CN103591658A - 热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统及其控制方法，包括太阳能供暖系统、空气源热泵系统和固体除湿剂的转轮除湿系统；所述太阳能供暖系统和所述固体除湿剂的转轮除湿系统通过再生空气管道及截止阀A相连；所述空气源热泵系统的室外蒸发器兼做所述固体除湿剂转轮除湿系统的室外蒸发器；所述空气源热泵系统的室外换热器兼做所述固体除湿剂转轮除湿系统的室外换热器。该空调系统根据年气候变化单独实现了供暖、制冷、除湿、制冷除湿和通风等控制工况；采用太阳能加热再生空气的固体除湿剂的转轮除湿技术，解决了空气源热泵不能独立除湿的问题，实现了室内环境的热湿独立控制，利用了可再生能源，提高了能源利用效率和人体热舒适性。

Description

热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及到利用可再生能源的采暖、制冷和除湿一体化的空调技术领域，尤其涉及热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统及其控制方法。

背景技术

在我国，建筑运行能耗约占全社会总能耗的三成，其中最主要的是采暖空调能耗，并且随着建筑总量的攀升和舒适度的提升而呈现快速上升趋势。2009年11月26日中国政府宣布：到2020年单位国内生产总值碳排放量比2005年下降40％到45％。财政部、住房城乡建设部则明确指出，“十二五”期间要切实提高太阳能、浅层地能和生物质能等可再生能源在建筑用能中的比重。由此可见，降低建筑采暖空调能耗和有效利用可再生能源具有重要意义和势在必行。

目前，我国南方地区建筑的采暖空调广泛采用控制负荷灵活、可满足人体个性化特点需求的小型空气源热泵系统，此系统通常采用温湿度联控技术将空气温度降低到其露点以下，除去其中的水蒸气后送到室内吸收热量、湿量而实现冬季供暖、夏季制冷除湿的目的。但是，空气源热泵系统存在以下几点缺陷，一是无论是供暖还是制冷除湿工况，空气源热泵系统均采用电驱动，需消耗大量电能；二是制冷除湿工况下空气源热泵系统采用冷却除湿技术，热泵在低蒸发温度下运行，热泵性能系数偏低，增加了电能消耗；三是普通的空气源热泵系统无法实现单独除湿工况。

在北方地区，夏天往往不需制冷，但冬季采暖期相当长，采暖普遍采用锅炉房集中供热，这种采暖方式给能源供应和环境保护带来严峻的挑战。

为有效降低建筑采暖空调能耗和有效利用可再生能源，申请号为200610097401.9，名称为“太阳能－地源联合供暖供热水供电制冷系统及其操作方法”的专利；申请号为200810080201.1、 名称为“太阳能采暖与制冷空调联供装置” 的专利和申请号为201010239559.1、名称为 “太阳能空气能低谷电制取热水淋浴采暖空调复合系统装置”的专利提出采用太阳能集热系统、热水采暖系统、地源热泵系统或溴化锂吸收式制冷系统或空气源热泵系统实现供暖和制冷，这些系统虽利用了可再生能源，但这些系统的除湿工况仍采用冷却除湿技术而使制冷系统的性能系数偏低，而且均不能实现单独除湿工况和热湿独立控制，同时，溴化锂吸收式制冷装置和地源热泵系统在小型化、初投资、系统维护、地下水回灌等方面存在不足。

为实现建筑采暖空调的热湿独立控制和降低建筑采暖空调系统能耗，课题组在论文（“Energy savings potential of a desiccant assisted hybrid air source heat pump system for residential building in hot summer and cold winter zone in China”，Energy and Buildings，2011，43：3521–3527）和申请号：201110356517.0、名称为 “一种空气源热泵与转轮除湿组合的复合空调系统”的专利中提出固体除湿剂的转轮除湿与空气源热泵组合，利用热泵冷凝热作为除湿剂再生能源，建立热泵与独立除湿的复合采暖空调机组，提高了热泵制冷工况下的蒸发温度，复合空调机组从而能以较低的能耗，满足室内供热、供冷和除湿工况的需求。此复合空调机组虽提高了热泵制冷工况下的蒸发温度且能实现独立除湿，但复合空调机组在供暖工况、制冷除湿工况下均采用电驱动，仍需消耗大量电能。

申请号：201010228694.6名称为“一种夏季余热可用于溶液除湿的太阳能热水系统”的专利，提出利用夏季太阳能热水系统余热用于溶液除湿系统再生吸湿溶液，从而实现有效利用可再生能源，减少空调系统能耗，但阴雨天气或夜间溶液除湿系统所需再生热不能得到有效保证而需采用辅助电加热系统，此外，溶液除湿系统占用面积大，系统复杂且存在腐蚀问题，不适合余湿量不大的居住建筑。

申请号为201010588727.8、名称为 “可用于新农村建设极低能耗住宅的新能源空调方法与系统” 的专利，提出调整空调设计目标参数，充分利用太阳能、地热能和空气能等天然能源，但是此系统针对新农村建设极低能耗被动式太阳能建筑住宅，被动式太阳能建筑住宅需要从地基做起，综合效益较差，而且新能源空调系统复杂，不能满足城镇居民住宅和普通农村住宅所需的居住舒适度和太阳能建筑一体化需求。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是采用太阳能集热技术、太阳能蓄热技术、空气源热泵技术和固体除湿剂的转轮除湿技术，利用太阳能和冷凝热再生除湿转轮中的固体除湿剂，提供一种可实现供暖、制冷、除湿、制冷除湿和通风等控制工况、能最大限度利用太阳能可再生能源、全面提高采暖空调舒适度的热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统。

太阳能建筑采暖空调系统包括：太阳能供暖系统、空气源热泵系统和固体除湿剂的转轮除湿系统。其中，所述太阳能供暖系统由太阳能集热器、引风机、三通温控阀和太阳能蓄热器等组成；所述空气源热泵系统由压缩机、室内换热器、室外蒸发器、室外换热器、电子膨胀阀、电磁阀A、电磁阀B、止回阀和四通换向阀等组成；所述固体除湿剂的转轮除湿系统由除湿转轮、显热交换转轮、新风风机、排风机、室外蒸发器及室外换热器等组成。所述太阳能供暖系统和所述固体除湿剂的转轮除湿系统通过再生空气管道及截止阀A相连；所述空气源热泵系统中的室外蒸发器和室外换热器兼做所述固体除湿剂的转轮除湿系统的室外蒸发器及室外换热器，空气源热泵系统和固体除湿剂的转轮除湿系统通过室外热交换器和室外蒸发器相连。

所述太阳能供暖系统在供暖工况下，太阳能空气集热器将太阳能传递给空气，空气变为热空气后通过引风机送入室内用以供暖，室内送风口处的送风管上装设有三通温控阀，当室内温度高于设定值时，三通温控阀调节送入室内的热风量，同时将多余的热空气送入太阳能蓄热器，将多余的太阳能储存于太阳能蓄热器，夜间或阴雨天气时，引风机将空气送入太阳能蓄热器加热后经截止阀B送入室内供暖。当阴雨天气或夜间太阳能供暖系统不能满足室内供暖需求时，空气源热泵系统在供热工况下运行，压缩机经四通换向阀依次与室内换热器、电磁阀B、电子膨胀阀和室外换热器相连实现供暖。

所述空气源热泵系统在制冷和制冷除湿工况下，压缩机经四通换向阀依次与室外换热器、电子膨胀阀、电磁阀B和室内换热器相连实现制冷；制冷除湿工况下，优先利用室外换热器放出的冷凝热加热再生空气，以充分利用余热，节约能源；制冷除湿工况下，开启电磁阀A，利用室外蒸发器冷却送入室内的新风，以提高除湿效果。

所述固体除湿剂的转轮除湿系统，除湿转轮依次与显热交换转轮、室外蒸发器和新风风机形成新风通道；排风机与显热交换转轮形成排风通道；由太阳能供暖系统送入的热空气依次与室外换热器、除湿转轮形成再生空气通道；除湿工况下，新风经除湿转轮除湿升温后经显热交换转轮等湿冷却后变成干冷空气由新风机送入室内实现除湿，太阳能供暖系统产生的热空气经再生空气管道送入除湿转轮再生固体除湿剂；制冷除湿工况下，固体除湿剂的转轮除湿系统、空气源热泵系统和太阳能供暖系统联合运行，实现制冷和除湿功能。

通风工况下，所述固体除湿剂的转轮除湿系统中的新风通道兼做通风工况下的强制通风通道，开启新风风机实现室内强制通风。

作为优选，太阳能蓄热器和再生空气管道之间设置气水热交换器，当太阳能蓄热器的蓄热量达到饱和时，多余的热空气可送入气水热交换器，用来生产热水。

作为优选，可在室外换热器与再生空气管道之间设置再生空气风机，当室外换热器提供的热量可满足再生空气所需热量而无需太阳能供暖系统提供再生空气时，可启动再生空气风机将再生空气送入除湿转轮。

作为优选，可在室外换热器与除湿转轮之间设置电辅助加热器，当室外换热器和太阳能供暖系统不能满足再生空气所需热量时，可开启电辅助加热器加热再生空气满足除湿需求。

本发明的优点在于：（1）可实现供暖、制冷、除湿、制冷除湿和通风等控制工况，建筑采暖空调系统可根据年气候变化分别选用所需运行工况；（2）太阳能供暖系统基本上可实现全天候供暖，与传统空气源热泵或锅炉房集中供暖相比，一次能耗节约60-100%；（3）除湿工况主要采用太阳能加热再生空气的固体除湿剂的转轮除湿技术，解决了空气源热泵不能独立除湿的问题，避免了溶液除湿系统复杂和存在腐蚀的问题，同空气源热泵冷却除湿相比，一次能耗可节约50%左右；（4）制冷和制冷除湿工况下，空气源热泵系统仅承担显热负荷，空气源热泵可在高蒸发温度运行，与传统空气源热泵相比，空气源热泵性能系数提高25%以上；（5）实现了室内环境的热湿独立控制，提高了人体热舒适性；（6）太阳能供暖系统主要由太阳能集热器和太阳能蓄热器组成，易于实现太阳能建筑一体化。

附图说明

图1为热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统示意图。

其中，1. 太阳能集热器，2.引风机，3.三通温控阀，4.太阳能蓄热器，5.压缩机，6.室内换热器，7.室外蒸发器，8.室外换热器，9.电子膨胀阀，10.电磁阀A，10-1.电磁阀B，11.止回阀，12.四通换向阀，13.除湿转轮，14.显热交换转轮，15.新风风机，15-1.排风机, 15-2.再生空气风机,16.截止阀A，16-1.截止阀B, 16-2.截止阀C，17.气水热交换器，18.电辅助加热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如图1所示，太阳能建筑采暖空调系统由太阳能供暖系统、空气源热泵系统和固体除湿剂的转轮除湿系统组成。其中，太阳能供暖系统由太阳能集热器1、引风机2、三通温控阀3和太阳能蓄热器4等组成；所述空气源热泵系统由压缩机5、室内换热器6、室外蒸发器7、室外换热器8、电子膨胀阀9、电磁阀A10、电磁阀B10-1、止回阀11和四通换向阀12等组成；所述固体除湿剂的转轮除湿系统由除湿转轮13、显热交换转轮14、新风风机15、排风机15-1、室外蒸发器7及室外换热器8等组成。所述太阳能供暖系统和所述固体除湿剂的转轮除湿系统通过再生空气管道及截止阀A16相连；所述空气源热泵系统和固体除湿剂转轮除湿系统通过室外蒸发器7和室外换热器8相连。所述空气源热泵系统的室外蒸发器7兼做所述固体除湿剂转轮除湿系统的室外蒸发器7。所述空气源热泵系统的室外换热器8兼做所述固体除湿剂转轮除湿系统的室外换热器8。

所述空气源热泵系统中，室内换热器6、室外蒸发器7和室外换热器8均为翅片式换热器，室内换热器6和室外蒸发器7并联，电磁阀A10两端口分别与室外蒸发器7和电子膨胀阀9相连接，电磁阀B10-1两端口分别与室内换热器6和电子膨胀阀9相连接，电子膨胀阀9两端口分别与电磁阀B10-1和室外换热器8相连接，止回阀11两端口分别与室外蒸发器7和四通换向阀12相连，四通换向阀12四个端口分别与压缩机5进口、压缩机5出口、室外换热器8和室内换热器6相连。

所述太阳能供暖系统中，太阳能集热器1为平板式太阳能空气集热器，太阳能蓄热器4为圆筒形或方形的太阳能相变蓄热器，以便于与建筑实现一体化设计，三通温控阀3分别与引风机2、太阳能蓄热器4和送风管道相连，太阳能蓄热器4和再生空气管道之间连有截止阀C和气水热交换器17，气水热交换器17为套管式换热器。

所述固体除湿剂的转轮除湿系统中，除湿转轮13依次与显热交换转轮14、室外蒸发器7和新风风机15形成新风通道；排风机15-1与显热交换转轮14形成排风通道；由太阳能供暖系统经再生空气管道送入的热空气依次与再生空气风机15-2、室外换热器8、电辅助加热器18和除湿转轮13形成再生空气通道。

太阳能建筑采暖空调系统实现供暖工况的工作原理和控制方法如下：太阳能空气集热器1将太阳能传递给空气，空气变为热空气后通过引风机2经三通温控阀3送入室内实现供暖；当室内温度高于设定值时，三通温控阀3调节送入室内的热风量，同时将多余的热空气送入太阳能蓄热器4，夜间或阴雨天气时，引风机2将空气送入太阳能蓄热器4，加热后的热空气经太阳能蓄热器4与送风管道之间的截止阀B16-1送入室内实现供暖；当太阳能供暖系统无法满足室内供暖需求时，开启空气源热泵系统运行于制热工况实现室内供暖，经压缩机5压出的高温高压制冷工质蒸汽经四通换向阀12后依次经过室内换热器6、电磁阀B10-1、电子膨胀阀9、室外换热器8和四通换向阀12后返回压缩机5，完成一个制热循环，室内冷空气与室内换热器6进行换热得以制热而实现供暖。

太阳能建筑采暖空调系统实现制冷工况的工作原理和控制方法如下：工作时，经压缩机5压出的制冷工质蒸汽经四通换向阀12后依次经过室外换热器8、电子膨胀阀9、电磁阀B10-1、室内换热器6和四通换向阀12后返回压缩机5，完成一个制冷循环，室内热空气与室内换热器6进行换热得以冷却而实现制冷。

太阳能建筑采暖空调系统实现除湿工况的工作原理和控制方法如下：除湿工况通过固体除湿剂的转轮除湿系统和太阳能采暖系统来实现，除湿工况下空气源热泵停止运行，工作时，新风经过除湿转轮13进行除湿，新风通过除湿转轮13时经历除湿升温过程，然后经显热交换转轮14与室内的低温排风进行显热交换，经历等湿降温后变成干冷空气由新风风机15送入室内；再生固体除湿剂时，空气经太阳能采暖系统加热（60˚C左右）后，经再生空气管道送入除湿转轮13对固体除湿剂进行再生，再生后排出室外，当空气经太阳能采暖系统后的温度不能满足再生要求时，电辅助加热器18对再生空气进行进一步加热达60˚C左右时，送入除湿转轮13对固体除湿剂进行再生。

太阳能建筑采暖空调系统实现制冷除湿工况的工作原理和控制方法如下：制冷除湿工况下，室内空气的制冷由空气源热泵系统来承担，室内热空气与空气源热泵系统中的室内换热器6进行换热得以冷却而实现制冷，室内空气的除湿由固体除湿剂的转轮除湿系统来承担。与单独制冷工况和单独除湿工况不同的是，制冷除湿工况下，电磁阀A10打开，室外新风经显热交换转轮14与室内的低温排风进行显热交换后再与室外蒸发器7进一步进行显热交换经历等湿冷却过程，以提高除湿效果；制冷除湿工况下的再生空气的加热优先使用室外换热器8，用再生空气风机15-2将再生空气送入除湿转轮13，以充分利用室外换热器8的冷凝热，当室外换热器8释放的冷凝热不能满足加热再生空气的需求时，关闭再生空气风机15-2，开启太阳能采暖系统加热再生空气，当室外换热器8和太阳能采暖系统联合加热后仍不能满足加热再生空气的需求时，则采用电辅助加热器18对再生空气进行进一步加热后（达60˚C左右）送入除湿转轮13对固体除湿剂进行再生，以充分利用太阳能和节约一次能源。

太阳能建筑采暖空调系统实现通风工况的工作原理如下：固体除湿剂的转轮除湿系统中的新风通道兼做通风工况下的强制通风通道，强制通风时，只需开启新风通道中新风风机15即可实现室内强制通风。

太阳能建筑采暖空调系统在制冷工况和制冷除湿工况下，空气源热泵系统仅需承担显热负荷，空气源热泵可在高蒸发温度下运行（15˚C左右），提高了空气源热泵的运行性能，节约了一次能源；除湿工况和制冷除湿工况下，再生空气的加热优先使用空气源热泵冷凝热，其次是太阳能和电辅助加热器18，除湿工况下则优先使用太阳能，其次是空气源热泵冷凝热和电辅助加热器18，最大限度的节约了一次能源和充分利用了太阳能可再生能源；太阳能建筑采暖空调系统运行时，多余的热空气可截止阀C16-2送入气水热交换器17生产热水，进一步充分利用了太阳能可再生能源。

虽然本发明的较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统，包括太阳能供暖系统、空气源热泵系统和固体除湿剂的转轮除湿系统；太阳能供暖系统由太阳能集热器（1）、引风机（2）、三通温控阀（3）和太阳能蓄热器（4）依次连接组成；所述空气源热泵系统由压缩机（5）、室内换热器（6）、室外蒸发器（7）、室外换热器（8）、电子膨胀阀（9）、电磁阀A（10）、电磁阀B（10-1）、止回阀（11）和四通换向阀（12）组成；所述固体除湿剂的转轮除湿系统由除湿转轮（13）、显热交换转轮（14）、新风风机（15）、排风机（15-1）、室外蒸发器（7）及室外换热器（8）组成；其特征在于：所述太阳能供暖系统和所述固体除湿剂的转轮除湿系统通过再生空气管道及截止阀A（16）相连；所述空气源热泵系统的室外蒸发器（7）兼做所述固体除湿剂转轮除湿系统的室外蒸发器（7）；所述空气源热泵系统的室外换热器（8）兼做所述固体除湿剂转轮除湿系统的室外换热器（8）。

2.根据权利要求1所述的热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统，其特征在于：所述太阳能蓄热器（4）和再生空气管道之间连有截止阀C（16-2）和气水热交换器（17），所述气水热交换器（17）为套管式换热器。

3.根据权利要求1所述的热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统，其特征在于：所述室内换热器（6）和室外蒸发器（7）并联，电磁阀A（10）两端口分别与室外蒸发器（7）和电子膨胀阀（9）相连接，电磁阀B（10-1）两端口分别与室内换热器（6）和电子膨胀阀（9）相连接，电子膨胀阀（9）两端口分别与电磁阀A（10）、电磁阀B（10-1）和室外换热器（8）相连接，止回阀（11）两端口分别与室外蒸发器（7）和四通换向阀（12）相连，四通换向阀（12）四个端口分别与压缩机（5）进口、压缩机（5）出口、室外换热器（8）和室内换热器（6）相连。

4.根据权利要求3所述的热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统，其特征在于：室内换热器（6）、室外蒸发器（7）和室外换热器（8）均为翅片式换热器。

5.根据权利要求1所述的热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调系统，其特征在于：除湿转轮（13）依次与显热交换转轮（14）、室外蒸发器（7）和新风风机（15）形成新风通道；排风机（15-1）与显热交换转轮（14）形成排风通道；由太阳能供暖系统经再生空气管道送入的热空气依次与再生空气风机（15-2）、室外换热器（8）、电辅助加热器（18）和除湿转轮（13）形成再生空气通道。

6.热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调的供暖工况的控制方法，其特征在于：太阳能空气集热器（1）将太阳能传递给空气，空气变为热空气后通过引风机（2）经三通温控阀（3）送入室内实现供暖；当室内温度高于设定值时，三通温控阀（3）调节送入室内的热风量，同时将多余的热空气送入太阳能蓄热器（4）；夜间或阴雨天气时，引风机（2）将空气送入太阳能蓄热器（4），加热后的热空气经太阳能蓄热器（4）与送风管道之间的截止阀B（16-1）送入室内实现供暖；当太阳能供暖系统无法满足室内供暖需求时，开启空气源热泵系统运行于制热工况实现室内供暖，经压缩机（5）压出的高温高压制冷工质蒸汽经四通换向阀（12）后依次经过室内换热器（6）、电磁阀B（10-1）、电子膨胀阀（9）、室外换热器（8）和四通换向阀（12）后返回压缩机（5），完成一个制热循环。

7.热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调的制冷工况的控制方法，其特征在于：经压缩机（5）压出的制冷工质蒸汽经四通换向阀（12）后依次经过室外换热器（8）、电子膨胀阀（9）、电磁阀B（10-1）、室内换热器（6）和四通换向阀（12）后返回压缩机（5），完成一个制冷循环，室内热空气与室内换热器（6）进行换热得以冷却而实现制冷。

8.热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调的除湿工况的控制方法，其特征在于：除湿工况下空气源热泵停止运行，新风经过除湿转轮（13）进行除湿，后经显热交换转轮（14）与室内的低温排风进行显热交换，经历等湿降温后变成干冷空气由新风风机（15）送入室内；再生固体除湿剂时，空气经太阳能采暖系统加热后，经再生空气管道送入除湿转轮（13）对固体除湿剂进行再生，再生后排出室外。

9.根据权利要求8所述的热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调的除湿工况的控制方法，其特征在于：当空气经太阳能采暖系统后的温度不能满足再生要求时，电辅助加热器（18）对再生空气进行进一步加热，送入除湿转轮13对固体除湿剂进行再生。

10.热湿独立控制的太阳能建筑采暖空调的制冷除湿工况的控制方法，其特征在于：制冷除湿工况下，电磁阀A（10）打开，室外新风经显热交换转轮（14）与室内的低温排风进行显热交换后再与室外蒸发器（7）进一步进行显热交换经历等湿冷却过程，以提高除湿效果；制冷除湿工况下的再生空气的加热使用室外换热器（8），用再生空气风机（15-2）将再生空气送入除湿转轮（13），当室外换热器（8）释放的冷凝热不能满足加热再生空气的需求时，关闭再生空气风机（15-2），开启太阳能采暖系统加热再生空气。

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