自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵裝置的製作方法

2023-12-02 16:16:36 2

專利名稱：自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及太陽能輔助空氣源熱泵來提高熱泵冬季運行性能的裝置，屬於建築節能與製冷工程領域。
背景技術：
空氣源熱泵是一種利用空氣中的熱源，通過輸入少量的高品位熱源來實現低品位熱源向高品位熱源進行供熱的一種熱泵空調系統裝置。空氣源熱泵以其結構簡單，運行成本較低，安裝使用方便等優點廣泛應用於現代建築中。在綠色建築領域，空氣源熱泵空調系 統以其所具有的優勢發揮著重要作用。冬季供暖運行時，製冷劑在室外蒸發器側盤吸收空氣中的熱量，再經壓縮機壓縮升溫後進入室內冷凝器側提供熱量或製取熱水，一般來說空氣源熱泵是一種較為節能的冬季採暖方式。空氣源熱泵也具有自身的缺點，例如其綜合的性能係數較低，在冬季運行時，其供熱能力和供熱係數隨外界空氣環境溫度的降低而降低，環境溫度的變化直接影響熱泵系統運行的經濟性和穩定性；同時，當外界環境溫度降低到空氣露點溫度以下時，蒸發器外表面便會結霜的現象，當室外溫度低於-io°c時，由於結霜會造成換熱效果的惡化，在除霜過程中所用到的「換向除霜」和「電加熱除霜」能夠對蒸發器的結霜現象進行控制，但是這以消耗大量的電能為代價，相關研究表明，在環境溫度為0°c，相對溼度為70%時，由於除霜作用多消耗的電能可達壓縮機耗電的12%。因此，無論對建築節能或是提高熱泵系統運行的穩定性，對空氣源熱泵系統性能的優化設計都有重要的實際意義。太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，在冬季晴朗天氣時，太陽能集熱板收集的太陽輻射平均可達500 ff/m2以上，即使是在陰雨天氣太陽能集熱板每平米所吸收的熱量也大於50W，因此可以通過有效的利用太陽能集熱板所收集的低品位太陽能來提高熱泵系統的在冬季運行時熱量不足的問題。太陽能熱泵是將太陽能結合熱泵聯合運行的一種系統，通過太陽能集熱板提高環境中低溫熱源的溫度，從而有效的提高系統的COP (能效比)，而且太陽能熱泵系統還可以作為輔助生活熱水系統，是一種運行經濟、環保的供熱形式。根據太陽能和熱泵系統的連接方式，太陽能熱泵系統分為串聯繫統、並聯繫統和混合連接系統等形式。這些系統無論是直膨式的還是間接膨脹式的都存在晚上或者陰雨天氣中使用效率低或者是太陽能集熱板吸收熱量不足導致室外蒸發器管外翅片結霜的問題，同時，鑑於太陽能自身不穩定的特點，太陽能集熱板收集的熱量很難同蒸發器側所需的熱量相匹配，這導致太陽能空氣源熱泵系統穩定運行的要求受到不斷的質疑。太陽能集熱板在接受太陽輻射的時候，表面材料往往經過一定的特殊處理，使得材料表面對太陽輻射吸收比增加，表面發射率減小；同時，太陽能集熱板表面的熱傳導和對流作用也被弱化，其夜晚和陰雨天氣下的散熱量降低，這類太陽能空氣源熱泵的缺點便是當其在夜晚和陰雨天氣環境下系統不能正常工作，最極端的情況是，室外蒸發器內的低溫低壓製冷劑不斷吸收太陽能水循環系統中的熱量，而太陽能集熱板中可吸收的熱量不足，導致內部工質溫度不斷降低，熱泵蒸發器不能從太陽能水循環系統中吸收任何熱量，系統運行惡化，對壓縮機也會造成嚴重的危害。
發明內容技術問題本實用新型的目的是提供一種自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵裝置。該系統以熱泵技術以及流動與傳熱技術為基礎，不僅能夠提高空氣源熱泵冬季運行效率和控制室外蒸發器結霜，而且能夠對普通太陽能熱泵系統夜晚和陰雨天氣下蒸發器吸熱不足以及熱量匹配困難的問題進行一定的解決，同時該系統還可以輔助供應生活熱水，是一種環保、節能的供熱形式。技術方案本實用新型是自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵裝置。在晴朗的白天聯合運行太陽能水循環系統、空氣源熱泵系統以及用戶側熱水系統，通過太陽能集熱板將太陽能水循環系統中循環水加熱，再通過套管換熱器將熱量傳遞給空氣源熱泵系統中的 室外蒸發器，提高製冷劑的蒸發溫度，這樣可以有效的控制室外蒸發器側的結霜問題，同時壓縮機吸入口處製冷劑的蒸汽壓力提高，進而提升熱泵系統冬季運行的C0P，室內冷凝器可以將多餘的熱量儲存在用戶側蓄熱水箱中，以便在夜晚或陰雨天氣的情況下作為室內供熱以及生活熱水的輔助熱源，減少室外低溫熱源的熱量負擔；而在夜晚或者是陰雨天氣狀況下，室外氣溫較低，關閉太陽能水循環系統，用戶側蓄熱系統開啟運行，可以作為輔助熱源提供室內的一部分熱負荷，另外一部分熱量可以由熱泵系統承擔，此時空氣源熱泵系統中蒸發器內的製冷劑吸收管外乙二醇溶液中的熱量，環境中的熱量通過套管換熱器表面熱阻、管殼的導熱熱阻、乙二醇導熱熱阻以及內管的導熱熱阻傳遞給製冷劑，太陽能水循環系統中的乙二醇溶液由於溫度的不均勻會形成自然對流，在一定程度上強化套管換熱器的換熱作用。本系統屬於一種非直膨式並聯式的系統。為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵裝置，該系統包括製冷劑循環子系統、太陽能熱水循環子系統和用戶熱水子系統；製冷劑循環子系統是整個系統的核心，控制能力的轉換與熱量的傳輸；製冷劑循環子系統包括壓縮機、室內冷凝器、毛細管、套管換熱器；其中，室內冷凝器製冷劑出口與毛細管的進口連接，毛細管出口與套管換熱器的管內製冷劑進口連接，套管換熱器的管內製冷劑出口與壓縮機的進氣口相連接，壓縮機排氣出口連接室內冷凝器的進口 ；太陽能水循環子系統用來收集環境中的太陽能，並將太陽能傳遞給熱泵系統的室外蒸發器，提高製冷劑的蒸發溫度；太陽能水循環子系統包括太陽能集熱板、循環水泵、套管換熱器、閘閥；其中，太陽能集熱板的出水口接套管換熱器的管殼側工質進口，套管換熱器的管殼側工質出口接閘閥的進口，閘閥的出口連接循環水泵的進口，循環水泵的出口接太陽能集熱板的進水口；用戶熱水子系統用來儲存熱泵系統富餘的熱量，為用戶提供生活熱水以及實現室外太陽能不滿足要求時的自適應調節問題；用戶熱水子系統包括室內冷凝器、閥門、水泵、蓄熱水箱，其中，室內冷凝器的殼側出水口接閥門的進口，閥門的出口接水泵的進口，水泵的出口與蓄熱水箱的進口相連接，蓄熱水箱的出口接室內冷凝器的殼側進水口。有益效果本實用新型提供了一種太陽能輔助空氣源熱泵的自適應匹配裝置，利用太陽能集熱板收集環境中低溫熱源的熱量，用於提高蒸發器側的蒸發溫度，提高熱泵系統冬季的運行效率。[0012]熱泵系統中製冷劑走套管式換熱器的管內，管外太陽能水循環系統中乙二醇溶液的循環流動將環境中的熱量不斷傳遞給製冷劑，乙二醇的冰點溫度遠低於空氣露點溫度，可以有效的控制室外蒸發器側的結霜問題。系統在冬季晴朗白天運行時，用戶側蓄熱水箱可以將多餘的熱量儲存，作為生活熱水和夜晚或陰雨天氣環境下的輔助熱源，相對於傳統太陽能熱泵能夠更好的解決太陽能集熱板收集到的熱量同熱泵系統運行蒸發器側所需的熱量不匹配的缺點。

圖I是自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵系統的原理圖；圖2是套管換熱器結合方式。壓縮機I、室內冷凝器2、毛細管3、套管換熱器4、太陽能集熱板5、循環水泵6、閘 閥7、閘閥8、水泵9、用戶側蓄熱水箱10、製冷劑進口 11、太陽能水循環系統管殼側工質出口12、製冷劑出口 13、太陽能水循環系統管殼側工質進口 14。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步說明。本實用新型提供的自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵裝置，該裝置包括製冷劑循環子系統、太陽能熱水循環子系統和用戶熱水子系統；製冷劑循環子系統是整個系統的核心，控制能力的轉換與熱量的傳輸；製冷劑循環子系統包括壓縮機I、室內冷凝器2、毛細管3、套管換熱器4;其中，室內冷凝器2製冷劑出口與毛細管3的進口連接，毛細管3出口與套管換熱器4的管內製冷劑進口 11連接，套管換熱器4的管內製冷劑出口 13與壓縮機I的進氣口相連接，壓縮機I排氣出口連接室內冷凝器2的進口 ；太陽能水循環子系統用來收集環境中的太陽能，並將太陽能傳遞給熱泵系統的室外蒸發器，提高製冷劑的蒸發溫度；太陽能水循環子系統包括太陽能集熱板5、循環水泵
6、套管換熱器4、閘閥7 ;其中，太陽能集熱板5的出水口接套管換熱器4的管殼側工質進口14，套管換熱器4的管殼側工質出口 12接閘閥7的進口，閘閥7的出口連接循環水泵6的進口，循環水泵6的出口接太陽能集熱板5的進水口 ；用戶熱水子系統用來儲存熱泵系統富餘的熱量，為用戶提供生活熱水以及實現室外太陽能不滿足要求時的自適應調節問題；用戶熱水子系統包括室內冷凝器2、閥門8、水泵9、蓄熱水箱10，其中，室內冷凝器2的殼側出水口接閥門8的進口，閥門8的出口接水泵9的進口，水泵9的出口與蓄熱水箱10的進口相連接，蓄熱水箱10的出口接室內冷凝器2的殼側進水口。圖I為太陽能輔助空氣源熱泵的自適應匹配系統原理圖，如圖I所示，太陽能輔助空氣源熱泵系統裝置包括壓縮機I、室內冷凝器2、毛細管3、套管換熱器4、太陽能集熱板5、循環水泵6、閘閥7、用戶側蓄熱水箱10、水泵9、閘閥8。其中製冷劑循環迴路依次由壓縮機I、室內冷凝器2、毛細管3、套管換熱器4串聯組成；太陽能熱水循環系統由套管換熱器4、閘閥7、循環水泵6、太陽能集熱板5依次連接組成；用戶側熱水迴路子系統由用戶側蓄熱水箱10、水泵9、閘閥8依次串聯組成。[0023]圖2為太陽能輔助空氣源熱泵的自適應匹配系統中套管式換熱器的連接圖，如圖2所示，包括製冷劑進口 11、製冷劑出口 13、太陽能水循環系統工質進口 14、工質出口 12。製冷劑循環迴路中常用的製冷劑可以選擇R22 (二氟一氯甲烷)、R23 (三氟甲烷)、R134a (I, I, I, 2-四氟乙烷)等，太陽能熱水循環系統迴路中常用工質可以選擇乙二醇、乙醇等。製冷劑循環迴路中從壓縮機I出來的高溫高壓製冷劑經過室內冷凝器2進行換熱，可以選擇直接加熱空氣或者是同蓄熱水箱中的水進行換熱，製冷劑在等壓條件下由氣態變為液態，處於飽和或者處於過冷狀態的製冷劑進入毛細管3經過絕熱節流後變為汽液混合物，之後製冷劑流入套管式換熱器4的管內側吸收管外工質的熱量後蒸發，再由壓縮機吸入低溫低壓的製冷劑氣體，完成循環；在太陽能熱水循環迴路中晴朗的冬季白天，乙二醇工質在套管式換熱器4管外 側將熱量傳遞給製冷劑後，經閘閥7和循環水泵6提高壓力後進入太陽能集熱板5，在太陽能集熱板內吸收環境中的太陽能後進入套管式換熱器繼續和製冷劑工質進行換熱，完成循環；陰雨天氣或者夜晚關閉太陽能水循環系統，此時熱泵系統的蒸發器側導熱屬於自適應匹配形式，空氣源熱泵系統工作；用戶側熱水循環迴路中在晴朗的白天，系統開啟運行，蓄熱水箱10中的水經過用戶側冷凝器，將系統中多餘的熱量儲帶走，經過閥門8和水泵9後將熱量儲存在蓄熱水箱中，可以作為生活熱水的輔助熱源；在陰雨天氣或者是夜晚時，系統將水箱中的熱量重新傳遞給室內冷凝器，減少室外蒸發器的熱負荷，優化系統的熱匹配問題。以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本實用新型所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護範圍內。
權利要求1.一種自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵裝置，其特徵在於該裝置包括製冷劑循環子系統、太陽能熱水循環子系統和用戶熱水子系統； 製冷劑循環子系統是整個系統的核心，控制能量的轉換與熱量的傳輸；製冷劑循環子系統包括壓縮機(I)、室內冷凝器(2)、毛細管(3)、套管換熱器(4);其中，室內冷凝器(2)製冷劑出口與毛細管(3)的進口連接，毛細管(3)出口與套管換熱器(4)的管內製冷劑進口(11)連接，套管換熱器(4)的管內製冷劑出口(13)與壓縮機(I)的進氣口相連接，壓縮機(I)排氣出口連接室內冷凝器(2)的進口 ； 太陽能熱水循環子系統用來收集環境中的太陽能，並將太陽能傳遞給熱泵系統的室外蒸發器，提高製冷劑的蒸發溫度；太陽能熱水循環子系統包括太陽能集熱板(5)、循環水泵(6)、套管換熱器(4)、閘閥(7);其中，太陽能集熱板(5)的出水口接套管換熱器(4)的管殼側工質進口( 14)，套管換熱器(4)的管殼側工質出口( 12 )接閘閥(7 )的進口，閘閥(7 )的出口連接循環水泵(6)的進口，循環水泵￠)的出口接太陽能集熱板(5)的進水口 ； 用戶熱水子系統用來儲存熱泵系統富餘的熱量，為用戶提供生活熱水以及實現室外太陽能不滿足要求時的自適應調節問題；用戶熱水子系統包括室內冷凝器(2)、閥門(8)、水泵(9)、蓄熱水箱(10)，其中，室內冷凝器(2)的殼側出水口接閥門(8)的進口，閥門(8)的出口接水泵(9)的進口，水泵(9)的出口與蓄熱水箱(10)的進口相連接，蓄熱水箱(10)的出口接室內冷凝器(2)的殼側進水口。
專利摘要本實用新型提供了一種自適應匹配的太陽能輔助空氣源熱泵裝置，該裝置包括製冷劑循環迴路子系統、太陽能熱水循環迴路子系統和用戶熱水迴路子系統；製冷劑循環子系統是整個系統的核心，控制能力的轉換與熱量的傳輸；製冷劑循環子系統包括壓縮機(1)、室內冷凝器(2)、毛細管(3)、套管換熱器(4)；其中，室內冷凝器(2)製冷劑出口與毛細管(3)的進口連接，毛細管(3)出口與套管換熱器(4)的管內製冷劑進口(11)連接，套管換熱器(4)的管內製冷劑出口(13)與壓縮機(1)的進氣口相連接。本實用新型能夠合理的對太陽能空氣源熱泵系統中的熱量進行分配，並能夠控節約建築能源的消耗。
文檔編號F25B30/06GK202675732SQ20122021923
公開日2013年1月16日 申請日期2012年5月16日 優先權日2012年5月16日
發明者錢華, 鄭曉紅, 徐騰飛 申請人:東南大學