低溫空氣能與微通道直接蒸髮式太陽能耦合熱泵機組及方法與流程
2023-11-10 05:58:02 2
本發明涉及一種低溫空氣能與微通道直接蒸髮式太陽能耦合熱泵機組，屬於可再生能源應用領域。
背景技術：
我國北方地區冬季寒冷、室外環境溫度低。現有空氣源熱泵制熱技術由於受熱泵機組自身熱力特性局限性的影響，室外環境溫度越低、熱泵機組的制熱效率也隨之大幅降低，極大限制了現有空氣源熱泵技術在北方地區冬季低溫環境供暖應用。
技術實現要素：
在可再生能源中，太陽能以其來源廣泛、使用簡單的特點受到了青睞。本發明充分利用我國北方地區冬季雖室外環境溫度低、但太陽輻照強度大且日照時間長的特點，創新性的提出了一種新型微通道直接膨脹式太陽能空氣能雙源一體低溫熱泵制熱技術。該技術具有太陽能集熱效率高、太陽能和空氣能利用效率高、成本低、佔用空間小、使用與維護簡單等特點，可廣泛用於我國北方地區建築冬季低溫環境熱泵機組供熱系統。
本發明採用了如下技術方案：
低溫空氣能與微通道直接蒸髮式太陽能耦合熱泵裝置，由微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1、空氣通道2、風閥3、風機4、空氣能/工質換熱裝置5、蒸發壓力調節器6、壓縮機7、四通閥8、工質/水換熱裝置9、第一膨脹閥10、第二膨脹閥11構成。
低溫空氣能與微通道直接蒸髮式太陽能耦合熱泵制熱系統，其特徵在於：
所述微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1由四部分構成，帶摺疊狀肋片的微通道太陽能集熱板1.1(以後簡稱為集熱板)、槽式反射板1.2(以後簡稱為反射板)、玻璃蓋板1.3、上空腔1.4、下空腔1.5。所述反射板1.2與玻璃蓋板1.3和集熱板1.1構成上空腔1.4和下空腔1.5；所述集熱板1.1由兩部分構成，微通道板1.1A(厚度2～3.5mm、寬度25～120mm、長度1200～1500mm)和摺疊狀肋片1.2B(肋高8～15mm、波峰間距3～4.5mm)，所述集熱板1.1由反射板的埠鋼支架支撐固定並與地面成一定傾斜角度θ，該角度以保證冬季10:00～14:00時間段集熱板1.1累計接收的太陽能最大為原則確定；所述反射板1.2槽口採用玻璃蓋板1.3並密封。
微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1通過空氣通道2和風閥3與進入空氣能/工質換熱裝置5連接，空氣能/工質換熱裝置內放置有風機，微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1通過蒸發壓力調節器6連接到四通閥8上，四通閥8和壓縮機7形成迴路；四通閥8連接到工質/水換熱裝置；所述工質/水換熱裝置9分別通過第一膨脹閥10連接微通道直接蒸髮式太陽能空氣/工質換熱裝置1和工質/水換熱裝置9通過第二膨脹閥11連接空氣能/工質換熱裝置5。
室外低溫空氣進入所述微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的上空腔1.4流入、從其下空腔1.5通過出風口流出，並在風機4的作用力下通過空氣通道2和風閥3與進入空氣能/工質換熱裝置5的室外低溫空氣混合後被風機4壓出同時與空氣能/工質換熱裝置5內的工質進行間接換熱。
從所述微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1流出的工質通過蒸發壓力調節器6後與所述空氣能/工質換熱裝置5流出的工質並聯後通過四通閥的C-B通道進入壓縮機7；從所述壓縮機7流出的工質通過四通閥8的A-D通道流入工質/水換熱裝置9；從所述工質/水換熱裝置9流出的工質分別通過第一膨脹閥10(蒸發壓力0.5～1.0MPa)和第二膨脹閥11(蒸發壓力0.15～0.25MPa)流入微通道直接蒸髮式太陽能空氣/工質換熱裝置1和空氣能/工質換熱裝置5。
進一步，所述集熱板1.1板的附在微通道板1.1A下表面的摺疊狀肋片1.1B的高度為8～15mm，集熱板1.1板之間的空隙距離5～10mm。
進一步，所述反射板1.2由三層構成，外層為多曲面外保護板，中間為保溫板，內層為金屬板。
更進一步，所述反射板1.2的保溫層厚度20～50mm、導熱係數λ≦0.06W/(m·℃)。
進一步，所述玻璃板蓋板1.3厚度5～8mm。
本發明的工作過程如下：
1)冬季制熱工況
第三電磁閥14關閉，四通閥8置於制熱模式(A-D通道、B-C通道)。
投射並透過玻璃蓋板1.2的太陽光直接投射到集熱板1.1上提高集熱板溫度，為流過微通道1.1A的工質提供蒸發膨脹熱能；在風機4的作用力下室外低溫空氣通過摺疊狀微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的進風口進入上空腔1.4內，掠過集熱板1.1上表面及其帶摺疊狀肋片1.1B下表面的空氣通道進行對流換熱，被加熱後空氣進入下空腔1.5，繼續通過空氣通道2和風閥3流入空氣能/工質換熱裝置5的空氣側，與直接進入空氣能/工質換熱裝置5空氣側的室外低溫空氣混合後被風機4壓出並與空氣能/工質換熱裝置5內的工質進行間接換熱。
來自工質/水換熱裝置9的工質分別過電磁閥第12與第一膨脹閥10和第二電磁閥13與第二膨脹閥11，以不同的蒸發壓力分別在微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1和空氣能/工質換熱裝置5內完成蒸發換熱過程；由於流出微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的工質壓力高於流出空氣能/工質換熱裝置5的工質壓力，因此將流出微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的工質通過蒸發壓力調節器6降壓後再與流出空氣能/工質換熱裝置5的工質混合，然後順序流入四通閥的B-C通道和壓縮機7、四通閥8的A-D通道和工質/水換熱裝置9；周而復始。
2)夏季製冷工況
風閥3關閉，第一電磁閥12關閉，第三電磁閥14開啟，四通閥8置於製冷模式(A-B通道、D-C通道)。
微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1停止工作。
來自工質/水換熱裝置9的工質順序流入四通閥的D-C通道和壓縮機7、四通閥的A-B通道、第三電磁閥14，和進入空氣能/工質換熱裝置5內完成冷凝換熱過程；然後經過第二膨脹閥11、第二電磁閥進入工質/水換熱裝置9；周而復始。
本發明的有益效果為：冬季制熱工況，發明的低溫空氣能與微通道直接蒸髮式太陽能耦合熱泵機組，晴好天氣時微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1利用太陽能大幅提高了工質的蒸發器溫度，進而提高了進入壓縮機7的工質溫度以及吸氣壓力，使得熱泵機組的制熱效率較現有的單一空氣能熱泵機組顯著提升；另外，微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1中的集熱板1.1採用了帶摺疊式肋片的微通道板作為工質與太陽能的蒸發換熱元件，顯著提高了工質的太陽能熱利用效率；再者，調節風閥3的開度可以調節掠過集熱板1.1之間空氣通道的空氣流量，進而控制流出微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的工質溫度，以達到更好平衡其與流出空氣能/工質換熱裝置5的工質壓力的目的。本發明可在低溫環境下(<-10℃)提高熱泵機組綜合能效比20％以上，並且構造簡單、維護方便。
附圖說明
圖1本發明的微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1構造圖
圖2本發明的帶摺疊狀肋片的微通道太陽能集熱板1.1構造圖
圖3本發明的微通道直接膨脹式太陽能空氣能雙源一體低溫熱泵制熱系統原理圖
圖4本發明的微通道直接膨脹式太陽能空氣能雙源一體低溫熱泵製冷系統原理圖
圖中：1、蜂窩狀微通道直接膨脹型太陽能/工質換熱裝置(1.1、帶蜂窩空氣通道的微通道太陽能集熱板，1.2、槽式反射板1.2，1.3玻璃蓋板，1.4、上空腔1.4，1.5下空腔)，2、空氣通道，3、風閥，4、風機，5、空氣能/工質換熱裝置，6、蒸發壓力調節器，7、壓縮機，8、四通閥，9、工質/水換熱裝置，10、第一膨脹閥，11、第二膨脹閥，12、第一電磁閥，13、第二電磁閥，14、第三電磁閥。
具體實施方式
下面結合附圖3對本發明的低溫空氣能與微通道直接蒸髮式太陽能耦合熱泵機組制熱技術進行詳細說明。
低溫空氣能與微通道直接蒸髮式太陽能耦合熱泵裝置，由微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1、空氣通道2、風閥3、風機4、空氣能/工質換熱裝置5、蒸發壓力調節器6、壓縮機7、四通閥8、工質/水換熱裝置9、第一膨脹閥10、第二膨脹閥11構成。
低溫空氣能與微通道直接蒸髮式太陽能耦合熱泵制熱系統，其特徵在於：
所述微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1由四部分構成，帶摺疊狀肋片的微通道太陽能集熱板1.1(以後簡稱為集熱板)、槽式反射板1.2(以後簡稱為反射板)、玻璃蓋板1.3、上空腔1.4、下空腔1.5。所述反射板1.2與玻璃蓋板1.3和集熱板1.1構成上空腔1.4和下空腔1.5；所述集熱板1.1由兩部分構成，微通道板1.1A(厚度2～3.5mm、寬度25～120mm、長度1200～1500mm)和摺疊狀肋片1.2B(肋高8～15mm、波峰間距3～4.5mm)，所述集熱板1.1由反射板的埠鋼支架支撐固定並與地面成一定傾斜角度θ，該角度以保證冬季10:00～14:00時間段集熱板1.1累計接收的太陽能最大為原則確定；所述反射板1.2槽口採用玻璃蓋板1.3並密封。
室外低溫空氣進入所述微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的上空腔1.4流入、從其下空腔1.5通過出風口流出，並在風機4的作用力下通過空氣通道2和風閥3與進入空氣能/工質換熱裝置5的室外低溫空氣混合後被風機4壓出同時與空氣能/工質換熱裝置5內的工質進行間接換熱。
從所述微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1流出的工質通過蒸發壓力調節器6後與所述空氣能/工質換熱裝置5流出的工質並聯後通過四通閥的C-B通道進入壓縮機7；從所述壓縮機7流出的工質通過四通閥8的A-D通道流入工質/水換熱裝置9；從所述工質/水換熱裝置9流出的工質分別通過第1膨脹閥10(蒸發壓力0.5～1.0MPa)和第二膨脹閥11(蒸發壓力0.15～0.25MPa)流入微通道直接蒸髮式太陽能空氣/工質換熱裝置1和空氣能/工質換熱裝置5。
進一步，所述集熱板1.1板的附在微通道板1.1A下表面的摺疊狀肋片1.1B的高度為8～15mm，集熱板1.1板之間的空隙距離5～10mm。
進一步，所述反射板1.2由三層構成，外層為多曲面外保護板，中間為保溫板，內層為金屬板。
更進一步，所述反射板1.2的保溫層厚度20～50mm、導熱係數λ≦0.06W/(m·℃)。
進一步，所述玻璃板蓋板1.3厚度5～8mm。
本發明的工作過程如下：
1)冬季制熱工況
第三電磁閥14關閉，四通閥8置於制熱模式(A-D通道、B-C通道)。
投射並透過玻璃蓋板1.2的太陽光直接投射到集熱板1.1上提高集熱板溫度，為流過微通道1.1A的工質提供蒸發膨脹熱能；在風機4的作用力下室外低溫空氣通過摺疊狀微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的進風口進入上空腔1.4內，掠過集熱板1.1上表面及其帶摺疊狀肋片1.1B下表面的空氣通道進行對流換熱，被加熱後空氣進入下空腔1.5，繼續通過空氣通道2和風閥3流入空氣能/工質換熱裝置5的空氣側，與直接進入空氣能/工質換熱裝置5空氣側的室外低溫空氣混合後被風機4壓出並與空氣能/工質換熱裝置5內的工質進行間接換熱。
來自工質/水換熱裝置9的工質分別過電磁閥第12與膨脹閥10和第二電磁閥13與第二膨脹閥11，以不同的蒸發壓力分別在微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1和空氣能/工質換熱裝置5內完成蒸發換熱過程；由於流出微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的工質壓力高於流出空氣能/工質換熱裝置5的工質壓力，因此將流出微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1的工質通過蒸發壓力調節器6降壓後再與流出空氣能/工質換熱裝置5的工質混合，然後順序流入四通閥的B-C通道和壓縮機7、四通閥8的A-D通道和工質/水換熱裝置9；周而復始。
2)夏季製冷工況
風閥3關閉，第一電磁閥12關閉，第三電磁閥14開啟，四通閥8置於製冷模式(A-B通道、D-C通道)。
微通道直接蒸髮式太陽能/工質換熱裝置1停止工作。
來自工質/水換熱裝置9的工質順序流入四通閥的D-C通道和壓縮機7、四通閥的A-B通道、第三電磁閥14，和進入空氣能/工質換熱裝置5內完成冷凝換熱過程；然後經過第二膨脹閥11、第二電磁閥進入工質/水換熱裝置9；周而復始。