專利名稱：一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種供熱水系統(tǒng)及其方法，具體說是一種通過太陽能集熱管集熱，相變材料儲存熱量，振蕩熱管高效傳熱相結合的熱泵供熱系統(tǒng)和方法，屬于太陽能利用領域。
背景技術：
隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)增長和人民生活水平的不斷提高，采暖和生活對熱水供應的需求越來越強烈，這方面的能源消耗占建筑總能耗的比重也逐年增加。我國目前城鎮(zhèn)民用建筑運行耗電占總發(fā)電量的22 % 24 %，城市民用建筑能耗僅洗澡熱水用能就占近20 %，而各類商業(yè)建筑能耗中熱水能耗占10% 40%。利用可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展道路是降低建筑能耗的有效途徑之一。太陽能是可再生清潔能源，我國太陽能資源資源豐富，有2/3的地區(qū)年輻射總量大于5020MJ/m2、年日照小時在2200h以上。在民用供熱、采暖等領域充分利用太陽能資源，將節(jié)約常規(guī)能源，減少環(huán)境污染，為我國節(jié)能減排做出重要貢獻。目前，太陽熱水器已得到快速發(fā)展，但因太陽能本身的不穩(wěn)定性和間歇性，使其不宜作為供熱水系統(tǒng)的主要熱源，需要與輔助加熱設備一起使用。
將太陽能利用技術和熱泵技術結合起來，以太陽能作為熱泵的低溫熱源，系統(tǒng)整體性能提高，但是在夜間及連續(xù)陰雨天無法正常工作。將太陽能熱泵系統(tǒng)與蓄能技術結合起來，利用蓄能材料儲存太陽能起到移峰填谷的作用，很好地解決系統(tǒng)不能連續(xù)運行的問題。潛熱蓄能具有蓄能密度大、溫度變化小等優(yōu)點，引起國內外學者的普遍關注，并已得到廣泛的應用。目前的蓄能型太陽能熱泵系統(tǒng)多為集熱器、蓄熱器、蒸發(fā)器分開布置，系統(tǒng)相對復雜，制造成本增大，且利用載熱介質從蓄熱器中取出熱量作為熱泵低位熱源，二次傳熱熱損失大。而一體化蓄能型太陽能熱泵系統(tǒng)雖然將太陽能集熱器、熱泵蒸發(fā)器和相變材料蓄能容器集于一體，系統(tǒng)簡化，但是蒸發(fā)器管路長，制冷劑充灌量大，且蒸發(fā)管路壓降大使得壓縮機容積效率減少，影響系統(tǒng)性能。
中國專利CN200810020470.9 “復合源集熱/蓄能/蒸發(fā)一體化熱泵熱水系統(tǒng)”和CN200710190062.3 “集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵系統(tǒng)”中，熱泵蒸發(fā)器均以U形管的形式布置于太陽能真空集熱管中，每根蒸發(fā)管與真空集熱管中間以相變材料填充起到蓄能容器的作用，減少了中間換熱環(huán)節(jié)，節(jié)約了制造成本。但是這些系統(tǒng)制冷劑充灌量大，蒸發(fā)管路長導致管路壓降大，使得壓縮機容積效率減少，影響系統(tǒng)性能。而振蕩熱管具有結構簡單、極小溫差傳熱、熱響應快、形狀可任意彎曲等優(yōu)點。有鑒于此，本發(fā)明提出利用振蕩熱管做媒介將集熱器中相變材料儲存的熱量傳遞給熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器，縮短熱泵系統(tǒng)的管路，有效提高系統(tǒng)整體性能。`發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種節(jié)能、高效、易行的熱泵供熱系統(tǒng)及其方法，目的在于合理有效地利用蓄能介質實現(xiàn)對太陽能的收集及移峰填谷，并利用振蕩熱管進行高效傳熱，從而提高熱泵系統(tǒng)的制熱效，優(yōu)化蓄能型太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的整體性能。
為解決上述技術問題，本發(fā)明系統(tǒng)提供的技術方案為: 一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱系統(tǒng)，包括蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器、冷凝/蒸發(fā)換熱器、壓縮機、水冷冷凝器、節(jié)流閥、水箱和水泵；所述蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器包括太陽能真空集熱管、振蕩熱管和相變材料，振蕩熱管的蒸發(fā)段以U形管形式布置在太陽能真空集熱管內；所述冷凝/蒸發(fā)換熱器為套管式換熱器，由換熱器外殼、熱泵蒸發(fā)器管路和振蕩熱管的冷凝段構成，換熱器外殼套在振蕩熱管的冷凝段外部，換熱器管外殼內流動的是熱泵蒸發(fā)器的制冷劑，所述換熱器外殼與熱泵蒸發(fā)器管路連通；多個熱泵蒸發(fā)器管路串聯(lián)后，再和壓縮機、水冷冷凝器的制冷劑管、水冷冷凝器、節(jié)流閥串聯(lián)連接成一個閉合的制冷劑循環(huán)回路；所述水冷冷凝器、水冷冷凝器水管、水泵和水箱串聯(lián)連接成一個閉合的水循環(huán)回路。
所述振蕩熱管蒸發(fā)段和真空集熱管之間填充相變材料，可為石蠟、月桂酸、癸酸、十水硫酸鈉、正十七烷、正十八烷或以上材料任意組合，也可為裝有上述相變材料的膠囊并以水填充在膠囊的空隙間。
所述振蕩熱管蒸發(fā)段的管外設置有翅片，翅片選銅、鐵、鋁或合金為材料，以螺旋形盤繞在振蕩熱管的蒸發(fā)段外面，翅片的形狀可為H形、三角形、梯形或矩形。
系統(tǒng)工作過程如下:真空集熱管內的振蕩熱管蒸發(fā)段吸收相變材料傳遞的太陽能或者吸收相變材料釋放的之前儲存的太陽能，通過振蕩熱管內充注材料將熱量高效傳遞給振蕩熱管冷凝段，振蕩熱管冷凝段和熱泵蒸發(fā)器在冷凝/蒸發(fā)換熱器中進行熱交換，熱泵蒸發(fā)器中制冷劑得到熱量汽化成制冷劑蒸氣，經(jīng)壓縮機加壓后進入冷凝器，在其中放出熱量冷卻凝結，釋放的熱量用以加熱冷凝器另一側的冷卻介質水，冷卻凝結后的制冷劑液體通過節(jié)流閥節(jié)流后，進入熱泵蒸發(fā)器中，繼續(xù)吸收振蕩熱管傳遞的熱量，如此完成一個循環(huán)。水冷冷凝器中的冷卻介質水吸熱后溫度升高可提供生活用熱水或者提供給散熱器用以冬季供暖。
本發(fā)明基于振蕩熱管作為熱傳遞媒介，將瞬時太陽能或者集熱器中相變材料儲存的太陽能傳遞給熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器，并利用熱泵循環(huán)加熱熱水，用以提供生活熱水或者提供給散熱器用以冬季供暖，具有以下優(yōu)點: 1、此方法綜合利用太陽能集熱管集熱，相變材料儲存熱量，振蕩熱管高效傳熱作為熱泵低溫熱源，提高系統(tǒng)熱力性能，節(jié)約常規(guī)能源，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)了能源利用的可持續(xù)性發(fā)展。
2、本方法為太陽能作為熱泵低溫熱源提供了一種可行的方法與方案，只需要將技術已經(jīng)很成熟的熱泵系統(tǒng)、振蕩熱管和蓄能型太陽能真空管加以耦合和改造即可實現(xiàn)。
3、可選用平板式集熱器,和建筑外墻結合,實現(xiàn)建筑一體化。
4、可實現(xiàn)全年節(jié)能、環(huán)保、高效地向家庭、大型賓館、休閑場所、商務辦公樓等提供熱水，或冬季向這些場所提供采暖熱水。
5、系統(tǒng)緊湊，動力消耗小，構造簡單，為太陽能作為熱泵供熱系統(tǒng)低溫熱源的利用提出了新的解決方法和途徑，同時也為太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化提供了一種實施模式與思路。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖；其中有:蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器1，冷凝/蒸發(fā)器換熱器2，壓縮機3，水冷冷凝器4，節(jié)流閥5，儲水箱6，水泵7，水管8，制冷劑管9。
圖2是畜能型振蕩熱管太陽能集熱器結構不意圖；其中有:振蕩熱管12,翅片14,相變材料13，太陽能真空集熱管15。
圖3是冷凝/蒸發(fā)換熱器結構示意圖；其中有:熱泵蒸發(fā)器管路10，振蕩熱管12，換熱器外殼11。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明的一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱水系統(tǒng)，由蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器1、冷凝/蒸發(fā)換熱器2、壓縮機3、水冷冷凝器4、節(jié)流閥5、儲水箱6、水泵7組成。該系統(tǒng)多個冷凝/蒸發(fā)換熱器2的熱泵蒸發(fā)器管路10串聯(lián)后，再和壓縮機3、水冷冷凝器的制冷劑管9、水冷冷凝器4、節(jié)流閥5串聯(lián)連接成一個閉合的制冷劑回路；水冷冷凝器4、水冷冷凝器水管8、水泵7、水箱6串聯(lián)連接成一個閉合的水回路。
如圖2、3所示，振蕩熱管12的蒸發(fā)段以U形管形式布置在太陽能真空集熱管15內，振蕩熱管12的冷凝段和熱泵蒸發(fā)器管路10構成冷凝/蒸發(fā)換熱器2。
如圖2所示，蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器由太陽能真空集熱管15、振蕩熱管12和相變材料13構成。振蕩熱管12的蒸發(fā)段以U形布置于太陽能真空集熱管15中，振蕩熱管12蒸發(fā)段與真空集熱管15之間以相變材料13填充，相變材料13可為石蠟、月桂酸、癸酸、十水硫酸鈉、正十七烷、正十八烷，也可為裝有上述相變材料的膠囊并以水填充在膠囊的空隙間。振蕩熱管12蒸發(fā)段的管外有翅片14加強換熱，翅片14選銅、鐵、鋁或合金為材料，以螺旋形盤繞在振蕩熱管12蒸發(fā)段外，翅片14的形狀可為H形、三角形、梯形或矩形。
如圖3所示，冷凝/蒸·發(fā)換熱器2為套管式換熱器，由換熱器外殼11、熱泵蒸發(fā)器和振蕩熱管12的冷凝段構成，換熱器外殼套在振蕩熱管的冷凝段外部，換熱器管外殼內流動的是熱泵蒸發(fā)器的制冷劑，振蕩熱管的充注材料和熱泵蒸發(fā)器管路的制冷劑之間通過間壁換熱，換熱器外殼與熱泵蒸發(fā)器的管路連通。
當太陽能充足時，太陽能真空集熱管15吸收太陽能并將熱量一部分通過相變材料13傳遞給振蕩熱管12，另一部分通過相變材料13的相變儲存起來。當太陽能不夠時，真空管內相變材料13通過相變將之前儲存的太陽能釋放出來，傳遞給振蕩熱管12，實現(xiàn)對太陽能的移峰填谷作用。
位于太陽能真空集熱管15內的振蕩熱管12蒸發(fā)段吸收相變材料13傳遞的太陽能或者吸收相變材料13釋放的之前儲存的太陽能，通過振蕩熱管12內充注材料將熱量高效傳遞給振蕩熱管12冷凝段，振蕩熱管12冷凝段和熱泵蒸發(fā)器管路10在冷凝/蒸發(fā)換熱器2中進行熱交換，熱泵蒸發(fā)器管路10中制冷劑得到熱量汽化成制冷劑蒸氣。
多個冷凝/蒸發(fā)換熱器2采用串聯(lián)的形式連接。熱泵系統(tǒng)的制冷劑在多個冷凝/蒸發(fā)換熱器2的熱泵蒸發(fā)器管路10中依次吸收振蕩熱管12傳遞的熱量汽化成蒸氣后，經(jīng)壓縮機3加壓后進入水冷冷凝器制冷劑管9，在其中放出熱量冷卻凝結，釋放的熱量用以加熱水冷冷凝器水管8側的冷卻介質水，冷卻凝結后的制冷劑液體再通過節(jié)流閥5節(jié)流后，進入熱泵蒸發(fā)器管路10中，繼續(xù)吸收振蕩熱管12傳遞的熱量，如此完成一個循環(huán)。
水冷冷凝器水管8中的冷卻介質水吸收冷凝器制冷劑管9側放出的熱量后溫度升高，儲存在儲水箱6中 ，用來提供生活熱水或者提供給散熱器用以冬季供暖。
權利要求
1.一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱系統(tǒng)，包括蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器(I)、冷凝/蒸發(fā)換熱器(2)、壓縮機(3)、水冷冷凝器(4)、節(jié)流閥(5)、儲水箱(6)和水泵(7);其特征在于，所述蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器⑴包括太陽能真空集熱管(15)、振蕩熱管(12)和相變材料(13)，振蕩熱管(12)的蒸發(fā)段以U形管形式布置在太陽能真空集熱管(15)內；所述冷凝/蒸發(fā)換熱器(2)為套管式換熱器，由換熱器外殼(11)、熱泵蒸發(fā)器管路(10)和振蕩熱管(12)的冷凝段構成，換熱器外殼(11)套在振蕩熱管(12)的冷凝段外部，換熱器管外殼(11)內流動的是熱泵蒸發(fā)器的制冷劑，換熱器外殼(11)與熱泵蒸發(fā)器管路(10)連通；多個熱泵蒸發(fā)器管路(10)串聯(lián)后，再和壓縮機(3)、水冷冷凝器的制冷劑管(9)、水冷冷凝器(4)、節(jié)流閥(5)串聯(lián)連接成一個閉合的制冷劑循環(huán)回路；所述水冷冷凝器(4)、水冷冷凝器水管(8)、水泵(7)和儲水箱(6)串聯(lián)連接成一個閉合的水循環(huán)回路。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱系統(tǒng)，其特征在于，所述振蕩熱管(12)的蒸發(fā)段與太陽能真空集熱管(15)之間采用相變材料填充，或者采用裝有相變材料的膠囊并以水填充在膠囊的空隙間的方式。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱系統(tǒng)，其特征在于，所述相變材料為石蠟、月桂酸、癸酸、十水硫酸鈉、正十七烷或者正十八烷。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱系統(tǒng)，其特征在于，所述振蕩熱管(12)的蒸發(fā)段的管外設置有翅片(14)，所述翅片(14)為銅、鐵、鋁或合金材料，并以螺旋形盤繞在振蕩熱管(12)的蒸發(fā)段外，翅片(14)的形狀為H形、三角形、梯形或矩形。
5.利用如權利要求1所述的一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱系統(tǒng)的供熱方法，具體如下:振蕩熱管的蒸發(fā)段吸收相變材料傳遞的太陽能，或者吸收相變材料釋放的已儲存的太陽能，通過振蕩熱管內的充注材料將熱量高效傳遞給振蕩熱管的冷凝段，振蕩熱管的冷凝段和熱泵蒸發(fā)器管路在冷凝/蒸發(fā)換熱器中進行熱交換，熱泵蒸發(fā)器管路中的制冷劑得到熱量汽化成制冷劑蒸氣，經(jīng)壓縮機加壓后進入水冷冷凝器，在其中放出熱量冷卻凝結，釋放的熱量用以加熱水冷冷凝器另一側的冷卻介質水，冷卻凝結后的制冷劑液體通過節(jié)流閥節(jié)流后，進入熱泵蒸發(fā)器管路中，繼續(xù)吸收振蕩熱管傳遞的熱量，如此完成一個循環(huán)；水冷冷凝器中的冷卻介質水吸熱 后溫度升高可提供生活用熱水或者提供給散熱器用以冬季供暖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種蓄能型太陽能振蕩熱管熱泵供熱系統(tǒng)及其方法，是基于振蕩熱管作為熱傳遞媒介，將瞬時太陽能或者集熱器中相變材料儲存的太陽能傳遞給熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器，并利用熱泵循環(huán)加熱熱水，用以提供生活熱水或者提供給散熱器用以冬季供暖的新型太陽能熱泵供熱水。其中，蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器包括太陽能真空集熱管、振蕩熱管和相變材料，振蕩熱管的蒸發(fā)段以U形管形式布置在太陽能真空集熱管內；冷凝/蒸發(fā)換熱器為套管式換熱器，由換熱器外殼、熱泵蒸發(fā)器管路和振蕩熱管的冷凝段構成。本發(fā)明合理有效地利用蓄能介質實現(xiàn)對太陽能的集熱及移峰填谷，并提高了熱泵系統(tǒng)的制熱效，能優(yōu)化蓄能型太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的整體性能。
文檔編號F24J2/34GK103245085SQ201310176619
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月13日 優(yōu)先權日2013年5月13日
發(fā)明者吳薇, 武文彬, 牛寶聯(lián), 張?zhí)饻? 王玲瓏, 蘇鵬飛, 張凡, 王紅 申請人:南京師范大學