專利名稱：一種雙熱源跨臨界二氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以太陽能為輔助能源的跨臨界CO2多功能熱泵系統(tǒng)，屬熱泵技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石油、煤炭等化石能源的大量使用，不僅引發(fā)了全球范圍的能源危機，同時也導(dǎo)致了酸雨，溫室效應(yīng)，氣候變暖等一系列環(huán)境問題。因此，可再生新能源(如太陽能、風(fēng)能、海洋能等)的開發(fā)和利用迫在眉睫。熱泵是ー種從低溫?zé)嵩次鼰崴屯邷責(zé)嵩吹难h(huán)設(shè)備，其熱效率大于I。用熱泵生產(chǎn)低品位的熱水時，其熱效率可達到3以上。CO2是一種環(huán)保型エ質(zhì)，跨臨界CO2熱泵的排氣溫度比較高，一般在80°C以上(最高不超過130°C )，并且放熱過程在超臨界壓カ下進行，有較大溫度滑移，特別適合提供高溫?zé)崴?。另外，CO2熱泵系統(tǒng)具有壓縮機體積小，換熱器結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，有利于一體化裝置的設(shè)計。對于CO2熱泵來說，系統(tǒng)性能會隨蒸發(fā)溫度的下降急劇下降，過熱過冷對CO2熱泵制熱制冷來說都是有利的，可以提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。 太陽能熱水器在我國廣泛使用，但太陽能具有不穩(wěn)定性，加熱的溫度也會因為每天輻射量不同而不同。而且在夏季氣溫高，太陽輻射充足，集熱器收集的熱量多，但熱水的使用量卻大大減少(人們在夏季主要需要的是冷量)，導(dǎo)致太陽能熱水器大多閑置，降低了設(shè)備的利用率。因此，如果能夠?qū)⑻柲軣崴髋cCO2熱泵有機結(jié)合在一起，充分利用收集到的太陽能，使CO2熱泵在高蒸發(fā)溫度下運行，冬季取暖，夏季制冷，不僅能提高系統(tǒng)的性能系數(shù)及各部件的年利用率，而且可以減少化石能源的使用量，降低環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足、提供一種雙熱源跨臨界ニ氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，以提高熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)及太陽能熱水器的年利用率，減少化石能源的消耗，降低環(huán)境污染。本發(fā)明所述問題是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種雙熱源跨臨界ニ氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，它包括太陽能集熱系統(tǒng)，吸附式制冷系統(tǒng)、CO2熱泵系統(tǒng)和輔助換熱器，所述輔助換熱器內(nèi)設(shè)置有三根換熱管，第一換熱管串接在CO2熱泵系統(tǒng)的循環(huán)回路中，第二換熱管串接在吸附式制冷系統(tǒng)的過冷管路中，所述太陽能集熱系統(tǒng)輸出的集熱流體經(jīng)第二循環(huán)水泵后分成兩路，一路經(jīng)第四電磁閥驅(qū)動吸附式制冷系統(tǒng)，另一路經(jīng)第三電磁閥流經(jīng)輔助換熱器的第三換熱管。上述雙熱源跨臨界ニ氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，所述CO2熱泵系統(tǒng)包括壓縮機、主換熱器、室外換熱器、兩個節(jié)流閥、兩個四通閥和兩個電磁閥，所述壓縮機接于第一四通閥的b口和d ロ之間，第一四通閥的c ロ依次經(jīng)主換熱器和第一節(jié)流閥接第二四通閥的c ロ，a ロ接第二四通閥的a ロ ；第二四通閥的b ロ依次經(jīng)第二節(jié)流閥、室外換熱器和輔助換熱器的第一換熱管接第二四通閥的d ロ ；兩個電磁閥分別與兩個節(jié)流閥并接；所述主換熱器設(shè)置有生活熱水、循環(huán)空調(diào)水和冷熱風(fēng)輸出ロ。上述雙熱源跨臨界ニ氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，所述太陽能集熱系統(tǒng)包括太陽能集熱器、太陽能集熱箱和第一循環(huán)水泵，三者依次首尾相接構(gòu)成集熱流體循環(huán)系統(tǒng)，所述太陽能集熱箱經(jīng)第二循環(huán)水泵給吸附式制冷系統(tǒng)和CO2熱泵系統(tǒng)提供集熱流體。上述雙熱源跨臨界ニ氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，在太陽能集熱箱內(nèi)的集熱流體中還設(shè)置有生活熱水換熱管。上述雙熱源跨臨界ニ氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，所述太陽能集熱系統(tǒng)中的集熱流體采用防凍液。
上述雙熱源跨臨界ニ氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，所述CO2熱泵系統(tǒng)為跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明利用輔助換熱器將太陽能集熱系統(tǒng)和吸附式制冷系統(tǒng)與CO2熱泵系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，太陽能集熱系統(tǒng)和吸附式制冷系統(tǒng)通過輔助換熱器實現(xiàn)對CO2熱泵系統(tǒng)的過熱或過冷，大大提高了系統(tǒng)的性能系數(shù)，增強了系統(tǒng)的地域適應(yīng)性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證了太陽能的充分、合理利用，提高了部件利用率，降低了對環(huán)境造成的污染。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步說明。圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各標號為1、壓縮機；2、第一四通閥；3、主換熱器；4、第一節(jié)流閥；5、第二四通閥；6、第二節(jié)流閥；7、室外換熱器；8、輔助換熱器；9、第一電磁閥；10、第二電磁閥；11、吸附式制冷系統(tǒng)；12、第四電磁閥；13、第三電磁閥；14、第二循環(huán)水泵；15、太陽能集熱箱；16、第一循環(huán)水泵；17、生活熱水換熱管；18、太陽能集熱器。
具體實施例方式參看圖1，本發(fā)明包括太陽能集熱系統(tǒng)、吸附式制冷系統(tǒng)、CO2熱泵系統(tǒng)和輔助換熱器8。太陽能集熱系統(tǒng)驅(qū)動吸附式制冷系統(tǒng) ，CO2熱泵系統(tǒng)通過輔助換熱器與太陽能集熱系統(tǒng)和吸附式制冷系統(tǒng)聯(lián)接。CO2熱泵系統(tǒng)由壓縮機I、第一四通閥2、主換熱器3、第一節(jié)流閥4、第二四通閥5、第二節(jié)流閥6、室外換熱器7、輔助換熱器8、第一電磁閥9、第二電磁閥10組成。其中，第一四通閥2、主換熱器3、第一節(jié)流閥4依次串聯(lián)，第二四通閥5、第二節(jié)流閥6、室外換熱器7、輔助換熱器8依次串聯(lián)，第一節(jié)流閥4和第二四通閥5相連，第一節(jié)流閥4與第一電磁閥9并聯(lián)，第二節(jié)流閥6與第二電磁閥10并聯(lián)，第一四通閥2的b ロ與壓縮機I出口相連，第一四通閥2的c ロ與主換熱器3相連，第一四通閥2的d ロ與壓縮機I進ロ相連，第一四通閥2的a ロ與第二四通閥5的a ロ相連，第二四通閥5的b ロ與第二節(jié)流閥6相連，第二四通閥5的c ロ與第一節(jié)流閥4相連，第二四通閥5的d ロ與輔助換熱器8相連。太陽能集熱系統(tǒng)由太陽能集熱器18、太陽能集熱箱15組成。其中，太陽能集熱箱15與吸附式制冷系統(tǒng)11相連，中間連接有第四電磁閥12和第二循環(huán)水泵14，太陽能集熱箱15內(nèi)部具有加熱生活熱水的換熱管17，太陽能集熱箱15與輔助換熱器8相連，中間有第三電磁閥13和溫控流量的第二循環(huán)水泵14。太陽能集熱系統(tǒng)中的集熱流體采用防凍液，CO2熱泵系統(tǒng)為跨臨界CO2循環(huán)，エ質(zhì)為CO2，其中所有設(shè)備應(yīng)滿足高壓特點。本發(fā)明有六種工作模式太陽能熱水模式、水源熱泵熱水模式、高溫?zé)崴Ｊ?、空氣源熱泵熱水模式、吸附式輔助制冷模式和熱泵制冷模式。本發(fā)明所有裝置都處于室外，或者置于單獨的設(shè)備房間內(nèi)。太陽能集熱器18置于屋頂或者陽臺?？梢酝ㄟ^管道把從太陽能集熱箱15和主換熱器3得到的高溫?zé)崴⒖照{(diào)水和冷暖風(fēng)送至室內(nèi)。 本裝置中第一電磁閥9、第二電磁閥10、第三電磁閥13、第四電磁閥12默認情況下處于常閉狀態(tài)；室外換熱器7為風(fēng)冷式翅片換熱器，電風(fēng)扇默認處于運行狀態(tài)；主換熱器3為套管式換熱器或翅片式換熱器。太陽能集熱系統(tǒng)中太陽能集熱器18和第一循環(huán)水泵16有太陽輻射時運行，并把收集到的熱量儲存在太陽能集熱箱15中，無太陽輻射時停止運行。太陽能熱水模式下，太陽能集熱箱15溫度超過50°C時，裝置并不工作，通過太陽能加熱換熱管17中的水送至室內(nèi)。水源熱泵熱水模式下，太陽能集熱箱15溫度低于50°C，且室外溫度在10°C以下時，第一電磁閥9和第三電磁閥13打開，第二循環(huán)水泵14運行，室外換熱器7的電風(fēng)扇關(guān)閉。高溫高壓CO2流體從壓縮機I出來，經(jīng)第一四通閥2到主換熱器3中換熱降溫，然后通過第一電磁閥9和第二四通閥5，經(jīng)過第二節(jié)流閥6時節(jié)流蒸發(fā)，到室外換熱器7中不換熱，經(jīng)輔助換熱器8時與太陽能熱水換熱，然后再經(jīng)過第二四通閥5和第一四通閥2，最后回到壓縮機1，完成循環(huán)。此過程中室外換熱器7不工作。第二循環(huán)水泵14可以控制エ質(zhì)的過熱度。高溫?zé)崴Ｊ较?，太陽能集熱?5溫度低于30°C，第一電磁閥9和第三電磁閥13打開，第二循環(huán)水泵14運行。高溫高壓CO2流體從壓縮機I出來，經(jīng)第一四通閥2到主換熱器3換熱降溫，然后通過第一電磁閥9和第二四通閥5，經(jīng)過第二節(jié)流閥6時節(jié)流蒸發(fā)，到室外換熱器7中換熱，經(jīng)過輔助換熱器8時再與太陽能熱水換熱，然后再經(jīng)過第二四通閥5和第一四通閥2，最后回到壓縮機1，完成循環(huán)。第二循環(huán)水泵14可以控制CO2的過熱度?？諝庠礋岜脽崴Ｊ较?，太陽能集熱箱15溫度低于0°C或者低于室外溫度時，第一電磁閥9打開，第三電磁閥13關(guān)閉。高溫高壓CO2流體從壓縮機I出來，經(jīng)第一四通閥2，到主換熱器3換熱降溫，然后通過第一電磁閥9和第二四通閥5，經(jīng)過第二節(jié)流閥6時節(jié)流蒸發(fā)，到室外換熱器7中換熱，經(jīng)過輔助換熱器8時不與太陽能熱水換熱，然后再經(jīng)過第ニ四通閥5和第一四通閥2，最后回到壓縮機1，完成循環(huán)。此過程中輔助換熱器8不工作。吸附式輔助制冷模式下，太陽能水箱17的溫度高于吸附式制冷設(shè)定的驅(qū)動溫度時，第二電磁閥10和第四電磁閥12打開，第二循環(huán)水泵14運行。高溫高壓的CO2流體從壓縮機I出來，通過第一四通閥2和第二四通閥5，經(jīng)第二電磁閥10，到室外換熱器7換熱降溫，經(jīng)過輔助換熱器8時與吸附式制冷系統(tǒng)11換熱再降溫，然后通過第二四通閥5，經(jīng)過第一節(jié)流閥4時節(jié)流蒸發(fā)，到主換熱器3中換熱，再經(jīng)過第一四通閥2，最后回到壓縮機1，完成循環(huán)。熱泵制冷模式下，太陽能儲熱箱15的溫度低于吸附式制冷機設(shè)定的驅(qū)動溫度吋，第二電磁閥10打開，第四電磁閥12關(guān)閉。高溫高壓的CO2流體從壓縮機I出來，通過第一四通閥2和第二四通閥5，經(jīng)第二電磁閥10，到室外換熱器7換熱降溫，然后通過輔助換熱器8和第二四通閥5，經(jīng)過第一節(jié)流閥4節(jié)流蒸發(fā)，到主換熱器3中換熱，再經(jīng)過通過第一四通閥2，最后回到壓縮機I，完成循環(huán)。此過程吸附式制冷機不工作。假設(shè)太陽能熱水器的容量為150L，北京冬季氣溫為-10°C，C02熱泵功率為2kw。假設(shè)跨臨界CO2熱泵高壓壓カ為lOMPa，氣體冷卻器的出ロ溫度為40°C，壓縮機效率為0. 8，換熱器換熱溫差為5°C，則蒸發(fā)溫度設(shè)定在-15°C時，空氣源熱泵模式的制熱效率為2. 3 ;太陽能熱水高于30°C時則蒸發(fā)溫度設(shè)定在10°C吋，則水源熱泵模式的制熱效率為3. 8，熱效率提聞65%。 假設(shè)太陽能熱水為40°C，在水源熱泵模式下降溫至30°C吋，能在15分鐘生產(chǎn)60°C熱水42kg (自來水溫度為15°C);高溫?zé)崴Ｊ较?，在蒸發(fā)溫度為_15°C時，過熱15°C可使CO2的放熱焓差相比空氣源熱泵模式増加14%，在(TC最高過熱度為25°C時，可使CO2的放熱焓差相比空氣源熱泵模式增加25%。假設(shè)在制冷エ況下，跨臨界CO2高壓壓カ為lOMPa，氣體冷卻器出ロ溫度為40°C，壓縮機效率為0. 8，蒸發(fā)溫度為5°C，則CO2熱泵制冷模式下的COP為2. 5，在吸附式輔助制冷模式下吸附式制冷機每過冷1°C系統(tǒng)COP増加3%左右。
權(quán)利要求
1.一雙熱源跨臨界二氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，其特征是，它包括太陽能集熱系統(tǒng)，吸附式制冷系統(tǒng)(11)、C02熱泵系統(tǒng)和輔助換熱器(8)，所述輔助換熱器(8)內(nèi)設(shè)置有三根換熱管，第一換熱管串接在C02熱泵系統(tǒng)的循環(huán)回路中，第二換熱管串接在吸附式制冷系統(tǒng)(11)的過冷管路中，所述太陽能集熱系統(tǒng)輸出的集熱流體經(jīng)第二循環(huán)水泵(14)后分成兩路，一路經(jīng)第四電磁閥(12)驅(qū)動吸附式制冷系統(tǒng)(11 )，另一路經(jīng)第三電磁閥(13)流經(jīng)輔助換熱器(8)的第三換熱管。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙熱源跨臨界二氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，其特征在于，所述CO2熱泵系統(tǒng)包括壓縮機(I)、主換熱器(3)、室外換熱器(7)、兩個節(jié)流閥、兩個四通閥和兩個電磁閥，所述壓縮機(I)接于第一四通閥(2)的b 口和d 口之間，第一四通閥(2)的c 口依次經(jīng)主換熱器(3)和第一節(jié)流閥(4)接第二四通閥(5)的c 口，a 口接第二四通閥(5)的a 口 ；第二四通閥(5)的b 口依次經(jīng)第二節(jié)流閥(6)、室外換熱器(7)和輔助換熱器(8)的第一換熱管接第二四通閥(5)的d 口 ；兩個電磁閥分別與兩個節(jié)流閥并接；所述主換熱器(3)設(shè)置有生活熱水、循環(huán)空調(diào)水和冷熱風(fēng)輸出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的雙熱源跨臨界二氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽能集熱系統(tǒng)包括太陽能集熱器(18)、太陽能集熱箱(15)和第一循環(huán)水泵(16)，三者依次首尾相接構(gòu)成集熱流體循環(huán)系統(tǒng)，所述太陽能集熱箱(15)經(jīng)第二循環(huán)水泵(14)給吸附式制冷系統(tǒng)(11)和C02熱泵系統(tǒng)提供集熱流體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙熱源跨臨界二氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，其特征在于，在太陽能集熱箱(15)內(nèi)的集熱流體中還設(shè)置有生活熱水換熱管(17)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙熱源跨臨界二氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽能集熱系統(tǒng)中的集熱流體采用防凍液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙熱源跨臨界二氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，其特征在于，所述CO2熱泵系統(tǒng)為跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)。
全文摘要
一種雙熱源跨臨界二氧化碳多功能熱泵系統(tǒng)，它包括太陽能集熱系統(tǒng)，吸附式制冷系統(tǒng)、CO2熱泵系統(tǒng)和輔助換熱器，所述輔助換熱器內(nèi)設(shè)置有三根換熱管，第一換熱管串接在CO2熱泵系統(tǒng)的循環(huán)回路中，第二換熱管串接在吸附式制冷系統(tǒng)的過冷管路中，所述太陽能集熱系統(tǒng)輸出的集熱流體經(jīng)第二循環(huán)水泵后分成兩路，一路經(jīng)第四電磁閥驅(qū)動吸附式制冷系統(tǒng)，另一路經(jīng)第三電磁閥流經(jīng)輔助換熱器的第三換熱管。本發(fā)明利用輔助換熱器將太陽能集熱系統(tǒng)和吸附式制冷系統(tǒng)與CO2熱泵系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，大大提高了系統(tǒng)的性能系數(shù)，增強了系統(tǒng)的地域適應(yīng)性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證了太陽能的充分、合理利用，提高了部件利用率，降低了對環(huán)境造成的污染。
文檔編號F25B29/00GK102798250SQ201210314850
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者謝英柏, 歐陽晶瑩, 劉春濤, 王帥, 吳宇, 劉赟 申請人:華北電力大學(xué)(保定)