被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供热系统
阅读说明：本技术 被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供热系统 (Passive phase-change energy-storage sunlight room and air source heat pump coupling heating system ) 是由 赵靖 刘德涵 吕石磊 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供热系统,该系统包括被动式相变蓄能阳光间(7)、相变蓄热单元(11)、所需供热房间(8)以及设置于被动式相变蓄能阳光间(7)和所需供热房间(8)之间的空气源热泵热风机,所述相变蓄热单元(11)由数个相变蓄热模块(1)组成。与现有技术相比,本发明构件化的相变蓄热模块组装简单,布置灵活,可根据实际情况自由布置组合；在白天通过阳光间收集太阳能,减小了室温的波动性,延长了阳光间与室内通风换热的时间,提高了太阳能的利用效率；夜间减小了空气源热泵供暖的能耗,解决了太阳能间歇性和不稳定性的问题,达到了充分和全面利用太阳能的目的。(The invention discloses a passive phase-change energy-storage sunshine room and air source heat pump coupling heating system which comprises a passive phase-change energy-storage sunshine room (7), a phase-change heat storage unit (11), a required heating room (8) and an air source heat pump air heater arranged between the passive phase-change energy-storage sunshine room (7) and the required heating room (8), wherein the phase-change heat storage unit (11) is composed of a plurality of phase-change heat storage modules (1). Compared with the prior art, the component-based phase change heat storage module is simple to assemble and flexible to arrange, and can be freely arranged and combined according to actual conditions; the solar energy is collected in the sunshine room in the daytime, so that the fluctuation of the room temperature is reduced, the time of ventilation and heat exchange between the sunshine room and the room is prolonged, and the utilization efficiency of the solar energy is improved; the energy consumption of air source heat pump heating is reduced at night, the problems of solar energy intermittency and instability are solved, and the purpose of fully and comprehensively utilizing the solar energy is achieved.)
技术领域
本发明涉及热泵以及利用热泵的住宅供热技术领域，特别是涉及一种空气源热泵与被动式太阳能蓄能的阳光间耦合的供热系统。
背景技术
空气源热泵是一种利用电机驱动的蒸汽压缩循环系统，将室外低温环境空气中的热量转移至室内的清洁采暖技术，在我国北方农村地区清洁取暖改造中得到大范围推广应用。但是由于北方冬季较低的室外温度，空气源热泵的系统蒸发温度往往处于一个较为不利的环境温度，容易造成在使用过程压缩机压缩比过大，制热量严重不足，机组制热效率（COP）大幅衰减，导致耗电量的巨额增加。
为解决空气源热泵的低温适应性问题，太阳能辅助空气源热泵系统成为研究重点。传统太阳能与空气源热泵相结合的方式多为利用太阳能热水提高系统的蒸发侧环境温度，尽管可以克服传统空气源热泵在低温环境运行效果差的问题，但由于太阳能水系统无法直接与房间采暖系统相连接，造成房间在昼间依然需要采用空气源热泵供暖，导致了太阳能利用率的降低。
被动式阳光间经济地、有效地利用太阳能利用技术，有助于提高太阳能利用率，降低建筑热负荷。但是由于传统被动式阳光间受太阳辐射强度影响较大，具有波动性、间歇性的特点，昼夜温差较大，无法满足室内全天候的取暖需求。
将空气源热泵与被动式阳光间相结合可以达到白天由被动式阳光间供暖，夜间由空气源热泵供暖，同时阳光间在白天所积蓄的热量可以提升空气源热泵的COP，可以满足房间供暖的时间匹配问题。但是由于传统阳光间蓄热量较低，无法在夜间长时间释放热量，因此如何提高太阳能蓄热率，维持二者相结合的高效供暖区间，成为当下亟需解决的技术问题。
发明内容
为了弥补和改善了现有技术的不足，本发明提出一种被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供热系统，利用空气源热泵系统实现了利用相变蓄能增加阳光间的蓄热量以提高太阳能利用效率、提升空气源热泵的制热效率的供热系统。
本发明为解决上述问题而采取的技术方案如下：
一种被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供热系统，该系统包括被动式相变蓄能阳光间、相变蓄热单元、所需供热房间以及设置于被动式相变蓄能阳光间和所需供热房间之间的空气源热泵热风机，所述相变蓄热单元由数个相变蓄热模块组成。
所述空气源热泵热风机进一步包括空气源热泵蒸发器、空气源热泵压缩机、空气源热泵冷凝器和空气源热泵膨胀阀；其中：
在所述被动式相变蓄能阳光间内部设置所述相变蓄热单元和所述空气源热泵蒸发器；在所述所需供热房间内部设置换气口和空气源热泵冷凝器；
所述空气源热泵蒸发器和所述空气源热泵冷凝器所构成的回路上设置有空气源热泵膨胀阀与空气源热泵压缩机。
所述相变蓄热模块的底部、前部、上部分别开有大小一致的棱柱形通风管道，并且在其顶部额外焊接与其棱柱形通风管道大小一致的通风口；所述相变蓄热模块的内部设置有通风管道。
所述相变蓄热模块由不锈钢焊接而成，外表面涂有吸热涂层，内部填充相变材料，相变材料由石蜡和膨胀石墨材料复合而成，其相变温度在20℃~25℃之间。
位于顶部的相变蓄热模块的通风口与其他相变蓄热模块的通风口进行拼接，实现多个相变蓄热模块之间的组合。
所述相变蓄热模块的前部开口朝向被动式相变蓄能阳光间内部，以实现通过自然对流与被动式相变蓄能阳光间内部空气进行换热；位于顶部的相变蓄热模块横向拼接，其顶部通风口与房间换气口相连，便于进行白天被动式相变蓄能阳光间内高温热空气与室内的对流换热。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）构件化的相变蓄热模块组装简单，布置灵活，可根据实际情况自由布置组合。深色的外表面涂料可提升太阳能收集率，各个模块通风口之间的连接便于向室内输送被动式相变蓄能阳光间的暖风，同时提升了相变蓄热模块与被动式相变蓄能阳光间内部空气的换热效率；
2）空气源热泵的运行时间减少，机组制热效率COP升高，大大降低了运行成本。
3）在白天通过被动式相变蓄能阳光间收集太阳能，并将热量存储在相变蓄热模块内部和被动式相变蓄能阳光间墙体内，同时被动式相变蓄能阳光间内部的高温空气可以通过相变蓄热模块的通风口和活动窗的开启满足室内白天的供暖；由于被动式相变蓄能阳光间收集部分热量的存储，使得被动式相变蓄能阳光间内部空气温度的峰值得到降低，减小了室温的波动性，延长了被动式相变蓄能阳光间与室内通风换热的时间，提高了太阳能的利用效率；
4）夜间被动式相变蓄能阳光间内部空气温度低于室内温度时，关闭活动窗和通风风阀，空气源热泵为室内供暖。被动式相变蓄能阳光间和相变蓄热模块积蓄的热量加热了空气源热泵蒸发器的环境温度，维持其处于高COP工作区间，减小了空气源热泵供暖的能耗，解决了太阳能间歇性和不稳定性的问题，达到了充分和全面利用太阳能的目的。
附图说明
图1为本发明的被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供热系统结构示意图；
图2为被动式相变蓄能阳光间、所需供热房间、相变蓄热模块以及空气源热泵蒸发器安装示意图；
图3为相变蓄热模块主视图；
图4为相变蓄热模块剖视图；
图5为相变蓄热模块拼接示意图；
附图标号说明：
1、相变蓄热模块，2、空气源热泵蒸发器，3、空气源热泵压缩机，4、空气源热泵冷凝器，5、空气源热泵膨胀阀，6、换气口，7、被动式相变蓄能阳光间，8、所需供热房间，9、棱柱形通风管道，10、通风口，11、相变蓄热单元，12、通风管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供暖系统结构示意图。本发明的被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供热系统，主要由被动式相变蓄能阳光间、相变蓄热模块1和空气源热泵热风机组成。其中，相变蓄热模块1和空气源热泵蒸发器2被设置于被动式相变蓄能阳光间7内，空气源热泵冷凝器4、换气口6被设置于所需供热房间8内。所述空气源热泵蒸发器2和空气源热泵冷凝器4所构成的回路上设置有空气源热泵膨胀阀5与空气源热泵压缩机3。空气源热泵冷凝器4置于所需供热房间室内底部，由送风机为所需供热房间8供暖。
如图2所示，为被动式相变蓄能阳光间、所需供热房间、相变蓄热模块以及空气源热泵蒸发器安装示意图。该图中公开了被动式相变蓄能阳光间、所需供热房间、相变蓄热单元和空气源热泵蒸发器相结合的具体构造和各部分位置关系。被动式相变蓄能阳光间的相变蓄热单元11通过在建筑南侧的被动式相变蓄能阳光间内部增加相变蓄热模块构成，其中相变蓄热单元11由数个相变蓄热模块1组成。相变蓄热单元11基于被动式相变蓄能阳光间的实体墙面进行布置，其中靠近被动式相变蓄能阳光间北侧顶部的相变蓄热单元11通过设置在室内南墙的换气口与室内空气相连接。空气源热泵蒸发器2置于被动式相变蓄能阳光间7的相变蓄热模块包围之中。
在所需供热房间的南侧附建有被动式相变蓄能阳光间，被动式相变蓄能阳光间与所需供热房间南墙相连接，南墙为外墙面涂有深色保温涂料的实体墙，其中南墙上设置带有活动窗的断桥铝高透保温窗。
被动式相变蓄能阳光间的东西立面及南立面底部由保温砖和内外墙面深色涂料构成，屋顶及南立面上部由高透保温玻璃构成，高透保温玻璃与东西立墙和房间南墙通过断桥铝材料封闭连接。被动式相变蓄能阳光间底部通过垒砌保温砖提升被动式相变蓄能阳光间与地面距离，增加保温性能。
如图3所示，为相变蓄热模块主视图。如图4所示，为相变蓄热模块剖视图。在相变蓄热模块底部、前部、上部分别开有大小一致的棱柱形通风管道9，并且在其顶部额外焊接与棱柱形通风管道大小一致的通风口10。为保证相变蓄热模块的密封性以及换热效率，相变蓄热模块由不锈钢焊接而成，外表面涂有吸热涂层，内部填充相变材料，相变材料由石蜡和膨胀石墨材料复合而成，其相变温度在20℃~25℃之间，有利于维持被动式相变蓄能阳光间白天室内温度的稳定以及夜间热量的释放，达到削峰填谷的目的。首先将不锈钢切割为模块各面所需形状，然后将相变蓄热模块1内部的通风管道12以及位于顶部的通风口10进行焊接，再将其前面、上面、下面带有开口的钢板焊接到通风管道12上，最后将其后面以及左面的钢板焊接完成。将熔融态的相变材料通过相变蓄热模块1留的右面开口注入模块内部，待相变材料完全充满模块内部后将其右面钢板进行焊接，从而将相变蓄热模块1构建完成。
位于相变蓄热模块顶部的通风口与其他相变蓄热模块的前部、底部的通风口进行拼接，相变蓄热模块顶部通风口可插入其他相变蓄热模块的前部或者底部开口进行卯榫连接，可以实现多个相变蓄热模块之间的组合，拼接组合后的相变蓄热模块形式如图5所示。在实际建设中，相变蓄热模块应倚靠被动式相变蓄能阳光间内部实体墙进行组合，拼接好的相变蓄热模块通过胶接或者卡扣等形式固定于实体墙上。如图2所示，相变蓄热模块应保证其前部开口朝向被动式相变蓄能阳光间内部，以实现通过自然对流与被动式相变蓄能阳光间内部空气进行换热。位于顶部的相变蓄热模块应当横向拼接，其顶部通风口与房间换气口相连，便于进行白天被动式相变蓄能阳光间内高温热空气与室内的对流换热。
本发明的被动式相变蓄能阳光间与空气源热泵耦合供暖系统工作过程如下：
昼间储能与被动式相变蓄能阳光间供热工况：当白天气象条件良好时，被动式相变蓄能阳光间内部空气温度升高，相变蓄热模块通过直接吸收太阳辐射以及与被动式相变蓄能阳光间内部空气进行换热储存能量；同时供热室内的换气口打开，被动式相变蓄能阳光间内部空气通过换气口将热量送入供热室内为房间供暖。
昼间储能与空气热泵供热工况：当白天气象条件较为一般时，被动式相变蓄能阳光间内部空气温度高于室外温度但无法为室内直接供暖，此时相变蓄热模块可以通过直接吸收太阳辐射储存能量，同时被动式相变蓄能阳光间内部空气温度可以提高空气源热泵蒸发侧温度，减少空气源热泵为室内的供暖能耗。
夜间释能与被动式相变蓄能阳光间供热工况：当相变蓄热模块白天储存热量充足时，夜间将热量释放至被动式相变蓄能阳光间内，并通过室内换气口为房间供暖。
夜间释能与空气源热泵供热工况：当相变蓄热模块热量不足以将被动式相变蓄能阳光间内空气直接加热到为室内供热时，此时室内由空气源热泵供暖，相变蓄热模块将热量释放，提高空气源热泵蒸发侧温度，提高空气源热泵机组制热效率COP，减少耗电量。
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