装置13内设置有用于监测蓄热材料温度变化和调节第一水泵19频率的温度传感器。
本发明在水箱22内设置有用于调节第二水泵21频率的温度传感器及控制第五电磁阀23。
本发明太阳能与空气源热泵耦合热水***运行模式有太阳能制热水模式、热泵制热水模式和再生模式。在太阳能制热水模式中，太阳能集热器17与水箱22串联，由太阳能热水直接供热；热泵制热水模式中，热泵制冷剂环路与水箱水环路并联，均连接于冷凝器4两侧，同时太阳能集热器17与蓄热装置13串联将太阳能热量蓄存下来，以满足再生模式下蓄热装置13中的热量作为低温热源时除湿换热器7和蒸发器10的需求。此外，除湿换热器7与蒸发器10连接的风管内设置温湿度传感器，随着运行时间的增长，固体除湿吸附剂的水分含量逐渐增大，除湿换热器7的干燥除湿能力减弱，当水分达到一定含量时，温湿度传感器控制第一电磁阀11和第二电磁阀12，将***转换为再生模式，对固体除湿吸附剂进行再生，恢复固体除湿吸附剂的除湿能力,从而使正常制热(除湿)过程和再生过程周而复始地进行。
以下为太阳能制热水模式、热泵制热水模式与再生模式的具体流程。
参见图2，太阳能制热水模式中：第一电磁阀11、第二电磁阀12、第三电磁阀18、第五电磁阀23和第一水泵19关闭，第四电磁阀20、第六电磁阀24和第二水泵21打开。太阳能集热器产生的热水直接供应至水箱内。
参见图3，热泵制热水模式中：第二电磁阀12、第四电磁阀20、第六电磁阀24和第二水泵21关闭，第一电磁阀11、第三电磁阀18、第五电磁阀23和第一水泵19打开。制冷剂经压缩机1压缩成高温高压的气体，经过高压保护装置2，四通阀3，在冷凝器4的冷凝剂侧冷却成高压的汽液两相流，然后流经第一干燥过滤器5，经第一电子膨胀阀6一次节流后，部分制冷剂在除湿换热器7内蒸发吸热，之后制冷剂经第二干燥过滤器8，经第二电子膨胀阀9二次节流成低压汽液两相流，在蒸发器10内完全蒸发吸热，成为过热气体，避免对压缩机进行湿压缩，造成液击现象。最后制冷剂经第一电磁阀11，四通阀3，低压保护装置16回到压缩机1；室外空气(OA)首先经过除湿换热器7，通过调节第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀9的不同开度，使制冷剂在除湿换热器7和蒸发器10为不同的蒸发温度(参见图3)。固体除湿吸附剂吸收空气中水分，除湿后的干空气DA经过蒸发器10，在蒸发器10内被完全冷却。最后空气(EA)排出蒸发器10。由于除湿后的空气露点温度低于蒸发器内制冷剂的蒸发温度，实现无霜空气源热泵。同时热水从水箱22出口流出，经第五电磁阀23进入冷凝器4水侧入口，与制冷剂侧换热后流出冷凝器4，经第二水泵21流回水箱22。此时太阳能热水自太阳能集热器17流出，经第三电磁阀18流入蓄热装置13水侧入口，为其中的蓄热材料补充热量后流出蓄热装置13，经第一水泵19流回太阳能集热器17。
参见图4，再生模式中：第一电磁阀11、第四电磁阀20、第六电磁阀24和第二水泵21关闭，第二电磁阀12、第三电磁阀18、第五电磁阀23和第一水泵19打开。制冷剂经压缩机1压缩成高温高压的气体，流经过高压保护装置2，四通阀3，在冷凝器4的冷凝剂侧冷却成高压的汽液两相流(此时第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀9全开)，高压制冷剂进一步在涂有固体除湿吸附剂的除湿换热器7和蒸发器10内冷却放热(参见图4)，利用余热对固体除湿吸附剂再生，之后高压制冷剂流经第三干燥过滤器15，经第三电子膨胀阀14节流降压后进入蓄热装置13制冷剂侧，在蓄热装置13内蒸发吸热，成为过热气体，然后制冷剂从蓄热装置13制冷剂侧的高温出口流出，再依次流经第二电磁阀12，四通阀3，低压保护装置16回到压缩机1，完成一个再生循环。同时热水从水箱22出口流出，经第五电磁阀23进入冷凝器4水侧入口，与制冷剂侧换热后流出冷凝器4，经第二水泵21流回水箱22。此时太阳能热水自太阳能集热器17流出，经第三电磁阀18流入蓄热装置13水侧入口，为其中的蓄热材料补充热量后流出蓄热装置13，经第一水泵19流回太阳能集热器17。
本发明的特点在于：
1)本发明在太阳能制热水模式下利用太阳能集热器直接制取热水，在热泵制热水模式下使用空气源热泵制取热水的同时，利用蓄热装置蓄存太阳能热量，以备再生模式时使用，同时在再生过程中以蓄热装置13作为低温热源，弥补了逆循环除霜时缺乏低温热源的缺陷，充分利用***产生的热量，提高了空气源热泵热水器的性能。
2)太阳能制热水模式中，通过第三电磁阀18、第四电磁阀20、第六电磁阀24改变流路，与再生模式进行切换。同时本发明在蓄能装置13内设置温度传感器，根据蓄热材料介质温度的变化调节第一水泵19的频率，改变太阳能环路热水流量，调节蓄热装置13的蓄热能力。
3)热泵制热水模式中，通过调节第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀9的不同开度，调节制冷剂在除湿换热器7和蒸发器10内的蒸发温度。室外空气首先经过除湿换热器7，固体除湿吸附剂吸收空气中水分，除湿后的空气然后经过蒸发器10，在蒸发器10内被完全冷却。由于除湿后的空气露点温度低于蒸发器内制冷剂的蒸发温度，实现无霜空气源热泵。
4)在再生过程中，利用制冷剂在水箱冷凝后的余热对固体除湿吸附剂再生，减少了传统空气源热泵***除霜时的能耗和供热的影响，同时减少了除霜时残留的霜水，使用蓄热装置中的太阳能热量作为再生模式运行时的低位热源，提高了低温环境下空气源热泵的效率和稳定性。
综上所述，本发明将太阳能热水***与空气源热泵热水***一体化耦合设计，并将制冷剂侧与供水侧环路分开，在发挥太阳能最大供热潜力的基础上解决了空气源热泵低温工况运行时结霜的问题，保证了不间断供应热水。

Claims (6)

1.一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，其特征在于，包括压缩机(1)、换热器(7)、蓄热装置(13)、太阳能集热器(17)和水箱(22)；其中，
压缩机(1)出口经四通阀(3)后连接冷凝器(4)的制冷剂侧入口，冷凝器(4)的制冷剂侧出口之后的管路经第一干燥过滤器(5)连接于除湿换热器(7)，再经第二干燥过滤器(8)连接于蒸发器(10)，之后分为两条管路，一条管路连接四通阀(3)，四通阀(3)经管路连接于压缩机(1)的入口，另一条管路经第三干燥过滤器(15)及第三电子膨胀阀(14)连接于蓄热装置(13)的制冷剂侧入口，蓄热装置(13)的制冷剂侧出口经管路连接四通阀(3)，并通过四通阀(3)连接于压缩机(1)的入口；
太阳能集热器(17)出口分为两条管路，一条管路与蓄热装置(13)的水侧入口相连，蓄热装置(13)的水侧出口经第一水泵(19)连接于太阳能集热器(17)的入口；另一条管路经第二水泵(21)与水箱(22)相连，水箱(22)之后的管路连接于太阳能集热器(17)的入口；
水箱(22)出口连接于冷凝器(4)的水侧入口，冷凝器(4)的水侧出口经第二水泵(21)连接于水箱(22)入口。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，其特征在于，四通阀(3)与压缩机(1)入口连接的管路上设置有高压保护装置(2)。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，其特征在于，压缩机(1)出口和四通阀(3)之间的管路上设置有低压保护装置(16)。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，其特征在于，第一干燥过滤器(5)和第二干燥过滤器(8)的下游管路上分别设置有第一电子膨胀阀(6)和第二电子膨胀阀(9)。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，其特征在于，蒸发器(10)后分为两条管路，分别由第一电磁阀(11)与第二电磁阀(12)控制。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能与空气源热泵耦合热水***，其特征在于，太阳能集热器(17)出口的两条管路中，一条管路经第三电磁阀(18)与蓄热装置(13)的水侧入口相连；另一条管路经第四电磁阀(20)及第二水泵(21)与水箱(22)相连，水箱(22)之后的管路经第六电磁阀(24)连接于太阳能集热器(17)的入口；
水箱(22)出口经由第五电磁阀(23)连接于冷凝器(23)的水侧入口。
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