CN107062473A - 一种太阳能空气源热泵三联供系统 - Google Patents

Abstract

一种太阳能空气源热泵三联供系统，包括太阳能集热循环系统、空气源热泵循环系统、空调末端、供暖末端、生活热水单元和管式换热器，空调末端、供暖末端、生活热水单元分别与太阳能集热循环系统连接，太阳能集热循环系统与空气源热泵循环系统通过管式换热器连接；太阳能集热循环系统包括太阳能集热器、蓄热/蓄冷水箱和蓄热水箱，蓄热/蓄冷水箱与蓄热水箱串联，蓄热/蓄冷水箱与蓄热水箱分别与太阳能集热器及管式换热器并联，空调末端与供暖末端并联且通过管道与蓄热/蓄冷水箱连通，生活热水单元与蓄热水箱连接。本发明，通过优化集热形式、蓄能方式、供暖空调末端形式以及自动控制系统，来满足供暖、空调以及生活热水三联供。

Description

一种太阳能空气源热泵三联供系统

技术领域

本发明涉及太阳能空气源热泵应用技术领域，特别涉及一种太阳能空气源热泵供暖、空调以及生活热水三联供系统。

背景技术

目前我国能源结构仍以煤炭为主，但是煤炭的利用效率低，对环境影响大，以煤炭为主的能源消费结构的弊端日益明显。另外，目前我国居住建筑的供暖仍以燃煤为主，因此我们需要探索新的供暖形式。

太阳能热水系统和空气源热泵已经发展的相对成熟，两者作为清洁的可再生能源得到政府部门的支持，部分城市已经大力开展煤改电政策，将太阳能与空气源热泵相结合用于供暖与空调也是目前研究热点之一。

太阳能资源取之不尽，在冬季时太阳能集热器也可以制备足量的热水，在满足生活热水的前提下，将多余的热量储存起来用于供暖。但是考虑到太阳辐射存在不稳定性，如果只是用太阳能来制热可能无法满足冬季的用热需求，因此加入空气源热泵用于补充空缺热量，还可以用于夏季制冷。目前已出现将太阳能与空气源热泵相结合用于供暖与空调的相关技术，但是存在以下主要问题：一是集热形式、蓄能方式、供暖空调末端形式设计不科学不合理，效率较低；二是多采用单水箱结构，无法将生活热水与供暖供冷水分开蓄能，费电、且使用不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺陷，提供一种太阳能空气源热泵三联供系统。该一种太阳能空气源热泵三联供系统通过优化集热形式、蓄能方式、供暖空调末端形式以及自动控制系统，来满足冬季供暖、夏季空调以及全年的生活热水，实现室内环境温度与生活热水的自动控制。另外，通过采用双水箱结构，将生活热水与供暖供冷水箱分开蓄能，夏季蓄热水箱蓄热的同时，蓄热/蓄冷水箱可以利用夜晚谷电进行蓄冷用于第二天供冷，减少峰电的用量，有效提高使用便利性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种太阳能空气源热泵三联供系统，包括太阳能集热循环系统、空气源热泵循环系统、空调末端、供暖末端、生活热水单元和管式换热器，所述空调末端、供暖末端、生活热水单元分别与太阳能集热循环系统连接，所述太阳能集热循环系统与空气源热泵循环系统通过管式换热器连接；

所述太阳能集热循环系统包括太阳能集热器、蓄热/蓄冷水箱和蓄热水箱，所述蓄热/蓄冷水箱与蓄热水箱串联，蓄热/蓄冷水箱与蓄热水箱分别与太阳能集热器及管式换热器并联，所述空调末端与供暖末端并联且通过管道与蓄热/蓄冷水箱连通，所述生活热水单元与蓄热水箱连接。

如此设计，设计科学，通过优化集热形式、蓄能方式、供暖空调末端形式以及自动控制系统，来满足冬季供暖、夏季空调以及全年的生活热水，实现室内环境温度与生活热水的自动控制。另外，通过采用双水箱结构，将生活热水与供暖供冷水箱分开蓄能，夏季蓄热水箱蓄热的同时，蓄热/蓄冷水箱可以利用夜晚谷电进行蓄冷用于第二天供冷，减少峰电的用量，有效提高使用便利性。此外，太阳能集热循环与热泵循环通过管式换热器相连，热泵可以从太阳能集热器制备的低温热水中提取热量传递到蓄热水箱，提高了能效比。

作为优化，在蓄热/蓄冷水箱与空调末端和供暖末端之间设有混水温控中心，所述混水温控中心包括自动混水阀、末端循环水泵以及温控器。如此设计，可以更加精确控制末端的供水温度，还可以根据室外实时温度来实现供水温度的实时调节，降低因室内外温差变化引起的室内温度波动，使室内温度更加稳定。

作为优化，所述太阳能集热器入口处设有自动放气阀，出口处设有第一温度传感器T1和泄水阀。如此设计，自动放气阀安装在系统的最高点，将系统内产生的气体及时排掉，保证水流在管道内通畅；第一温度传感器T1用来感应太阳能集热器的出水温度，将不同温度范围的热水分别作为热泵循环的低温热源和蓄热水箱的热源，充分利用太阳能集热器制备的低温热水，提高太阳能热水的利用率；在集热器出口处设置泄水阀用于严寒天气下排空防冻。

作为优化，所述太阳能集热器的出水管路与蓄热/蓄冷水箱、蓄热水箱和管式换热器通过第一电动三通阀相连。如此设计，将不同温度范围的热水分别作为热泵循环的低温热源和蓄热水箱的热源，充分利用太阳能集热器制备的低温热水，提高太阳能热水的利用率。

作为优化，所述空气源热泵循环系统通过管式换热器与太阳能集热器相耦合，通过管式换热器与蓄热/蓄冷水箱和蓄热水箱相耦合。如此设计，太阳能集热器产生的低温热水经过管式换热器5与热泵循环管路中的制冷剂换热，管式换热器5作为热泵系统的蒸发器，充分利用太阳能集热器产生的低温热水作为热泵系统的热源，提高太阳能利用率，从而提高热泵系统的性能系数。通过管式换热器与蓄热/蓄冷水箱和蓄热水箱相耦合，可以利用热泵系统实现冬季同时供暖及热水供应和夏季制冷及热水供应。

作为优化，所述空气源热泵循环系统包括压缩机、四通换向阀、第二电动三通阀、管式换热器、室外换热器与节流阀，所述四通换向阀与管式换热器和室外换热器通过第二电动三通阀相连，所述管式换热器分别与太阳能集热器和四通换向阀以及节流阀相连，所述室外换热器与管式换热器并联。如此设计，可以将太阳能集热器制备的低温热水和室外空气作为热泵的热源，两种能源互补，克服了太阳能供热的不稳定性，将两种清洁能源的利用效率不断提高，最大限度地节约能源。

作为优化，所述蓄热/蓄冷水箱和蓄热水箱通过第一循环水泵、第三电动三通阀、第六电动三通阀与太阳能集热器并联，所述蓄热/蓄冷水箱通过第四电动三通阀、第二循环水泵与管式换热器并联，所述蓄热水箱通过第五电动三通阀、第二循环水泵与管式换热器并联。如此设计，可以实现太阳能集热循环与热泵循环共同为水箱提供热量，并相互作为补充，大大提高了系统用热的稳定性。

作为优化，所述蓄热/蓄冷水箱和蓄热水箱上分别设有第二温度传感器T2、第三温度传感器T3，且二者内部均设有电加热器。如此设计，可以实时监控水箱内的温度，根据温度的变化来控制各阀门或水泵的启闭状态用以切换制冷和制热程序，使水箱内的温度控制在设定的温度范围；水箱内设置电加热器用来应对极端天气条件下供热不足问题。

作为优化，所述空调末端与供暖末端通过第一电动二通阀、第二电动二通阀、第三电动二通阀、第四电动二通阀与蓄热/蓄冷水箱相连。如此设计，可以实现夏季供冷末端与冬季供暖末端的自动切换。

作为优化，所述生活热水单元与蓄热水箱之间设有第五电动二通阀，第五电动二通阀与蓄热水箱中的水位传感器相连。如此设计，当水箱里的水位过低时可以自动补水。

本发明的有益效果是：

本发明，结构简单、设计科学、使用方便，通过优化集热形式、蓄能方式、供暖空调末端形式以及自动控制系统，来满足冬季供暖、夏季空调以及全年的生活热水，实现室内环境温度与生活热水的自动控制。另外，通过采用双水箱结构，将生活热水与供暖供冷水箱分开蓄能，夏季蓄热水箱蓄热的同时，蓄热/蓄冷水箱可以利用夜晚谷电进行蓄冷用于第二天供冷，减少峰电的用量，有效提高使用便利性。此外，太阳能集热循环与热泵循环通过管式换热器相连，热泵可以从太阳能集热器制备的低温热水中提取热量传递到蓄热水箱，提高了能效比。具有较好的实际应用价值和推广价值。

附图说明

下面结合附图对一种太阳能空气源热泵三联供系统作进一步说明：

图1是一种太阳能空气源热泵三联供系统的原理图。

图中：1为自动放气阀、2为太阳能集热器、3-1为第一循环水泵、3-2为第二循环水泵、4-1为第一电动三通阀、4-2为第二电动三通阀、4-3为第三电动三通阀、4-4为第四电动三通阀、4-5为第五电动三通阀、4-6为第六电动三通阀、4-7为第七电动三通阀、4-8为第八电动三通阀、5/5’为管式换热器、6为室外换热器、7为四通换向阀、8为压缩机、9为节流阀、10-1为第一电动二通阀、10-2为第二电动二通阀、10-3为第三电动二通阀、10-4为第四电动二通阀、10-5为第五电动二通阀、11为蓄冷/蓄热水箱、12为蓄热水箱、13为电加热器、14为自动混水阀、15为末端循环水泵、16为温控器、17为空调末端、18为供暖末端、19为混水阀、20为温控混水中心、21为水位传感器；

T1为第一温度传感器、T2为第二温度传感器、T3为第三温度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一种太阳能空气源热泵三联供系统，包括太阳能集热循环系统、空气源热泵循环系统、空调末端17、供暖末端18、生活热水单元和管式换热器5、5’，所述空调末端17、供暖末端18、生活热水单元分别与太阳能集热循环系统连接，所述太阳能集热循环系统与空气源热泵循环系统通过管式换热器5、5’连接；

所述太阳能集热循环系统包括太阳能集热器2、蓄热/蓄冷水箱11和蓄热水箱12，所述蓄热/蓄冷水箱11与蓄热水箱12串联，蓄热/蓄冷水箱11与蓄热水箱12分别与太阳能集热器2及管式换热器5’并联，所述空调末端17与供暖末端18并联且通过管道与蓄热/蓄冷水箱11连通，所述生活热水单元与蓄热水箱12连接。

具体的，在蓄热/蓄冷水箱11与空调末端17和供暖末端18之间设有混水温控中心20，所述混水温控中心20包括自动混水阀14、末端循环水泵15以及温控器16。

具体的，所述太阳能集热器2入口处设有自动放气阀1，出口处设有第一温度传感器T1和泄水阀。

具体的，所述太阳能集热器2的出水管路与蓄热/蓄冷水箱11、蓄热水箱12和管式换热器5通过第一电动三通阀4-1相连。

具体的，所述空气源热泵循环系统通过管式换热器5与太阳能集热器2相耦合，通过管式换热器5’与蓄热/蓄冷水箱11和蓄热水箱12相耦合。

具体的，所述空气源热泵循环系统包括压缩机8、四通换向阀7、第二电动三通阀4-2、管式换热器5、5’、室外换热器6与节流阀9，所述四通换向阀7与管式换热器5和室外换热器6通过第二电动三通阀4-2相连，所述管式换热器5分别与太阳能集热器2和四通换向阀7以及节流阀9相连，所述室外换热器6与管式换热器5并联。

具体的，所述蓄热/蓄冷水箱11和蓄热水箱12通过第一循环水泵3-1、第三电动三通阀4-3、第六电动三通阀4-6与太阳能集热器2并联，所述蓄热/蓄冷水箱11通过第四电动三通阀4-4、第二循环水泵3-2与管式换热器5’并联，所述蓄热水箱12通过第五电动三通阀4-5、第二循环水泵3-2与管式换热器5’并联。

具体的，所述蓄热/蓄冷水箱11和蓄热水箱12上分别设有第二温度传感器T2、第三温度传感器T3，且二者内部均设有电加热器13。

具体的，所述空调末端17与供暖末端18通过第一电动二通阀10-1、第二电动二通阀10-2、第三电动二通阀10-3、第四电动二通阀10-4与蓄热/蓄冷水箱11相连。

具体的，所述生活热水单元与蓄热水箱12之间设有第五电动二通阀10-5，第五电动二通阀10-5与蓄热水箱12中的水位传感器21相连。

具体的，温控器16安装于末端循环水泵15与第七电动三通阀4-7之间。

具体工作原理是：

夏季室内需要供冷，这部分冷量由空气源热泵提供，第二电动三通阀4-2初始转向室外换热器6，此时压缩机8、四通换向阀7、室外换热器6、节流阀9、管式换热器5’构成制冷循环；管式换热器5’、蓄热/蓄冷水箱11、第二循环水泵3-2构成冷水循环。当第二温度传感器T2检测到蓄热/蓄冷水箱11的水温T2≥7℃时，热泵开启制冷循环，为空调末端17提供冷水。当第二温度传感器T2检测到在使用峰电时段蓄冷水箱的水温T2<6℃谷电时段T2<4℃，热泵停止。利用夜间谷电进行蓄冷，减少白天峰电的使用量。

蓄热/蓄冷水箱11、末端循环水泵15和空调末端17构成夏季供冷循环，由末端循环水泵15提供动力。自动混水阀14、末端循环水泵15和温控器16构成混水中心，温控器16检测供水温度Tg，当Tg>7℃时，自动混水阀14控制阀门启闭角度减小用来与冷水混合的回水量，当Tg<7℃时，自动混水阀14控制阀门启闭的角度增大用来与冷水混合的回水量，为空调末端17提供恒定温度为7℃的冷水。

夏季太阳能充足时，太阳能集热器2吸收太阳辐射加热循环管路中的水，当太阳能集热器2出口处的温度T1≥22℃时，第一电动三通阀4-1初始转向太阳能集热器2为蓄热水箱12蓄热，此时太阳能集热器2、蓄热水箱12、第一循环水泵3-1形成集热循环。当检测到太阳能集热器2出口处的温度T1<22℃时，第一循环水泵3-1停止运行。当第三温度传感器T3检测到的温度T3≥70℃时，第一循环水泵3-1停止运行。

当有用热需求时，但太阳能集热循环还不能达到用热需求，即蓄热水箱12的温度T3<45℃时，手动开启电加热器13，当蓄热水箱12温度达到45℃后，电加热器13停止，满足基本用热需求。电加热时蓄热水箱12的温度可以设定45℃-70℃，根据不同需求水温调节电加热温度。

当夏季满足制冷需求时蓄冷水箱储存足够冷量，也可以开启空气源热泵制热循环加热生活热水。此时压缩机8、四通换向阀7、室外换热器6、节流阀9、管式换热器5’共同构成制热循环；管式换热器5’、第二循环水泵3-2、蓄热水箱12形成热水循环。当蓄热水箱12温度达到45℃后，空气源热泵制热循环停止，自动切换为制冷循环为蓄热/蓄冷水箱11供冷水。

冬季需要对蓄热/蓄冷水箱11和蓄热水箱12提供热量来满足供暖和生活热水的需求。初始运行模式是太阳能集热器2为蓄热水箱12提供热量和空气源热泵为蓄热/蓄冷水箱11提供热量。当有供暖需求时，空气源热泵开启，第二电动三通阀4-2初始转向室外换热器6，此时压缩机8、四通换向阀7、室外换热器6、节流阀9和管式换热器5’构成热泵制热循环。通过对第四电动三通阀4-4、第五电动三通阀4-5转换分别向蓄热/蓄冷水箱11和蓄热水箱12提供热量。

当太阳能集热器2出口处的第一温度传感器T1检测到出水温度T1≥22℃时，第一电动三通阀4-1初始转向蓄热水箱12，此时太阳能集热器2、第一循环水泵3-1和蓄热水箱12构成太阳能集热循环。

蓄热/蓄冷水箱11初始设定温度45℃，可以设定45℃-70℃，根据室外温度的不同可选择自动调节设定温度。当第二温度传感器T2检测到水温T2<45℃时，空气源热泵开启制热；在使用峰电运行空气源热泵，当第二温度传感器T2检测到水温T2≥50℃时，空气源热泵停止制热。在使用谷电运行空气源热泵，当第二温度传感器T2检测到水温T2≥60℃时，空气源热泵停止制热。

当太阳能集热器2出口处的第一温度传感器T1检测到出口水温T1≥47℃时，空气源热泵停止，太阳能集热器2为蓄热/蓄冷水箱11提供热量。当第二温度传感器T2检测到水温T2≥70℃时，第一循环水泵3-1停止运行，以免蓄热/蓄冷水箱11水温过高影响保温性能。

当太阳能集热器2出口处的第一温度传感器T检测到出口水温12℃≤T1<22℃时，第一电动三通阀4-1转向管式换热器5，此时太阳能集热器2、管式换热器5和第一循环水泵3-1构成循环，管式换热器5作为热泵循环的蒸发器，同时，热泵循环中的第二电动三通阀4-2转向管式换热器5，由空气源热泵为蓄热/蓄冷水箱11和蓄热水箱12提供热量。

当太阳能集热器2出口处的第一温度传感器T1检测到出口水温T1<12℃时，第一循环水泵3-1停止运行。热泵循环中管式换热器5切换到室外换热器6。

遇到严寒天气，当空气源热泵运行一段时间后蓄热/蓄冷水箱11的温度还无法满足供暖需求所设定的温度时，则开启电加热器13。

蓄热水箱12初始设定温度45℃，可以设定45℃-70℃，当有用热需求时，且太阳能集热循环不能满足用热需求，即第三温度传感器T3检测到的水温T3<45℃时，利用空气源热泵为蓄热水箱12提供热量，通过调节第五电动三通阀4-5的转向实现对蓄热水箱12蓄热。当利用空气源热泵为蓄热水箱12蓄热时，暂停对蓄热/蓄冷水箱11提供热量，实现生活热水的优先控制。当空气源热泵运行10分钟后水温T3还不能达到设定的温度Td，电加热器13开启，将水温加热到设定水温，空气源热泵转换为蓄热/蓄冷水箱11供热；若10分钟内可以加热到设定水温Td，空气源热泵直接转向为蓄热/蓄冷水箱11供热，电加热器13不用开启。

电加热器13开启为蓄热水箱12制热时，第六电动三通阀4-6转向第一循环水泵3-1，防止将电加热产生的热量带走。当第三温度传感器T3检测到T3<35℃时，第六电动三通阀4-6转向蓄热水箱12恢复到初始转向。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施方式。但是凡是未脱离本发明技术原理的前提下，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与改型，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：包括太阳能集热循环系统、空气源热泵循环系统、空调末端（17）、供暖末端（18）、生活热水单元和管式换热器（5、5’），所述空调末端（17）、供暖末端（18）、生活热水单元分别与太阳能集热循环系统连接，所述太阳能集热循环系统与空气源热泵循环系统通过管式换热器（5、5’）连接；

所述太阳能集热循环系统包括太阳能集热器（2）、蓄热/蓄冷水箱（11）和蓄热水箱（12），所述蓄热/蓄冷水箱（11）与蓄热水箱（12）串联，蓄热/蓄冷水箱（11）与蓄热水箱（12）分别与太阳能集热器（2）及管式换热器（5’）并联，所述空调末端（17）与供暖末端（18）并联且通过管道与蓄热/蓄冷水箱（11）连通，所述生活热水单元与蓄热水箱（12）连接。

2.如权利要求1所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：在蓄热/蓄冷水箱（11）与空调末端（17）和供暖末端（18）之间设有混水温控中心（20），所述混水温控中心（20）包括自动混水阀（14）、末端循环水泵（15）以及温控器（16）。

3.如权利要求1所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：所述太阳能集热器（2）入口处设有自动放气阀（1），出口处设有第一温度传感器T1和泄水阀。

4.如权利要求1所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：所述太阳能集热器（2）的出水管路与蓄热/蓄冷水箱（11）、蓄热水箱（12）和管式换热器（5）通过第一电动三通阀（4-1）相连。

5.如权利要求1所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：所述空气源热泵循环系统通过管式换热器（5）与太阳能集热器（2）相耦合，通过管式换热器（5’）与蓄热/蓄冷水箱（11）和蓄热水箱（12）相耦合。

6.如权利要求5所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：所述空气源热泵循环系统包括压缩机（8）、四通换向阀（7）、第二电动三通阀（4-2）、管式换热器（5、5’）、室外换热器（6）与节流阀（9），所述四通换向阀（7）与管式换热器（5）和室外换热器（6）通过第二电动三通阀（4-2）相连，所述管式换热器（5）分别与太阳能集热器（2）和四通换向阀（7）以及节流阀（9）相连，所述室外换热器（6）与管式换热器（5）并联。

7.如权利要求1所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：所述蓄热/蓄冷水箱（11）和蓄热水箱（12）通过第一循环水泵（3-1）、第三电动三通阀（4-3）、第六电动三通阀（4-6）与太阳能集热器（2）并联，所述蓄热/蓄冷水箱（11）通过第四电动三通阀（4-4）、第二循环水泵（3-2）与管式换热器（5’）并联，所述蓄热水箱（12）通过第五电动三通阀（4-5）、第二循环水泵（3-2）与管式换热器（5’）并联。

8.如权利要求1所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：所述蓄热/蓄冷水箱（11）和蓄热水箱（12）上分别设有第二温度传感器T2、第三温度传感器T3，且二者内部均设有电加热器（13）。

9.如权利要求1所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：所述空调末端（17）与供暖末端（18）通过第一电动二通阀（10-1）、第二电动二通阀（10-2）、第三电动二通阀（10-3）、第四电动二通阀（10-4）与蓄热/蓄冷水箱（11）相连。

10.如权利要求1所述的一种太阳能空气源热泵三联供系统，其特征在于：所述生活热水单元与蓄热水箱（12）之间设有第五电动二通阀（10-5），第五电动二通阀（10-5）与蓄热水箱（12）中的水位传感器（21）相连。