一种相变太阳墙辅助的空气源热泵系统及室内供热方法与流程

[0001]
本发明涉及热泵系统，尤其涉及一种相变太阳墙辅助的空气源热泵系统。


背景技术：

[0002]
由于太阳能能流密度小，太阳辐射强度受季节、地域、天气、朝向等因素的影响较大，具有波动性、间歇性的特点，传统的太阳墙供暖和通风的调温可控性较差，太阳墙式被动太阳房的全天室温波动较大，这一点随着蓄热系统的改进，比如设置相变层的太阳墙，得到了一定的改善，但是其室温的变化却始终无法达到主动式太阳能系统的平稳状态，甚至会出现昼夜温度大起大落现象。
[0003]
为了保证太阳墙式被动太阳房全天候的室内热舒适性，往往需要辅助其他热源设备，如空气源热泵。空气源热泵因具有适用范围广、运行成本低、节能效果突出、安装方便等优点而应用广泛，但它同时具有性能易受室外气候变化的影响、易结霜、在室外空气温度较低时其性能较差导致供热量不足等缺点，因此在寒冷地区，空气源热泵的性能急剧下降甚至无法启动运行。
[0004]
基于上述，如何克服二者的缺点，在提高太阳能的利用效率和空气源热泵在寒冷的气候条件下的能效比的同时，改善太阳墙式被动太阳房的全天候的热舒适性，成了业内关注的并且期待解决的技术问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种相变太阳墙辅助的空气源热泵系统及室内供热方法，能够实现太阳能的被动式与主动式的耦合利用，提高了太阳能的利用效率和空气源热泵的能效的同时，满足了太阳墙式被动太阳房的全天候的热舒适性要求。
[0006]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：所述相变太阳墙辅助的空气源热泵系统包括热泵单元和相变太阳墙辅助单元组成；热泵单元由压缩机1、室外空气换热器2、室内空气换热器3、相变墙内置蒸发器4、第一节流部件5a、第二节流部件5b、闪发蒸气分离器6、第一气液分离器7a、第二气液分离器7b、第一电动控制阀8a、第二电动控制阀8b组成，所述压缩机1设置排气口、高压吸气口和低压吸气口，压缩机1的排气口与室内空气换热器3的制冷剂进口连接，室内空气换热器3制冷剂出口、第一节流部件5a、闪发蒸气分离器6的进口依次串接，闪发蒸气分离器6还设气态制冷剂出口和液态制冷剂出口，闪发蒸气分离器6的气态制冷剂出口经第二气液分离器7b与压缩机的高压吸气口相连，闪发蒸气分离器6的液态制冷剂出口分为两个支路，其中的一支路经第二电动控制阀8b与相变墙内置蒸发器4的制冷剂进口连接，相变墙内置蒸发器4的制冷剂出口经第二气液分离器7b与压缩机1的高压吸气口连接，另一支路与第二节流部件5b进口相连，第二节流部件5b出口、第一电动控制阀8a、室外空气换热器2、第一气液分离器7a、压缩机1的低压吸气口依次串接；所述的相变太阳墙辅助单元由玻璃盖板9、空气夹层10、相变蓄热墙11、太阳能集热吸热板12、第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d、遮阳卷帘14组成。
[0007]
所述相变蓄热墙11由太阳能集热吸热板12（含高吸收率涂层）、承重砌块层11a、相变层11b、保温层11c组成；所述相变墙内置蒸发器4为单排或多排铜管或不锈钢换热管，管外套整体铝翅片或不锈钢翅片，并埋置于相变蓄热墙11的相变层11b内。
[0008]
所述相变材料为相变温度在10℃~30℃范围内对铜管或不锈钢管无腐蚀性的有机相变材料，包括石蜡、癸酸（c
10
h
20
o
2 ）、正辛酸（c8h
16
o2）、棕榈酸丙酯（c
19
h
38
o2）、硬脂酸丁酯（c
12
h
24
o2）、癸二酸二甲酯（c
12
h
22
o4）、硬脂酸乙烯酯（c
20
h
38
o2）、聚乙二醇e 600（c2h3o）、正十二醇（c
12
h
26
o）、十八烷（c
18
h
38
）、十六烷（c
16
h
34
）等纯有机物或由癸酸（c
10
h
20
o2）与月桂酸（c
12
h
24
o2）、肉豆蔻酸（c
14
h
28
o2）、棕榈酸（c
16
h
32
o2）、硬脂酸（c
18
h
36
o2）等混合所组成的有机相变蓄热材料。
[0009]
所述热泵单元的工作介质为r22、r134a、r1234yf、r152a、r290等hfc或hc类制冷剂的一种。所述第一节流部件5a、第二节流部件5b为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀的任意一种。
[0010]
室内设第一温度传感器15a，相变蓄热墙11内表面中心处设第二温度传感器15b，第一温度传感器15a和第二温度传感器15b的电信号输出端与控制盒16相连，控制盒16还与第一电动控制阀8a、第二电动控制阀8b、第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d、压缩机1的电信号线相连。
[0011]
一种相变太阳墙辅助的空气源热泵系统的室内供热方法，具体方法如下: 所述的相变太阳墙辅助的空气源热泵系统以相变太阳墙自然通风模式或热泵循环制热模式提供室内所需供热量。当有太阳辐射时，所述第一风阀13a、第二风阀13b均关闭，第三风阀13c、第四风阀13d均打开，以相变太阳墙的烟囱效应形成自然通风来加热室内空气从而达到满足室内热舒适性要求；当相变太阳墙以自然通风模式单独运行无法满足室内热舒适性要求时，第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d、第一电动控制阀8a均关闭，第二电动控制阀8b打开，由压缩机1、室内空气换热器3、相变墙内置蒸发器4、第一节流部件5a、闪发蒸气分离器6、第二气液分离器7b、第二电动控制阀8b组成的相变太阳墙热泵系统以单级压缩热泵循环模式工作制热，单独提供室内所需加热量；当相变太阳墙热泵系统以单级压缩热泵循环模式工作制热无法满足室内热舒适性要求时，第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d均关闭，第一电动控制阀8a、第二电动控制阀8b均打开，由压缩机1、室内空气换热器3、相变墙内置蒸发器4、第一节流部件5a、闪发蒸气分离器6、第二气液分离器7b、第二电动控制阀8b组成的相变太阳墙热泵以高压级压缩热泵循环模式工作制热，由压缩机1、室外空气换热器2、室内空气换热器3、第一节流部件5a、第二节流部件5b、闪发蒸气分离器6、第一气液分离器7a、第一电动控制阀8a组成的空气源热泵以低压级压缩热泵循环模式工作制热，二者联合工作，共同提供室内所需加热量；当相变蓄热墙内表面温度低于室内空气温度时，第二电动控制阀8b关闭，第一电动控制阀8a打开，由压缩机1、室外空气换热器2、室内空气换热器3、第一节流部件5a、第二节流部件5b、闪发蒸气分离器6、第一气液分离器7a、第二气液分离器7b组成的空气源热泵以中间补气的双级压缩热泵循环制热模式工作制热，提供室内所需加热量。
[0012]
本发明的有益效果是：本发明通过相变太阳墙自然通风模式和热泵循环制热模式的转换为室内提供所需热量，实现了太阳能的被动式与主动式的耦合利用，提高了太阳能的利用效率；采用一台压缩机实现单级压缩热泵循环或双级压缩热泵循环，分级利用了不
同温度的低品位热能，提高了空气源热泵的能效比、节约了成本和高品位电能；通过设置相变墙将太阳能转化为潜热或显热储存起来，以保证在制热模式下相变太阳墙辅助的空气源热泵系统在夜间或阴天连续高效工作，解决了低温环境下的空气源热泵供热不足问题。
附图说明
[0013]
图1是本发明的一种相变太阳墙辅助的空气源热泵系统的结构原理图。图1中的空心箭头表示系统各部分间所连管道中的制冷工质流向。
[0014]
附图标记：1-压缩机，2-室外空气换热器，3-室内空气换热器，4-相变墙内置蒸发器，5a-第一节流部件，5b-第二节流部件，6-闪发蒸气分离器，7a-第一气液分离器，7b-第二气液分离器，8a-第一电动控制阀，8b-第二电动控制阀，9-玻璃盖板，10-空气夹层，11-相变蓄热墙，12-太阳能集热吸热板，13a-第一风阀，13b-第二风阀，13c-第三风阀，13d-第四风阀，14-遮阳卷帘，15a-第一温度传感器，15b-第二温度传感器，16-控制盒。
具体实施方式
[0015]
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出本实施例只用于对本发明做进一步解释说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟知人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进与调整。
[0016]
本发明的具体实施方式为：一种相变太阳墙辅助的空气源热泵系统包括热泵单元和相变太阳墙辅助单元，热泵单元由压缩机1、室外空气换热器2、室内空气换热器3、相变墙内置蒸发器4、第一节流部件5a、第二节流部件5b、闪发蒸气分离器6、第一气液分离器7a、第二气液分离器7b、第一电动控制阀8a、第二电动控制阀8b组成，所述压缩机1设置排气口、高压吸气口和低压吸气口，压缩机1的排气口与室内空气换热器3的制冷剂进口连接，室内空气换热器3制冷剂出口、第一节流部件5a、闪发蒸气分离器6的进口依次串接，闪发蒸气分离器6还设气态制冷剂出口和液态制冷剂出口，闪发蒸气分离器6的气态制冷剂出口经第二气液分离器7b与压缩机的高压吸气口相连，闪发蒸气分离器6的液态制冷剂出口分为两个支路，其中的一支路经第二电动控制阀8b与相变墙内置蒸发器4的制冷剂进口连接，相变墙内置蒸发器4的制冷剂出口经第二气液分离器7b与压缩机1的高压吸气口连接，另一支路与第二节流部件5b进口相连，第二节流部件5b出口、第一电动控制阀8a、室外空气换热器2、第一气液分离器7a、压缩机1的低压吸气口依次串接；所述第一节流部件5a、第二节流部件5b为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀的任意一种。所述热泵单元的工作介质为r22、r134a、r1234yf、r152a、r290等hfc或hc类制冷剂的一种。
[0017]
相变太阳墙辅助单元由玻璃盖板9、空气夹层10、相变蓄热墙11、太阳能集热吸热板12、第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d、遮阳卷帘14组成。所述相变蓄热墙11由太阳能集热吸热板12（含高吸收率涂层）、承重砌块层11a、相变层11b、保温层11c组成；所述相变墙内置蒸发器4为单排或多排铜管或不锈钢换热管，管外套整体铝翅片或不锈钢翅片，并埋置于相变蓄热墙11的相变层11b内。
[0018]
所述相变层11b中的相变材料为相变温度在10℃~30℃范围内对铜管或不锈钢管无腐蚀性的有机相变材料，包括石蜡、癸酸（c
10
h
20
o2）、正辛酸（c8h
16
o2）、棕榈酸丙酯
（c
19
h
38
o2）、硬脂酸丁酯（c
12
h
24
o2）、癸二酸二甲酯（c
12
h
22
o4）、硬脂酸乙烯酯（c
20
h
38
o2）、聚乙二醇e 600（c2h3o）、正十二醇（c
12
h
26
o）、十八烷（c
18
h
38
）、十六烷（c
16
h
34
）等纯有机物或由癸酸（c
10
h
20
o2）与月桂酸（c
12
h
24
o2）、肉豆蔻酸（c
14
h
28
o2）、棕榈酸（c
16
h
32
o2）、硬脂酸（c
18
h
36
o2）等混合所组成的有机相变蓄热材料。
[0019]
室内设置第一温度传感器15a、相变蓄热墙11内表面中心处设置第二温度传感器15b，第一温度传感器15a和第二温度传感器15b的电信号输出端与控制盒16相连，控制盒16还与第一电动控制阀8a、第二电动控制阀8b、第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d、压缩机1的电信号线相连。
[0020]
在本发明中，一种相变太阳墙辅助的空气源热泵系统的工作过程及室内供热方法，具体如下: 相变太阳墙辅助的空气源热泵系统以相变太阳墙自然通风模式或热泵循环制热模式提供室内所需热量。当有太阳辐射时，通过打开第三风阀13c、第四风阀13d，关闭第一风阀13a、第二风阀13b及不启动热泵系统，实现相变太阳墙自然通风模式供热，透过玻璃盖板9的太阳辐射被太阳能集热吸热板12吸收之后，太阳能集热吸热板12的温度升高，其吸收的热量一部分沿着相变蓄热墙11传递并被相变蓄热墙11储存起来，一部分用来加热从相变蓄热墙11下端风口进入空气夹层10内的室内空气，空气夹层10内的空气吸收了太阳能集热吸热板12通过对流换热传递给它的热量后，温度升高，密度减小，在热浮升力的作用下，热空气上升，热空气从相变蓄热墙11顶部的风口进至室内，此时仅需通过相变太阳墙产生烟囱效应以形成自然通风来加热室内空气以满足室内热舒适性要求；当相变太阳墙以自然通风模式单独运行无法满足室内热舒适性要求时，即第一温度传感器15a检测到的室内空气温度低于设定温度时，启动压缩机1、打开第二电动控制阀8b，关闭第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d、第一电动控制阀8a，由压缩机1、室内空气换热器3、相变墙内置蒸发器4、第一节流部件5a、闪发蒸气分离器6、第二气液分离器7b、第二电动控制阀8b组成的相变太阳墙热泵系统以单级压缩热泵循环模式工作制热，单独提供室内空气所需加热量，此时被太阳能集热吸热板12吸收的太阳辐射大部分沿着相变蓄热墙11传递并被相变蓄热墙11储存起来，相变蓄热墙11的温度升高，而压缩机1出口的高温高压的气态制冷剂进入室内空气换热器3之后冷凝放热，将其热量传给了室内空气，然后变成高温高压的液态制冷剂，液态制冷剂经第一节流部件5a节流降压，变成低温低压的湿蒸气，再进入闪发蒸气分离器6，由闪发蒸气分离器6分离出来的液态制冷剂经过相变墙内置蒸发器4时吸收相变蓄热墙11的热量而变成气态，然后与从闪发蒸气分离器6分离出来的气态制冷剂汇合之后再经过第二气液分离器7b进入压缩机1的高压吸气口，完成相变太阳墙单级压缩热泵循环；当相变太阳墙热泵系统以单级压缩热泵循环模式工作制热无法满足室内热舒适性要求时，即第一温度传感器15a检测到的室内空气温度低于设定温度时，打开第一电动控制阀8a、第二电动控制阀8b，关闭第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d，由压缩机1、室内空气换热器3、相变墙内置蒸发器4、第一节流部件5a、闪发蒸气分离器6、第二气液分离器7b、第二电动控制阀8b组成的相变太阳墙热泵以高压级压缩热泵循环模式工作制热，由压缩机1、室外空气换热器2、室内空气换热器3、第一节流部件5a、第二节流部件5b、闪发蒸气分离器6、第一气液分离器7a、第一电动控制阀8a组成的空气源热泵以低压级压缩热泵循环模式工作制热，二者联合工作，共同提供室内所需加热量，此时被太阳能集热吸热板12吸收的太阳辐射大部分沿着相变蓄热墙11传递并被相变蓄热墙11储存起来，相变蓄热墙
11的温度升高，而压缩机1出口的高温高压的气态制冷剂进入室内空气换热器3之后冷凝放热，将其热量传给了室内空气，然后变成高温高压的液态制冷剂，液态制冷剂经第一节流部件5a节流降压，变成低温低压的湿蒸气，再进入闪发蒸气分离器6，由闪发蒸气分离器6分离出来的液态制冷剂一部分经过相变墙内置蒸发器4吸收相变墙的热量而变成气态，然后与从闪发蒸气分离器6分离出来的气态制冷剂汇合之后再进入压缩机1的高压吸气口，由闪发蒸气分离器6分离出来的液态制冷剂的另外一部分经过第二节流部件5b节流降压，再经过室外空气换热器2吸收室外空气的热量而变成气态，通过第一气液分离器7a进入压缩机1的低压吸气口，完成双级压缩热泵循环；当第二温度传感器15b检测到的相变蓄热墙11内表面温度低于室内空气温度时，打开第一电动控制阀8a，关闭第二电动控制阀8b、第一风阀13a、第二风阀13b、第三风阀13c、第四风阀13d，由压缩机1、室外空气换热器2、室内空气换热器3、第一节流部件5a、第二节流部件5b、闪发蒸气分离器6、第一气液分离器7a、第二气液分离器7b、第一电动控制阀8a组成的空气源热泵以中间补气的双级压缩热泵循环制热模式工作制热，提供室内所需加热量，此时压缩机1出口的高温高压的气态制冷剂进入室内空气换热器3之后冷凝放热，将其热量传给了室内空气，然后变成高温高压的液态制冷剂，液态制冷剂经第一节流部件5a节流降压，变成低温低压的湿蒸气，再进入闪发蒸气分离器6，由闪发蒸气分离器6分离出来的气态制冷剂经过第二气液分离器7b进入压缩机的高压吸气口，由闪发蒸气分离器6分离出来的液态制冷剂经过第二节流部件5b节流降压，再经过室外空气换热器2时吸收室外空气的热量而变成气态，通过第一气液分离器7a进入压缩机的低压吸气口，完成中间补气的双级压缩热泵循环。
[0021]
以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和发明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围 由所附的权利要求书及其等效物界定。