CN102645044A - 一种直膨式太阳能热泵热水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于太阳能热泵热水系统的集热器的吸热芯、一种裸板式集热器、一种带有玻璃盖板的集热器以及一种直膨式太阳能热泵热水系统。裸板式集热器和带有玻璃盖板的集热器通过电磁阀和制冷剂铜管相连接，根据不同的外界条件通过PLC控制电磁阀的开启、关闭以实现裸板式集热器和带有玻璃盖板的集热器的单独运行和串联运行。经蒸发、压缩后的制冷剂气体进入板式换热器与循环水进行逆流换热换热，热水温度通过温度传感器反馈给控制器，通过控制器控制压缩机和水泵的启停。该系统采用上述结构，具有能效比高、环保节能、环境适应性好、结构简单等优点。

Description

一种直膨式太阳能热泵热水系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能供热水装置，具体的说，是一种直膨式太阳能热泵热水系统，属于采暖、空调和生活热水设备的技术领域。

背景技术

太阳能作为地球最大的可再生能源，在近年来获得了更多的利用和发展。直膨式太阳能热泵系统（DX-SAHP）以太阳能集热板为热泵系统的蒸发器，制冷工质充入集热板中在流经集热/蒸发器时吸收太阳能和周围环境中的热量，然后通过热泵循环将冷凝热量传递给被加热的物质。直膨式太阳能热泵较非直膨式相比，节省了非直膨式系统中集热循环与热泵循环之间的换热设备，结构简单、成本低、性能良好、设备寿命长，已日益成为了人们研究关注的重点。

在直膨式系统中，太阳集热/蒸发器的结构对热泵系统的性能有较大影响。由于集热器与蒸发器在结构和功能上合二为一，使得太阳能集热温度与制冷剂蒸发温度较为接近，集热温度处于一个较低的温度范围内，集热效率较高，采用裸板集热器也可以达到较好的集热性能，且随着制冷剂蒸发温度的提高，热泵系统的性能也将有很大的提高。

上海交大的王如竹等于2001年申请了发明专利《直膨式太阳能热泵热水器》，授权公开号：CN2520486，申请号：01276456Y，该专利名称为一种直膨式太阳能热泵热水器，将太阳能集热器兼做为热泵蒸发器，使制冷剂的蒸发过程与太阳能的集热过程在一个设备中同时进行。集热器采用无玻璃盖板、无底部保温的裸板式集热器作为蒸发器，制冷剂铜管为弯管，焊接于集热板上，蒸发器出口与压缩机吸气口相连，压缩机排气口与冷凝器进口相连，冷凝器为沉浸式置于水箱中，后经干燥器、膨胀阀回到蒸发器内完成闭合循环。这套系统提高了太阳能集热器的集热性能和热泵的热性能，具有显著的节能效果。但不足之处在于沉浸式冷凝器换热器表面容易被腐蚀，安装清洗不便，换热效率不高，同时连接管路长，若发生制冷剂泄露将会污染水质；蒸发器为串联式，在运行时存在制冷剂分布不均，能量没有得到充分利用，流动过程中制冷剂会产生压降，同时不能根据外界环境的变动实时控制集热面积，影响系统性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于太阳能热泵热水系统的集热器的吸热芯。

本发明的目的在于，提供一种裸板式集热器。

本发明的目的在于，提供一种带有玻璃盖板的集热器。

本发明的目的在于，提供一种直膨式太阳能热泵热水系统，以克服现有技术所存在的上述缺点和不足。

该系统中采用结构更为合理、能够适当控制集热面积的集热/蒸发器和换热效率较高、使用较为稳定的板式冷凝器，根据不同的外界环境，适当调节集热/蒸发器的集热面积，从而提高系统的运行性能，降低系统的运行成本，同时结构更为紧凑，适用性更为广泛。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

作为本发明的第一方面，一种用于太阳能热泵热水系统的集热器的吸热芯，其特征在于，包括：总管，横向设置的管状结构，其内有制冷剂；以及条带，纵向设置，由制冷剂铜管和铝翅片组成，其中，所述制冷剂铜管与总管垂直连通，所述铝翅片设置于所述制冷剂铜管的周围。

作为本发明的第二方面，一种如所述的吸热芯的裸板式集热器，其特征在于，包括：由总管和条带制成的吸热芯和阳极氧化涂层，其中，所述总管为横向设置的管状结构，其内有制冷剂；所述条带，纵向设置，由制冷剂铜管和铝翅片组成，所述制冷剂铜管与总管垂直连通，所述铝翅片设置于所述制冷剂铜管的周围；所述条带表面涂覆阳极氧化涂层。

作为本发明的第二方面，一种如所述的吸热芯的带有玻璃盖板的集热器，其特征在于，包括：由总管和条带制成的吸热芯、阳极氧化涂层，玻璃盖板、背板和边框，其中，所述总管为横向设置的管状结构，其内有制冷剂；所述条带，纵向设置，由制冷剂铜管和铝翅片组成，所述制冷剂铜管与总管垂直连通，所述铝翅片设置于所述制冷剂铜管的周围；所述条带表面涂覆阳极氧化涂层；所述玻璃盖板设置于所述吸热芯的正面；所述背板采用保温材料制成板状结构，设置于所述吸热芯的背面；所述边框包覆在所述吸热芯的四周。

作为本发明的第三方面，一种如所述的集热器制成的直膨式太阳能热泵热水系统，其特征在于，包括：由至少一个集热器与气液分离器、压缩机、冷凝器、储液罐、热力膨胀阀组成的制冷剂循环；以及由冷凝器、循环水泵和蓄热水箱组成的水循环。

进一步，本发明的一种直膨式太阳能热泵热水系统还可以具有这样的特征：还包括：温度传感器，用于检测所述压缩机的吸气口的气体温度；温度传感器，用于检测所述蓄热水箱内的水的温度；以及控制器，用于检测所述压缩机和所述循环水泵的运行电流。

进一步，本发明的一种直膨式太阳能热泵热水系统还可以具有这样的特征：其中，所述集热器的数量为两个，每一个所述集热器通过电磁阀与气液分离器连接，每一个所述集热器通过电磁阀与所述热力膨胀阀连接，并且两个所述集热器之间通过电磁阀相串联。

进一步，本发明的一种直膨式太阳能热泵热水系统还可以具有这样的特征：其中，所述集热器包括：裸板式集热器和带有玻璃盖板的集热器，裸板式集热器和带有玻璃盖板的集热器至少一个的两端分别与所述气液分离器和所述热力膨胀阀连接。

进一步，本发明的一种直膨式太阳能热泵热水系统还可以具有这样的特征：其中，所述冷凝器为板式换热器，所述板式换热器板式冷凝器由复数个波纹板片叠装而成，所述制冷剂与所述水在所述板式换热器中进行逆流换热。

本发明的有益效果：

条带由制冷剂铜管和铝翅片轧制而成，这种结构解决了常规蛇形管集热器中制冷剂分布不均匀，压降较大的问题。

制冷剂铜管两端垂直连通于总管，这种结构将大大降低运行过程中的压力损失，同时使得集热器的热量得到均匀利用。

裸板式集热器，条带表面涂覆阳极氧化涂层，这种选择性吸收涂层具有吸收率高、反射率低、集热效率高的优点。具有成本低、重量轻、运输安装方便等优点。

带有玻璃盖板的集热器，吸热芯上部加装保温玻璃盖板，放置于铝合金边框内，吸热芯下部加装保温材料的背板，防止热量散发出去，保温性能好，较适合于气候寒冷、太阳辐照强度较低的季节。

两块太阳能集热板通过管路与电磁阀连接，根据不同的外界环境来关闭/开启集热器之间的电磁阀，从而实现集热板之间的串联、单独运行。

温度传感器、温度传感器、压缩机、循环水泵均连接于控制器，用以确保系统的安全稳定。

裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器通过制冷剂管路和电磁阀C、电磁阀D、电磁阀E、电磁阀F、电磁阀G相连。根据外界环境的变化，通过控制器的PLC触摸屏界面控制各电磁阀的开启、关闭以实现裸板式集热器和带有玻璃盖板的集热器的单独运行或同时运行，储液罐安装于膨胀阀前用以自动平衡系统中的制冷剂流量。

冷凝器并非是常规的沉浸式结构，而是采用板式换热器。不仅结构紧凑，承压较好，且能在很小的Re数时形成湍流和较高的传热系数。制冷剂与循环水在板式换热器中进行逆流换热，循环水由水泵抽入板式换热器，并通过控制器来调节水泵的功率和流量，解决了常规沉浸式集热器换热效率低、表面易受腐蚀等缺点。

附图说明

图1直膨式太阳能热泵热水系统的结构示意图。

图2集热器的吸热芯的结构示意图。

附图标记：

裸板式集热器1，带有玻璃盖板的集热器2，气液分离器3，压缩机4，板式换热器5，储液罐6，热力膨胀阀7，循环水泵8，蓄热水箱9，控制器10，温度传感器11、温度传感器12。

电磁阀A21，电磁阀B22，电磁阀C23、电磁阀D24、电磁阀E25、电磁阀F26、电磁阀G27、电磁阀H28。

总管13，铝翅片14，制冷剂铜管15。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例

图1直膨式太阳能热泵热水系统的结构示意图。

如图1所示，一种直膨式太阳能热泵热水系统，包括：裸板式集热器1，带有玻璃盖板的集热器2，气液分离器3，压缩机4，板式换热器5（冷凝器），储液罐6，热力膨胀阀7，循环水泵8，蓄热水箱9，控制器10，温度传感器11和温度传感器12。

该直膨式太阳能热泵热水系统具有制冷剂循环和水循环两个循环，以及控制电路。

其中，制冷剂循环：由裸板式集热器1、带有玻璃盖板的集热器2、气液分离器3、压缩机4、板式换热器5、储液罐6、热力膨胀阀7、电磁阀C23、电磁阀D24、电磁阀E25、电磁阀F26、电磁阀G27和温度传感器11组成。

在制冷剂循环中，裸板式集热器1和/或带有玻璃盖板的集热器2的出口管路经气液分离器3后与压缩机4的吸气口连接，压缩机4的排气口与板式换热器5的制冷剂进口相连接，板式换热器5的出口的制冷剂的管路经储液罐6调节制冷剂量和热力膨胀阀7后接入裸板式集热器1和/或带有玻璃盖板的集热器2入口。

其中，水循环：由板式换热器5、循环水泵8、蓄热水箱9、电磁阀A21、电磁阀B22、电磁阀H28和温度传感器12组成。

在水循环中，蓄热水箱9中的自来水通过循环水泵8加压作功后进入板式换热器5与制冷剂循环进行逆流换热，自来水经板式换热器5加热后回流入蓄热水箱9。

电磁阀A21连接自来水进水口，电磁阀B22连接生活热水出水口，电磁阀C23、电磁阀D24、电磁阀E25、电磁阀F26、电磁阀G27连接制冷剂管路，电磁阀H28连接循环水泵8的入水口。

如图1所示，控制电路由压缩机4、循环水泵8、温度传感器11、温度传感器12均和控制器10组成。

控制器10用于检测压缩机4和循环水泵8的运行电流。温度传感器11检测压缩机4的吸气口的气体温度。温度传感器12检测所述蓄热水箱9内的水的温度。

进一步阐述该系统的结构。

裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2具有集热和蒸发的作用，二者的出口与气液分离器3的一端相连，气液分离器3的另一端连接于压缩机4的吸气口，压缩机4的排气口与板式换热器5的制冷剂侧入口相连，板式换热器5出口与储液罐6连接，储液罐6与热力膨胀阀7相连，热力膨胀阀7与裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2相连，各装置之间采用制冷剂管路相连接，形成制冷剂侧的闭合循环通道。

裸板式集热器1通过电磁阀F26与气液分离器3连接，带有玻璃盖板的集热器2通过电磁阀G27与气液分离器3连接，裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2之间通过电磁阀E25相串联。

裸板式集热器1通过电磁阀D24与热力膨胀阀7连接。带有玻璃盖板的集热器2通过电磁阀C23与热力膨胀阀7连接。

冷凝器为板式换热器5。蓄热水箱9一端的水循环出口通过电磁阀H28与循环水泵8相连，循环水泵8的出口与板式换热器5的水循环入口相连。板式换热器5的水循环出口与蓄热水箱9的水循环入口相连。蓄热水箱9的另一端的入水口通过电磁阀A21与自来水管相连，循环水箱9另一端的出水口通过电磁阀B22连接生活热水管道，此部分完成闭合的水循环。

本发明的集热器采用裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2，裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2至少一个的两端分别与气液分离器3和热力膨胀阀7连接。裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2均采用吸热芯制成。

图2集热器的吸热芯的结构示意图，如图2所示，吸热芯包括：总管13和条带。

总管13横向设置的管状结构，总管13内有制冷剂。条带14纵向设置，由铝翅片14和制冷剂铜管15轧制而成，铝翅片14设置于制冷剂铜管15的周围。制冷剂铜管15与总管13垂直连通，进而若干条带与总管13相连接构成吸热芯。

裸板式集热器1仅由吸热芯构成，在吸热芯表面涂覆阳极氧化涂层，吸收率大于92%。

裸板式集热器1，无玻璃盖板和底部保温，仅仅由总管和复合吸热条带连接而成，具有成本低、重量轻、运输安装方便等优点，条带由制冷剂铜管和铝板轧制而成，构成吸热芯，条带表面涂覆阳极氧化涂层，这种选择性吸收涂层具有吸收率高、反射率低、集热效率高的优点，制冷剂铜管两端垂直连通于总管，这种结构将大大降低运行过程中的压力损失，同时使得集热器的热量得到均匀利用。

带有玻璃盖板的集热器2在裸板式集热器1的基础上，吸热芯上部加装保温玻璃盖板，上部加装玻璃盖板（保温钢化玻璃），背部加装保温材料，放置于铝合金边框内。由于吸热芯下部加装保温材料作为背板，防止热量散发出去，保温性能好，较适合于气候寒冷、太阳辐照强度较低的季节。

裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2通过管路与电磁阀连接，根据不同的外界环境来关闭/开启集热器之间的电磁阀，从而实现集热板之间的串联、单独运行。

本发明采用板式换热器5作为冷凝器，区别于常规的沉浸式结构。板式换热器5板式冷凝器由复数个波纹板片叠装而成，制冷剂与循环水在板式换热器5中进行逆流换热。并通过控制器10来调节循环水泵10的功率和流量。通过自来水和高温高压制冷剂之间的换热从而制取所需的生活热水，具有换热效率高、性能稳定、结构紧凑、清洗方便等优点，同时板式换热器5布置在蓄热水箱9外，其场地的布置更为灵活，适用性更强，也避免了管路腐蚀、制冷剂泄露对系统造成的损害。

本发明的工作过程：

本发明将太阳能集热器（裸板式集热器1，带有玻璃盖板的集热器2）兼做热泵蒸发器，制冷剂作为太阳能集热介质在集热器中吸热蒸发，经气液分离器干燥后进入压缩机，经压缩成高温高压气体后进入板式换热器5与循环水进行逆流换热，冷凝后的制冷剂从板式换热器5的出口进入热力膨胀阀7，节流后回到太阳能集热器（裸板式集热器1，带有玻璃盖板的集热器2），完成制冷剂循环。同时，蓄热水箱9中的自来水由循环水泵8抽出后进入板式换热器5与制冷剂进行换热，被加热后由板式换热器5的出口进入蓄热水箱9，蓄热水箱9内装有温度传感器12，待蓄热水箱9内的水温达到指定要求后，控制系统启停。

本发明中，根据外界工况调节集热/蒸发器（裸板式集热器1，带有玻璃盖板的集热器2）的运行模式，是考虑到外界条件对系统的影响。

冬季是热水需求量最大而气温最低、辐照强度最低的工况，此时运行带有玻璃盖板的集热器2，可有效的保护集热器中收集的热量，提高系统运行性能。

若此时仍不能满足末端热水需求，可开启电磁阀实现两块集热（裸板式集热器1，带有玻璃盖板的集热器2）板同时运行。

当太阳辐照强度较大时，单独运行裸板式集热器1不仅可获得较高的集热效率，而且板温较为恒定，工作温度低，从而起到保护压缩机的作用，同时在阴雨天气时，裸板式集热器1的换热面与外界空气直接接触，与空气的对流换热性能较好，可从空气中获得一定的热量作为系统的辅助热源。这种调节集热面积的运行模式不仅保证了系统能够在任何工况下达到较高的效率，节能效果显著、全年适用性好、安装及操作方便，也保证了系统的核心部件-压缩机的安全运行，具有良好的应用前景。

本发明的使用方法：

本发明中，首先开启电磁阀A21，自来水进入蓄热水箱9，通过液位观察计监测蓄热水箱9内的水量，待蓄热水箱9中注满水后，关闭电磁阀A21，开启电磁阀H28。系统启动后，蓄热水箱9中的自来水通过循环水泵8加压后进入板式换热器5与制冷剂循环进行逆流换热，自来水经板式换热器5加热后流入蓄热水箱9。温度传感器12用于监测水箱内的水温，待蓄热水箱9内水温达到特定温度后，温度传感器12将信号传递给控制器10，通过控制器10控制压缩机4和循环水泵8的关闭，此时蓄热水箱9内注满指定温度的生活热水，通过电磁阀B22供给用户使用。

同时在制冷剂循环中，系统启动后，控制器10和压缩机4同时启动，制冷剂液体进入裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2下部，在其内吸热蒸发，经气液分离器3干燥后进入压缩机4，在压缩机4中压缩成为高温高压气体后进入板式换热器5与水进行换热，经冷凝成为液态后进入热力膨胀阀7，节流后回到裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2，完成制冷剂侧循环。

温度传感器11用于检测所述压缩机的吸气口的气体温度，并连接于控制器10，当压缩机4的吸气口的气体温度过高或过低时控制器会发出警报或自动切断压缩机4的电源以确保系统运行的安全性。控制器10能够同时检测压缩机4和循环水泵8的运行电流，出现电流异常时切断电源，保护系统。

在夏季辐照较好，环境温度较高的情况下，采用裸板式集热器1不仅能够从太阳能辐射中吸收热量，且与周围空气具有良好的对流换热性能，更利于从空气中吸收热量。此时电磁阀C23、电磁阀E25、电磁阀G27关闭，电磁阀D24、电磁阀F26开启，制冷剂在裸板式集热器1吸热蒸发即可满足水循环用户的需求。

在冬季环境温度降低，太阳辐射较弱的情况下，带有玻璃盖板的集热器2将降低集热器与周边环境的热损失，有效保证所采集的太阳辐射能量得到充分利用，此时电磁阀D24、电磁阀E25、电磁阀F26关闭，电磁阀C23、电磁阀G27开启，制冷剂在带有玻璃盖板的集热器2中吸热蒸发，在系统运行一段时间后，若水循环水温仍然不能满足需求，关闭电磁阀C23、电磁阀F26，开启电磁阀D24、电磁阀E25、电磁阀G27，使得裸板式集热器1和带有玻璃盖板的集热器2同时运行吸收外界环境的热量，提高系统的运行性能。

储液罐6安装在板式换热器5的出口管路上，当集热面积变化时，能自动平衡整个制冷剂循环所使用的制冷剂量，减小制冷剂充注量对系统性能的影响。

本发明中，除控制器10采用可编程序控制器（Programmable LogicController，PLC)，压缩机4，电磁阀A21，电磁阀B22，电磁阀C23、电磁阀D24、电磁阀E25、电磁阀F26、电磁阀G27、电磁阀H28，循环水泵8均通过PLC编程控制，采用一体化触摸屏可视界面操作，操作界面放置于室内，能够实时对以上部件进行手动调节，实现整个系统的手、自动一体化控制，在确保系统运行安全的基础上，具有操作方便、外观精美等诸多优点。

以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。

Claims (8)

1.一种用于太阳能热泵热水系统的集热器的吸热芯，其特征在于，包括：

总管，横向设置的管状结构，其内有制冷剂；以及

条带，纵向设置，由制冷剂铜管和铝翅片组成，

其中，所述制冷剂铜管与总管垂直连通，所述铝翅片设置于所述制冷剂铜管的周围。

2.一种如权利要求1所述的吸热芯制备的裸板式集热器，其特征在于，包括：由总管和条带制成的吸热芯和阳极氧化涂层，

其中，所述总管为横向设置的管状结构，其内有制冷剂；

所述条带，纵向设置，由制冷剂铜管和铝翅片组成，所述制冷剂铜管与总管垂直连通，所述铝翅片设置于所述制冷剂铜管的周围；

所述条带表面涂覆阳极氧化涂层。

3.一种如权利要求1所述的吸热芯制备的带有玻璃盖板的集热器，其特征在于，包括：由总管和条带制成的吸热芯、阳极氧化涂层，玻璃盖板、背板和边框，

其中，所述总管为横向设置的管状结构，其内有制冷剂；

所述条带，纵向设置，由制冷剂铜管和铝翅片组成，所述制冷剂铜管与总管垂直连通，所述铝翅片设置于所述制冷剂铜管的周围；

所述条带表面涂覆阳极氧化涂层；

所述玻璃盖板设置于所述吸热芯的正面；

所述背板采用保温材料制成板状结构，设置于所述吸热芯的背面；

所述边框包覆在所述吸热芯的四周。

4.一种如权利要求2-3任一项所述的集热器制成的直膨式太阳能热泵热水系统，其特征在于，包括：

由至少一个集热器与气液分离器（3）、压缩机（4）、冷凝器、储液罐（6）、热力膨胀阀（7）组成的制冷剂循环；以及

由冷凝器、循环水泵8和蓄热水箱9组成的水循环。

5.根据权利要求4所述的一种直膨式太阳能热泵热水系统，其特征在于，还包括：

温度传感器（11），用于检测所述压缩机（4）的吸气口的气体温度；

温度传感器（12），用于检测所述蓄热水箱（9）内的水的温度；以及

控制器（10），用于检测所述压缩机（4）和所述循环水泵（8）的运行电流。

6.根据权利要求4所述的一种直膨式太阳能热泵热水系统，其特征在于：

其中，所述集热器的数量为两个，

每一个所述集热器通过电磁阀与气液分离器（3）连接，每一个所述集热器通过电磁阀与所述热力膨胀阀（7）连接，并且两个所述集热器之间通过电磁阀相串联。

7.根据权利要求6所述的一种直膨式太阳能热泵热水系统，其特征在于：

其中，所述集热器包括：裸板式集热器（1）和带有玻璃盖板的集热器（2），裸板式集热器（1）和带有玻璃盖板的集热器（2）至少一个的两端分别与所述气液分离器（3）和所述热力膨胀阀（7）连接。

8.根据权利要求4所述的一种直膨式太阳能热泵热水系统，其特征在于：

其中，所述冷凝器为板式换热器（5），所述板式换热器（5）板式冷凝器由复数个波纹板片叠装而成，所述制冷剂与所述水在所述板式换热器（5）中进行逆流换热。

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