專利名稱：太陽能冷管和跨臨界CO₂聯(lián)合供能系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可實現(xiàn)制冷、制熱和供熱水功能的聯(lián)合功能系統(tǒng)。
背景技術：
由于全球氣溫變暖、氣候異常等環(huán)境問題日益嚴重，常規(guī)一次能源(如石油、 煤等)逐漸枯竭，環(huán)保、節(jié)能和尋找新能源已經(jīng)成為目前整個國際社會的重大而 緊迫的課題。
目前大量使用的氟利昂戶式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，夏季室外冷凝器的放熱量大，形
成局部熱污染，且室外氣溫越高制冷效率越低，能耗越高；在北方的過渡季節(jié)或 南方的冬季，室外氣溫較低的時候，熱泵供熱效率很低，需要增加輔助的電加熱 裝置來滿足需求，能耗也大大增加；另外隨著人們生活水平的提高，家庭生活熱 水的需求量也越來越大，其所需的能耗約占家庭總能耗的30%左右， 一般采用電 加熱或燃氣加熱制得熱水，空調(diào)系統(tǒng)和熱水供應系統(tǒng)單獨設立，設備利用率低， 成本高。
太陽能冷管在一根玻璃管內(nèi)就可完成太陽能吸附脫附制冷循環(huán)，它利用固體 吸附式制冷原理，采用沸石分子篩一水作為吸附工質(zhì)對(也可采用活性炭一甲醇 等其他工質(zhì)對)，吸附床填充復合吸附劑。單只太陽能冷管就是一個集制冷、供 熱水于一體的能量轉(zhuǎn)換單元。吸附床由復合吸附劑整體成型，具有較好的傳熱傳 質(zhì)與吸附脫附性能，其外壁為雙層真空管(玻璃外管和玻璃內(nèi)管)，外面還有一 個帶選擇性涂層的玻璃套管，可以高效吸收太陽能并大大降低熱損。在吸附床中部埋有熱量導出管(中芯導熱管)，吸附階段其內(nèi)流動的換熱介質(zhì)(冷水)，使吸 附床迅速降溫，實現(xiàn)吸附劑床在陽光下高效集熱與離開陽光后有效散熱。冷凝器 位于吸附床下部，為一與冷凝水箱(熱水箱)接通的單層殼管、通過與冷凝水箱 冷卻水進行熱交換而使制冷劑蒸汽充分得到冷凝，并充分利用制冷劑的凝結(jié)熱， 用該熱量來提供生活熱水。蒸發(fā)器位于冷凝器下部，其內(nèi)裝有制冷劑，在吸附劑 冷卻吸附時，蒸發(fā)器通過制冷劑的蒸發(fā)吸收蒸發(fā)器水箱內(nèi)冷凍水的熱量達到制冷 的目的，此時冷量從太陽能冷管的蒸發(fā)器輸出。太陽能冷管的結(jié)構(gòu)示意圖見附圖 1、附圖2。
太陽能冷管的制冷過程是在白天時候，太陽能冷管吸附床接受太陽能輻射 后吸附劑溫度升高，床內(nèi)制冷劑氣體壓力上升，當吸附床溫度達到制冷劑脫附溫 度后開始脫附，當脫附出來的制冷劑蒸汽遇到冷凝器的時候，由于冷凝器溫度低 于制冷劑的此時壓力下的飽和溫度，于是制冷劑蒸汽開始在冷凝器上進行冷凝， 變成了液體的制冷劑，為了強化冷凝效果，在冷凝器通入冷卻水強化制冷劑的冷 卻效果，制冷劑冷凝熱量通過熱水向外輸出。制冷劑液體靠自身重力作用流到蒸 發(fā)器儲存起來。傍晚時刻，太陽光輻射減弱，太陽能冷管的吸附床溫度開始降低， 為使其溫度能有效快速降低，在中芯導熱管中注入冷水，當吸附床溫度降低至吸 附劑吸附溫度的時候，吸附床內(nèi)的吸附劑開始吸附周圍的制冷劑蒸汽，隨著吸附 過程的繼續(xù)，太陽能冷管內(nèi)制冷劑蒸汽的壓力降低，當制冷劑蒸汽壓力降至蒸發(fā) 器內(nèi)液體制冷劑的飽和蒸汽壓力時候，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑開始汽化，在汽化的過 程中，需要吸收汽化潛熱來維持汽化，于是產(chǎn)生了制冷效果，蒸發(fā)器制取的冷量 可以用冷凍水輸出，輸送到需要用冷的場所(如風機盤管等)，吸附制冷過程直 至次日清晨吸附床不再吸附制冷劑蒸汽為止。C02作為一種自然物質(zhì)，是較為理想的制冷劑，其優(yōu)點在于無毒、不燃、ODP 值為零、溫室效應較小、價格低廉、勿需回收、對環(huán)境沒有副作用等。從1866 年開始，至20世紀30年代，C02亞臨界循環(huán)曾被廣泛使用，但由于其效率較低， 系統(tǒng)工作壓力高，設備機械強度要求高等原因，被后來的氟利昂系統(tǒng)所取代。
所謂跨臨界C02循環(huán)是指C02在低于臨界壓力條件下在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱，而在 超臨界壓力條件下在氣體冷卻器內(nèi)放熱(C02在該過程中始終為氣態(tài)而沒有冷凝) 的循環(huán)?？缗R界C02循環(huán)的放熱過程溫度較高，且存在一個相當大的溫度滑移(約 80 IO(TC)，用于熱泵循環(huán)具有獨特的優(yōu)勢。研究表明，同樣工況下，(1)將 水從l(TC加熱到60。C，C02熱泵熱水器要比電熱水器和燃氣熱水器節(jié)能75%;(2) C02熱泵熱水器可以生產(chǎn)出溫度達90。C的熱水，而傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的熱水溫度一般 低于55"C; (3)采用C02熱泵為商用和住宅建筑供應熱水，可使其總用能量減少 20%; (4) C02熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能夠維持較高的供熱量，大大節(jié)約輔助加熱 設備所耗費的能量。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的就是將熱泵空調(diào)和熱水器結(jié)合成一個系統(tǒng)，并發(fā)揮太陽能 冷管在夏季制冷時的特點以及跨臨界C02系統(tǒng)在制熱方面的獨特優(yōu)勢，提供一種 太陽能冷管和跨臨界C02聯(lián)合供能系統(tǒng)。
本實用新型的發(fā)明人通過對幾種供能技術優(yōu)缺點的充分研究，認為太陽能冷 管只能在夜間提供冷量，這與普通現(xiàn)代家庭對冷量的需求基本一致，而且夏天用 冷，太陽輻射也較強，這使得太陽能冷管在家用空調(diào)領域的使用具有可行性，并 且隨著技術的發(fā)展，太陽能冷管成本的降低，將使這一技術更具競爭力。太陽能冷管在提供冷量的同時，還能提供生活熱水；當太陽能不足或陰雨天氣時，可用 跨臨界C02系統(tǒng)作為輔助來實現(xiàn)制冷和制熱；太陽能冷管只能晚間供冷，當白天
需要供冷時也可由跨臨界C02系統(tǒng)制冷。因此，如果將太陽能冷管和跨臨界co2
系統(tǒng)巧妙聯(lián)合，即集合太陽能制冷、空調(diào)熱泵和供熱水系統(tǒng)，既可以提高設備的 利用率，又可以實現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能的效果。
本實用新型所述的太陽能冷管和跨臨界C02聯(lián)合供能系統(tǒng)，由太陽能冷管制 冷系統(tǒng)、跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，其中
太陽能冷管制冷系統(tǒng)為室內(nèi)空氣換熱器5、太陽能冷管11、太陽能冷管冷卻 水換熱器12、太陽能冷管冷凍水換熱器13、冷凍水泵14和截止閥A15通過管道 連接組成的循環(huán)管路；
跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)為通過管道串聯(lián)的截止閥C4和熱水換熱器6與 通過管道串聯(lián)的截止閥B3和室內(nèi)空氣換熱器5并聯(lián)后依次與四通閥B7、節(jié)流閥 8、室外空氣換熱器9、四通閥A2連接組成循環(huán)管路，C02壓縮機1、儲液器10 和四通閥A2通過管道連接成循環(huán)支路；
熱水循環(huán)系統(tǒng)為依次通過管道連接的熱水換熱器6、三通閥A16、截止閥D17、 熱水泵18、熱水箱19、三通閥B20和太陽能冷管冷卻水換熱器12組成的循環(huán)管 路。
太陽能冷管制冷系統(tǒng)和跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)共用一個室內(nèi)空氣換熱器， 并分別通過熱水換熱器與熱水循環(huán)系統(tǒng)相連。
太陽能冷管制冷系統(tǒng)用于制冷和制取熱水；跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)用于制 熱、制取熱水；熱水循環(huán)系統(tǒng)用來提供供熱水。
通過對室外溫度、濕度的監(jiān)測實現(xiàn)對太陽能冷管系統(tǒng)和跨臨界C02系統(tǒng)的自動切換，也可采用手動的方式來控制系統(tǒng)。本實用新型的集合系統(tǒng)能提供五種運 行模式制冷+供熱水、制熱+供熱水、單獨制冷、單獨制熱、單獨供熱水，滿足 不同氣候條件和用戶的不同需要，是一種集節(jié)能、環(huán)保、緊湊、高效為一體的供 熱、空調(diào)及熱水聯(lián)合供應系統(tǒng)。
為滿足用戶使用所需的冷量，可將多根冷管并聯(lián)到一起，并設置冷凍水換熱 器和冷卻水換熱器。
綜上所述，本實用新型將太陽能冷管吸附式制冷系統(tǒng)和跨臨界C02熱泵系統(tǒng) 聯(lián)合，充分發(fā)揮了太陽能冷管夏季制冷并提供熱水的特點和跨臨界C02熱泵循環(huán) 在冬季制熱和提供熱水方面的獨特優(yōu)勢，綜合了兩個獨立系統(tǒng)之長來彌補各自系 統(tǒng)的不足。既能滿足夏季的制冷以及冬季的供暖，又能滿足全年各時期的供熱水 需求，不但在環(huán)境保護方面具有很大的優(yōu)勢，而且其節(jié)能的潛力非常大，還使用 了環(huán)保的新能源一太陽能。該系統(tǒng)將熱泵空調(diào)及供熱水系統(tǒng)合二為一，不但系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)緊湊，還有效提高了設備的利用率。


圖l是太陽能冷管的結(jié)構(gòu)示意圖，其中+表示白天制冷劑走向，個表示夜間 制冷劑走向
圖2是太陽能冷管的截面結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為太陽能冷管和跨臨界C02聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖
圖4為聯(lián)合系統(tǒng)中太陽能冷管系統(tǒng)制冷+供熱水的運行模式原理圖，同時也 是單獨供熱水、太陽能不足或陰雨天氣時以及白天需要供冷時跨臨界C02系統(tǒng)單 獨制冷的運行模式原理圖。圖5為聯(lián)合系統(tǒng)中跨臨界C02系統(tǒng)的制熱+供熱水的運行模式原理圖，同時 也是單獨制熱、太陽能不足時單獨供熱水的運行模式原理圖 圖中各附圖標記的名稱如下
111-中芯導熱管112-玻璃內(nèi)管 113-玻璃外管 114-玻璃套管 115-吸附床 116-冷凝器 117-蒸發(fā)器 118-吸附劑通道
1-C02壓縮機 2、 7-四通閥A、 B 3、 4、 15、 17-截止閥A、 B、 C 5-室內(nèi)空氣換熱器6-熱水換熱器8-節(jié)流閥9-室外空氣換熱器 IO-儲液器 11-太陽能冷管 12-太陽能冷管冷卻水換熱器 13-太陽能冷管冷凍水換熱器 14-冷凍水泵 16、 20-三通閥A、 B 18-熱水泵 19-熱水箱
具體實施方式
如圖3所示，本實用新型所述的太陽能冷管和跨臨界C02聯(lián)合供能系統(tǒng)，由 太陽能冷管制冷系統(tǒng)、跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成， 其中
太陽能冷管制冷系統(tǒng)為室內(nèi)空氣換熱器5、太陽能冷管11、太陽能冷管冷卻 水換熱器12、太陽能冷管冷凍水換熱器13、冷凍水泵14和截止閥A15通過管道 連接組成的循環(huán)管路；
跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)為通過管道串聯(lián)的截止閥C4和熱水換熱器6與 通過管道串聯(lián)的截止閥B3和室內(nèi)空氣換熱器5并聯(lián)后依次與四通閥B7、節(jié)流閥 8、室外空氣換熱器9、四通閥A2連接組成循環(huán)管路，C02壓縮機1、儲液器10 和四通閥A2通過管道連接成循環(huán)支路；熱水循環(huán)系統(tǒng)為依次通過管道連接的熱水換熱器6、三通閥A16、截止閥D17、 熱水泵18、熱水箱19、三通閥B20和太陽能冷管冷卻水換熱器12組成的循環(huán)管 路。
太陽能冷管制冷系統(tǒng)和跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)共用一個室內(nèi)空氣換熱器， 并分別通過熱水換熱器與熱水循環(huán)系統(tǒng)相連。
本實用新型的太陽能冷管和跨臨界C02聯(lián)合供能擁有三個獨立的循環(huán)管路 太陽能冷管制冷系統(tǒng)管路、跨臨界C02循環(huán)管路和熱水循環(huán)管路，可根據(jù)不同的 氣候條件及用戶的不同需要通過兩個子系統(tǒng)和不同管路之間的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)制 冷、制熱、供熱水三種功能?？偟膩碚f，該系統(tǒng)有5種工作模式，分別是1)
制冷+供熱水工況；2)制熱+供熱水工況；3)單獨制冷工況；4)單獨制熱工況;
5)單獨供熱水工況。下面結(jié)合圖3、圖4、圖5分別予以介紹
1)制冷+供熱水工況
晴天時，開啟太陽能冷管系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)，C02系統(tǒng)處于關閉狀態(tài)。 熱水管路中三通閥A16、三通閥B20的通道a與c分別連通，截止閥A15、 截止閥D17開通。
白天，太陽能冷管吸附床11接受太陽能輻射后吸附劑溫度升高，當達到制 冷劑脫附溫度后開始脫附，脫附出來的制冷劑蒸汽在冷凝器冷凝成液體制冷劑， 通過太陽能冷管冷卻水換熱器12將熱量傳遞給冷卻水，加熱后的冷卻水在熱水 泵18的作用下被送至熱水箱19，作為生活熱水向外輸出；制冷劑液體靠自身重 力作用流到蒸發(fā)器儲存起來。夜間，沒有了太陽光輻射，并在中芯導熱管中注入 冷水，太陽能冷管吸附床11的溫度開始降低，當降至吸附劑吸附溫度時，吸附 床內(nèi)的吸附劑開始吸附周圍的制冷劑蒸汽，隨著吸附過程的進行，太陽能冷管內(nèi)制冷劑蒸汽壓力降低，當制冷劑蒸汽壓力降至蒸發(fā)器內(nèi)液體制冷劑的飽和蒸汽壓力時，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑開始汽化，通過太陽能冷管冷凍水換熱器13吸取冷凍水的熱量，于是產(chǎn)生了制冷效果，冷凍水泵14將冷凍水輸送到室內(nèi)空氣換熱器5，冷量就這樣被傳遞到室內(nèi)。吸附制冷過程直至次日清晨吸附床不再吸附制冷劑蒸汽為止。
當太陽能不足或陰雨天氣時以及白天需要制冷的時候，開啟跨臨界C02系統(tǒng)，截止閥B3開啟，截止閥C4關閉，四通閥A2的通道a、 d和b、 c分別聯(lián)通，四通閥B7的通道a、 b和c、 d分別聯(lián)通，此時不提供熱水(即單獨制冷工況)。
該工況一般在夏季運行，運行原理如圖4所示。
2) 制熱+供熱水工況
開啟C02系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)，太陽能冷管系統(tǒng)處于不運行狀態(tài)。
熱水管路中三通閥A16、三通閥B20的通道a與b分別連通，四通閥2、 7的通道a、 c和b、 d分別聯(lián)通，閥3、閥4、閥17開通。
C02系統(tǒng)是跨臨界運行的，因此具有很大的溫度滑移，在氣體冷卻器中可以產(chǎn)生很大的排熱，該排熱的一部分用于在熱水換熱器6中加熱熱水，另一部分則在室內(nèi)空氣換熱器5中與空氣進行熱交換，將熱量傳遞給室內(nèi)，達到供暖的目的。
該工況一般在冬季時運行，運行原理如圖5所示。
3) 單獨制冷工況
開啟太陽能冷管系統(tǒng)和跨臨界C02系統(tǒng)，白天時熱水系統(tǒng)也同時開啟。閥3開啟，閥4關閉，四通閥2的通道a、 d和b、 c分別聯(lián)通，四通閥7的通道a、 b和c、 d分別聯(lián)通，這時室外空氣換熱器9相當于系統(tǒng)的氣體冷卻器，室內(nèi)空氣換熱器5相當于蒸發(fā)器，三通閥16、 20的通道a與c分別連通。該工況下的夜間供冷由太陽能冷管系統(tǒng)實現(xiàn)，當冷量不足的時候，運行跨臨界C02系統(tǒng)；白天供冷則由跨臨界C02系統(tǒng)實現(xiàn)。運行原理如圖4所示。
4) 單獨制熱工況
只單獨開啟跨臨界C02系統(tǒng)，太陽能冷管系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)處于不運行狀態(tài)。閥3開啟，閥4關閉，四通閥2、 7的通道a、 c和b、 d分別聯(lián)通，這時室
外空氣換熱器9相當于系統(tǒng)的蒸發(fā)器，室內(nèi)空氣換熱器5相當于氣體冷卻器，運
行原理如圖5所示。
5) 單獨供熱水工況
首先開啟太陽能冷管系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)，跨臨界C02系統(tǒng)處于不運行狀態(tài)。熱水管路中三通閥16、 20的通道a與c分別連通，閥17開通；由于不需要
制冷，所以冷凍水泵14不需開啟。此時熱水是由太陽能冷管系統(tǒng)提供的，運行
原理如圖4所示。
當太陽光不足時，則開啟跨臨界C02系統(tǒng)來補充熱水的供給。此時需要開啟跨臨界C02系統(tǒng)，四通閥2、 7的通道a、 c和b、 d分別聯(lián)通，熱水管路中三通閥16、 20的通道a與b分別連通，閥4、闊17開通，閥3關閉。這時該系統(tǒng)相當于C02熱泵熱水器，C02系統(tǒng)的排熱全部用于加熱熱水，這一過程在熱水換熱器6中實現(xiàn)，室外空氣換熱器9相當于系統(tǒng)的蒸發(fā)器，運行原理如圖5所示。
ii
權(quán)利要求1. 太陽能冷管和跨臨界CO2聯(lián)合供能系統(tǒng)，其特征在于，由太陽能冷管制冷系統(tǒng)、跨臨界CO2熱泵循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，其中太陽能冷管制冷系統(tǒng)為室內(nèi)空氣換熱器(5)、太陽能冷管(11)、太陽能冷管冷卻水換熱器(12)、太陽能冷管冷凍水換熱器(13)、冷凍水泵(14)和截止閥A(15)通過管道連接組成的循環(huán)管路；跨臨界CO2熱泵循環(huán)系統(tǒng)為通過管道串聯(lián)的截止閥C(4)和熱水換熱器(6)與通過管道串聯(lián)的截止閥B(3)和室內(nèi)空氣換熱器(5)并聯(lián)后依次與四通閥B(7)、節(jié)流閥(8)、室外空氣換熱器(9)、四通閥A(2)連接組成循環(huán)管路，CO2壓縮機(1)、儲液器(10)和四通閥A(2)通過管道連接成循環(huán)支路；熱水循環(huán)系統(tǒng)為依次通過管道連接的熱水換熱器(6)、三通閥A(16)、截止閥D(17)、熱水泵(18)、熱水箱(19)、三通閥B(20)和太陽能冷管冷卻水換熱器(12)組成的循環(huán)管路。
2. 如權(quán)利要求1所述的太陽能冷管和跨臨界C02聯(lián)合供能系統(tǒng)，其特征在于， 太陽能冷管制冷系統(tǒng)和跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)共用一個室內(nèi)空氣換熱器， 并分別通過熱水換熱器與熱水循環(huán)系統(tǒng)相連。
專利摘要本實用新型涉及一種可實現(xiàn)制冷、制熱和供熱水功能的聯(lián)合功能系統(tǒng)。本實用新型所述的太陽能冷管和跨臨界CO₂聯(lián)合供能系統(tǒng)由太陽能冷管制冷系統(tǒng)、跨臨界CO₂熱泵循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成。太陽能冷管制冷系統(tǒng)為室內(nèi)空氣換熱器(5)、太陽能冷管(11)、太陽能冷管冷卻水換熱器(12)、太陽能冷管冷凍水換熱器(13)、冷凍水泵(14)和截止閥A(15)通過管道連接組成的循環(huán)管路；該系統(tǒng)將熱泵空調(diào)及供熱水系統(tǒng)合二為一，不但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，還有效提高了設備的利用率。
文檔編號F25B13/00GK201269662SQ200820152860
公開日2009年7月8日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者靜 呂, 周傳煜, 王偉峰, 趙惠忠 申請人:上海理工大學