太阳能耦合空气源热泵一体化空调系统及其供暖制冷方法技术方案

一种太阳能耦合空气源热泵一体化空调系统及其供暖制冷方法是将太阳能蒸发集热器设置于太阳能空气源热泵室外机外壳的内表面，空气源热泵室内机设置于采暖房间，空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层设置于供暖地板基层上，并通过控制系统及其循环管路进行调控，实现太阳能耦合空气源热泵一体化供暖和制冷。本发明专利技术将太阳能和空气源热泵进行热场耦合，通过控制耦合系统实现二者的功能优势互补优化，进一步降低了系统的初投资和运行费用，提高了系统功能保障性和使用舒适性。

【技术实现步骤摘要】
太阳能耦合空气源热泵一体化空调系统及其供暖制冷方法
本专利技术涉及一种太阳能蒸发集热器、太阳能反射遮阳帘、空气源热泵室外机、空气源热泵地板辐射供暖系统以及空气源热泵制冷系统，具体是一种太阳能与空气源热泵集于一体的空调系统。
技术介绍
随着经济社会的发展，人民生活水平的提高，用户对空调系统的需求不再局限于简单的夏季能制冷，冬季能供暖。现代用户需要的智能化空调系统需要具备初投资低、运行费用省、高效节能、减排环保等性能优点，并且要求更高的系统功能保障性，尤其要求系统在冬季供暖和夏季制冷时，能在更低的运行费用条件下，维持用户个性化设定的室内温度，故需求新型空调系统。空气源热泵室外机与毛细铜管网结合辐射供暖，及与空气源热泵室内机结合对流制冷的空调系统是一种布置灵活、操作简便、节能环保的新型空调方式。辐射供暖工质有水和制冷剂两种，相对于传统的水工质，采用新型制冷剂工质具有比水更大的比热容和更小的热惰性，换热效率更高，制热速度更快，供暖效果更好。辐射供暖末端有铜铝散热器、耐热聚乙烯管网、交联聚乙烯管网、毛细铜管网等，相对于传统供暖末端，采用毛细铜管网能在保证低初投资的同时，大幅增加辐射换热系数与换热比表面积，耗能更少、热惰性更小，可快速加热升温，室温分布更均匀，供暖效果更好，使用舒适感更佳。如董旭，杨凤娟.顶板辐射空调系统性价比分析[J].建筑节能,2012,40(11):19-22。空气源热泵空调系统现行初投资为200～350元/m2相对较高，但15～20元/m2·采暖期的供暖运行费用是集中供热的50～67%，经济效益好；空气源热泵空调系统制冷期间24W/m2的平均用电负荷处于制冷运行费用较低水平。太阳能是一种清洁可再生的无限量能源，除去被大气层直接反射回外太空的部分能量，直射到地球表面的太阳能功率为1.2×105TW。相对于2012年全球总共433EJ的一次能源消耗量，折合消耗功率为13.75TW，太阳能的年供应量是全球能源年需求量的8700倍，折合为地球每小时接收的太阳能即可满足人类一年的能源需求。中国的太阳能热利用量为101GW，占全球太阳能热利用总量172.4GW的59%，位居世界第一。如Z.Wang,etal.Solarwaterheating:Fromtheory,application,marketingandresearch[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2015,(41):68-84。全球建筑能耗占全球总能耗的40%，而空调系统能耗占建筑能耗的40%。中国作为年耗能总量世界第二的耗能大国，如何充分利用免费的太阳能节省空调系统运行费用，提高空调系统能效，一直是需要进一步解决的技术经济问题。太阳辐射能主要分布在波长λ为0.25～3μm光谱区内，即主要分布在可见光和近红外区，而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长λ为2～100μm光谱区内，即主要分布在远红外区。为了能够充分利用太阳能，研发出的太阳能选择性吸收涂层材料必须满足以下两个条件，即太阳光谱内的吸光程度高，有尽可能高的吸收率α；辐射波长范围内有尽可能低的辐射能损失，有尽可能低的法向发射率ε，即需要具有较高的α/ε特性。太阳能反射涂层材料则主要反射可见光和近红外光区域的太阳辐射能，需要具备较高的折光指数和太阳能反射率特性。现有成熟的太阳能与空气源热泵联合供暖技术有太阳能热水器辅助空气源热泵水地暖系统、太阳能相变蓄热辅助空气源热泵水地暖系统、太阳能蓄热增强空气源热泵除霜系统等。如吴娟，龙新峰.太阳能热化学储能研究进展[J].化工进展,2014,33(12):3238-3245。这些真空管或平板太阳能集热系统都属于空气源热泵机组外接太阳能辅助系统，虽能有效利用太阳能加强供暖，但是太阳能集热系统主体单价为110～180元/管，再与空气源热泵组成两套设备的系统，系统规模过于庞大，消耗初投资过大。系统或需额外占用大量的本就不充裕的用户建筑空间，如现在越来越普遍的高层用户户均建筑空间极为狭小；或需增大空气源热泵室外机尺寸，不利于设备灵活布置。配套设备之间外露管路连接冗长复杂、泄漏率高，且配套设备衔接工作操作不便，控制易不稳定。目前成熟的太阳能与热泵联合制冷技术多见于MW级大型太阳能集热吸收式制冷系统，如赵明海,洪仁龙,等.溴化锂吸收式制冷机在太阳能领域的应用与前景[J].流体机械,2014,42(6):40,84-86。截至2012年底，全球总共建成1000多项太阳能制冷空调工程，主要分布在欧洲，大多作为技术示范项目，距离技术普及应用尚有差距。如李兆坚,杨晓静,等.太阳能制冷空调技术工程应用的一些问题分析[J].暖通空调,2015,45(6):1-5。在夏季，空气源热泵制冷能力随室外气温的升高而降低，空气源热泵消耗功率随室外气温的升高而增加。空气源热泵正常制冷的工况温度上限为40～45℃，当室外气温增至40℃时，空气源热泵制冷量下降5～7%。故应从降低夏季空气源热泵室外机工作温度的角度，利用太阳能技术结合空气源热泵，提高制冷能效。但目前还没有将太阳能应用于更加大众化的小型户用分体式空气源热泵制冷系统的成熟技术，亟需填补这一空白。太阳能耦合空气源热泵地板辐射供暖系统，及太阳能耦合分体式空气源热泵制冷系统，是居家生活和公共场所中设置合理、使用舒适，经济性、节能性、环保性俱佳的耦合空调系统。前者供暖系统将太阳能集热装置耦合于原有空气源热泵室外机蒸发器，并改造了更利于吸收太阳能的空气源热泵室外机外形结构，避免了系统规模过于庞大，系统初投资过大，过多占用珍贵稀少的建筑布置空间，额外增大空气源热泵室外机尺寸及控制不便等现有技术存在的问题；而且新型太阳能蒸发器因吸收太阳辐射热，使其表面温度升高，在冬季更不易结霜，大大缓解了空气源热泵除霜难题，方便直接利用免费的太阳能提高系统供暖能效和经济效益。后者制冷系统填补了太阳能应用于分体式空气源热泵制冷系统的技术空白，可以通过空气源热泵室外机遮挡并反射太阳能，降低其内部夏季制冷循环工作温度，进而提高系统制冷能效和经济效益。因此，迫切需要研发一种将上述供暖系统和制冷系统合二为一，即太阳能耦合空气源热泵集于一体的空调系统，实现二者耦合互补以满足人类日益增长的生活质量需求。
技术实现思路
本专利技术要解决的具体技术问题是如何将太阳能与空气源热泵空调系统进行热场耦合，并通过控制耦合系统，实现二者功能优势互补，并在维持直观个性化设定室温的基础上，进一步降低系统初投资和运行费用，节能减排，并进一步减小系统规模，提高系统功能保障性和使用舒适性，进而提供太阳能耦合空气源热泵一体化空调系统及其供暖制冷方法。解决上述问题和实现上述目的所采取的技术方案如下。一种太阳能耦合空气源热泵一体化空调系统，包括太阳能空气源热泵室外机、太阳能蒸发集热器、太阳能反射遮阳帘、空气源热泵室内机、空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层及控制系统；其特征在于：所述太阳能空气源热泵室外机是由Ⅰ型室外机和Ⅱ型室外机构成，所述Ⅰ型室外机和Ⅱ型室外机的内部结构是由太阳能蒸发集热区和动力控制区两部分构成；其中，所述Ⅰ型室外机的太阳能蒸发集热区的外壳材质是8mm厚的平面低铁钢化玻璃板；动力控制区的外壳材质是外表面涂有纳米水性太阳能反射涂层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能耦合空气源热泵一体化空调系统，包括太阳能空气源热泵室外机、太阳能蒸发集热器、太阳能反射遮阳帘、空气源热泵室内机、空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层及控制系统；其特征在于：所述太阳能蒸发集热器[4]是贴合在太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的内表面设置；所述太阳能反射遮阳帘[31]是在冬季由固定在太阳能空气源热泵室外机[11]上边缘附近建筑外墙[30]上的卷帘轴[32]隐藏收起，在夏季由卷帘轴[32]打开放下，贴合太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的外表面设置；所述空气源热泵室内机[16]是位于采暖房间[18]内；所述空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层[17]是设置于供暖地板基层上，并由控制系统通过循环管路调控，实现太阳能耦合空气源热泵一体化供暖和制冷；所述太阳能空气源热泵室外机[11]是由Ⅰ型室外机和Ⅱ型室外机构成，所述Ⅰ型室外机和Ⅱ型室外机的内部结构是由太阳能蒸发集热区和动力控制区两部分构成；其中，所述Ⅰ型室外机的太阳能蒸发集热区的外壳材质是8mm厚的平面低铁钢化玻璃板；动力控制区的外壳材质是外表面涂有纳米水性太阳能反射涂层的Q235A钢板；并将混流送风机[27]设置于太阳能空气源热泵室外机[11]的底部；将排风格栅[29]设置于太阳能蒸发集热区的侧面和背面上部1/3处；所述Ⅱ型室外机的太阳能蒸发集热区的外壳材质是8mm厚的平面低铁钢化玻璃板；动力控制区的外壳材质是外表面涂有纳米水性太阳能反射涂层的Q235A钢板；所述太阳能蒸发集热器[4]是在铜管翅片蒸发器外表面，通过电化学方法电解着色一层铝阳极氧化太阳能选择性吸收涂层，并将太阳能蒸发集热器[4]贴合设置于太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的内表面；所述太阳能反射遮阳帘[31]是外表面涂有纳米水性太阳能反射涂层的可卷曲铝合金遮阳百叶帘，其展开形状完全贴合太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的外表面形状，在冬季由固定在太阳能空气源热泵室外机[11]上边缘附近建筑外墙[30]上的卷帘轴[32]隐藏收起，在夏季由卷帘轴[32]打开放下，贴合太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的外表面设置；所述空气源热泵室内机[16]是室内对流制冷换热机，包括热交换器、贯流风机、感温探头和百叶风口；按需分室布置，各自独立控制开度，与太阳能空气源热泵室外机[11]结合成为一拖多空调系统；所述空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层[17]是在供暖地板基层上，铺设有与辐射供暖地板面层形状相应的辐射供暖层，由下而上依次分层立体铺设为绝热层、供暖辐射层和蓄热层；其中，供暖辐射层是将毛细铜管由外到内逐根环圈呈U型敷设并联构成，毛细铜管一侧端口为进气总管，在进气总管上依次连通有分气器[12]、调节阀Ⅰ[9]、压力表Ⅰ[7]和温度计Ⅰ[6]，并通过软连接Ⅰ[10]连通有太阳能空气源热泵室外机[11]的制冷剂出口[36]；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集液器[13]、调节阀Ⅱ[9]、Y型过滤器[8]、压力表Ⅱ[7]和温度计Ⅱ[6]，并经软连接Ⅱ[10]连通至太阳能空气源热泵室外机[11]的制冷剂入口[37]；在太阳能空气源热泵室外机[11]的制冷剂入口[37]处依次连通设置有电子膨胀阀[5]、调节阀Ⅲ[9]、联动风机[3]的太阳能蒸发集热器[4]、调节阀Ⅳ[9]，调节阀Ⅳ[9]经温度计Ⅲ[6]和压力表Ⅲ[7]接通至四通换向阀[2]，并在电子膨胀阀[5]与温度计Ⅲ[6]之间设置有调节阀Ⅴ[9]流量调节旁路；四通换向阀[2]一路连接压力表Ⅲ[7]，一路连接数码涡旋压缩机[1]的进气口，一路连接数码涡旋压缩机[1]的排气口，一路连接太阳能空气源热泵室外机[11]的制冷剂出口[36]；所述控制系统是通过通讯线将温度控制器[14]与温度传感器[15]、温度计[6]、压力表[7]、空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层[17]控制线、太阳能蒸发集热器[4]调节阀[9]控制线集为一体，并通过远程红外线信号连通手持遥控器，和通过户用Wi‑Fi网络连接手机APP，实现太阳能耦合空气源热泵一体化，应用PID调节方式的PLC集中自动控制系统。...

【技术特征摘要】
1.一种太阳能耦合空气源热泵一体化空调系统，包括太阳能空气源热泵室外机、太阳能蒸发集热器、太阳能反射遮阳帘、空气源热泵室内机、空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层及控制系统；其特征在于：所述太阳能蒸发集热器[4]是贴合在太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的内表面设置；所述太阳能反射遮阳帘[31]是在冬季由固定在太阳能空气源热泵室外机[11]上边缘附近建筑外墙[30]上的卷帘轴[32]隐藏收起，在夏季由卷帘轴[32]打开放下，贴合太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的外表面设置；所述空气源热泵室内机[16]是位于采暖房间[18]内；所述空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层[17]是设置于供暖地板基层上，并由控制系统通过循环管路调控，实现太阳能耦合空气源热泵一体化供暖和制冷；所述太阳能空气源热泵室外机[11]是由Ⅰ型室外机和Ⅱ型室外机构成，所述Ⅰ型室外机和Ⅱ型室外机的内部结构是由太阳能蒸发集热区和动力控制区两部分构成；其中，所述Ⅰ型室外机的太阳能蒸发集热区的外壳材质是8mm厚的平面低铁钢化玻璃板；动力控制区的外壳材质是外表面涂有纳米水性太阳能反射涂层的Q235A钢板；并将混流送风机[27]设置于太阳能空气源热泵室外机[11]的底部；将排风格栅[29]设置于太阳能蒸发集热区的侧面和背面上部1/3处；所述Ⅱ型室外机的太阳能蒸发集热区的外壳材质是8mm厚的平面低铁钢化玻璃板；动力控制区的外壳材质是外表面涂有纳米水性太阳能反射涂层的Q235A钢板；所述太阳能蒸发集热器[4]是在铜管翅片蒸发器外表面，通过电化学方法电解着色一层铝阳极氧化太阳能选择性吸收涂层，并将太阳能蒸发集热器[4]贴合设置于太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的内表面；所述太阳能反射遮阳帘[31]是外表面涂有纳米水性太阳能反射涂层的可卷曲铝合金遮阳百叶帘，其展开形状完全贴合太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的外表面形状，在冬季由固定在太阳能空气源热泵室外机[11]上边缘附近建筑外墙[30]上的卷帘轴[32]隐藏收起，在夏季由卷帘轴[32]打开放下，贴合太阳能空气源热泵室外机[11]的平面低铁钢化玻璃外壳[25]的外表面设置；所述空气源热泵室内机[16]是室内对流制冷换热机，包括热交换器、贯流风机、感温探头和百叶风口；按需分室布置，各自独立控制开度，与太阳能空气源热泵室外机[11]结合成为一拖多空调系统；所述空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层[17]是在供暖地板基层上，铺设有与辐射供暖地板面层形状相应的辐射供暖层，由下而上依次分层立体铺设为绝热层、供暖辐射层和蓄热层；其中，供暖辐射层是将毛细铜管由外到内逐根环圈呈U型敷设并联构成，毛细铜管一侧端口为进气总管，在进气总管上依次连通有分气器[12]、调节阀Ⅰ[9]、压力表Ⅰ[7]和温度计Ⅰ[6]，并通过软连接Ⅰ[10]连通有太阳能空气源热泵室外机[11]的制冷剂出口[36]；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集液器[13]、调节阀Ⅱ[9]、Y型过滤器[8]、压力表Ⅱ[7]和温度计Ⅱ[6]，并经软连接Ⅱ[10]连通至太阳能空气源热泵室外机[11]的制冷剂入口[37]；在太阳能空气源热泵室外机[11]的制冷剂入口[37]处依次连通设置有电子膨胀阀[5]、调节阀Ⅲ[9]、联动风机[3]的太阳能蒸发集热器[4]、调节阀Ⅳ[9]，调节阀Ⅳ[9]经温度计Ⅲ[6]和压力表Ⅲ[7]接通至四通换向阀[2]，并在电子膨胀阀[5]与温度计Ⅲ[6]之间设置有调节阀Ⅴ[9]流量调节旁路；四通换向阀[2]一路连接压力表Ⅲ[7]，一路连接数码涡旋压缩机[1]的进气口，一路连接数码涡旋压缩机[1]的排气口，一路连接太阳能空气源热泵室外机[11]的制冷剂出口[36]；所述控制系统是通过通讯线将温度控制器[14]与温度传感器[15]、温度计[6]、压力表[7]、空气源热泵毛细铜管网辐射供暖层[17]控制线、太阳能蒸发集热器[4]调节阀[9]控制线集为一体，并通过远程红外线信号连通手持遥控器，和通过户用Wi-Fi网络连接手机APP，实现太阳能耦合空气源热泵一体化，应用PID调节方式的PLC集中自动控制系统。2.如权利要求1所述的系统，所述太阳能耦合空气源热泵一体化空调系统的空调耦合度是25～96%，...

【专利技术属性】
技术研发人员：田琦，董旭，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14