CN204806506U - 电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统 - Google Patents

Abstract

一种电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，所述供暖系统是在供暖地板层面上水平铺设有与辐射供暖地板层面相应的辐射供暖层，所述辐射供暖层是由绝热层、供暖辐射层和蓄热层构成，所述供暖辐射层是由四周铺设的电热膜辐射层与中间铺设的毛细铜管网辐射层平面铺设构成。本实用新型解决了空气源热泵在除霜工况下导致室内温度不稳定，影响热用户的舒适性及尖峰时期难以实现供暖保障性的问题，以及采用电热膜运行费用较高，能源损耗大的问题，实现了在冬季室外环境恶劣的工况下持续恒温供暖的目的。

Description

电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统

技术领域

本实用新型涉及一种地板辐射供暖系统，尤其是一种综合利用空气源热泵与电热膜的节能环保供暖系统。该系统特别适用于冬季居家生活和办公场所之中，是一种综合考虑降低系统初投资，提高用电效率，维持系统低费用运行并能有效保证热用户供暖连续性与舒适性的新型节能环保供暖系统。

背景技术

随着经济快速增长，人们对居住环境也提出了更高的要求，随之而来是建筑能耗的日益增长，为了在满足舒适性的基础上降低建筑能耗，新能源的开发和利用显得尤为重要。在诸多建筑热泵技术之中，空气源热泵以其清洁、高效、稳定等优点，已被广泛应用于暖通空调领域，其建筑环境调节系统以大气为能源，资源丰富，不破坏环境，与人类具有良好的亲和性。冬季，空气源热泵从室外空气中提取低品位热能，通过消耗少量电能提升至高品位热能为建筑物供暖，从而实现大量清洁能源的利用。但是，空气源热泵系统向热用户提供的热量随室外空气环境参数改变而变化，因此不可避免要遇到两方面的问题：一是随着室外气温的降低而减少，压缩机吸排气压差增大，压缩机吸入的制冷剂密度减少，热泵系统内部制冷剂的循环流量减少，导致热泵循环系统向热用户提供的热量减少；二是当室外气温较低时，空气源热泵系统的室外换热器表面会结霜，故需要采取除霜措施。此外，当系统处于短暂尖峰负荷工况时，仅由空气源热泵提供热用户必需的热量势必会导致机组功率过高、初投资过大，而机组在非尖峰时期以低功率、低负荷运行，这样不利于提高系统用电效率并且有损机组寿命。

上述关于空气源热泵的两方面问题中，冬季室外机蒸发器结霜现象严重制约着机组正常供暖。结霜现象是由空气源热泵机组与室外环境相互作用导致的结果。当室外换热器表面结霜时，将会增加换热器的传热热阻；同时，随着霜层不断增厚，将会使风侧阻力增加、空气流通断面减小、通过换热器表面的空气流量减少，导致室外换热器换热效率恶化、供热量骤减、甚至发生停机现象。因此当霜层达到一定厚度时，必须采取适当的除霜措施。目前空气源热泵室外机除霜技术分为机组倒转、辅助电加热和辅助蓄热除霜等。机组倒转除霜即利用四通阀换向，将室外蒸发器变换为冷凝器来进行，工作介质在室外结霜蒸发器处放热除霜。此方法简单易实现且不用增加额外的除霜设备，但其在室内却吸热制冷，易造成室温波动，严重影响系统连续供暖，使用舒适性欠佳。而辅助电加热和辅助蓄热除霜技术都是机组外接除霜设备，额外占用可用空间，不利于设备灵活布置，且配套设备衔接工作易不稳定。

电加热板供暖系统俗称电地暖，供暖末端分电热膜、发热电缆等，现多使用聚酯真空镀铝电热膜，电热膜供热克服了传统供暖方式的各种不足：其占用空间小，热舒适性好，用户可以自行控制其运行方式，节约能源，同时没有泄露，无需维护，能够充分发挥其超薄耐用、供热量分布均匀等特性。电热膜下层铺有绝热层，可减少室内地面向下散热；其上层覆盖蓄热层，可增强室内节能保温效果。此供暖技术操作简单无污染无噪音，初投资为120～180元/m²，但其运行费用为40～60元/（m²采暖季）在所有供热方式中最高，且能源消耗量大。

供暖末端采用毛细管网地板辐射结合空气源热泵是运用于冬季采暖的新型实用供暖系统。相对于传统散热器末端，地板辐射供暖系统具有热舒适性好、卫生条件好、经济节能、不占用建筑使用面积等优点。辐射供暖工质有水和制冷剂两种，目前很多研究都是基于水作为热媒来进行，但是低温热水地板辐射供暖系统需要使用循环水泵，而循环水泵的能耗占总能耗的40%左右，严重降低了能量利用率。相对低温热水地板辐射供暖方式而言，采用以制冷剂为媒介的地板辐射供暖，减少了循环水泵和换热器，系统管件也得到了精简，可有效降低传热环节的能量损失。空气源热泵地板辐射供暖系统初投资180～240元/m²相对较高，但运行费用为15～18元/（m²采暖季）远小于其他采暖系统，因此在运行过程便可收回全部初投资，经济环保。

发明内容

本实用新型所要解决的具体技术问题是现有空气源热泵在除霜工况下导致室内温度不稳定，影响热用户舒适性及尖峰时期难以实现供暖保障性、初投资较高；而采用电热膜运行费用较高，能源损耗的问题，进而提供一种电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统。

本实用新型的上述问题是通过以下技术方案实现的。

一种电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，包括电热膜辐射层，空气源热泵及其毛细铜管网辐射层，以及控制系统；其特征在于：

在供暖地板面层上水平铺设有与辐射供暖地板面层形状相应的辐射供暖层，所述辐射供暖层是由绝热层、供暖辐射层和蓄热层构成，所述供暖辐射层是由四周同一平面铺设的电热膜辐射层与中间铺设的毛细铜管网辐射层构成；

所述电热膜辐射层的发热电阻两端直接与温度控制器电连接，并设置有温度传感器，由通讯线连接于温度控制器，通过控制耦合系统实现电热场耦合供热；

所述毛细铜管网辐射层是由毛细铜管由外到内逐个环圈敷设并联构成，毛细铜管一侧端口为进气总管，在进气总管上连通有调节阀、压力表和温度计，并通过软连接连通有热泵室外机排气口；毛细铜管另一侧端口为排液总管，在排液总管上依次连通有调节阀、Y形过滤器、压力表和温度计，并经软连接连通有空气源热泵室外机回液口，实现毛细铜管网辐射层耦合供热；

所述空气源热泵的室外机内将压缩机的出口与四通阀的c口相连通，压缩机的进口与气液分离器相连通；所述气液分离器的另一端与四通阀的a口相连通；联动风机的蒸发器一端与四通阀的d口相连通，另一端经膨胀阀与室外机的回液口相连通，四通阀的b口与室外机排气口相连通，实现空气源热泵与毛细铜管网辐射层连通实现耦合供热；

所述控制系统是机电一体化进行远程遥控或线控的PLC集中自动控制系统，并通过通讯线将温控器与温度传感器和电热膜控制线集为一体，实现电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统的控制耦合供热。

进一步地，附加技术特征如下。

所述电热场耦合空气源热泵的耦合系统中空气源热泵模块的热场耦合度区间为70～100%，电热膜模块的热场耦合度区间为10～30%；当空气源热泵模块的热场耦合度为90%，电热膜模块的热场耦合度为10%时，供暖耦合系统最佳。

所述四周铺设的电热膜辐射层与中间铺设的毛细铜管网辐射层是按1:15的比例铺设构成。

所述温度传感器是铂电阻温度传感器，位于距地板1m的墙面上设置。

所述温度控制器位于室外机内，并安装有带线控操作面板。

本发明上述一种电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，应用耦合效应，通过对供暖耦合系统中电热膜模块与空气源热泵模块各自处理温度感应信息的控制耦合，完成了两模块交互共享温度控制反馈信号的公共耦合平台的搭建，实现了电热场与空气源热场的热场耦合联动，使供暖耦合系统具备在设定室温下持续均匀恒温供暖的直观个性化供暖耦合功能。创新实现了控制耦合、公共耦合和热场耦合“三位一体”的立体供暖耦合模式。

与现有技术相比，所具有得优点与积极效果如下。

本地板辐射供暖系统采用毛细铜管网结合电热膜，电热膜的增设能够在短暂尖峰时期承担一部分供暖功率，从而降低了空气源热泵机组功率，提高了系统的供暖保障性。

本地板辐射供暖系统中增设电热膜，使空气源热泵机组在大部分时间处于额定功率附近运行，避免了机组功率大范围波动，提高了用电效率，保障了机组的使用寿命。

本地板辐射供暖系统处于除霜工况时机组倒转，室内换热器将吸收热量以供室外机除霜，电热膜接收温控器反馈信号启动供暖，维持室内温度稳定，实现系统不间断供暖。此外，避免了额外占地外接除霜设备额外占用空间，提高了供暖保障性以及使用舒适性。

本地板辐射供暖系统采用空气源热泵采暖系统的运行费用较低，具有普遍应用的优越性，虽然电热膜地板辐射供暖系统的初投资较空气源热泵而言较低但其运行费用很高。因此，本实用新型将两者耦合于一体具有较高的经济性和实用性，进一步提高了用电效率。

本地板辐射供暖系统大部分时间采用空气源热泵供暖系统，充分利用空气能这种新能源，使本实用新型具有节能环保的优势。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图。

图中：1：压缩机；2：蒸发器；3：风机；4：四通阀；5：膨胀阀；6：软连接；7：温度计；8：压力表；9：Y型过滤器；10：调节阀；11：气液分离器；12：空气源热泵室外机；13：温度控制器；14：采暖房间；15：电热膜；16：毛细铜管网；17：温度传感器。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式做出进一步的说明。

实施本实用新型上述所提供的一种电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，该地板辐射供暖系统包括有电热膜辐射层，空气源热泵及其毛细铜管网辐射层，以及控制系统；其要件构成是在室内供暖水平地板面层上铺设有与辐射供暖地板层面大小形状相应的辐射供暖层，该辐射供暖层是由绝热层、供暖辐射层和蓄热层构成，其中的供暖辐射层是由同一平面四周铺设的电热膜辐射层与中间铺设的毛细铜管网辐射层平面按1:15铺设构成，耦合系统中空气源热泵模块的热场耦合度区间为70～100%，其中，毛细铜管网敷设的面积区间为80~94%，电热膜模块的热场耦合度区间为10～30%，其中，电热膜的辐射面积为6~20%。经检测，当空气源热泵模块的热场耦合度为90%，电热膜模块的热场耦合度为10%时，电热膜辐射层与毛细铜管网辐射层平面按1：15铺设，供暖耦合系统能获得最佳节能经济效益。

在上述实施方案中，电热膜的发热电阻两端直接与温度控制器13电连接，设置有温度传感器17，通过通讯线和温度控制器13电相连；并通过控制耦合系统实现电热场耦合供热；

在上述实施方案中，毛细铜管网辐射层是由毛细铜管毛细铜管从外到内逐个环圈敷设并联构成，且毛细铜管一侧端口为进气总管，在进气总管上连通有调节阀10、压力表8和温度计7，并通过软连接6连通有热泵室外机12排气口；毛细铜管另一侧端口为排液总管，在排液总管上依次连通有调节阀10、Y形过滤器9、压力表8和温度计7，并经软连接6连通有空气源热泵室外机12回液口，实现毛细铜管网辐射层耦合供热；

在上述实施方案中，空气源热泵是将压缩机1的出口与四通阀4的c口相连通，压缩机1的进口与气液分离器11相连通；所述气液分离器11的另一端与四通阀4的a口相连通；联动风机3的蒸发器2一端与四通阀4的d口相连通，另一端经膨胀阀5与室外机的回液口相连通，四通阀4的b口与室外机排气口相连通，实现空气源热泵与毛细铜管网辐射层连通实现耦合供热；

在上述实施方案中，控制系统是机电一体化进行远程遥控或线控的PLC集中自动控制系统，其温度传感器17是铂电阻温度传感器，位于距地板1m的墙面上设置，温度控制器13位于室外机内，安装有带线控操作面板，并通过通讯线将温控器13与温度传感器17和电热膜15控制线集为一体，实现电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统的控制耦合供热。

在上述实施方案中，大部分采暖时间由空气源热泵结合毛细铜管网地板辐射供暖。供暖流程为压缩机通过多变过程压缩从蒸发器出口输出的工质由略过热蒸气至完全过热状态，蒸气升温升压。过热蒸气从压缩机出口出来，通过四通阀，经温度监测在正常范围内，然后进入毛细铜管网对热用户进行辐射供暖，进而冷凝为饱和液体。工质液体经监测在正常范围内后，流经室外机膨胀阀进行绝热节流膨胀，液体成为过饱和蒸气。然后工质进入蒸发器，风机在此强制空气与工质对流换热，过饱和蒸气吸热蒸发温度升高成为略过热蒸气。接着略过热蒸气经过四通阀、气液分离器，进入压缩机进行多变压缩，完成一次供暖循环，并开始下一次循环。温度传感器监测室内温度变化情况，并反馈信号至温度控制器与设定温度进行校准，温控器再按照校准结果释放信号控制系统供热量及其他工作状况。

电热膜在采暖尖峰负荷时联合空气源热泵地板辐射供暖系统供暖，及空气源热泵机组处于逆转工况时电热膜辅助空气源热泵为室内提供热量。电热膜在尖峰负荷时接收温控器传来的压缩机满功率信号和低室温加热信号，启动联合空气源热泵系统供暖；当温度传感器传来室温过高信号时，温控器接收信号并根据设定的温度值自动停止电热膜工作，由空气源热泵直接地板辐射系统单独供暖。当空气源热泵机组处于逆转工况时，电热膜接收温控器反馈信号自启动供暖，维持设定室内温度。如此循环直至空气源热泵机组结合毛细铜管网重新开始工作，温控器停止电热膜供暖。

除霜开始时，压缩机停机，四通阀由制热位置转到制冷位置。然后，压缩机开启，热泵的运行方式由制热转到制冷方式，室外换热器从蒸发器变成冷凝器，压缩机排出高温高压的制冷剂进入室外换热器放热除霜。为了减少与室外的热交换损失，除霜时室外风机低速运行。除霜后，压缩机停机，四通阀换向，压缩机开启，热泵恢复制热运行。在除霜过程中，四通阀两次换向，压缩机要经历两次短时间开-停-开，制热方式要停止5-10分钟，转换成制冷方式，这时室内换热器为蒸发器，吸收室内热量。而电热膜接受温控器反馈的信号启动，为室内提供热量，使室内的温度维持稳定。直至除霜结束后，四通阀切换回制热模式，当温度传感器传来室温过高信号时，温控器接受信号并根据设定的温度值停止电热膜工作。

下面通过具体实施例进一步说明本实用新型的具体实施方式。

实施例1

设定采暖房间14的采暖面积为10m×10m=100m²，则需本实用新型系统总制热量为6.5kW。其中空气源热泵制热量占90%为5.85kW，电热膜制热量占10%为0.65kW。在空气源热泵室外机搁板处安放室外机12，型号为RDRD-6.0，额定功率1.62kW，制热量6.0kW，外形尺寸为1010mm×830mm×335mm。系统的结构及连接方式如附图1所示，室外机内压缩机1出口与四通阀4的c口相连，进口与气液分离器11连接，气液分离器的另一端与四通阀a口连接，联动风机3的蒸发器2一侧与四通阀d端连接，另一侧经过膨胀阀5接向室外机的回液口，四通阀b端与室外机排气口相连。室内地面供暖末端由下层到上层依次铺设绝热层、供暖辐射层、蓄热层。首先平整原有水泥地面基层，严密平整铺设20mm厚聚苯板作为绝热层。在绝热层上敷设供暖辐射层，即在（如图上的平面层）靠墙四周位置敷设一圈厚度0.4mm、制热量0.65kW的聚酯真空镀铝电热膜15。并在电热膜15内部（即房间的中间）敷设毛细铜管网16，所采用的毛细铜管的外径为4mm，以间距10mm从远到近逐个环圈并联敷设，经计算敷设的电热膜与毛细铜管的面积比大约为1:15。对安装完毕的毛细铜管网16打压21Mpa持续24小时，以检验其密闭性。待打压检验合格，在毛细铜管网16和电热膜15的上层填充30mm厚的混凝土蓄热层，混凝土标号应不小于C15。至此地面供暖末端铺设完毕，总厚度为54mm。并联全部铜管一侧端口成为进气总管，并依次连接调节阀10、压力表8、温度计7，通过软连接6接至热泵室外机12的排气口。并联全部铜管另一侧端口成为排液总管，并依次连接调节阀10、Y形过滤器9、压力表8、温度计7，经软连接6接至空气源热泵室外机12回液口。在室内距地板约1m的墙面上，选取合适位置安装铂电阻温度传感器17，在室外机内选取合适位置安装带线控操作面板的温度控制器13。本发明系统使用机电一体化PLC集中自动控制系统，可远程遥控或线控供暖系统工作。通过通讯线将温控器13与温度传感器17、电热膜15控制线等连接起来。

在采暖期大部分时间由空气源热泵结合毛细铜管网直接地板辐射供暖。供暖流程为压缩机通过多变过程压缩从蒸发器出口输出的工质略过热蒸气至完全过热状态，蒸气升温升压。过热蒸气从压缩机1出口出来，通过四通阀4由c转向b，经温度计7、压力表8监测在正常范围内，然后至毛细铜管网16对热用户进行辐射供暖。过热蒸气工质在毛细铜管网16内放热供暖温度降低，进而冷凝，使得一部分气体成为饱和液体，输送其进入Y型过滤器9过滤及温度压力监测。工质液体经监测在正常范围内后，流经室外机膨胀阀5进行绝热节流膨胀，液体成为过饱和蒸气。然后工质进入蒸发器2，风机3在此强制空气与工质对流换热，过饱和蒸气吸热蒸发温度升高，成为略过热蒸气。接着略过热蒸气通过四通阀换向由d换向a，再通过气液分离器，进入压缩机1进行多变压缩，完成一次供暖循环，并开始下一次循环。温度传感器17监测室内温度变化情况，并反馈信号至温度控制器13与设定温度进行校准，温控器13再按照校准结果释放信号控制系统供热量及其他工作状况。

电热膜在采暖尖峰负荷时期联合空气源热泵地板辐射供暖系统供暖，并且当空气源热泵机组处于逆转工况时电热膜能够辅助空气源热泵为室内提供热量，使室内温度保持稳定。电热膜15在尖峰负荷时接收温度传感器17的低室温加热信号，自启动联合空气源热泵系统供暖。当温度传感器17传来室温过高信号时，温控器13接收信号并根据设定温度值自动停止电热膜15工作，由毛细铜管网16单独供暖稳定室温。

在机组处于逆转工况时，压缩机1停机，四通阀4由制热位置转到制冷位置。然后压缩机1开启，空气源热泵12的运行方式由制热转到制冷方式，室外换热器从蒸发器2变成冷凝器，压缩机1排出过热蒸汽通过四通阀4，由c转向d，进入室外换热器2放热除霜。此时室内换热器为蒸发器，吸收室内热量，使室内温度降低，温度传感器17释放低室温加热信号至温控器13，温控器信号反馈电热膜15启动，为机组逆转及室内提供热量，使室内的温度维持稳定。除霜结束后，压缩机1停机，四通阀4换向，压缩机1开启，热泵12恢复制热运行，当温度传感器17传来室温过高信号时，温控器13接受信号并根据设定的温度值停止电热膜15工作，由毛细铜管网16单独供暖。

本实用新型上述具体实施的一种电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，实现了在冬季室外环境恶劣的工况下持续恒温供暖，取得了令人满意的效果，具有普遍的实时性和广阔的市场前景。

Claims (5)

1.一种电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，包括电热膜辐射层，空气源热泵及其毛细铜管网辐射层；其特征在于：

在供暖地板面层上水平铺设有与辐射供暖地板面层相应的辐射供暖层；所述辐射供暖层是由绝热层、供暖辐射层和蓄热层构成；所述供暖辐射层是由同一平面四周铺设的电热膜辐射层与中间铺设的毛细铜管网辐射层构成；

所述电热膜辐射层是将其发热电阻两端直接与温度控制器（13）电连接，并设置有温度传感器（17），由通讯线连接于温度控制器（13），通过控制耦合系统实现电热场耦合供热；

所述毛细铜管网辐射层是毛细铜管由外向内逐个环圈敷设并联构成，毛细铜管一侧端口为进气总管，在进气总管上连通有调节阀（10）、压力表（8）和温度计（7），并通过软连接（6）连通有空气源热泵室外机（12）的排气口；毛细铜管另一侧端口为排液总管，在排液总管上依次连通有调节阀（10）、Y形过滤器（9）、压力表（8）和温度计（7），并经软连接（6）连通有空气源热泵室外机（12）的回液口，实现毛细铜管网辐射层耦合供热；

所述空气源热泵室外机（12）是将其中压缩机（1）的出口与四通阀（4）的c口相连通，压缩机（1）的进口与气液分离器（11）相连通；所述气液分离器（11）的另一端与四通阀（4）的a口相连通；联动的风机（3）的蒸发器（2）一端与四通阀（4）的d口相连通，另一端经膨胀阀（5）与空气源热泵室外机（12）的回液口相连通，四通阀（4）的b口与空气源热泵室外机（12）的排气口相连通，实现空气源热泵与毛细铜管网辐射层连通实现耦合供热；

所述控制系统是机电一体化进行远程遥控或线控的PLC集中自动控制系统，并通过通讯线将温控器（13）与温度传感器（17）和电热膜控制线集为一体，实现电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统的控制耦合供热。

2.如权利要求1所述的电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，其特征在于：所述电热场耦合空气源热泵的耦合系统中空气源热泵模块的热场耦合度区间为70～100%，电热膜模块的热场耦合度区间为10～30%；当空气源热泵模块的热场耦合度为90%，电热膜模块的热场耦合度为10%时，供暖耦合系统最佳。

3.如权利要求1所述的电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，其特征在于：所述四周铺设的电热膜辐射层与中间铺设的毛细铜管网辐射层是按1:15的比例铺设构成。

4.如权利要求1所述的电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，其特征在于：所述温度传感器（17）是铂电阻温度传感器，位于距地板1m的墙面上设置。

5.如权利要求1所述的电耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，其特征在于：所述温度控制器（13）位于室外机内，并安装有带线控操作面板。