一种结合相变蓄能的全年毛细管网辐射空调节能系统的制作方法

本发明属于制冷采暖空调应用领域，涉及室内热舒适度调节和系统节能过程，具体涉及一种结合相变蓄能的全年毛细管网辐射空调节能系统。

技术背景

当前这个时代是能源日趋匮乏的时代，是讲求高效利用能源，节能环保以及充分利用太阳能等可再生能源的时代。为顺应时代的发展以及响应政府的号召，未来的科技发展方向必定是围绕节能环保、高效利用能源以及开发利用可再生能源来进行的。

建筑能耗是整个社会能耗环节的重要组成部分，其中制冷采暖能耗更是占据建筑总能耗的2/3左右。每年为满足人们的制冷以及采暖需求都要消耗大量的电能以及煤炭、天然气等化石能源，并且伴随着化石能源的消耗，碳排放等环境污染问题也变得越来越严重。发展建筑节能技术对降低能源消耗，充分利用可再生能源以及减少碳排放等污染物的排放问题至关重要。

太阳能作为一种被人类广泛利用的可再生能源，不仅节能环保，更是取之不尽用之不竭。然而太阳能并不是一种稳定的能源，在使用中受季节、气候等因素的影响很大，因而单纯依靠太阳能来提供充足和持续的能量是不现实的。

地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源(如电能)实现由低品位能源向高品位能源转移的装置，是一种充分利用低品位能源的高效节能装置，通常地源热泵消耗1千瓦的能量，用户可以得到4.4千瓦以上的热量或者冷量。

毛细管网辐射空调技术被列为上世纪末改变人类现有历史的重大科技发明，被认为是改变人类未来生活方式的先进暖通末端。采用毛细管网辐射制冷采暖，由于辐射面积密而广，因而系统辐射表面与房间温差小，与传统的全空气空调系统夏季制冷供水水温7～12℃，冬季采暖供水水温40～45℃相比，毛细管网辐射空调系统夏季制冷供水水温只有16～18℃，冬季采暖供水水温只有30～32℃。通过大量的研究得出结论：毛细管网辐射空调系统的换热效率高、用能品位低，可以提高空调机组的能效，或直接利用可再生能源以及工业余热，其带来的建筑节能效果可达30％以上。

相变蓄能技术是采用具有一定相变温度的相变材料，将特定时间的能量以相变潜热的形式储存在相变材料中并在特定时间将这些能量进行释放的技术。

冰蓄冷中央空调系统是利用冰作为蓄冷用的相变材料，在夜间开启制冷系统将冷量储存在冰中，等到白天再将冰中储存的冷量释放出去。该技术所具备的优点是能充分利用低谷电价，起到削峰移谷的作用，能为用户节省电费。但由于冰的相变温度是0℃，因而在夜间用冰蓄冷时，冰蓄冷中央空调的双工况机组需要提供-5℃以下的乙二醇供液温度，相比于中央空调正常供液时7℃左右的供液温度来说空调机组在夜间进行冰蓄冷时的供液温度是明显降低的，这样会导致制冷机组的制冷效率显著降低，并且到了冬天需要采暖时不能用冰来储存采暖所需的热量，因此冰蓄冷中央空调只能用于夏季储存冷量并不能在冬季储存热量。

针对以上现状，本发明提出将太阳能、地源热泵、相变蓄能技术与毛细管网辐射空调系统相结合的制冷采暖空调系统设计方式。一方面由于毛细管网辐射空调系统夏季制冷所需供水水温一般在16～18℃，因而可采用相变温度在13℃左右的相变材料来取代冰作为蓄冷材料，由于毛细管网辐射空调系统冬季供暖所需供水水温一般在30～32℃，因而可采用相变温度在35℃左右的相变材料来作为蓄热材料，夏季通过循环10℃左右的冷水为相变蓄冷材料蓄存冷量，冬季通过循环38℃左右的热水为相变蓄热材料蓄存热量；另一方面利用地源热泵作为夏季冷量来源，利用太阳能并结合地源热泵作为冬季热量来源，充分利用太阳能这一可再生能源以及充分利用地源热泵这一节能装置，从而达到最高的节能效果，并且每个季节都利用地源热泵在夜间储存白天所需的冷量或者热量，充分利用夜间的低谷电价，起到削峰移谷的作用，对于用户而言可大大减少空调的运行费用，对国家而言可减少电厂发电设备装机容量，减少国家电力投资，大量节约国家自然资源并减少烟尘、二氧化碳等污染物的排放，具有环保效益。

技术实现要素：

本发明针对为了充分有效利用太阳能、合理利用地源热泵这一节能装置、充分利用夜间低谷电价以及提高人体舒适度，从能量的初级获取、能量的中间存储和能量的末端使用三个环节来进行设计。充分利用了毛细管网辐射空调系统运用低品位能源这一优点，夏季设置相变温度为13℃的相变蓄冷模块，冬季设置相变温度为35℃的相变蓄热模块，可以充分利用太阳能资源，提高了夏季的供冷温度和降低了冬季的供热温度，还能够大幅度提高地源热泵的工作效率，并且应用毛细管网作为空调末端还能提高房间温度分布的均匀性，从而最大限度地提高人体舒适度。

一种结合相变蓄能的全年毛细管网辐射空调节能系统，该系统由太阳能集热器1、地源热泵2、冬季相变蓄热模块3、夏季相变蓄冷模块4、毛细管网末端5、毛细管网末端进水总管①、毛细管网末端出水总管②以及其他辅助设备组成。所述其他辅助设备包括截止阀6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19以及循环水泵20、21、22。

本发明的构思是：将冬季相变蓄热模块3和夏季相变蓄冷模块4安装在一栋大楼的地下，尽可能的保温，大楼的中央空调以毛细管网作为辐射末端，安装地源热泵2为夏季制冷提供冷量以及为冬季采暖提供热量，在大楼的天台安装太阳能集热器1来收集太阳能用于冬季采暖。

夏季时，先由地源热泵2在夜间利用低谷电价通过制取10℃左右的冷水向夏季相变蓄冷模块4中储存冷量，白天的时候首先利用夜间通过地源热泵2储存在夏季相变蓄冷模块4中的冷量供应给大楼中的毛细管网末端5，若白天制冷需求大，夜间储存的冷量用完后直接开启地源热泵2，将地源热泵2制得的16～18℃的冷水直接供给给大楼中的毛细管网末端5，此时地源热泵2制得的冷水不再经过相变蓄冷模块4，等到夜间，大楼中不再有人员活动，此时再通过地源热泵2制取10℃左右的冷水向相变蓄冷模块4中储存冷量。

冬季时，由于白天通常情况下7点～10点时太阳辐射强度很低，因而同样是先由地源热泵2在夜间利用低谷电价通过制取38℃的热水向冬季相变蓄热模块3中储存热量，白天由太阳能集热器1收集太阳辐射热，将水加热到38℃以上后输送到相变蓄热模块3中，使热水与相变蓄热材料进行换热，将热量储存在相变蓄热模块3中，但大楼在白天7点～10点间的采暖主要使用的是夜间由地源热泵2储存在相变蓄热材料中的热量，10点之后采暖使用的热量开始主要来自于相变蓄热模块3中储存的太阳能，在储存的太阳能用完后直接开启地源热泵2，将地源热泵2制得的30～32℃左右热水直接供给给大楼中的毛细管网末端5，此时地源热泵2制得的热水不再经过相变蓄热模块3，等到夜间，大楼中不再有人员活动，此时再通过地源热泵2制取热水向相变蓄热模块3中储存热量。

为保证夜间的蓄冷蓄热过程能够正常进行，设置用于蓄能的循环水的温度与相变蓄能材料的相变温度之间有3℃的温差，也就是设定用于蓄冷的冷水温度为10℃，用于蓄热的热水温度为38℃。由于循环水在流经管路提供给毛细管网末端5时会有能量的散失，并且为应对不同的气候条件，要求系统能为毛细管网末端5提供16～18℃的冷水以及提供30～32℃的热水，并且为应对极端气候条件，地源热泵2还必须能够在特殊情况为毛细管网末端5提供温度更低的冷水以及温度更高的热水。

本发明利用现有成熟的太阳能集热器技术、地源热泵制冷采暖技术，利用相变蓄冷蓄热技术和毛细管网的低温辐射特性，并充分利用夜间低谷电价的优势，实现低品位能源的梯级利用和能量的二次分配以及建筑用电负荷的削峰移谷，提高能量的利用效率、地源热泵的工作效率，充分的利用了太阳能这一可再生能源并且在满足用户制冷采暖需求的同时将用电费用控制在最低。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构原理图。

图中：1、太阳能集热器；2、地源热泵；3、冬季相变蓄热模块；4、夏季相变蓄冷模块；5、毛细管网末端；6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、截止阀；20、21、22、循环水泵；①、毛细管网末端进水总管；②、毛细管网末端出水总管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明一种结合相变蓄能的全年毛细管网辐射空调节能系统，包括太阳能集热器1、地源热泵2、冬季相变蓄热模块3、夏季相变蓄冷模块4、毛细管网末端5、毛细管网末端进水总管①、毛细管网末端出水总管②、截止阀6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19以及循环水泵20、21、22。

夏季时，夜间，先由地源热泵2制取10℃左右的冷水，开启循环水泵20、截止阀10、截止阀14、截止阀16、截止阀18、截止阀19，通过循环水泵20的作用，将地源热泵2制得的冷水先依次经过截止阀19、循环水泵20、截止阀10输送到夏季相变蓄冷模块4中，冷水与相变蓄冷模块4中的相变材料进行充分换热后，由地源热泵2制得的冷量被储存在了相变蓄冷模块4中，换热后的循环水再依次经过截止阀14、截止阀16、截止阀18后返回到地源热泵2，等到安装在相变蓄冷模块4中的温度感应器感应到相变蓄冷模块4中的温度已达到设定温度，即相变蓄冷模块4中储存的冷量已达到设定要求后，通过温度感应器传出的电信号来控制关闭地源热泵2停止蓄冷，该循环即完成了夏季夜间由地源热泵2制取冷量并向相变蓄冷材料4中储存冷量的夏季地源热泵2蓄冷循环过程。白天，开启循环水泵21、截止阀11、截止阀15，通过循环水泵21的作用，将夜间储存在相变蓄冷模块4中的冷量输送到大楼中的毛细管网末端5，该过程首先是由循环水泵21将循环水经截止阀15输送到相变蓄冷模块4中，循环水在与相变蓄冷模块中的相变材料进行充分换热后，将夜间由地源热泵2制得的冷量带出，循环水再依次经过截止阀11、毛细管网末端进水总管①后分配给各个有需要的毛细管网末端5，流过各个毛细管网末端5的循环水与各个房间之间进行了充分的换热，将房间降温后统一流到毛细管网末端出水总管②中，依次经过循环水泵21、截止阀15后再重新进入相变蓄冷模块4中，从而完成了一个夏季相变蓄冷模块4制冷循环。若当天用冷量过多，通过夜间储存在相变蓄冷模块4中的冷量已不足以满足制冷需求，这时同样由安装在相变蓄冷模块4中的温度感应器感知到相变材料的温度已达设定温度的上限，即相变蓄冷模块4中的冷量已不足以用来进行制冷循环后，通过温度感应器传出的电信号来再次启动地源热泵2，开启循环水泵20、截止阀7、截止阀16、截止阀18、截止阀19，此时地源热泵2制取的冷水将不再经过相变蓄冷模块4，而是在循环水泵20的作用下先依次经过截止阀19、循环水泵20、截止阀7、毛细管网末端进水总管①后供给给各个有需要的毛细管网末端5，流过各个毛细管网末端5的循环水与各个房间之间进行了充分的换热，将房间降温后统一流到毛细管网末端出水总管②中，再依次经过循环水泵21、截止阀16、截止阀18后回到地源热泵2中，从而完成一次夏季地源热泵2制冷循环。

冬季时，夜间，先由地源热泵2制取38℃左右的热水，开启循环水泵20、截止阀8、截止阀12、截止阀18、截止阀19，经循环水泵20的作用，将地源热泵2制得的热水先依次经过截止阀19、循环水泵20、截止阀8输送到冬季相变蓄热模块3中，热水与相变蓄热模块3中的相变材料进行充分换热后，由地源热泵2制得的热量被储存在了相变蓄热模块3中，换热后的循环水再依次经过截止阀12、截止阀18后返回到地源热泵2，等到安装在相变蓄热模块3中的温度感应器感应到相变蓄热模块3中的温度已达到设定温度，即相变蓄热模块3中储存的热量已达到设定要求后，通过温度感应器传出电信号来控制关闭地源热泵2停止蓄热，该循环即完成了冬季夜间由地源热泵2制取热量并向相变蓄热材料3中储存热量的冬季地源热泵2蓄热循环过程。白天，开启循环水泵21、截止阀9、截止阀13，通过循环水泵21的作用，将夜间储存在相变蓄热模块3中的热量输送到大楼中的毛细管网末端5，该过程首先是由循环水泵21将循环水经截止阀13输送到相变蓄热模块3中，循环水在与相变蓄热模块3中的相变材料进行充分换热后，将夜间由地源热泵2制得的热量带出，循环水再依次经过截止阀9、毛细管网末端进水总管①后分配给各个有需要的毛细管网末端5，流过各个毛细管网末端5的循环水与各个房间之间进行了充分的换热，将房间进行升温后统一流到毛细管网末端出水总管②中，再依次经过循环水泵21、截止阀13后重新进入相变蓄热模块3中，从而完成了一个冬季相变蓄热模块3采暖循环。同时白天随着太阳光照增强，白天由太阳能集热器1搜集的太阳能将水加热至超过38℃后开启循环水泵22、截止阀6、截止阀8、截止阀12、截止阀17，通过循环水泵22的作用，热水先依次经过截止阀6、截止阀8进入到冬季相变蓄热模块3中，此时相变蓄热模块3中不仅有来自太阳能集热器1中的热水通过对流以及导热的方式向相变蓄热模块3中储存热量，还有流过毛细管网末端5进行完一个采暖循环后的循环水从相变蓄热模块3中获得热量来进行一个新的采暖循环，来自太阳能集热器1的循环水在流出相变蓄热模块3后依次经过截止阀12、截止阀17、循环水泵22后再次进入太阳能集热器1中被加热成热水，在循环水泵22的作用下再次流入相变蓄热模块3中进行新一轮的太阳能集热器1蓄热循环。由于早上7点～10点时太阳辐射不强，因而在白天采暖循环过程中，早上7点～10点间采暖使用的热量主要是由夜间地源热泵2利用低谷电价储存在相变蓄热材料3中的，经过白天太阳能不断注入到相变蓄热模块3中，并且由于地源热泵2储存在相变蓄热模块3中的热量的不断消耗，在上午大约10点之后用于采暖循环的热量将主要来自于当天储存在相变蓄热模块3中的太阳能，若当天由于天气等原因导致储存在相变蓄热模块3中的太阳能不足以支撑整栋大楼一下午的采暖需求，安装在相变蓄热模块3中的温度感应器将会在白天的某个时间点感应到相变蓄热模块3中的相变材料温度已低于设定的温度下限，即表示相变蓄热模块3中储存的热量已不足以支撑整栋大楼的采暖需求，此时会由温度感应器传递出的电信号控制地源热泵2启动，开启循环水泵20、截止阀7、截止阀16、截止阀18、截止阀19，地源热泵2制得的热水会在循环水泵20的作用下，先依次经过截止阀19、循环水泵20、截止阀7后进入毛细管网末端进水总管①，通过进水总管①将热水分配给各个有需要的毛细管网末端5，来自地源热泵2的热水通过毛细管网末端5，在将房间温度升高后统一进入毛细管网末端出水总管②，由出水总管②依次经过循环水泵21、截止阀16、截止阀18后再次进入地源热泵2完成一次冬季地源热泵2采暖循环，进入地源热泵2后的循环水再次被地源热泵2加热，加热后的热水再进行下一轮的采暖循环。

在过渡季节则要根据实际的房间温度选择进行制冷循环或者采暖循环。

在每个循环过程中，除被提及的截止阀以及循环水泵是处于开启状态外，未提及的截止阀以及循环水泵都是处于关闭状态。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式只是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。