CN109724250A - 一种高低温相变蓄热式供能装置及控制方法 - Google Patents

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王达
陈茹
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Abstract

本发明公开了一种高低温相变蓄热式供能装置及控制方法，该功能装置中压缩机出气口依次连接冷凝器、一级节流阀，第一节流阀的出口设有两条管线，第一管线出口连接压缩机进气口，第一管线按照制冷剂流动方向依次设有二级节流阀和蒸发器，第二管线出口连接太阳能集热器的蒸发盘管进口，太阳能集热器的蒸发盘管出口连接压缩机进气口；太阳能集热器的换热出口和缓冲蓄热箱的出口均用于连接供能末端的进口，太阳能集热器的换热进口和缓冲蓄热箱的进口均用于连接供能末端的出口，第二管线、太阳能集热器的换热出口和缓冲蓄热箱的出口均安装阀门，冷凝器设置在缓冲蓄热箱内，太阳能集热器和缓冲蓄热箱分别填充低温相变蓄热材料、高温相变蓄热材料。

Description

一种高低温相变蓄热式供能装置及控制方法
技术领域
本发明属于复合能源供能领域，涉及一种高低温相变蓄热式供能装置及控制方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术，以制冷剂为媒介，压缩机把低温低压气态冷媒转换成高压高温气态，高温高压的气态冷媒在冷凝器中与水或者空气进行热交换，高压的冷媒在常温下被冷却、冷凝为液态。冷媒放出热量用来加热水或者空气，获取热水或者热风。空气源热泵是以室外空气作为热源侧载能介质的冷热源设备，因此当室外环境温度低时，蒸发温度低、压缩比大导致制热量小、能效比低、压缩机排气温度过高，有时甚至出现不能启动的问题，且还容易室外换热器结霜，加剧性能下降。通过引入太阳能辅助能源能够一定程度上解决其低温下性能下降的问题，但也存在***不稳定，受天气和夜间影响较大的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高低温相变蓄热式供能装置及控制方法，实现全年高效稳定的供热风、热水。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面提供了一种高低温相变蓄热式供能装置，由压缩机、一级节流阀、二级节流阀、蒸发器、太阳能集热器、冷凝器、缓冲蓄热箱组成；
所述太阳能集热器由壳体、蒸发盘管、太阳能集热板组成，所述蒸发盘管布置在太阳能集热板上，所述太阳能集热板将壳体分为相变蓄热腔和换热腔，换热腔内与太阳能集热板相对的壳体为透明材质，换热腔开设换热进口和换热出口，所述相变蓄热腔内填充低温相变蓄热材料；所述冷凝器设置在缓冲蓄热箱内，所述缓冲蓄热箱内设有高温相变蓄热材料；
压缩机出气口依次连接冷凝器、一级节流阀，第一节流阀的出口设有两条管线，第一管线出口连接压缩机进气口，第一管线按照制冷剂流动方向依次设有二级节流阀和蒸发器，第二管线出口连接太阳能集热器的蒸发盘管进口，太阳能集热器的蒸发盘管出口连接压缩机进气口；太阳能集热器的换热出口和缓冲蓄热箱的出口均用于连接供能末端的进口，太阳能集热器的换热进口和缓冲蓄热箱的进口均用于连接供能末端的出口，第二管线、太阳能集热器的换热出口和缓冲蓄热箱的出口均安装阀门。
第二方面提供了一种上述供能装置在供暖领域或烘干领域中的应用。
第三方面提供了一种利用上述供能装置的供能方法，太阳能集热器通过太阳能集热板将太阳能转化为热能，一部分热能被低温相变材料吸收存储，另一部分用于加热蒸发盘管内的制冷剂或换热腔内的换热介质；
当环境温度较低时，制冷剂经过一级节流阀进行一级节流降压后分为两部分，一部分经过二级节流阀进行二级节流降压后进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，另一部分进入太阳能集热器吸热后进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内的换热介质被制冷剂加热后输送至供能末端进行供能；
当环境温度较高时，制冷剂依次经过一级节流阀、二级节流阀进行两级节流降压，两级节流降压后的制冷剂进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内经制冷剂加热后的换热介质与太阳能集热器内被加热的换热介质一同输送至供能末端进行供能。
第四方面提供了一种上述供能装置的控制方法，当环境温度较高时，关闭第二管线的阀门，打开太阳能集热器的换热出口的阀门和缓冲蓄热箱的出口的阀门，制冷剂依次经过一级节流阀、二级节流阀进行两级节流降压，两级节流降压后的制冷剂进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内经制冷剂加热后的换热介质与太阳能集热器内被加热的换热介质一同输送至供能末端进行供能；
当环境温度较低时，关闭太阳能集热器的换热出口的阀门，打开第二管线的阀门和缓冲蓄热箱的出口的阀门，制冷剂经过一级节流阀进行一级节流降压后分为两部分，一部分经过二级节流阀进行二级节流降压后进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，另一部分进入太阳能集热器吸热后进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内的换热介质被制冷剂加热后输送至供能末端进行供能。
本发明的有益效果为：
1.本发明在缓冲蓄热箱内添加高温相变蓄热材料，可以有效提高缓冲水箱的储热能力，减小***供热的温度波动；同时由于增大了储热能力，也可以缩小相同情况下的缓冲水箱的体积，从而降低水箱的热量散失与工程造价。
2.本发明采用二级节流的方式，可将制冷剂分为两种蒸发温度，在两种温度的介质(环境空气与太阳能集热器)中吸取热量，并可通过管路中的阀门来控制两条路径的流量，从而灵活适应各种工况，实现***喷气增焓的效果，提高低温环境下的热稳定性。
3.本发明的太阳能集热器具有三个功能，热泵***的辅助蒸发器，太阳能集热器和低温相变蓄热，在太阳能较强时可利用太阳能进行蓄热后通入辅助蒸发器中。在夜间可利用白天存储的热量提高辅助蒸发器内的制冷剂蒸发温度，提高热泵***COP。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为实施例供能装置的结构示意图；
图2为缓冲蓄热箱的结构示意图；
图3为太阳能集热器的截面示意图；
其中，1、压缩机，2、一级节流阀，3、二级节流阀，4、蒸发器，5、太阳能集热器，6、水泵，7、冷凝器，8、翅片管，9、缓冲蓄热箱，10、供能末端，11、蒸发盘管，12、透明盖板，13、太阳能集热板，14、相变蓄热腔，15、保温层，16、换热腔，S1、第一阀门，S2、第二阀门，S3、第三阀门。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本公开中所述的换热介质为空气或水。
本公开中所述阀门为开度可调节的阀门，如笼式球阀、旋转浮球阀、偏心阀、蝶形阀等。
针对空气源热泵受环境影响较大的不足，本公开提出了一种高低温相变蓄热式供能装置及控制方法。
本公开的一种典型实施方式，提供了一种高低温相变蓄热式供能装置，由压缩机、一级节流阀、二级节流阀、蒸发器、太阳能集热器、冷凝器、缓冲蓄热箱组成；
所述太阳能集热器由壳体、蒸发盘管、太阳能集热板组成，所述蒸发盘管布置在太阳能集热板上，所述太阳能集热板将壳体分为相变蓄热腔和换热腔，换热腔内，与太阳能集热板相对的壳体为透明材质，换热腔开设换热进口和换热出口，所述相变蓄热腔内填充低温相变蓄热材料，如石蜡类储热材料等；所述冷凝器设置在缓冲蓄热箱内，所述缓冲蓄热箱内设有高温相变蓄热材料，如脂肪酸、结晶水合盐等，其中，结晶水合盐如，Fe(NO3)2·6H2O、Na2B4O7·10H2O、Na2PO4·12H2O、AlK(SO4)2·12H2O等；
压缩机出气口依次连接冷凝器、一级节流阀，第一节流阀的出口设有两条管线，第一管线出口连接压缩机进气口，第一管线按照制冷剂流动方向依次设有二级节流阀和蒸发器，第二管线出口连接太阳能集热器的蒸发盘管进口，太阳能集热器的蒸发盘管出口连接压缩机进气口；太阳能集热器的换热出口和缓冲蓄热箱的出口均用于连接供能末端的进口，太阳能集热器的换热进口和缓冲蓄热箱的进口均用于连接供能末端的出口，第二管线、太阳能集热器的换热出口和缓冲蓄热箱的出口均安装阀门。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述太阳能集热器的壳体设有保温层。防止能力以热辐射的形势散失。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述缓冲蓄热箱内设有若干翅片管，高温相变储热材料填充至翅片管内。增大高温相变材料与缓冲蓄热箱内换热介质的换热面面积，增强高温相变材料吸热放热速率。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述蒸发器设有引风机。能够将更多的环境空气输送至蒸发器，为蒸发器内的制冷剂提供更多的能量。
该实施方式的一种或多种实施例中，太阳能集热器的换热出口设有泵体或风机。为太阳能集热器换热腔内的换热介质提供动力。
本公开的另一种实施方式，提供了一种上述供能装置在供暖领域中的应用。
本公开的第三种实施方式，提供了一种利用上述供能装置的供能方法，太阳能集热器通过太阳能集热板将太阳能转化为热能，一部分热能被低温相变材料吸收存储，另一部分用于加热蒸发盘管内的制冷剂或换热腔内的换热介质；
当环境温度较低时，制冷剂经过一级节流阀进行一级节流降压后分为两部分，一部分经过二级节流阀进行二级节流降压后进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，另一部分进入太阳能集热器吸热后进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内的换热介质被制冷剂加热后输送至供能末端进行供能；
当环境温度较高时，制冷剂依次经过一级节流阀、二级节流阀进行两级节流降压，两级节流降压后的制冷剂进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内经制冷剂加热后的换热介质与太阳能集热器内被加热的换热介质一同输送至供能末端进行供能。
该实施方式的一种或多种实施例中，当没有太阳为太阳能集热器提供能量时，相变蓄热腔内的低温相变蓄热材料释放储蓄的能量。
本公开的第三种实施方式，提供了一种上述供能装置的控制方法，当环境温度较高时，关闭第二管线的阀门，打开太阳能集热器的换热出口的阀门和缓冲蓄热箱的出口的阀门，制冷剂依次经过一级节流阀、二级节流阀进行两级节流降压，两级节流降压后的制冷剂进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内经制冷剂加热后的换热介质与太阳能集热器内被加热的换热介质一同输送至供能末端进行供能；
当环境温度较低时，关闭太阳能集热器的换热出口的阀门，打开第二管线的阀门和缓冲蓄热箱的出口的阀门，制冷剂经过一级节流阀进行一级节流降压后分为两部分，一部分经过二级节流阀进行二级节流降压后进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，另一部分进入太阳能集热器吸热后进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内的换热介质被制冷剂加热后输送至供能末端进行供能。
该实施方式的一种或多种实施例中，通过控制第二管线的阀门的开度，以控制第一管线内制冷剂和第二管线内制冷剂的流量比。通过管路中的的阀门来控制两条路径的流量比例，进一步灵活适应各种工况，从而进一步提高低温环境下的热稳定性。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
一种高低温相变蓄热式供能装置，如图1所示，由压缩机1、一级节流阀2、二级节流阀3、蒸发器4、太阳能集热器5、水泵6、冷凝器7、缓冲蓄热箱9组成。
缓冲蓄热箱9如图2所示，冷凝器7设置在缓冲蓄热箱9内，缓冲蓄热箱9内设有若干翅片管8，翅片管8内填充高温相变储热材料。
太阳能集热器5，如图3所示，由壳体、蒸发盘管11、太阳能集热板13组成，蒸发盘管11布置在太阳能集热板13上，太阳能集热板13将壳体分为相变蓄热腔14和换热腔16，壳体被保温层15覆盖，换热腔16内与太阳能集热板13相对的壳体为透明盖板12，换热腔16开设换热进口和换热出口，相变蓄热腔14内填充低温相变蓄热材料。
压缩机1出气口依次连接冷凝器7、一级节流阀2，第一节流阀2的出口设有两条管线，第一管线出口连接压缩机1进气口，第一管线按照制冷剂流动方向依次设有二级节流阀3和蒸发器4，第二管线出口连接太阳能集热器5的蒸发盘管11进口，太阳能集热器5的蒸发盘管11出口连接压缩机1进气口；太阳能集热器5的换热出口和缓冲蓄热箱9的出口均连接供能10末端的进口，太阳能集热器5的换热进口和缓冲蓄热箱9的进口均连接供能末端10的出口，缓冲蓄热箱的出口、第二管线和太阳能集热器的换热出口分别安装第一阀门S1、第二阀门S2、第三阀门S3。
夏季流程：关闭第二阀门S2，打开第一阀门S1、第三阀门S3，此时，复合蒸发器不参与***工作，该***属于常规的太阳能复合热泵***，将太阳能集热器5和常规热泵***产生的热量引入供能末端10，太阳能集热器热量由水泵6输送到供能末端10，根据需要用于提供热水。
冬季白天流程：关闭第三阀门S3，打开第一阀门S1、第二阀门S2。在白天辐照良好的条件下，经压缩机1排出的高温气体的制冷剂进入冷凝器7内与缓冲蓄热箱9的热水换热，将热量传递给热水，热量存储在翅片管8内的高温相变蓄热材料内，之后制冷剂进入一级节流阀2进行节流降压后，之后分两路进行，一路经过二级节流阀3进行二次节流后进入蒸发器4吸收环境中的热量；另一路经过第二阀门S2进入太阳能集热器5吸收太阳能集热板13产生的热量；最后两路气体在压缩机1处混合并进行气体压缩，实现***的喷气增焓效果。当太阳辐射较低时可适当降低第二阀门S2的开度，使制冷***多吸收环境中的热量，当天气晴朗辐射条件较好时可增大第二阀门S2的开度，使制冷***多吸收太阳能集热器5的热量。
冬季夜间流程：关闭第三阀门S3，打开第一阀门S1、第二阀门S2。在白天辐照良好的条件下，经压缩机1排出的高温气体的制冷剂进入冷凝器7内与缓冲蓄热箱9的热水换热，将热量传递给热水，之后制冷剂进入一级节流阀2进行节流降压后，之后分两路进行，一路经过二级节流阀3进行二次节流后进入蒸发器4吸收环境中的热量；另一路经过第二阀门S2进入太阳能集热器5吸收太阳能集热板13白天存储在低温相变蓄热材料中的热量；最后两路气体在压缩机1处混合并进行气体压缩，实现***的喷气增焓效果。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高低温相变蓄热式供能装置，其特征是，由压缩机、一级节流阀、二级节流阀、蒸发器、太阳能集热器、冷凝器、缓冲蓄热箱组成；
所述太阳能集热器由壳体、蒸发盘管、太阳能集热板组成，所述蒸发盘管布置在太阳能集热板上，所述太阳能集热板将壳体分为相变蓄热腔和换热腔，换热腔内，与太阳能集热板相对的壳体为透明材质，换热腔开设换热进口和换热出口，所述相变蓄热腔内填充低温相变蓄热材料；所述冷凝器设置在缓冲蓄热箱内，所述缓冲蓄热箱内设有高温相变蓄热材料；
压缩机出气口依次连接冷凝器、一级节流阀，第一节流阀的出口设有两条管线，第一管线出口连接压缩机进气口，第一管线按照制冷剂流动方向依次设有二级节流阀和蒸发器，第二管线出口连接太阳能集热器的蒸发盘管进口，太阳能集热器的蒸发盘管出口连接压缩机进气口；太阳能集热器的换热出口和缓冲蓄热箱的出口均用于连接供能末端的进口，太阳能集热器的换热进口和缓冲蓄热箱的进口均用于连接供能末端的出口，第二管线、太阳能集热器的换热出口和缓冲蓄热箱的出口均安装阀门。
2.如权利要求1所述的供能装置，其特征是，所述太阳能集热器的壳体设有保温层。
3.如权利要求1所述的供能装置，其特征是，所述缓冲蓄热箱内设有若干翅片管，高温相变储热材料填充至翅片管内。
4.如权利要求1所述的供能装置，其特征是，所述蒸发器设有引风机。
5.如权利要求1所述的供能装置，其特征是，太阳能集热器的换热出口设有泵体或风机。
6.一种权利要求1～5任一所述的供能装置在供暖领域中的应用。
7.一种利用权利要求1～5任一所述的供能装置的供能方法，其特征是，太阳能集热器通过太阳能集热板将太阳能转化为热能，一部分热能被低温相变材料吸收存储，另一部分用于加热蒸发盘管内的制冷剂或换热腔内的换热介质；
当环境温度较低时，制冷剂经过一级节流阀进行一级节流降压后分为两部分，一部分经过二级节流阀进行二级节流降压后进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，另一部分进入太阳能集热器吸热后进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内的换热介质被制冷剂加热后输送至供能末端进行供能；
当环境温度较高时，制冷剂依次经过一级节流阀、二级节流阀进行两级节流降压，两级节流降压后的制冷剂进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内经制冷剂加热后的换热介质与太阳能集热器内被加热的换热介质一同输送至供能末端进行供能。
8.如权利要求7所述的供能方法，其特征是，当没有太阳为太阳能集热器提供能量时，相变蓄热腔内的低温相变蓄热材料释放储蓄的能量。
9.一种权利要求1～5任一所述的供能装置的控制方法，其特征是，当环境温度较高时，关闭第二管线的阀门，打开太阳能集热器的换热出口的阀门和缓冲蓄热箱的出口的阀门，制冷剂依次经过一级节流阀、二级节流阀进行两级节流降压，两级节流降压后的制冷剂进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内经制冷剂加热后的换热介质与太阳能集热器内被加热的换热介质一同输送至供能末端进行供能；
当环境温度较低时，关闭太阳能集热器的换热出口的阀门，打开第二管线的阀门和缓冲蓄热箱的出口的阀门，制冷剂经过一级节流阀进行一级节流降压后分为两部分，一部分经过二级节流阀进行二级节流降压后进入蒸发器进行吸热，吸热后的制冷剂进入压缩机，另一部分进入太阳能集热器吸热后进入压缩机，被压缩机压缩后的制冷剂进入冷凝器，制冷剂在冷凝器中与缓冲蓄热箱内的换热介质进行换热，同时利用高温相变蓄热材料进行储能，缓冲蓄热箱内的换热介质被制冷剂加热后输送至供能末端进行供能。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征是，通过控制第二管线的阀门的开度，以控制第一管线内制冷剂和第二管线内制冷剂的流量比。
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