[发明专利]一种太阳能梯级相变蓄热耦合空气源热泵供热系统及方法

权利要求书

1.一种太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统，其特征在于：包括太阳能集热装置(1)、梯级相变蓄热装置(2、3、4)、水源蒸发器(7)、空气源蒸发器(8)、压缩机(9)、冷凝器(10)、膨胀阀(11)、控制阀门F1-F31、第一循环泵(5)、第二循环泵(6)和第三循环泵(12)；所述太阳能集热装置(1)的集热介质流入端口分别与梯级相变蓄热装置(2、3、4)管道、水源蒸发器(7)管道和用户供热管道连通；所述太阳能集热装置(1)的集热介质流出端口分别与梯级相变蓄热装置(2、3、4)管道、水源蒸发器(7)管道和用户回热管道连通，形成集热介质环流通道，所述第一循环泵(5)也接入该集热介质环流通道中；所述水源蒸发器(7)与空气源蒸发器(8)并联；所述第一循环泵(5)与第二循环泵(6)通过旁路联通，且动力方向相反；所述冷凝器(10)供热介质出口与用户供热侧联通，冷凝器(10)供热介质入口与用户回热侧联通，形成供热介质环流通道，所述第三循环泵(12)也接入供热介质环流管道中；

所述梯级相变蓄热装置(2、3、4)由n级双传热流体通道的管壳式相变蓄热换热器串联组成，n≥3；所述第一级相变蓄热换热器(2)、第二级相变蓄热换热器(3)和第n级相变蓄热换热器(4)的相变储能层分别填充第一级相变材料、第二级相变材料和第n级相变材料，各级相变材料的相变温度关系，第一级相变材料第二级相变材料…第n级相变材料；

所述双传热流体通道的管壳式相变蓄热换热器包括内传热流体管道层、外传热流体管道层和相变储能层和保温层；所述相变储能层中包含有翅片，所述翅片与内传热流体管道层和外传热流体管道层焊接连接；

所述翅片的材料为纯铜或不锈钢；

所述控制阀门F1-F31为电磁阀；

所述太阳能集热装置(1)出口管道能够与任意级的相变蓄热换热器流体管道连通，所述的水源蒸发器(7)入口管道可以与任意级的相变蓄热换热器流体管道连通，通过阀门控制实现梯级相变蓄热装置的串联或者并联连接；

热泵系统包括空气源和水源双蒸发器，通过调整蒸发器来保证热泵系统的稳定供热；

太阳能集热介质为乙二醇-水混合物，所述蒸发器介质为R134a；

所述供热介质为水；

根据太阳能集热装置(1)出口和各相变蓄热换热器的温度分布情况，利用电磁阀F1-F31的控制实现太阳能直接供热模式、太阳能梯级相变蓄热+辅助水源热泵供热模式、太阳能辅助水源热泵供热模式、相变材料辅助水源热泵供热模式、空气源热泵供热模式五种工作模式，能够在太阳能充足时，对来自太阳能的多余热量进行储存，并在太阳能不足时为热泵机组提供稳定的热源，为用户提供可靠稳定供热，提高太阳能利用率和热泵机组的低温适应性；

工作模式一为太阳能直接供热模式：太阳能集热装置(1)、用户供热末端和第一循环泵(5)工作，耦合成一种太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统，电磁阀F1、电磁阀F2、电磁阀F3、电磁阀F4、电磁阀F5、电磁阀F10、电磁阀F18、电磁阀F25、电磁阀F26、电磁阀F28、电磁阀F30开启，其他电磁阀关闭；

当太阳能集热装置(1)出口温度T2满足用户侧用热需求时，太阳能集热装置(1)直接作为热源为用户供热；太阳能集热介质从出口段流出后，分别流经电磁阀F1、电磁阀F2、电磁阀F3、电磁阀F4、电磁阀F5、电磁阀F18后为用户侧供热，供热完成后的太阳能集热介质从用户回热端口流出后，分别流经电磁阀F26、电磁阀F25、电磁阀F30、第一循环泵(5)、电磁阀F28、电磁阀F10后流入太阳能集热装置(1)入口，形成集热介质循环回路；

工作模式二为太阳能梯级相变蓄热+辅助水源热泵供热模式：太阳能集热装置(1)、梯级相变蓄热装置(2、3、4)、水源蒸发器(7)、压缩机(9)、冷凝器(10)、膨胀阀(11)、第三循环泵(12)、第一循环泵(5)和用户供热末端工作；太阳能集热介质循环回路电磁阀F1、电磁阀F2、电磁阀F10、电磁阀F24、电磁阀F25、电磁阀F28、电磁阀F30始终处于开启状态，热泵制冷剂循环回路电磁阀F2和电磁阀F23打开，供热回路电磁阀F19、电磁阀F27打开，电磁阀F3、电磁阀F4、电磁阀F5、电磁阀F6、电磁阀F7、电磁阀F8、电磁阀F11、电磁阀F12、电磁阀F13、电磁阀F14、电磁阀F16、电磁阀F17根据实际情况判断开停，其他阀门关闭；

当太阳能集热装置(1)出口温度T2小于用户需求侧供热温度时，而大于其中一级相变材料的熔点时，则太阳能用于给此级对应的相变材料进行蓄热；当与此级相变材料换热后，传热介质的出口温度若大于下一级相变材料的相变温度，则继续给下一级相变材料蓄热，直到无法继续为相变材料蓄热，然后为水源热泵提供热源，从水源热泵流出的太阳能集热介质经电磁阀F25、电磁阀F30、 第一循环泵(5)和电磁阀F28、电磁阀F10流入太阳能集热装置(1)入口，形成循环；热泵系统制冷剂从水源蒸发器(7)吸热后，流经压缩机(9)，在冷凝器(10)放热为用户侧供热，再流经膨胀阀(11)后流入水源蒸发器(7)，形成制冷剂循环回路；从冷凝器(10)流出的供热介质为用户供热后，从用户回热侧流出，经电磁阀F27和第三循环泵(12)后流入冷凝器(10)，形成供热介质循环回路；

工作模式三为太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统处于太阳能辅助水源热泵供热模式：太阳能集热装置(1)、水源蒸发器(7)、压缩机(9)、冷凝器(10)、膨胀阀(11)、第三循环泵(12)、第一循环泵(5)和用户供热末端工作；太阳能集热介质循环回路电磁阀F1、电磁阀F2、电磁阀F3、电磁阀F4、电磁阀F5、电磁阀F10、电磁阀F11、电磁阀F24、电磁阀F25、电磁阀F28、电磁阀F30始终处于开启状态，热泵制冷剂循环回路电磁阀F20和电磁阀F23打开，供热回路电磁阀F19、电磁阀F27打开，其他阀门关闭；

当太阳能集热装置(1)出口温度T2小于第n级相变材料的相变温度时，而高于环境温度时，太阳能直接为热泵系统提供热源，热泵系统为用户侧提供热量；太阳能集热介质从出口段流出后，分别流经电磁阀F1、电磁阀F2、电磁阀F3、电磁阀F4、电磁阀F5、电磁阀F11至水源蒸发器(7)放热，从水源蒸发器(7)流出后，流经电磁阀F24、电磁阀F25、电磁阀F30、第一循环泵(5)、电磁阀F28、电磁阀F10后，流入太阳能集热装置(1)入口，形成集热介质循环回路；热泵系统制冷剂从水源蒸发器(7)吸热后，流经压缩机(9)，在冷凝器(10)放热为用户侧供热，再流经膨胀阀(11)后流入水源蒸发器(7)，形成制冷剂循环回路；从冷凝器(10)流出的供热介质为用户供热后，从用户回热侧流出，经电磁阀F27和第三循环泵(12)后流入冷凝器(10)，形成供热介质循环回路；

工作模式四为太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统处于相变材料辅助水源热泵供热模式：第一级相变蓄热换热器(2)、第二级相变蓄热换热器(3)、第n级相变蓄热换热器(4)、第二循环泵(6)、水源蒸发器(7)、压缩机(9)、冷凝器(10)、膨胀阀(11)、第三循环泵(12)、用户供热末端工作；太阳能集热介质循环回路电磁阀F24、电磁阀F25、电磁阀F29、电磁阀F31始终开启，电磁阀F2、电磁阀F3、电磁阀F4、电磁阀F6、电磁阀F7、电磁阀F8、电磁阀F9、电磁阀F10、电磁阀F12、电磁阀F13、电磁阀F14、电磁阀F15、电磁阀F16、电磁阀F17根据实际需求控制开或关，热泵制冷剂循环回路电磁阀F20和电磁阀F23打开，供热回路电磁阀F19、电磁阀F27打开，其他阀门关闭；

当太阳能集热装置(1)在无太阳辐射时，或者太阳能集热装置(1)介质出口温度低于第一级相变材料的相变温度时，相变材料储存的热能为热泵提供热源供热；在此过程中，传热介质反向流动传热，增强梯级相变放热效率；从蒸发器流出的传热介质从相变材料熔点与自身最接近的换热器中吸收热量，并继续从下一级相变材料吸收热量，前一级传热为后一级传热进行预热，增强系统放热效率、以此类推，最终经过电磁阀F29、第二循环泵(6)、电磁阀F31、电磁阀F25、电磁阀F24流回蒸发器，为蒸发器提供热源，形成集热介质循环回路；热泵系统制冷剂从水源蒸发器(7)吸热后，流经压缩机(9)，在冷凝器(10)放热为用户侧供热，再流经膨胀阀(11)后流入水源蒸发器(7)，形成制冷剂循环回路；从冷凝器(10)流出的供热介质为用户供热后，从用户回热侧流出，经电磁阀F27和第三循环泵(12)后流入冷凝器(10)，形成供热介质循环回路；

工作模式五为太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统处于空气源热泵供热模式：空气源蒸发器(8)、压缩机(9)、冷凝器(10)、膨胀阀(11)、第三循环泵(12)、用户供热末端工作；热泵制冷剂循环回路电磁阀F20和电磁阀F23打开，供热回路电磁阀F19、电磁阀F27打开，其他阀门关闭；

当相变材料中的热能用完时，或者外界空气温度高于相变蓄热温度时，空气源热泵为用户提供热量；热泵系统制冷剂从空气源蒸发器(8)吸热后，流经压缩机(9)，在冷凝器(10)放热为用户侧供热，再流经膨胀阀(11)后流入空气源蒸发器(8)，形成制冷剂循环回路；从冷凝器(10)流出的供热介质为用户供热后，从用户回热侧流出，经电磁阀F27和第三循环泵(12)后流入冷凝器(10)，形成供热介质循环回路。