CN100451492C - 太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于太阳能利用和空调技术范围的一种太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统。包括跨临界二氧化热泵工质循环系统、太阳能集热系统、地下埋管换热系统及室内空调管路系统四部分；通过蓄热水箱内置水箱换热盘管、蒸发器/气体冷却器由四通阀、阀门将上述四部分有机连接成一个综合空调系统。该系统针对春夏秋冬不同天气条件，可采用制热、制冷、热水、制热+热水、制冷+热水五种运行模式，高效的实现热水、制冷和供热三种功能；本系统采用二氧化碳工质和太阳能集热系统，具有节能环保的优点。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用和空调技术范围，特别涉及一种太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统。具体说是将太阳能集热系统与土壤源跨临界二氧化碳热泵空调系统相结合，通过太阳能集热系统、地下埋管换热系统及热泵空调系统的协调配合，形成制热、制冷及热水三联供的综合系统。
背景技术
二氧化碳作为一种自然物质，是较为理想的制冷剂，其优点在于无毒、不燃、具有零ODP值、温室效应很低、价格低廉、勿需回收、对环境没有不可预见的副作用等。目前作为制冷界的一个热点研究领域，跨临界二氧化碳制冷空调系统的研究工作正在全球迅速展开，许多研究者预测二氧化碳将是下一代制冷剂。在跨临界二氧化碳循环中，二氧化碳的放热过程在超临界压力下进行，因此有较大的温度回落，这个过程特别适合加热家用的热水，二氧化碳热泵热水器是目前公认的各方面优于R22、R134a等常规工质的热泵热水装置。奥地利、挪威、日本等国学者的研究表明这种热泵热水系统年平均COP值可以达到3以上，在-20℃环境下仍可提供90℃热水，与电加热或燃气热水器相比能耗降低75％。
随着人们对舒适性要求的不断提高，用于空气调节和生活热水的能耗不断增加。而现有技术中，对于小型户式的空气调节系统和生活热水系统一般是分离的，各自拥有自己独立的回路系统。且空气调节设备的运行周期都具有很大的间歇性，这样就造成了设备的闲置，使成本增加。对于独立的太阳能集热系统，受天气因素影响严重，存在着很大间歇性及不稳定性；对于独立的土壤源热泵系统，尤其是北方地区采暖时间远远大于制冷时间，会引起土壤温度的降低，从而性能系数会不断下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统。
本发明采用的技术方案，所述太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统包括太阳能集热系统、地下埋管换热系统、跨临界二氧化碳热泵空调系统及室内风机盘管系统四部分。所谓跨临界二氧化碳循环是指二氧化碳在低于临界压力的条件下在蒸发器中吸热，而在超临界压力条件下在冷却器中(而不是常规压缩制冷系统中的“冷凝器”)放热。
所述太阳能集热系统为在太阳能集热器9的两边分别通过集热器进水阀门13和集热器出水阀门12、第一水泵10连接至蓄热水箱11；
所述土壤源采用地下埋管换热系统提供低位热源，地下埋管换热器14的一路通过第一阀门16、第二水泵15、第二阀门17、第一蒸发器/气体冷却器3的左边一路、第三阀门18和第四阀门19连接成回路，第九阀门25并联在第一阀门16、地下埋管换热器14、第四阀门19的串联回路的两端；第二阀门17两端分别通过第五阀门21、第六阀门22和第八阀门24、第七阀门23同蓄热水箱11内的水箱换热盘管20连接，水箱换热盘管20一端通过第六阀门22、第十阀门26和第十一阀门27、第十五阀门33的结点连接，水箱换热盘管20另一端通过第七阀门23、第十四阀门32与第二蒸发器/气体冷却器7的右边一路和第十二阀门30的结点连接，第十五阀门33通过相互连接的第三水泵29、第十三阀门31分别连接到第二蒸发器/气体冷却器7的右边一路和室内风机盘管系统28；室内风机盘管系统28再和第十二阀门30连接；
所述跨临界二氧化碳热泵空调系统的压缩机1、第一四通阀2、储液罐8、内部换热器5串联成回路，并通过第一四通阀2、第一蒸发器/气体冷却器3的右边一路、第二四通阀4、第二蒸发器/气体冷却器7的左边一路及第一四通阀2连接成回路；其中内部换热器5还和第二四通阀4、节流阀6组成回路。
所述热泵空调系统采用临界二氧化碳作为工质，热泵空调系统的主要部件及管路系统应满足15MPa的耐压要求。
所述太阳能集热器的水回路系统和制冷系统可相互独立。
所述蓄热水箱11内置水箱换热盘管20，既可作为提供生活热水的蓄热水箱，又可作为提供热量的低位热源。
所述提供热量的低位热源(如果单纯土壤源作为低位热源的话，温度大约在5-20℃之间)采用单独蓄热水箱回路或者土壤源与蓄热水箱串联回路。
本发明的有益效果是将太阳能集热系统、地下埋管换热系统、跨临界二氧化碳热泵空调系统紧密配合，以适应春夏秋冬不同季节制热、制冷、制热+热水、制冷+热水、热水等不同需求，达到设备紧凑，功能全面，节约能耗的要求。
本发明首先采用二氧化碳这种绿色工质，其次采用太阳能集热系统，利用了可再生的太阳能，具有节能环保的优点。再次采用土壤作为低位热源，提高了性能系数，并避免了采用空气换热设备带来的“城市热岛效应”。
附图说明
图1为太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统结构示意图。
图中：1-压缩机；2-第一四通阀，4-第二四通阀；3-第一蒸发器/气体冷却器；7-第二蒸发器/气体冷却器；5-内部换热器；6-节流阀；12-集热器出水阀门；13-集热器进水阀门；8-储液罐；9-集热器；10-第一水泵，15-第二水泵，29-第三水泵；11-蓄热水箱；14-地下埋管换热器；20-水箱换热盘管；28-风机盘管系统；其余均为两通阀门。
具体实施方式
此系统在不同气候条件下，通过太阳能集热系统、地下埋管系统及热泵空调系统的协调配合，可达到制热水、制热和制冷三种功能。总的来说，此系统有5种工作模式，分别是：(1)热水工况；(2)制热工况；(3)制热+热水工况；(4)制冷工况；(5)制冷+热水工况。下面分别予以介绍：
(1)热水工况
a)在光照强度足够的情况下，不用开启热泵系统，通过太阳能集热器9、集热器进水阀门13、蓄热水箱11、第一水泵10和集热器出水阀门12组成的太阳能集热水回路系统，可直接达到预定温度为洗浴温度，范围大约在30-60℃之间。
b)当光照强度不足时，开启压缩机1，第一四通阀2和第二四通阀4分别进行切换，进入热泵制热模式。低位热源采用土壤源，大约在5-20℃之间；土壤源由地下埋管换热器14、第一阀门16、第二水泵15、第二阀门17、第一蒸发器/气体冷却器3、第三阀门18和第四阀门19组成。水箱加热系统回路由第二蒸发器/气体冷却器7、第三水泵29、第十五阀门33、第十阀门26、第六阀门22、水箱换热盘管20、第七阀门23和第十四阀门32组成。
(2)制热工况
首先，启动热泵制热模式。热端回路由风机盘管系统28、第十二阀门30、第二蒸发器/气体冷却器7、第三水泵29和第十三阀门31组成。而低位热源回路分为以下两种情况：
a)当水箱温度与土壤源温度相近，可交替利用太阳能蓄热水箱热源和土壤热源。土壤源由地下埋管换热器14、第一阀门16、第二水泵15、第二阀门17、第一蒸发器/气体冷却器3、第三阀门18和第四阀门19组成，蓄热水箱回路由水箱换热盘管20、第七阀门23、第八阀门24、第一蒸发器/气体冷却器3、第三阀门18、第九阀门25、第二水泵15、第五阀门21和第六阀门22组成。
b)当水箱温度高于土壤源温度，可同时用土壤热源和太阳能蓄热水箱两种低位热源，从而进一步提高低位热源温度。混合低温热源回路由埋地换热器14、阀第一门16、第二水泵15、第五阀门21、第六阀门22、水箱换热盘管20、第七阀门23、第八阀门24、第一蒸发器/气体冷却器3、第三阀门18和第四阀门19组成。
(3)制冷工况
a)当制冷负荷较小，可不启动压缩机，只利用土壤源的冷量，在地下埋管换热器与风机盘管系统进行水路循环，循环回路由地下埋管换热器14、第一阀门16、第二水泵15、第二阀门17、第八阀门24、第十四阀门32、第十二阀门30、风机盘管系统28、第十三阀门31、第十五阀门33、第十一阀门27和第四阀门19组成。
b)当制冷负荷较大时，启动压缩机1，第一四通阀2和第二四通阀4分别进行切换，进入制冷模式。此时，低位热源为风机盘管系统，回路由风机盘管系统28、第十二阀门30、第二蒸发器/气体冷却器7、第三水泵29和第十三阀门31组成。热端通过土壤源将热量吸收，散热回路由地下埋管换热器14、第一阀门16、第二水泵15、第二阀门17、第一蒸发器/气体冷却器3、第三阀门18和第四阀门19组成。
(4)制热+热水工况
a)当太阳能集热系统可提供足够生活热水时，可参考上述第2种制热工况中低位热源采用单独蓄热水箱回路或者土壤源与蓄热水箱串联回路。
b)当太阳能集热系统不能提供足够生活热水时，暂时将风机盘管系统28、第十二阀门30、第二蒸发器/气体冷却器7、泵29和阀门31组成的供热回路切换为第二蒸发器/气体冷却器7、第三水泵29、第十五阀门33、第十阀门26、第六阀门22、水箱换热盘管20、第七阀门23和第十四阀门32组成的水箱加热回路。当水箱温度到达指定温度，再切换回来。
(5)制冷+热水工况
a)当太阳能集热系统可提供足够生活热水时，通过太阳能集热器的水回路系统和制冷系统可相互独立。制冷系统参照上述第3种制冷工况运行。
b)当太阳能集热系统不能提供足够生活热水时，暂时将地下埋管换热器14、第一阀门16、第二水泵15、第二阀门17、第一蒸发器/气体冷却器3、第三阀门18和第四阀门19组成的散热回路切换为水箱换热盘管20、第七阀门23、第八阀门24、第一蒸发器/气体冷却器3、第三阀门18、第九阀门25、第二水泵15、第五阀门21和第六阀门22组成水箱加热回路。
Claims (5)
1.一种太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，所述太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统包括太阳能集热系统、地下埋管换热系统、跨临界二氧化碳热泵空调系统及室内风机盘管系统四部分，其特征在于，
所述太阳能集热系统为在太阳能集热器(9)的两边分别通过集热器进水阀门(13)和集热器出水阀门(12)、第一水泵(10)连接至蓄热水箱(11)；
所述土壤源采用地下埋管换热系统提供低位热源，地下埋管换热器(14)的一路通过第一阀门(16)、第二水泵(15)、第二阀门(17)、第一蒸发器/气体冷却器(3)的左边一路、第三阀门(18)和第四阀门(19)连接成回路，第九阀门(25)并联在第一阀门(16)、地下埋管换热器(14)、第四阀门(19)的串联回路的两端；第二阀门(17)两端分别通过第五阀门(21)、第六阀门(22)和第八阀门(24)、第七阀门(23)同蓄热水箱(11)内的水箱换热盘管(20)连接，水箱换热盘管(20)一端通过第六阀门(22)、第十阀门(26)和第十一阀门(27)、第十五阀门(33)的结点连接，水箱换热盘管(20)另一端通过第七阀门(23)、第十四阀门(32)与第二蒸发器/气体冷却器(7)的右边一路和第十二阀门(30)的结点连接，第十五阀门(33)通过相互连接的第三水泵(29)、第十三阀门(31)分别连接到第二蒸发器/气体冷却器(7)的右边一路和室内风机盘管系统(28)；室内风机盘管系统(28)再和第十二阀门(30)连接；
所述跨临界二氧化碳热泵空调系统的压缩机(1)、第一四通阀(2)、储液罐(8)、内部换热器(5)串联成回路，并通过第一四通阀(2)、第一蒸发器/气体冷却器(3)的右边一路、第二四通阀(4)、第二蒸发器/气体冷却器(7)的左边一路及第一四通阀(2)连接成回路；其中内部换热器(5)还和第二四通阀(4)、节流阀(6)组成回路。
2.根据权利要求1所述太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，其特征在于，所述跨临界二氧化碳热泵空调系统采用临界二氧化碳作为工质。
3.根据权利要求1所述太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，其特征在于，所述太阳能集热器的水回路系统和制冷系统可相互独立。
4.根据权利要求1所述太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，其特征在于，所述蓄热水箱(11)内置水箱换热盘管(20)，既可作为提供生活热水的蓄热水箱，又可作为提供热量的低位热源。
5.根据权利要求4所述太阳能辅助土壤源跨临界二氧化碳热泵综合空调系统，其特征在于，所述提供热量的低位热源采用单独蓄热水箱回路或者土壤源与蓄热水箱串联回路。
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