CN203323422U - 一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热*** - Google Patents

一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热*** Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***，将蓄能型太阳能重力热管平板集热器与建筑外墙或者屋顶等结合，热泵供热***安装在室外，不占用室内空间，实现与建筑的一体化。***是基于重力热管作为热传递媒介，将瞬时太阳能或平板集热器中相变材料储存的太阳能传递给热泵***蒸发器，并利用热泵循环加热热水，用以提供生活热水或者提供给散热器用以冬季供暖的新型太阳能热泵供热水。本实用新型能解决纯屋顶安装太阳能热水器带来的单位居民住宅太阳能辐射利用率较低的问题，合理有效地利用蓄能介质实现对太阳能的集热及移峰填谷，并提高了热泵***的制热效率，能优化蓄能型太阳能热泵热水***的整体性能。

Description

一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***
技术领域
本实用新型涉及一种与建筑一体化的供热水***，具体说是一种通过太阳能平板集热器集热，相变材料储存热量和重力热管高效传热相结合的热泵供热***，属于太阳能利用领域。
背景技术
能源和环境是当今世界突出的两大社会问题，这促使人们更多地意识到能源对人类的重要性，而愈来愈重视太阳能利用和热泵节能技术。太阳能是可再生清洁能源，我国太阳能资源丰富，有2/3的地区年辐射总量大于5020MJ/m2、年日照小时在2200h以上，所以太阳能热水器得到了广泛的应用。
由于太阳能的不稳定性和间歇性，使其不宜作为供热水***的主要热源，需要与辅助加热设备一起使用。因此采用节能装置——热泵与太阳能集热设备相联接的方式，以太阳能作为热泵的低温热源，***整体性能提高。太阳能与热泵联合运行的思想，最早由Jordan和Therkeld于20世纪50年代提出，此后众多研究者进行了相关的研究，这些都推动了太阳能热泵供热水***的进一步发展。但是太阳能热泵在夜间及连续阴雨天时无法正常工作，因此将太阳能热泵***与蓄能技术结合起来，利用蓄能材料储存太阳能起到移峰填谷的作用，很好地解决***不能连续运行的问题。
但是现有的太阳能热泵仅仅以溶液(水溶液、乙醇溶液等)为介质通过显热来储存太阳能，储存的能量很有限。哈尔滨工业大学提出了太阳能季节性相变蓄热热泵***，在蓄热器中充入相变材料(CaCl2·6H2O)，利用相变蓄热材料将夏季或冬季白天辐射较强时的太阳能贮存起来，作为冬季夜晚或阴天热泵的低位热源，解决了冬季利用热泵直接供热效率过低的问题。***利用相变潜热贮存能量，比利用显热蓄热时蓄热装置体积明显减小，蓄热效率提高。但集热器、蓄热器、蒸发器分开布置，***复杂、制造成本大、存在二次传热热损失。
将集热器、蓄热器、蒸发器集成一体的***虽然减少了中间换热环节，节约了制造成本。但是***制冷剂充灌量大，蒸发管路长导致管路压降大，使得压缩机容积效率减少，影响***性能。而重力热管具有结构简单、无温差传热、热响应快等优点。有鉴于此，本实用新型提出利用重力热管做媒介将集热器中相变材料的热量传递给热泵***蒸发器，缩短热泵***的管路，有效提高***整体性能。
发明内容
本实用新型提供一种与建筑屋顶或外墙结合的太阳能热泵供热***，目的在于将集热蓄能装置与屋顶或墙体结合实现建筑一体化，合理有效地利用蓄能介质实现对太阳能的收集及移峰填谷，并利用重力热管进行高效传热，从而提高热泵***的制热效率，优化蓄能型太阳能热泵热水***的整体性能，解决单位居民住宅太阳能辐射利用率低的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案为：
一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***，包括蓄能型重力热管太阳能平板集热器，通过框架和螺母将其固定在建筑屋顶或外墙，冷凝/蒸发换热器、压缩机、水冷冷凝器、节流阀、水箱和水泵贴墙布置；所述蓄能型重力热管太阳能集热器包括太阳能平板集热器、重力热管和相变材料，重力热管的蒸发段布置在太阳能平板集热器的透明盖板内；所述冷凝/蒸发换热器为套管式换热器，由换热器外壳、热泵蒸发器和重力热管的冷凝段构成，换热器外壳套在重力热管的冷凝段外部，所述换热器外壳与热泵蒸发器的管路连通；多个热泵蒸发器的管路串联后，再和压缩机、水冷冷凝器的制冷剂管、水冷冷凝器、节流阀串联连接成一个闭合的制冷剂循环回路；所述水冷冷凝器、水冷冷凝器水管、水泵和水箱串联连接成一个闭合的水循环回路。
所述平板集热器内重力热管蒸发段周围填充相变材料，可为石蜡、月桂酸、癸酸、十水硫酸钠、正十七烷、正十八烷或以上材料任意组合，也可为装有上述相变材料的胶囊并以水填充在胶囊的空隙间。
所述重力热管蒸发段的管外设置有翅片，翅片选铜、铁、铝或合金为材料，以螺旋形盘绕在重力热管的蒸发段外面，翅片的形状可为H形、三角形、梯形或矩形。
***工作过程如下：平板集热器内的重力热管蒸发段吸收相变材料传递的太阳能或者吸收相变材料释放的之前储存的太阳能，通过重力热管内充注材料将热量高效传递给重力热管冷凝段，重力热管冷凝段和热泵蒸发器在冷凝/蒸发换热器中进行热交换，热泵蒸发器中制冷剂得到热量汽化成制冷剂蒸气，经压缩机加压后进入冷凝器，在其中放出热量冷却凝结，释放的热量用以加热冷凝器另一侧的冷却介质水，冷却凝结后的制冷剂液体通过节流阀节流后，进入热泵蒸发器中，继续吸收重力热管传递的热量，如此完成一个循环。水冷冷凝器中的冷却介质水吸热后温度升高可提供生活用热水或者提供给散热器用以冬季供暖。
本实用新型将蓄能型太阳能重力热管平板集热器安装在屋顶或者建筑外墙，与墙体结合实现建筑一体化，基于重力热管作为热传递媒介，将瞬时太阳能或者集热器中相变材料储存的太阳能传递给热泵***蒸发器，并利用热泵循环加热热水，用以提供生活热水或者提供给散热器用以冬季供暖，具有以下优点：
1、本实用新型建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***，可将蓄能型太阳能重力热管平板集热器安装在平屋顶上、坡屋面上、外墙面上、外墙窗户下方或阳台栏板位置，实现其与建筑的完美结合，解决单位居民住宅太阳能辐射利用率较低的问题。
2、本实用新型将蓄能型太阳能平板集热器与重力热管相结合，综合利用重力热管的热响应快和无温差传热，和相变材料储存热量多、蓄热密度大等特点，提高热泵***低温热源，从而提高***热力性能，节约常规能源，减少环境污染。
3、本实用新型为太阳能作为热泵低温热源提供了一种可行的方法与方案，只需要将技术已经很成熟的热泵***、重力热管和蓄能型太阳能真空管加以耦合和改造即可实现。
4、***合理有效地利用蓄能介质实现对太阳能的集热及移峰填谷，克服了热泵冬季运行效率不高的缺陷，实现优势互补，能够全天候、高效、稳定地提供生活热水，并提高了热泵***的制热效率，能优化蓄能型太阳能热泵热水***的整体性能。
附图说明
图1是蓄能型重力热管太阳能平板集热器与墙体结合的结构示意图；
图2是蓄能型重力热管太阳能平板集热器横断面图；
图3是蓄能型供热水***与墙体结合的示意图；
图4是本实用新型的结构示意图；
图5是蓄能型重力热管太阳能平板集热器结构示意图；
图6是冷凝/蒸发换热器结构示意图。
图中，蓄能型重力热管太阳能平板集热器1、冷凝/蒸发器换热器2、压缩机3、水冷冷凝器4，节流阀5，储水箱6，水泵7，水管8，制冷剂管9，重力热管10，翅片11，相变材料12，换热器外壳13，热泵蒸发器管路14，玻璃盖板15，隔热层16，框架17，固定螺母18。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1和图2所示，蓄能型重力热管太阳能平板集热器1与墙体结合，由墙体，冷凝/蒸发器换热器2，重力热管10，相变材料12，玻璃盖板15，隔热层16，框架17，固定螺母18组成。
如图3所示，蓄能型供热水***与墙体结合的示意图，图中将蓄能型太阳能重力热管平板集热器与墙体结合实现建筑一体化，用框架17和固定螺母18将其固定在屋顶或外墙，冷凝/蒸发换热器2、压缩机3、水冷冷凝器4、节流阀5、储水箱6和水泵7贴墙布置。
如图4所示，本实用新型的结构示意图，一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***，该***将多个冷凝/蒸发换热器2的热泵蒸发器管路14串联后，再和压缩机3、水冷冷凝器的制冷剂管9、水冷冷凝器4、节流阀5串联连接成一个闭合的制冷剂回路；水冷冷凝器4、水冷冷凝器水管8、水泵7、水箱6串联连接成一个闭合的水回路。
如图5、6所示，重力热管10的蒸发段布置在太阳能平板集热器1内，重力热管10的冷凝段和热泵蒸发器管路构成冷凝/蒸发换热器2。
如图5所示，蓄能型重力热管太阳能集热器由太阳能平板集热器1、重力热管10和相变材料12构成。重力热管10的蒸发段布置于太阳能平板集热器1中，重力热管10蒸发段与玻璃盖板15之间以相变材料12填充，相变材料12可为石蜡、月桂酸、癸酸、十水硫酸钠、正十七烷、正十八烷，也可为装有上述相变材料的胶囊并以水填充在胶囊的空隙间。重力热管10蒸发段的管外有翅片11加强换热，翅片11选铜、铁、铝或合金为材料，以螺旋形盘绕在重力热管10蒸发段外，翅片11的形状可为H形、三角形、梯形或矩形。
如图6所示，冷凝/蒸发换热器2由换热器外壳13、热泵蒸发器和重力热管10的冷凝段构成。换热器管内流动的是重力热管10的充注材料，换热器管外壳体内流动的是热泵蒸发器管路的制冷剂，重力热管10的充注材料和热泵蒸发器管路14的制冷剂之间通过换热器的间壁换热。
当太阳能充足时，太阳能平板集热器1吸收太阳能并将热量一部分通过相变材料12传递给重力热管10，另一部分通过相变材料12的相变储存起来。当太阳能不够时，集热器内相变材料12通过相变将之前储存的太阳能释放出来，传递给重力热管10，实现对太阳能的移峰填谷作用。
位于太阳能平板集热器1内的重力热管10蒸发段吸收相变材料12传递的太阳能或者吸收相变材料12释放的之前储存的太阳能，通过重力热管10内充注材料将热量高效传递给重力热管10冷凝段，重力热管10冷凝段和热泵蒸发器管路在冷凝/蒸发换热器2中进行热交换，热泵蒸发器管路中制冷剂得到热量汽化成制冷剂蒸气。
多个冷凝/蒸发换热器2采用串联的形式连接。热泵***的制冷剂在多个冷凝/蒸发换热器2的热泵蒸发器管路中依次吸收重力热管10传递的热量汽化成蒸气后，经压缩机3加压后进入水冷冷凝器制冷剂管9，在其中放出热量冷却凝结，释放的热量用以加热水冷冷凝器水管8侧的冷却介质水，冷却凝结后的制冷剂液体再通过节流阀5节流后，进入热泵蒸发器管路中，继续吸收重力热管10传递的热量，如此完成一个循环。
水冷冷凝器水管8中的冷却介质水吸收冷凝器制冷剂管9侧放出的热量后温度升高，储存在储水箱6中，用来提供生活热水或者提供给散热器用以冬季供暖。

Claims (4)

1.一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***，包括蓄能型重力热管太阳能平板集热器、冷凝/蒸发换热器、压缩机、水冷冷凝器、节流阀、储水箱和水泵；其特征在于，所述蓄能型重力热管太阳能平板集热器通过框架和螺母固定在建筑屋顶或外墙上；所述冷凝/蒸发换热器、压缩机、水冷冷凝器、储水箱和水泵贴着建筑屋顶或外墙布置；所述蓄能型重力热管太阳能平板集热器包括太阳能平板式集热器、重力热管和相变材料，重力热管的蒸发段布置在太阳能平板式集热器内；所述冷凝/蒸发换热器为套管式换热器，由换热器外壳、热泵蒸发器管路和重力热管的冷凝段构成，换热器外壳套在重力热管的冷凝段外部，换热器壳内流动的是热泵蒸发器的制冷剂，换热器外壳与热泵蒸发管路连通；多个热泵蒸发器管路串联后，再和压缩机、水冷冷凝器的制冷剂管、水冷冷凝器、节流阀串联连接成一个闭合的制冷剂循环回路；所述水冷冷凝器、水冷冷凝器水管、水泵和储水箱串联连接成一个闭合的水循环回路。
2.根据权利要求1所述的一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***，其特征在于，所述重力热管的蒸发段与太阳能平板式集热器之间采用相变材料填充，或者采用装有相变材料的胶囊并以水填充在胶囊的空隙间的方式。
3.根据权利要求2所述的一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***，其特征在于，所述相变材料为石蜡、月桂酸、癸酸、十水硫酸钠、正十七烷或者正十八烷。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种建筑一体化蓄能型太阳能重力热管热泵供热***，其特征在于，所述重力热管的蒸发段的管外设置有翅片，所述翅片为铜、铁、铝或合金材料，并以螺旋形盘绕在重力热管的蒸发段外，翅片的形状为H形、三角形、梯形或矩形。
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