CN112644246A - 基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统，包括太阳能换热器、电动空调压缩机、空调管路、车内蒸发器、车内冷凝器、室外换热器、四通换向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、第三电子膨胀阀、第一电池阀、第二电池阀、第三电磁阀、第四电池阀、储液干燥罐、鼓风机、气液分离器、PTC加热器以及冷凝风机。本发明空调系统中加入太阳能换热器，菲涅尔聚光集热器用于太阳直射及散射能量的收集，并形成高能量密度的光束，复合抛物面聚光集热器用于太阳光线的追踪及能量的汇聚。在低温环境使用空调时，通过加入太阳能换热器，可以实现能量的有效收集。有效的弥补空气中热量分布不均匀，能量较少，受环境温度及地域影响较大的不足。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统及其工作方法，其属于汽车空调技术领域及太阳能热利用技术领域。
背景技术：
空气源热泵空调系统在家用空调、商场及工业采暖应用广泛，技术成熟。在新能源汽车行业，尤其是电动车行业，热泵空调系统以其能耗低，使用安全，制热COP高等优点，备受广大汽车制造厂商的青睐。
空气源热泵空调系统制热工作原理为：低温低压的气态冷媒经过压缩机压缩后排出高温高压的气态冷媒，冷媒流入室内制热换热器，鼓风机将低温空气与换热器内部高温冷媒进行热量交换，热空气被鼓风机送入车内，达到采暖的目的。中温中压液态冷媒流经储液干燥器后节流膨胀，在外部换热器中与室外空气进行换热，低温低压冷媒又流回压缩机，从而实现往复循环采暖的目的。
线性菲涅尔(Fresnel)聚光集热器与复合抛物面聚光集热器(CPC)均为新型的太阳能光热转换装置。其中，菲涅尔聚光集热器主要用于太阳直射及散热能量的收集，并形成高能量密度的光束；复合抛物面聚光集热器用于太阳光线的追踪及能量的汇聚。
目前，在环境温度较低时，热泵空调系统制热效率低下甚至不工作，能耗较大，制热COP降低采暖效果较差，极易影响乘客的乘坐舒适性。综合分析，造成以上问题点的原因如下：
A.空气中热量分布不均匀，受环境温度及地域影响较大。在低温环境下，热量分布会更加不集中且能量较少，热泵空调外部换热器不易吸收周围环境的热量。
B.热泵空调低温环境下运行时，冷媒在外部换热器中蒸发吸热，空气中的水分容易在换热翅片上结霜甚至结冰，造成换热不良，空调制热效果差。
C.R134a冷媒的中温特性较好，低温特性较差。随环境温度的降低，R134a冷媒的饱和蒸汽比容越来越高。当压缩机吸气体积流量不变时，环境温度越低，热泵空调系统中冷媒的流量越小，且吸气压力也会变低，压缩机的功率及排气温度升高，系统制热COP降低。
发明内容：
本发明针对现有热泵空调系统在低温制热时的不足，提出一种基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统及其工作方法。
本发明采用如下技术方案：一种基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统，包括太阳能换热器、电动空调压缩机、空调管路、车内蒸发器、车内冷凝器、室外换热器、四通换向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、第三电子膨胀阀、第一电池阀、第二电池阀、第三电磁阀、第四电池阀、储液干燥罐、鼓风机、气液分离器、PTC加热器以及冷凝风机；
所述电动空调压缩机与四通换向阀通过空调管路螺栓连接，四通换向阀与室内冷凝器通过空调管路螺栓连接，车内冷凝器与储液干燥罐通过空调管路螺栓连接，储液干燥罐与第二电池阀通过空调管路螺栓连接，第二电池阀与第一电子膨胀阀通过空调管路螺栓连接，第一电子膨胀阀与室外换热器通过空调管路螺栓连接，所述室外换热器的外侧设置有冷凝风机；
所述储液干燥罐与第一电池阀通过空调管路螺栓连接，第一电池阀与第二电子膨胀阀通过空调管路螺栓连接，所述第二电子膨胀阀与太阳能换热器通过空调管路螺栓连接，太阳能换热器和室外换热器均与第三电磁阀、第四电池阀通过空调管路螺栓连接，第三电磁阀与气液分离器通过空调管路螺栓连接，气液分离器与电动空调压缩机通过空调管路螺栓连接，所述第三电磁阀与车内蒸发器通过空调管路螺栓连接，第四电池阀与第三电子膨胀阀通过空调管路螺栓连接，第三电子膨胀阀与车内蒸发器通过空调管路螺栓连接。
进一步地，所述太阳能换热器包括集成于换热模块中的线性菲涅尔聚光集热器、复合抛物面聚光集热器以及散热器。
进一步地，所述电动空调压缩机由电机、控制器、涡旋盘以及机壳组成，控制器控制电机以带动涡旋盘的转动。
本发明还采用如下技术方案：一种基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统的工作方法，步骤如下：
步骤一：低温低压的气态冷媒吸入电动空调压缩机的内部，经过增压后泵出高温高压的气态冷媒，冷媒经过四通换向阀进入车内冷凝器，车内冷凝器与车内低温空气换热，低温空气被加热成热气流，再经鼓风机吹入乘员舱；
步骤二：经过换热后高温高压的气态冷媒变成中压中温的液态冷媒流入储液干燥罐，液态冷媒被滤去水分及杂质后部分储存在储液干燥罐中，一部分液态冷媒经过空调管路流过第二电池阀及第一电子膨胀阀进行节流降压，随后雾状液态冷媒在室外换热器中与室外环境进行能量交换；
步骤三：储液干燥罐流出的另外一部分液态冷媒流经第一电磁阀和第二电子膨胀阀进入太阳能换热器，热量被聚集在太阳能换热器内部的散热器上，冷媒进入换热模块后蒸发换热，在室外换热器和太阳能换热器蒸发后的低压低温气态冷媒后过第三电磁阀流入气液分离器，过热气态冷媒又被吸入电动空调压缩机进行增压循环至空调系统。
本发明具有如下有益效果：
(1).空调系统中加入太阳能换热器，它主要由线性菲涅尔聚光集热器(Fresnel)和复合抛物面聚光集热器(CPC)组成，菲涅尔聚光集热器主要用于太阳直射及散射能量的收集，并形成高能量密度的光束，复合抛物面聚光集热器用于太阳光线的追踪及能量的汇聚。在低温环境使用空调时，通过加入太阳能换热器，可以实现能量的有效收集。有效的弥补空气中热量分布不均匀，能量较少，受环境温度及地域影响较大的不足。
(2).太阳能换热器聚集大量光能，热泵空调在低温环境下运行，冷媒在该换热模块中通过吸收热量，可以增加空调系统低压部分冷媒的焓值，有效的增加回气过热，换热器中饱和蒸汽比容变高，这样可以增加冷媒流量，增加室内换热器的换热量，提高制热效率，同时降低压缩机的制热功率，系统制热COP增大，降低整车采暖功耗。此外，可以在一定程度上解决热泵空调低温采暖时室外换热器容易结霜等问题。
附图说明：
图1为本发明基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统运行原理图。
图2为太阳能换热器截面图。
图3为复合抛物面聚光集热器示意图。
图4为微通道换热器芯体示意图。
图5为线性菲涅尔聚光集热器示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统，包括太阳能换热器1、电动空调压缩机2、车内蒸发器4、车内冷凝器5、室外换热器6、四通换向阀7、第一电子膨胀阀80、第二电子膨胀阀81、第三电子膨胀阀82、第一电池阀90、第二电池阀91、第三电磁阀92、第四电池阀93、储液干燥罐10、鼓风机11、气液分离器12、PTC加热器13、冷凝风机14以及单向阀15。
其中电动空调压缩机2为整个空调系统的核心部件，主要用于冷媒的压缩及循环。鼓风机11、室内蒸发器4、室内冷凝器5以及PTC加热器13集成于蒸发箱内部。
电动空调压缩机2与四通换向阀7通过空调管路螺栓连接，四通换向阀7与室内冷凝器5通过空调管路螺栓连接，车内冷凝器5与储液干燥罐10通过空调管路螺栓连接，储液干燥罐10与第二电池阀91通过空调管路螺栓连接，第二电池阀91与第一电子膨胀阀80通过空调管路螺栓连接，第一电子膨胀阀80与室外换热器6通过空调管路螺栓连接。室外换热器6的外侧设置有冷凝风机14。
储液干燥罐10与第一电池阀90通过空调管路螺栓连接，第一电池阀90与第二电子膨胀阀81通过空调管路螺栓连接。第二电子膨胀阀81与太阳能换热器1通过空调管路螺栓连接。太阳能换热器1和室外换热器6均与第三电磁阀92、第四电池阀93通过空调管路螺栓连接，第三电磁阀92与气液分离器12通过空调管路螺栓连接，气液分离器12与电动空调压缩机2通过空调管路螺栓连接。第三电磁阀92与车内蒸发器4通过空调管路螺栓连接，第四电池阀93与第三电子膨胀阀82通过空调管路螺栓连接，第三电子膨胀阀82与车内蒸发器4通过空调管路螺栓连接。
太阳能换热器1将线性菲涅尔聚光集热器、复合抛物面聚光集热器、散热器集成在一个密封的换热模块内。该换热模块由管路与空调系统连接，冬季热泵空调开启时，冷媒在该换热模块中进行热量交换，弥补空调系统在低温环境中较难获取热量的不足。
电动空调压缩机2由电机、控制器、涡旋盘以及机壳组成，控制器控制电机进而带动涡旋盘的转动。电动空调压缩机2是整个空调系统冷媒循环的动力源，主要用于将低温低压的气态冷媒压缩成高温高压的气态冷媒，其本质在于热量的运输。
本发明基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统的工作原理如下：
低温低压的气态冷媒吸入电动空调压缩机2的内部，其中的涡旋盘对冷媒进行压缩机增压，泵出高温高压的气态冷媒，冷媒经过四通换向阀7进入车内冷凝器5，通过该车内冷凝器5与车内低温空气的换热作用，低温空气被加热成热气流，再经鼓风机11吹入乘员舱，达到车内采暖的目的，经过换热后高温高压的气态冷媒变成中压中温的液态冷媒流入储液干燥罐10，液态冷媒被滤去水分及杂质后部分储存在储液干燥罐10中，一部分液态冷媒经过空调管路流过第二电池阀91及第一电子膨胀阀80进行节流降压，随后雾状液态冷媒在室外换热器6中与室外热量进行能量交换，冷凝风机14加快热交换的速率。
此外，储液干燥罐10流出的另外一部分液态冷媒流经第一电磁阀90和第二电子膨胀阀81进入太阳能换热器1，在线性菲涅尔聚光集热器和复合抛物面聚光集热器的作用下，热量被聚集在太阳能换热器1内部的微通道换热器芯体上，冷媒进入该换热模块后快速蒸发换热；在室外换热器和太阳能换热器蒸发后的低压低温气态冷媒后过第三电磁阀92流入气液分离器12，过热气态冷媒又被吸入电动空调压缩机2进行增压循环至空调系统，这样就实现了热泵空调系统持续将环境中的热量搬运到乘员舱内部，达到车内采暖的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统，其特征在于：包括太阳能换热器(1)、电动空调压缩机(2)、空调管路(3)、车内蒸发器(4)、车内冷凝器(5)、室外换热器(6)、四通换向阀(7)、第一电子膨胀阀(80)、第二电子膨胀阀(81)、第三电子膨胀阀(82)、第一电池阀(90)、第二电池阀(91)、第三电磁阀(92)、第四电池阀(93)、储液干燥罐(10)、鼓风机(11)、气液分离器(12)、PTC加热器(13)以及冷凝风机(14)；
所述电动空调压缩机(2)与四通换向阀(7)通过空调管路螺栓连接，四通换向阀(7)与室内冷凝器(5)通过空调管路螺栓连接，车内冷凝器(5)与储液干燥罐(10)通过空调管路螺栓连接，储液干燥罐(10)与第二电池阀(91)通过空调管路螺栓连接，第二电池阀(91)与第一电子膨胀阀(80)通过空调管路螺栓连接，第一电子膨胀阀(80)与室外换热器(6)通过空调管路螺栓连接，所述室外换热器(6)的外侧设置有冷凝风机(14)；
所述储液干燥罐(10)与第一电池阀(90)通过空调管路螺栓连接，第一电池阀(90)与第二电子膨胀阀(81)通过空调管路螺栓连接，所述第二电子膨胀阀(81)与太阳能换热器(1)通过空调管路螺栓连接，太阳能换热器(1)和室外换热器(6)均与第三电磁阀(92)、第四电池阀(93)通过空调管路螺栓连接，第三电磁阀(92)与气液分离器(12)通过空调管路螺栓连接，气液分离器(12)与电动空调压缩机(2)通过空调管路螺栓连接，所述第三电磁阀(92)与车内蒸发器(4)通过空调管路螺栓连接，第四电池阀(93)与第三电子膨胀阀(82)通过空调管路螺栓连接，第三电子膨胀阀(82)与车内蒸发器(4)通过空调管路螺栓连接。
2.如权利要求1所述的基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统，其特征在于：所述太阳能换热器(1)包括集成于换热模块中的线性菲涅尔聚光集热器、复合抛物面聚光集热器以及微通道散热器芯体。
3.如权利要求2所述的基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统，其特征在于：所述电动空调压缩机(2)由电机、控制器、涡旋盘以及机壳组成，控制器控制电机以带动涡旋盘的转动。
4.一种基于空气源热泵及复合型太阳能集热器耦合的空调系统的工作方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：低温低压的气态冷媒吸入电动空调压缩机(2)的内部，经过增压后泵出高温高压的气态冷媒，冷媒经过四通换向阀(7)进入车内冷凝器(5)，车内冷凝器(5)与车内低温空气换热，低温空气被加热成热气流，再经鼓风机(11)吹入乘员舱；
步骤二：经过换热后高温高压的气态冷媒变成中压中温的液态冷媒流入储液干燥罐(10)，液态冷媒被滤去水分及杂质后部分储存在储液干燥罐(10)中，一部分液态冷媒经过空调管路流过第二电池阀(91)及第一电子膨胀阀(80)进行节流降压，随后雾状液态冷媒在室外换热器(6)中与室外环境进行能量交换；
步骤三：储液干燥罐(10)流出的另外一部分液态冷媒流经第一电磁阀(90)和第二电子膨胀阀(81)进入太阳能换热器(1)，太阳直射及散射能量被聚集在太阳能换热器(1)内部的微通道散热器芯体上，冷媒进入换热模块后蒸发换热，在室外换热器和太阳能换热器内蒸发后的低压低温气态冷媒后过第三电磁阀(92)流入气液分离器(12)，过热气态冷媒又被吸入电动空调压缩机(2)进行增压循环至空调系统。
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