跨季节混合太阳能跨临界二氧化碳热泵储能清洁供暖系统的制作方法

1.本发明涉及一种跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统。


背景技术：

2.随着对人居环境的舒适度和生态环境的保护提出越来越高的要求，环保问题和节能问题引起人们更多的重视。我国农村人口占比在50％以上，土地占比90％以上，如何实现提高农村人口的舒适度和环境友好节能发展之间的平衡是我们亟待解决的技术问题，特别是环境温度低于0℃以下，如何提供节能环保、安全便捷、价格低廉的加热系统来提高居民的生活舒适度以及满足农业用热能的需求成为一项重要的课题。
3.跨临界co2工质是一种极为理想的天然热媒工质，其物理性质稳定、无毒、不易燃、安全、制备价格低廉，对臭氧层和环境几乎没有破坏性，对环境十分友好。
4.跨临界co2热泵消耗的是高品位的电能、稳定性高，并无需传统燃料，避免了燃料自身和运输储存的费用。同时，跨临界co2热泵的安装位置没有要求，不需要单独机房，可以随意安装在空置的地方，不占用居住面积。跨临界co2热泵是解决我国北方采暖和热量利用问题的颇具前景的方案，因此在我国具有广阔的市场和发展潜力。
5.然而，跨临界co2热泵在北方农村应用，特别是在高纬度严寒地区，例如内蒙古大部分地区冬季应用时，还存在很多问题。


技术实现要素：

6.发明要解决的问题
7.为了解决现有技术中的技术问题，本发明人进行了深入细致的研究，发现现有的跨临界co2热泵供暖系统应用于北方农村时主要存在以下问题：
8.(1)co2的临界温度为31.1℃，因此，在共同的制热条件下，使用co2的热泵系统需要以跨临界循环模式操作。跨临界循环的高压运行压力高达8-12mpa，与传统的热泵循环相比，导致更大的节流损失和相对较低的cop。在冬季供暖时，高纬度地区受严寒天气影响，环境温度低于0℃时，给水温度和压缩机的吸气压力降低，跨临界co2热泵供暖系统效率变低，甚至无法运行，供暖效果不佳；
9.(2)跨临界co2热泵供暖系统在北方高寒地区供热时，由于环境温度降低，蒸发压力也随之降低，制冷剂流量减少，压缩机压比增大，排气温度升高，容易引起压缩机过热保护而停机，导致运行方式不经济；
10.(3)跨临界co2热泵供暖系统随着环境温度降低，室内热负荷需求增大，过低环境温度导致跨临界co2热泵的制热量减小，不能满足室内供暖需求，使供暖面积变小；
11.(4)当室外温度小于7℃时，跨临界co2热泵供暖系统室外换热器表面结霜会增大换热热阻，减小单位时间内的换热量；
12.(5)太阳能辅助co2热泵联合供暖系统研究缺乏跨季节储能系统，造成资源浪费。
13.用于解决问题的方案
14.为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了以下技术方案：
15.本发明目的在于一种新的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，该供暖系统可以实现适用于春夏秋冬四季不同温度范围的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，特别是适用于冬季处于低于0℃的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统。
16.为实现上述目的，本发明提供了以下农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统。
17.1.一种农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，其特征在于包括：太阳能集热系统(10)、太阳能光伏板(8)、co2吸收器(9)、太阳能烟囱上升气流系统(11)、水源换热器(5)、热水箱(7)、跨季节储热水箱(12)、室内水源换热器(2)、中间回热器(3)、co2压缩机(1)、膨胀阀(4)、储液罐(6)。
18.2.根据项目1所述的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，其特征在于：所述co2压缩机(1)出口与所述室内水源换热器(2)co2热媒工质入口连接，所述室内水源换热器(2)的co2热媒工质出口与所述中间回热器(3)的co2热媒工质入口连接，所述中间回热器(3)的co2热媒工质出口经由所述膨胀阀(4)与所述水源换热器(5)的co2热媒工质入口连接、所述水源换热器(5)的co2热媒工质出口与所述储液罐(6)连接，所述储液罐(6)的co2热媒工质出口与所述中间回热器(3)的入口连接，构成跨临界co2热泵co2热媒工质循环回路。
19.3.根据项目2所述的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，其特征在于：所述co2吸收器(9)经由所述太阳能烟囱上升气流系统(11)与所述储液罐(6)连接。
20.4.根据项目1-3任一项所述的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，其特征在于：通过所述太阳能烟囱上升气流系统(11)，将co2介质的输送速度调节为2～3m/s，温度调节为7～25℃。
21.5.根据项目1-4任一项所述的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，其特征在于：所述太阳能集热系统(10)和所述太阳能光伏板(8)出水口与所述水源换热器(5)的入水口连接、所述水源换热器(5)的出水口与所述跨季节储热水箱(12)入水口和所述热水箱(7)入水口连接，所述跨季节储热水箱(12)出水口和所述热水箱(7)出水口与所述太阳能集热系统(10)和所述太阳能光伏板(8)的入水口连接，所述跨季节储热水箱(12)另一出水口与所述室内水源换热器(2)入水口连接，并从其出水口返回所述跨季节储热水箱(12)；所述co2吸收器(9)、所述太阳能烟囱上升气流系统(11)、所述储液罐(6)依次连接，构成农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖回路。
22.6.根据项目1-5任一项所述的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，其特征在于，所述跨季节储热水箱(12)埋设于地下，其可以在天气温度低于0℃温度时，将内部水的温度保持在30℃～80℃范围内。
23.7.根据项目1-6任一项所述的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统，其特征在于：所述太阳能光伏板(8)与蓄电池(37)连接。
24.发明的效果
25.本发明与现有技术相比，有益效果是：
26.(1)本发明的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统克服了现有跨临界co2热泵供暖技术中的不足，可以在北方高纬度严寒地区冬季气候气象条件下，提高跨临界co2热泵供暖系统效率，保证系统稳定运行；
27.(2)本发明的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统充分利用农村户型面积大，光照充足特点，结合混合太阳能集热系统/太阳能烟囱上升气流系统/太阳能光伏板，提高了跨临界co2热泵供暖系统运行的经济性；
28.(3)本发明的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统结合了跨季节储能系统，把太阳能集热系统/太阳能烟囱上升气流系统/太阳能光伏板吸收的热量储存，为跨临界co2热泵供暖系统在北方高纬度严寒地区冬季气候气象条件下提供辅助热能，增大供暖面积。
29.(4)当室外温度小于7℃时，本发明的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统通过太阳能集热系统/太阳能光伏板为水源换热器提供低温热量，预防结霜影响跨临界co2热泵供暖系统效率，辅助跨临界co2热泵供暖系统正常运行。
30.(5)本发明的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统在冬季，通过太阳能烟囱上升气流系统调节co2热媒工质的出口流体速度可达2～3m/s，出口流体温度可达15～30℃，可以提高跨临界co2热泵储能供暖系统效率。
31.(6)本发明的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统利用co2吸收器与太阳能烟囱上升气流系统连接为混合太阳能集热系统内部的农作物补充光合作用所需的co2，为农户提高农作物经济效益，同时在夜间把农作物产生的多余co2补充给跨临界co2热泵供暖系统，提高供暖系统运行效率。
附图说明
32.图1为本发明的太阳能集热系统、太阳能光伏板、co2吸收器、太阳能烟囱上升气流系统的示意图。
33.图2为本发明的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统的一个实例的示意图。
34.附图标记说明：
35.1.co2压缩机；2.室内水源换热器；3.中间回热器；4.膨胀阀；5.水源换热器；6.储液罐；7.热水箱；8.太阳能光伏板；9.co2吸收器；10.太阳能集热系统；11.太阳能烟囱上升气流系统；12.跨季节储热水箱；13.阀门；14.三通阀；15；三通阀；16.三通阀；17.四通阀；18.四通阀；19.阀门；20.水泵；21.阀门；22.阀门；23.水泵；24.阀门；25.阀门；26.阀门；27.水泵；28.阀门；29.阀门；30.水泵；31.空气泵；32.室外co2；33.阀门；34.自来水补水；35.生活热水；36.自来水补水；37.蓄电池
具体实施方式
36.为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施方案中的各个特征可以任意组合，构成实施方案。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，结合附图所描述的实例仅是本技术一部分实例，而不是全部的实例。以下将结合附图详细描述
热媒工质温度为5～15℃，压力为3.5～4mpa。
46.热水箱(7)通过水源换热器(5)、三通阀(15)的1、2通道，接收排布于太阳能光伏板下面管路里面产生的热水，用于日常生活热水(35)的使用，自来水补水(34)用于热水箱(7)的补水。
47.跨季节储热水箱(12)埋置于地下，其上表面距离地表1～5米，优选3～5米，其内热水温度长年保持在30～80℃。跨季节储热水箱(12)可以为夜间太阳能集热系统(10)提供10～15℃的保温作用，维持太阳能集热系统(10)内部的跨季节农作物生长温度。
48.此外，跨季节储热水箱(12)还用于接收储存各季节例如春夏秋三季产生的过剩的热量，在北方高纬度严寒地区冬季气候气象条件下作为供暖热源使用。此外，所述跨季节储热水箱(12)中热水，在冬季作为热源与太阳能烟囱上升气流系统(11)中co2热媒工质进行热交换，从而使co2热媒工质达到预定的温度之后进入储液罐(6)中，提高中间回热器(3)的热效率，防止设备结霜。
49.跨季节实际上是整个系统工作时间跨度的一种描述。春夏秋三季太阳能辐照强度比冬季高。
50.co2压缩机(1)用于对低温低压的co2热媒工质压缩放热，使co2热媒工质变为高温高压跨临界co2热媒工质，压缩后的co2热媒工质温度为65～75℃，压力为8～10mpa。
51.室内水源换热器(2)用于与由压缩机(1)变为高温高压达到超临界状态的co2热媒工质进行两相流冷凝放热，其中一相为室内水源换热器(2)里面的水循环，另一相为co2热媒工质循环，定压放热后co2热媒工质温度为32～42℃，压力为8～10mpa，从而为达到为室内供暖的作用。自来水补水(36)用于室内水源换热器(2)的补水。
52.中间回热器(3)用于将co2热媒工质进行吸热升温，使即将进入压缩机(1)的co2热媒工质成为过热蒸汽，减少有害过热损失。
53.中间回热器(3)用于对室内水源换热器(2)冷凝放热后的co2热媒工质进一步定压降温，使进入膨胀阀(4)前的co2热媒工质过冷，减少节流损失，降压降温后的co2热媒工质温度为17～27℃，压力为5.5～7mpa。
54.膨胀阀(4)用于对室内水源换热器(2)冷凝放热后的co2热媒工质进行降温降压，降温降压后co2热媒工质温度为0～5℃，压力为3.5～4mpa，使co2热媒工质变为低温低压co2热媒工质。
55.储液罐(6)用于接收由水源换热器(5)与低温低压co2热媒工质进行两相流蒸发换热后的co2热媒工质。为防止与水源换热器(5)蒸发换热后存在未汽化的co2热媒工质直接进入压缩机(1)，造成液击损害压缩机(1)，设置储液罐(6)来存储co2热媒工质，其中未汽化的液态co2热媒工质落入储液罐(6)底部，汽化的co2热媒工质会上升经中间回热器(3)进入压缩机(1)。
56.具体工作过程：
57.本发明的农村户用型跨季节混合太阳能跨临界co2热泵储能清洁供暖系统依据太阳辐射强度的变化，进行如下工作。
58.一、太阳能集热系统/太阳能光伏板跨季节集热储能系统
59.当太阳辐射强度充足时，跨临界co2热泵系统不工作，太阳能集热系统/太阳能光伏板独立运行。三通阀1(14)的2通道关闭，三通阀2(15)的3通道关闭。
60.①
太阳能集热系统(10)与太阳能光伏板(8)组成的混合集热系统吸收太阳辐射，加热排布于太阳能光伏板下方管路里面的水。
61.②
混合太阳能集热系统输出热水，通过阀门(29)传递给水源换热器(5)，水源换热器(5)通过三通阀(15)的1、2通道，把混合集热系统产生的热水传递给热水箱(7)，加热热水箱中的生活热水。
62.③
热水箱中的温度足够提供建筑热水负荷后，三通阀(14)的2、3通道相连，三通阀(15)的2、3通道相连，混合太阳能集热系统加热的水通过阀门(29)、水源换热器(5)、三通阀(15)的2、3通道，把热水传递给埋于地下的跨季节储热水箱(12)，储存热水。
63.④
跨季节储热水箱(12)依次通过阀门(19)、水泵(20)、阀门(21)(其中阀门(22)、水泵(23)、阀门(24)与阀门(19)、水泵(20)、阀门(21)并联，作为备用设备)、三通阀(14)的2、3通道、水泵(30)与太阳能集热系统/太阳能光伏板集热系统连接，完成太阳能集热系统/太阳能光伏板跨季节集热储能系统回路循环，在早上以及夜间温度较低时为太阳能集热系统(10)补充足够的热量，提高太阳能集热系统(10)内温度，保证太阳能集热系统(10)农作物稳定生长。
64.⑤
跨季节储热水箱(12)依次通过阀门(26)、水泵(27)、阀门(28)、三通阀(16)2、3通道把储存的热水传递给室内水源换热器(2)，为室内供暖，室内水源换热器(2)通过阀门(25)与跨季节储热水箱(12)连接，完成混合太阳能集热跨季节储热供暖回路循环。
65.⑥
夜间太阳能集热系统(10)温度过低时，跨季节储热水箱(12)通过阀门(19)、水泵(20)、阀门(21)、三通阀(14)2、3通道、水泵(30)为太阳能集热系统(10)提供热量，维持10-15℃温度保证夜间太阳能集热系统(10)内跨季节农作物正常生长。
66.⑦
太阳能烟囱上升气流系统(11)通过早上给太阳能集热系统(10)通风，改善太阳能集热系统(10)内部农作物结露过多现象。
67.⑧
太阳能光伏板(8)根据光生伏特效应原理，吸收春夏秋冬四季的太阳辐射直接转化为电能储存到蓄电池(37)，供农户使用。
68.⑨
太阳能烟囱上升气流系统(11)内部的co2吸收器(9)用于白天吸收室外co2(32)，给太阳能集热系统(10)内农作物补充光合作用所需的co2。
69.二、跨临界co2热泵供暖系统
70.当太阳辐射强度不足时，混合太阳能集热系统/太阳能光伏板运行过程中的水温不能充分满足建筑物供暖需求，开启跨临界co2热泵供暖系统。四通阀(17)的1、2通道直接相连，3、4通道直接相连，四通阀(18)的1、4通道直接相连，2、3通道直接相连。此时跨临界co2热泵供暖系统运行的模式就是太阳能水源跨临界co2热泵的模式，这种模式充分利用了混合太阳能烟囱集热系统/太阳能光伏板提供的低温热量，把制取的室外低温热水作为热泵系统的低温换热源。具体工作过程如下：
71.①
太阳能集热系统(10)与太阳能光伏板(8)组成的混合集热系统吸收太阳辐射，加热排布于太阳能光伏板下面管路里面的水。混合太阳能集热系统输出热水，通过阀门(29)传递给水源换热器(5)。
72.②
跨临界co2热泵里面的低温低压co2热媒工质与水源换热器(5)里面的水进行两相流(一相为水源换热器(5)里面的水循环，另一相为co2热媒工质循环)换热，加热co2热媒工质。
73.③
加热后的co2热媒工质通过四通阀(17)的3、4通道，进入储液罐(6)，其中可能存在未汽化的co2热媒工质会落入储液罐(6)底部，汽化的co2热媒工质进入中间回热器(3)，吸热升温，使即将进入压缩机的co2热媒工质成为过热蒸汽，减少有害过热。
74.④
升温后的co2热媒工质介质进入压缩机(1)进行压缩放热，变为高温高压超临界co2热媒工质。
75.⑤
达到超临界状态的co2热媒工质通过四通阀(17)的1、2通道进入室内水源换热器(2)进行冷凝液化，定压放热，为室内供暖。
76.⑥
降温后的跨临界co2热媒工质通过四通阀(18)的2、3通道进入中间回热器(3)，进一步定压降温，使进入膨胀阀(4)前的co2热媒工质过冷，减少节流损失。
77.⑦
降温后的跨临界co2热媒工质从中间回热器(3)进入膨胀阀(4)，降压降温，定熵膨胀，变为低温低压co2热媒工质。
78.⑧
低温低压co2热媒工质通过四通阀(18)的1、4通道、阀门(13)进入水源换热器(5)，完成整个跨临界co2热泵供暖回路循环。
79.在环境温度过低，例如温度低于-15℃，甚至低于-30℃，更极端的低于-40℃的情况下，混合太阳能集热系统输出热水温度不能满足需要，将开启co2吸收器(9)、太阳能烟囱上升气流系统(11)、和跨季节储热水箱(12)。
80.⑨
储存的热水从跨季节储热水箱(12)流出经由水泵(20)，通过三通阀(14)的2、3通道，与混合太阳能系统输出的热水混合流入太阳能烟囱上升气流系统(11)中，加热和调节来自co2吸收器(9)的co2热媒工质的温度和流速，然后co2热媒工质经过阀门(33)流入储液罐(6)中，进行跨临界co2热泵供暖回路循环。
81.⑩
co2吸收器(9)白天吸收室外co2(32)，给太阳能集热系统(10)内农作物补充光合作用所需的co2，夜晚将太阳能集热系统(10)内农作物产生的过剩co2通过空气泵(31)、太阳能烟囱上升气流系统(11)、阀门(33)传递给储液罐(6)，为跨临界co2热泵供暖循环补充热媒工质，提高循环效率。