CN112902323B - 一种热泵与辐射联合制冷的空气处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，包括空气处理单元，天空辐射制冷单元，热泵单元和储冷单元；空气处理单元，天空辐射制冷单元，热泵单元，储冷单元通过管路和切换阀连接；当夜间环境温度低时，利用天空辐射制冷单元制取冷量，并通过储冷单元将冷量储存起来；当日间进行空气处理时，利用储冷单元储存的冷量进行空气处理单元的空气降温处理；当储存冷量不足以进行空气处理时，利用热泵单元进行空气处理单元的空气降温处理。本发明实现了天空辐射制冷的夜间储冷与日间空气处理，同时可以利用天空辐射制冷辅助热泵制冷。与传统空气处理系统相比，可以利用夜间天空辐射制冷的冷量，实现空气处理的稳定运行与节能，适用于新风处理。

Description

一种热泵与辐射联合制冷的空气处理系统

技术领域

本发明涉及空气处理技术领域，尤其涉及一种热泵与辐射联合制冷的空气处理系统。

背景技术

随着社会发展与技术进步，化石燃料的大量开采与过度使用导致了严重的环境污染问题，也加剧了能源短缺的现状。由于气候变暖导致的自然灾害事件层出不穷，全球气候变化问题已经亟待解决。清洁能源和能源的清洁利用方法是解决能源与环境问题的重要途经。在空气处理过程中，新风处理一方面借助全热交换器进行换热，另一方面利用制冷系统提供的冷量对新风进行处理，能耗较大。需要提供一种效率更高的空气处理方法。

天空辐射制冷通过大气辐射窗口(8-13微米)向太空发射红外辐射，从而对物体产生降温效果。这种方式无需消耗电能，可以在建筑物、载具、冷却设备等方面进行应用。过去几十年中，人们大量探索天空辐射制冷方法，但主要集中于夜间应用，而建筑、车辆等的热负荷一般白天较大，因此会产生能量的供应与消耗不匹配的问题。同时，由于天空辐射制冷的单位制冷量较小，难以应付连续工作模式。

鉴于此，有必要提供一种热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，一方面可以克服天空辐射制冷与热负荷不匹配的问题，另一方面通过与热泵结合，实现空气处理系统的稳定运行，同时提高系统的综合能源利用效率。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，在夜间利用天空辐射制冷单元制冷，通过储冷单元将冷量储存；日间进行空气处理时利用储冷单元储存的冷量进行空气降温；当储冷单元不能满足空气处理需求时，开启热泵单元进行制冷并对空气降温；保障空气处理既能够最大限度的利用辐射制冷的冷量，又始终保持空气处理系统的稳定高效运行。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，包括空气处理单元，天空辐射制冷单元，热泵单元和储冷单元；空气处理单元，天空辐射制冷单元，热泵单元，储冷单元通过管路和切换阀连接；当夜间环境温度低时，利用天空辐射制冷单元制取冷量，并通过储冷单元将冷量储存起来；当日间进行空气处理时，利用储冷单元储存的冷量进行空气处理单元的空气降温处理；当储存冷量不足以进行空气处理时，利用热泵单元进行空气处理单元的空气降温处理。

进一步地，空气处理单元通过切换阀及管路分别与天空辐射制冷单元、储冷单元、热泵单元连接；天空辐射制冷单元通过切换阀及管路与热泵单元连接；热泵单元通过切换阀及管路与储冷单元连接。

进一步地，还包括控制单元，控制单元与空气处理单元、天空辐射制冷单元、热泵单元，储冷单元连接，控制单元与切换阀连接。

进一步地，空气处理单元，包括送风道，回风道，全热回收单元，空气换热器、第七切换阀、第八切换阀；送回风道间均设置全热回收单元，在送风道中的全热回收单元的下游方向设置空气换热器；天空辐射制冷单元，包括第一循环泵，第一切换阀，天空辐射制冷板，第二切换阀；第一循环泵，第一切换阀，第二切换阀依次连接组成旁通回路；第一切换阀，天空辐射制冷板和第二切换阀通过连接管路依次连接组成辐射制冷回路；热泵单元，包括热泵机组；储冷单元，包括第三切换阀，第二循环泵，第四切换阀，储冷罐，第五切换阀，第六切换阀，且依次连接；储冷罐包含两个腔体。

进一步地，空气换热器与第八切换阀的一端相连，还与第七切换阀的一端相连；第一切换阀的一端与第一循环泵的另一端相连，另一端与第二切换阀的一端相连，第三端与天空辐射制冷板的入口相连；第二切换阀的第三端与天空辐射制冷板的出口相连，另一端与热泵机组相连；热泵机组与第六切换阀的一端相连，还与第三切换阀的一端相连；第三切换阀的第三端与第二循环泵的一端相连，第二循环泵的另一端与第四切换阀的第三端相连，第四切换阀的另外两端分别与储冷罐的两个腔体相连，储冷罐的两个腔体的另一端分别与第五切换阀的两端相连；第五切换阀的第三端与第六切换阀的另一端相连；第六切换阀的第三端同时与第七切换阀的另一端，第八切换阀的第三端相连；第七切换阀的第三端与第三切换阀的另一端相连，第八切换阀的另一端与第一循环泵的一端相连。

进一步地，所述系统工作在夜间储冷模式时：天空辐射制冷单元工作，储冷单元工作，空气处理单元不工作，热泵单元不工作；第一循环泵工作，此储冷罐中一腔体中充满高温工作液；天空辐射制冷单元向太空辐射能量，温度降低；通过循环泵带动，储冷罐的一腔体中的高温工作液流至天空辐射制冷单元，将获得的冷量带走，到达储冷单元后，存储在储冷罐的另一腔体中。

进一步地，所述系统工作在日间取冷模式时：天空辐射制冷单元不工作，空气处理单元工作，热泵单元不工作，储冷单元工作；第二循环泵工作，此时储冷罐中一腔体充满低温工作液；通过循环泵带动，储冷罐的一腔体中的低温工作液被运送至空气处理单元的空气换热器，对送风空气进行降温处理；从空气处理单元返回的高温工作液储存在储冷罐的另一腔体中。

进一步地，所述系统工作在热泵补冷模式时：天空辐射制冷单元不工作，储冷单元不工作，空气处理单元工作，热泵单元工作；储冷罐的工作液温度无法满足空气处理需求时，启动热泵单元，为空气处理单元直接供冷。

有益效果：本发明的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，当夜间环境温度低，天空辐射制冷的制冷能力强时，利用天空辐射制冷单元以极低成本制取冷量，并通过储冷单元将冷量储存起来；当日间需要空气处理时，利用储冷单元储存的冷量进行空气降温处理，可以有效降低空气处理过程的能量消耗；当储存冷量不足以进行空气降温处理时，利用热泵进行补冷，可以有效克服天空辐射制冷制冷量小，间歇工作的缺点，保证空气处理过程的连续稳定运行。

本发明充分利用了天空辐射制冷获得“免费”的冷量，通过夜间制取冷能并储存，解决了制冷与用冷之间的时间不匹配问题。本发明将天空辐射制冷与热泵制冷相结合，通过互补的工作模式，既充分利用天空辐射制冷获得的冷量，又保证了空气处理过程的连续与稳定运行。本发明是一种全新的综合空气处理系统，并有多种运行模式，通过管路的合理涉及，可以实现全天候的运行，并节约能源。

附图说明

图1是本发明的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统的结构示意图；

其中，天空辐射制冷板3，热泵机组5，储冷罐9，全热交换器13，空气换热器14，第一循环泵1，第二循环泵7，第一切换阀2，第二切换阀4，第三切换阀6，第四切换阀8，第五切换阀10，第六切换阀11，第七切换阀12，第八切换阀15。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所述，本发明所述的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，包括空气处理单元，天空辐射制冷单元，热泵单元，储冷单元和控制单元。空气处理单元，天空辐射制冷单元，热泵单元，储冷单元通过管路和切换阀连接。连接管路材质可以是塑料材质，金属材质，管路外表面可铺设保温材料。

具体地，空气处理单元通过切换阀及管路分别与天空辐射制冷单元、储冷单元、热泵单元连接；天空辐射制冷单元通过切换阀及管路与热泵单元连接；热泵单元通过切换阀及管路与储冷单元连接。控制单元与空气处理单元、天空辐射制冷单元、热泵单元，储冷单元连接；控制单元与切换阀连接。

空气处理单元，包括送风道，回风道，全热回收单元13，空气换热器14及连接管路。送回风道间均设置全热回收单元13，在送风道中的全热回收单元13的下游方向设置空气换热器14，用于空气处理。空气换热器14与第八切换阀15的一端相连，还与第七切换阀12的一端相连。空气换热器14为表冷式空气换热器。

天空辐射制冷单元，包括第一循环泵1，第一切换阀2，天空辐射制冷板3，第二切换阀4及连接管路。第一循环泵1，第一切换阀2，第二切换阀4依次连接组成旁通回路；第一切换阀2，天空辐射制冷板3和第二切换阀4通过连接管路依次连接组成辐射制冷回路。第一切换阀2的一端与第一循环泵1的另一端相连，另一端与第二切换阀4的一端相连，第三端与天空辐射制冷板3的入口相连；第二切换阀4的第三端与天空辐射制冷板3的出口相连，另一端与热泵机组5相连。

天空辐射制冷板3可以是具有辐射制冷能力的平面水箱，可以是具有高发射率，低吸收率的辐射超材料。

热泵单元，包括热泵机组5和连接管路。热泵机组5通过管路与第六切换阀11的一端相连，还通过管路与第三切换阀6的一端相连。

储冷单元，包括第三切换阀6，第二循环泵7，第四切换阀8，储冷罐9，第五切换阀10，第六切换阀11及连接管路。第三切换阀6，第二循环泵7，第四切换阀8，储冷罐9，第五切换阀10及第六切换阀11依次连接组成储冷单元。储冷罐9包含两个腔体。

第三切换阀6的第三端与第二循环泵7的一端相连，第二循环泵7的另一端与第四切换阀8的第三端相连，第四切换阀8的另外两端分别与储冷罐9的两个腔体相连，储冷罐9的两个腔体的另一端分别与第五切换阀10的两端相连。第五切换阀10的第三端与第六切换阀11的另一端相连。第六切换阀11的第三端同时与第七切换阀12的另一端，第八切换阀15的第三端相连。第七切换阀12的第三端与第三切换阀6的另一端相连，第八切换阀15的另一端与第一循环泵1的一端相连。

储冷罐9腔体工作液为混合液体。混合液体的基液可以为具有流动性的液体，如水，制冷剂。混合液体的添加物可以具有性能增强效果的不可互溶物质，如纳米颗粒，相变微胶囊。混合液的添加物可以为具有性能增强效果可溶物质，如酒精，丙二醇等。

控制单元，包括控制器，信号连接线。控制器通过信号连接线与系统中的空气换热器14、天空辐射制冷板3、热泵机组5、储冷罐9、各个循环泵和切换阀连接，控制这些部件的工作与否，进而控制空气处理单元、天空辐射制冷单元、热泵单元，储冷单元各个单元的工作，使得系统工作在不同的模式下。

本发明的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，包括以下工作模式：

1、夜间储冷模式：夜间天空辐射制冷单元向太空辐射能量，温度降低。通过循环泵带动，储冷罐9中一腔体中的高温工作液流至天空辐射制冷单元，将获得的冷量带走，到达储冷单元后，存储在储冷罐的另一腔体中。当储冷罐9的液位至充满位置，循环泵停止工作，储冷结束。

夜间储冷模式下，天空辐射制冷单元工作，储冷单元工作，空气处理单元不工作，热泵单元不工作。第一循环泵1工作，设定此时储冷罐9中一腔体中充满高温工作液。

此时切换阀的导通关系为：第四切换阀8导通储冷罐9中高温工作液腔体与第二循环泵7，第三切换阀6导通第二循环泵7与第七切换阀12，第七切换阀12导通第三切换阀6与第八切换阀15，第八切换阀15导通第七切换阀12与第一循环泵1，第一切换阀2导通第一循环泵1和天空辐射制冷板3之间的管路，第二切换阀4导通天空辐射制冷板3与热泵机组5之间的管路。第六切换阀11导通热泵机组5与第五切换阀10之间的管路，第五切换阀10导通第六切换阀11与储冷罐9中高温工作液腔体。

在第一循环泵1的驱动下，高温工作液分别流经第四切换阀8，第二循环泵7，第三切换阀6，第七切换阀12，第八切换阀15，第一循环泵1，第一切换阀2，到达天空辐射制冷板3。夜间时段，天空辐射制冷板3向大气辐射能量，从而温度降低，在其中流动的工作液温度降低，成为低温工作液。低温工作液流经天空辐射制冷板3，热泵机组5，经第六切换阀11和第五切换阀10，到达储冷罐9的另一腔体，完成夜间储冷。

2、日间取冷模式：白天空气需要降温处理时，通过循环泵带动，储冷罐9一腔体中的低温工作液被运送至空气处理单元的空气换热器14，对送风空气进行降温处理。从空气处理单元返回的高温工作液储存在储冷罐9的另一腔体中。当无需空气处理或送风温度无法达到要求时，取冷模式结束。

日间，天空辐射制冷单元不工作，空气处理单元工作，热泵单元不工作，储冷单元工作。第二循环泵7工作，设定此时储冷罐9中一腔体充满低温工作液。

此时切换阀的导通关系为：第五切换阀10导通储冷罐9的低温工作液腔体与第六切换阀11，第六切换阀11导通第五切换阀10与第八切换阀15，第八切换阀15导通第六切换阀11与空气换热器14，第七切换阀12导通空气换热器14与第三切换阀6，第三切换阀6导通第七切换阀12与第二循环泵7，第四切换阀8导通第二循环泵7与储冷罐9一腔体。

储冷罐9中的低温工作液经第二循环泵7驱动，依次流经第四切换阀8，第二循环泵7，第三切换阀6，第七切换阀12到达空气换热器14，在空气换热器14中与空气进行降温换热，成为高温工作液。高温工作液依次流经第八切换阀15，第六切换阀11，第五切换阀10，到达储冷罐的另一腔体，完成空气处理。

3、热泵补冷模式：白天空气需要降温处理时，储冷罐9中无储存的低温工作液，此时启动热泵单元，为空气处理单元直接供冷。当无需空气处理时，热泵补冷模式结束。

当储冷罐9中的工作液温度无法满足空气处理需求时，天空辐射制冷单元不工作，储冷单元不工作，空气处理单元工作，热泵单元工作。

此时切换阀的导通关系为：第三切换阀6导通热泵机组5与第七切换阀12，第七切换阀12导通第三切换阀6与空气换热器14，第八切换阀15导通第一循环泵1与空气换热器14，第一切换阀2导通第一循环泵1与第二切换阀4，第二切换阀4导通第一切换阀2与热泵机组5。

此时循环泵驱动管路中工作液，分别流经热泵机组5，第三切换阀6，第七切换阀12，空气换热器14，在空气换热器14中与空气换热，完成空气降温处理过程。然后依次流经第八切换阀15，第一循环泵1，第一切换阀2，第二切换阀4，回到热泵机组5，完成一个循环。

Claims (6)

1.一种热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，其特征在于，包括空气处理单元，天空辐射制冷单元，热泵单元和储冷单元；空气处理单元，天空辐射制冷单元，热泵单元，储冷单元通过管路和切换阀连接；

当夜间环境温度低时，利用天空辐射制冷单元制取冷量，并通过储冷单元将冷量储存起来；当日间进行空气处理时，利用储冷单元储存的冷量进行空气处理单元的空气降温处理；当储存冷量不足以进行空气处理时，利用热泵单元进行空气处理单元的空气降温处理；

空气处理单元，包括送风道，回风道，全热回收单元（13），空气换热器（14）、第七切换阀（12）、第八切换阀（15）；送回风道间均设置全热回收单元（13），在送风道中的全热回收单元（13）的下游方向设置空气换热器（14）；

天空辐射制冷单元，包括第一循环泵（1），第一切换阀（2），天空辐射制冷板（3），第二切换阀（4）；第一循环泵（1），第一切换阀（2），第二切换阀（4）依次连接组成旁通回路；第一切换阀（2），天空辐射制冷板（3）和第二切换阀（4）通过连接管路依次连接组成辐射制冷回路；

热泵单元，包括热泵机组（5）；

储冷单元，包括第三切换阀（6），第二循环泵（7），第四切换阀（8），储冷罐（9），第五切换阀（10），第六切换阀（11），且依次连接；储冷罐（9）包含两个腔体；空气换热器（14）与第八切换阀（15）的一端相连，还与第七切换阀（12）的一端相连；

第一切换阀（2）的一端与第一循环泵（1）的另一端相连，另一端与第二切换阀（4）的一端相连，第三端与天空辐射制冷板（3）的入口相连；第二切换阀（4）的第三端与天空辐射制冷板（3）的出口相连，另一端与热泵机组（5）相连；

热泵机组（5）与第六切换阀（11）的一端相连，还与第三切换阀（6）的一端相连；

第三切换阀（6）的第三端与第二循环泵（7）的一端相连，第二循环泵（7）的另一端与第四切换阀（8）的第三端相连，第四切换阀（8）的另外两端分别与储冷罐（9）的两个腔体相连，储冷罐（9）的两个腔体的另一端分别与第五切换阀（10）的两端相连；第五切换阀（10）的第三端与第六切换阀（11）的另一端相连；第六切换阀（11）的第三端同时与第七切换阀（12）的另一端，第八切换阀（15）的第三端相连；第七切换阀（12）的第三端与第三切换阀（6）的另一端相连，第八切换阀（15）的另一端与第一循环泵（1）的一端相连。

2.根据权利要求1所述的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，其特征在于，空气处理单元通过切换阀及管路分别与天空辐射制冷单元、储冷单元、热泵单元连接；天空辐射制冷单元通过切换阀及管路与热泵单元连接；热泵单元通过切换阀及管路与储冷单元连接。

3.根据权利要求1所述的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，其特征在于，还包括控制单元，控制单元与空气处理单元、天空辐射制冷单元、热泵单元，储冷单元连接，控制单元与切换阀连接。

4.根据权利要求3所述的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，其特征在于，所述系统工作在夜间储冷模式时：天空辐射制冷单元工作，储冷单元工作，空气处理单元不工作，热泵单元不工作；

第一循环泵工作，此储冷罐中一腔体中充满高温工作液；天空辐射制冷单元向太空辐射能量，温度降低；通过循环泵带动，储冷罐的一腔体中的高温工作液流至天空辐射制冷单元，将获得的冷量带走，到达储冷单元后，存储在储冷罐的另一腔体中。

5.根据权利要求3所述的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，其特征在于，所述系统工作在日间取冷模式时：天空辐射制冷单元不工作，空气处理单元工作，热泵单元不工作，储冷单元工作；

第二循环泵工作，此时储冷罐中一腔体充满低温工作液；通过循环泵带动，储冷罐的一腔体中的低温工作液被运送至空气处理单元的空气换热器，对送风空气进行降温处理；从空气处理单元返回的高温工作液储存在储冷罐的另一腔体中。

6.根据权利要求3所述的热泵与辐射联合制冷的空气处理系统，其特征在于，所述系统工作在热泵补冷模式时：天空辐射制冷单元不工作，储冷单元不工作，空气处理单元工作，热泵单元工作；

储冷罐的工作液温度无法满足空气处理需求时，启动热泵单元，为空气处理单元直接供冷。

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