一种太阳能光热环路热管空调制热系统及其控制方法与流程

1.本发明一种太阳能光热环路热管空调制热系统及其控制方法，属于太阳能光热环路热管空调制热技术领域。


背景技术：

2.随着国家及地方对燃煤锅炉使用的限制，20蒸吨/h以下的燃煤锅炉已严禁使用。越来越多的煤矿供热方式采用燃气锅炉、太阳能、土壤源热泵、空气源热泵、电加热等方式代替。
3.煤矿建筑中食堂、机修车间等建筑物因其占地面积大、层高高导致冬季供热负荷很大。现在煤矿中一些食堂、机修间等建筑物已开始使用空气源热泵系统冬季供热。因单一使用空气源热泵系统冬季供热造成供热系统中空气源热泵台数很多，供热系统投资大。且当室外气温低于-15℃时，空气源热泵供热系统cop值大幅降低，导致能耗居高不下等问题。
4.太阳能是永久的可再生清洁能源，煤矿建筑中食堂、机修车间等建筑物有大面积的钢筋混凝土屋顶可以集中放置太阳能集热板。为冬季利用太阳能提供了有利条件。山西省是我国煤矿大省，有约688座生产矿井。且山西省大部分区域属于太阳能资源很丰富、丰富地区。充分利用太阳能供热可大幅减少空气源热泵供热系统运行耗电量，节约宝贵的电力资源。同时节省供热成本。
5.因此，本发明提出的一种太阳能光热环路热管空调制热系统及其控制方法，适用于空调热水机和采暖机，无需额外动力耗能，可充分利用免费的太阳能光热。


技术实现要素：

6.本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种太阳能光热环路热管空调制热系统硬件结构的改进及其控制方法的改进。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种太阳能光热环路热管空调制热系统，包括空调室外机，所述空调室外机的侧面、顶面、背面分别设置热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板和热管背面冷凝网架，其中热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板和热管背面冷凝网架上均设置有环路热管，所述空调室外机的内部设置有直流变频压缩机；所述热管侧面蒸发板上热管的一端与热管顶面蒸发板上热管的一端相连，所述热管侧面蒸发板上热管的另一端与直流变频压缩机相连，其中热管侧面蒸发板与直流变频压缩机相连的热管上设置有环路热管储液毛细蒸发管段；所述热管顶面蒸发板上热管的另一端分出两路，一路连接直流变频压缩机，另一路连接热管背面冷凝网架上热管的一端，热管背面冷凝网架上热管的另一端连接直流变频压缩机；其中热管背面冷凝网架与热管顶面蒸发板相连的热管上设置有第一热管工质单向阀，热管背面冷凝网架与直流变频压缩机相连的热管上设置有第二热管工质单向阀。
8.所述环路热管储液毛细蒸发管段包括液态工质存储空间、毛细网、蒸发空间和管
壁，其中蒸发空间位于毛细网与管壁之间，液态工质存储空间位于毛细网中间。
9.所述第一热管工质单向阀、第二热管工质单向阀的阻力为0.03-0.05mpa，所述环路热管储液毛细蒸发管段的阻力为0.01-0.02mpa。
10.所述热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板和热管背面冷凝网架具体设置为黑色铝合金板体。
11.所述黑色铝合金板体的黑色图层中设置有石墨烯辅料。
12.所述热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板上的环路热管管路采用吹胀工艺一体成型或采用铝合金板体与单独管路的焊接工艺。
13.所述热管侧面蒸发板具体设置在阳面。
14.一种太阳能光热环路热管空调控制方法，包括如下步骤：s1：通过太阳能光热加热热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板上的热管，通过太阳能折射和散射加热热管背面冷凝网架上的热管；其中太阳能光热的辐射强度大于120w/m2小于200 w/m2；s2：此时太阳能光热无法驱动第一热管工质单向阀、第二热管工质单向阀，环路热管内工质在直流变频压缩机、热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板组成的环路内循环；其中直流变频压缩机作为环路热管冷凝管段，热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板作为环路热管蒸发管段；s3：环路热管利用免费的太阳能光热加热直流变频压缩机中沉积凝固在直流变频压缩机底部的润滑油和制冷剂，在冬季使压缩机快速启动强力制热。
15.还包括如下步骤：s4：直流变频压缩机启动后，此时等待直流变频压缩机1的缸体散热升温，结合太阳能光热的吸收，驱动热管工质升温升压，达到状态临界点，顶开第一热管工质单向阀、第二热管工质单向阀，使环路热管内工质在直流变频压缩机、热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板、热管背面冷凝网架组成的环路内循环；其中步骤s4中的太阳能光热的辐射强度大于200w/m2小于500w/m2；s5：环路热管内工质在直流变频压缩机、热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板的管路内吸热蒸发，吸收太阳能光热和直流变频压缩机的散热；环路热管内工质在热管背面冷凝网架的管路内放热冷凝，加热空调室外机的进风。
16.一种太阳能光热环路热管空调控制方法，包括如下步骤：s1：通过太阳能光热加热热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板上的热管，通过太阳能的折射和散射加热热管背面冷凝网架上的热管；其中太阳能光热的辐射强度大于500w/m2；s2：此时通过太阳能光热达到同时驱动环路热管和空调系统运行，使环路热管内工质顶开第一热管工质单向阀、第二热管工质单向阀，使环路热管内工质在直流变频压缩机、热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板、热管背面冷凝网架组成的环路内循环；s3：环路热管内工质在热管侧面蒸发板、热管顶面蒸发板的管路内吸热蒸发，大量吸收太阳能光热；环路热管内工质在直流变频压缩机、热管背面冷凝网架的管路内放热冷凝，加热
空调室外机的进风和直流变频压缩机的运行，使直流变频压缩机泵化，低频率运行。
17.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的一种太阳能光热环路热管空调制热系统可以实现空调制热能效和制热量的大幅提高；将空调室外机布置在煤矿建筑中食堂、机修车间等建筑物有大面积的钢筋混凝土屋顶，充分合理利用免费的太阳能光热，进一步降低碳排放；冬季制热启动系统，无需额外消耗电能的伴热带加热压缩机底部，保证压缩机使用效果和延长寿命的同时，有利于节能降碳；在大幅提升空调系统制热量和制热能效的同时，不改变空调室外机体积，有利于灵活布置安装。
附图说明
18.下面结合附图对本发明做进一步说明：图1为本发明的结构示意图；图2为本发明环路热管储液毛细蒸发管段的剖面图；图3为本发明环路热管储液毛细蒸发管段毛细网的结构示意图；图4为本发明环路热管储液毛细蒸发管段液态工质的流向图；图中：1为直流变频压缩机、2为环路热管储液毛细蒸发管段、3a为第一热管工质单向阀、3b为第二热管工质单向阀、4为空调室外机、5为热管侧面蒸发板、6为热管顶面蒸发板、7为热管背面冷凝网架、21为液态工质存储空间、22为毛细网、23为蒸发空间、24为管壁。
具体实施方式
19.如图1至图4所示，本发明一种太阳能光热环路热管空调制热系统，包括空调室外机4，所述空调室外机4的侧面、顶面、背面分别设置热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6和热管背面冷凝网架7，其中热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6和热管背面冷凝网架7上均设置有环路热管，所述空调室外机4的内部设置有直流变频压缩机1；所述热管侧面蒸发板5上热管的一端与热管顶面蒸发板6上热管的一端相连，所述热管侧面蒸发板5上热管的另一端与直流变频压缩机1相连，其中热管侧面蒸发板5与直流变频压缩机1相连的热管上设置有环路热管储液毛细蒸发管段2；所述热管顶面蒸发板6上热管的另一端分出两路，一路连接直流变频压缩机1，另一路连接热管背面冷凝网架7上热管的一端，热管背面冷凝网架7上热管的另一端连接直流变频压缩机1；其中热管背面冷凝网架7与热管顶面蒸发板6相连的热管上设置有第一热管工质单向阀3a，热管背面冷凝网架7与直流变频压缩机1相连的热管上设置有第二热管工质单向阀3b。
20.所述环路热管储液毛细蒸发管段2包括液态工质存储空间21、毛细网22、蒸发空间23和管壁24，其中蒸发空间23位于毛细网22与管壁24之间，液态工质存储空间21位于毛细网22中间。
21.所述第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b的阻力为0.03-0.05mpa，所述环路热管储液毛细蒸发管段2的阻力为0.01-0.02mpa。
22.所述热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6和热管背面冷凝网架7具体设置为黑色铝合金板体。
23.所述黑色铝合金板体的黑色图层中设置有石墨烯辅料。
24.所述热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6上的环路热管管路采用吹胀工艺一体成型或采用铝合金板体与单独管路的焊接工艺。
25.所述热管侧面蒸发板5具体设置在阳面。
26.一种太阳能光热环路热管空调控制方法，包括如下步骤：s1：通过太阳能光热加热热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6上的热管，通过太阳能折射和散射加热热管背面冷凝网架7上的热管；其中太阳能光热的辐射强度大于120w/m2小于200 w/m2；s2：此时太阳能光热无法驱动第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b，环路热管内工质在直流变频压缩机1、热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6组成的环路内循环；其中直流变频压缩机1作为环路热管冷凝管段，热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6作为环路热管蒸发管段；s3：环路热管利用免费的太阳能光热加热直流变频压缩机1中沉积凝固在直流变频压缩机1底部的润滑油和制冷剂，在冬季使压缩机快速启动强力制热。
27.还包括如下步骤：s4：直流变频压缩机1启动后，此时等待直流变频压缩机1的缸体散热升温，结合太阳能光热的吸收，驱动热管工质升温升压，达到状态临界点，顶开第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b，使环路热管内工质在直流变频压缩机1、热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6、热管背面冷凝网架7组成的环路内循环；其中步骤s4中的太阳能光热的辐射强度大于200w/m2小于500w/m2；s5：环路热管内工质在直流变频压缩机1、热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6的管路内吸热蒸发，吸收太阳能光热和直流变频压缩机1的散热；环路热管内工质在热管背面冷凝网架7的管路内放热冷凝，加热空调室外机4的进风。
28.一种太阳能光热环路热管空调控制方法，包括如下步骤：s1：通过太阳能光热加热热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6上的热管，通过太阳能的折射和散射加热热管背面冷凝网架7上的热管；其中太阳能光热的辐射强度大于500w/m2；s2：此时通过太阳能光热达到同时驱动环路热管和空调系统运行，使环路热管内工质顶开第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b，使环路热管内工质在直流变频压缩机1、热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6、热管背面冷凝网架7组成的环路内循环；s3：环路热管内工质在热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6的管路内吸热蒸发，大量吸收太阳能光热；环路热管内工质在直流变频压缩机1、热管背面冷凝网架7的管路内放热冷凝，加热空调室外机4的进风和直流变频压缩机1的运行，使直流变频压缩机1泵化，低频率运行。
29.本发明的一种太阳能光热环路热管空调制热系统主要通过在空调室外机4的侧面、顶面和背面设置环路热管，将热管顶面蒸发板6上热管的两端分别与热管侧面蒸发板5、热管背面冷凝网架7上的热管相连；同时将直流变频压缩机1分别与热管侧面蒸发板5、热管
顶面蒸发板6和热管背面冷凝网架7上设置的热管相连，并且将热管背面冷凝网架7上与热管顶面蒸发板6上热管的连接处安装第一热管工质单向阀3a，将热管背面冷凝网架7上与直流变频压缩机1相连的热管上安装第二热管工质单向阀3b，其中第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b内部液态工质的阻力（0.03~0.05mpa）大于环路热管储液毛细蒸发管段2内部的液态工质的阻力（0.01~0.02mpa），且第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b的阻力相等。环路热管储液毛细蒸发管段2安装在直流变频压缩机1与热管侧面蒸发板5相连的热管上。
[0030] 本发明采用的环路热管（loop heat pipe，lhp）是指一种回路闭合环型热管。一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸汽和液体管线构成。其工作原理为：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸汽从蒸汽槽道流出进入蒸汽管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。工质传输管线内径3~5mm，长度可在10m以上，反重力传输距离可在5m以上。
[0031]
本发明的环路热管储液毛细蒸发管段2的工作原理为热管液态工质进入液态工质存储空间21存储，通过毛细网22的节流降压，进入蒸发空间23吸热蒸发，并得到循环动力。环路热管储液毛细蒸发管段2内的工质单向流动，从原理图4中的左侧流向右侧。本发明环路热管储液毛细蒸发管段2的毛细网22为由长宽都是1mm的毛细孔组成的筒状铝合金网。
[0032]
本发明热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6的环路热管管路制作可以采用吹胀工艺一体成型，也可以采用铝合金板体与单独管路的焊接工艺，扩大热管的太阳能吸热面积。同时热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6、热管背面冷凝网架7制造为黑色铝合金板体，增大太阳能辐射吸收率达到94%；可增加石墨烯辅料在黑色涂层中，进一步增大太阳能辐射吸收率达到96%以上。本发明设置热管背面冷凝网架7的作用为：
①
加热室外空调机4的进风；
②
阻挡柳絮、塑料袋等空中漂浮物堵塞进风通道，保证空调系统制热效果。
[0033]
本发明一种太阳能光热环路热管空调制热系统的控制方法根据季节不同有三种不同的工作模式，具体为：
①
太阳能预热压缩机冬季快速启动模式；
②
太阳能 压缩机散热加热进风高效制热模式；
③
太阳能 压缩机泵化节能制热模式，具体每个工作模式的控制方法如下。
[0034]
①
太阳能预热压缩机冬季快速启动模式：太阳能光热主要加热热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6上的环路热管，通过太阳能折射和散射加热热管背面冷凝网架7上的环路热管。启动此模式的太阳能光热密度较小（太阳能辐射强度一般大于120 w/m2小于200w/m2），不足以驱动热管工质升压顶开第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b，环路热管内工质在直流变频压缩机1、热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6组成的环路内循环，多适用于冬季。直流变频压缩机1部分作为环路热管冷凝管段，热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6作为环路热管蒸发管段。环路热管利用免费的太阳能光热加热直流变频压缩机1中沉积凝固在直流变频压缩机1底部的润滑油和制冷剂，保证了冬季压缩机快速启动强力制热，以及运行安全性，减少直流变频压缩机1排气口因制冷剂压缩不充分造成脏堵和缸体因缺少润滑而划伤的隐患，并且提高直流变频压缩机1的运行效率和系统制热能效。相比无环路热管的同型号空调系统，本发明系统在此模式下可延长压缩机使用寿命3年左右。
[0035]
②
太阳能 压缩机散热加热进风高效制热模式：太阳能光热主要加热热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6上的环路热管，通过太阳能折射和散射加热背面冷凝网架7上的环路热管。启动此模式的太阳能光热密度较大（太阳能辐射强度一般在200~500w/m2），先完成
①
模式，待直流变频压缩机1的缸体散热升温，结合太阳能光热的吸收，驱动热管工质升温升压，达到状态临界点，顶开第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b，使环路热管内工质在直流变频压缩机1、热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6、热背面冷凝网架7组成的环路内循环，多适用于春秋季节。环路热管内工质在直流变频压缩机1、热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6的循环管路内吸热蒸发，吸收太阳能光热和直流变频压缩机1的散热；在热背面冷凝网架7放热冷凝，加热空调室外机4的进风，提高空调系统制热量和制热能效。相比无环路热管的同型号空调系统，本发明系统在此模式下可节约电能30%以上。
[0036]
③
太阳能 压缩机泵化节能制热模式：太阳能光热主要加热热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6，通过太阳能折射和散射加热背面冷凝网架7。启动此模式的太阳能光热密度更大（太阳能辐射强度一般大于500w/m2），可达到同时驱动环路热管和空调系统运行的太阳能光热密度，使环路热管内工质顶开第一热管工质单向阀3a、第二热管工质单向阀3b，在直流变频压缩机1、热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6、热背面冷凝网架7组成的环路内循环，多适用于夏季。环路热管内工质在热管侧面蒸发板5、热管顶面蒸发板6吸热蒸发，大量吸收太阳能光热；在直流变频压缩机1、热背面冷凝网架7放热冷凝，加热空调室外机4的进风和直流变频压缩机1的运行，使直流变频压缩机1泵化，低频率运行，即只需直流变频压缩机1提供克服空调系统内制冷剂运行阻力的压力即可，制冷剂制热所需热量可全部由太阳能光热提供，使空调系统大幅节能。相比无环路热管的同型号空调系统，本发明系统在此模式下可节约电能45%以上。
[0037]
本发明设置的环路热管内部工质的沸点，可根据使用地区的气温范围作调整，保证环路热管适应当地气候条件，发挥最大的吸收太阳能光热的传热效果。例如，若用户侧重使用运行模式
①
，则工质沸点可调整为10℃左右；若用户侧重使用运行模式
②
，则工质沸点可调整为30~40℃；若用户侧重使用运行模式
③
，则工质沸点可调整为40~50℃，保证在侧重模式下的太阳能光热得到充分的传输与吸收。
[0038]
本发明的热管侧面蒸发板5具体根据实际应用时的环境，尽量设置在阳面，能够最大限度的接收太阳光，充分利用白天太阳光的能量，一般在冬季供热工况下，太阳能板倾角为35-50
°
为最佳，方位以正南到南偏西30
°
最佳；同时本发明的空调系统部分，即为常规的空调系统，尤其是分体式房间空调器，本发明可快速进行产业转化。
[0039]
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
[0040]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。