CN208124530U - 相变蓄能热泵恒温系统 - Google Patents

相变蓄能热泵恒温系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种相变蓄能热泵恒温系统,包括空气源热泵单元,与空气源热泵单元输出端连接的气水换热单元,与气水换热单元输出端连接的相变蓄能单元,和与相变蓄能单元输出端连接的末端应用单元;相变蓄能单元、末端应用单元皆设置有相变蓄能材料,在谷电时间段通过相变蓄能材料存储冷量或热量,系统避峰电运行,降低了运行成本;并且有效解决了夏季“结露”问题,冬季频繁“化霜”影响采暖问题,以及制取生活热水问题,节能高效,舒适环保,系统运行稳定可靠。

Description

相变蓄能热泵恒温系统
技术领域
本实用新型涉及暖通空调设施技术领域,具体涉及一种相变蓄能热泵恒温系统。
背景技术
空气能作为清洁环保低位热源,具有取之不尽,用之不竭,处处都有,可以无偿地获取的优点,使得空气源热泵机组在家庭及企事业单位冬季采暖和夏季制冷等方面得以大量应用。但是,现有技术的空气源热泵机组仍存在以下问题亟待解决:
1、现有空气源热泵(地暖)机组系统因设计、工艺等原因,系统在冬季化霜时(空气源热泵冬季化霜为制冷状态),特别是冬季低温高湿“雨雪雾”天,化霜过程中系统由制热状态转换为制冷状态,现在应用的热泵地暖机系统因设计上只有一次液(冷媒R410a或R22)-液(载冷热剂,如水)换热系统,没有其他化霜通道,导致系统化霜时地暖循环水路由循环热水变为循环冷水,大大降低了空气源热泵地暖机组的采暖效果,影响了采暖舒适度并且增加了能耗(即降低了制热能效比);另外整体式机组冬季运行时绝对不能断电,否则系统易冻坏,造成设备报废。
现有空气源热泵(地暖)机组为解决机组冬季化霜系统缺陷,增加了应急措施,针对主机化霜问题改善了设计,通常采用系统加装电辅热装置或增加缓冲水箱等措施解决。但从实际应用看,即使加装了电辅热装置及小容积缓冲水箱,在冬季“雨雪雾”天制热效果仍不理想,且能耗太大;在连续低温高湿“雨雪雾”天气采暖影响尤为明显;整体式机组为了防冻,通常办法是循环水改为循环防冻液,但冬季系统补充防冻液麻烦,给用户使用检修等带来极大不便。
2、现有的空气源热泵(冷暖水系统)机组,在夏季应用于恒温毛细管冷辐射制冷时,由于设计上只有一次液(冷媒R410a或R22)-液(载冷热剂,如水)换热系统,不能实现行业提倡的高温制冷,系统控制“露点”问题不能很好解决,不能进行制冷运行时的“露点”控制;导致系统在应用于毛细管冷辐射时,冷辐射围护结构(如墙面、顶面)表面结露,致使现有的空气源热泵地暖(冷暖)机组很难应用于先进的恒温毛细管“无室内机”冷辐射制冷系统。
3、现有的空气源热泵水系统机组,无论是在冬季采暖还是在夏季制冷,不能做到恒温下的电力移峰填谷,不能充分利用单位的“峰平谷”电价及普通住户的“峰谷”电价政策,进行合理的蓄能,将热量及冷量充分利用“谷电”进行连续工作并蓄能,“峰电”时热泵机组基本不工作或减少工作时间,达到节能、舒适、环保的目标。
发明内容
有鉴于此,本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种相变蓄能热泵恒温系统,能够蓄能及避峰电运行,降低系统运行成本,节能降耗,环保舒适。
为解决上述技术问题,本实用新型的技术方案是:相变蓄能热泵恒温系统,所述相变蓄能热泵恒温系统包括:空气源热泵单元,所述空气源热泵单元包括通过冷媒管路连接的热泵室内机和热泵室外机,所述空气源热泵单元的输出端连接气水换热单元,所述气水换热单元的输出端连接相变蓄能单元,所述相变蓄能单元的输出端连接末端应用单元;
所述气水换热单元包括气水换热器,所述气水换热器包括壳体和设置于所述壳体内腔的气水换热组件,所述壳体具有壳体进风口和壳体出风口,所述壳体进风口与所述热泵室内机的风管机出风口连接,所述气水换热组件具有进水口和出水口,所述进水口与进水管连接,所述出水口与出水管连接;
所述相变蓄能单元包括与所述气水换热单元的所述出水管连接的相变蓄能器;
所述末端应用单元包括与所述相变蓄能器连接的末端应用模块,所述末端应用模块的回水口与所述气水换热单元的所述进水管连接。
以下是对本实用新型的相变蓄能热泵恒温系统的多项进一步改进:
其中,所述相变蓄能器包括:蓄能器壳体,设置于所述蓄能器壳体内的蓄能器水管,和填充于所述蓄能器壳体空腔内的相变蓄能材料。
其中,所述蓄能器水管为外翅片铜管,所述蓄能器壳体为镀锌板保温壳体。
其中,所述末端应用模块包括相变蓄能块,和镶嵌于所述相变蓄能块内的末端换热水管。
其中,所述末端换热水管为内螺纹毛细铜管网,所述内螺纹毛细铜管网上设置有铝合金波纹翅片。
其中,所述相变蓄能器包括相变蓄热器和相变蓄冷器;所述末端应用模块包括与所述相变蓄热器连接的末端供热模块,和与所述相变蓄冷器连接的末端供冷模块。
其中,所述末端应用单元还包括与所述气水换热单元的所述出水管连接的生活热水单元。
其中,所述气水换热单元还包括气水换热控制器,所述气水换热控制器设置有温湿度检测模块;所述气水换热单元的所述出水管或者所述进水管上设置有循环泵,所述循环泵与所述气水换热控制器电连接。
其中,所述气水换热组件包括内螺纹铜管铝翼镀膜换热组件。
其中,所述空气源热泵单元还包括热泵控制器和设置于所述热泵室内机的内机管温传感器,所述内机管温传感器、所述热泵室内机、所述热泵室外机分别与所述热泵控制器电连接。
采用了上述技术方案后,本实用新型的有益效果如下:
由于本实用新型的相变蓄能热泵恒温系统包括空气源热泵单元,与空气源热泵单元输出端连接的气水换热单元,与气水换热单元输出端连接的相变蓄能单元,和与相变蓄能单元输出端连接的末端应用单元,相变蓄能单元、末端应用单元皆设置有相变蓄能材料;谷电时间段,空气源热泵机组正常供冷或供热时,通过相变蓄能材料存储冷量或热量,利用谷电实现蓄能;系统在高价位的峰电运行时段,主机可以停机,通过相变蓄能单元、末端应用模块的相变蓄能块释放冷量或热量,满足正常供冷或供热需要,避峰电运行,实现了电力移峰填谷,节能降耗,降低了系统运行成本。
由于热泵室内机出风口连接有室内气水换热单元,夏季制冷工况时,空气源热泵单元运行,实现冷媒与空气的一次换热,换热后的空气由热泵室内机进入气水换热器的壳体内腔,与气水换热组件内的水进行热交换,实现二次换热后的水用于室内冷辐射制冷;同时,温湿度检测模块检测室内温度与湿度指标,其中一个指标达到设定值时,气水换热控制器即控制循环泵停止运行,从而避免因湿度过高或温度过低造成冷辐射围护结构表面结露,对制冷运行时的“露点”进行了有效控制,实现了行业内倡导的“高温制冷”目标,节能舒适。
由于热泵室内机设置有内机管温传感器,冬季制热取暖需要化霜时,内机管温传感器检测热泵室内机换热管温度,管温达不到温度要求时,热泵室内机不工作(即不出风),虽然化霜时空气源热泵单元处于制冷状态,由于热泵室内机不与气水换热器进行热交换,从而不会因主机化霜而对地暖循环水路的取暖效果造成影响,彻底解决了系统冬季主机频繁化霜对采暖系统造成的循环水不断降温的难题。
综上所述,本实用新型的相变蓄能热泵恒温系统,有效解决了避峰电运行问题,夏季“结露”问题,冬季频繁“化霜”影响采暖问题,以及制取生活热水问题;实现了电力“移峰填谷”,节能高效,舒适环保,利国利民,系统运行稳定可靠。
附图说明
图1是本实用新型实施例的相变蓄能热泵恒温系统结构简图;
图2是图1中相变蓄能器结构简图;
图3是图1中末端应用模块结构简图;
图4是本实用新型实施例的相变蓄能热泵恒温系统应用流程图;
图中:I-空气源热泵单元;II-气水换热单元;III-相变蓄能单元;IV-末端应用单元;
1-气水换热器;2-气水换热组件;3-热泵室内机;4-热泵室外机;5-冷媒管路;61-进水管;62-出水管;7-过滤器;8-压力表;9-温度表;10-循环泵;11-末端供热模块;111-相变蓄能块;112-内螺纹毛细铜管网;113-连接法兰;12-末端供冷模块;13-生活热水单元;131-生活热水水箱;132-水箱换热管;133-电辅热装置;14-循环风道;15-空气过滤装置;16-软连接;17-热泵控制器;18-气水换热控制器;A-相变蓄热器;A1-蓄能器壳体;A2-外翅片铜管;A3-相变蓄能材料;B-相变蓄冷器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的非限制性说明。
如图1和图4共同所示,本实用新型的相变蓄能热泵恒温系统包括:空气源热泵单元I,空气源热泵单元I的输出端连接气水换热单元II,气水换热单元II的输出端连接相变蓄能单元III,相变蓄能单元III的输出端连接末端应用单元IV。
其中,空气源热泵单元I包括热泵控制器17和通过冷媒管路5连接的热泵室内机3和热泵室外机4。公知的热泵室内机有多种不同的可选择方式,可以是变频多联机组室内机,或者风冷模块机组室内机,或者家用商用一拖一机组室内机,在此不做限定。空气源热泵单元I属于本领域技术人员的公知技术,在此不再详细赘述。
如图1所示,其中,气水换热单元II包括气水换热器1和气水换热控制器18。气水换热控制器18设置有用于检测温度和湿度的温湿度检测模块。气水换热器1包括壳体和设置于壳体内腔的气水换热组件2,壳体具有壳体进风口和壳体出风口,壳体进风口与热泵室内机3的出风口通过软连接16连接,气水换热组件2具有进水口和出水口,进水口与进水管61连接,出水口与出水管62连接,出水管62上设置有循环泵10,循环泵10与气水换热控制器18电连接,循环泵10也可以设置于进水管61上;出水管62上还设置有公知的泄压阀、过滤器7、压力表8、温度表9。
其中,为了增强换热效果,气水换热组件2优选采用高效内螺纹铜管铝翼镀膜换热组件,即,在内螺纹铜管外套设有铝翅片,并在换热组件的外表面涂覆有吸热膜。内螺纹铜管、铝翅片、吸热膜皆属于本领域技术人员的熟知技术,在此不再详细图示及赘述。
如图1所示,示意出了气水换热组件2串联设置有两个的情形。显然,气水换热组件2的数量不局限于两个,根据实际需要,气水换热组件2的数量可以有所增减,例如,为了提高换热功率,可以串联设置有三个或更多个;末端应用单元IV负荷较低的情况下,还可以仅设置一个。高效内螺纹铜管铝翼镀膜换热组件的热交换功率与热泵机组主机功率匹配。在此不对其数量加以限制。
如图1所示,其中,气水换热器1的壳体出风口通过循环风道14与热泵室内机3的进风口(即回风口)连接。如此连接,可以形成如箭头所示的室内空气闭式循环。当然,也可以设计成本领域技术人员熟知的开式循环方式,在此不再赘述。
如图1所示,其中,在气水换热器1的壳体内腔靠近壳体进风口处设置有空气过滤装置15。本实施例中,空气过滤装置15具体采用了空气初效过滤网,可以把送入室内的空气尘埃粒子等过滤掉,提高室内空气品质。
如图1所示,其中,气水换热器1的壳体、热泵室内机3皆与冷凝水排放管线连接,便于汇集、排放制冷工况下产生的冷凝水。
其中,空气源热泵单元I还在其热泵室内机3的换热管设置有内机管温传感器(图中未示出)。内机管温传感器、热泵室内机3、热泵室外机4分别与热泵控制器17电连接。
如图1和图2所示,其中,相变蓄能单元III包括与气水换热单元II的出水管62连接的相变蓄能器。相变蓄能器的结构为:包括蓄能器壳体A1,蓄能器壳体A1优选采用镀锌板保温壳体,蓄能器壳体A1内设置有蓄能器水管,并且填充有相变蓄能材料A3。为增强换热效果,蓄能器水管优选采用外翅片铜管A2。相变蓄能器可以是相变蓄能罐或者相变蓄能箱的形式。
其中,相变蓄能器包括并行设置的相变蓄热器A和相变蓄冷器B。相变蓄热器A与相变蓄冷器B结构基本相同,不同之处在于,相变蓄热器A中的相变蓄能材料的相变温度高于相变蓄冷器B中的相变蓄能材料的相变温度。
如图1和图3所示,其中,末端应用单元IV包括与相变蓄能器连接的末端应用模块,末端应用模块的回水口与气水换热单元II的进水管61连接。末端应用模块包括相变蓄能块111和镶嵌于相变蓄能块111内的末端换热水管。为增强换热效果,其中,末端换热水管优选采用内螺纹毛细铜管网112;为进一步增强换热效果及均匀度,在内螺纹毛细铜管网112上叠加设置铝合金波纹板,形成换热翅片板(图中未具体示意)。其中,末端应用模块采用浇注方式制作,将带有铝合金翅片板的内螺纹毛细铜管网112放入模具内,将配制好的包含有相变蓄能材料的浆料注入模具内,固化后即制得末端应用模块,内螺纹毛细铜管网112在末端应用模块的外侧设置有连接法兰113,用于进水及回水。末端应用模块可制成多种规格,尺寸标准化,方便应用,例如厚度为50-100mm;长度与宽度为1000*2000mm,1000*1000mm,500*500mm或者1000*300mm,等等。
其中,末端应用模块包括与相变蓄热器A连接的末端供热模块11,和与相变蓄冷器B连接的末端供冷模块12。末端供热模块11与末端供冷模块12结构基本相同,不同之处在于,末端供热模块11中的相变蓄能材料的相变温度高于末端供冷模块12中的相变蓄能材料的相变温度。
末端供热模块11通常安装于室内地面或墙面,通过集分水器可以并联有多个末端供热模块11,满足末端多个房间用热需要;末端供冷模块12通常安装于室内屋顶面或墙面,末端供冷模块12通过集分水器可以并联有多个,满足末端多个房间用冷需要。
所述相变材料(英文Phase Change Materials,简称PCM),在其物相变化过程中,不同的材料配方,可以达到从环境吸收冷热量或向环境放出冷热量,从而达到能量储存和释放及能量调节目的。相变材料是目前的公知技术,在此不再详细赘述。
如图1和图4共同所示,其中,末端应用单元IV还包括与气水换热单元II的出水管62连接的生活热水单元13。其中,生活热水单元13包括生活热水水箱131和设置于生活热水水箱131内的水箱换热管132,水箱换热管132的进水端、出水端分别与出水管62、进水管61连接。生活热水水箱131内还进一步地设置有公知的电辅热装置133,以备热力不足时,采用电加热方式。生活热水单元13不局限于上述的水箱内置管式换热器的形式,还可以采用公知的小型钎焊式板式换热器方式。
本实用新型的相变蓄能热泵恒温系统工作过程如下:
本系统在夏季应用时,制冷工况下,空气源热泵单元I运行,实现冷媒与空气的热交换,即系统的一次换热;换热后的空气由热泵室内机3进入气水换热器1的壳体内腔,与气水换热组件2内的水进行热交换,即实现系统的二次换热,二次换热后的低温水通过循环泵10进入相变蓄冷器B,由相变蓄冷器B进入末端供冷模块12,通过带有叠加铝合金翅片板的内螺纹毛细铜管网112冷辐射实现室内辐射制冷;夜间谷电时间段,系统设置相对低温(低于相变材料蓄冷温度),作为一级蓄冷源的相变蓄冷器B、作为二级蓄冷源的末端供冷模块12的相变蓄能块111中的相变蓄能材料在制冷工况时吸收低温循环水中多余冷辐射的冷量,在白天高峰电价期间,主机即热泵室外机4可以停机,通过一级蓄冷源、二级蓄冷源释放冷量,满足正常供冷需要,实现了电力移峰填谷,错峰电运行,降低了系统运行成本;同时,温湿度检测模块检测室内温度与湿度指标,只要其中一个指标达到设定值时,气水换热控制器18即控制循环泵10停止运行,滞后一段时间后,停止空气源热泵单元I的运行,从而避免因湿度过高或温度过低造成墙面或/和屋顶等冷辐射围护结构表面结露,对制冷运行时的“露点”进行了有效控制,实现了行业内倡导的“高温制冷”目标,并且节能舒适。
本系统在冬季应用时,制热工况下,空气源热泵单元I运行,实现冷媒与空气的热交换,即系统的一次换热;换热后的空气由热泵室内机3进入气水换热器1的壳体内腔,与气水换热组件2内的低温水进行热交换,即实现系统的二次换热,二次换热升温后的高温水通过循环泵10进入相变蓄热器A,由相变蓄热器A进入末端供热模块11,通过带有叠加铝合金翅片板的内螺纹毛细铜管网112热辐射,实现室内热辐射制热;夜间谷电时间段,系统设置相对高温(高于相变材料蓄热温度),作为一级蓄热源的相变蓄热器A、作为二级蓄热源的末端供热模块11的相变蓄能块111中的相变蓄能材料在高温制热工况时吸收循环水中多余热辐射的热量,在白天高峰电价期间,主机可以停机,通过一级蓄热源、二级蓄热源释放热量,满足正常供热需要,避峰电运行;当遭遇冬季低温高湿“雨雪雾”天,室外机需要化霜时,空气源热泵单元I运行在制冷工况,由于热泵室内机3设置有内机管温传感器,使机组在化霜时具有“防冷风”功能,内机管温传感器检测热泵室内机3的换热管温度并上传热泵控制器17,当管温温度达不到要求时,热泵室内机3不工作(即不出风),虽然化霜时空气源热泵单元I处于制冷状态,由于热泵室内机3不与气水换热器1进行热交换,从而不会因主机化霜而对末端供热模块11的取暖效果造成影响,当主机连续化霜时,由系统通过一级蓄热源、二级蓄热源释放热量,满足正常供热需要,彻底解决了系统冬季主机频繁化霜对采暖系统造成的循环水不断降温的难题。
本系统在春、秋季应用时,由于此季节基本应用是不开启空调主机调节室内温度,这两个季节室内调温主要是依靠敷设于地面或墙面的末端供热模块11内的二级蓄热源(≥24℃蓄热)及敷设于顶面或墙面的末端供冷模块12内的二级蓄冷源(≤18℃蓄冷)。在室内温度高于24℃时,相变材料开始吸热,可将室内温度控制在24℃以下;在室内温度低于18℃时,相变材料开始吸冷,可将室内温度控制在18℃以上;本系统实现了过渡季节温度的舒适调节。
本系统在制取生活热水应用时,主要是应用于春、秋、冬季(夏季主机主要应用制冷);通过水泵与生活热水水箱131内的冷水进行热交换,实现热水功能,以及通过公知的控制软件、电动三通阀等实现热水优先功能;系统简单、可靠、实用、高效。
案例:本实用新型的相变蓄能热泵恒温系统,选取了一套150平方左右居民住宅(节能建筑)为实际案例,安装气候条件为华东气候条件实验,采用制冷量14KW(制热量15.5KW)通用直流变频空气源热泵机组匹配气水换热单元,分体式结构,吊顶安装,机组空气循环方式为闭式循环,采暖方式为末端供热模块(标准化被动式相变蓄能热桥并联模块组)地板采暖,制冷方式为全吊顶恒温末端供冷模块(标准化被动式相变蓄能冷桥并联模块组)冷辐射制冷;系统在冬季能实现低温(毛细管板热辐射)制热,地暖热辐射供回水温度控制在35-30℃及以下,在夜间谷电时间,将温度通过主机编程自动调高至45-40℃,实现一级和二级谷电蓄热能,蓄能后可用于白天峰电时段使用,实现电力移峰填谷,并可在主机化霜时,系统通过蓄能实现连续供热,降低了系统能耗同时增加了采暖舒适度;系统在夏季能实现高温(毛细管板冷辐射)制冷,毛细管供回水温度控制在15-20℃及以上,在夜间谷电时间,通过主机编程自动将温度适当调低至5-15℃,实现一级和二级谷电蓄冷能,蓄能后可用于白天峰电时段使用,实现了电力移峰填谷,系统设计恒温地暖热辐射采暖指标100W/㎡,(考虑了冬季制热机组衰减),恒温毛细管冷辐射制冷指标90W/㎡,自动控制,24小时连续恒温使用,控制方式为线控器或手机APP;经过夏季三个月连续使用,冬季四个月连续使用,运行良好,系统节能、环保、舒适,制冷费用控制在5-8元/平方米,制热费用控制在8-12元/平方米,夏季室内控制恒温温度24±2℃,冬季室内恒温温度20±2℃,春秋季节系统由末端应用模块中的相变蓄能材料放热(冷)或吸热(冷)适当调节室内温度,提高了过渡季节室内环境舒适度。

Claims (10)

1.相变蓄能热泵恒温系统,所述相变蓄能热泵恒温系统包括:空气源热泵单元,所述空气源热泵单元包括通过冷媒管路连接的热泵室内机和热泵室外机,其特征在于,所述空气源热泵单元的输出端连接气水换热单元,所述气水换热单元的输出端连接相变蓄能单元,所述相变蓄能单元的输出端连接末端应用单元;
所述气水换热单元包括气水换热器,所述气水换热器包括壳体和设置于所述壳体内腔的气水换热组件,所述壳体具有壳体进风口和壳体出风口,所述壳体进风口与所述热泵室内机的风管机出风口连接,所述气水换热组件具有进水口和出水口,所述进水口与进水管连接,所述出水口与出水管连接;
所述相变蓄能单元包括与所述出水管连接的相变蓄能器;
所述末端应用单元包括与所述相变蓄能器连接的末端应用模块,所述末端应用模块的回水口与所述进水管连接。
2.如权利要求1所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述相变蓄能器包括:蓄能器壳体,设置于所述蓄能器壳体内的蓄能器水管,和填充于所述蓄能器壳体空腔内的相变蓄能材料。
3.如权利要求2所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述蓄能器水管为外翅片铜管。
4.如权利要求1所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述末端应用模块包括相变蓄能块,和镶嵌于所述相变蓄能块内的末端换热水管。
5.如权利要求4所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述末端换热水管为内螺纹毛细铜管网。
6.如权利要求1所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述相变蓄能器包括相变蓄热器和相变蓄冷器;所述末端应用模块包括与所述相变蓄热器连接的末端供热模块,和与所述相变蓄冷器连接的末端供冷模块。
7.如权利要求1所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述末端应用单元还包括与所述气水换热单元的所述出水管连接的生活热水单元。
8.如权利要求1所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述气水换热单元还包括气水换热控制器,所述气水换热控制器设置有温湿度检测模块;所述气水换热单元的所述出水管或者所述进水管上设置有循环泵,所述循环泵与所述气水换热控制器电连接。
9.如权利要求1所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述气水换热组件包括内螺纹铜管铝翼镀膜换热组件。
10.如权利要求1所述的相变蓄能热泵恒温系统,其特征在于,所述空气源热泵单元还包括热泵控制器和设置于所述热泵室内机的内机管温传感器,所述内机管温传感器、所述热泵室内机、所述热泵室外机分别与所述热泵控制器电连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110608473A (zh) * 2019-09-05 2019-12-24 珠海格力电器股份有限公司 一种带贯流风机的蓄能辐射末端及辐射换热设备
WO2020187010A1 (zh) * 2019-03-21 2020-09-24 北京瑞特爱机电设备工程有限公司 一种冷热双蓄型房间空调装置
CN113418254A (zh) * 2021-07-12 2021-09-21 高富玉 一种蓄能恒温动力模块

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