采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵系统

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本发明涉及一种利用太阳、空气、电热三能源实现采暖、空调、热 水三功能复合热泵(3-3)系统。\n空气是广泛、均匀的热源，在各种不同温度下都能提供几乎任意数 量的热量，这是目前空气热泵系统已在世界范围内广泛商业化的前提。 然而由于空气温度随地区、季节变化大，因而在空气热泵系统的使用过 程中存在如下问题：\n1、从冬季过低温度的空气中采热时，热泵系统难以启动、供热系 数减小；\n2、为保持足够采热平均温差，热泵系统需要比制冷系统大得多的 空气量掠过蒸发器，从而增加风机电耗，降低热泵系统供热系数；按经 验，热泵系统每kW供热量实际使用1200m3/h的经济可行空气量；\n3、为保持空气温度和蒸发温度之间的5℃温差，在上述经济可行空 气量条件下，所需蒸发器换热面积约两倍于单向制冷系统的蒸发器；\n4、空气温度在-5-+5℃之间时，由于空气绝对含湿量较高，因此存 在盘管结霜现象，使换热效率降低，严重时会完全堵塞空气进口；\n5、上述4、工况时，需要每小时1-2次的融霜循环，此时热泵系统 不供热，反而从建筑物内提取融霜热量，造成6-21％的供热量损失。\n采用空气热泵系统从封闭的居室阳台或塑料大棚内的温热空气中 采热，虽然运行情况良好，但占用较大的有用空间。\n太阳能也是广泛、均匀、高品位的理想热源，这是目前太阳能集热 器已在世界范围内商业化的前提。然而由于太阳能低密度的特征，使得 太阳能集热器存在如下问题：\n1、￥5000-10000/kW的初投资，使其难以在现有工业平台上实现更 大规模的商业化；\n2、当集热温度较高时，环境热损较大，导致集热效率降低。\n相比之下电加热器的初投资最低，但长年连续运行时，耗电量巨大， 因此也不宜独立运行。\n本发明的目的是综合现有空气热泵系统、太阳能集热器、电加热器 三种技术的优点，同时克服其各自单独技术的不足之处，提供一种由太 阳、空气、电热三能源互补来实现采暖、空调、热水三功能的综合利用， 以使15年内初投资与运行费之合最低的三位一体复合热泵(3-3)系统。\n附图说明：\n附图1为本发明的系统流程图。\n附图2为本发明中混热、蓄热、蒸发/冷凝器1的剖面图。\n附图3为本发明中双向节流阀组3的流程图。\n本发明采用的技术方案，即采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵 系统如附图1、附图2、附图3所示，其中：1-混热、蓄热、蒸发/冷凝 器；2-蒸发/冷凝管；3-双向节流阀组；4-流量调节阀；5-空气蒸发/冷 凝器；6-循环水蒸发/冷凝器；7-四通换向阀；8-压缩机组；9-气液分 离器；10-冷/热水循环泵；11-供水四通阀组；12-回水四通阀组；13- 混水循环泵；14-混水三通阀组；15-集热联箱；16-混合三通阀组；17- 风机盘管；18-热水器；19-热水盘管；20-定压、膨胀罐；21-循环水； 22-相变蓄热管；23-电加热管；24-太阳能集热管；25-电动机；26-风 机；27-节流阀；28-逆止阀；29-干燥过滤器。\n按照附图1、附图2、附图3所示的采暖空调热水用太阳空气电热复 合热泵系统：混热、蓄热、蒸发/冷凝器1中蒸发/冷凝管2的进/出口 分别通过双向节流阀组3和2个流量调节阀4形成太阳侧支路，然后与 空气蒸发/冷凝器5的进/出口分别通过双向节流阀组3和2个流量调节 阀4形成的空气侧支路并联，并联通路的一端再通过管道顺次连接循环 水蒸发/冷凝器6的制冷剂侧、四通换向阀7、压缩机组8、气液分离器 9，最后再与该并联通路的另一端相联，形成太阳、空气、电热复合热 泵系统回路；\n循环水蒸发/冷凝器6循环水侧的出口通过管道连接于供水四通阀 组11，而回水四通阀组12通过管道连接于冷/热水循环泵10、循环水 蒸发/冷凝器6循环水侧的进口，形成复合热泵系统供冷/热水回路；\n混热、蓄热、蒸发/冷凝器1的混水侧出口通过管道连接于混水循环 泵13、混水三通阀组14，混水三通阀组14再通过管道连接于集热联箱 15、混合三通阀组16、混热、蓄热、蒸发/冷凝器1的混合侧进口，形 成集热回路；\n混热、蓄热、蒸发/冷凝器1的混水侧出口通过管道连接于混水循环 泵13、混水三通阀组14，混水三通阀组14再通过管道连接于供水四通 阀组11，而回水四通阀组12通过管道连接于混合三通阀组16、混热、 蓄热、蒸发/冷凝器1的混合侧进口，形成供热回路；\n供水四通阀组11通过管道连接于风机盘管17系统、回水四通阀组 12，形成采暖、空调冷/热水回路；\n供水四通阀组11通过管道连接于热水器18系统中的热水盘管19、 回水四通阀组12，形成加热水回路；\n定压、膨胀罐20的定压管成2路分别连接于集热联箱15的出口和 冷/热水循环泵10的入口。\n混热、蓄热、蒸发/冷凝器1内的循环水21中，同时均匀布置着流 通制冷剂的蒸发/冷凝管2、填充相变工质的相变蓄热管22、电加热管 23；其中蒸发/冷凝管2和相变蓄热管22可以是直管，也可是螺旋盘管； 相变工质为相变温度6-66℃的结晶水合盐、石蜡、酯酸。\n集热联箱15所集太阳辐射由1-10000根平行相间的热管真空管型 或全玻璃真空管型太阳能集热管24实现。\n空气蒸发/冷凝器5的空气侧由电动机25驱动风机26。\n1个节流阀27与1个逆止阀28反向并联，组成单向节流阀组；2 组单向节流阀组再同类型阀门反向串联，2组中间还串联1个干燥过滤 器29，从而组成双向节流阀组3。\n混热、蓄热、蒸发/冷凝器1中的电加热管23可省去。\n由热水器18中的热水盘管19组成的加热供水回路可省去。\n本发明的工作原理结合附图1、附图2、附图3说明如下：\n一、太阳能集热系统供热方式\n当出现太阳辐射和/或混热、蓄热、蒸发/冷凝器1中的循环水21 的温度大于风机盘管17的采暖供水温度和/或热水器18的加热供水温 度时，混水循环泵13启动，以驱动循环水21流经混水三通阀组14后， 进行：\n1、集热循环：循环水21流经集热联箱15、混合三通阀组16、混热、 蓄热、蒸发/冷凝器1中的相变蓄热管22，构成集热循环，以把从太阳 能集热管24中选择性翼片表面吸收太阳全射辐射并由热管导入上端集 热联箱15，最后以对流方式释放的集热，输送到混热、蓄热、蒸发/冷 凝器1内，再通过对流方式把一部分集热传递给相变蓄热管22的外表 面，并由其中的相变工质以吸热熔解方式蓄热。\n2、供热循环：循环水21流经供水四通阀组11、风机盘管17系统 和/或热水器18系统、回水四通阀组12、混合三通阀组16、混热、蓄 热、蒸发/冷凝器1，构成供热循环，把以对流方式从相变蓄热管22和/ 或电加热管23中，接受的凝固放热和/或电加热，输送给风机盘管17 系统和/或热水器18系统。\n3、混水循环：即集热循环与供热循环的并联循环，其中来自集热联 箱15的集热循环供水，与来自回水四通阀组12的供热循环回水经过混 合三通阀组16后混合均温。\n二、热泵系统供热方式\n1、太阳热泵循环系统：当混热、蓄热、蒸发/冷凝器1中的循环水 21温度小于风机盘管17的采暖供水温度和/或热水器18的加热供水温 度时，压缩机组8启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀7、循环水蒸发/ 冷凝器6、流量调节阀4、双向节流阀组3、蒸发/冷凝管2、流量调节 阀4、四通换向阀7、气液分离器9，构成太阳热泵循环系统，以把蒸发 /冷凝管2中采集的低位热能泵至循环水蒸发/冷凝器6内；冷/热水循 环泵10预先启动，以驱动循环水21流经循环水蒸发/冷凝器6、供水四 通阀组11、风机盘管17系统和/或热水器18系统、回水四通阀组12、 冷/热水循环泵10，构成供热回路，以把循环水蒸发/冷凝器6内的冷凝 放热输送给风机盘管17系统和/或热水器18系统。\n2、空气热泵循环系统：当混热、蓄热、蒸发/冷凝器1中的循环水 21温度低于风机盘管17的采暖供水温度和/或热水器18的加热供水温 度时，压缩机组8启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀7、循环水蒸发/ 冷凝器6、流量调节阀4、双向节流阀组3、空气蒸发/冷凝器5、流量 调节阀4、四通换向阀7、气液分离器9，构成空气热泵循环系统，以把 空气蒸发/冷凝器5中采集的低位热能泵至循环水蒸发/冷凝器6内；冷 /热水循环泵10预先启动，以驱动循环水21流经循环水蒸发/冷凝器6、 供水四通阀组11、风机盘管17系统和/或热水器18系统、回水四通阀 组12、冷/热水循环泵10，构成供热回路，以把循环水蒸发/冷凝器6 内的冷凝放热输送给风机盘管17系统和/或热水器18系统。\n3、太阳、空气复合热泵循环系统：当混热、蓄热、蒸发/冷凝器1 中的循环水21温度低于风机盘管17的采暖供水温度和/或热水器18的 加热供水温度时，压缩机组8启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀7、 循环水蒸发/冷凝器6、三通、2路流量调节阀4、2路双向节流阀组3、 蒸发/冷凝管2和空气蒸发/冷凝器5、2路流量调节阀4、三通、四通换 向阀7、气液分离器9，构成太阳、空气复合热泵循环系统，以把蒸发/ 冷凝管2和空气蒸发/冷凝器5中采集的低位热能泵至循环水蒸发/冷凝 器6内；冷/热水循环泵10预先启动，以驱动循环水21流经循环水蒸 发/冷凝器6、供水四通阀组11、风机盘管17系统和/或热水器18系统、 回水四通阀组12、冷/热水循环泵10，构成供热回路，以把循环水蒸发 /冷凝器6内的冷凝放热输送给风机盘管17系统和/或热水器18系统。\n三、制冷系统与太阳能集热系统供冷/热方式\n1、制冷循环系统：压缩机组8启动，以驱动制冷剂流经四通换向阀 7、流量调节阀4、空气蒸发/冷凝器5、双向节流阀组3、流量调节阀4、 循环水蒸发/冷凝器6、四通换向阀7、气液分离器9，构成制冷循环系 统，以把循环水蒸发/冷凝器6中提取的热能泵至空气蒸发/冷凝器5中， 向环境空气释放。\n2、制冷/供热联合循环系统：压缩机组8启动，以驱动制冷剂流经 四通换向阀7、流量调节阀4、蒸发/冷凝管2、双向节流阀组3、流量 调节阀4、循环水蒸发/冷凝器6、四通换向阀7、气液分离器9，构成 制冷/供热联合循环系统，以把循环水蒸发/冷凝器6中提取的热能泵至 蒸发/冷凝管2后向加热供水释放。\n3、空调循环系统：冷/热水循环泵10启动，以驱动循环水21流经 循环水蒸发/冷凝器6、供水四通阀组11、风机盘管17系统、回水四通 阀组12、冷/热水循环泵10，构成空调回路，以把循环水蒸发/冷凝器6 内的吸热蒸发冷量输送给风机盘管17系统。\n4、热水循环系统：当混热、蓄热、蒸发/冷凝器1中的循环水21 温度大于热水器18的加热供水温度时，混水循环泵13启动，以驱动循 环水21流经混水三通阀组14、供水四通阀组11、热水器18系统、回 水四通阀组12、混合三通阀组16、混热、蓄热、蒸发/冷凝器1，把以 对流方式从混热、蓄热、蒸发/冷凝器1中接受的蓄热和/或电加热输送 给热水器18系统。\n5、混水循环系统：集热循环与供热循环并联循环，其中来自集热联 箱15的集热循环供水，与来自回水四通阀组12的供热循环回水经过混 合三通阀组16后混合均温。\n与现有技术相比，本发明的优点如下：\n1、通过太阳、空气、电热三能源互补实现采暖、空调、热水三功能 综合利用；\n2、依据地理和气象条件从11种运行方式中优选节能方案；\n3、实现空调与热水联供，使用户热量自平衡，避免户外热污染；\n4、把蒸发/冷凝管2、相变蓄热管22、电加热管23整合到混热、蓄 热、蒸发/冷凝器1的循环水21中，利用统一的循环水21系统，减少 换热环节和环境热损，降低制造成本；\n5、集热回路、供热回路、采暖/空调回路、热水回路等形成统一的 循环水21系统，其全部管路中的循环水21，既作为显热蓄热体，又作 为导热性良好的热媒体，减小其与蒸发/冷凝管2、相变蓄热管22、电 加热管23的换热温差，从而提高系统供热系数，使本发明兼具水环热 泵系统的优点；\n6、通过太阳能集热管24、相变蓄热管22的集热、蓄热作用，使太 阳热泵循环系统或太阳、空气复合热泵循环系统的平均采热蒸发温度接 近或高于环境温度，从而提高系统供热系数；\n7、太阳能集热既可作为供热，也可作为太阳热泵循环系统的采热， 从而实现太阳能集热的分级利用；\n8、太阳热泵循环系统可把集热温度降低至接近于环境的温度，从而 减少环境热损，提高太阳能集热效率；\n9、把相变工质填充于相变蓄热管22内，可减轻其导热系数低和凝 固收缩时产生空气间隙对充/放热速率的影响；同时也提高混热、蓄热、 蒸发/冷凝器1内的蓄热密度，使其体积减小；\n10、太阳、空气复合热泵循环系统的运行使空气蒸发/冷凝器5的蒸 发采热量减半，从而降低采热温差，减少融霜循环次数和循环时间，降 低供热量损失；\n11、在采暖、空调、热水三功能综合利用的前提下，由于实现了太 阳、空气、电热三能源互补，从而使得本发明在15年内的初投资与运 行费之合，远低于空气热泵系统、太阳能集热器、电加热器，这三项技 术分别实现采暖、空调、热水三功能时的投资与运行费之合。\n                          实施例\n本发明提出的采暖空调热水用太阳空气电热复合热泵系统的实施例 如附图1、附图2、附图3所示，现说明如下：由厚1.2mm不锈钢板制 成的直径800mm、高2500mm的混热、蓄热、蒸发/冷凝器1中，直径10mm 铜制螺旋蒸发/冷凝盘管2的进/出口分别通过双向节流阀组3和2个流 量调节阀4形成太阳侧支路；然后与铜管套铝翅片式、换热面积40m2的 空气蒸发/冷凝器5的进/出口，分别通过双向节流阀组3和2个流量调 节阀4形成的空气侧支路并联；该并联通路的一端再通过管道顺次连接 不锈钢、换热速率14kW的板式换热器6的R22侧、四通换向阀7、功率 4.0kW的全封闭涡旋式压缩机组8、气液分离器9，最后再与该并联通路 的另一端相联，形成太阳、空气复合热泵循环系统回路；板式换热器6 循环水侧的出口通过管道连接于供水四通阀组11，而回水四通阀组12 通过管道连接于流量3m3/h、扬程14mH2O的冷/热水循环泵10、板式换 热器6循环水侧的进口，形成复合热泵循环系统的供冷/热水回路；混 热、蓄热、蒸发/冷凝器1的混水侧出口通过管道连接于流量3m3/h、 扬程14mH2O的混水循环泵13、混水三通阀组14，混水三通阀组14再通 过管道连接于集热联箱15、混合三通阀组16、混热、蓄热、蒸发/冷凝 器1的混合侧进口，形成集热回路；混热、蓄热、蒸发/冷凝器1的混 水侧出口通过管道连接于混水循环泵13、混水三通阀组14，混水三通 阀组14再通过管道连接于供水四通阀组11，而回水四通阀组12通过管 道连接于混合三通阀组16、混热、蓄热、蒸发/冷凝器1的混合侧进口， 形成供热回路；供水四通阀组11通过管道连接于风机盘管17系统、回 水四通阀组12，形成采暖、空调冷/热水回路；供水四通阀组11通过管 道连接于厚1.2mm不锈钢板制成的直径300mm、长800mm热水器18系统 中直径10mm的不锈钢热水盘管19、回水四通阀组12，形成加热供水回 路；体积201的定压、膨胀罐20的直径15mm定压管成2路分别连接于 集热联箱15的出口和冷/热水循环泵10的入口。混热、蓄热、蒸发/冷 凝器1内的循环水21中，同时均匀布置着流通R22的蒸发/冷凝管2、 400根直径32mm填充熔点30℃石蜡的不锈钢相变蓄热直管22、电加热 管23。集热联箱15所集太阳辐射热量由110根平行相间、长2000mm、 直径100mm的热管真空管型太阳能集热管24提供，太阳能集热管24由 壁厚2.5mm高硼硅玻璃管封接，维持10-3Pa压力，其中玻璃透光率0.87， 内部采用铜制热管外裹宽92mm、长1950mm的铝制吸光翼片，翼片选择 性吸光表面的太阳光吸收率0.92、红外发射率0.8，热管伸出太阳能集 热管24封口端的12mm接头通过导热胶插入集热联箱15的传热铝块插 孔内。1个节流阀27与1个逆止阀28反向并联，组成单向节流阀组；2 组单向节流阀组再按同型阀门反向串联，2组中间还串联1个干燥过滤 器29，从而组成双向节流阀组3。空气蒸发/冷凝器5的空气侧由电动 机25驱动低噪音轴流风机26。本发明实施例在日平均太阳全射辐射强 度700W/m2、日照时间8小时、日平均环境气温-10℃的气象条件下，循 环供水21温度55℃时，可实现采暖、热水的制热功率18.0kW，供热系 数4.0，总输入电功率4.5kW，距离机组1m处运行噪音60dB，运行重量 200kg。本发明实施例在日平均太阳全射辐射强度700W/m2、日照时间8 小时、日平均环境气温35℃的气象条件下，循环供水21温度55℃时， 可实现空调制冷功率13.5kW，热水供热功率4.8kW，制冷系数COP3.0， 总输入电功率4.5kW。