直膨式太阳能热泵空调及热水系统

1、一种直膨式太阳能热泵空调及热水系统，其特征在于太阳能集热/散热器 (1)在冬季作为集热器兼热泵的蒸发器，夏季则作为夜间辐射散热器兼热泵的冷 凝器，冬季运行时太阳能集热/散热器(1)的出口与四通换向阀(2)的一个端口 连接，四通换向阀(2)的常出端口与气液分离器(3)的进口相连，气液分离器 (3)的出口与变频压缩机(4)的进气口连接，压缩机(4)排气口与冷凝盘管(5) 的进口连接，冷凝盘管(5)的出口与四通换向阀(2)的常入端口连接，四通换 向阀(2)的剩余端口与换热盘管(8)的进口连接，换热盘管(8)的出口经单向 阀组(10)与储液器(11)的进口连接，储液器(11)的出口与干燥过滤器(12) 的进口连接，干燥过滤器(12)的出口与电子膨胀阀(13)的进口相连，电子膨 胀阀(13)的出口再经单向阀组(10)与太阳能集热/散热器(1)的进口相连，形 成闭合的制冷剂循环通道；夏季运行时四通换向阀(2)发生换向，使得换热盘管 (8)出口通过四通换向阀(2)与气液分离器(3)的进口相连，气液分离器(3) 的出口与压缩机(4)的进口相连，压缩机(4)的出口与冷凝盘管(5)的进口连 接，冷凝盘管(5)的出口经四通换向阀(2)与太阳能集热/散热器(1)的进口相 连，太阳能集热/散热器(1)的出口经单向阀组(10)、储液器(11)、干燥过滤器 (12)、电子膨胀阀(13)与换热盘管(8)相连接，从而形成闭合的制冷剂环路； 冷凝盘管(5)布置在生活热水箱(6)中，换热盘管(8)则布置在蓄热/冷槽(9) 中，并且冷凝盘管(5)和换热盘管(8)均设有旁通管路，上述两个旁通管路上 各设有一个电磁阀(7)进行通断控制，蓄热/冷槽(9)的上、下部分别设一接管 与空调末端装置的供、回水管路相连，风冷换热器(15)的进、出口分别通过电 磁三通阀(14)与太阳能集热/散热器(1)并联。
2、如权利要求1的直膨式太阳能热泵空调及热水系统，其特征在于所述的太 阳能集热/散热器(1)采用无盖板、底部保温、表面喷涂太阳光谱吸收性材料平板 型集热器。
3、如权利要求1的直膨式太阳能热泵空调及热水系统，其特征在于所述的蓄 热/冷槽(9)采用闭式承压蓄热水箱，水箱内布置铜管换热器，管内为制冷剂通路， 冬季蓄热，夏季蓄冷。

技术领域\n本发明涉及一种太阳能光热利用系统，尤其涉及一种直膨式太阳能热泵空 调及热水系统，属于能源类供热及空调技术领域。\n背景技术\n近年来，随着我国建筑业的迅猛发展，建筑的采暖和空调耗能不断扩大。 据统计，我国的建筑能耗约占全国总能耗的1/4，居耗能首位。能源的消耗不仅 加剧了矿物燃料的日益紧缺和枯竭，而且严重污染了环境。要满足不断增长的 建筑用能需求，而又不致于影响其他部门用能的需求或者不加剧已经严重的污 染状况，最好的办法是实施建筑节能。利用太阳能光热技术来满足建筑物对采 暖、空调及热水的需求是目前最具现实意义和开发利用前景的领域。太阳能光 热技术在建筑物中的应用主要有被动式太阳房、太阳能直接采暖、太阳能热泵、 太阳能吸收式或吸附式空调等多种形式。其中，被动式太阳房对建筑设计有特 殊要求，适用性和灵活性较差，而太阳能直接采暖系统一般比较庞大、太阳能 依存率低、经济性能差，目前都难于在我国城乡建筑中加以规模化的推广应用。 由于采用现有的太阳能集热器和吸附式制冷机，太阳能吸收式空调通常只能在 单效工况下运行，使得实际供热性能系数COP较双效COP低了50％。例如， 文献《最新制冷空调技术》(王如竹、丁国良等，科学出版社2002，9：113～116) 就指出，我国“九五”期间实施的两个较大型的太阳能吸收式空调系统(100kW)， 投资额高达200余万元，而实际COP却被限制在0.6～0.7以下，技术经济性能很 差，从根本上限制了其推广使用。此外，太阳能吸附式空调目前尚处于初步研 究阶段，还必须克服运转间歇性、系统效率低、冷重比小等问题，才能真正加 以实际应用。\n太阳能热泵克服了上述太阳能采暖及空调系统的缺点，将太阳能光热技术 与电动热泵技术有机结合起来，大大降低了集热器工作温度，并提高了热泵的 蒸发温度，因而具有较高的集热器效率和热泵性能系数，而且结构紧凑、适用 性强、技术经济性能也较好，为太阳能空调走上产业化发展道路提供了一条有 效途径。但是，常规的非直膨式太阳能热泵存在结构比较复杂、集热器件难以 与建筑结构集成、功能单一、设备全年利用率不高等缺点，使其推广应用也受 到一定的限制。\n发明内容\n本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型的直膨式太阳能热 泵空调及热水系统，将太阳能热泵与冰蓄冷空调加以结合，集冬季采暖、夏季 空调及全年生活热水供应等多种功能于一体，使结构更加紧凑、适用性更好、 设备利用率高、节能效果更加显著，并使集热器件易于与建筑结构实现一体化 集成。\n为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用直膨式太阳能热泵系统形 式，即将太阳能集热器直接作为热泵的蒸发器，使太阳能的吸收过程与制冷剂 的蒸发过程在同一设备中完成。在夏季蓄冰工况下，太阳能集热/散热器将被作 为夜间辐射散热器，兼作热泵的冷凝器，使制冷剂蒸汽在此通过辐射和对流换 热而得到冷凝。整个系统包括太阳能集热/散热器、压缩机、冷凝器、电子膨胀 阀、四通换向阀、蓄热(冷)槽、生活热水箱、气液分离器、储液器、干燥过 滤器、管路及阀件等。太阳能集热/散热器在冬季作为集热器兼热泵的蒸发器， 夏季则作为夜间辐射散热器兼热泵的冷凝器。冬季运行时太阳能集热/散热器的 出口与四通换向阀的一个端口连接，四通换向阀的常出端口与气液分离器的进 口相连，气液分离器的出口与变频压缩机的进气口连接，压缩机排气口与冷凝 盘管的进口连接，冷凝盘管的出口与四通换向阀的常入端口连接，四通换向阀 的剩余端口与换热盘管的进口连接，换热盘管的出口经单向阀与储液器的进口 连接，储液器的出口与干燥过滤器的进口连接，干燥过滤器的出口与电子膨胀 阀的进口相连，电子膨胀阀的出口再经单向阀与太阳能集热/散热器的进口相连， 形成闭合的制冷剂循环通道；夏季运行时四通换向阀发生换向，使得换热盘管 出口通过四通换向阀与气液分离器的进口相连，气液分离器的出口与压缩机的 进口相连，压缩机的出口与冷凝盘管的进口连接，而冷凝盘管的出口经四通换 向阀与太阳能集热/散热器的进口相连，太阳能集热/散热器的出口经单向阀、储 液器、干燥过滤器、电子膨胀阀与换热盘管相连接，从而形成闭合的制冷剂环 路。冷凝盘管布置在热水箱中用于生产40～60℃的生活热水，而换热盘管则布置 在蓄热(冷)槽中，将一部分热(冷)量用于房间采暖(空调)，另一部分热(冷) 量储存在水箱中作为备用。冷凝盘管和换热盘管均设有旁通管路，每个旁通管 路上各设有一个电磁阀进行通断控制。蓄热(冷)槽的上、下端分别设有供、 回水接管，从而可以与空调末端装置进行连接。空气换热器的进、出口分别通 过电磁三通阀与太阳能集热/散热器并联，作为热泵的辅助蒸发器或冷凝器。\n本发明采用易于与建筑结构实现一体化集成的平板型太阳能集热/散热器。 吸热体可采用铜铝复合焊接板或全铝热压吹胀板，顶部无盖板，底部及四周加 以适当保温，表面喷涂光谱吸收性材料，管路承压要求在15～20kgf/cm2以上。 由于该太阳能集热/散热器结构简单、质轻体薄，所以易于倾斜安装在屋顶之上 或垂直挂装在南向外墙壁上，特别适合于多层或高层建筑。在夏季蓄冰工况下， 太阳能集热/散热器又作为夜间辐射散热/冷凝器使用。\n本发明采用闭式承压蓄热水箱，水箱内布置高效的铜管换热器，管内为制 冷剂通路，通过自然对流和导热与水进行换热，冬季利用水的显热实现蓄热， 夏季利用水的潜热(包括一部分显热)实现蓄冷。\n本发明采用直膨式太阳能热泵系统形式，使得集热器的工作温度与制冷剂 的蒸发温度始终保持一致，并接近环境温度，大大提高了集热器效率和热泵性 能系数(集热器效率一般可达60％～80％，热泵COP一般可超过3)。本发明采 用易于与建筑结构实现一体化集成的、廉价的平板式集热/蒸发器，集热成本非 常低，极大地改善了系统的经济性能。本发明在阴雨天或太阳辐射相对不足的 情况下可利用空气作为热泵热源，保证了冬季采暖的连续性和稳定性，且不消 耗其它高品位能源。本发明在夏季可利用深夜电力进行蓄冷运行以满足白天空 调负荷的需要，不仅提高了设备利用率、满足了建筑多种用能需求，而且有利 于城市电力错峰。\n本发明集冬季采暖、夏季空调及全年生活热水供应等多种功能于一体，具 有适用性好、设备利用率高、节能效果显著、寿命长、技术经济性能较好等诸 多优点，是一种新型的绿色环保型的建筑复合能量系统，适用于我国广大城乡 建筑。\n附图说明\n图1为本发明的系统结构和冬季采暖工况的示意图。\n图2为本发明的夏季蓄冰工况的示意图。\n图1、图2中，1为太阳能集热/散热器，2为四通换向阀，3为气液分离器， 4为压缩机，5为冷凝盘管，6为生活热水箱，7为电磁阀，8为换热盘管，9为 蓄热(冷)槽，10为单向阀组，11为储液器，12为过滤干燥器，13为电子膨胀 阀，14为电磁三通阀，15为风冷换热器。\n具体实施方式\n以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。\n本发明的系统结构如图1所示。整个系统由太阳能集热/散热器1、四通换 向阀2、气液分离器3、变频压缩机4、冷凝盘管5、生活热水箱6、换热盘管8、 蓄热(冷)槽9、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13、风冷换热器15 以及制冷管路和阀件等组成。太阳能集热/散热器1在冬季作为集热器兼热泵的 蒸发器，夏季则作为夜间辐射散热器兼热泵的冷凝器。冬季运行时太阳能集热/ 散热器1的出口与四通换向阀2的一个端口连接，四通换向阀2的常出端口与 气液分离器3的进口相连，气液分离器3的出口与变频压缩机4的进气口连接， 压缩机4排气口与冷凝盘管5的进口连接，冷凝盘管5的出口与四通换向阀2 的常入端口连接，四通换向阀2的剩余端口与换热盘管8的进口连接，换热盘 管8的出口经单向阀组10与储液器11的进口连接，储液器11的出口与干燥过 滤器12的进口连接，干燥过滤器12的出口与电子膨胀阀13的进口相连，电子 膨胀阀13的出口再经单向阀组10与太阳能集热/散热器1的进口相连，形成闭 合的制冷剂循环通道；夏季运行时四通换向阀2发生换向，使得换热盘管8出 口通过四通换向阀2与气液分离器3的进口相连，气液分离器3的出口与压缩 机4的进口相连，压缩机4的出口与冷凝盘管5的进口连接，而冷凝盘管5的 出口经四通换向阀2与太阳能集热/散热器1的进口相连，太阳能集热/散热器1 的出口经单向阀组10、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13与换热盘管8 相连接，从而形成闭合的制冷剂环路。其中，冷凝盘管5布置在生活热水箱6 中，用于生产40～60℃的生活热水，而换热盘管8则布置在蓄热(冷)槽9中， 并且冷凝盘管5和换热盘管8均设有旁通管路，上述两个旁通管路上各设有一 个电磁阀7进行通断控制。蓄热(冷)槽9的上、下部分别设一接管与空调末 端装置的供、回水管路加以连接，通过水泵形成水的强制循环回路。风冷换热 器15作为太阳能集热/散热器1的辅助设备，其进、出口分别通过一个电磁三通 阀14与太阳能集热/散热器1并联。\n在冬季采暖工况下，系统循环工作过程描述如下：白天，制冷剂经电子膨 胀阀13节流后流入太阳能集热/散热器1中，通过吸收太阳辐射能而蒸发，随后 经气液分离器3的分离作用使制冷剂蒸汽被压缩机4吸入，产生的高温高压蒸 汽首先被排入冷凝盘管5与生活热水箱6中的水进行换热，一部分蒸汽得到冷 凝，此后湿蒸汽又流入蓄热水槽9中的换热盘管8继续冷凝，一部分热量用于 房间采暖，另一部分则被蓄存起来，冷凝后的液态制冷剂经单向阀10、储液器 11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13、单向阀组10流回太阳能集热/散热器1重 新吸收太阳能，从而完成一次循环。夜间，如果蓄热水槽9中的水温足够高， 则通过空调末端循环直接从蓄热水槽9中取热，不必启动压缩机4。但是，如果 白天蓄存的热量不足以满足夜间(或阴雨天)连续采暖的需要，则电磁三通阀 14开启旁通管路，利用风冷换热器15作为系统的辅助热源装置，以满足房间采 暖的舒适性要求。\n图2为本发明的夏季蓄冰工况示意图。\n通过四通换向阀2的换向，将太阳能集热/散热器1用作夜间辐射散热/冷凝 器，辐射散热/冷凝器1的进口经四通换向阀2与冷凝盘管5的出口相连，与此 同时蓄热水槽9作为冰蓄冷槽，而换热盘管8的出口则经四通换向阀2与气液 分离器3的进气口连接起来，其余部件之间的连接关系保持不变。\n在夏季蓄冰工况下，系统循环工作过程如下：夜间，从压缩机4出来的制冷 剂蒸汽首先流入冷凝盘管5，通过加热生活热水而部分冷凝，然后湿蒸汽经四通 换向阀2流入夜间辐射散热/冷凝器1，通过对流和辐射散热继续冷凝，得到的 液态制冷剂经单向阀组10、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13流入换 热盘管8内，通过吸收蓄冷槽9中水的热量而蒸发，使得水温的不断下降直至 冰点，制得的冰一部分供夜间空调使用，另一部分蓄存在冰槽中供白天空调使 用，蒸发后的制冷剂经气液分离器3又重新被压缩机4吸入、压缩，从而完成 一次循环。如果夜间蓄存的冰量足以满足白天空调的需要，则可以利用空调末 端循环直接从蓄冰槽9中提取冷量，不必启动热泵机组。如果夜间蓄冰量不足， 则开启电磁三通阀14的旁通管路，采用风冷换热器15作为系统的辅助冷凝器， 以保证白天房间空调的需要。\n在过渡季热水工况下，通过降低压缩机4的频率来减少制冷剂的循环量， 同时开启电磁阀7，使得制冷剂蒸气在冷凝盘管5中全部冷凝用于生产热水，而 冷凝后的制冷剂液体经换热盘管8的旁通管直接流入储液器11中。\n在系统控制方面，本发明主要采用以下几点措施：1)采用四通换向阀进行 冬夏工况的转换；2)采用电子膨胀阀控制压缩机吸气过热度，并根据气象条件 的变化情况，通过变频器控制压缩机的电动机转速，从而使得整个系统始终能 够保持高效、稳定的运行；3)根据蓄能介质温度及气象条件的变化，采用温差 控制器启动后备风冷换热器以及控制电磁三通阀的开度；4)在冬季工况下，热 水箱内温控器用于控制其旁通管路上电磁阀的启闭，即当热水温度达到设定温 度时，打开旁通管路。在过渡季工况下，该温控器则用于控制压缩机的启停， 即当热水温度达到设定温度时，压缩机自动停机。