一種太陽能冰源熱泵供熱系統的製作方法

2023-09-11 19:51:30

本實用新型涉及熱泵供熱技術領域，特別是涉及一種太陽能冰源熱泵供熱系統。

背景技術：

北方地區冬季非常寒冷，需要供暖裝置提升室內溫度，傳統的供暖設備大都採用燃煤供暖，這樣不僅會對礦物資源造成很大的浪費，而且會造成空氣汙染，因此，環保節能的熱泵供熱技術應運而生。「熱泵」是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低位熱能，經過電能做功，提供可被人們所用的高位熱能的裝置。

現有技術中家用的熱泵供暖設備通常為空氣源熱泵和地源熱泵。空氣源熱泵以無處不在的空氣中的能量作為主要動力，通過少量電能驅動壓縮機運轉，實現能量的轉移，無需複雜的配置、昂貴的取水、回灌或者土壤換熱系統和專用機房，能夠逐步減少傳統採暖給大氣環境帶來的大量汙染物排放，保證採暖功效的同時實現節能環保的目的有著使用成本低、易操作、採暖效果好、安全、乾淨等多重優勢。地下土壤中蘊含著豐富的溫度資源，夏季地下土壤的溫度低於地上空間的溫度，冬季地下土壤的溫度高於地上空間的溫度。地溫熱泵供暖技術就是利用這種季節性溫度差，通過專門裝置在冬季將地下土壤的高溫資源轉提取上來，並通過地上室內採暖末端，為室內供暖。地源熱泵供暖不僅採暖範圍大，而且節能、環保、可再生、壽命長。

但是空氣源熱泵和地源熱泵均存在一些缺陷，空氣源熱泵在冬季室外溫度低的情況下，供熱效率會大幅度降低。地源熱泵供暖需要設置大量的基礎設施，且在溫度低的時候換熱效率低，受室外溫度影響較大。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本實用新型的目的是提供一種太陽能冰源熱泵供熱系統，以解決現有技術中熱泵供熱效率降低的缺陷。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種太陽能冰源熱泵供熱系統，包括供熱單元、製冰單元和融冰單元；

所述供熱單元包括通過管路順次連接以形成閉合迴路的：壓縮機、冷凝器、膨脹閥、過冷卻器的第一流道，所述供熱單元的管路中通有製冷劑；

所述製冰單元包括通過管路順次連接以形成閉合迴路的：蓄冰槽、第一水泵、過冷卻器的第二流道；所述製冰單元的管路內通有冷水；用於解除過冷的超聲波發生器設置在所述蓄冰槽內，或設置在第二流道的出口與所述蓄冰槽的入口之間；

所述融冰單元包括太陽能集熱器和第二水泵；所述第二水泵將所述蓄冰槽中的水泵至所述太陽能集熱器加熱，加熱後的水通過集熱器回水管返回至所述蓄冰槽；

所述過冷卻器的第一流道和第二流道進行熱交換，產生過冷水。

其中，所述第一水泵與所述第二流道的入口之間設有冰晶過濾器。

其中，所述製冰單元中設有用於調節水的流量的流量調節閥。

其中，所述第二流道的出水管路延伸至所述蓄冰槽內以形成出冰管路，所述出冰管路的末端向上折彎。

其中，在所述蓄冰槽內，所述出冰管路的末端分為多條支路。

其中，在所述蓄冰槽內，所述集熱器回水管的末端分為多條支路。

(三)有益效果

本實用新型提供的太陽能冰源熱泵供熱系統，通過採用製冷劑與冷水直接換熱的方式製造過冷水，換熱效率高，設備初投資少。通過將過冷水製冰與太陽能化冰的過程相結合，將太陽能高效率地轉換為室內空氣的熱能，提升室內溫度，可以應用在北方冬季集中供暖設備中，供熱效率高，成本低，且利用的是清潔能源，環保無汙染。供熱過程中，不易受外界環境溫度影響，只要有太陽即可實現化冰過程，大大提高了供熱系統的供熱效率。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例中太陽能冰源熱泵供熱系統示意圖；

圖2為圖1中的蓄冰槽結構示意圖；

圖中，1、壓縮機1；2、冷凝器；3、膨脹閥；4、過冷卻器；5、流量調節閥；6、電磁流量計；7、冰晶過濾器；8、第一水泵；9、蓄冰槽；10、超聲波發生器；11、第二水泵；12、太陽能集熱器；13、電磁閥；14、出冰管路；15、集熱器回水管；16、回水匯流排；17、出冰匯流排；18、冰水混合液18。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用於說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的範圍。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

圖1為本實用新型實施例中太陽能冰源熱泵供熱系統示意圖；圖2為圖1中的蓄冰槽結構示意圖。

如圖1所示，本實施例提供一種太陽能冰源熱泵供熱系統，包括供熱單元、製冰單元和融冰單元。

供熱單元包括通過管路順次連接以形成閉合迴路的：壓縮機1、冷凝器2、膨脹閥3、過冷卻器4的第一流道，供熱單元的管路中通有製冷劑。

供熱單元是利用製冷劑汽化時吸熱、冷凝時放熱的效應來實現製冷的。當製冷劑處在密閉容器中時，此容器中除了製冷劑及製冷劑本身所產生的蒸汽外，不存在其他任何氣體。製冷劑和製冷劑蒸汽將在某一壓力下達到平衡，此時的氣體稱為飽和蒸汽，壓力稱為飽和壓力，溫度稱為飽和溫度。達到平衡時製冷劑不再汽化，此時如果將一部分蒸汽從容器中抽走，液體製冷劑必然要繼續汽化產生一部分蒸汽來維持這一平衡。液體製冷劑汽化時要吸收熱量，此熱量稱為汽化潛熱。汽化潛熱來自被冷卻的對象，使被冷卻對象溫度降低。為了使這一過程連續進行，就必須從容器中不斷地抽走蒸汽，當蒸汽凝結成液態後再回到容器中去，如此循環即可不斷吸取被冷卻物質的熱量，形成製冷循環。

本實施例中的壓縮機1將輸入的製冷劑壓縮後，形成高溫高壓的過熱蒸汽。壓縮機1與冷凝器2之間通過銅管連接，過熱蒸汽沿銅管形成的管路輸送至冷凝器2。冷凝器屬於換熱器的一種，能將內部管子中的高溫物質的熱量以很快的方式傳到管子附近的空氣中。冷凝器2放置在室內，冷凝器2中設置有風機，在風機的作用下，室內空氣不斷流通，不斷與管子中的製冷劑進行熱交換，冷凝器2工作過程是個放熱的過程，工作過程會提升室內的溫度，實現室內製熱的效果。高溫高壓的蒸汽通過冷凝器2後，熱量傳遞給環境中的空氣，溫度降低，形成中溫高壓的液態製冷劑，輸出至膨脹閥3。中溫高壓的液態製冷劑通過膨脹閥3的節流變為低溫低壓的汽液混合態的製冷劑，輸出至過冷卻器4的第一流道，在第一流道內的汽液混合態製冷劑與第二流道內的冷水進行換熱後，變為低溫低壓的氣態製冷劑，再被壓縮機1吸入後壓縮，變為高溫高壓的蒸汽，完成一個循環。整個循環過程中，製冷劑不與外界的空氣接觸。

製冰單元包括通過管路順次連接以形成閉合迴路的：蓄冰槽9、第一水泵8、過冷卻器4的第二流道。製冰單元的管路內通有冷水；用於解除過冷的超聲波發生器10設置在蓄冰槽9內，或設置在第二流道的出口與蓄冰槽9的入口之間。

製冰單元的原理是通過製造過冷水，再通過解過冷操作，使得過冷水產生晶核，進而凝結為冰晶，生成冰漿，即流態冰。過冷水是在0℃以下仍然保持液態的冷水，因為水中缺少凝結核，液態水即使處於0℃以下，依然沒辦法凝結形成冰。過冷水是不穩定的，只要水體中產生少許該物質的晶核，便能誘發過冷水結晶，並使其溫度回升到凝固點，即過冷水通常處在亞穩態，在微小擾動下就會很快轉變為穩定狀態。

本實用新型中的製冰單元即利用解除過冷水的亞穩態製冰。蓄冰槽9中儲存的是冰水混合物，既有由過冷水製得的冰晶，也有未結冰的0℃水。第一水泵8將蓄冰槽9中的水泵出後，通過管路輸送至過冷卻器4的第二流道，第一流道中流通的是低溫低壓的汽液混合態製冷劑，此時製冷劑吸收第二流道中0℃水的熱量，使第二流道中冷水的溫度繼續降低，此時由於0℃水中不含任何雜質和冰晶，雖然水的溫度降低，但不會凝結出冰晶，進而產生過冷水。過冷水由第二流道輸出至蓄冰槽9中。過冷水從第二流道的輸出口進入蓄冰槽9之前，需要通過冷卻解除器進行解過冷操作，即破壞過冷水的亞穩態。例如，過冷卻解除器可以採用超聲波發生器10，可以是能產生高速氣流的裝置，或者能在過冷水流動過程中產生擾動的裝置。本實施例中採用超聲波發生器10，且設置在蓄冰槽9槽底。超聲波發生器10產生的超聲波使過冷水振動產生晶核，進而使過冷水凝結生成冰漿並送入蓄冰槽9中。或者，超聲波發生器10也可設置在蓄冰槽9的內部，對處於蓄冰槽9中的過冷水進行解過冷。製冰單元的管路內流通冷水，冷水流通過程中會有多種狀態，先變為過冷水，過冷水解過冷後變為冰漿進入蓄冰槽9，在蓄冰槽9中冰水分離，冰通常飄在水面上層或懸浮在上層，在蓄冰槽9底部基本不含冰晶。第一水泵8從蓄冰槽9底部將分離後的水泵至第二流道，完成一次過冷水的製取流程。如此多次循環使蓄冰槽9中的冰得到積累，進而儲存大量的冷能。過冷卻器4的第一流道和第二流道進行熱交換的過程中，即產生過冷水。

融冰單元包括太陽能集熱器12、第二水泵11。第二水泵11將蓄冰槽9中的水泵至太陽能集熱器12加熱，太陽能集熱器12採用真空管式。加熱後的水返回至蓄冰槽9，由於此時的回水溫度高於0℃，回水放熱，冰吸熱融化，進而將吸收的太陽能通過融冰過程存儲下來，再通過製冰循環中進行的製冷劑與過冷水的熱交換，最終實現將收集的太陽能轉移至室內空氣中，實現室內製熱的目的。白天的時候太陽能集熱器12吸熱加熱集熱器內的水，加熱後的水並不需要很高的溫度，通常10℃以下即可，這樣即使外界環境溫度較低時，也能保持較高的集熱效率。夜晚沒有太陽光的時候，製冰單元仍然可以繼續工作為室內供熱，這樣即可將太陽能持續不斷地轉換為熱能，為室內環境供熱。

本實用新型提供的太陽能冰源熱泵供熱系統，通過採用製冷劑與冷水直接換熱的方式製造過冷水，換熱效率高，設備初投資少。通過將過冷水製冰與太陽能化冰的過程相結合，將太陽能高效率地轉換為室內的熱能，提升室內溫度，可以應用在北方冬季集中供暖設備中，供熱效率高，成本低，且利用的是清潔能源，環保無汙染。供熱過程中，不易受外界環境溫度影響，只要有太陽即可實現化冰過程，大大提高了供熱系統的供熱效率。

在上述實施例的基礎上，第一水泵8與第二流道的入口之間設有冰晶過濾器7。冰晶過濾器7通常與第一水泵8的出口處相連，用來過濾冷水中小冰晶，使得進入第二流道的冷水中不含晶核，進而保證過冷水的正常產生。第一水泵8需要將蓄冰槽9中的冷水泵至第二流道中，而蓄冰槽9中通常是冰水混合物，當冰量較多時，會在蓄冰槽9的底層中也存在少量的小冰晶，在泵的吸力作用下，很容易進入第二流道中，這樣在第二流道中就容易產生冰堵現象，而設置冰晶過濾器7對進入第二流道的冷水進行過濾，即減小了冰堵發生的機率，提高製冰效率。

在上述實施例的基礎上，製冰單元中設有用於調節過冷水流量的流量調節閥5。例如，製冰期間，環境溫度的變化會影響製冷單元輸出的冷量，冷量的變化會影響過冷水的過冷度，通過設置流量調節閥5來對過冷水的流量進行調節。流量調節閥5設置在冷水進入第二流道之前的管路中，流量調節閥5可以採用電動比例調節閥，通過調節電動比例調節閥的開度來調節進入第二流道的冷水的流量，用來保證產生的過冷水維持合適的過冷度，進而能穩定產生冰漿。還可以在製冰單元的管路中設置電磁流量計6，用來實時監測通過的冷水的流量，方便控制。

在上述實施例的基礎上，第二流道的出水管路延伸至蓄冰槽9內以形成出冰管路14，出冰管路14的出口設有向上的折彎。如圖1中所示，出冰管路14有一個向上的折彎，目的是減緩進入蓄冰槽9中冰漿的速度。冰漿在泵的作用下會產生較大的衝力，若出冰管路14豎直向下，冰漿在衝力作用下有可能直接衝至蓄冰槽9底部，再在第一泵的作用下流向第二流道，這樣既會導致第二流道發生冰堵現象，又浪費了製造出來的冰晶，使得製冰效率下降。將出冰管路14設置向上的折彎，會很好地起到緩衝作用，降低冰漿向下的衝力，使得冰漿較緩慢地落入蓄冰槽9中，提高製冰效率。

在上述實施例的基礎上，出冰管路14的末端包括多條支路，如圖2中所示。例如位於蓄冰槽9內的出冰管路14的末端可製成出冰匯流排17，冰漿從出冰管路14輸出後，由出冰匯流排17進行分流後落入蓄冰槽9中。由於蓄冰槽9體積通常比較大，通過出冰匯流排17對冰漿進行分流後，能使冰漿更均勻地落入蓄冰槽9中，避免了大量的冰堆積在出冰管路14下，冰的流動性較差，很容易越積越高，當累積至出冰管路14出口時，可能導致出冰管路14堵塞，設置出冰匯流排17即避免了這用情況的發生。

在上述實施例的基礎上，太陽能集熱器12加熱後的水通過集熱器回水管15輸送至所述蓄冰槽9，所述集熱器回水管15延伸至蓄冰槽9內，且末端包括多條支路。例如位於蓄冰槽9內的集熱器回水管15的末端可製成回水匯流排16，如圖2中所示，熱水從集熱器回水管15輸出後，由回水匯流排16進行分流後落入蓄冰槽9中。由於蓄冰槽9體積通常比較大，通過回水匯流排16對熱水進行分流後，能使熱水均勻地分散在蓄冰槽9中，避免了熱水只聚集在某一處而降低化冰效率。另外。另外在太陽能集熱器到蓄冰槽的這段管路上，還可以設置電磁閥13，用來控制融冰單元管路的通斷，因為在夜晚，太陽能集熱器是不工作的，此時可以通過電磁閥切斷管路中水的流通，降低不必要的消耗。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。