一种氟泵与热泵复合蓄热型直膨式太阳能热水系统

摘要

一种氟泵与热泵复合蓄热型直膨式太阳能热水系统，所述系统是由集热蒸发器、氟泵、压缩机、冷凝器水箱、相变蓄热装置、温度传感器、控制器、电动三通阀、膨胀阀、储液罐、电磁阀和截止阀，构成白天太阳能辐射热水系统和夜间太阳能辐射热泵系统。本系统在太阳辐射强度足够时，使用氟泵代替压缩机，热水热量来自太阳能，避免了压缩机长时间运行，延长了压缩机的使用寿命；同时避免了压缩机排气温度过高与系统热负荷不匹配的问题，相比于现有直膨式太阳能热泵热水系统更加安全节能；当太阳辐射强度弱时，系统通过相变蓄热器提高了制冷剂的蒸发温度，有效改善了系统的热泵运行工况，提升了系统的能效比。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能热水系统，具体的说，是一种具有蓄热功能的氟泵/热泵复合型直膨式太阳能热水系统。

背景技术

近年来，随着能源危机的加剧和环境污染问题的突出，太阳能利用技术在建筑节能领域备受关注，发展迅速。作为一种典型的太阳能利用技术形式，太阳能热水系统通过光热转换过程满足建筑热水需求，节能效益显著。然而，传统太阳能热水系统的稳定性差，易受季节、气候和昼夜温差等环境因素影响。在建筑热水需求旺盛的阴雨天或夜晚，由于太阳辐射强度减弱，集热器能够收集的太阳能很少甚至为零，导致系统无法满足用户需求。虽然通过增设电辅助加热系统能够提升太阳能热水系统的稳定性，但需要牺牲电能作为代价，社会经济效益相对较差，且在电力紧张地区的大面积推广应用会受到一定的限制。

在此背景下，太阳能热泵热水系统通过将太阳能热水系统和热泵技术有机地结合，充分发挥二者优势，实现系统的全天候运行，很好地提高了建筑热水供应系统的稳定性。太阳能热泵热水系统可以分为间接膨胀式和直接膨胀式两种系统。直接膨胀式太阳能热泵热水系统将太阳能光热系统的集热器与热泵系统的蒸发器在功能和结构上合二为一。制冷剂在集热器/蒸发器蒸发吸收太阳辐射热量，通过压缩机压缩提升温度和压力后，进入冷凝器加热建筑用热水，再经膨胀阀节流回到集热器/蒸发器中。与间接膨胀式太阳能热泵热水系统相比，直接膨胀式太阳能热泵热水系统减少了系统设备的复杂性，同时省去了集热器与蒸发器之间的热交换过程，提高了系统能效和经济效益。但是，直接膨胀式太阳能热泵热水系统中存在集热器/蒸发器与热水系统之间的热负荷匹配问题，严重影响系统整体能效。白天太阳辐射强度大时，建筑热水热负荷小，压缩机处于低负荷工况运行，效率低下，且系统富裕热量难以利用；夜间，尤其是寒冷地区的冬季夜间，由于集热效率下降导致蒸发温度降低，系统COP明显下降，甚至有时难以满足建筑热水负荷需求。此外，系统中的压缩机长时间在多种复杂工况下运转，缺乏有效的保护装置，压缩机的使用寿命大幅降低。公开号为CN200972278Y公开了“一种直膨式太阳能热泵热水器”，通过增设蒸发换热器和水泵系统，避免了压缩机的长期运行，在一定程度上改善了压缩机的运行工况。但是该系统没有考虑对晴天白天太阳能集热器富裕热量的存储，且更重要的是缺乏有效措施提高系统阴雨天或夜间运行时的蒸发温度，从而提升系统的COP。公开号为CN104654656A公开了“一种太阳能热泵制冷制热系统”，通过引入相变蓄热装置对压缩机进行了一定的保护，但是不能从根本上解决压缩机长期运行的问题，在改善系统运行工况方面的能力同样十分有限。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是集热器/蒸发器热负荷与热水热负荷的匹配问题，有效存储白天太阳能集热器的富裕热量并用于夜间或阴雨天压缩机运行工况的改善，同时提供一种氟泵/热泵复合蓄热型直膨式太阳能热水系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下。

一种氟泵与热泵复合蓄热型直膨式太阳能热水系统，包括集热蒸发器、氟泵、压缩机、冷凝器水箱、相变蓄热装置、温度传感器、控制器、电动三通阀、膨胀阀、储液罐、电磁阀以及截止阀；其特征在于：关闭压缩机，开启氟泵，来自储液罐的低温液态制冷剂在氟泵作用下流经截止阀Ⅱ，在集热蒸发器中吸收热量，流经截止阀Ⅵ和电动三通阀Ⅰ，在冷凝器水箱中放出热量给水加热后，重新流回至储液罐；在冷凝器水箱中的热水温度达到生活热水所需的温度时，通过控制器调节电磁阀的开度使部分制冷剂经相变蓄热器后流回储液罐，将集热蒸发器吸收的富裕热量储存在相变蓄热器中，构成白天太阳能辐射热水系统；

关闭氟泵，开启压缩机，低温制冷剂由储液罐流经膨胀阀节流降压后，由电动三通阀Ⅱ流入相变蓄热器中，吸收相变蓄热器中的热量，并经压缩机进一步压缩升温后，由电动三通阀Ⅰ流入冷凝器水箱中冷凝放出热量给热水加热，后流回至储液罐，构成夜间太阳能辐射热泵系统。

在上述技术方案中，关闭压缩机、截止阀Ⅰ、膨胀阀和电磁阀；打开氟泵、截止阀Ⅱ、截止阀Ⅴ、截止阀Ⅵ、截止阀Ⅲ和截止阀Ⅳ；同时控制器调节电动三通阀Ⅰ，制冷剂沿BC方向流动，调节电动三通阀Ⅱ，制冷剂沿EF方向流动，由集热蒸发器流出的高温液态制冷剂流经截止阀Ⅵ和电动三通阀Ⅰ进入冷凝器水箱冷凝放热，之后流经储液罐、截止阀Ⅱ和氟泵，最后流到集热蒸发器吸收热量，冷水流经截止阀Ⅳ进入冷凝器水箱被流经铜管换热器的高温制冷剂加热，最后通过截止阀Ⅲ供用户使用。

在上述技术方案中，在温度传感器显示冷凝器水箱中的热水温度达到生活用水所需温度时，通过控制器打开电磁阀，使部分制冷剂流经相变蓄热器；关闭压缩机，开启氟泵，来自储液罐的低温液态制冷剂在氟泵作用下流经截止阀Ⅱ，在集热蒸发器中吸收热量，流经截止阀Ⅵ和电动三通阀Ⅰ，在冷凝器水箱中放出热量给水加热后，重新流回至储液罐；在冷凝器水箱中的热水温度达到生活热水所需的温度时，通过控制器调节电磁阀的开度使部分制冷剂经相变蓄热器后流回储液罐，将集热蒸发器吸收的富裕热量储存在相变蓄热器中；

通过调节电磁阀[15]的开度分配流经冷凝器水箱[10]和相变蓄热器[12]中的制冷剂流量，冷凝器水箱[10]中的水温维持恒定，同时将富裕的集热量储存在相变蓄热器[12]中，在夜间预热压缩机吸气用。

在上述技术方案中，关闭氟泵、截止阀Ⅱ、截止阀Ⅴ和截止阀Ⅵ；打开压缩机、截止阀Ⅰ和膨胀阀截止阀Ⅲ和截止阀Ⅳ根据用户用水进行开启和关闭；同时通过控制器调节电动三通阀Ⅰ，使制冷剂沿AC方向流动，调节电动三通阀Ⅱ，使制冷剂沿DE方向流动；由储液罐流回并经膨胀阀节流降压的低温液态制冷剂流经相变蓄热器，通过蒸发吸收相变热升温后，再流经电磁阀和截止阀Ⅰ，进入压缩机被压缩成高温高压的气态制冷剂，最后在冷凝器水箱中冷凝放热；冷水流经截止阀Ⅳ进入冷凝器水箱被流经铜管换热器的高温制冷剂加热，最后通过截止阀Ⅲ供用户使用。

实施本发明上述所提供的一种氟泵与热泵复合蓄热型直膨式太阳能热水系统的益效果在于：在传统的直膨式太阳能热泵热水系统中增设一套氟泵系统和一个相变蓄热装置。在晴天或太阳辐射强度足够高时，关闭压缩机系统，开启氟泵系统，系统在简单的太阳能热水器模式下运行。低温液态制冷剂在集热器/蒸发器中吸收热量，在冷凝器/水箱中放出热量给水加热。制冷剂在管路中完成一个完整循环所需动力由氟泵提供，热水的能量来源是太阳能。同时当水箱中的热水温度达到生活热水所需的温度时，通过控制器调节电磁阀的开度使部分制冷剂流经相变蓄热装置，将集热器吸收的富裕热量储存在相变蓄热装置中，避免能量的浪费。

在晚上或者阴雨天气太阳辐射强度弱时，关闭氟泵系统，开启压缩机系统，系统在热泵模式下运行。此时，制冷剂不再流经蒸发器/太阳能集热器，而是通过流经相变蓄热装置，提升制冷剂的蒸发温度后再进入压缩机，提高压缩机的运行效率。制冷剂由压缩机进一步压缩升温后在冷凝器/水箱中冷凝放出热量给热水加热，满足建筑热水需求。制冷剂在管路中完成一个完整循环所需动力由压缩机提供，热水的能量来源主要来自压缩机所做的功以及相变蓄热装置中储存的热量。

上述优点与积极效果，与现有技术相比，具体体现在如下三点。

一是相对传统的直膨式太阳能热泵热水系统，外加了一套氟泵系统和蓄热装置，系统结构简单合理。

二是当太阳辐射强度足够高时，使用氟泵系统代替压缩机系统。一方面热水所需的热量全部来自太阳能，避免了压缩机的长时间低效运行，有效延长压缩机的使用寿命；另一方面能够避免压缩机排气温度过高与系统热负荷不匹配的问题，相比于传统的直膨式太阳能热泵热水系统更加安全节能。

三是当太阳辐射强度弱时，系统通过相变蓄热装置提高制冷剂蒸发温度，有效改善系统热泵运行模型下压缩机的运行工况，提升系统的能效比。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图。

图2是本发明太阳能热水器的运行模式结构示意图。

图3是本发明蓄热状态的太阳能热水器运行模式结构示意图。

图4是本发明热泵运行模式结构示意图。

图中：1：电动三通阀Ⅰ；2：截止阀Ⅰ；3：压缩机；4：集热蒸发器；5：氟泵；6：截止阀Ⅱ；7：膨胀阀；8：储液罐；9：截止阀Ⅲ；10：冷凝器水箱；11：截止阀Ⅳ；12：相变蓄热器；13：电动三通阀Ⅱ；14：截止阀Ⅴ；15：电磁阀；16：截止阀Ⅵ；17：温度传感器；18：控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

实施本发明上述的一种氟泵与热泵复合蓄热型直膨式太阳能热水系，其结构如附图1所示，整个系统包括有集热蒸发器4、氟泵5、压缩机3、冷凝器水箱10、相变蓄热装置12、温度传感器17、控制器18、电动三通阀1、电动三通阀13、膨胀阀7、储液罐8、电磁阀15以及截止阀Ⅰ2、截止阀Ⅱ6、截止阀Ⅲ9、截止阀Ⅳ11、截止阀Ⅴ14和截止阀Ⅵ16构成。

其中，由氟泵5、集热/蒸发器4、冷凝器/水箱10、相变蓄热装置12、温度传感器17、控制器18、储液罐8、电动三通阀1、电动三通阀13、电磁阀15以及截止阀Ⅱ6、Ⅴ14和Ⅵ16，构成在晴天白天太阳辐射强度较高时的太阳能热水系统。

通过关闭压缩机系统，开启氟泵系统，来自储液罐8的低温液态制冷剂在氟泵作用下流经截止阀Ⅱ6，在集热/蒸发器4中吸收热量，流经截止阀Ⅵ16和电动三通阀1，在冷凝器/水箱中放出热量给水加热后，重新流回至储液罐8；当水箱中的热水温度达到生活热水所需的温度时，通过控制器调节电磁阀15的开度使部分制冷剂经相变蓄热装置12后流回储液罐8，将集热器吸收的富裕热量储存在相变蓄热装置中，避免能量的浪费。

以及由相变蓄热装置12、压缩机3、冷凝器/水箱10、控制器18、储液罐8、膨胀阀7、电动三通阀1、电动三通阀13、电磁阀15以及截止阀Ⅰ2构成了在晚上或者阴雨天气等太阳辐射强度弱时的热泵系统。通过关闭氟泵系统，开启压缩机系统，低温制冷剂由储液罐8流经膨胀阀7节流降压后，从电动三通阀13流入相变蓄热装置12，吸收相变蓄热装置的热量，并经压缩机3进一步压缩升温后，由电动三通阀1流入冷凝器/水箱中，冷凝放出热量给热水加热，满足建筑热水需求，最后流回至储液罐8。

本发明上述实施的一种氟泵与热泵复合蓄热型直膨式太阳能热水系，在此结构的基础上，其工作过程包括有三种工作模式，分别如下：

如附图2所示的太阳能热水器运行模式。在晴天白天太阳能辐射强度较高时，关闭压缩机3，截止阀Ⅰ2、膨胀阀7和电磁阀15，打开氟泵5、截止阀Ⅱ6,截止阀Ⅴ14,截止阀Ⅵ16。截止阀Ⅲ9和截止阀Ⅳ11则根据用户使用热水的情况进行开启和关闭。同时控制器调节电动三通阀1使得制冷剂只能沿BC方向流动，调节电动三通阀13使得制冷剂只能沿EF方向流动。此模式下由集热/蒸发器4出来的高温液态制冷剂流经截止阀Ⅵ16，电动三通阀1进入冷凝器/水箱10冷凝放热，之后流经储液罐8、截止阀Ⅱ6、氟泵5，最后回到集热/蒸发器4吸收热量，完成整个制热循环。冷水流经截止阀Ⅳ11进入水箱被流经铜管换热器的高温制冷剂加热，最后通过截止阀Ⅲ9供用户使用。

如附图3所示的蓄热状态的太阳能热水器运行模式。当晴天太阳能辐射强度足够高，集热器的集热量远远大于建筑热水需求时，就需要将富裕的热量储存起来，避免能量的浪费。具体运行模式为：当温度传感器17显示水箱中热水的温度已达到了生活用水所需温度时，通过控制器18打开电磁阀15，使得部分制冷剂流经相变蓄热装置12。其余运行设置与太阳能热水器运行模式相同。通过调节电磁阀15的开度来分配流经冷凝器/水箱10和相变蓄热装置12的制冷剂流量，保证水箱中的水温维持在恒定状态，同时将富裕的集热量储存在相变蓄热装置中，在晚上或阴雨天气等太阳辐射强度较弱时，作为预热压缩机吸气用。

如附图4所示的热泵高效运行模式。在晚上或者阴雨天气等太阳辐射强度较弱时，关闭氟泵5，截止阀Ⅱ6,截止阀Ⅴ14,截止阀Ⅵ16，打开压缩机3、截止阀Ⅰ2、膨胀阀7。截止阀Ⅲ9和截止阀Ⅳ11则根据用户使用热水的情况进行开启和关闭。同时通过控制器调节电动三通阀1使得制冷剂只能沿AC方向流动，调节电动三通阀13使得制冷剂只能沿DE方向流动。此模式下由储液罐8流回并经膨胀阀7节流降压的低温液态制冷剂不再流经蒸发器/集热器14，而是先流经相变蓄热装置12，通过蒸发吸收相变热升温后，再流经电磁阀15、截止阀Ⅰ2，进入压缩机3被压缩成高温高压的气态制冷剂，最后在冷凝器/水箱10中冷凝放热，完成整个制热循环。冷水流经截止阀Ⅳ11进入水箱被流经铜管换热器的高温制冷剂加热，最后通过截止阀Ⅲ9供用户使用。

上述三种工作模式中，太阳能热水器运行模式和热泵高效运行模式之间的转换可以通过手动完成，也可以根据太阳辐射强度和水箱出水温度的反馈信号控制阀门开关自动切换。太阳能热水器运行模式和蓄热状态的太阳能热水器运行模式之间的转换则可以通过控制器自动完成。在晴天太阳辐射强度足够高时，控制器通过调节电动三通阀1使得制冷剂只能沿BC方向流动，调节电动三通阀13使得制冷剂只能沿EF方向流动，当冷凝器/水箱10中的热水温度达到生活热水所需温度时通过调节电磁阀15的开度分配流经冷凝器/水箱和相变蓄热装置的制冷剂流量，从而将富裕的热量储存起来，保证集热器的集热效率。在晚上或者阴雨天气等太阳辐射强度较弱时，控制器调节电动三通阀1使得制冷剂只能沿AC方向流动，调节电动三通阀13使得制冷剂只能沿DE方向流动，同时调节电磁阀15始终处于完全开启状态。将白天相变蓄热装置中所储存的热量进行充分的利用，提升系统COP。