CN105202609A - 一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统 - Google Patents

Abstract

一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，本系统的各部件构成封闭的工作循环回路，该热泵系统在冬季制热时，工质液体进入节流元件前需先经过风冷蒸发器中的至少一台，与温度较低的大气和去压缩机的低压工质气体产生热交换，使工质液体的过冷度显著增大后才能进入风冷蒸发器中其余台的节流元件，节流降压后进入风冷蒸发器，吸收大气中的低品位热能，提升温度后在水冷冷凝器中释放给供暖热水；该系统充分利用大气自然冷源来增大进入节流元件工质液体的过冷度，有效地提高其运行的能效水平和可靠性。

Description

一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统

技术领域

本发明涉及楼宇集中供暖热泵技术领域，特别是利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统。

背景技术

电动热泵系统是建筑物供暖、供热水的高效清洁技术装备，特别是气候寒冷地区的中心城市，使用电动热泵带来的节能减排效果尤其明显。为了使电动热泵系统能在寒冷气候条件下稳定高效运行，中国发明专利200510063463.3提出了一种带喷射器和贮液过冷器的热泵或制冷系统，该热泵系统采用带补气功能的压缩机和贮液过冷器，用喷射器将它们之间连接起来，构成热泵系统的补气回路。增加补气回路后，可使该热泵系统在低温环境中按照准二级压缩-喷射复合循环工作，能有效增大热泵的低温工况制热量和能效比，成功地解决了热泵系统在寒冷地区高效、稳定地全年运行的技术难题。

为了更好地使专利200510063463.3在实际工程中推广应用、发挥效益，专利201520217534.X提出了一种替代小型锅炉的楼宇式集中供暖热泵系统，进一步解决了该热泵系统在实际运行中的能量调节、高效除霜、制热和制冷工作模式转换的等技术问题，使其实际运行的能效水平和可靠性均得到显著提高，可以替代小微型锅炉作为楼宇集中供暖的高效、清洁的技术方案。

上述热泵系统在实际应用时，对于风机盘管作为末端散热设备的供暖系统，供热水的温度为45℃～50℃，而对于暖气片作为末端散热设备的供暖系统，供热水的温度为60℃～65℃，所以工质液体流出冷凝器时的温度较高，按照在冷凝器中产生约5℃的过冷度，则液体流出冷凝器的温度分别约为40℃和60℃。另一方面，室外气温在供暖期内一直比较低，例如，北京地区最低气温可低至-15℃，蕴藏着丰富且可免费利用的自然冷源。因此，高压工质液体与室外空气之间存在巨大的温差。如果合理利用这一温差，使工质液体进入膨胀阀前产生较大的过冷，可以有效地增加工质在蒸发器中的制冷量，即吸收大气低品位热能的能力。例如，对于工质R134a，分析计算出的其单位质量随过冷度的变化中，当过冷度从5℃变为60℃时，其单位制冷量增加了约60％。所以，如何充分地利用自然冷源服务于热泵系统，有效地提高热泵系统运行的能效水平和可靠性，在实际工程应用中就显得十分迫切。另一方面，蒸发器融霜也需要热量，将工质液体的过冷与蒸发器融霜结合起来，能进一步提高热泵系统得能效水平和可靠性，还可以简化热泵系统的构成。

发明内容

本发明的目的，是针对上述现有技术中仍然存在的性能改进潜力，提供一种结构简单，系统运行能效水平和可靠性显著改善，无需专门设置除霜系统，充分利用大气自然冷源来增大进入节流元件工质液体过冷度的供暖用热泵系统。

为了实现上述的发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，该系统包括压缩机(1)、排气管路(2)、吸气管路(3)、补气管路(4)、供油管路(5)、油分离器(6)、水冷冷凝器(7)、经济器(8)、电磁阀A(9)、电磁阀B(10)、二级节流元件(11)、风冷蒸发器(12)、电磁阀C(13)、电磁阀D(14)、气液分离器(15)、一级节流元件(16)、贮油器(17)、换热器(18)、旁通阀(19)。压缩机(1)的排气口与排气管路(2)相连接，压缩机(1)的吸气口与吸气管路(3)相连接，压缩机(1)的补气口与补气管路(4)相连接，压缩机(1)的供油口与供油管路(5)相连接；排气管路(2)与油分离器(6)的进口相接，油分离器(6)的出口与水冷冷凝器(7)的工质进口相接，冷凝器(7)的工质出口与经济器(8)的进口相接；经济器(8)上部的出气口通过一级节流元件(16)与补气管路(4)相接；油分离器(6)底部的出油口与贮油器(17)进口相接，贮油器(17)出口与供油管路(5)相接；风冷蒸发器(12)为多台并联连接结构，每台风冷蒸发器(12)均配置相应的电磁阀A(9)、电磁阀B(10)、二级节流元件(11)、电磁阀C(13)、和电磁阀D(14)。其特征是：经济器(8)的出液口仅与电磁阀A(9)的进口相接，不与电磁阀B(10)的进口相接；电磁阀B(10)后接有二级节流元件(11)，二级节流元件(11)和电磁阀A(9)的出口与风冷蒸发器(12)的进口相接，风冷蒸发器(12)的出口与电磁阀C(13)和电磁阀D(14)的进口相接；电磁阀C(13)的出口通过换热器(18)后和气液分离器(15)的进口相接，气液分离器(15)的出口与吸气管路(3)相接；电磁阀D(14)的出口通过换热器(18)与电磁阀B(10)的进口相接。换热器(18)的高压工质液体进、出管和低压工质气体进、出管均通过旁通阀(19)连通。

所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于，换热器(18)在整个系统中能够完全省去或通过旁通阀(19)使其在部分工况下处于非工作状态。

所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于，该热泵系统是单级压缩的热泵系统、带经济器的热泵系统或者双级压缩的热泵系统；也或者是单独供暖的热泵系统或者既供暖又供冷的热泵系统。

所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于，电磁阀D(14)的出口与电磁阀B(10)的进口之间能够串联接入储液桶(28)和工质泵(27)，储液桶(28)的出口接工质泵(27)的吸液口；也能够省去储液桶(28)。

所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于，该系统能够用一个三通阀E(21)替代二个相邻且开关次序相反的电磁阀或二通阀。

所述的压缩机，其特征在于，压缩机(1)为单台或多台，各压缩机(1)的连接形式为并联或者串并混联。

本发明采用换热器和多台风冷蒸发器，以及相应的工质流动转换系统，各部件按照上述连接次序构成封闭的工作循环回路，该热泵系统在冬季制热时，工质液体进入节流元件前需先经过风冷蒸发器中的至少一台，与温度较低的大气和去压缩机的低压工质气体产生热交换，使工质液体的过冷度显著增大后才能进入风冷蒸发器中其余台的节流元件，节流降压后进入风冷蒸发器，吸收大气中的低品位热能，提升温度后在水冷冷凝器中释放给供暖热水；该热泵系统可以充分利用大气自然冷源来增大进入节流元件工质液体的过冷度，有效地提高其运行的能效水平和可靠性；利用大气自然冷源产生过冷的风冷蒸发器和吸收大气热能的风冷蒸发器依次有序地交替轮换，显著增大节流前工质液体的过冷度，同时又可以实现蒸发器的除霜作业，省去了为此设置的除霜系统，使系统得到了简化。

附图说明

下面结合附图及具体的实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构连接图。

图2是本发明实施例二的结构连接图。

图3是本发明实施例三的结构连接图。

图中标号说明：

1—压缩机，2—排气管路，3—吸气管路，4—补气管路，5—供油管路，6—油分离器，7—水冷冷凝器，8—经济器，9—电磁阀A，10—电磁阀B，11—二级节流元件，12—风冷蒸发器，13—电磁阀C，14—电磁阀D，15—气液分离器，16—一级节流元件，17—贮油器，18—换热器，19—旁通阀，20—四通换向阀，21—三通阀E，22—三级节流元件，23—三通阀F，24—三通阀G，25—三通阀H，26—三通阀I，27—工质泵，28—储液桶。

具体实施方式

实施例一

该实施例的集中供暖热泵系统主要用于建筑面积在500M²～50,000M²之间一栋楼宇或若干栋紧邻楼宇的供暖或热水，主要由三台带有补气口和供油口的螺杆压缩机(1)、排气管路(2)、吸气管路(3)、补气管路(4)、供油管路(5)、油分离器(6)、水冷冷凝器(7)、经济器(8)、电磁阀A(9)、电磁阀B(10)、二级节流元件(11)、四台风冷蒸发器(12)、电磁阀C(13)、电磁阀D(14)、气液分离器(15)、一级节流元件(16)、贮油器(17)和换热器(18)组成。三台压缩机(1)的排气口、吸气口、补气口、供油口分别与排气管路(2)、吸气管路(3)、补气管路(4)、与供油管路(5)相连接。风冷蒸发器(12)为四台并联连接，每台风冷蒸发器(12)均配置相应的电磁阀A(9)、电磁阀B(10)、二级节流元件(11)、电磁阀C(13)、电磁阀D(14)。该系统的连接方式如下：排气管路(2)与油分离器(6)的进口相接，油分离器(6)的出口与水冷冷凝器(7)的工质进口相接，冷凝器(7)的工质出口与经济器(8)的进液口相接，经济器(8)的出液口与电磁阀A(9)的进口相接，而不与电磁阀B(10)的进口相接，电磁阀B(10)后接二级节流元件(11)，二级节流元件(11)和电磁阀A(9)的出口与风冷蒸发器(12)的进口相接，风冷蒸发器(12)的出口与电磁阀C(13)和电磁阀D(14)的进口相接；电磁阀C(13)的出口通过换热器(18)后和气液分离器(15)的进口相接，气液分离器(15)的出口与吸气管路(3)相接；电磁阀D(14)的出口通过换热器(18)与电磁阀B(10)的进口相接；换热器(18)的高压工质液体进、出管和低压工质气体进、出管均通过旁通阀(19)连通；经济器(8)顶部的出气口通过一级节流元件(16)与补气管路(4)相接；油分离器(6)底部的出油口与贮油器(17)进口相接，贮油器(17)出口与供油管路(5)相接。

各部件按照上述连接次序构成封闭的工作循环回路，该回路内置工质和润滑油，压缩机工作时，排出的高温高压工质气体经油分离器(6)使工质与润滑油分离，分离出的润滑油收集到贮油器(17)备用，工质气体进入水冷冷凝器(7)并释热给供暖热水，工质冷凝变为液体后进入经济器(8)，工质在经济器(8)中产生气、液分相，即气相存在经济器(8)的上部空间、而其下部空间积存液相工质。经济器(8)顶部的工质气体经一级节流元件(16)节流降压后流入补气管路(4)，之后被压缩机的补气口吸入。本系统的四台风冷蒸发器(12)并联配置，其中一台蒸发器用于工质液体的过冷，该蒸发器的电磁阀A(9)和电磁阀D(14)开启、而电磁阀B(10)和电磁阀C(13)断开；另外三台处于工作状态，这三台蒸发器的电磁阀A(9)和电磁阀D(14)断开、而电磁阀B(10)和电磁阀C(13)开启；从经济器(8)来的较高温度工质液体经电磁阀A(9)进入过冷的那台蒸发器，与温度较低的环境大气进行换热，如果该蒸发器先前结有霜层，高温工质液体先用于融霜后再与温度较低的环境大气进行换热，从该蒸发器出来的工质液体进入换热器(18)继续与其余三台蒸发器出来的低温工质气体进行换热；流出换热器(18)的工质液体温度较低、过冷度较大，具有较大的制冷能力，进入二级节流元件(11)的进口，节流后进入处于正常工作状态的那三台蒸发器，吸收大气低品位热能后变为工质气体，经换热器(18)、气液分离器(15)后被压缩机(1)吸入。过冷用的蒸发器和处于工作状态的蒸发器到一定时间间隔ΔT就按照顺序交替轮换，即某台蒸发器在当前ΔT内用于工质液体的过冷，而在接下来的三个ΔT内则处于工作状态，如此重复下去。ΔT根据检测到的大气温度和湿度自动调整，当气温在5℃～-5℃范围，相对湿度大于等于75％时，ΔT调整为10min，相对湿度小于75％时，ΔT调整为15min；其余情况下，ΔT调整为20min。这种热泵系统，不需要设置专门的除霜系统，系统构成比较简单。每台压缩机均配置油位控制器，当油位高于上限值时，供油管路被切断，停止供油；当油位低于下限值时，供油管路被打开，向压缩机供油。这样，根据每台压缩机的油量需求，贮油器(17)可以通过供油管路(5)及时向每台压缩机补油。

综合考虑换热器(18)产生的换热效果和阻力损失，当气温高于10℃或低于-10℃时，换热器(18)的进出口处的二个旁通阀打开，使换热器(18)停止工作。

实施例二

参考图2，实施例二的热泵系统，与实施例一的热泵系统类似，所不同的是：1)增添了四通换向阀(20)和相应的三通阀E(21)、三级节流元件(22)、三通阀F(23)和三通阀G(24)；2)一级节流元件(16)，从经济器(8)出气管移至其进液管上；3)在电磁阀D(14)和电磁阀B(10)之间增加储液桶(28)和工质泵(27)；4)换热器(18)接入经济器(8)的出液管路上。储液桶(28)和工质泵(27)的连接方式为：电磁阀D(14)的出口接储液桶(28)的进口，储液桶(28)的出口接工质泵(27)进口，工质泵(27)的出口接电磁阀B(10)的进口。换热器(18)连接方式：其气体管路进口和四通换向阀的203接口相连，出口与气液分离器(15)进口相连；其液体管路进口和经济器(8)的出液口相连，出口连接到三级节流元件(22)与三通阀F(23)之间的管路上。四通换向阀(20)连接方式：进口201与油分离器(6)出口相接，出口203与气液分离器(15)入口相接，接口202与风冷蒸发器(12)出口相接，接口204与水冷冷凝器(7)入口相接。这样，该热泵系统可以实现工质流向的改变，不仅能向建筑物提供供暖热水，也可以提供空调冷水。制热运行时，四通换向阀(20)的进口201与接口204相通，出口203与接口202相通，同时，三通阀E的212口通、213口断，三通阀F的232口通、233口断，三通阀G的242口通、243口断，这时水冷冷凝器提供热水；制冷运行时，四通换向阀的201口与202口相通，203口与204口相通，同时，三通阀E的212口断、213口通，三通阀F的232口断、233口通，三通阀G的242口断、243口通，这时水冷冷凝器提供冷水。这样，该热泵系统就可以实现冬季供暖、夏季供冷的目的，扩展了其功用。

实施例三

参考图3，实施例三的热泵系统，与实施例一的热泵系统类似，所不同的是：1)压缩机(11)为未设补气口的普通压缩机，因此，系统中无补气管路(4)；2)用三通阀H(25)替代电磁阀A(9)和电磁阀B(10)，置于节流元件(11)之后，用三通阀I(26)替代电磁阀C(13)和电磁阀D(14)。其它部分与实施例一的相同。这样，无补气回路后，热泵系统得以进一步简化，成本得以进一步降低，还有利于提高该系统运行的可靠性和稳定性。

Claims (6)

1.一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于：该系统包括压缩机(1)、排气管路(2)、吸气管路(3)、补气管路(4)、供油管路(5)、油分离器(6)、水冷冷凝器(7)、经济器(8)、电磁阀A(9)、电磁阀B(10)、二级节流元件(11)、风冷蒸发器(12)、电磁阀C(13)、电磁阀D(14)、气液分离器(15)、一级节流元件(16)、贮油器(17)、换热器(18)、旁通阀(19)；压缩机(1)的排气口与排气管路(2)相连接，压缩机(1)的吸气口与吸气管路(3)相连接，压缩机(1)的补气口与补气管路(4)相连接，压缩机(1)的供油口与供油管路(5)相连接；排气管路(2)与油分离器(6)的进口相接，油分离器(6)的出口与水冷冷凝器(7)的工质进口相接，冷凝器(7)的工质出口与经济器(8)的进口相接；经济器(8)上部的出气口通过一级节流元件(16)与补气管路(4)相接；油分离器(6)底部的出油口与贮油器(17)进口相接，贮油器(17)出口与供油管路(5)相接；风冷蒸发器(12)为多台并联连接结构，每台风冷蒸发器(12)均配置相应的电磁阀A(9)、电磁阀B(10)、二级节流元件(11)、电磁阀C(13)、和电磁阀D(14)；其特征是：经济器(8)的出液口仅与电磁阀A(9)的进口相接，不与电磁阀B(10)的进口相接；电磁阀B(10)后接有二级节流元件(11)，二级节流元件(11)和电磁阀A(9)的出口与风冷蒸发器(12)的进口相接，风冷蒸发器(12)的出口与电磁阀C(13)和电磁阀D(14)的进口相接；电磁阀C(13)的出口通过换热器(18)后和气液分离器(15)的进口相接，气液分离器(15)的出口与吸气管路(3)相接；电磁阀D(14)的出口通过换热器(18)与电磁阀B(10)的进口相接；换热器(18)的高压工质液体进、出管和低压工质气体进、出管均通过旁通阀(19)连通。

2.根据权利要求1所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于：换热器(18)在整个系统中能够完全省去或通过旁通阀(19)使其在部分工况下处于非工作状态。

3.根据权利要求1所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于：该热泵系统是单级压缩的热泵系统、带经济器的热泵系统或者双级压缩的热泵系统；也或者是单独供暖的热泵系统或者既供暖又供冷的热泵系统。

4.根据权利要求1所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于：电磁阀D(14)的出口与电磁阀B(10)的进口之间能够串联接入储液桶(28)和工质泵(27)，储液桶(28)的出口接工质泵(27)的吸液口；也能够省去储液桶(28)。

5.根据权利要求1所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于：该系统能够用一个三通阀E(21)替代二个相邻且开关次序相反的电磁阀或二通阀。

6.根据权利要求1所述的一种利用大气自然冷源增大工质液体过冷度的供暖用热泵系统，其特征在于：所述的压缩机(1)为螺杆式、离心式、活塞式或涡旋式；压缩机(1)为单台或多台，各压缩机(1)的连接形式为并联或者串并混联。