CN105716329B - 直膨式太阳能热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于能源类供热及空调技术领域，具体涉及一种能够收集太阳能和利用相变材料进行蓄能，然后用于采暖、生活热水和空调制冷的直膨式太阳能热泵系统，由太阳能集热器/蓄热/蒸发器，两个三通阀门，气液分离器，四通换向阀，压缩机，冷凝换热器，四个单向阀门，电子膨胀阀，储液器，干燥过滤器以及辅助蒸发器组成，本发明集热、加热与蓄热于一体，减少了中间换热，提高了热量的利用率，缩小了设备的占地面积，降低了成本。可用于采暖以及生活用水，夏季可实现房间的制冷功能，其次采用相变材料的蓄热可以防止压缩机的进口压力过大，损害压缩机，本发明可以在太阳能强度较弱以及夜间时利用太阳能集热/储热器1中的相变材料的储放热实现其能量的连续使用。

Description

直膨式太阳能热泵系统

技术领域

本发明属于能源类供热及空调技术领域，具体涉及一种能够收集太阳能和利用相变材料进行蓄能，然后用于采暖、生活热水和空调制冷的直膨式太阳能热泵系统。

背景技术

能源在人们在生活中赖以生存的基础，是国家不可缺少的重要组成部分。而由于矿产资源的广泛开采，使得能源的储存很大的减少，如今能源的利用紧缺，能源的开发和利用越来越受到人们的重视。我国处于能源利用大国，可再生能源、清洁能源和替代能源急需开发和应用。太阳能作为一种清洁绿色能源，其环保性、持续性、丰富性等优点受到人们的青睐。

直膨式太阳能热泵系统将太阳能的利用与热泵技术有机的结合起来，提高了太阳能的利用率，环保节能。但直膨式太阳能热泵稳定性差，易受季节、气候、昼夜环境的因素影响。专利“一种直膨式太阳能热泵空调系统”（CN103499163），介绍了一种带相变蓄能的太阳能热泵系统，将太阳能与相变蓄热有机的结合一起，提高了直膨式太阳能的稳定性问题，但其系统结构相对复杂。专利“直膨式太阳能热泵空调及热水系统”（CN1515850A），结合了太阳能热泵与冰蓄冷空调，极大提高了集热器效率和热泵的性能，但其没有考虑环境变化对其的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的直膨式太阳能热泵系统，以提高现有直膨式太阳能热泵系统的稳定性问题，减少环境因素对其的影响，同时简化系统的结构。

本发明所采用的技术方案：

一种直膨式太阳能热泵系统，由太阳能集热/蓄热/蒸发器，两个三通阀门，气液分离器，四通换向阀，压缩机，冷凝换热器，四个单向阀门，电子膨胀阀，储液器，干燥过滤器，储热水箱以及辅助蒸发器组成；

其中，所述太阳能集热/蓄热/蒸发器包括槽型壳体和横穿槽型壳体的液体管道，所述槽型壳体的槽口处设置有钢化玻璃使槽型壳体内腔形成密闭空间；所述槽型壳体内部设置有吸热铜管和吸热平板，所述吸热铜管为U形，其两个管口皆穿过槽型壳体侧壁至槽型壳体外部，所述吸热平板连接在吸热铜管的上管管壁上，所述槽型壳体内部还填充有相变材料，所述吸热平板水平覆盖在相变材料上表层，所述液体管道位于相变材料中；

所述四个单向阀组成一个单向阀组，所述单向阀组有a、b、c、d四个接口，所述单向阀组的接口b依次通过储液器、干燥过滤器和电子膨胀阀与单向阀组的接口d连接；

所述四通换向阀的接口a通过气液分离器与压缩机入口相连，压缩机的出口与四通换向阀的接口b连接，四通换向阀的接口c与冷凝换热器的a口连接，冷凝换热器的b口与单向阀组的接口a连接，单向阀组的接口c通过三通阀门a分别与辅助蒸发器的一个接口和吸热铜管的上管管口相连，辅助蒸发器的另一个接口和吸热铜管的下管管口皆通过三通阀门b连接在四通换向阀的接口d上；所述太阳能集热/蓄热/蒸发器的液体管道的出水口与冷凝换热器的d口皆连接在储热水箱的进水口上，所述冷凝换热器的c口为进水口，所述储热水箱上设置有与生活用水管道相连的出水口，所述冷凝换热器的d口还与室内空调设备相连。

所述槽型壳体内部还设置有翅片，所述翅片位于相变材料中且同时与吸热铜管相连和液体管道相连。

所述翅片同时连接吸热铜管的上管和下管，所述液体管道位于吸热铜管的上管和下管之间并穿过翅片。

所述吸热铜管呈上管和下管水平，且上管位于下管的正上方的形态固定设置于槽型壳体内。

所述槽型壳体内设置有至少两个吸热铜管，所述槽型壳体外设置有一个入液集总管和一个出液集总管，所述吸热铜管的上管管口和下管管口皆分别连接在入液集总管和出液集总管上，所述入液集总管的管口与三通阀门a相连，出液集总管与三通阀门b相连。

所述槽型壳体内壁上还设置有保温层。

所述太阳能集热/蓄热/蒸发器的液体管道的出水口与储热水箱、冷凝换热器的d出口与储热水箱之间皆设置有截止阀，所述储热水箱的出水口也设置有截止阀。

所述冷凝换热器采用壳管式冷凝换热器。

所述四个单向阀有两种流向。其一：制冷剂由a口至b口,经储液器、干燥过滤器,电子膨胀阀至d口，再由d口至c口。其二：由c口至b口，经储液器、干燥过滤器,电子膨胀阀至d口，再由d口至a口。

本发明的有益效果：

（1）本发明可以在太阳能强度较弱及夜间时利用太阳能集热/储热器1中相变材料的储放热实现其能量的连续使用，有效提高了现有直膨式太阳能热泵系统的稳定性，降低了环境因素对其的影响；

（2）本发明中吸热平板采用铝制吸热平板，且其上涂敷有吸热层，显著提高了太阳光的吸收和利用率；同时在吸热铜管的下方增加传热翅片，进一步强化了热传递效果；

（3）本发明采用相变材料的蓄热可以防止压缩机的进口压力过大，损害压缩机，降低压缩机因此发生故障的概率。

（4）本发明可用于采暖以及生活用水，且夏季可实现房间的制冷功能。

（5）本发明集热、加热与蓄热于一体，中间换热少，热量利用率提高，设备的占地面积减小，成本降低。

（6）本发明中冷凝换热器与太阳能集热器/蓄热/蒸发器汇于储热水箱，实现热水的集中收集和太阳能的高效利用。

附图说明

图1是本发明直膨式太阳能热泵系统的结构图。

图2位太阳能集热/蓄热/蒸发器的总装图。

图3为太阳能集热/蓄热/蒸发器的主视剖面图。

图4为太阳能集热/蓄热/蒸发器的侧视剖面图。

图5为太阳能集热/蓄热/蒸发器内部管结构图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5所示，一种直膨式太阳能热泵系统，由太阳能集热/蓄热/蒸发器1，两个三通阀门2，气液分离器3，四通换向阀4，压缩机5，冷凝换热器6，四个单向阀门7，电子膨胀阀8，储液器9，干燥过滤器10，储热水箱21以及辅助蒸发器11组成；太阳能集热/蓄热/蒸发器1包括槽型壳体13和横穿槽型壳体的液体管道22，槽型壳体13的槽口处安装有钢化玻璃12使槽型壳体内腔形成密闭空间；槽型壳体内部安装有吸热铜管17和吸热平板18，吸热铜管为U形，其两个管口皆穿过槽型壳体侧壁至槽型壳体外部，吸热平板为铝制平板，其上还能够涂敷一层吸收涂层，连接在吸热铜管的上管管壁上，槽型壳体内部还填充有相变材料15，所述吸热平板水平覆盖在相变材料上表层，所述液体管道位于相变材料中；四个单向阀组成一个单向阀组，所述单向阀组有a、b、c、d四个接口，所述单向阀组的接口b依次通过储液器9、干燥过滤器10和电子膨胀阀8与单向阀组的接口d连接；四通换向阀的接口a通过气液分离器3与压缩机5入口相连，压缩机5的出口与四通换向阀4的接口b连接，四通换向阀的接口c与冷凝换热器6的a口连接，冷凝换热器6的b口与单向阀组的接口a连接，单向阀组的接口c通过三通阀门a分别与辅助蒸发器11的一个接口和吸热铜管17的上管管口相连，辅助蒸发器11的另一个接口和吸热铜管的下管管口皆通过三通阀门b连接在四通换向阀的接口d上；所述太阳能集热/蓄热/蒸发器1的液体管道的出水口与冷凝换热器的d口皆连接在储热水箱的进水口上，所述冷凝换热器的c口为进水口，所述储热水箱21上设置有与生活用水管道相连的出水口，所述冷凝换热器的d口还与室内空调设备相连。

进一步，槽型壳体内部还安装有翅片16，翅片16位于相变材料中且同时与吸热铜管相连和液体管道相连；优选的，翅片同时连接吸热铜管的上管和下管，液体管道位于吸热铜管的上管和下管之间并穿过翅片。

进一步，吸热铜管呈上管和下管水平，且上管位于下管的正上方的形态固定设置于槽型壳体内。

进一步、槽型壳体内安装有至少两个吸热铜管，槽型壳体外设有一个入液集总管20和一个出液集总管19，吸热铜管的上管管口和下管管口皆分别连接在入液集总管20和出液集总管19上，入液集总管的管口与三通阀门a相连，出液集总管与三通阀门b相连。

进一步、槽型壳体内壁上还设置有保温层14。

进一步、太阳能集热/蓄热/蒸发器的液体管道的出水口与储热水箱、冷凝换热器的d出口与储热水箱之间皆设置有截止阀，所述储热水箱的出水口也设置有截止阀26。

上述冷凝换热器采用壳管式冷凝换热器。

上述四个单向阀有两种流向。其一：制冷剂由a口至b口,经储液器9、干燥过滤器10,电子膨胀阀8至d口，再由d口至c口。其二：由c口至b口，经储液器9、干燥过滤器10,电子膨胀阀8至d口，再由d口至a口。

本发明中太阳能集热/蓄热/蒸发器1由相变材料与太阳能集热器组成，是太阳能与相变材料的耦合。当太阳能集热器的热量过高时，相变材料通过物态的转变，储存过高的热量。当夜晚或者太阳强度减弱时可以利用其储存的能量，提高了直膨式太阳能热泵系统的稳定性。太阳能集热/蓄热/蒸发器1耦合了太阳能集热与蓄热，使系统的结构更加紧凑，提高了系统的运行效率。并且当蒸发器出口的温度、压力过高时，对压缩机的性能产生影响，也会对压缩机有损害。所以所述的太阳能集热/蓄热/蒸发器1通过改变使用不同温区的相变材料，能够很好的控制压缩机入口的温度和压力，对压缩机起作保护作用。本发明在太阳能集热/蓄能/蒸发器1并联了一个辅助蒸发器，通过四通换向阀4和三通阀2可以实现冬天采暖，提供生活热水，夏天可以满足制冷需求。

本发明实用方式：

（1）冬季运行时：制热采暖+制生活热水模式

如图1所示，从压缩机5出来的高温高压制冷剂经过冷凝换热器6与水系统进行热交换，阀门24关闭，阀门25开启，此部分热水供室内采暖使用。制冷剂从冷凝换热器6流出后经过四个单向阀7流经储液器9、过滤干燥器10和电子膨胀阀8。通过两个三通阀2控制，制冷剂经过太阳能集热/蓄热/蒸发器1，其出口经四通换向阀4和气液分离器流回压缩机，自来水经太阳能集热/蓄热/蒸发器1升温成为生活热水，此时阀门23开启，实现冬季采暖和提供生活热水的功能。

太阳能集热/蓄热/蒸发器1收集热量，（1）当白天蓄热足以提供晚上供暖和生活热水时，利用相变材料储存的热量提供。（2）当白天蓄热不足以提供夜晚所需生活热水时，采用热泵机组开启，阀门25关闭，阀门24开启，利用辅助蒸发器11并联在太阳能集热/蓄热/蒸发器1旁与太阳能集热器1同时运作，以满足人们需求，保证了直膨式太阳能的稳定性以及避免对压缩机5造成不利影响。

（2）夏季运行时，制冷+制生活热水模式

由压缩机5流出高温高压的制冷剂经四通换向阀4到三通阀2，通过三通阀2控制制冷剂经过辅助蒸发器11(此工况作冷凝蒸发器使用)，其出口经过四个单向阀7、储液器9、干燥器10和电子膨胀阀8进入冷凝换热器6(此工况作蒸发器使用)，进行蓄冷，与水系统进行换热，满足房间冷负荷要求，实现夏季制冷。当白天的太阳强度较高时，太阳能集热/蓄热/蒸发器1可以给自来水加热成生活用水。当夜晚或阴雨天时，辅助蒸发器11不启用，从压缩机5出来的制冷剂经四通换向阀4到三通阀2，通过三通阀2控制制冷剂经过太阳能集热/蓄热/蒸发器1与相变材料热交换，相变材料储存的热量可以持续的加热生活热水，同时满足制生活热水和制冷的目的。

（3）过渡季节运行时，制生活热水模式

过渡季节中无需制冷和制热，只运行太阳能集热/蓄热/蒸发器1，由冷水经过太阳能集热/蓄热/蒸发器1，流经截止阀23到储水箱21储存，以供用户生活热水的使用。

Claims (6)

1.一种直膨式太阳能热泵系统，其特征在于：该系统由太阳能集热/蓄热/蒸发器，两个三通阀门，气液分离器，四通换向阀，压缩机，冷凝换热器，四个单向阀门，电子膨胀阀，储液器，干燥过滤器，储热水箱以及辅助蒸发器组成；

其中，所述太阳能集热/蓄热/蒸发器包括槽型壳体和横穿槽型壳体的液体管道，所述槽型壳体的槽口处设置有钢化玻璃使槽型壳体内腔形成密闭空间；所述槽型壳体内部设置有吸热铜管和吸热平板，所述吸热铜管为U形，其两个管口皆穿过槽型壳体侧壁至槽型壳体外部，所述吸热平板连接在吸热铜管的上管管壁上，所述槽型壳体内部还填充有相变材料，所述吸热平板水平覆盖在相变材料上表层，所述液体管道位于相变材料中；

所述四个单向阀组成一个单向阀组，所述单向阀组有a、b、c、d四个接口，所述单向阀组的接口b依次通过储液器、干燥过滤器和电子膨胀阀与单向阀组的接口d连接；

所述四通换向阀的接口a通过气液分离器与压缩机入口相连，压缩机的出口与四通换向阀的接口b连接，四通换向阀的接口c与冷凝换热器的a口连接，冷凝换热器的b口与单向阀组的接口a连接，单向阀组的接口c通过三通阀门a分别与辅助蒸发器的一个接口和吸热铜管的上管管口相连，辅助蒸发器的另一个接口和吸热铜管的下管管口皆通过三通阀门b连接在四通换向阀的接口d上；所述太阳能集热/蓄热/蒸发器的液体管道的出水口与冷凝换热器的d口皆连接在储热水箱的进水口上，所述冷凝换热器的c口为进水口，所述储热水箱上设置有与生活用水管道相连的出水口，所述冷凝换热器的d口还与室内空调设备相连。

2.根据权利要求1所述的直膨式太阳能热泵系统，其特征在于：所述槽型壳体内部还设置有翅片，所述翅片位于相变材料中且同时与吸热铜管相连和液体管道相连。

3.根据权利要求2所述的直膨式太阳能热泵系统，其特征在于：所述翅片同时连接吸热铜管的上管和下管，所述液体管道位于吸热铜管的上管和下管之间并穿过翅片。

4.根据权利要求1所述的直膨式太阳能热泵系统，其特征在于：所述吸热铜管呈上管和下管水平，且上管位于下管的正上方的形态固定设置于槽型壳体内。

5.根据权利要求1或4所述的直膨式太阳能热泵系统，其特征在于：所述槽型壳体内设置有至少两个吸热铜管，所述槽型壳体外设置有一个入液集总管和一个出液集总管，所述吸热铜管的上管管口和下管管口皆分别连接在入液集总管和出液集总管上，所述入液集总管的管口与三通阀门a相连，出液集总管与三通阀门b相连。

6.根据权利要求1所述的直膨式太阳能热泵系统，其特征在于：所述槽型壳体内壁上还设置有保温层。