太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统及其除霜方法与流程

本发明涉及一种太阳能储热系统及其使用方法，特别是涉及一种太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统及其除霜方法。

背景技术：

空气源热泵是近年来全世界倍受关注的节能技术，欧盟、日本等国家早已将其列入可再生能源技术，美国能源部将空气源热泵应用列为21世纪最具节能潜力的15项空调技术措施之一，我国住房和城乡建设部于2015年正式将其纳入可再生能源利用技术范畴，空气源热泵已成为我国重要的建筑能源形式，并广泛用于我国寒冷和夏热冬冷地区，目前空气源热泵已在京津冀地区“煤改电”中广泛应用，可见空气源热泵作为高效的可再生能源利用技术，在我国具有广阔的应用空间和价值，空气源热泵以环境空气为低温热源，我国gb12021.3-2010等相关标准规定其在名义工况(室外环境空气的干球温度7℃，湿球温度6℃)下运行时，每消耗1度电，应从环境空气中吸取1.9-2.6倍的低位热量，并为用户提供2.9-3.6倍的高位热量，目前在名义工况下，空气源热泵的性能令人满意，但在冬季夜晚实际运行过程中，由于室外环境温度经常低于0℃，导致室外换热器表面会出现结霜现象，尤其是在冬季气候潮湿地区，空气中湿度大，结霜容易，空气源热泵面临频繁结霜的问题，不仅造成换热效果不好，而且除霜导致耗能增加，严重制约了空气源热泵在我国的应用与发展，目前空气源热泵除霜最成熟的技术就是反向除霜，即通过四通换向阀转换制热流程，将室内换热器作为蒸发器，室外换热器作为冷凝器，工质在室内蒸发吸收室内空气的高温热能，经过压缩机升压升温以后，在室外的换热器中冷凝放热来融化换热器表面的结霜，这种方法需要消耗大量的室内热量进行室外换热器的除霜，而且频繁的除霜会造成室内供热不足，导致建筑能耗大幅增加，也就导致空气源热泵节能减排效果降低，优势降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统及其除霜方法，其可以利用清洁、可再生的太阳能全天候快速高效除霜，降低系统能耗，满足极端天气下的除霜需求，保证供暖舒适性，更好的服务于北方“煤改电”。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统，其包括太阳能高温相变大容量储热循环系统、高温相变大容量放热除霜循环系统、空气源热泵供热循环系统，太阳能高温相变大容量储热循环系统包括储热泵、储热管道、太阳能集热器，高温相变大容量放热除霜循环系统包括高温相变大容量储热器、除霜管道、除霜泵、室外蒸发器，室外蒸发器包含蒸发除霜管排，蒸发除霜管排包括内蒸发管排、除霜管排、外蒸发管排，空气源热泵供热循环系统包括室内冷凝器、补气增焓压缩机、室外蒸发器、主回路管道、主回路节流阀、经济器、旁路管道、旁路节流阀，太阳能高温相变大容量储热循环系统与高温相变大容量放热除霜循环系统之间通过高温相变大容量储热器连接，高温相变大容量放热除霜循环系统与空气源热泵供热循环系统之间通过室外蒸发器连接，储热泵、太阳能集热器和高温相变大容量储热器通过储热管道依次连接，高温相变大容量储热器、除霜泵和室外蒸发器通过除霜管道依次连接，除霜管道通过室外蒸发器中的蒸发除霜管排中的除霜管排与室外蒸发器相连，室内冷凝器、经济器、主回路节流阀、室外蒸发器和补气增焓压缩机通过主回路管道依次连接，主回路管道通过室外蒸发器中的蒸发除霜管排中的内蒸发管排和外蒸发管排与室外蒸发器相连，室内冷凝器、旁路节流阀、经济器和补气增焓压缩机通过旁路管道依次连接，室外蒸发器中包含蒸发除霜管排，除霜管排被安置在内蒸发管排和外蒸发管排之间交替排列。

优选地，所述高温相变大容量储热器有效储存太阳能集热器所聚集的清洁可再生能源。

优选地，所述高温相变大容量储热器进行太阳能的大量存储与释放。

优选的，所述空气源热泵供热循环系统使用的是补气增焓热泵系统。

优选地，所述室外蒸发器中的内蒸发管排和外蒸发管排中间安装有除霜管排，管道成等边三角形排列。

本发明还提供一种太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统的除霜方法，其包括以下步骤：

步骤一：有太阳时，太阳能高温相变大容量储热循环系统工作，储热泵通过储热管道将来自高温相变大容量储热器的低温传热工质持续的输送到太阳能集热器；

步骤二：太阳能集热器吸收来自太阳的热能，并将吸收的太阳能传递到低温传热工质上，低温传热工质在太阳能集热器处大量地吸收太阳能后变成高温传热工质，并在储热泵的输送下通过储热管道返回高温相变大容量储热器中；

步骤三：高温相变大容量储热器中的相变储热介质发生相变将来自高温传热工质的大量热量存储起来，高温传热工质降温变成低温传热工质再由储热泵通过储热管道输送到太阳能集热器中形成一个太阳能高温相变大容量储热循环；

步骤四：空气源热泵供热循环系统进行供热时，补气增焓压缩机排出的高温高压制冷剂气体通过主回路管道流入室内冷凝器中；

步骤五：高温高压制冷剂气体在室内冷凝器中冷凝放热，将热量释放到室内用于供热，冷凝后在室内冷凝器中形成低温高压制冷剂液体，室内冷凝器中的低温高压制冷剂液体一部分通过主回路管道流入经济器，另一部分通过旁路管道先流经旁路节流阀降压后变成制冷剂气液混合物后也流入经济器；

步骤六：通过主回路管道流入经济器的低温高压制冷剂液体与通过旁路管道流入经济器的制冷剂气液混合物进行热交换，旁路管道中的制冷剂气液混合物在经济器中吸热变为制冷剂气体，通过旁路管道流入补气增焓压缩机的中压腔内，主回路管道中的低温高压制冷剂液体在经济器中放热变为过冷的制冷剂液体；

步骤七：过冷的制冷剂液体流经主回路节流阀降压后通过主回路管道进入室外蒸发器的蒸发除霜管排的内蒸发管排和外蒸发管排中，制冷剂液体在内蒸发管排和外蒸发管排中吸收低温环境中的热量蒸发变为低压气体，低压气体通过主回路管道被补气增焓压缩机吸入压缩，在被压缩进入中压腔时和通过旁路管道流入补气增焓压缩机中压腔内的制冷剂气体混合，进一步被压缩以后变成高温高压制冷剂气体被补气增焓压缩机通过主回路管道排入室内冷凝器中，形成一个空气源热泵系统供热循环；

步骤八：在极端天气条件下，空气源热泵系统供热时，会在室外蒸发器的蒸发除霜管排表面结霜，这时空气源热泵系统停止供热，高温相变大容量放热除霜循环系统工作；

步骤九：高温相变大容量放热除霜循环系统开始进行除霜工作，高温相变大容量储热器中的相变储热介质发生相变将存储的热量释放出来，由除霜泵通过除霜管道将高温除霜工质输送到蒸发器中的除霜排管，放热温度可以达到80℃以上；

步骤十：高温除霜工质通过除霜管道进入室外蒸发器的蒸发除霜管排的除霜管排中，在除霜管排中释放热量融化蒸发除霜管排表面的霜层同时降低温度，低温除霜工质再由除霜泵通过除霜管道送到高温相变大容量储热器中形成一个高温相变大容量放热除霜循环。

优选地，所述步骤八极端天气条件下空气源热泵的正常运转采用多种能源技术相互耦合和优势互补。

优选地，所述步骤三高温相变大容量储热器存储的太阳进行室外蒸发器的除霜，有专门的高温相变大容量放热除霜循环系统以及除霜管排、管路专用。

本发明的积极进步效果在于：

一、本发明通过使用太阳能集热器和高温相变大容量储热器进行太阳能的相变储热，将高温相变大容量储热器存储的太阳的热能用来进行室外蒸发器的除霜，有效地利用了清洁、可再生的太阳能，降低了对电能的消耗，实现了节能减排的效果。

二、本发明通过使用太阳能集热器和高温相变大容量储热器进行太阳能的大量存储与释放，储热密度高，储热量大，可以实现全天候除霜，即使连续的下雪和阴雨天也能满足除霜需求。

三、本发明通过使用高温相变大容量储热器进行太阳能的相变放热，放热温度可达80℃以上(比普通的储热水箱温度高30-40度)，除霜速度更快，除霜效果更好。

四、本发明通过使用高温相变大容量储热器存储的太阳能来进行室外蒸发器的除霜，避免了使用反向除霜从室内吸收热量，降低了室内温度的变化，有效地维持室内供暖温度的平稳，保证了空气源热泵系统供暖的舒适性。

五、本发明通过使用高温相变大容量储热器存储的太阳能来进行室外蒸发器的除霜，避免了反向除霜热泵机组流程的转换，保证了系统的持续稳定运行，降低了系统的运行能耗。

六、本发明通过在室外蒸发器中排蒸发管排和除霜管排交替排列，管道成等边三角形排布，来进行室外蒸发器的除霜，可以实现更好的除霜效果。

七、本发明通过使用高温相变大容量储热器存储的太阳能来进行室外蒸发器的除霜，有专门的高温相变大容量放热除霜循环系统以及除霜管排、管路专用，避免了反向除霜中四通换向阀的使用可能带来的问题。

八、本发明通过耦合多种能源技术，实现极端天气条件下空气源热泵的正常运转，更好的服务于北方“煤改电”。

附图说明

图1为本发明太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统的结构示意图。

图2为本发明太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统的蒸发除霜排管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图2所示，本发明太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统包括太阳能高温相变大容量储热循环系统、高温相变大容量放热除霜循环系统、空气源热泵供热循环系统，太阳能高温相变大容量储热循环系统包括储热泵3、储热管道4、太阳能集热器5，高温相变大容量放热除霜循环系统包括高温相变大容量储热器6、除霜管道7、除霜泵8、室外蒸发器9，室外蒸发器9包含蒸发除霜管排10，蒸发除霜管排10包括内蒸发管排16、除霜管排17、外蒸发管排18，空气源热泵供热循环系统包括室内冷凝器1、补气增焓压缩机2、室外蒸发器9、主回路管道11、主回路节流阀12、经济器13、旁路管道14、旁路节流阀15，太阳能高温相变大容量储热循环系统与高温相变大容量放热除霜循环系统之间通过高温相变大容量储热器6连接，高温相变大容量放热除霜循环系统与空气源热泵供热循环系统之间通过室外蒸发器9连接，储热泵3、太阳能集热器5和高温相变大容量储热器6通过储热管道4依次连接，高温相变大容量储热器6、除霜泵8和室外蒸发器9通过除霜管道7依次连接，除霜管道7通过室外蒸发器9中的蒸发除霜管排10中的除霜管排17与室外蒸发器9相连，室内冷凝器1、经济器13、主回路节流阀12、室外蒸发器9和补气增焓压缩机2通过主回路管道11依次连接，主回路管道11通过室外蒸发器9中的蒸发除霜管排10中的内蒸发管排16和外蒸发管排18与室外蒸发器9相连，室内冷凝器1、旁路节流阀15、经济器13和补气增焓压缩机2通过旁路管道14依次连接，室外蒸发器9中包含蒸发除霜管排10，除霜管排17被安置在内蒸发管排16和外蒸发管排18之间交替排列。

高温相变大容量储热器6有效储存太阳能集热器所聚集的清洁可再生能源，这样除霜速度更快，除霜效果更好。

高温相变大容量储热器6进行太阳能的大量存储与释放，这样储热密度高，储热量大，可以实现全天候除霜，即使连续的下雪和阴雨天也能满足除霜需求。

空气源热泵供热循环系统使用的是补气增焓热泵系统，这样能够保证空气源热泵系统在低温工况下正常工作。

室外蒸发器9中的内蒸发管排和外蒸发管排中间安装有除霜管排，管道成等边三角形排列，这样能够有效利用高温相变大容量储热器中存储的热量除霜。

本发明太阳能高温相变大容量储热空气源热泵系统的除霜方法包括以下步骤：

步骤一：有太阳时，太阳能高温相变大容量储热循环系统工作，储热泵通过储热管道将来自高温相变大容量储热器的低温传热工质持续的输送到太阳能集热器；

步骤二：太阳能集热器吸收来自太阳的热能，并将吸收的太阳能传递到低温传热工质上，低温传热工质在太阳能集热器处大量地吸收太阳能后变成高温传热工质，并在储热泵的输送下通过储热管道返回高温相变大容量储热器中；

步骤三：高温相变大容量储热器中的相变储热介质发生相变将来自高温传热工质的大量热量存储起来，高温传热工质降温变成低温传热工质再由储热泵通过储热管道输送到太阳能集热器中形成一个太阳能高温相变大容量储热循环；

步骤四：空气源热泵供热循环系统进行供热时，补气增焓压缩机排出的高温高压制冷剂气体通过主回路管道流入室内冷凝器中；

步骤五：高温高压制冷剂气体在室内冷凝器中冷凝放热，将热量释放到室内用于供热，冷凝后在室内冷凝器中形成低温高压制冷剂液体，室内冷凝器中的低温高压制冷剂液体一部分通过主回路管道流入经济器，另一部分通过旁路管道先流经旁路节流阀降压后变成制冷剂气液混合物后也流入经济器；

步骤六：通过主回路管道流入经济器的低温高压制冷剂液体与通过旁路管道流入经济器的制冷剂气液混合物进行热交换，旁路管道中的制冷剂气液混合物在经济器中吸热变为制冷剂气体，通过旁路管道流入补气增焓压缩机的中压腔内，主回路管道中的低温高压制冷剂液体在经济器中放热变为过冷的制冷剂液体；

步骤七：过冷的制冷剂液体流经主回路节流阀降压后通过主回路管道进入室外蒸发器的蒸发除霜管排的内蒸发管排和外蒸发管排中，制冷剂液体在内蒸发管排和外蒸发管排中吸收低温环境中的热量蒸发变为低压气体，低压气体通过主回路管道被补气增焓压缩机吸入压缩，在被压缩进入中压腔时和通过旁路管道流入补气增焓压缩机中压腔内的制冷剂气体混合，进一步被压缩以后变成高温高压制冷剂气体被补气增焓压缩机通过主回路管道排入室内冷凝器中，形成一个空气源热泵系统供热循环；

步骤八：在极端天气条件下，空气源热泵系统供热时，会在室外蒸发器的蒸发除霜管排表面结霜，这时空气源热泵系统停止供热，高温相变大容量放热除霜循环系统工作；

步骤九：高温相变大容量放热除霜循环系统开始进行除霜工作，高温相变大容量储热器中的相变储热介质发生相变将存储的热量释放出来，由除霜泵通过除霜管道将高温除霜工质输送到蒸发器中的除霜排管，放热温度可以达到80℃以上；

步骤十：高温除霜工质通过除霜管道进入室外蒸发器的蒸发除霜管排的除霜管排中，在除霜管排中释放热量融化蒸发除霜管排表面的霜层同时降低温度，低温除霜工质再由除霜泵通过除霜管道送到高温相变大容量储热器中形成一个高温相变大容量放热除霜循环。

所述步骤八极端天气条件下空气源热泵的正常运转采用多种能源技术相互耦合和优势互补。

所述步骤三高温相变大容量储热器存储的太阳进行室外蒸发器的除霜，有专门的高温相变大容量放热除霜循环系统以及除霜管排、管路专用，这样避免了电反向除霜中四通换向阀的使用可能带来的问题。

综上所述，本发明可以利用清洁、可再生的太阳能全天候快速高效除霜，降低系统能耗，满足极端天气下的除霜需求，保证供暖舒适性，更好的服务于北方“煤改电”。本发明实现在有太阳时大量的吸收太阳的热能并将其存储在高温相变大容量储热器中，在室外蒸发器结霜时释放存储在高温相变大容量储热器中的太阳能来进行室外蒸发器的除霜，放热温度可以高达80℃以上，可以有效地利用清洁可再生的太阳能进行长时间的除霜，提高除霜速度，增强除霜效果，降低系统整体能耗，维持室内供暖温度稳定，保证系统长时间稳定运行。

以上所述的具体实例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。