一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统及其运行方法
阅读说明：本技术 一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统及其运行方法 (Solar heat pump system based on phase change heat storage and operation method thereof ) 是由 王岗 杨永清 胡涛 余万 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统及其运行方法,它包括一体化太阳能蓄热器、第一电磁阀、第三电磁阀、风冷管翅式换热器、第二电磁阀、四通换向阀、压缩机、套管换热器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、毛细管、第四电磁阀和制冷剂管路；所述制冷剂管路分为一体化太阳能蓄热器所在的第一循环管路和风冷管翅式换热器所在的第二循环管路。该系统可提升一体化太阳能蓄热器中热利用效率及热泵系统综合性能,另外该系统可全年运行,实现供电、供热、供冷三联供。(The invention provides a solar heat pump system based on phase change heat storage and an operation method thereof, wherein the solar heat pump system comprises an integrated solar heat accumulator, a first electromagnetic valve, a third electromagnetic valve, an air-cooled tube-fin heat exchanger, a second electromagnetic valve, a four-way reversing valve, a compressor, a sleeve heat exchanger, a first one-way valve, a second one-way valve, a third one-way valve, a fourth one-way valve, a capillary tube, a fourth electromagnetic valve and a refrigerant pipeline; the refrigerant pipeline is divided into a first circulating pipeline where the integrated solar heat accumulator is located and a second circulating pipeline where the air-cooled tube-fin heat exchanger is located. The system can improve the heat utilization efficiency in the integrated solar heat accumulator and the comprehensive performance of the heat pump system, and can run all the year round to realize triple supply of power supply, heat supply and cold supply.)
技术领域
本发明属于太阳能热泵技术领域，尤其涉及一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统及其运行方法，能够实现供电、供热、供冷三联供。
背景技术
太阳能作为清洁、高效的可再生能源已广泛应用于建筑用能中，太阳能蓄热技术和太阳能热泵技术研究及应用较为广泛。现有的太阳能蓄热技术核心部件—蓄热装置存在传热结构不对称、传热时间不同步及传热周期不统一等缺点。太阳能热泵技术在建筑中应用较为广泛，但仍存在系统整体可靠性不高，运行不稳定及技术经济性差等相应问题，如何实现太阳能在建筑中高效利用及太阳能利用系统中各部件匹配关系，从而使系统高效、稳定及经济运行仍是我们要解决的问题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统及其运行方法，该系统可提升一体化太阳能蓄热器中热利用效率及热泵系统综合性能，另外该系统可全年运行，实现供电、供热、供冷三联供。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统，它包括一体化太阳能蓄热器、第一电磁阀、第三电磁阀、风冷管翅式换热器、第二电磁阀、四通换向阀、压缩机、套管换热器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、毛细管、第四电磁阀和制冷剂管路；
所述制冷剂管路分为一体化太阳能蓄热器所在的第一循环管路和风冷管翅式换热器所在的第二循环管路。
所述制冷剂管路分为一体化太阳能蓄热器所在的第一循环管路是由第一制冷剂管路连接第一电磁阀经过第二制冷剂管路进入四通换向阀，从四通换向阀经第四制冷剂管路进入压缩机经过第五制冷剂管路再次进入四通换向阀通过第三制冷剂管路进入套管换热器，然后流过第六制冷剂管路经过第一单向阀由第八制冷剂管路进入毛细管，第九制冷剂管路连接毛细管和第三单向阀，从第三单向阀通过第十一制冷剂管路经第十二制冷剂管路再分支经过第四电磁阀，由第十六制冷剂管路接入一体化太阳能蓄热器。
所述风冷管翅式换热器所在的第二循环管路是由第三制冷剂管路连接套管换热器和四通换向阀，然后第四制冷剂管路从四通换向阀接入压缩机然后通过第五制冷剂管路进入四通换向阀转换到第二制冷剂管路分支和第三电磁阀相连接，经过第十五制冷剂管路进入风冷管翅式换热器，然后由第十三制冷剂管路通过第二电磁阀分支后接第十二制冷剂管路，然后第十四制冷剂管路接第四单向阀，通过第八制冷剂管路和毛细管相接后由第九制冷剂管路接第二单向阀，然后经过第十制冷剂管路和第六制冷剂管路相连接送入套管换热器。
所述一体化太阳能蓄热器为太阳能热泵系统的顶部核心部件，并与热泵相结合组成相变蓄热-太阳能热泵系统，蓄热装置作为热泵系统的低位热源，充当热泵系统中蒸发器的角色，来提升蓄热装置中热利用效率及热泵系统综合性能。
所述一体化太阳能蓄热器由玻璃盖板、EVA层、光伏电池、微热管、保温材料、换热翅片、微热管、多孔扁管/制冷剂流道、蓄热器和相变材料构成，具有实现发电、蓄热和及时将蓄热器中的能量转换掉的功能；在基于相变蓄热的太阳能热泵系统运行时，微热管的冷凝段两侧的多孔扁管/制冷剂流道中流动的制冷剂将微热管传递的热量及周围相变材料储存的热量高效移除，得到热量的制冷剂将会通过制冷剂管路进入系统的各个部件。
所述一体化太阳能蓄热器和风冷管翅式换热器并联，二者在系统中的运行状态及扮演角色由第一电磁阀、第三电磁阀、第二电磁阀和第四电磁阀所控制；当基于相变蓄热的热泵系统在制热工况下运行时，第三电磁阀、第二电磁阀将会断开停止工作；当基于相变蓄热的热泵系统在制冷工况下运行时，第一电磁阀和第四电磁阀将会断开停止工作。
所述四通换向阀能够实现热泵系统制热和制冷工况的模式切换，整个运行系统制冷制热工况的转换由四通换向阀控制制冷剂在制冷剂管路中的流向；在制热工况下，制冷剂从第二制冷剂管路进入四通阀，然后从第四制冷剂管路进入压缩机，再由第五制冷剂管路进入四通换向阀经过转换后由第三制冷剂管路进入套管换热器换热；在制冷工况下，制冷剂由第三制冷剂管路从套管换热器输送到四通换向阀，然后由第四制冷剂管路流过压缩机再由第五制冷剂管路送入四通换向阀经转换后由第二制冷剂管路送入风冷管翅式换热器向空气中放热。
所述套管换热器与末端系统相连接，在制热工况中套管换热器作为系统的冷凝器，从末端系统中放热，以实现热泵系统制热的功能；在制冷工况下套管换热器作为系统的蒸发器，从末端系统中取热，以实现热泵系统制冷的功能。
所述第一单向阀和第四单向阀构成第一串联回路，第二单向阀和第三单向阀构成第二串联回路；第一串联回路和第二串联回路之间构成并联回路，但各自流向不同且与毛细管串联，根据热泵制热或制冷工况的不同而改变制冷剂在单向阀中的流向；
在系统运行制冷工况时，风冷管翅式换热器接入制冷剂管路，此时的风冷管翅式换热器将作为热泵系统的冷凝器，通过从空气中放热来实现热泵系统制冷的功能。
基于相变蓄热的太阳能热泵系统的运行方法：
在制热工况下系统运行时，一体化太阳能蓄热器接通制冷剂管路作蒸发器而风冷管翅式换热器两端第三电磁阀和第二电磁阀断开，系统从一体化太阳能蓄热器中取热，在一体化太阳能蓄热器的多孔扁管/制冷剂流道中制冷剂和相变蓄热材料中的能量交换后温度升高，升温后的制冷剂沿第一制冷剂管路经过第一电磁阀进入第二制冷剂管路后流进四通换向阀，然后通过第四制冷剂管路进入压缩机进行压缩做工，然后高温高压的制冷剂气体通过第五制冷剂管路、四通换向阀、第三制冷剂管路进入套管换热器，与末端换热介质进行冷凝放热，得到加热的末端介质输送到用户末端装置，以实现供热目的；低温高压的气液制冷剂经过第六制冷剂管路、第七制冷剂支管路，再由第一单向阀经过第八制冷剂管路送入毛细管进行节流降压，然后低温低压的液态制冷剂由第九制冷剂管路过第三单向阀、第十一制冷剂管路、第十二制冷剂管路后经过第四电磁阀后，再由第十六制冷剂管路进入一体化太阳能蓄热器，完成一个制热工况下的热循环；
在制冷工况下系统运行时，风冷管翅式换热器接通制冷剂管路作冷凝器而一体化太阳能蓄热器断开，系统通过四通换向阀的切换，使套管换热器作为蒸发器，制冷剂在套管换热器和末端水蒸发吸热，在管翅式换热器中向空气冷凝放热，此时制冷剂流向与制热时相反，以完成一个制冷工况下的冷循环。
本发明有如下有益效果：
1、本发明的整个系统中，以一体化太阳能蓄热器为核心部件，其部件采用微热管阵列与多孔铝扁管结合的形式，有效提升蓄热装置放热效率。
2、在一体化太阳能蓄热器的基础上与热泵相结合，组成基于相变蓄热的太阳能热泵系统，一体化太阳能蓄热器可作为热泵系统的低位热源，充当热泵系统中蒸发器的角色，可提升蓄热装置中热利用效率及热泵系统综合性能，解决能源供应和需求在时间、空间和强度上的不协调问题。
3、此外该系统可全年运行，在四通阀切换不同模式下可实现供电、供热、供冷三联供。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明所述系统的核心装置一体化太阳能蓄热器侧剖图。
图2是本发明所述一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统示意图。
图中：1玻璃盖板，2EVA层，3光伏电池，4微热管，5保温材料，6换热翅片，7微热管，8多孔扁管/制冷剂流道，9蓄热器，10相变材料，11一体化太阳能蓄热器，12第一制冷剂管路；
14第二制冷剂管路，15第三制冷剂管路，16第四制冷剂管路，19第五制冷剂管路，21第六制冷剂管路，22第七制冷剂管路，24第八制冷剂管路，26第九制冷剂管路，28第十制冷剂管路，30第十一制冷剂管路，31第十二制冷剂管路，32第十三制冷剂管路，33第十四制冷剂管路，37第十五制冷剂管路，40第十六制冷剂管路；
13第一电磁阀，35第二电磁阀，38第三电磁阀，39第四电磁阀；
17四通换向阀，18压缩机，20套管换热器；
23第一单向阀，27第二单向阀，29第三单向阀，34第四单向阀；
25毛细管，36风冷管翅式换热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-2，一种基于相变蓄热的太阳能热泵系统，它包括一体化太阳能蓄热器11、第一电磁阀13、第三电磁阀38、风冷管翅式换热器36、第二电磁阀35、四通换向阀17、压缩机18、套管换热器20、第一单向阀23、第二单向阀27、第三单向阀29、第四单向阀34、毛细管25、第四电磁阀39和制冷剂管路；所述制冷剂管路分为一体化太阳能蓄热器11所在的第一循环管路和风冷管翅式换热器36所在的第二循环管路。此系统以一体化太阳能蓄热器11为核心部件，风冷管翅式换热器36与其并联，在四通换向阀不同季节的转换下可使整个系统全年运行，实现供热供冷供电三联供，满足用户的需求，提高可再生能源利用效率，对节能减排，早日实现碳达峰、碳中和起了促进作用；为太阳能热泵技术在建筑中应用及推广提供一定理论基础。
进一步的，所述制冷剂管路分为一体化太阳能蓄热器11所在的第一循环管路是由第一制冷剂管路12连接第一电磁阀13经过第二制冷剂管路14进入四通换向阀17，从四通换向阀17经第四制冷剂管路16进入压缩机18经过第五制冷剂管路19再次进入四通换向阀17通过第三制冷剂管路15进入套管换热器20，然后流过第六制冷剂管路21经过第一单向阀23由第八制冷剂管路24进入毛细管25，第九制冷剂管路26连接毛细管25和第三单向阀29，从第三单向阀29通过第十一制冷剂管路30经第十二制冷剂管路31再分支经过第四电磁阀39，由第十六制冷剂管路40接入一体化太阳能蓄热器11。
进一步的，所述风冷管翅式换热器36所在的第二循环管路是由第三制冷剂管路15连接套管换热器20和四通换向阀17，然后第四制冷剂管路16从四通换向阀17接入压缩机18然后通过第五制冷剂管路19进入四通换向阀17转换到第二制冷剂管路14分支和第三电磁阀38相连接，经过第十五制冷剂管路37进入风冷管翅式换热器36，然后由第十三制冷剂管路32通过第二电磁阀35分支后接第十二制冷剂管路31，然后第十四制冷剂管路33接第四单向阀34，通过第八制冷剂管路24和毛细管25相接后由第九制冷剂管路26接第二单向阀27，然后经过第十制冷剂管路28和第六制冷剂管路21相连接送入套管换热器20。
进一步的，所述一体化太阳能蓄热器11为太阳能热泵系统的顶部核心部件，并与热泵相结合组成相变蓄热-太阳能热泵系统，蓄热装置作为热泵系统的低位热源，充当热泵系统中蒸发器的角色，来提升蓄热装置中热利用效率及热泵系统综合性能。
进一步的，所述一体化太阳能蓄热器11由玻璃盖板1、EVA层2、光伏电池3、微热管4、保温材料5、换热翅片6、微热管7、多孔扁管/制冷剂流道8、蓄热器9和相变材料10构成，具有实现发电、蓄热和及时将蓄热器中的能量转换掉的功能；在基于相变蓄热的太阳能热泵系统运行时，微热管7的冷凝段两侧的多孔扁管/制冷剂流道8中流动的制冷剂将微热管7传递的热量及周围相变材料储存的热量高效移除，得到热量的制冷剂将会通过制冷剂管路进入系统的各个部件。通过采用上述的一体化太阳能蓄热器11，在基于相变蓄热的太阳能热泵系统运行时，微热管的冷凝段两侧的多孔扁管/制冷剂流道中流动的制冷剂将微热7传递的热量及周围相变材料储存的热量高效移除，得到热量的制冷剂将会通过制冷剂管路进入系统的各个部件，使系统正常运行。
进一步的，所述一体化太阳能蓄热器11和风冷管翅式换热器36并联，二者在系统中的运行状态及扮演角色由第一电磁阀13、第三电磁阀38、第二电磁阀35和第四电磁阀39所控制；当基于相变蓄热的热泵系统在制热工况下运行时，第三电磁阀38、第二电磁阀35将会断开停止工作；当基于相变蓄热的热泵系统在制冷工况下运行时，第一电磁阀13和第四电磁阀39将会断开停止工作。
进一步的，所述四通换向阀17能够实现热泵系统制热和制冷工况的模式切换，整个运行系统制冷制热工况的转换由四通换向阀17控制制冷剂在制冷剂管路中的流向；在制热工况下，制冷剂从第二制冷剂管路14进入四通阀，然后从第四制冷剂管路16进入压缩机18，再由第五制冷剂管路19进入四通换向阀17经过转换后由第三制冷剂管路15进入套管换热器20换热；在制冷工况下，制冷剂由第三制冷剂管路15从套管换热器输送到四通换向阀17，然后由第四制冷剂管路16流过压缩机18再由第五制冷剂管路19送入四通换向阀17经转换后由第二制冷剂管路14送入风冷管翅式换热器36向空气中放热。
进一步的，所述套管换热器20与末端系统相连接，在制热工况中套管换热器20作为系统的冷凝器，从末端系统中放热，以实现热泵系统制热的功能；在制冷工况下套管换热器20作为系统的蒸发器，从末端系统中取热，以实现热泵系统制冷的功能。
进一步的，所述第一单向阀23和第四单向阀34构成第一串联回路，第二单向阀27和第三单向阀29构成第二串联回路；第一串联回路和第二串联回路之间构成并联回路，但各自流向不同且与毛细管25串联，根据热泵制热或制冷工况的不同而改变制冷剂在单向阀中的流向；在系统运行制冷工况时，风冷管翅式换热器36接入制冷剂管路，此时的风冷管翅式换热器36将作为热泵系统的冷凝器，通过从空气中放热来实现热泵系统制冷的功能。
实施例2：
基于相变蓄热的太阳能热泵系统的运行方法：
在制热工况下系统运行时，一体化太阳能蓄热器11接通制冷剂管路作蒸发器而风冷管翅式换热器36两端第三电磁阀38和第二电磁阀35断开，系统从一体化太阳能蓄热器11中取热，在一体化太阳能蓄热器11的多孔扁管/制冷剂流道8中制冷剂和相变蓄热材料10中的能量交换后温度升高，升温后的制冷剂沿第一制冷剂管路12经过第一电磁阀13进入第二制冷剂管路14后流进四通换向阀17，然后通过第四制冷剂管路16进入压缩机进行压缩做工，然后高温高压的制冷剂气体通过第五制冷剂管路19、四通换向阀17、第三制冷剂管路15进入套管换热器20，与末端换热介质进行冷凝放热，得到加热的末端介质输送到用户末端装置，以实现供热目的；低温高压的气液制冷剂经过第六制冷剂管路21、第七制冷剂支管路22，再由第一单向阀23经过第八制冷剂管路24送入毛细管25进行节流降压，然后低温低压的液态制冷剂由第九制冷剂管路26过第三单向阀29、第十一制冷剂管路30、第十二制冷剂管路31后经过第四电磁阀39后，再由第十六制冷剂管路40进入一体化太阳能蓄热器11，完成一个制热工况下的热循环；
在制冷工况下系统运行时，风冷管翅式换热器36接通制冷剂管路作冷凝器而一体化太阳能蓄热器断开，系统通过四通换向阀的切换，使套管换热器作为蒸发器，制冷剂在套管换热器和末端水蒸发吸热，在管翅式换热器36中向空气冷凝放热，此时制冷剂流向与制热时相反，以完成一个制冷工况下的冷循环。
本发明的工作原理：
本发明中所述一体化太阳能蓄热器由玻璃盖板、EVA层、光伏电池、微热管、保温材料、换热翅片、多孔扁管/制冷剂流道、蓄热器、相变材料组成。具有实现发电、蓄热和及时将蓄热器中的能量转换掉的功能。在基于相变蓄热的太阳能热泵系统运行时，微热管的冷凝段两侧的多孔扁管/制冷剂流道中流动的制冷剂将微热7传递的热量及周围相变材料储存的热量高效移除，得到热量的制冷剂将会通过制冷剂管路进入系统的各个部件，使系统正常运行。所述EVA层为乙烯-乙烯醋酸酯共聚物。
进一步地，一体化太阳能蓄热器和风冷管翅式换热器并联，二者在系统中的运行状态及扮演角色由所在管路的几个电磁阀控制。当基于相变蓄热的热泵系统在制热工况下运行时，第三电磁阀38、第二电磁阀35将会断开停止工作。一体化太阳能蓄热器相当于热泵系统的蒸发器，将换热后的制冷剂输送到一步步输送到冷凝器冷凝放热后运送到用户末端实现制热的功能。当基于相变蓄热的热泵系统在制冷工况下运行时，第一电磁阀13和第四电磁阀39将会断开停止工作，此时风冷管翅式换热器充当系统运行中的冷凝器向空气中放热，套管换热器充当蒸发器，实现制冷的目的。