一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法
2023-04-29 05:07:11 2
一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法
【專利摘要】本發明公開了一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法，用以提供生活熱水、或者提供給散熱器用來冬季供暖。太陽能集熱器中相變能材料將瞬時或者之前儲存的太陽能，通過振蕩熱管傳遞給複合換熱器。夏季運行時，直接加熱複合換熱器中循環水實現供熱水；冬季運行時，熱量傳遞給複合換熱器中的蒸發器提高蒸發溫度，啟動熱泵循環加熱熱水；過渡季節運行時，熱量一部分直接加熱複合換熱器中循環水，另一部分傳遞給複合換熱器中的蒸發器，啟動熱泵系統將熱水加熱到所需溫度。本方法直接利用太陽能供熱水，或利用太陽能提高熱泵系統蒸發溫度來供熱水，從而提高熱泵系統的制熱效率，優化蓄能型太陽能熱泵熱水系統的整體性能。
【專利說明】一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種供熱水方法，具體說是一種通過太陽能集熱管集熱，蓄能材料相變儲熱，振蕩熱管高效傳熱相結合的熱泵供熱方法，屬於太陽能利用領域。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，人們提升生活品質的要求越來越高，採暖和生活對熱水供應的需求越來越強烈，這方面的能源消耗佔建築總能耗的比重在逐年增加。利用可再生能源，走可持續發展道路是降低建築能耗的有效途徑之一。《中國的能源政策(2012)》白皮書提出大力發展新能源與可再生能源，指出「加大太陽能熱水器普及力度，鼓勵太陽能集中供熱水、太陽能採暖」。國務院印發了能源發展「十二五」規劃的通知，也指出「加快發展建築一體化太陽能應用，鼓勵太陽能採暖」。太陽能是可再生清潔能源，我國太陽能資源資源豐富，有2/3的地區年輻射總量大於5020MJ/m2、年日照小時在2200h以上。目前，太陽熱水器已得到快速發展，但因太陽能本身的不穩定性和間歇性，使其不宜作為供熱水系統的主要熱源，需要與輔助加熱設備一起使用。因此，發展全天候蓄能型太陽能熱泵系統對節能降耗具有重要的現實意義。
[0003]太陽能是可再生清潔能源，常規低溫太陽能集熱器集熱溫度在55_75°C，具有很高的集熱效率，成本也相對低廉，低位太陽能集熱器還有利於與建築一體化結合。熱泵節能優勢明顯，因而太陽能與熱泵聯合運行時，太陽能可提供比環境溫度高的熱源，作為熱泵系統蒸發器側熱源後，可同時提高太陽能集熱效率和熱泵的性能。但是太陽輻射受各種複雜氣象因素的影響強度隨時變化，具有不穩定性和間歇性，從而導致太陽能熱泵系統性能波動大，在陰雨天和日照時間短的冬季，很難實現全天候供熱水。一旦太陽輻射強度低於250W/m2時，集熱溫度比外界環境溫度還低，熱泵蒸發器側得不到足夠的熱量，系統無法運行。相變蓄能技術可以解決太陽能供求在時間和空間上不匹配矛盾，也就是在能量多時可以蓄能，在需要時釋放出來，從而提高能源利用率。且利用潛熱蓄能，蓄能密度大、溫度變化小。目前的蓄能型太陽能熱泵系統多為集熱器、蓄熱器、蒸發器分開布置，系統相對複雜，製造成本增大，且利用載熱介質從蓄熱器中取出熱量作為熱泵低位熱源，而水系統在冬季夜間有管路凍裂的危險。
[0004]中國專利CN200810020470.9 「複合源集熱/蓄能/蒸發一體化熱泵熱水系統」和CN200710190062.3 「集熱蓄能蒸發一體化太陽能熱泵系統」中，熱泵蒸發器均以U形管的形式布置於太陽能真空集熱管中，每根蒸發管與真空集熱管中間以相變材料填充起到蓄能容器的作用，減少了中間換熱環節，節約了製造成本。但是這些系統製冷劑充灌量大，蒸發管路長導致管路壓降大，使得壓縮機容積效率減少，影響系統性能。振蕩熱管內部傳熱集顯熱傳熱、相變傳熱、汽泡體積變化做功於一體，且不需要熱管所必須的吸液芯，具有結構簡單、操作方便、成本低、無需動力驅動、可遠距離傳輸、當量導熱係數大、熱響應快、可根據使用要求彎曲等優點，其傳熱性能是普通熱管的十幾倍。有鑑於此，本發明提出利用振蕩熱管做媒介將集熱器中相變材料儲存的熱量傳遞給三股流複合換熱器中的循環水或者熱泵系統蒸發器，縮短熱泵系統的管路，有效提高系統整體性能。
【發明內容】
[0005]針對現有蓄能型太陽能熱泵供熱系統的缺陷，本發明提供一種全天候運行的、高效、節能的太陽能熱泵供熱方法，目的在於合理有效地利用蓄能介質實現對太陽能的收集及移峰填谷，並利用振蕩熱管進行高效傳熱，從而提高熱泵系統的制熱效率，優化蓄能型太陽能熱泵熱水系統的整體性能。
[0006]本發明採用的技術方案如下:
[0007]一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法，分為熱管工質循環、熱泵製冷劑循環和循環水循環，所用裝置包括蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器、三股流複合換熱器、熱力膨脹閥、壓縮機、水冷冷凝器、水泵A、水泵B、儲水箱和截止閥，其中，蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器包括太陽能真空集熱管、相變材料和振蕩熱管，該供熱方法的具體過程如下:
[0008](I)夏季運行時，所述熱管工質循環:太陽輻射充足，蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器中相變材料傳遞的瞬時太陽能或者白天儲存夜間放出的熱量足夠多，振蕩熱管的蒸發段吸收這部分太陽能後，通過振蕩熱管內的充注材料將熱量高效傳遞給振蕩熱管的冷凝段，在三股流複合換熱器中振蕩熱管直接將這部分熱量用以加熱複合換熱器中的循環水，從而實現供熱水；所述熱泵循環停止工作；所述水循環:在三股流複合換熱器中得到振蕩熱管傳遞的熱量後溫度升高的水，通過水泵A進入儲水箱，經截止閥調節流量後進入三股流複合換熱器中繼續被加熱提高溫度；
[0009](2)冬季運行時，所述熱管工質循環:太陽輻射不足，蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器中相變材料傳遞或者白天儲存夜間放出的熱量較低，振蕩熱管的蒸發段吸收這部分太陽能後,通過振蕩熱管內的充注材料將熱量高效傳遞給振蕩熱管的冷凝段,振蕩熱管的冷凝段和熱泵蒸發器管路在三股流複合換熱器中進行熱交換；所述熱泵循環:熱泵蒸發器管路中的製冷劑得到熱管傳遞的熱量後汽化成製冷劑蒸氣，經壓縮機加壓後進入水冷冷凝器一側的製冷劑管路，放出熱量冷卻凝結後的製冷劑液體通過熱力膨脹閥節流，再進入熱泵蒸發器管路中，繼續吸收振蕩熱管傳遞的熱量，如此完成一個循環；所述水循環:水冷凝器的製冷劑管路釋放的熱量用以加熱水冷冷凝器另一側的循環水，送至儲水箱後又經水泵B，進入水冷冷凝器中繼續加熱到所需溫度；
[0010](3)過渡季節運行時，所述熱管工質循環:輻射稍有不足，蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器中相變材料傳遞或者白天儲存夜間放出的熱量通過振蕩熱管傳遞後，不足以加熱熱水到所需溫度，振蕩熱管將這部分熱量中的一部分用來加熱三股流複合換熱器中的循環水，另一部分傳遞給三股流複合換熱器中的熱泵蒸發器管路；所述熱泵循環:熱泵蒸發器管路中的製冷劑得到熱管傳遞的熱量後汽化成製冷劑蒸氣，經壓縮機加壓後進入水冷冷凝器的製冷劑管路，放出熱量冷卻凝結後的製冷劑液體通過熱力膨脹閥節流，再進入熱泵蒸發器管路中，繼續吸收振蕩熱管傳遞的熱量，如此完成一個循環；所述水循環由兩個並聯管路組成，一根循環水管路在三股流複合換熱器中得到振蕩熱管傳遞的熱量後溫度升高，通過水泵A進入儲水箱，經截止閥調節流量後再次進入三股流複合換熱器中繼續被加熱提高溫度；另一根水管路在水冷凝器中得到製冷劑管路釋放的熱量，然後被送至儲水箱後又經水泵B，進入水冷冷凝器中繼續加熱到所需溫度。
[0011]所述蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器中，振蕩熱管的蒸發段以U形管形式布置在太陽能真空集熱管內，蒸發段上還設有毛刷，蓄能材料填充在振蕩熱管的蒸發段與太陽能真空集熱管之間。
[0012]所述三股流複合換熱器為套管式換熱器，由換熱器外殼、熱泵蒸發器管路和振蕩熱管的冷凝段管路構成，循環水管路的進口和出口設置在換熱器外殼上，熱泵蒸發器管路和振蕩熱管的冷凝段管路並行設置在換熱器外殼內，換熱器外殼內充滿循環水；所述振蕩熱管冷凝段管路內流動的是熱管工質，所述熱泵蒸發器管路內流動的是製冷劑。
[0013]本發明基于振蕩熱管作為熱傳遞媒介，將瞬時太陽能或者集熱器中相變材料儲存的太陽能傳遞給三股流換熱器，直接供熱或利用熱泵循環加熱熱水，用以提供生活熱水或者提供給散熱器用以冬季供暖，具有以下優點:
[0014](I)合理有效地利用相變蓄能實現對太陽能的集熱及移峰填谷，可以解決能量供求在時間上的不匹配矛盾，也就是可以在能量多時可以蓄能，在需要時釋放出來，從而延長能源利用時間，提高能源利用率。
[0015](2)分階段利用太陽能，太陽輻射強時，可以方便切換到蓄能型太陽能集熱管加熱水模式，當太陽輻射弱時，熱泵系統作為輔助加熱，夜間或連續陰雨天時，切換到蓄能型太陽能熱泵循環模式，發揮更高的熱力性能，從而解決太陽能熱泵系統在能量供求空間上的不匹配矛盾。
[0016](3)該循環利用振蕩熱管進行高效傳熱，將一體化蓄能型太陽能熱泵系統蒸發管路從太陽能集熱器中解耦出來，克服了蒸發管路長、流動阻力大、壓縮機性能差的缺點。系統緊湊，動力消耗小，構造簡單，為太陽能作為熱泵系統低溫熱源的應用拓寬了途徑。
[0017](4)本方法為太陽能作為熱泵低溫熱源提供了一種可行的方法與方案，只需要將技術已經很成熟的熱泵系統、振蕩熱管和蓄能型太陽能真空管加以耦合和改造即可實現。
[0018](5)可選用平板式集熱器,和建築外牆結合,實現建築一體化。
[0019](6)可實現全年節能、環保、高效地向家庭、大型賓館、休閒場所、商務辦公樓等提供熱水，或冬季向這些場所提供採暖熱水。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是用以實現本發明方法的裝置示意圖，其中:蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器
1、三股流複合換熱器2、熱力膨脹閥3、壓縮機4、水冷冷凝器5、水泵A6、水泵B7、儲水箱8和截止閥9、循環水管路11、熱泵蒸發器管路12、水冷冷凝器的製冷劑管13、水冷冷凝器水管14。
[0021]圖2是本發明方法的夏季運行模式示意圖。
[0022]圖3是本發明方法的冬季運行模式示意圖。
[0023]圖4是本發明方法的過渡季節運行模式示意圖。
[0024]圖5是蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器示意圖。包括太陽能真空集熱管19、振蕩熱管10、毛刷21和相變材料20。
[0025]圖6是三股流複合換熱器示意圖。其中，振蕩熱管10、循環水管路11、熱泵蒸發器管路12、換熱器外殼15。[0026]圖7是三股流複合換熱器的截面圖。其中，蒸發器管路中的製冷劑16、循環水17、熱管工質18。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0028]本發明提供了一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法，其構成如圖1所示，由熱管工質循環、熱泵製冷劑循環和循環水迴路組成，包括蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器1、三股流複合換熱器2、熱力膨脹閥3、壓縮機4、水冷冷凝器5、水泵A6、水泵B7、儲水箱8和截止閥9。
[0029]所述蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器I包括太陽能真空集熱管19、振蕩熱管10、毛刷21和相變材料20，振蕩熱管10的蒸發段以U形管形式布置在太陽能真空集熱管19內。
[0030]所述三股流複合換熱器2為套管式換熱器，由換熱器外殼15、熱泵蒸發器管路12和振蕩熱管10的冷凝段構成，套管換熱器外殼15內有兩根傳熱管,一根是振蕩熱管10冷凝段管段，和它並行的是熱泵蒸發器管段12，兩根並行管外大套管內充滿的是來自水箱的循環水17，循環水管路11的進口和出口設置在換熱器外殼15上，振蕩熱管10冷凝段管段內流動的是熱管工質18，熱泵蒸發器管段12內流動的是製冷劑16。
[0031]所述熱泵製冷劑循環由熱泵蒸發器管路12依次和壓縮機4、水冷冷凝器的製冷劑管13、水冷冷凝器5、熱力膨脹閥3串聯而成。
[0032]所述水循環由兩個並聯管路組成:水冷冷凝器5、水冷冷凝器水管14、儲水箱8和水泵B7串聯連接成水冷冷凝器的水循環迴路；三股流複合換熱器內水循環管路11依次和水泵A6、儲水箱8和截止閥9串聯連接成一個閉合的水循環迴路。
[0033]本發明的方法可以在以下三種模式運行:
[0034](I)夏季運行時，所述熱管工質循環:太陽輻射充足，太陽能真空集熱管19中蓄能材料20傳遞的瞬時太陽能或者白天儲存夜間放出的熱量足夠多，振蕩熱管10的蒸發段吸收這部分太陽能後，通過振蕩熱管內的工質18將熱量高效傳遞給振蕩熱管10的冷凝段，在三股流複合換熱器2中振蕩熱管10直接將這部分熱量傳遞給複合換熱器中的循環水管路11，從而實現供熱水。所述熱泵循環停止工作；所述水循環:在三股流複合換熱器2中得到振蕩熱管10傳遞的熱量後溫度升高的水，通過水泵A6進入儲水箱8，經截止閥9調節流量後進入三股流複合換熱器2中繼續被加熱提高溫度。
[0035](2)冬季運行時，所述熱管工質循環:太陽輻射不足，太陽能真空集熱管19中蓄能材料20傳遞或者白天儲存夜間放出的熱量較低，振蕩熱管10的蒸發段吸收這部分太陽能後，通過振蕩熱管10內的工質18將熱量高效傳遞給振蕩熱管10的冷凝段，振蕩熱管10的冷凝段和熱泵蒸發器管路12在三股流複合換熱器2中進行熱交換。所述熱泵循環:熱泵蒸發器管路12中的製冷劑16得到熱管傳遞的熱量後汽化成製冷劑蒸氣，經壓縮機4加壓後進入水冷冷凝器5的製冷劑管路13，在其中放出熱量冷卻凝結後的製冷劑液體通過熱力膨脹閥3節流，再進入熱泵蒸發器管路12中，繼續吸收振蕩熱管10傳遞的熱量，如此完成一個循環。所述水循環:水冷凝器5的製冷劑管路13釋放的熱量用以加熱水冷冷凝器另一側的循環水14，送至儲水箱8後又經水泵B7，進入水冷冷凝器5中繼續加熱到所需溫度；
[0036](3)過渡季節運行時，所述熱管工質循環:輻射稍有不足，太陽能真空集熱管19中相變材料20傳遞或者白天儲存夜間放出的熱量通過振蕩熱管10傳遞後，不足以加熱熱水到所需溫度，振蕩熱管10將這部分熱量一部分加熱三股流複合換熱器2中循環水17，另一部分傳遞給三股流複合換熱器2中的熱泵蒸發器管路12。所述熱泵循環:熱泵蒸發器管路12中的製冷劑16得到振蕩熱管10傳遞的熱量後汽化成製冷劑蒸氣，經壓縮機4加壓後進入水冷冷凝器5的製冷劑管路13，在其中放出熱量冷卻凝結後的製冷劑液體通過熱力膨脹閥3節流，再進入熱泵蒸發器管路12中，繼續吸收振蕩熱管10傳遞的熱量，如此完成一個循環。所述水循環由兩個並聯管路組成，一根循環水管路在三股流複合換熱器2中得到振蕩熱管10傳遞的熱量後溫度升高，通過水泵A6進入儲水箱8，經截止閥9調節流量後再次進入三股流複合換熱器2中繼續被加熱提高溫度；另一根水管路在水冷凝器5中得到製冷劑管路13釋放的熱量，然後被送至儲水箱8後又經水泵B7，進入水冷冷凝器5中繼續加熱到所需溫度。
【權利要求】
1.一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法，分為熱管工質循環、熱泵製冷劑循環和循環水循環，所用裝置包括蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器、三股流複合換熱器、熱力膨脹閥、壓縮機、水冷冷凝器、水泵A、水泵B、儲水箱和截止閥，其中，蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器包括太陽能真空集熱管、相變材料和振蕩熱管，其特徵在於，供熱方法的具體過程如下: (1)夏季運行時，所述熱管工質循環:太陽輻射充足，蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器中相變材料傳遞的瞬時太陽能或者白天儲存夜間放出的熱量足夠多，振蕩熱管的蒸發段吸收這部分太陽能後，通過振蕩熱管內的充注材料將熱量高效傳遞給振蕩熱管的冷凝段，在三股流複合換熱器中振蕩熱管直接將這部分熱量用以加熱複合換熱器中的循環水，從而實現供熱水；所述熱泵循環停止工作；所述水循環:在三股流複合換熱器中得到振蕩熱管傳遞的熱量後溫度升高的水，通過水泵A進入儲水箱，經截止閥調節流量後進入三股流複合換熱器中繼續被加熱提高溫度； (2)冬季運行時，所述熱管工質循環:太陽輻射不足，蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器中相變材料傳遞或者白天儲存夜間放出的熱量較低，振蕩熱管的蒸發段吸收這部分太陽能後，通過振蕩熱管內的充注材料將熱量高效傳遞給振蕩熱管的冷凝段，振蕩熱管的冷凝段和熱泵蒸發器管 路在三股流複合換熱器中進行熱交換；所述熱泵循環:熱泵蒸發器管路中的製冷劑得到熱管傳遞的熱量後汽化成製冷劑蒸氣，經壓縮機加壓後進入水冷冷凝器一側的製冷劑管路，放出熱量冷卻凝結後的製冷劑液體通過熱力膨脹閥節流，再進入熱泵蒸發器管路中，繼續吸收振蕩熱管傳遞的熱量，如此完成一個循環；所述水循環:水冷凝器的製冷劑管路釋放的熱量用以加熱水冷冷凝器另一側的循環水，送至儲水箱後又經水泵B，進入水冷冷凝器中繼續加熱到所需溫度； (3)過渡季節運行時，所述熱管工質循環:輻射稍有不足，蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器中相變材料傳遞或者白天儲存夜間放出的熱量通過振蕩熱管傳遞後，不足以加熱熱水到所需溫度，振蕩熱管將這部分熱量中的一部分用來加熱三股流複合換熱器中的循環水，另一部分傳遞給三股流複合換熱器中的熱泵蒸發器管路；所述熱泵循環:熱泵蒸發器管路中的製冷劑得到熱管傳遞的熱量後汽化成製冷劑蒸氣，經壓縮機加壓後進入水冷冷凝器的製冷劑管路，放出熱量冷卻凝結後的製冷劑液體通過熱力膨脹閥節流，再進入熱泵蒸發器管路中，繼續吸收振蕩熱管傳遞的熱量，如此完成一個循環；所述水循環由兩個並聯管路組成，一根循環水管路在三股流複合換熱器中得到振蕩熱管傳遞的熱量後溫度升高，通過水泵A進入儲水箱，經截止閥調節流量後再次進入三股流複合換熱器中繼續被加熱提高溫度；另一根水管路在水冷凝器中得到製冷劑管路釋放的熱量，然後被送至儲水箱後又經水泵B，進入水冷冷凝器中繼續加熱到所需溫度。
2.根據權利要求1所述的一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法，其特徵在於，所述蓄能型太陽能振蕩熱管集熱器中，振蕩熱管的蒸發段以U形管形式布置在太陽能真空集熱管內，蒸發段上還設有毛刷，蓄能材料填充在振蕩熱管的蒸發段與太陽能真空集熱管之間。
3.根據權利要求1或2所述的一種全天候運行的高效蓄能型太陽能熱泵供熱方法，其特徵在於，所述三股流複合換熱器為套管式換熱器，由換熱器外殼、熱泵蒸發器管路和振蕩熱管的冷凝段管路構成，循環水管路的進口和出口設置在換熱器外殼上，熱泵蒸發器管路和振蕩熱管的冷凝段管路並行設置在換熱器外殼內，換熱器外殼內充滿循環水；所述振蕩熱管冷凝段管路內流動的是熱管工質，所述熱泵蒸發器管路內流動的是製冷劑。
【文檔編號】F25B27/00GK103968574SQ201410161999
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月21日 優先權日:2014年4月21日
【發明者】吳薇, 蘇鵬飛, 王琴, 張文杰, 殷謙, 陳聖煒, 董江江, 羅倩妮 申請人:南京師範大學