具有蓄热功能的太阳能‑空气源复合式热泵无水采暖系统的制作方法

本发明属于建筑环境与能源应用工程及供热工程技术领域，具体涉及一种具有蓄热功能的太阳能-空气源复合式热泵采暖系统。

背景技术：

空气源热泵具有使用灵活、节能、高效等优点，适合在公共建筑和居住建筑中使用。但是，具有以下几条缺点：当外界温度较低时，蒸发温度较低，系统的性能系数较低，在制取相同热量的情况下，能耗较大；另一方面，室外空气温度较低，容易在蒸发器上结霜，常用除霜方法为逆循环除霜，即通过四通换向阀换向，使热泵机组从制热运行模式切换到制冷运行模式，使压缩机排出来的高温热媒流经蒸发器，以提高蒸发器外表面温度，使得霜层融化，在除霜过程中，非但不能向室内提供热量，反而会从室内吸收热量，大大影响了空气源热泵的制热效果，所以空气源热泵系统在北方的使用具有很大的限制。

太阳能的使用没有地域的限制，总量非常巨大，是一种永不枯竭的清洁能源。我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能资源，尤其是在我国的西部和华北地区，太阳能具有巨大的开发潜力。但是，太阳能的使用受气候的影响很大：在连续的阴雨天以及夜晚，太阳能就无法使用；而且太阳能资源是一种辐射能，必须转化成其他能量才能利用和存储。所以太阳能作为单一热源在使用上面临很大的挑战。

地暖作为一种新型供暖方式，在我国的使用越来越普遍，但是普通的水暖系统在使用过程中会出现漏水的现象，影响美观。而且水暖系统在使用过程中对水质有一定的要求，水质不达标容易出现结垢现象，影响使用。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的一个目的是提供一种太阳能-空气源复合式热泵无水采暖系统，该采暖系统中，在太阳能空气集热器内通入空气，空气作为集热器中的载热介质，流经集热器内的集热板时被加热，被加热后的空气和蒸发器中的制冷剂换热，为地暖供热。这样可以解决空气源热泵系统在冬季热负荷较大的情况下使用时出现的蒸发器结霜以及系统性能较低的问题，同时提供了一种新型的地暖系统，该地暖系统的热媒不是水，而是压缩机用热媒，与其它形式的地暖采暖相比，减少一次中间传热过程，降低了压缩机的出口压力和温度，有效提高了系统效率。同时对太阳能集热器的结构进行改进，对能量进行储存，使其能够在连续的阴雨天和夜晚也能够提供热量，可以作为单一热源进行使用，拓宽了太阳能利用的时效性。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述具有太阳能蓄热与空气源复合式热泵无水采暖系统进行采暖的方法，该采暖方法将太阳能加热与空气源热泵有效地结合在一起，使采暖方法具有更好的加热效率和环境适应性。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种具有蓄热功能的太阳能-空气源复合式热泵无水采暖系统，包括具有蓄热功能的太阳能集热器和供暖系统，其中，

具有蓄热功能的太阳能集热器包括若干个太阳能集热管、进气口和出气口，太阳能集热管分布在进气口与出气口之间，相邻集热管通过集联器连接，太阳能集热器内部构成气体通道；

在所述集联器的外表面设置蓄热层和保温层，蓄热层位于保温层的内部，蓄热层内填充有相变储能材料；

供暖系统中包括相互连通的蒸发器和供热结构；

太阳能集热器的出气口通过管道与所述蒸发器连通，被太阳能集热器加热后的空气与蒸发器中的热媒进行换热，蒸发后的热媒经压缩后变成高温度的热媒，对建筑内进行供热。

太阳能集热管可以对空气进行加热，加热后的空气与蒸发器中的热媒进行加热，可以避免空气温度过低时，蒸发器上容易结霜，影响换热效率的弊端。同时避免对蒸发器产生损坏，延长空调系统的使用寿命，使该采暖系统具有更广的适用范围。

埋于地板中的盘管相当于机组冷凝器，经压缩后的较高温度热媒在盘管中冷凝放热，实现将空气中吸收的热量转移到室内地板中，地板受热升温，向室内辐射供热，与其它形式的地板采暖相比，减少一次中间传热过程，有效提高了系统效率。

太阳能集热管将太阳能转化为热能后，一部分热能与相变储能材料进行热量交换，将热量储存在相变储能材料内，使得太阳能集热器在夜晚和连续阴雨天气也能加热空气，实现了太阳能作为单一热源使用。同时在蓄热层外增加保温层，可以减少热量的散失。

优选的，所述蓄热层的厚度为30-40mm，每米集联器填充的相变材料的质量为25-35kg，相变材料为蜡质相变材料。

当蓄热层的厚度为30-40mm，每米集联器填充的相变材料的质量为25-35kg时，可在连续阴雨天气持续供暖1-4天，具有良好的环境适应性。

蜡质相变材料具有融化潜热值高、相变过程可逆性好、相变温度可控、导热系数大、密度大等特点。蜡质相变材料在相变过程中，可以储存或释放更多的能量，更好的为太阳能空气集热器提供热量。

进一步优选的，所述保温层的材质为橡塑，保温层的厚度为15-25mm。

橡塑具有良好的保温性能，当保温层的厚度为15-25mm时，既可以达到理想的保温性能，又可以避免保温层过厚造成的材料的浪费，具有最佳的性价比。

优选的，所述太阳能集热管内设置有集热板，集热板的安装位置使空气在太阳能集热器内呈“S”型流动。

集热板吸收太阳辐射，将辐射能转化为热能，空气作为集热器中的载热介质，由进风口进入，流经集热板的表面时被加热，被加热的空气由出风口流出。可以提高对空气的加热效果，解决了空气源热泵系统在冬季热负荷较大的情况下使用中出现的蒸发器结霜以及系统性能较低的问题。

优选的，太阳能集热器与蒸发器之间连接有风机。风机提供动力，将空气吸入太阳能集热器中，并将加热后的空气输送到蒸发器，与蒸发器中的热媒进行换热。

进一步优选的，太阳能集热器与风机之间通过软管连接。

此处的软管是指在一定范围内可以随意弯曲，且在额定弯曲半径条件下弯曲产生的内应力较小。由于风机运行过程中是震动的，当风机与太阳能集热器之间通过软管连接时，软管可以缓冲风机的震动，减少风机震动的传递。

更进一步优选的，所述软管的材质为硅钛复胶。硅钛复胶是一种高性能合成材料，具有耐高温、耐透气、耐老化性能，且具有柔软性能强、韧性好的优势。

优选的，所述供热结构为地埋盘管。将地埋盘管埋入地板下，可以作为地暖辐射供暖。

优选的，所述供暖系统中还包括气液分离装置和压缩机，蒸发器、气液分离装置、压缩机和地埋盘管依次连接。被太阳能加热的空气与蒸发器中的热媒进行换热，热媒受热蒸发后流经气液分离器，将液态的热媒分离出来，防止湿压缩对压缩机造成伤害，低温低压的气态热媒进入压缩机后进行压缩变成高温高压的热媒，高温高压的热媒进入地埋盘管内进行辐射放热，给室内供暖。

优选的，所述供热结构的下游设置有储液器。高温热媒经过供热结构对外散热后，热媒冷却，液化，通过储液器对液化后的热媒进行储存，便于换热介质的后续处理和循环利用。

进一步优选的，所述储液器的下游设置有过滤器。

热媒在流动过程中或许会携带有固体颗粒，固体颗粒的存在影响热媒的后续使用，使用过滤器对循环热媒进行过滤，避免堵塞下游的膨胀阀。

更进一步优选的，所述过滤器的下游设置有膨胀阀。

膨胀阀作为节流装置把高压液体热媒变为低压液体热媒，同时控制热媒流量，以便进入蒸发器的热媒可以充分蒸发，从而最大地发挥蒸发器的性能。

利用上述太阳能-空气源复合式热泵无水采暖系统进行采暖的方法，包括如下步骤：

将空气引入太阳能集热器进行加热，加热后的空气与蒸发器中的热媒进行换热，热媒受热蒸发，变为气态热媒，气态热媒经过压缩后通过供热结构对建筑物进行供热。

优选的，上述方法中还包括太阳能加热后的空气与太阳能集热器上的蓄热层中的相变储能材料进行热交换进行储存热量的过程。

优选的，上述方法还包括空气在太阳能集热器呈“S”状流动的过程。

上述具有蓄热功能的太阳能-空气源复合式热泵无水采暖系统在建筑中的应用。

本发明的有益效果为：

在冬季制热空调热负荷较大时，室外空气先被太阳能空气集热器进行预加热，然后再和蒸发器内的制冷剂进行热量交换，这样不仅可以避免了蒸发器的结霜，使得蒸发器有较高的换热效率，而且也可以避免因蒸发器结霜带来的热泵机组的间断运行。同时，蒸发温度的升高也可以改善压缩机的工作环境，提高热泵机组的性能。

本发明中的供暖系统为无水地暖系统，解决了水暖系统容易结垢影响散热的问题，而且系统简化，减少了安装成本，室内不必预留机房的位置，节省了空间。

太阳能集热器为真空管空气集热器，真空管空气集热器具有热效率高、使用寿命长、散热小、保温效果好以及抗冻能力强等优点。

在真空管集热器外增加一层蓄热层，蓄热层内盛放有相变储能材料，当太阳辐射通过真空管加热管内空气时，辐射能转化为热能，一部分热能随空气流动与蒸发器内的制冷剂进行热量交换，一部分热能与相变储能材料进行热量交换，将热量储存在相变储能材料内，使得太阳能空气集热器在夜晚和连续阴雨天也能加热空气。在蓄热层外增加一层保温层，减少了热量的散失。

附图说明

图1为本发明实施例的系统原理结构示意图；

图2为本发明太阳能空气集热器内空气流动示意图；

图3为图2中沿A-A方向的剖视图结构示意图。

图中，1、太阳能集热器，2、软管，3、风机，4、蒸发器，5、气液分离器，6、压缩机，7、地埋盘管，8、储液器，9、过滤器，10、膨胀阀，11、集热管集联器，12、蓄热层，13、保温层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细地说明。

如图1所示，一种太阳能-空气源复合式热泵无水采暖系统，包括太阳能集热器1和供暖系统，其中，太阳能集热器1包括若干个太阳能集热管、进气口和出气口，太阳能集热管分布在进气口与出气口之间，相邻集热管通过集联器11连接，太阳能集热器1内部构成气体通道；供暖系统中包括依次连通的蒸发器4、汽液分离器5、压缩机6、地埋盘管7、储液器8、过滤器9和膨胀阀10；

太阳能集热器1的出气口通过软管2与风机3连接，风机3通过管道与所述蒸发器4连通，被太阳能集热器1加热后的空气与蒸发器4中的热媒进行换热，热媒受热蒸发后经过压缩后，变成高温热媒，通过供热结构，对建筑物供热。

太阳能集热管为真空集热管，其个数可以为4-10个，也可以更多或更少，根据具体情况调整。

软管2可以为金属软管或塑料软管，也可以为其他材质的软管。以金属软管为例，说明软管的一般的结构：包括波纹柔性管、网套和接头。波纹柔性软管可以随意弯折，且在弯折的过程中产生极小的应力。

塑料软管的材质优选为硅钛复胶。硅钛复胶是一种高性能合成材料，具有耐高温、耐透气、耐老化性能，且具有柔软性能强、韧性好的优势。

由于风机3运行过程中会发生震动，软管将风机3与太阳能集热器进行连接，风机3震动带动软管2发生变形，进而可以缓冲风机3的震动，使震动在传递过程中逐渐减小。

蒸发器4内的盘管中盛放制冷剂，制冷剂被空气加热蒸发，完成循环工质由液态到气态的转化。

如图2所示，太阳能集热管1内设置有集热板，集热板的安装位置使空气在太阳能集热器内呈“S”型流动。集热板吸收太阳辐射，将辐射能转化为热能，空气作为集热器中的载热介质，由进风口进入，流经集热板的表面时被加热，被加热的空气由出风口流出。可以提高对空气的加热效果，解决了空气源热泵系统在冬季热负荷较大的情况下使用中出现的蒸发器结霜以及系统性能较低的问题。

在所述集热管集联器的外表面设置蓄热层和保温层，，蓄热层位于保温层的内部，蓄热层内填充有相变储能材料，相变储能材料为蜡质相变材料，蜡质相变材料具有融化潜热高、相变温度适中、固液两项导热系数大、固液相变过程有较小的膨胀收缩性优点。

太阳能集热管将太阳能转化为热能后，一部分热能与相变储能材料进行热量交换，将热量储存在相变储能材料内，使得太阳能集热器在夜晚和连续阴雨天气也能加热空气，实现了太阳能作为单一热源使用。在蓄热层外增加保温层，可以减少热量的散失。

所述供热结构为地埋盘管。将地埋盘管埋入地板下，可以作为地暖辐射供暖。

实施例1

太阳能集热器1中包括5个真空集热管，5个真空集热管并排安装在集热管集联器11上，集热管集联器11的两端分别设置有进气口和出气口，集热板的一端固定在集热管集联器11上，另一端延伸进入真空集热管中，进入到真空集热管中的集热板与真空集热管的底部之间留有一定的间距。集热板对空气的流通起阻挡作用，将空气引入真空集热管。由于真空集热管是并排安装的，所以空气依次流经5个真空集热管，在太阳能集热器1中呈“S”状流动。

室外温度为-15℃，风机3为空气的流动提供动力，使空气在太阳能集热器1中的流动速度为1～3m/s，太阳能集热器1出气口处的空气的温度为0℃～5℃，加热后的空气与蒸发器中的制冷剂(如：氨、氟利昂类等)进行换热，制冷剂受热蒸发，对制冷剂进行气液分离后，气体进入压缩机进行压缩，压缩机6的功率为1.0KW，压缩后的气体温度约为35℃，高温高压的加热气体在地埋盘管中冷凝后对外供热，可使建筑面积为100m²的房间内保持18℃以上。

电能消耗为每小时1.1度电。该供暖系统可以连续使用15年以上。

对比例

与实施例1的区别是：省略太阳能集热器1，直接将将蒸发器4通过风机与空气连通。室外空气与蒸发器4中的制冷剂(与实施例中的制冷剂相同)进行换热(蒸发器的表面结霜)，制冷剂受热蒸发，对制冷剂进行气液分离后，对气体进行压缩，压缩机6的功率为1.4KW，压缩后的气体温度约为35℃，高温高压的加热气体在地埋盘管中冷凝后对外供热，可使建筑面积为100m²的房间内保持18℃以上。

电能消耗为每小时1.6度电。该空调系统的连续使用寿命为15年。

实施例2

太阳能集热器1中包括5个真空集热管，5个真空集热管并排安装在集热管集联器11上，集热管集联器11的两端分别设置有进气口和出气口，集热板的一端固定在集热管集联器11上，另一端延伸进入真空集热管中，进入到真空集热管中的集热板与真空集热管的底部之间留有一定的间距。集热板对空气的流通起阻挡作用，将空气引入真空集热管。由于真空集热管是并排安装的，所以空气依次流经5个真空集热管，在太阳能集热器1中呈“S”状流动。

如图3所示，集热管集联器11的外表面包裹有一层蓄热层12，蓄热层12的厚度约为40mm，每1米集热管集联器11填充的蜡质相变材料的质量为30kg，蓄热层12的外层包裹有保温层13，保温层13的材质为橡塑，保温层的厚度为20mm。

夜晚，室外温度为-20℃，风机3为空气的流动提供动力，使空气在太阳能集热器1中的流动速度为1～3m/s，太阳能集热器1出气口处的空气的温度为-5℃～0℃，加热后的空气与蒸发器中的制冷剂(如：氨、氟利昂类等)进行换热，制冷剂受热蒸发，对制冷剂进行气液分离后，对气体进行压缩，压缩机6的功率为1.2KW，压缩后的气体温度约为35℃，高温高压的加热气体在地埋盘管中冷凝后对外供热，可使建筑面积为100m²的房间内保持18℃以上。

连续阴雨天气，室外光照强度5000Lux，室外温度为-17℃，风机3为空气的流动提供动力，使空气在太阳能集热器1中的流动速度为1～3m/s，太阳能集热器1出气口处的空气的温度为-3℃～0℃，加热后的空气与蒸发器中的制冷剂(如：氨、氟利昂类等)进行换热，制冷剂受热蒸发，对制冷剂进行气液分离后，对气体进行压缩，压缩机6的功率为1.2KW，压缩后的气体温度约为35℃，高温高压的加热气体在地埋盘管中冷凝后对外供热，可使建筑面积为100m²的房间内保持18℃以上。在连续阴雨天气，可以连续供暖2天。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。