CN114608218A - 一种双热源耦合式热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双热源耦合式热泵系统，包括压缩机、蒸发器、太阳能集热器、换热器和回热器，所述压缩机设有排气口、回气口和补气口，所述排气口通过四通阀与蒸发器的进口、回热器的低温进口以及换热器的出口连接；回气口与回热器的低温出口连接；补气口通过储热装置与太阳能集热器的出口端连接；回热器的高温进口通过膨胀阀与蒸发器连接，高温出口与换热器的进口连接；太阳能集热器的进口端通过膨胀阀与蒸发器连接。本发明解决了热泵在低环境温度下的制热能力和能效衰减严重的问题，大大提高了热泵能效、应用范围和节能减排价值。同时该系统一年四季可以供给足量适温的各种生活所需热水，更节能，性价比更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种热泵，具体是一种太阳能空气能双热源耦合式热泵系统。
背景技术
空气源热泵作为一种成熟的新能源技术产品，在国际上已有多年应用历史。近十年逐步被国内市场推广应用，其原理以吸收空气中低品质热通过压缩机作功，产生高品质热，经冷凝交换制造出高达55℃左右的生活热水，具有≥1-4左右的良好节能效果。
随着经济的发展和人们生活水平的不断提高以及城镇化建设的发展，生活采暖已成为冬季人们生活刚性需求。3060“双碳”行动新时期对全面开发和应用清洁能源对热泵技术提出了更高的要求。目前正在进行大规模的“煤改电” 项目，采用电能驱动的热泵，逐渐取代传统的采暖设备，已经成为大势所趋，在该项目的推动下，热泵已经开始进入千家万户。然而热泵用于制热采暖时，存在低环境温度下制热能力和能效衰减严重的问题，而需要冬季采暖的地区大都处于这种工况条件下，使得最终的应用成本极高，这成为了阻碍该技术推广使用的主要难题。为解决上述问题，目前的热泵多采用喷气增焓技术， 其原理是通过中间压力吸气孔吸入一部分中间压力的冷媒，与经过部分压缩的冷媒混合后再压缩，单台压缩机实现两级压缩，以此增加冷凝器中的制冷剂流量，加大主循环回路的焓差，进而提高压缩机的效率。虽然在一定程度上提升了热泵的运行能力和能效，但是这种带有过冷器的制冷剂喷射，由于喷射制冷剂和主回路中的制冷剂采用的是利用内部热交换，并没有从外部吸收热量，因此在实际上对热泵的制热能力和能效的提升幅度有限，在实际应用过程中，上述这种制冷剂喷射热泵的制热量提升幅度一般在10％左右，而且热泵的能效提升幅度更是非常有限的，这样就限制了当环境温度低于-15℃以下时热泵的全面普及使用。综上所述目前普遍采用的喷气增焓低温采暖热泵还是存在高寒条件下能效低的难点，随之带来运行成本偏高，百姓承受有困难的痛点问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种双热源耦合式热泵系统，在单一空气源热能利用的基础上，把太阳能热能耦合到同一系统，制热能力和能效更好，解决了热泵在低环境温度下的制热能力和能效衰减严重的问题，使热泵能够应用于环境温度低于-25℃地区，从而大大拓宽了热泵能效、应用范围和节能减排价值。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种双热源耦合式热泵系统，其特征在于：该系统包括压缩机、蒸发器、太阳能集热器、换热器和回热器，所述压缩机设有排气口、回气口和补气口，所述排气口通过四通阀与蒸发器 的进口、回热器的低温进口以及换热器的出口连接；回气口与回热器的低温出口连接；补气口通过储热装置与太阳能集热器的出口端连接；回热器的高温进口通过膨胀阀与蒸发器连接，高温出口与换热器的进口连接；太阳能集热器的进口端通过膨胀阀与蒸发器连接。
进一步，所述储热装置是蓄热水箱，在蓄热水箱内设有电加热器。在储热装置与太阳能集热器之间设有截止阀。
为方便使用，在蓄热水箱处设有热水出水口和进水口。在不影响正常采暖的条件下，一年四季可以供给足量适温的各种生活所需热水。
在压缩机的回气口处的管路上设有回气温度传感器；在蒸发器的进口处的管路上设有蒸发器进口温度传感器；在太阳能集热器的进口处连接的管路上设有蒸发器进口温度传感器；在换热器的出口处连接的管路上设有换热器出口温度传感器。在压缩机排气口处连接的管路上设有高压压力传感器。
所述太阳能集热器为裸体结构，且循环介质与蒸发器 的制冷剂相同。所述太阳能集热器为平板式太阳能集热器或叶片式太阳能集热器，也可以为玻璃管式太阳能集热器。
本发明采用双热源（太阳能、空气能）耦合热泵结构，而现有补气增焓技术补气热量来源主要是是吸收冷凝侧过冷液体的热量用于增焓，这种方案中，由于热量来自系统内部，其热量有限，所以能效提高幅度有限。也有方案中，补气热源来自太阳能集热蒸发器等第二热源，但是太阳能热源的不稳定决定了这种方案不具有使用价值，当夜间作为第二热源的太阳能没有了，制冷系统的补气功能无法实现，此时压缩机制冷剂循环量不足，会导致系统排汽温度过高且回油量不足，系统无法正常运行。本发明采用储热装置和太阳能集热器同时作为辅助热源，白天太阳能充足时用太阳能，夜间和太阳能不足时用水箱蓄热作为辅助热源，确保系统全天候的稳定可靠。
如果没有设置另外一套辅助热源时，当空气热源以外热在不满足条件下，就可能使整个系统没法正常运行，强制运行则可能会造成系统损坏，甚至出现意外。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的双热源耦合热泵能够充分利用太阳能热源，极大地提高了压缩机进气温度，并将低品位热源转化为高品位热源，从而大大提高了热泵的制热能力和能效，同时设置蓄热器用于在没有太阳时提供辅助热源对压缩机补气口进行补气，而且还解决了热泵在低环境温度下的制热能力和能效衰减严重的问题，使热泵能够应用于环境温度低于-25℃地区，从而大大提高了热泵能效、拓宽了热泵的适用范围。
同时该系统克服了现有热泵采暖系统不能提供生活热水的缺点，具有在不影响正常采暖的条件下，一年四季可以供给足量适温的各种生活所需热水，更节能，性价比更高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中标记：1-压缩机、2-蒸发器、3-太阳能集热器、4-换热器、5-回热器、6-四通阀、7-储热装置、8-膨胀阀、9-截止阀、11-排气口、12-回气口、13-补气口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明详细说明。
一种双热源耦合式热泵系统，见图1，该系统包括压缩机1、蒸发器2、太阳能集热器3、换热器4和回热器5，所述压缩机设有排气口11、回气口12和补气口13，所述排气口通过四通阀6与蒸发器的进口、回热器的低温进口以及换热器的出口连接；回气口与回热器的低温出口连接；补气口通过储热装置7与太阳能集热器的出口端连接；回热器的高温进口通过膨胀阀8与蒸发器连接，高温出口与换热器的进口连接；太阳能集热器的进口端通过膨胀阀与蒸发器连接。
储热装置是蓄热水箱，在蓄热水箱内设有电加热器。在储热装置与太阳能集热器之间设有截止阀9。为方便使用，在蓄热水箱处设有热水出水口和进水口，在不影响正常采暖的条件下，一年四季可以供给足量适温的各种生活所需热水。
在压缩机的回气口处的管路上设有回气温度传感器；在蒸发器的进口处的管路上设有蒸发器进口温度传感器；在太阳能集热器的进口处连接的管路上设有蒸发器进口温度传感器；在换热器的出口处连接的管路上设有换热器出口温度传感器。在压缩机排气口处连接的管路上设有高压压力传感器。
太阳能集热器为裸体结构，且循环介质与蒸发器的制冷剂相同。太阳能集热器为平板式太阳能集热器或叶片式太阳能集热器，也可以为玻璃管式太阳能集热器。
回热器是一种换热器，实现高温过冷液体制冷剂与低温气体制冷剂之间的换热，回热器可以是板式换热器，也可以是套管式或其它结构新式的换热器。图1中，回热器5上部左右两个接口为高温侧接口，下部左右两个接口为低温侧接口。高温侧接在冷凝器出口与膨胀阀之间，低温侧接在四通阀与压缩机吸气口之间，通过高温侧与低温侧之间的换热，从冷凝器出来的高温液体经过回热器进一步降温，回收冷凝液态制冷剂的显热，提高膨胀阀进液的过冷度，降低膨胀阀出口的制冷剂气相比例，从而提高蒸发器的换热效率、提升能效比。从四通阀出来的含有少量液体的低温蒸汽经过回热器进一步蒸发吸热能够增加系统制热量同时增加系统可靠性。
本发明中，储热装置用于在没有太阳时提供辅助热源对压缩机补气口进行补气，目的是提高制冷剂循环量、降低排气温度，以保证压缩机在低环温条件下仍能正常运行，相当于把白天有太阳时空气能热泵的多余部分热量用来填补夜间制热量不足。储热装置不仅可以是蓄热水箱，也可以是其他类型的装置，作用是在没有太阳时提供辅助热源对进入压缩机补气口的冷媒进行辅助加热。若果没有这部分系统，这种双源空气能热泵夜间最低运行温度就不能达到-25度。
系统处于正常工况（环温适中，白天有光照或者环温较低但有光照）工作时，蒸发器正常从空气环境中获取低品位热源的同时，与太阳能集热器连接的在压缩机上设置的第二喷射系统，吸收来自太阳能的中高品位热源进入压缩机，两种热源同时输送至压缩机内，大大提高了整体的吸气温度，从而一方面解决了低温环境下，输入热能不足的问题，同时大大提高了热泵系统的整体能效，从而降低了以热泵系统为基础的采暖系统的使用成本。
系统处于极端工况（环温极低且无光照）下工作时，蓄热器能在此工况下提供辅助热源对压缩机补气口进行补气，提高制冷剂循环量、降低排气温度，以保证压缩机在低环温条件下仍能正常运行，相当于把白天有太阳时空气能热泵的多余部分热量用来填补夜间制热量不足，使得夜间最低运行温度能达到-25度。使热泵能够应用于环境温度低于-25℃地区，且具有极高的节能效率，
整个热泵采暖系统的运行成本保持在一个极低的水平。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双热源耦合式热泵系统，其特征在于：该系统包括压缩机(1)、蒸发器(2)、太阳能集热器(3）、换热器（4）和回热器（5），所述压缩机(1)设有排气口（11）、回气口（12）和补气口（13），所述排气口（11）通过四通阀（6）与蒸发器(2) 的进口、回热器（5）的低温进口以及换热器（4）的出口连接；回气口（12）与回热器（5）的低温出口连接；补气口（13）通过储热装置（7）与太阳能集热器(3）的出口端连接；回热器（5）的高温进口通过膨胀阀（8）与蒸发器(2)连接，高温出口与换热器（4）的进口连接；太阳能集热器(3）的进口端通过膨胀阀（8）与蒸发器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的双热源耦合式热泵系统，其特征在于：所述储热装置（7）是蓄热水箱，在蓄热水箱内设有电加热器。
3.根据权利要求2所述的双热源耦合式热泵系统，其特征在于：在蓄热水箱处设有热水出水口和进水口。
4.根据权利要求1所述的双热源耦合式热泵系统，其特征在于：在储热装置（7）与太阳能集热器(3）之间设有截止阀（9）。
5.根据权利要求1所述的双热源耦合式热泵系统，其特征在于：在压缩机的回气口（12）处的管路上设有回气温度传感器；在蒸发器(2)的进口处的管路上设有蒸发器进口温度传感器；在太阳能集热器(3）的进口处连接的管路上设有蒸发器进口温度传感器；在换热器（4）的出口处连接的管路上设有换热器出口温度传感器。
6.根据权利要求1所述的双热源耦合式热泵系统，其特征在于：在压缩机排气口（11）处连接的管路上设有高压压力传感器。
7.根据权利要求1所述的双热源耦合式热泵系统，其特征在于：所述太阳能集热器(3）为裸体结构，且循环介质与蒸发器(2) 的制冷剂相同。
8.根据权利要求7所述的双热源耦合式热泵系统，其特征在于：所述太阳能集热器(3）为平板式太阳能集热器。
9.根据权利要求7所述的双热源耦合式热泵系统，其特征在于：所述太阳能集热器(3）为玻璃管式太阳能集热器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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