CN104879831A - 一种太阳能相变墙热泵供热系统 - Google Patents

一种太阳能相变墙热泵供热系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能相变墙源热泵供热系统,包括太阳墙和热泵系统共两个单元。太阳墙由玻璃盖板、太阳能吸热板、相变蓄热墙、风量调节阀、风道及遮阳卷帘组成;热泵系统由压缩机、相变墙源蒸发器、风道空气蒸发器、节流部件、室内空气加热器、储液器组成。相变蓄热墙为复合墙体,相变蓄热墙的外围为承重材料和保温材料,承重材料包裹在钢柱筒外面,相变墙源蒸发器置于钢柱筒内,钢柱筒内的空隙填充相变材料。相变蓄热墙将太阳能转化为潜热或显热储存起来,以保证热泵系统在夜间或阴天连续高效工作。该系统显然实现低品位可再生能源-太阳能的高效利用,提高了热泵的供热效率,并节省了电能,应用前景广阔。

Description

一种太阳能相变墙热泵供热系统
技术领域
[0001] 本发明涉及热泵系统,尤其涉及一种太阳能相变墙热泵供热系统。
背景技术
[0002] 空气源热泵供热系统是一种将室外温度低的空气能转移到室内的装置,空气源热泵虽然安装简单、维护方便,但受到气候影响,当冬季室外环境温度很低时,制热会有结霜现象,制热效果很差。
[0003] 太阳墙是由玻璃盖板、集热蓄热墙以及中间的空气通道、风阀和风口共同组成的供热通风系统。太阳墙是利用集热蓄热墙中的蓄热材料将一部分太阳能储存起来,另一部分太阳能用来直接加热从集热蓄热墙底部风口进入空气通道的室内空气,被加热的室内空气上升到蓄热墙顶部,从蓄热墙顶部风口流入室内。既有太阳墙在应用中存在一定的问题,如冬季白天,室内温升较慢,太阳能热利用效率低;冬季夜间,温度较高的蓄热墙向室内散热的同时会向室外传热产生较大的热损失,再加上太阳能强度呈现周期性变化和间歇的特点,故仅依靠太阳墙向室内供热很难满足室内热舒适性要求。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种低耗电量、供热效率高的太阳能相变墙热泵供热系统,同时提供太阳能相变蓄热墙的详细结构。
[0005] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:所述太阳能相变墙热泵供热系统包括太阳墙和热泵系统两个单元,太阳墙由玻璃盖板、太阳能吸热板、相变蓄热墙、第一风量调节阀、第二风量调节阀、玻璃盖板与太阳能吸热板之间的风道及遮阳卷帘组成;热泵系统由压缩机、相变墙源蒸发器、风道空气蒸发器、节流部件、室内空气加热器、储液器组成,所述第一风量调节阀和第二风量调节阀依次设置在玻璃盖板的上端和下端通风口处;所述遮阳卷帘设置于风道内,太阳能吸热板前;所述相变墙源蒸发器的制冷剂通道的进口与风道空气蒸发器的制冷剂通道的出口连接,风道空气蒸发器进口、节流部件、储液器、室内空气加热器、压缩机、相变墙源蒸发器出口依次相连;所述压缩机、风道空气蒸发器置于风道内,相变墙源蒸发器与风道空气蒸发器串接。
[0006] 所述相变蓄热墙为复合墙体,相变蓄热墙的外围为承重材料和保温材料,承重材料包裹在钢柱筒外面,相变墙源蒸发器置于钢柱筒内,钢柱筒内的空隙填充相变材料,从室外侧到室内侧依次由含高吸收率低发射率涂层的太阳能吸热板、承重砌块层、钢柱桶(内含相变材料和相变墙源蒸发器)、承重砌块层、保温层组成。
[0007] 所述相变墙源蒸发器为单排或多排铜管或不锈钢管换热管,管外套整体铝翅片或不锈钢翅片,铝翅片或不锈钢翅片间距为Imm到20mm。
[0008] 所述相变材料为相变温度在10°C ~100°C范围的无机相变材料或有机相变材料。无机相变材料为 NaSO4.1H2O, NaC03.1H2O、NAHPO4.12H20、CH3COONa.3H20 等无机结晶水合盐类或含有它们的两种或多种组分的混合相变蓄热材料;有机相变材料为石蜡饱和碳氢化合物、癸酸(CiciH2tlO2 )、月桂酸(C12H24O2X十四烷酸(C14H28O2^软脂酸(C16H32O2)i硬脂酸(C18H36O2X新戊二醇(NPG)等纯有机物或由它们两种或多种混合所组成的有机相变蓄热材料。
[0009] 所述相变蓄热墙的太阳能吸热板为涂有高吸收率低发射率涂层的金属板或墙体表面。所述玻璃盖板采用高透低反玻璃。所述相变蓄热墙源-空气源热泵所采用的工作介质为 R22、R134a、R1234yf、R152a、R290 等 HFC 或 HC 类制冷剂。
[0010] 本发明采用如下技术方案:所述太阳能相变墙热泵供热系统中的相变墙源蒸发器既可以和风道空气蒸发器联合工作,也可以独立工作;当室外空气温度低于16°c且相变蓄热墙温度高于20°C时,第一风量调节阀和第二风量调节阀处于关闭状态,风道空气蒸发器不工作,由压缩机、相变墙源蒸发器、节流部件、室内空气加热器、储液器所组成的太阳能相变墙源热泵供热系统工作,太阳辐射透过太阳墙中的玻璃盖板,被太阳能吸热板吸收,其吸收的热量沿着相变蓄热墙传递并被相变蓄热墙储存起来,仅需通过相变墙源蒸发器独立工作提供热量来调节室内空气温度;当室外空气温度低于16°C且相变蓄热墙温度不高于室外空气温度或者相变蓄热墙温度高于室外空气温度但不超过20°C时,第一风量调节阀和第二风量调节阀处于打开状态,室外空气从玻璃盖板底部风口进入风道,与风道空气蒸发器内的制冷剂换热之后从玻璃盖板顶部风口流出,由压缩机、风道空气蒸发器、相变墙源蒸发器、节流部件、室内空气加热器、储液器所组成的双源(空气源和太阳相变墙源)热泵供热系统工作,吸收室外空气能和相变蓄热墙储存的太阳能供给室内达到调节室内空气温度目的。当室外空气温度高于28°C时,第一风量调节阀和第二风量调节阀处于关闭状态,通过设置遮阳卷帘防止太阳能吸热板吸收透过玻璃盖板的太阳辐射,太阳能相变墙热泵供热系统不工作。
[0011] 本发明优点在于利用相变蓄热墙储存的太阳能作为热泵供热系统的其中一个热源,当相变蓄热墙温度较高时,相变墙源蒸发器独立工作时的热泵供热系统的供热量能够满足室内要求时,风道空气蒸发器不工作,这时热泵供热系统为单源(相变蓄热墙)热泵系统;当相变蓄热墙温度较低时,相变墙源蒸发器独立工作时的热泵供热系统的供热量不满足室内热舒适要求时,风道空气蒸发器开始工作,这时热泵供热系统为双源(空气源和太阳相变墙源)热泵系统,该系统显然实现低品位可再生能源-太阳能的高效利用,提高了热泵的供热效率,并节省了电能,应用前景广阔。
[0012]
附图说明
[0013]图1是本发明的热泵供热系统的实施例的结构原理示意图。图2是相变蓄热墙的结构示意图。
具体实施方式
[0014] 如图1所示,本发明的一种太阳能相变墙热泵供热系统,包括太阳墙和热泵供热系统共两个单元。图1中的箭头表示系统各部分间所连管道中的工作介质流向。所述太阳能相变墙热泵供热系统采用的工作介质为R22、R134a、R1234yf、R152a、R290等HFC或HC类制冷剂。
[0015] 所述太阳能相变墙热泵供热系统包括太阳墙和热泵系统两个单元,太阳墙由玻璃盖板(I)、太阳能吸热板(2)、相变蓄热墙(3)、第一风量调节阀(4a)、第二风量调节阀(4b)、玻璃盖板(I)与太阳能吸热板(2)之间的风道(11)及遮阳卷帘(12)组成;热泵系统由压缩机(5)、相变墙源蒸发器(6)、风道空气蒸发器(7)、室内空气加热器(8)、节流部件(9)、储液器(10)组成;所述第一风量调节阀(4a)和第二风量调节阀(4b)依次设置在玻璃盖板(I)的上端和下端通风口处;所述遮阳卷帘(12)设置于风道(11)内,太阳能吸热板(2)前;所述相变墙源蒸发器(6)的制冷剂通道的进口与风道空气蒸发器(7)的制冷剂通道的出口连接,风道空气蒸发器(7)进口、节流部件(9)、储液器(10)、室内空气加热器(8)、压缩机(5)、相变墙源蒸发器(6)出口依次相连;所述相变墙源蒸发器(6)为单排或多排铜管或不锈钢管换热管,管外套整体铝翅片或不锈钢翅片,铝翅片或不锈钢翅片间距为Imm到20mm,相变墙源蒸发器(6)周围填实相变材料;所述压缩机(5)、风道空气蒸发器(7)置于风道(11)内,相变墙源蒸发器(6)与风道空气蒸发器(7)串接。
[0016] 室内空气加热器(8)负责向房间供热,为风冷式换热器;风道空气蒸发器(7)为风冷式换热器;相变墙源蒸发器(8)为墙冷式换热器。节流部件(9)可选择现有技术中常用的毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀。
[0017] 本发明的热泵供热系统中的风道空气蒸发器(7)以供相变蓄热墙(3)的蓄热量不足,仅靠相变墙源蒸发器(6)工作难以满足室内热舒适性要求时使用,当然在本发明的其他实施例中也可以不设置风道空气蒸发器(7),而将这样的实施例设定为仅在有阳光情况下使用,也能在一定程度上实现节能降耗目的。
[0018] 本发明中的太阳能吸热板(2)为涂有高吸收率低发射率涂层的金属板贴敷在相变蓄热墙(3)上,或者直接在相变蓄热墙(3)的外表面涂有高吸收率低发射率的涂层。所述玻璃盖板(I)采用高透低反玻璃。
[0019] 如图2所示,相变蓄热墙(3)为复合墙体,相变蓄热墙(3)的外围为承重材料和保温材料,承重材料包裹在钢柱筒(3b)外面,相变墙源蒸发器(6)置于钢柱筒(3b)内,钢柱筒(3b)内的空隙填充相变材料,从室外侧到室内侧依次由含高吸收率低发射率涂层的太阳能吸热板(2)、承重砌块层(3a)、钢柱桶(3b)(内含相变材料(3d)和相变墙源蒸发器(6))、承重砌块层(3a)、保温层(3c)组成。钢柱桶(3b)内的相变材料(3d)为相变温度在10°C ~100°C范围的无机相变材料或有机相变材料,无机相变材料为NaSO4.1H2O,NaC03.1H2O,NAHPO4.12H20、CH3COONa.3H20等无机结晶水合盐类或含有它们的两种或多种组分的混合相变蓄热材料;有机相变材料为石蜡饱和碳氢化合物、癸酸(CltlH2tlO2 )、月桂酸(C12H24O2)、十四烷酸(C14H28O2^软脂酸(C16H32O2x硬脂酸(C18H36O2)、新戊二醇(NPG)等纯有机物或由它们两种或多种混合所组成的有机相变蓄热材料。当阳光充足时,太阳辐射透过玻璃盖板(1),被太阳能吸热板(2)吸收,其吸收的热量沿着相变蓄热墙(3)传递,在传递过程中,相变蓄热层(3b)中的相变材料(3d)温度升高,当其温度达到了其相变温度时,相变材料由固态变为液态,从而将热量储存起来,完成相变蓄热墙(3)的蓄热过程。当阳光不充足或无阳光的夜间和阴天时,太阳能相变墙热泵供热系统工作,相变墙源蒸发器(6)吸收相变蓄热墙(3)蓄存的热量,相变墙源蒸发器(6)中的制冷剂液体吸收相变蓄热墙(3)储存的热量,变成制冷剂蒸气然后进入压缩机变成高温高压蒸气,再进入室内空气加热器(7),将其热量传给室内空气,与此同时,相变材料的温度降低,当达到其相变温度时,相变材料由液态变为固态,从而将热量释放出来,完成相变蓄热墙(3 )的放热过程。
[0020] 本发明的太阳能相变墙热泵供热系统实施例中的相变墙源蒸发器(6)既可以和风道空气蒸发器(7)联合工作,也可以独立工作;当室外空气温度低于16°C且相变蓄热墙
(3)温度高于20°C,第一风量调节阀(4a)和第二风量调节阀(4b)处于关闭状态,风道空气蒸发器(7)不工作,由压缩机(5)、相变墙源蒸发器(6)、室内空气加热器(8)、节流部件(9)、储液器(10)所组成的太阳相变墙源热泵供热系统工作,太阳辐射透过太阳墙中的玻璃盖板
(1),被太阳能吸热板(2)吸收,其吸收的热量沿着相变蓄热墙(3)传递并被相变蓄热墙(3)储存起来,仅需通过相变墙源蒸发器(6)独立工作提供热量来调节室内空气温度;当室外空气温度低于16°C且相变蓄热墙(3)温度不高于室外空气温度或者相变蓄热墙(3)温度高于室外空气温度但不超过20°C时,第一风量调节阀(4a)和第二风量调节阀(4b)处于打开状态,室外空气从玻璃盖板(I)底部风口进入风道(11),与风道空气蒸发器(7)内的制冷剂换热之后从玻璃盖板(I)顶部风口流出,由压缩机(5)、相变墙源蒸发器(6)、风道空气蒸发器(7)、室内空气加热器(8)、节流部件(9)、储液器(10)所组成的双源(空气源和太阳相变墙源)热泵供热系统工作,吸收室外空气能和相变蓄热墙(3)储存的太阳能供给室内达到调节室内空气温度目的,此时相变墙源蒸发器(6)与风道空气蒸发器(7)联合工作。当室外空气温度高于28°C时,第一风量调节阀(4a)和第二风量调节阀(4b)处于关闭状态,通过设置遮阳卷帘(12)防止太阳能吸热板(2)吸收透过玻璃盖板(I)的太阳辐射,太阳相变墙源热泵供热系统不工作。

Claims (7)

1.一种太阳能相变墙热泵供热系统,其特征在于:所述太阳能相变墙热泵供热系统包括太阳墙和热泵系统两个单元,太阳墙由玻璃盖板、太阳能吸热板、相变蓄热墙、第一风量调节阀、第二风量调节阀、玻璃盖板与太阳能吸热板之间的风道及遮阳卷帘组成;热泵系统由压缩机、相变墙源蒸发器、风道空气蒸发器、节流部件、室内空气加热器、储液器组成;所述第一风量调节阀和第二风量调节阀依次设置在玻璃盖板的上端和下端通风口处;所述遮阳卷帘设置于风道内,太阳能吸热板前;所述相变墙源蒸发器的制冷剂通道的进口与风道空气蒸发器的制冷剂通道的出口连接,风道空气蒸发器进口、节流部件、储液器、室内空气加热器、压缩机、相变墙源蒸发器出口依次相连;所述压缩机、风道空气蒸发器置于风道内,相变墙源蒸发器与风道空气蒸发器串接。
2.权利要求1所述的一种太阳能相变墙热泵供热系统,其特征在于:所述相变蓄热墙为复合墙体,相变蓄热墙的外围为承重材料和保温材料,承重材料包裹在钢柱筒外面,相变墙源蒸发器置于钢柱筒内,钢柱筒内的空隙填充相变材料,从室外侧到室内侧依次由含高吸收率低发射率涂层的太阳能吸热板、承重砌块层、钢柱桶(内含相变材料和相变墙源蒸发器)、承重砌块层、保温层组成。
3.权利要求1或2所述的一种太阳能相变墙热泵供热系统,其特征在于:所述相变墙源蒸发器为单排或多排铜管或不锈钢管换热管,管外套整体铝翅片或不锈钢翅片,铝翅片或不锈钢翅片间距为Imm到20mmo
4.权利要求1或2所述的一种太阳能相变墙热泵供热系统,其特征在于:所述相变材料为相变温度在10°C ~100°C范围的无机相变材料或有机相变材料;无机相变材料为NaSO4.1H2O, NaC03.1H2O, NAHPO4.12H20、CH3COONa.3H20 等无机结晶水合盐类或含有它们的两种或多种组分的混合相变蓄热材料;有机相变材料为石蜡饱和碳氢化合物、癸酸(C10H20O2 )、月桂酸(C12H24O2)、十四烷酸(C14H28O2),软脂酸(C16H32O2x硬脂酸(C18H36O2)、新戊二醇(NPG)等纯有机物或由它们两种或多种混合所组成的有机相变蓄热材料。
5.权利要求1或2所述的一种太阳能相变墙热泵供热系统,其特征在于:所述相变蓄热墙的太阳能吸热板为涂有高吸收率低发射率涂层的金属板或墙体表面。
6.权利要求1或2所述的一种太阳能相变墙热泵供热系统,其特征在于:所述玻璃盖板采用高透低反玻璃。
7.权利要求1或2所述的一种太阳能相变墙热泵供热系统,其特征在于:所述太阳能相变墙热泵供热系统所采用的工作介质为R22、R134a、R1234yf、R152a、R290等HFC或HC类制冷剂。
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