[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

说明书

本发明公开的一种太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统及方法，属于太阳能热利用技术领域。本发明包括太阳能集热装置、梯级相变蓄热装置、水源蒸发器、空气蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、控制阀门F1‑F31、第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵。根据集热装置出口和各相变蓄热换热器的温度分布情况，利用阀门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，在太阳能不足时为热泵机组提供稳定的热源，为用户提供稳定供热，提高太阳能利用率和热泵机组的低温适应性。

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，涉及一种太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统及方法。

背景技术

为了解决空气源热泵的低温适应性问题，太阳能辅助热泵系统成为研究重点。太阳能辅助热泵系统具有优异的热性能和能量利用率，尤其是在阳光充足的条件下。然而，太阳能的不稳定性导致热泵系统的不稳定运行，这导致性能参数的剧烈波动和供热效果欠佳。

相变材料在太阳能辅助热泵系统中的应用是一种非常有效的措施，它可以提高热泵的运行稳定性并降低加热成本和功耗。目前的研究均使用单一的相变材料作为储能介质来实现太阳能的储存并为热泵提供热源。这种系统的问题是随着储热和放热过程的进行，换热温差的逐渐减小导致的传热速率变低会使得太阳能在蓄热和放热过程均不能得到充分的利用。

发明内容

本发明公开的一种太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统要解决的技术问题是：通过将梯级相变蓄热装置与太阳能集热装置、热泵系统相耦合，耦合太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统，提高耦合供热系统太阳能的利用率和热泵系统的供热稳定性。

基于所述太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统，本发明还公开的一种太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热方法要解决的技术问题为：根据集热装置出口和各相变蓄热换热器的温度分布情况，利用阀门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。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种太阳能梯级相变蓄热与热泵耦合供热系统，包括太阳能集热装置、梯级相变蓄热装置、水源蒸发器、空气蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、控制阀门F1-F31、第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵。所述太阳能集热装置的集热介质流入端口分别与梯级相变储能装置管道、水源蒸发器管道和用户供热管道连通；所述太阳能集热装置的集热介质流出端口分别与梯级相变储能装置管道、水源蒸发器管道和用户回热管道连通，形成集热介质环流通道，所述第一循环泵也接入该集热介质环流管道中；所述水源蒸发器与空气蒸发器并联；所述第一循环泵与第二循环泵通过旁路联通，且动力方向相反；所述冷凝器供热介质出口与用户供热侧联通，冷凝器供热介质入口与用户回热侧联通，形成供热介质环流通道，所述第三循环泵也接入供热介质环流管道中。

作为优选，所述梯级相变蓄热装置由n级(n≥3)双传热流体通道的管壳式相变蓄热换热器串联组成；所述第一级相变蓄热换热器、第二级相变蓄热换热器和第n级相变蓄热换热器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。

作为优选，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。

作为进一步优选，所述翅片的材料为纯铜或不锈钢。

作为优选，所述控制阀门F1-F31为电磁阀。