[发明专利]一种单蒸发器型太阳能空气源复合热泵及其运行方法

说明书

背景技术

全球建筑供热和生活热水能耗很大，发达国家较高的生活水平以及生活习惯造成了巨大的热水需求和能源消耗，而发展中国家则随着城镇化的发展和生活水平的提高会保持热水能耗的高速增长。我国常用的供热系统主要采用化石燃料燃烧的方式，不仅效率低，而且污染严重；而生活热水系统则主要采用燃气热水器和电热水器，存在能耗偏高和能源品位浪费的问题。供热和生活热水越来越成为节能减排、治理雾霾的重点关注领域之一。

近年来，太阳能热水器和空气源热泵热水器得到了较大的发展。但是太阳能存在能量密度较低和不稳定的缺点，当太阳辐射较弱时，传统太阳能热水器需要较大的安装面积以保证制热量，当夜晚无太阳辐射时，太阳能热水器或供热系统将无法制热，通常需要一套备份电加热系统以保证供热的可靠性。因此，传统太阳能热泵需要较大的初投资和较高的运行费用，制约了其进一步大面积推广应用。对于空气源热泵热水器或供热系统，由于其制热效率和制热量均会随外界气温的降低而不断衰减，也就降低了其低温下的制热可靠性。空气源热泵只能利用空气中蕴含的热能，无法有效利用太阳辐射能，而实际上冬季很多时候气温虽然很低，但太阳辐射强度仍足以制取所需要的热水。

鉴于太阳能热水器无法充分利用低辐射太阳能、空气源热泵无法利用太阳辐射能的问题，将太阳能和热泵技术相结合的技术方案得到了越来越多的青睐。其中直膨式系统将制冷剂直接通入太阳能集热器中，可以实现较高的蒸发温度，有利于减少压缩机电耗，是一种效率较高的系统形式。目前这类技术方案主要分为两类：(1)只采用一个直膨式太阳能集热器作为热泵蒸发器，即太阳能是热泵的唯一热源(如专利CN201110388936.2)。与传统太阳能热水器相比，此类方案在一定程度上更充分的利用了较弱的太阳辐射，但夜晚无太阳辐射时仍然无法制热，也无法利用空气热能，没有解决无太阳能时的制热问题；且太阳辐射较弱时，为了满足制热量的要求，需要采用面积较大的太阳能集热器，使其成本较高；(2)采用一个直膨式太阳能集热器和一个风冷蒸发器作为热泵蒸发器，太阳能辐强的时候太阳能直接制热，没有太阳或辐射较弱的条件下运行空气源热泵模式(如专利CN201120054202.6)。此类方案可以利用太阳能，也可以利用空气热能，但热泵系统需要采用两个蒸发器，其成本过高，系统复杂，且该类方案也不能实现空气热能的直接制热以及太阳能和空气热能的联合制热。

值得注意的是，当一些情况下需要的热水温度较低或外温很高时(例如：夏天外温30℃时，制取10～20℃的低温热水，用于空气热能的跨季节蓄存)，外界的空气热能也能够直接制热，而目前均是通过空气源热泵来实现的，导致制热的能耗偏高。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种单蒸发器型太阳能空气源复合热泵及其运行方法，将太阳能利用技术和空气热能利用技术有机结合，实现这两种可再生能源的优势互补，有效降低制热系统的初投资。根据太阳能辐射条件及室外气温，集热-蒸发器在太阳能集热模式、风冷换热模式、太阳能集热-风冷换热联合模式、自然对流风冷换热模式以及太阳能集热-自然对流风冷换热联合模式之间合理切换，系统流程在热泵模式和热管模式之间合理切换，最终实现高效供热和供生活热水。

本发明的技术方案如下：

一种单蒸发器型太阳能空气源复合热泵，包括集热-蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀；所述压缩机、冷凝器、节流阀和集热-蒸发器顺次连接构成热泵循环，其特征在于：所述压缩机出口、集热-蒸发器出口和冷凝器入口之间的管路上设置一个三通阀，在节流阀的两端并联一个阀门，集热-蒸发器、三通阀、冷凝器和阀门依次构成热管循环；所述集热-蒸发器包括集热板、制冷剂管道、玻璃盖板、保温材料和风机；所述制冷剂管道与集热板构成无玻璃盖板式太阳能集热器，制冷剂管道与集热板的上部设置玻璃盖板，底部设置保温材料，所述玻璃盖板、保温材料和前后两侧面围合成空气通道；在空气通道的入口和出口分别设置第一围合面和第二围合面，第一围合面和第二围合面采用开闭式结构，风机位于空气通道内。

本发明所述的一种单蒸发器型太阳能空气源复合热泵，其特征在于：所述冷凝器为水冷或风冷式换热器。

本发明所述的一种单蒸发器型太阳能空气源复合热泵，其特征在于：所述第一围合面和第二围合面为风阀、保温板、挡板或百叶帘。

本发明所述的一种单蒸发器型太阳能空气源复合热泵，其特征在于：所述风机位于第一围合面与第二围合面之间、第一围合面外侧或第二围合面外侧。

本发明所述的一种单蒸发器型太阳能空气源复合热泵，其特征在于：所述制冷剂管道位于集热板的上部、下部或中间。