三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统

摘要

三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统，它涉及一种热泵集成系统。本发明的目的是为解决空气源热泵机组应用在中央空调系统中使电网负荷不断上升、冬季热泵供热能力与建筑物负荷需求不同步以及太阳能热泵收集热能效率较低，造价较高、易受天气影响的问题。本发明第一蓄能换热器(30)的进水口(11)、第二蓄能换热器(19)的进水口(14)和第三蓄能换热器(20)的进水口(17)分别与第二管道(12)相连通。本发明实现了电力负荷的“移峰填谷”，平衡冬季昼夜热泵供热负荷，采用空气源、太阳能和蓄热多热源热泵运行模式，弥补单一热源运行时存在的不足，空调可以尽可能在满负荷状态下运行。本发明夏季可以实现五种运行模式，冬季具有四种运行模式。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热泵集成系统，具体涉及一种具有相变蓄能器的冬季蓄热和夏季蓄冷双重功能的太阳能和空气源集成热泵系统。

背景技术

随着空气源热泵机组应用的不断增多，其存在的问题在使用过程中逐渐体现出来：(一)夏季空调使用时段集中，造成电力负荷集中，加剧城市电网峰谷差。由于夏季空调主要集中在白天运行，使电网负荷不断上升，造成了电网高峰负荷不断攀升。(二)冬季热泵供热能力与建筑物负荷需求不同步，出现供需矛盾。受昼夜温差的影响，白天室外气温高时，热泵供热量大，但室内热负荷需求小；而当晚上室外气温降低时，热泵供热量减少，而室内热负荷需求增加。所以白天机组多处于部分负荷运行状态，而晚上需要增加辅助加热装置以满足热量要求。传统方法一般直接采用电加热作为辅助热源，造成高位热源的浪费。太阳能热泵在热水供应和供暖中也有应用，但是也存在一系列的问题：(一)太阳能是一种低密度的能源，因此需要相当大的集热面积，才能收集到足够的功率。但是，面积大，造价就会高，而且设备占地面积大，应用受到建筑环境的限制。(二)太阳辐射热量有季节、昼夜的规律变化，同时还要受到阴晴云雨等随机因素的影响，故太阳辐射热量具有很大的不稳定性。因此必须有贮存装置，这不仅增加了技术上的困难，也使造价增加。目前虽然已经制成多种贮存系统，但总是不够理想，具体应用也有一定困难。

发明内容

本发明的目的是为解决空气源热泵机组应用在中央空调系统中使电网负荷不断上升、冬季热泵供热能力与建筑物负荷需求不同步以及太阳能热泵收集热能效率较低，造价较高、易受天气影响的问题，提供一种三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统。本发明由第五管道2、循环水泵4、太阳能集热器5、第一膨胀阀6、热水罐7、第一管道8、第二管道12、第二膨胀阀13、第三膨胀阀15、第二相变材料蓄能换热器19、第三相变材料蓄能换热器20、第三管道27、第四管道29、第一相变材料蓄能换热器30、第六管道3、供热水泵25、第七管道31、第四膨胀阀34、第一三通阀36、第一换热器38、第五膨胀阀39、第二换热器40、低压气液分离器41、热泵压缩机42、四通换向阀44和第二三通阀45组成，第一相变材料蓄能换热器30的进水口11、第二相变材料蓄能换热器19的进水口14和第三相变材料蓄能换热器20的进水口17分别与第二管道12相连通，第一相变材料蓄能换热器30的出水口32、第二相变材料蓄能换热器19的出水口26和第三相变材料蓄能换热器20的出水口22分别与第三管道27相连通，太阳能集热器5的出水管与热水罐7的入口相连通，循环水泵4的出口与太阳能集热器5的入口相连通，循环水泵4的入口与热水罐7的出口相连通，第二管道12的一端与太阳能集热器5的出水管相连通，第三管道27的一端与第五管道2的一端相连通，第五管道2的另一端与循环水泵4的入口相连通，第一相变材料蓄能换热器30的制冷剂入口1、第二相变材料蓄能换热器19的制冷剂入口23和第三相变材料蓄能换热器20的制冷剂入口18分别与第一膨胀阀6、第二膨胀阀13和第三膨胀阀15的出口相连通，第一膨胀阀6、第二膨胀阀13和第三膨胀阀15的入口分别与第一管道8相连通，第一相变材料蓄能换热器30的制冷剂出口33、第二相变材料蓄能换热器19的制冷剂出口28和第三相变材料蓄能换热器20的制冷剂出口21分别与第四管道29相连通；第一换热器38的下制冷剂接口37与第四膨胀阀34的一端相连通，第四膨胀阀34的另一端与第一三通阀36的右端相连通，第一三通阀36的下端与第一管道8相连通，第一三通阀36的左端与第五膨胀阀39的一端相连通，第五膨胀阀39的另一端与第二换热器40的一端相连通，第二换热器40的另一端与四通换向阀44的左端相连通，四通换向阀44的下端与热泵压缩机42的一端相连通，热泵压缩机42的另一端与低压气液分离器41的一端相连通，低压气液分离器41的另一端与第二三通阀45的左端相连通，第二三通阀45的下端与四通换向阀44的上端相连通，四通换向阀44的右端与第一换热器38的上制冷剂接口43相连通，第二三通阀45的右端与第四管道29相连通，第六管道3的一端与第一换热器38的进水口46相连通，第六管道3的另一端与第二管道12的另一端相连通，第一换热器38的出水口35与第七管道31的一端相连通，第七管道31的另一端与供热水泵25的进水口相连通，第三管道27的另一端与供热水泵25的进水口相连通。

本发明的三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统，其优越性效果可归结为：夏季，本发明可实现电力负荷的“移峰填谷”，缓和电网高峰负荷压力，相变蓄冷温度比冰蓄冷高，可以在正常工况下实现蓄冷，比冰蓄冷效率高；平衡冬季昼夜热泵供热负荷，采用空气源、太阳能和蓄热多热源热泵运行模式，弥补单一热源运行时存在的不足，消除热泵辅助热源，节约高位电能；采用相变材料蓄能[“相变材料”见哈尔滨商业大学学报、《适用与蓄冷空调的二元相变蓄冷材料的测试与研究》李晓燕、2001、17(4)]，减少系统装机容量，同时空调可以尽可能在满负荷状态下运行，有利于改善机组运行效果。

本发明的三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统夏季可以实现五种运行模式，冬季具有四种运行模式，具体介绍如下：

(1)如图2所示，夏季空气源热泵机组单独制冷；如图10所示冬季空气源热泵机组单独制热与常规热泵空调是一样的，只需将制冷剂进入蓄能换热器的阀门关闭。

(2)如图3所示，空气源机组单独蓄冷出现在夏季晚上低谷电价又无需供冷的时候，此时室外气温较低，可以降低机组的冷凝温度，提高制冷效率；如图6所示，机组单独蓄热出现在冬季白天气温较高室内不用供暖或居室中没人时，此时室外气温较高，可以将热量存储在蓄能换热器中，供夜间使用。

(3)如图4所示，系统采用蓄冷供冷，此种情况多用于过渡季日间所需要的冷量不大，由夜间蓄冷可以完全满足需要的情况。

(4)如图5所示，系统采用空气源热泵机组蓄冷/供冷同时进行，此种情况也间所需要供应的冷量不大，机组在满足供冷需要的同时可以将富余的冷量存储起来，供日间电力和冷负荷高峰期使用。此时需要按照设计要求将制冷剂分流。

(5)如图6所示，系统采用联合供冷是指空气源热泵机组和三套管蓄能换热器同时向用户提供冷量，这是考虑到蓄能系统不能太大同时又尽可能减小系统的装机容量。此时只要按设计要求将供水和回水分流即可。

(6)如图7所示，用太阳能低温热水蓄热同时采用热泵取热来满足供热要求是本发明的创新之处。由于在寒冷地区直接应用空气源热泵存在气温过低、压缩比过大和结霜等问题，而直接应用太阳能热泵又存在受气候影响大、不稳定等问题，本发明采用太阳能集热器来提高热泵的低位热源温度，制冷剂直接通过蓄能换热器取热，这样可以保证机组在较高的蒸发温度下运行，大大改善机组的性能，提高系统运行效率，并且保证供热效果。

(7)如图8、图9所示，系统采用太阳能低温热水蓄热，应用于过渡季，日问阳光充足且没有供热要求，将通过太阳能集热器集得热量，并存储在相变蓄能装置中，在夜间，用蓄热作为热泵低位热源，满足供热需要。

(8)如图11所示，当系统蓄能换热器中的热量不能满足供热需要的时候，需要采用联合供热，即蓄热和空气同时作为热泵的低位热源的多源热泵运行模式，此时需要将制冷剂按照设计要求进行分流。

附图说明

图1为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统整体结构示意图，图2为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统夏季空气源热泵供冷及供生活热水示意图，图3为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统夏季蓄冷模式示意图，图4为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统夏季取冷及供生活热水模式示意图，图5为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统夏季供冷/蓄冷模式示意图，图6为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统夏季联合供冷及供生活热水模式示意图，图7为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统冬季供热模式示意图，图8为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统冬季蓄热模式示意图，图9为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统冬季蓄热热泵供热模式示意图，图10为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统冬季空气源热泵供热模式示意图，图11为本发明三套管蓄能空气源和太阳能热泵集成系统冬季空气源和蓄热联合供热模式示意图，图12是第一相变材料蓄能换热器30、第二相变材料蓄能换热器19和第三相变材料蓄能换热器20的结构示意图，图2～图11中的←(箭头)表示制冷剂和水的流向，(粗实线)表示通路，图1～图11中的附图标记9是热水罐7的自来水出口，10是热水罐7的自来水入口，16是用户回水接头，24是用户供水接头。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1～图11)，本实施方式由第五管道2、循环水泵4、太阳能集热器5、第一膨胀阀6、热水罐7、第一管道8、第二管道12、第二膨胀阀13、第三膨胀阀15、第二相变材料蓄能换热器19、第三相变材料蓄能换热器20、第三管道27、第四管道29、第一相变材料蓄能换热器30、第六管道3、供热水泵25、第七管道31、第四膨胀阀34、第一三通阀36、第一换热器38、第五膨胀阀39、第二换热器40、低压气液分离器41、热泵压缩机42、四通换向阀44和第二三通阀45组成，第一相变材料蓄能换热器30的进水口11、第二相变材料蓄能换热器19的进水口14和第三相变材料蓄能换热器20的进水口17分别与第二管道12相连通，第一相变材料蓄能换热器30的出水口32、第二相变材料蓄能换热器19的出水口26和第三相变材料蓄能换热器20的出水口22分别与第三管道27相连通，太阳能集热器5的出水管与热水罐7的入口相连通，循环水泵4的出口与太阳能集热器5的入口相连通，循环水泵4的入口与热水罐7的出口相连通，第二管道12的一端与太阳能集热器5的出水管相连通，第三管道27的一端与第五管道2的一端相连通，第五管道2的另一端与循环水泵4的入口相连通，第一相变材料蓄能换热器30的制冷剂入口1、第二相变材料蓄能换热器19的制冷剂入口23和第三相变材料蓄能换热器20的制冷剂入口18分别与第一膨胀阀6、第二膨胀阀13和第三膨胀阀15的出口相连通，第一膨胀阀6、第二膨胀阀13和第三膨胀阀15的入口分别与第一管道8相连通，第一相变材料蓄能换热器30的制冷剂出口33、第二相变材料蓄能换热器19的制冷剂出口28和第三相变材料蓄能换热器20的制冷剂出口21分别与第四管道29相连通；第一换热器38的下制冷剂接口37与第四膨胀阀34的一端相连通，第四膨胀阀34的另一端与第一三通阀36的右端相连通，第一三通阀36的下端与第一管道8相连通，第一三通阀36的左端与第五膨胀阀39的一端相连通，第五膨胀阀39的另一端与第二换热器40的一端相连通，第二换热器40的另一端与四通换向阀44的左端相连通，四通换向阀44的下端与热泵压缩机42的一端相连通，热泵压缩机42的另一端与低压气液分离器41的一端相连通，低压气液分离器41的另一端与第二三通阀45的左端相连通，第二三通阀45的下端与四通换向阀44的上端相连通，四通换向阀44的右端与第一换热器38的上制冷剂接口43相连通，第二三通阀45的右端与第四管道29相连通，第六管道3的一端与第一换热器38的进水口46相连通，第六管道3的另一端与第二管道12的另一端相连通，第一换热器38的出水口35与第七管道31的一端相连通，第七管道31的另一端与供热水泵25的进水口相连通，第三管道27的另一端与供热水泵25的进水口相连通。本实施方式中的第一换热器和第二换热器，均为潍坊惠利暖通设备有限公司的产品。低压气液分离器是无锡汉英机器制造有限公司的产品。

具体实施方式二：(参见图12)本实施方式的第一相变材料蓄能换热器30、第二相变材料蓄能换热器19和第三相变材料蓄能换热器20分别由进水管51、支撑体52、中心套管53、第一中间层套管54、第一外层套管55、第一连接管56、第二连接管57、第二外层套管58、第二中间层套管59、第三中间层套管60、第三外层套管61、出水管62和相变材料64组成，第一外层套管55设置在第二外层套管58的上侧，第三外层套管61设置在第二外层套管58的下侧，第一中间层套管54设置在第一外层套管55内，第二中间层套管59设置在第二外层套管58内，第三中间层套管60设置在第三外层套管61内，中心套管53呈倒S形分别设置在第一中间层套管54、第二中间层套管59和第三中间层套管60内，中心套管53的首端为制冷剂液体入口63，中心套管53的末端为制冷剂蒸汽出口50，进水管51固定在第一外层套管55的上侧，出水管62固定在第三外层套管61的下侧，第一连接管56的两端分别与第一外层套管55和第二外层套管58相连通，第二连接管57的两端分别与第二外层套管58和第三外层套管61相连通，第一中间层套管54和第一外层套管55之间、第二外层套管58和第二中间层套管59之间以及第三中间层套管60和第三外层套管61之间分别设有支撑体52，第一中间层套管54和中心套管53之间、第二中间层套管59和中心套管53之间以及第三中间层套管60和中心套管53之间分别设有支撑体52和相变材料64。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。