一种模块化相变蓄能末端的辐射式高效热泵系统

1.本发明属于暖通空调应用领域，具体涉及一种模块化相变蓄能末端的辐射式高效热泵空调系统。


背景技术：

2.一方面，尽管现有的空调系统经历了不断地改善，但仍存在一些明显弊端：难以实现温湿度独立调控、吹风感、能耗高、冷凝水滋生细菌降低新风品质等；另一方面，传统的空气源热泵存在着效率低、冬季结霜严重等一系列缺点，降低了系统的运行效率和效果。
3.为了克服传统空调系统存在的弊端，毛细管网辐射空调系统走进人们视野。辐射毛细管网末端是一种新型采暖方式，由于其辐射加热面积大、供热温度低、无噪音等特点，近年来受到广泛讨论。毛细管网辐射空调系统的传热介质主要分为两种：水媒形式和环保型制冷剂。我国标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(gb 50736-2012)规定，毛细顶板辐射采暖的供水水温应在35℃或更低。由于采用制冷剂直接循环供热的空调热泵系统避免了传统水媒形式的二次换热损失，大大减少了能源消耗并降低造价而逐渐被学者所喜爱。以环保制冷剂替代原有的水媒作为冷热量的循环传导介质，室内塑包金属毛细管网作为冷凝器放热供暖，该系统利用围护结构形成面积巨大的辐射换热器，从而减小了供暖温差，使得低温供暖、更加舒适节能的生活方式得以实现。
4.空气源热泵具有高效、节能、使用方便、应用范围广等优点，但低温高湿地区的结霜和除霜问题已成为制约其高效运行的瓶颈。如何有效延缓空气源热泵的结霜，高效、快速地实现室外换热器的除霜，减少结霜和除霜过程对热泵机组和室内环境的不利影响，关系到空气源热泵能否更广泛、更高效运行的关键问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种新型模块化相变蓄能末端的辐射式高效热泵系统，所述系统包括蓄能型太阳能空气集热器和金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块：两部分通过管道依次连接，冬季利用太阳能将蓄能型太阳能空气集热器加热的空气通过导流风罩送至空调换热器进风口，为热泵系统提供较高温度的空气热源，实现热泵系统在严寒或寒冷地区的高效运行供热；同时，室内末端采用相变储能构件不仅可以将白天热泵高效运行产生的热量存储至夜间利用，而且保证了热泵逆循环除霜时室内空气温度的稳定性。相变储能构件的使用在一定程度上解决了热泵系统运行时在使用时间、地区及运行效率等方面不匹配的问题。冬季供暖时，采用新型模块化相变蓄能末端辐射式高效热泵系统，有效解决了空气源热泵的制热效率低、结霜严重等问题，为中国北方地区城镇住宅冬季供暖提供了一种更加舒适、能耗更低、更为环保的新途径。
6.本发明采用如下技术方案：一种模块化相变蓄能末端的辐射式高效热泵系统，所述系统包括蓄能型太阳能空气集热模块和室内金属毛细管网相变蓄能冷剂辐射末端模块，具体包括压缩机（1）、四通换
向阀（2）、金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块（3）、节流阀（4）、空调换热器（5）、风机（6）、蓄能型太阳能空气集热器（7），其中所述蓄能型太阳能空气集热器（7）连接风机（6）一端，风机（6）另一端与空调换热器（5）相连，空调换热器（5）经节流阀（4）与金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块（3）相连；压缩机（1）通过四通换向阀（2）与金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块（3）相连；所述空调换热器（5）通过四通换向阀（2）与压缩机（1）相连形成闭环系统。
7.所述金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块包括金属毛细管网（10）、相变储能构件（9）、填充砂浆（11）、地面隔热层（12），底层设置地面隔热层（12），地面隔热层（12）上面铺设金属毛细管网（10），相变储能构件（9）通过嵌入式或平铺式均匀铺设在金属毛细管网（10）上，用填充砂浆（11）填充，最上层通过抹灰层找平后铺设地面装饰层（8）。
8.所述金属毛细管网（10）与空调换热器（5）相连，管内流动介质为环保型制冷剂。
9.所述蓄能型太阳能空气集热器（7）内包含相变蓄能芯，集热管下端设有微型通道进风口，上联箱另设有出风口。
10.所述蓄能型太阳能空气集热器（7）下方设置微型通道进风口，蓄能型太阳能空气集热器（7）上方设置上联箱，上联箱设有出风口，出风口与风机（6）连接，风机（6）与空调换热器（5）进风口相连，进风口处设有导流风罩。
11.压缩机（1）与四通换向阀（2）相连，四通换向阀（2）分别与室内金属毛细管网相变蓄能冷剂辐射末端模块（3）、空调换热器（5）相连。
12.所述金属毛细管网（10）选用塑包铜金属毛细管。
13.所述的相变储能构件（9）为pvc热熔封装，相变温度区间为28-32℃。
14.本发明提出将太阳能、空气源热泵、毛细管网辐射、相变材料相结合的新型采暖空调系统设计方案，该系统克服了传统空调的弊端，将太阳能与空气源热泵系统的良好结合，冬季利用蓄能型太阳能空气集热器对进口空气预热，提高空气源热泵蒸发温度，有效地提高空气源热泵机组的高效运行时长。当在室外空气条件恶劣时，利用金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块内相变材料储存的热量进行逆循环除霜，保证了房间温度的稳定性。
15.本发明的有益效果：（1）本发明的一种基于模块化相变蓄能末端的辐射式高效热泵系统设计理念，管内流动介质为环保型制冷剂，金属毛细管网直接敷设在房间地面进行换热，相较于水媒热泵系统减少了二次换热损失，供暖冷凝温度由传统热泵系统的50℃改善为30℃左右，从运行参数上提高了热泵系统的运行效率。
16.（2）蓄能型太阳能空气集热模块传热介质为空气，安全系数高；经集热器加热后的空气送至空调换热器送风口，有效地提高了冬季空气源热泵能效比。
17.（3）由于室内相变蓄能辐射末端模块具有良好的蓄热特性，即使停止供热，由于地面和墙体的内部的相变材料储存有充足的热量，会不间断释放以维持室内热舒适性，因而该系统可以选择在冬季白天气温较高时制热储能，使系统的循环效率得到进一步提升；室外恶劣天气状况对热泵逆循环除霜时，保证了室内空气温度稳定，提高了房间的热舒适性。
18.（4）当夏季工况运行时，可将蓄能型太阳能空气集热器加热后的空气与转轮除湿机联合使用，通过夏季蓄能型太阳能集热器加热空气的热量及回收热泵子系统冷凝器中排出的废热用于转轮除湿再生空气的加热，提高了能量的
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利用率，同时热泵子系统的冷凝温度得以有效降低，大幅提高制冷循环效率。
19.（5）房间末端采用辐射供暖方式，温度分布均匀，符合人体“脚热头冷”的生理需求。不仅卫生无噪音，而且可以相较对流方式2℃温差的室内温度给人以相同的热舒适性，有效降低建筑物供暖能耗。
20.（6）相变传热效率远优于传统水媒温差传热，并且完全避免了管道冻裂风险。
21.（7）室内辐射末端模块简单，模块化组合，预制沟槽薄型地暖空调系统，适用于不同的建筑领域：城镇住宅、公寓、别墅、医院等。
22.（8）本设计的模块化金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块，可与装配式混凝土建筑构件结合，建筑适宜构件的工厂化生产，可以将设计、生产、施工、安装一体化。
23.（9）构件规模化生产，根据图纸现场装配式组合，现场施工操作简单，施工污染环境少、可回收利用、经济环保性高。
24.（10）模块化相变蓄能辐射末端结构一体成型性能完善的一体化制造工艺，保证工程质量，提高生产效率，减少了物料损耗和施工工序。
25.（11）基于模块化相变蓄能末端的辐射式高效热泵空调系统中利用太阳能这种清洁可再生能源作为该系统的主要能源，为中国北方地区城镇住宅提供了一种更加舒适、能耗更低、更为环保的新途径。同时，基于相变蓄能的辐射式高效空气源热泵系统具备间歇运行特性，不仅在一定程度降低了系统运行的经济成本，而且当室外恶劣天气状况对热泵逆循环除霜时，保证了室内空气温度稳定，提高了房间的热舒适性。
附图说明
26.图1为本发明系统原理结构图；图2为本发明金属毛细管网相变蓄能辐射末端铺设截面图。
27.图3为本发明冬季系统逆循环除霜运行原理图。
28.图4为本发明模式一流程图。
29.图5为本发明模式二流程图。
30.图6为本发明模式三流程图。
31.图中，1—压缩机；2—四通换向阀；3—金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块；4—节流阀；5—室外换热器；6—风机；7—蓄能型太阳能空气集热器；8—地面装饰层；9—相变储能构件；10—金属毛细管网；11—填充砂浆；12—地面隔热层。
具体实施方式
32.下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行了清晰完整的描述，但应当理解，本发明的保护范围不受具体实施例的限制。
33.一种模块化相变蓄能末端的辐射式高效热泵系统，所述系统包括蓄能型太阳能空气集热模块和室内金属毛细管网相变蓄能冷剂辐射末端模块，具体包括压缩机1、四通换向阀2、金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块3、节流阀4、空调换热器5、风机6、蓄能型太阳能空气集热器7，其中所述蓄能型太阳能空气集热器7连接风机6一端，风机6另一端与空调换热器5相连，空调换热器5经节流阀4与金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块3相连；压缩机1通过四通换向阀2与金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块3相连；所述空调换热器5通过四通换向阀2与压缩机1相连形成闭环系统。所述金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块包括金
属毛细管网10、相变储能构件9、填充砂浆11、地面隔热层12，底层设置地面隔热层12，地面隔热层12上面铺设金属毛细管网（10），相变储能构件9通过嵌入式或平铺式均匀铺设在金属毛细管网10上，用填充砂浆11填充，最上层通过抹灰层找平后铺设地面装饰层8。
34.所述金属毛细管网10与空调换热器5相连，管内流动介质为环保型制冷剂。
35.系统中利用压缩机1提高制冷剂的温度和压力，将低温低压的制冷剂蒸汽压缩为高温高压的过热蒸汽，在辐射末端冷却冷凝转化为常温高压的液态制冷剂，同时放出大量热量用于供暖；通过节流阀4绝热节流，制冷剂转化为低温低压的液态制冷剂；最后，在室外换热器5蒸发段中低温低压的液态制冷剂吸热后汽化为过热蒸汽，流回压缩机1，如次往复循环，实现系统的连续运行。
36.如图2所示。系统中室内金属毛细管网相变蓄能式冷剂辐射末端模块装置主要包括金属毛细管网、相变储能构件、填充砂浆11、地面隔热层12，相变储能构件9安装位置可采用嵌入式或平铺式均匀铺设在金属毛细管网10上，最后通过抹灰层找平后铺设地面装饰层8。
37.系统中蓄能型太阳能空气集热器7内包含相变蓄能芯，集热管下端设有微型通道进风口，上联箱另设有出风口。蓄能型太阳能空气集热器7经风机6与空调换热器5进风口相连，进风口处设有导流风罩。其目的是将蓄能型太阳能空气集热器中被太阳能加热后较高温度的空气均匀、高效的送至空调换热器进风口处。
38.所述的一种模块化相变蓄能末端的高效热泵系统具有间歇运行的特点，蓄能型太阳能空气集热器7吸收太阳辐射热量，有效的延长了冬季空气源热泵机组高效运行时长；经加热后的空气送至空调换热器5送风口，提高了冬季空气源热泵机组的能效比。同时，当室外恶劣天气状况对热泵逆循环除霜时，模块化的相变储能构件末端有效保证了室内空气温度稳定，提高房间的热舒适性。
39.系统中蓄能型太阳能空气集热器7可与转轮除湿机联合使用，用于夏季除湿制冷模式。室内毛细管网制冷剂承担房间冷负荷，转轮除湿机承担处理湿负荷的能力，实现系统温湿度独立控制的理念，提高房间舒适性，系统高效节能运行。
40.所述的蓄能型太阳能集热器将加热空气的热量及回收热泵子系统冷凝器中排出的废热用于转轮除湿再生空气的加热，提高了能量的
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利用率，同时热泵子系统的冷凝温度得以有效降低，大幅提高制冷循环效率。
41.所述的金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块，可规模化生产，现场装配式组合安装，施工操作简单，节约建筑成本。预制沟槽薄型地暖空调系统，适用于不同的建筑领域：城镇住宅、公寓、别墅、医院等。
42.所述的模块化金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块，可与装配式混凝土建筑构件结合，建筑适宜构件的工厂化生产，可以将设计、生产、施工、安装一体化。
43.所述的模块化相变蓄能辐射末端结构一体成型性能完善的一体化制造工艺，保证工程质量，提高生产效率，减少了物料损耗和施工工序。一种模块化相变蓄能末端的高效热泵系统的应用有三种循环模式：模式一（太阳能集热高效供暖循环）：冬季工况，利用风机6为空气流通提供动力，白天室外空气通过蓄能型太阳能空气集热器7将太阳能热量存储起来，用于提高冬季室外侧蒸发器（室外换热器5）温度，取热后的排除室外，再进行集热循环，提高空气源热泵机组
的运行效率。具体流程为：压缩机1将低温低压的干饱和制冷蒸汽压缩为高温高压的过热蒸汽；在金属毛细管网相变蓄能辐射末端3中进行冷却冷凝放出大量热量；通过节流阀4节流降压进入室外换热器5吸热蒸发后，回到压缩机1，如此往复循环，实现空气源热泵的高效供热循环。
44.所述蓄能型太阳能空气集热模块包括蓄能型太阳能空气集热器、风机、导流风罩、连接风管；所述蓄能型太阳能空气集热器通过风机将加热后的空气，经过导流风罩均匀的送至空调换热器进风口，经空调换热器换热后的空气从排风口排除。
45.所述相变蓄能型太阳能集热器下另设有微型通道进风口，上联箱另设有出风口，通过风机为空气循环流动提供动力。
46.模式二（冬季除霜循环）：冬季当夜间室外条件恶劣时，空气源热泵运行蒸发侧（室外换热器5）极易结霜，影响机组的制热效率。此时，利用冬季白天蓄能型太阳空气集热器7吸收的热量，在风机6的作用下，将提高温度的室外空气送至室外换热器3翅片处，提高热泵机组的蒸发侧温度，有效缓解空气源热泵问题。另外，当室外侧蒸发器已结霜严重时，通过转换四通换向阀2为热泵进行有效的逆循环除霜。通过吸收金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块3中相变储能构件白天热泵高效运行储存的热量，将热量送至室外侧结霜换热器，在高效除霜的同时可有效保证了室内空气温度的稳定和房间的热舒适性。
47.所述的压缩机1与四通换向阀2相连，四通换向阀2分别与金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块3和室外换热器5相连，室外换热器5通过信号系统可自动改变四通换向阀2中制冷剂的流通方向，从而实现冬季热泵系统定时逆循环除霜。
48.其中，系统夏季工况的转换通过四通换向阀2来实现。
49.模式三（联合转轮除湿循环系统）：夏季工况，系统通过夏季蓄能型太阳能集热器7加热空气的热量及回收热泵子系统冷凝器中排出的废热用于转轮除湿再生空气的加热，提高了能量的
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利用率，同时热泵子系统的冷凝温度得以有效降低，大幅提高制冷循环效率。
50.另外夏季蓄能型太阳能集热器7可与现有技术中转轮除湿系统联合使用，实现温湿度独立控制的设计理念。室内毛细管网制冷剂承担房间冷负荷，转轮除湿机承担处理湿负荷的能力，提高了房间舒适性，系统高效节能运行。
51.上述的一种新型基于模块化相变蓄能末端的辐射式高效热泵空调系统中有效利用太阳能这种清洁可再生能源作为该系统的主要能源，为中国北方地区城镇住宅提供了一种更加舒适、能耗更低、更为环保的新途径。同时，基于相变蓄能的辐射式高效空气源热泵系统具有间歇运行特性，不仅在一定程度降低了系统运行的经济成本，而且当室外恶劣天气状况对热泵逆循环除霜时，保证了室内空气温度稳定，提高了房间的热舒适性。
52.所述的金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块，可规模化生产，现场装配式组合安装，施工操作简单，节约建筑成本。预制沟槽薄型地暖空调系统，适用于不同的建筑领域：城镇住宅、公寓、别墅、医院等。
53.上述的一种模块化相变蓄能末端的高效热泵系统中室内铺设的金属毛细管网与空调换热器相连，毛细管内流动介质为环保制冷剂。
54.以上公开的仅为本发明的一个具体实例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能考虑到的变化都应落入本发明的保护范围。