專利名稱：直膨式太陽能熱泵熱水器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型太陽能熱水器，尤其涉及一種直接膨脹式太陽能熱泵熱水器，屬于能源類供熱技術領域。
背景技術：
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對居住環(huán)境和生活品質(zhì)都提出了更高的要求，全年提供生活熱水已經(jīng)成為進入小康生活的一個重要標志。目前市場上普遍采用的電熱水器是以消耗大量昂貴的電能為代價的，能源利用率很低，不符合我國的能源政策及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。太陽能熱水技術是目前可用性最大、實際應用最多的太陽能利用技術。但是，傳統(tǒng)的太陽能熱水器在陰雨天是不能生產(chǎn)熱水的，必須設置輔助電加熱器，而直接用電加熱器加熱熱水經(jīng)濟性差，耗電量大而且安全性差，此外還存在供熱能力均衡性差、裝置全年利用率低等缺點。太陽能熱泵熱水器克服了傳統(tǒng)太陽能熱水器的上述缺點，具有更高的集熱器性能和較高的熱泵供熱性能，節(jié)能效果顯著。
但是，常規(guī)太陽能熱泵熱水器是將太陽能集熱回路與熱泵回路進行串聯(lián)，通過循環(huán)泵或風機驅(qū)動集熱回路中的循環(huán)介質(zhì)(通常采用水或空氣)，使其在太陽能集熱器中能收集太陽輻射能，然后在蒸發(fā)器內(nèi)與制冷劑進行熱量交換。常規(guī)太陽能熱泵熱水器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般都比較復雜、成本及安裝費用也較高，因而難以獲得商業(yè)上的成功。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的上述不足，設計提供一種新型的直膨式太陽能熱泵熱水器，最大限度地簡化系統(tǒng)、降低成本、節(jié)約安裝及運行費用，以增強太陽能熱泵熱水器的市場競爭力，使其盡快走上產(chǎn)業(yè)化的道路。
本發(fā)明設計的直膨式太陽能熱泵熱水器的工作原理與典型的蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)相同，只是將太陽能集熱器同時用作熱泵蒸發(fā)器，使太陽能的集熱過程與液態(tài)制冷劑的蒸發(fā)過程在一個設備中同時發(fā)生，從而取消了集熱回路及其循環(huán)泵，并節(jié)省了一個換熱設備。這不僅簡化了系統(tǒng)，降低了成本，同時也增強了系統(tǒng)的熱力性能。
本發(fā)明的技術方案中，太陽能集熱器采用無蓋板、無底部保溫的平板集熱器，并在其表面噴涂選擇性涂層。理論及實驗研究的結(jié)果表明，在非寒冷地區(qū)，與具有單層或多層蓋板的集熱器相比，這種全裸式平板集熱器的集熱性能并無明顯變化，然而其造價卻大大降低，并且更易于安裝在建筑物的屋頂或外墻之上。在直膨式太陽能熱泵循環(huán)中，太陽能集熱器的工作溫度較低，因而可利用多種熱源在白天，如果板溫高于環(huán)境溫度，集熱器只能獲得直接太陽能增益；在陰天和夜間，如果板溫低于環(huán)境溫度，集熱器就可以從大氣中獲得顯熱增益；如果板溫低于露點溫度，大氣中的水蒸氣在集熱器表面產(chǎn)生冷凝，集熱器則可以獲得一部分潛熱增益。由此可見，這種集熱器可使系統(tǒng)供熱能力均衡性得到極大的改善，增強系統(tǒng)的適用性。
在本發(fā)明設計的技術方案中，冷凝器布置在貯熱水箱之中，作為水箱的一個組成部分。這種結(jié)構(gòu)取消了獨立的熱泵冷凝器和供熱回路，并節(jié)省了一個循環(huán)泵，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊、成本進一步降低。
本發(fā)明設計的直膨式太陽能熱泵熱水器為分體式結(jié)構(gòu)，即太陽能集熱器/蒸發(fā)器作為一個單獨部件(室外裝置)，可根據(jù)實際情況掛裝在建筑物的南向外墻之上或傾斜布置在南向屋頂之上；壓縮機、冷凝水箱及其余系統(tǒng)部件則作為一個整體部件(室內(nèi)裝置)放置在室內(nèi)；室內(nèi)裝置與室外裝置之間采用制冷劑管路連接。這種結(jié)構(gòu)大大簡化了系統(tǒng)的安裝過程，降低了安裝費用，更易于在城鄉(xiāng)住宅中加以推廣和應用，尤其適合于高層建筑住宅。
本發(fā)明所用的壓縮機為冰箱壓縮機，其電機功率小，使用220V的家用電源，因而不需要大電流的電氣連接。
本發(fā)明采用了特征溫度控制系統(tǒng)。所謂特征溫度，是指一個綜合考慮了太陽輻射強度和大氣溫度的等效溫度，用以表征太陽能集熱器/蒸發(fā)器工作條件。根據(jù)不同的天氣情況可選擇不同的特征溫度來控制壓縮機的啟動，使該熱水器能夠經(jīng)常處于最佳狀態(tài)下運行。太陽能集熱/蒸發(fā)器上安裝了太陽輻射儀和溫度傳感器，將采集的表征太陽輻射強度及大氣溫度的熱電勢信號傳遞給控制器，由它將其轉(zhuǎn)換為特征溫度，并與設定值相比較，當二者相等時，控制器自動接通壓縮機電源。另外，在貯熱水箱中設置一個溫度傳感器，當水溫達到設定值(55℃)時，通過控制器自動關閉壓縮機。
本發(fā)明將太陽能熱水技術與熱泵技術有機地結(jié)合起來，可以同時改善太陽能集熱器的集熱性能和熱泵的供熱性能，是一種新型的綠色環(huán)保型熱水器。同傳統(tǒng)的全天候太陽能熱水器(電輔助)相比，本發(fā)明具有節(jié)能效果顯著、可全天候供熱、全年適用性好等優(yōu)點；同常規(guī)太陽能熱泵熱水器相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、價格便宜、安裝及操作方便等優(yōu)點。本發(fā)明設計的直膨式太陽能熱泵熱水器除壓縮機外沒有其它耗能和運動部件，因此整個裝置能耗少、噪音小、運行安全、維護方便，而且不存在冬季防凍和管路腐蝕問題，特別適用于多陰雨天氣的地域。熱水器的太陽能集熱/蒸發(fā)器可采用緊貼外墻面的壁掛方式，因而可以有效地與建筑結(jié)合，適合于各種建筑的用戶。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細描述。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖所示，整個熱水器裝置主要包括太陽能集熱/蒸發(fā)器1、熱泵壓縮機2、冷凝器3、貯熱水箱4、貯液器5、干燥過濾器6、熱力膨脹閥7、控制器8等。太陽能集熱/蒸發(fā)器1的出口與熱泵壓縮機2的吸氣口相連，壓縮機2的排氣口與冷凝器3的進氣口連接，冷凝器3的出液口與貯液器5相連，然后分別先后連接于干燥過濾器6、熱力膨脹閥7，最后使膨脹閥7的出口與集熱/蒸發(fā)器1的進液口相連，從而形成制冷劑的閉合循環(huán)通道。冷凝器3布置在貯熱水箱4之中，熱力膨脹閥7的溫包設置在太陽能集熱/蒸發(fā)器1的出口管路上，集熱/蒸發(fā)器1上的太陽輻射儀、溫度傳感器以及貯熱水箱4中的溫度傳感器分別與控制器8的輸入接口連接，控制器8的控制接口與壓縮機電源開關連接。
太陽能集熱/蒸發(fā)器1為無蓋板、無底部保溫、表面噴涂光譜選擇性材料的平板型集熱器，同時兼作液體制冷劑的蒸發(fā)器。采用銅管/鋁板焊接方式或全鋁板熱壓吹脹方式制作太陽能集熱/蒸發(fā)器，管子外徑可取10～16mm，內(nèi)徑取8～13mm，板厚取0.5～1mm，管間距取50～150mm。
本發(fā)明采用分體式結(jié)構(gòu)，即太陽能集熱/蒸發(fā)器可單獨布置在室外，而壓縮機、冷凝器、貯熱水箱及其余部件做成一體，設置在室內(nèi)。
熱水器的循環(huán)工作過程如下經(jīng)熱力膨脹閥7節(jié)流降壓后的液體制冷劑流入太陽能集熱/蒸發(fā)器1中，獲取太陽能及空氣中熱量后得以蒸發(fā)，流出的制冷劑蒸汽被壓縮機2吸入并被壓縮成高溫高壓的制冷劑蒸汽，然后流入布置在貯熱水箱4之中的冷凝器3，并將貯熱水箱4中的水加熱，冷凝后的液體制冷劑經(jīng)過貯液器5、干燥過濾器6，并被熱力膨脹閥7節(jié)流降壓以后又流回太陽能集熱/蒸發(fā)器1中重新吸熱、蒸發(fā)，由此完成一次循環(huán)。
貯液器5安裝在冷凝器4之后，是液體制冷劑的貯存罐，可使制冷劑的充灌量沒有嚴格的限制。干燥過濾器6安裝在熱力膨脹閥7之前，能夠防止水分、灰塵、金屬碎屑進入膨脹閥造成堵塞。熱力膨脹閥7可實現(xiàn)制冷劑液體的節(jié)流降壓和循環(huán)流量的調(diào)節(jié)，并保證壓縮機吸入的制冷劑蒸汽具有一定的過熱度，避免“液擊”現(xiàn)象的發(fā)生。
太陽能集熱/蒸發(fā)器1上安裝了太陽輻射儀和溫度傳感器，將采集的表征太陽輻射強度及大氣溫度的熱電勢信號傳遞給控制器8，由它將其轉(zhuǎn)換為特征溫度，并與設定值相比較，當二者相等時，控制器自動接通壓縮機電源。另外，在貯熱水箱中設置一個溫度傳感器，當水溫達到設定值(55℃)時，通過控制器8自動關閉壓縮機?？刂破?可根據(jù)不同工作條件，實現(xiàn)對壓縮機的自動啟/?？刂疲乖摕崴髂軌蚪?jīng)常在最佳狀態(tài)下運行。太陽輻射儀和兩個溫度傳感器分別為控制器8的傳感器件，壓縮機電源開關則為控制器8的執(zhí)行器件。
權(quán)利要求
1.一種直膨式太陽能熱泵熱水器，其特征在于主要包括太陽能集熱/蒸發(fā)器(1)、壓縮機(2)、冷凝器(3)、貯熱水箱(4)、貯液器(5)、干燥過濾器(6)、熱力膨脹閥(7)和控制器(8)等，太陽能集熱/蒸發(fā)器(1)的出口與壓縮機(2)的吸氣口相連，壓縮機(2)的排氣口與冷凝器(3)的進氣口連接，冷凝器(3)的出液口與貯液器(5)相連，然后分別先后連接于干燥過濾器(6)、熱力膨脹閥(7)，最后使膨脹閥(7)的出口與集熱/蒸發(fā)器(1)的進液口相連，從而形成制冷劑的閉合循環(huán)通道，冷凝器(3)布置在貯熱水箱(4)之中，熱力膨脹閥(7)的溫包設置在太陽能集熱/蒸發(fā)器(1)的出口管路上，集熱/蒸發(fā)器(1)上的太陽輻射儀、溫度傳感器以及貯熱水箱(4)中的溫度傳感器分別與控制器(8)的輸入接口連接，控制器(8)的控制接口與壓縮機電源開關連接。
2.如權(quán)利要求1所說的直膨式太陽能熱泵熱水器，其特征在于太陽能集熱/蒸發(fā)器(1)為無蓋板、無底部保溫、表面噴涂光譜選擇性材料的平板型集熱器，同時兼作液體制冷劑的蒸發(fā)器。
3.如權(quán)利要求1所說的直膨式太陽能熱泵熱水器，其特征在于采用分體式結(jié)構(gòu)，即太陽能集熱/蒸發(fā)器(1)單獨布置在室外，而壓縮機(2)、冷凝器(3)、貯熱水箱(4)及其余部件做成一體，設置在室內(nèi)。
全文摘要
一種直膨式太陽能熱泵熱水器,太陽能集熱器采用無蓋板、無底部保溫的平板型集熱器,兼作液體制冷劑的蒸發(fā)器,其出口與壓縮機的吸氣口相連,壓縮機的排氣口與冷凝器的進氣口連接,冷凝器的出液口與貯液器相連,然后分別經(jīng)干燥過濾器、熱力膨脹閥與集熱/蒸發(fā)器的進液口相連,形成制冷劑的閉合循環(huán)通道,冷凝器布置在貯熱水箱之中,太陽輻射儀及兩個溫度傳感器連接控制器。本發(fā)明節(jié)能效果顯著,采用特征溫度控制壓縮機的啟動,能使熱水器處于最佳運行狀態(tài),取消了獨立的熱泵冷凝器和供熱回路,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊、成本降低,采用的分體式結(jié)構(gòu)方便安裝,易于推廣。
文檔編號F24H4/00GK1337556SQ0112663
公開日2002年2月27日 申請日期2001年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月6日
發(fā)明者王如竹, 曠玉輝, 吳靜怡, 許煜雄 申請人:上海交通大學