一种全天候太阳能水源热泵空调系统.pdf

本发明一种太阳能水源热泵空调系统，涉及节能及能源利用技术领域，主要应用于空调供暖行业。它包括空水换热系统、水剂换热系统、热泵主机、浓缩系统、能量回收系统、冷凝水回收系统。本发明利用空水换热系统吸取空气中的太阳能量从而提供给热泵。在空水换热系统与热泵主机之间采用水剂换热系统进行冷热量的传递，避免了结霜及管道污染。利用冷凝水回收系统采集空调冷凝水的冷量进行利用，提高了热泵主机效率。采用雾霾净化系统对流经空水换热系统的空气进行净化，改善了空气品质。

权利要求书
1.  一种全天候太阳能水源热泵空调系统，其特征在于：
它包括空水换热系统、水剂换热系统、热泵主机、浓缩系统、能量回收系统、冷凝水回收系统、雾霾净化系统；
所述的空水换热系统由空气-液水换热装置(1)、液水循环泵(1-7)、循环管路A、循环管路B组成；
空气-液水换热装置安装在室外高处，由框体(1-1)、风机(1-2)、混合板(1-3)、导流板(1-4)、喷淋管路(1-5)、储水池(1-6)构成，框体(1-1)上部开口，风机(1-2)安装在框体(1-1)上部开口处，混合板(1-3)安装在框体(1-1)内部、风机(1-2)下部，喷淋管路(1-5)安装在风机(1-2)的下部、混合板(1-3)的上部，框体(1-1)四面开口，导流板(1-4)安装在框体(1-1)四面开口的内侧，储水池(1-6)安装在框体(1-1)下部；
循环管路A将喷淋管路(1-5)和水剂换热箱(2-1)连接，液水循环泵(1-7)安装在喷淋管路(1-5)和水剂换热箱(2-1)之间的管路A上，循环管路B将储水池(1-6)和水剂换热箱(2-1)相连接；
水剂换热系统由水剂换热箱(2-1)、微通道超导换热器(2-2)、搅拌器(2-3)、浓度控制器(2-4)组成，微通道超导换热器(2-2)安装在水剂换热箱(2-1)中部，搅拌器(2-3)安装在水剂换热箱(2-1)底部，浓度控制器(2-4)安装在水剂换热器(2-1)出口管道处；
热泵主机(3)通过管道与微通道超导换热器(2-2)相连接；
浓缩系统包括浓缩水槽(4-1)、浓缩循环泵(4-2)，浓缩水槽(4-1)通过管路C、管路D与水剂换热箱(2-1)相连接，浓缩循环泵(4-2)安装在管路C上；
能量回收系统包括涡轮发电机(5-1)与储能控制装置(5-2)，涡轮发电机(5-1)安装在储水池(1-6)和水剂换热箱(2-1)之间的循环管路B上；
冷凝水回收系统包括用户冷凝水管路系统(6-1)、水剂换热箱(2-1)，用户冷凝水管路系统(6-1)通过管路E与水剂换热箱(2-1)相连接；
雾霾净化系统由PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)、沉淀颗粒排放装置(7-2)、管道杂质过滤排放装置(7-3)组成；
PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)安装在储水池(1-6)的底部，沉淀颗粒排放装置(7-2)通过管道与PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)的底部相连接，管道杂质过滤排放装置(7-3)安装在管路B上。

2.  如权利要求1所述的一种全天候太阳能水源热泵空调系统，其特征在于：浓度控制器(2-4)感知水剂换热器(2-1)出口防冻液浓度，当防冻液浓度降低到一定程度后开启浓缩循环泵(4-2)进行防冻液的浓缩。

3.  如权利要求1所述的一种全天候太阳能水源热泵空调系统，其特征在于：水剂换热箱(2-1)中的换热装置为微通道超导换热器(2-2)，水剂换热箱(2-1)内装有搅拌器(2-3)对防冻液进行搅拌。

4.  如权利要求1所述的一种全天候太阳能水源热泵空调系统，其特征在于：夏季空调用户产生的冷凝水经过用户冷凝水管路系统(6-1)收集后经管道D进入到水剂换热箱(2-1)中。

5.  如权利要求1所述的一种全天候太阳能水源热泵空调系统，PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)安装在储水池(1-6)的底部，沉淀颗粒排放装置(7-2)通过管道与PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)的底部相连接，管道杂质过滤排放装置(7-3)安装在管路B上。

说明书一种全天候太阳能水源热泵空调系统
技术领域
本发明涉及节能及能源利用技术领域，同时涉及一种直接净化室外空气过滤PM2.5治理雾霾的环保技术，特别是一种应用于空调供暖行业的全天候太阳能水源热泵空调系统。
背景技术
地球表面空气受太阳能量影响，随着时间的变化大气温度呈现周期性变化。空气中的水蒸气吸收太阳能温度升高，地球表面的液态水吸收太阳热能蒸发为气态水蒸气，从而地球表面空气中蕴含着无穷无尽的太阳能。目前利用太阳能的方式方法很多，包括太阳能光热、太阳能光电等等，但其利用方式都只是用热交换中的辐射换热，利用效率很低。而直接利用空气中的太阳能则相对较少，尤其是吸收空气中的水蒸气蕴含着的太阳能的途径则更少。
热源塔热泵空调系统利用热源塔吸收空气中的冷热源作为空调系统的一种新的功能方式得到了应用，由于其良好的节能性、广泛的环境适应性，现已经广泛应用于长江中下游地区的各类建筑场所。在冬季，热源塔作为良好的热源收集器从低温潮湿的环境空气中提取热量为热泵提供热源；在夏季，热源塔作为高效的冷却塔将热泵从用户吸收的热量排放到大气环境中去。如此一来，热源塔冬夏季节都可使用，节省了初投资，提高了能源利用率。
目前普遍使用的热源塔分为两大类，其中一类为开式塔，由申请号为CN200620073647的实用新型专利“热源塔”中，提出了一种开式热源塔为空调系统提供冷热源，其提出在热源塔上部设有进液管，进液管端部连接有喷淋器，在喷淋器下方设有换热层，换热器的下方设存储槽，存储槽设有出液管和循环泵，循环泵出口与进液管相连。另一类为闭式塔，由申请号为CN200810031368的发明专利“闭式热源塔”中，提出了一种闭式热源塔作为空调系统的冷热源提供者，其提出利用宽带翅片和换热管构成低温宽带换热器作为热源塔的换热装置，利用溶液池、喷淋泵储能控制装置和喷淋器构成的负温度防霜系统进行防霜。
开式塔系统由于防冻液始终与空气相接触，换热效率较高，但是在冬季其浓度受到空气湿度的影响。在实际运行中如果空气温度低、湿度大，由于空气中的水蒸气遇冷凝结变为液态水进入到防冻液内，从而防冻液的浓度不断下降、冰点上升，从而升高了在热泵主机内结冰的隐患；如果空气温度高、湿度小，则会出现防冻液内水分蒸发，防冻液浓度上升，从而导致热泵换热效率降低。正由于开式热源塔系统中需要不断调整防冻液浓度，以防止其浓度过高或过低从而保证系统不出故障。为了保证开式热源塔防冻液的浓度范围，申请号为2011204759060的实用新型专利“具有溶液再生功能的热源塔”和申请号为201210234947X的发明专利“一种溶液再生处理装置”以及申请号为2012207346295的实用新型专利“一种溶液储能控制装置余热利用系统”等专利采用了各种防冻液浓缩控制方法，但是各种方法都需要采用不同形式的、另外的热源来对溶液加热以达到浓缩防冻液、控制其浓度的目的，经济性不高、操作复杂。同时开式热源塔的防冻溶液直接与空气接触，灰尘与细菌及微生物水草等会集聚在防冻溶液中进入热泵主机的换热铜管中，沉积在管壁，带来换热效率的大幅降低。另一方面，虽然闭式塔中的防冻液始终与空气相隔绝，但是其换热效率较开式系统低，故需要增大其低温宽带换热器的面积，从而带来了初投资的大幅升高。
同时，在以上的空调系统中，热源塔作为空调冷热源的提供者，与空调主机匹配度不高，容易造成热源塔与空调主机换热效果不好、系统整体效率不高等问题。另外，在目前所使用的空调系统中，夏季室内用户空调冷凝水通常分散或者统一集中排放到室外或者下水管道中。而空调冷凝水温度较低，是良好的空调系统冷源，因其无法得到利用从而造成了能源的浪费。
为了充分利用开式热源塔的高效换热性能、避免其浓度变化缺陷、保证热源塔热泵系统正常运行以及提高闭式热源塔热泵系统工作效率，设计一种集高效换热、冷量回收、浓度可控、避免主机内铜管积聚杂质提升换热效率为一体的热泵空调系统势在必行。
发明内容
本发明的目的在于克服上述开式热源塔热泵空调系统与闭式热源塔热泵空调系统的不足，提供一种能够高效室外开式换热、主机闭式循环、冷凝水冷量回收、防冻液浓度控制简单、通过增加对流换热、传导换热等太阳能热交换方式来提高太阳能热利用效率的全天候太阳能水源热泵空调系统。
本发明的目的是通过如下途径实现的：
本发明一种全天候太阳能水源热泵空调系统，它包括空水换热系统、水剂换热系统、热泵主机、浓缩系统、能量回收系统、冷凝水回收系统、雾霾净化系统。所述的空水换热系统由空气-液水换热装置、液水循环泵、循环管路组成。空气-液水换热装置安装在室外高处，由框体、风机、混合板、导流板、喷淋管路、储水池构成，框体上部开口，风机安装在框体上部开口处，混合板安装在框体内部、风机下部，喷淋管路安装在风机的下部、混合板的上部，框体四面开口，导流板安装在框体四面开口的内侧，储水池安装在框体下部。循环管路将喷淋管路和水剂换热箱连接，液水循环泵安装在喷淋管路和水剂换热箱之间的管路上，循环管路将储水池和水剂换热箱相连接。水剂换热系统由水剂换热箱、微通道超导换热器、搅拌器、浓度控制器组成，微通道超导换热器安装在水剂换热箱中部，搅拌器安装在水剂换热箱底部，浓度控制器安装在水剂换热器出口管道处。热泵主机通过管道与微通道超导换热器相连接。浓缩系统包括浓缩水槽、浓缩循环泵，浓缩水槽通过管路与水剂换热箱相连接，浓缩循环泵安装在管路上。能量回收系统包括涡轮发电机与储能控制装置，涡轮发电机安装在储水池和水剂换热箱之间的循环管路上。冷凝水回收系统包括用户冷凝水管路系统、水剂换热箱，用户冷凝水管路系统通过管路与水剂换热箱相连接。雾霾净化系统由PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置、沉淀颗粒排放装置、管道杂质过滤排放装置组成。PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置安装在储水池的底部，沉淀颗粒排放装置通过管道与PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置的底部相连接，管道杂质过滤排放装置安装在与储水池相连接的循环管路上。
与现有的空调系统相比，本一种太阳能水源热泵空调系统有如下优点：
1．利用空气-液水换热装置进行高效换热，提高换热效率；
2．在系统中采用水剂换热箱，将防冻液与热泵主机隔绝，从而解决了防冻液性质对主机的影响，杜绝了防冻液对热泵主机的腐蚀和堵塞问题，特别是解决了开式热源塔热泵系统主机内铜管积聚杂质避免衰减提升换热效率的问题；
3．在水剂换热箱中利用微通道超导换热器进行水-制冷剂换热，降低防冻液浓度要求，提高系统安全性；
4．利用涡轮发电机进行能量回收；
5．回收冷凝水冷量，在夏季降低系统能耗，提高热泵制冷效率；
6．解决了闭式热源塔热泵系统制造成本高和换热效率偏低的问题；
7．通过空气中的气态水蒸气-液水换热装置进行高效换热的同时，利用水的往复循环吸附室外空气中PM2.5-PM10的灰尘颗粒，净化室外空气、治理雾霾。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明结构示意图；
图中，空气-液水换热装置(1)、框体(1-1)、风机(1-2)、混合板(1-3)、导流板(1-4)、喷淋管路(1-5)、储水池(1-6)、液水循环泵(1-7)、水剂换热箱(2-1)、微通道超导换热器(2-2)、搅拌器(2-3)、浓度控制器(2-4)、热泵主机(3)、浓缩水槽(4-1)、浓缩循环泵(4-2)、涡轮发电机(5-1)、储能控制装置(5-2)、用户冷凝水管路系统(6-1)、PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)、沉淀颗粒排放装置(7-2)、管道杂质过滤排放装置(7-3)。
具体实施方式
如图所示，本发明一种全天候太阳能水源热泵空调系统，它包括空水换热系统、水剂换热系统、热泵主机、浓缩系统、能量回收系统、冷凝水回收系统、雾霾净化系统。所述的空水换热系统由空气-液水换热装置(1)、液水循环泵(1-7)、循环管路A、循环管路B组成。空气-液水换热装置安装在室外高处，由框体(1-1)、风机(1-2)、混合板(1-3)、导流板(1-4)、喷淋管路(1-5)、储水池(1-6)构成，框体(1-1)上部开口，风机(1-2)安装在框体(1-1)上部开口处，混合板(1-3)安装在框体(1-1)内部、风机(1-2)下部，喷淋管路(1-5)安装在风机(1-2)的下部、混合板(1-3)的上部，框体(1-1)四面开口，导流板(1-4)安装在框体(1-1)四面开口的内侧，储水池(1-6)安装在框体(1-1)下部。循环管路A将喷淋管路(1-5)和水剂换热箱(2-1)连接，液水循环泵(1-7)安装在喷淋管路(1-5)和水剂换热箱(2-1)之间的管路A上，循环管路B将储水池(1-6)和水剂换热箱(2-1)相连接。水剂换热系统由水剂换热箱(2-1)、微通道超导换热器(2-2)、搅拌器(2-3)、浓度控制器(2-4)组成，微通道超导换热器(2-2)安装在水剂换热箱(2-1)中部，搅拌器(2-3)安装在水剂换热箱(2-1)底部，浓度控制器(2-4)安装在水剂换热器(2-1)出口管道处。热泵主机(3)通过管道与微通道超导换热器(2-2)相连接。浓缩系统包括浓缩水槽(4-1)、浓缩循环泵(4-2)，浓缩水槽(4-1)通过管路C、管路D与水剂换热箱(2-1)相连接，浓缩循环泵(4-2)安装在管路C上。能量回收系统包括涡轮发电机(5-1)与储能控制装置(5-2)，涡轮发电机(5-1)安装在储水池(1-6)和水剂换热箱(2-1)之间的循环管路B上。冷凝水回收系统包括用户冷凝水管路系统(6-1)、水剂换热箱(2-1)，用户冷凝水管路系统(6-1)通过管路E与水剂换热箱(2-1)相连接。雾霾净化系统由PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)、沉淀颗粒排放装置(7-2)、管道杂质过滤排放装置(7-3)组成。PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)安装在储水池(1-6)的底部，沉淀颗粒排放装置(7-2)通过管道与PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)的底部相连接，管道杂质过滤排放装置(7-3)安装在管路B上。
本发明一种全天候太阳能水源热泵空调系统冬季工作流程如下：
1. 开启液水循环泵(1-7)，将防冻液从水剂换热箱(2-1)中抽出由循环管路A送至喷淋管路(1-5)，由喷淋管路(1-5)喷淋到混合板(1-3)处，然后依靠重力下降至储水池(1-6)内；开启风机(1-2)，空气由导流板(1-4)处进入框体(1-1)内，经过混合板(1-3)后从风机(1-2)处排出。在框体(1-1)内，空气与防冻液在混合板(1-3)处进行热质交换，空气中的热量和湿量传递给防冻液，防冻液温度升高、浓度减小；
2. 防冻液由储水池(1-6)内流出，由循环管路B依靠自然重力下降至水剂换热箱(2-1)内，在流经涡轮发电机(5-1)时推动涡轮进行发电，储能控制装置(5-2)根据涡轮发电机(5-1)的工作状态对涡轮发电状态进行控制及储能；
3. 防冻液进入水剂换热箱(2-1)中，在搅拌器(2-3)作用下流向流态发生变化，在流过微通道超导换热器(2-2)时，与微通道超导换热器(2-2)内的制冷剂进行热交换，将热量传递给制冷剂后温度降低，再次流出水剂换热箱(2-1)进入循环管路A，从而完成防冻液循环；
4. 浓度控制器(2-4)安装在水剂换热器(2-1)出口管道处，感知水剂换热器(2-1)出口防冻液浓度，当防冻液浓度降低到一定程度后开启浓缩循环泵(4-2)进行防冻液的浓缩；
5. 浓缩循环泵(4-2)将水剂换热箱(2-1)中的防冻液通过管路C送入浓缩水槽(4-1)中进行防冻液的浓缩，浓缩后的防冻液经过管路D再次进入到水剂换热箱(2-1)中进行循环利用；
6. 液态低温制冷剂在微通道超导换热器(2-2)中流过，吸收了换热器外防冻液的热量，由液态制冷剂变为气态制冷剂，进入热泵主机(3)中，然后再次变为液态低温制冷剂进入超通道超导换热器(2-2)中，从而完成制冷剂循环。
夏季工作流程如下：
1. 开启液水循环泵(1-7)，将冷却水从水剂换热箱(2-1)中抽出由循环管路A送至喷淋管路(1-5)，由喷淋管路(1-5)喷淋到混合板(1-3)处，然后依靠重力下降至储水池(1-6)内；开启风机(1-2)，空气由导流板(1-4)处进入框体(1-1)内，经过混合板(1-3)后从风机(1-2)处排出。在框体(1-1)内，空气与冷却水在混合板(1-3)处进行热质交换，冷却水中的热量传递给空气，冷却水温度降低、水分蒸发、水量减少；
2. 冷却水由储水池(1-6)内流出，由循环管路B依靠自然重力下降至水剂换热箱(2-1)内，在流经涡轮发电机(5-1)时推动涡轮进行发电，储能控制装置(5-2)根据涡轮发电机(5-1)的工作状态对涡轮发电状态进行控制及储能；
3. 冷却水进入水剂换热箱(2-1)中，在搅拌器(2-3)作用下流向流态发生变化，在流过微通道超导换热器(2-2)时，与微通道超导换热器(2-2)内的制冷剂进行热交换，吸收了制冷剂的热量后温度升高，再次流出水剂换热箱(2-1)进入循环管路A，从而完成冷却水循环；
4. 气态高温制冷剂在微通道超导换热器(2-2)中流过，将热量传递给换热器外的冷却水，由气态制冷剂变为液态制冷剂，进入热泵主机(3)中，然后再次变为气态低温制冷剂进入超通道超导换热器(2-2)中，从而完成制冷剂循环；
5. 夏季室内空调系统用户产生的低温冷凝水通过用户冷凝水管路系统(6-1)收集在一起后通过管路E连接到水剂换热箱(2-1)上，低温冷凝水进入到水剂换热箱(2-1)后与冷却水混合，对冷却水进行了水量补充，同时降低了冷却水温度，从而降低了制冷剂冷凝温度、提高了热泵主机(3)的工作效率。
在全年的运行中，通过开启风机(1-2)，携带PM雾霾颗粒的空气由导流板(1-4)处进入框体(1-1)内，被从喷淋管路(1-5)喷淋下降至框体(1-1)内的水溶液吸附，下降到储水池(1-6)内后沉淀在PM2.5雾霾净化颗粒沉淀装置(7-1)中，通过沉淀颗粒排放装置(7-2)和管道杂质过滤排放装置(7-3)将PM雾霾颗粒杂质排放收集，达到净化室外空气治理雾霾的目的。
管路C、管路D、管路E上均装有阀门，管路E上的阀门冬季关闭、夏季打开，管路C、管路D上的阀门冬季打开、夏季关闭。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。