CN109373481B - 一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，包括室外供能模块和室内储能及用能模块，室外供能模块可通过热泵子系统和循环水供能子系统为储能水箱提供热量或者冷量，储能时热泵子系统在谷电低价的夜间运行，可降低运行费用。储能水箱再作为室内储能及用能模块的毛细管网换热器的冷源或者热源，实现对混凝土面层和室内空间的加热和冷却，兼具夏季供冷和冬季供热效果。室内侧优先考虑人体附近的温度调控，热舒适性高，并采用毛细管网换热器，可利用高温冷源和低温热源，因此，本发明从供能、储能和用能三个方面实现了建筑节能和能源的高效利用。

Description

一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统
技术领域
本发明属于空调领域，涉及通风空调及采暖，具体涉及一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统。
背景技术
我国的建筑能耗在能源总消耗中所占的比例上升到了30%左右，建筑节能减排已成为亟需解决的能源问题。太阳能分布广泛，资源丰富，凭借这些优势，太阳能在建筑中的应用具有极其广阔的前景。
夏天，地下15米左右的土壤温度通常是18℃左右，通过地埋管换热器获取地下的冷源，再将地埋管换热器制备的冷水送入室内可实现降温的目的，该系统相比于传统的机械空调系统，能够大大减小建筑能源消耗。
毛细管网换热器，具有大换热面积，热舒适性高等特点，冬季采暖可利用低温热源，其热水供应温度仅需要40℃左右即可，因而适宜在太阳能供热采暖系统中使用；夏季供冷可利用高温冷源，其冷水供应温度仅需要18℃左右即可，因而可以大大节约建筑能耗。
传统的火炕，主要是实现人体休息的功能，涉及建筑用能方面，其只能在冬季用于人体采暖和部分室内采暖需求，但是常年却占据着房间较大的空间，造成空间利用的浪费。
申请号为201610304134.1的中国发明专利申请，具有加热室内空气功能的蓄能炕，包括相变蓄热结构和热风系统，该发明仅能实现冬季采暖需求，并且仅考虑了使用太阳能作为热源，没有考虑能源补充，不能形成持续使用。
综合以上各点，并克服现有技术缺陷，本发明结合太阳能、地下冷源和热泵系统，形成多能互补的能源利用方式，在室内散热末端，考虑舒适性更高的毛细管换热器，在毛细管网换热器的敷设位置上考虑人体优先受用，其次是系统向空间散热或者冷却。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，采用太阳能、地下冷源和热泵系统的多种能源互补供给的模式供热或者供冷，同时采用储能水箱，热泵系统在夜间进行蓄热或者蓄冷，实现电力供应的移峰填谷，降低运行费用，室内采用炕体内通风和毛细管网换热器，形成人体优先受用的特点，热舒适度高，节能效果好。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，其特征在于：包括室外供能模块和室内储能及用能模块，室外供能模块包括热泵子系统和循环水供能子系统，室内储能及用能模块包括固定结构子系统和循环水用能子系统；
热泵子系统的结构关系为：板式换热器的制冷剂侧端口连接着毛细管节流阀，毛细管节流阀再连接着储液器，储液器再连接着热交换器，热交换器再连接着四通换向阀的V2端，四通换向阀的V1端连接着压缩机，压缩机再连接着干燥过滤器，干燥过滤器再连接着四通换向阀的V3端，四通换向阀的V4端连接着板式换热器的制冷剂侧端口；
循环水供能子系统的结构关系为：板式换热器的水侧端口连接着第一四通阀的V2端，第一四通阀的V1端连接着太阳能集热器，第一四通阀的V3端连接着地埋管换热器，第一四通阀的V4端连接着循环水泵，循环水泵再连接着第一换热盘管，第一换热盘管再连接着第二四通阀的V4端，第二四通阀的V1端连接着太阳能集热器，第二四通阀的V3端连接着地埋管换热器，第二四通阀的V2端连接着板式换热器的水侧端口；
固定结构子系统的结构关系为：室外侧毛细管网换热器紧贴建筑围护结构内侧，室内侧毛细管网换热器、混凝土面层和空气通道均分为竖直部分和水平部分，呈现L型，室内侧毛细管网换热器位于混凝土面层内侧，室外侧毛细管网换热器和室内侧毛细管网换热器中间为竖直部分的空气通道，储能水箱和室内侧毛细管网换热器中间为水平部分的空气通道，空气通道内设置有风机，第一百叶窗位于空气通道的上部，第二百叶窗位于空气通道的下部，储能水箱位于空气通道下方，其底侧紧靠地面，一边紧靠建筑围护结构；
循环水用能子系统的结构关系为：第二换热盘管连接着温控三通阀的V2端，温控三通阀的V1端连接着第二循环水泵，第二循环水泵再连接着分水器，分水器再连接着室外侧毛细管网换热器和室内侧毛细管网换热器，室外侧毛细管网换热器和室内侧毛细管网换热器再连接着集水器，集水器再分别连接着温控三通阀的V3端和第二换热盘管。
所述的混凝土面层与储能水箱构成炕体，水平部分的混凝土面层表面可供人体休息。
所述的储能水箱包括防水层、混凝土层和保温层，储能水箱内部填充的储能介质为水，夏季水温为10至15℃，冬季水温为50至60℃。
所述的第一换热盘管和第二换热盘管均位于储能水箱内部，能够与水充分接触。
所述的太阳能集热器位于建筑围护结构的顶部或者侧面。
所述的地埋管换热器采用竖直盘管，位于地下深层土壤或者竖井内，竖直盘管最大竖向深度为20至80米。
所述的室外侧毛细管网换热器和室内侧毛细管网换热器的材料均为无规共聚聚丙烯（PPR），夏季内部的循环水温度为20至22℃，冬季内部的循环水温度为30至40℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
克服传统炕体只能实现冬季采暖的功能，本发明利用太阳能、地下冷源和热泵子系统形成多能互补的供能方式，实现冬季的炕体供热和室内供热、夏季的炕体供冷和室内供冷的功能。在冬季采暖期，利用储能水箱储存热量，可实现太阳能或者热泵子系统作为辅助能源向储能水箱提供热量；在夏季供冷期，利用储能水箱储存冷量，可实现地埋管换热器或者热泵子系统作为辅助能源向储能水箱提供冷量。热泵子系统在夜间进行蓄热或者蓄冷，实现电力供应的移峰填谷，降低运行费用。
进一步的，在传统的炕体部位设置储能水箱，储存热量或者冷量，并在炕体内设置空气通道，在空气通道两侧设置毛细管网换热器作为供热或者供冷末端，在冬季可利用空气通道的热烟囱效应，无需风机驱动，形成自然循环加热室内空气；在夏季可利用风机的强制循环在室内下部送风，形成置换通风模式，冷却室内空气，利用水平敷设的毛细管网换热器向人体直接进行热传导作用和竖直敷设的毛细管网换热器向人体进行热辐射作用，形成人体优先受用的特点。
附图说明
图1为本发明的一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统示意图；
图2为本发明的一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统的室内储能及用能模块的循环水用能子系统示意图；
其中，1为太阳能集热器，2为建筑围护结构，3为第一百叶窗，4为压缩机，5为四通换向阀，6为干燥过滤器，7为热交换器，8为储液器，9为毛细管节流阀，10为板式换热器，11为地埋管换热器，12为第一四通阀，13为第二四通阀，14为第一循环水泵，15为第一换热盘管，16为储能水箱，161为防水层，162为混凝土层，163为保温层，17为第二换热盘管，18为室外侧毛细管网换热器，19为空气通道，20为室内侧毛细管网换热器，21为混凝土面层，22为风机，23为第二百叶窗，24为分水器，25为集水器，26为第二循环水泵，27为温控三通阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明总的构思是：采用多能互补的供能形式，在冬季采暖期，利用储能水箱储存热量，可实现太阳能或者热泵子系统作为辅助能源向储能水箱提供热量；在夏季供冷期，利用储能水箱储存冷量，可实现地埋管换热器或者热泵子系统作为辅助能源向储能水箱提供冷量，热泵子系统在夜间进行蓄热或者蓄冷，实现电力供应的移峰填谷，降低运行费用。其次，并在炕体内设置空气通道，在冬季可利用空气通道的热烟囱效应，无需风机驱动，形成自然循环加热室内空气；在夏季可利用风机的强制循环在室内下部送风，形成置换通风模式，冷却室内空气，利用水平敷设的毛细管网换热器向人体直接进行热传导作用和竖直敷设的毛细管网换热器向人体进行热辐射作用，形成人体优先受用的特点。
为了详细说明本发明的技术内容以及构造和目的，下面结合附图进行具体介绍。
由图1和图2所示，一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，包括室外供能模块和室内储能及用能模块，室外供能模块包括热泵子系统和循环水供能子系统，室内储能及用能模块包括固定结构子系统和循环水用能子系统。
热泵子系统的结构关系为：板式换热器10的制冷剂侧端口连接着毛细管节流阀9，毛细管节流阀9再连接着储液器8，储液器8再连接着热交换器7，热交换器7再连接着四通换向阀5的V2端，四通换向阀5的V1端连接着压缩机4，压缩机4再连接着干燥过滤器6，干燥过滤器6再连接着四通换向阀5的V3端，四通换向阀5的V4端连接着板式换热器10的制冷剂侧端口。
循环水供能子系统的结构关系为：板式换热器10的水侧端口连接着第一四通阀12的V2端，第一四通阀12的V1端连接着太阳能集热器1，第一四通阀12的V3端连接着地埋管换热器11，第一四通阀12的V4端连接着第一循环水泵14，第一循环水泵14再连接着第一换热盘管15，第一换热盘管15再连接着第二四通阀13的V4端，第二四通阀13的V1端连接着太阳能集热器1，第二四通阀13的V3端连接着地埋管换热器11，第二四通阀13的V2端连接着板式换热器10的水侧端口。
固定结构子系统的结构关系为：室外侧毛细管网换热器18紧贴建筑围护结构2内侧，室内侧毛细管网换热器20、混凝土面层21和空气通道19均分为竖直部分和水平部分，呈现L型，室内侧毛细管网换热器20位于混凝土面层21内侧，室外侧毛细管网换热器18和室内侧毛细管网换热器20中间为竖直部分的空气通道19，储能水箱16和室内侧毛细管网换热器20中间为水平部分的空气通道19，空气通道19内设置有风机22，第一百叶窗3位于空气通道19的上部，第二百叶窗23位于空气通道19的下部，储能水箱16位于空气通道19下方，其底侧紧靠地面，一边紧靠建筑围护结构2。
循环水用能子系统的结构关系为：第二换热盘管17连接着温控三通阀27的V2端，温控三通阀27的V1端连接着第二循环水泵26，第二循环水泵26再连接着分水器24，分水器24再连接着室外侧毛细管网换热器18和室内侧毛细管网换热器20，室外侧毛细管网换热器18和室内侧毛细管网换热器20再连接着集水器25，集水器25再分别连接着温控三通阀27的V3端和第二换热盘管17。
混凝土面层21与储能水箱16构成炕体，水平部分的混凝土面层21为炕面，可供人体休息；储能水箱16包括防水层161、混凝土层162和保温层163，储能水箱16内部填充的储能介质为水，夏季水温为10至15℃，冬季水温为50至60℃；第一换热盘管15和第二换热盘管17均位于储能水箱16内部，能够与水充分接触；太阳能集热器1位于建筑围护结构2的顶部或者侧面；地埋管换热器11采用竖直盘管，位于地下深层土壤或者竖井内，竖直盘管最大竖向深度为20至80米；室外侧毛细管网换热器18和室内侧毛细管网换热器20的材料均为无规共聚聚丙烯（PPR），夏季内部的循环水温度为20至22℃，冬季内部的循环水温度为30至40℃。
由图1和图2所示，一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统分为室外供能模块和室内储能及用能模块的工作流程，两个模块的夏季和冬季运行流程如下。
（一）室外供能模块的夏季工作流程：
首先由地埋管换热器11作为冷源，第一四通阀12和第二四通阀13的V3端和V4端开启，V1端和V2端关闭；地埋管换热器11获取地下冷量以后，冷水通过第一四通阀12和第一循环水泵14进入第一换热盘管15，向储能水箱16释放冷量，实现储存冷量的目的，吸热后的冷水再通过第二四通阀13回到地埋管换热器11中再获取冷量。
地埋管换热器11提供的冷量不充足时，热泵子系统作为冷源进行补充，第一四通阀12和第二四通阀13的V2端和V4端开启，V1端和V3端关闭；热泵子系统的板式换热器10冷却循环水，冷水通过第一四通阀12和第一循环水泵14进入第一换热盘管15，向储能水箱16内部的水释放冷量，达到储存冷量的目的，吸热后的冷水再由第二四通阀13回到板式换热器10中再获取冷量。
其中，热泵子系统的夏季制冷工作流程：四通换向阀5的V1端和V2端连接，V3端和V4端连接；热交换器7内的制冷剂向室外冷凝放热后变成中温高压的液态制冷剂，中温高压的液态制冷剂进入储液器8，储液器8可储存制冷剂流量变化时多余的制冷剂，再经过毛细管节流阀9的节流作用变成中温低压的液态制冷剂，中温低压的液态制冷剂进入板式换热器10蒸发吸热后变成低温低压的气态制冷剂，从而实现制冷的目的，低温低压的气态制冷剂经过四通换向阀5和干燥过滤器6进入压缩机4内被压缩成高温高压的气态制冷剂，干燥过滤器6用于过滤气态制冷剂中夹带的液态制冷剂，高温高压的气态制冷剂再次回到热交换器7中冷凝放热。
（二）室外供能模块的冬季工作流程：
白天有充足的太阳辐射时，由太阳能集热器1制热，第一四通阀12和第二四通阀13的V1端和V4端开启，V2端和V3端关闭；太阳能集热器1吸收太阳能辐射产生的热水由第一四通阀12和第一循环水泵14进入第一换热盘管15，向储能水箱16内部的水放热，达到储存热量的目的，放热后的热水再通过第二四通阀13回到太阳能集热器1中再吸收热量。
无太阳辐射时或者太阳能集热器1提供的热量不足时，由热泵子系统制热，第一四通阀12和第二四通阀13的V2端和V4端开启，V1端和V3端关闭；热泵子系统的板式换热器10加热循环水，热水通过第一四通阀12和第一循环水泵14进入第一换热盘管15，向储能水箱16内部的水放热，达到储存热量的目的，放热后的热水再由第二四通阀13回到板式换热器10中再吸收热量。
其中，热泵子系统的冬季制热工作流程：四通换向阀5的V1端和V4端连接，V2端和V3端连接，热交换器7内的制冷剂向室外蒸发吸热后变成低温低压的气态制冷剂，低温低压的气态制冷剂通过四通换向阀5和干燥过滤器6进入压缩机4内被压缩成高温高压的气态制冷剂，干燥过滤器6用于过滤气态制冷剂中夹带的液态制冷剂，高温高压的气态制冷剂进入板式换热器10冷凝放热后变成中温高压的液态制冷剂，从而实现制热的目的，中温高压的液态制冷剂经过毛细管节流阀9的节流作用变成中温低压的液态制冷剂，中温低压的液态制冷剂经过储液器8再次回到热交换器7中蒸发吸热，储液器8可储存制冷剂流量变化时多余的制冷剂。
热泵子系统均采用在夜间运行，不仅可以实现电力资源的移峰填谷，还能够基于低谷电价的特点降低运行费用，运行制热或者制冷工作流程，从而储能水箱实现冬季储存热量或者夏季储存冷量，用来供给末端使用。
（三）室内储能及用能模块的夏季工作流程：
第二换热盘管17吸收储能水箱16冷量后产生冷水，冷水通过温控三通阀27和第二循环水泵26进入分水器24中，再由分水器24的出水端口进入室外侧毛细管网换热器18和室内侧毛细管网换热器20中，向空气通道19和混凝土面层21释放冷量，风机22驱动空气从第一百叶窗3流入空气通道19内，再由第二百叶窗23流出进入室内，冷空气在建筑围护结构2内形成强制循环，实现供冷，并且属于置换通风模式，具有更好室内空气品质和热舒适性；混凝土面层21被冷却，水平的混凝土面层21形成炕面可供人体休息，对人体直接形成热传导，以及竖直的混凝土面层21可直接对人体实现热辐射，相比于整个建筑围护结构2内的空间，形成人体优先受用的特点。
（四）室内储能及用能模块的冬季工作流程：
第二换热盘管17吸收储能水箱16热量加热循环水，热水通过温控三通阀27和第二循环水泵26进入分水器24中，再由分水器24的出水端口进入室外侧毛细管网换热器18和室内侧毛细管网换热器20中，向空气通道19散热和混凝土面层21导热，空气通道19内由于烟囱效应，热空气自然上升从第一百叶窗3流入室内，不需要开启风机22，室内温度较低的空气再由第二百叶窗23不断流入，热空气在建筑围护结构2内形成自然循环，实现供热；混凝土面层21被加热，水平的混凝土面层21形成炕面可供人体休息，对人体直接形成热传导，以及竖直的混凝土面层21可直接对人体实现热辐射，相比于整个建筑围护结构2内的空间，形成人体优先受用的特点。
温控三通阀27可以根据混凝土面层21和室内温度，调节V2和V3端的阀门开度，通过混合不同比例回水的形式调节流入分水器24的热水或者冷水温度，进而调节室内和炕面的供热温度或者供冷温度。

Claims (5)

1.一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，其特征在于：包括室外供能模块和室内储能及用能模块，室外供能模块包括热泵子系统和循环水供能子系统，室内储能及用能模块包括固定结构子系统和循环水用能子系统；
热泵子系统的结构关系为：板式换热器(10)的制冷剂侧端口连接着毛细管节流阀(9)，毛细管节流阀(9)再连接着储液器(8)，储液器(8)再连接着热交换器(7)，热交换器(7)再连接着四通换向阀(5)的V2端，四通换向阀(5)的V1端连接着压缩机(4)，压缩机(4)再连接着干燥过滤器(6)，干燥过滤器(6)再连接着四通换向阀(5)的V3端，四通换向阀(5)的V4端连接着板式换热器(10)的制冷剂侧端口；
循环水供能子系统的结构关系为：板式换热器(10)的水侧端口连接着第一四通阀(12)的V2端，第一四通阀(12)的V1端连接着太阳能集热器(1)，第一四通阀(12)的V3端连接着地埋管换热器(11)，第一四通阀(12)的V4端连接着第一循环水泵(14)，第一循环水泵(14)再连接着第一换热盘管(15)，第一换热盘管(15)再连接着第二四通阀(13)的V4端，第二四通阀(13)的V1端连接着太阳能集热器(1)，第二四通阀(13)的V3端连接着地埋管换热器(11)，第二四通阀(13)的V2端连接着板式换热器(10)的水侧端口；
固定结构子系统的结构关系为：室外侧毛细管网换热器(18)紧贴建筑围护结构(2)内侧，室内侧毛细管网换热器(20)、混凝土面层(21)和空气通道(19)均分为竖直部分和水平部分，呈现L型，室内侧毛细管网换热器(20)位于混凝土面层(21)内侧，室外侧毛细管网换热器(18)和室内侧毛细管网换热器(20)中间为竖直部分的空气通道(19)，储能水箱(16)和室内侧毛细管网换热器(20)中间为水平部分的空气通道(19)，空气通道(19)内设置有风机(22)，第一百叶窗(3)位于空气通道(19)的上部，第二百叶窗(23)位于空气通道(19)的下部，储能水箱(16)位于空气通道(19)下方，其底侧紧靠地面，一边紧靠建筑围护结构(2)；所述的混凝土面层(21)与储能水箱(16)构成炕体，水平部分的混凝土面层(21)为炕面，可供人体休息；供热时，关闭风机(22)，空气从第二百叶窗(23)进入空气通道(19)，从第一百叶窗(3)流回室内，形成自然供热循环；制冷时，启动风机(22)，空气从第一百叶窗(3)进入空气通道(19)，从第二百叶窗(23)流回室内，形成强制制冷循环；
循环水用能子系统的结构关系为：第二换热盘管(17)连接着温控三通阀(27)的V2端，温控三通阀(27)的V1端连接着第二循环水泵(26)，第二循环水泵(26)再连接着分水器(24)，分水器(24)再连接着室外侧毛细管网换热器(18)和室内侧毛细管网换热器(20)，室外侧毛细管网换热器(18)和室内侧毛细管网换热器(20)再连接着集水器(25)，集水器(25)再分别连接着温控三通阀(27)的V3端和第二换热盘管(17)；所述的第一换热盘管(15)和第二换热盘管(17)均位于储能水箱(16)内部，能够与水充分接触。
2.根据权利要求1所述的一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，其特征在于：所述的储能水箱(16)包括防水层(161)、混凝土层(162)和保温层(163)，储能水箱(16)内部填充的储能介质为水，夏季水温为10至15℃，冬季水温为50至60℃。
3.根据权利要求1所述的一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，其特征在于：所述的太阳能集热器(1)位于建筑围护结构(2)的顶部或者侧面。
4.根据权利要求1所述的一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，其特征在于：所述的地埋管换热器(11)采用竖直盘管，位于地下深层土壤或者竖井内，竖直盘管最大竖向深度为20至80米。
5.根据权利要求1所述的一种人体优先受用的炕体通风空调及采暖系统，其特征在于：所述的室外侧毛细管网换热器(18)和室内侧毛细管网换热器(20)的材料均为无规共聚聚丙烯(PPR)，夏季内部的循环水温度为20至22℃，冬季内部的循环水温度为30至40℃。
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