CN100541050C - 利用co2作为制冷剂的热泵及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用CO2作为制冷剂并使用如井水、地下水、河水或海水之类的天然水作为热源的热泵，在不需要大型设备的情况下可将其有效地应用于空调系统以提高加热/热水供给能力和制冷能力。第一断流阀(5)与第一膨胀阀(4)平行地被设置在压缩机的下游侧，与天然水进行热交换的热交换器(6)被设置在第一断流阀(5)和第一膨胀阀(4)的下游侧，第二断流阀(8)与第二膨胀阀(7)平行地被设置在热交换器的下游侧，用于通过提取来自冷水的蒸发潜热蒸发制冷剂的蒸发器(9)被设置在第二断流阀(8)和第二膨胀阀(7)的下游侧。执行加热/热水供给操作时，第一断流阀(5)关闭，第二膨胀阀(7)开启。执行加热/热水供给/制冷操作时，断流阀的开启/关闭操作相反。

Description

利用CO2作为制冷剂的热泵及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种利用CO2作为制冷剂并采用如井水、地下水、河水、及海水之类的天然水作为热源或冷源的热泵以及这种热泵的运行方法，特别涉及这样一种热泵及其运行方法，这种热泵结构紧凑、能以较低的费用在不需要大型辅助设备的情况下从加热/供给热水运行切换到加热/供给热水和制冷运行；该热泵的运行方法在热泵被用于通过使用天然水作为热源向房间供暖或供热水运行时能提高加热能力，而当热泵被用于通过使用天然水作为冷源来供暖/供热水以及制冷运行时能提高制冷能力。
背景技术
以往已提出了多种利用CO2作为制冷剂并利用如井水、地下水等天然水作为热源或冷源的热泵来进行空气调节或供给热水的系统。
例如，在日本专利申请公开号8-247496(现有技术1)中公开了一种通过利用地下水作为热源或冷源实现融雪、房间供暖、房间冷却等操作的热泵系统。在这种系统中，被抽上来的地下水直接用于融雪，而融雪后的水用作热泵的蒸发器的热源，然后将使用后的水送回到井内。
在日本专利申请公开号2002-54856(现有技术2)和2002-54857(现有技术3)所披露的系统中，使用地下水的热泵用于对住宅进行空气调节和供给热水。在这种系统中，通过四通阀实现冷却和加热循环之间的切换。
在日本专利申请公开号2002-146852(现有技术4)中披露了一种利用地下水作为热源或冷源进行空气调节等的系统。
但是，现有的这些系统所存在的有待解决的问题是，实际应用时需要大型设备、不能期盼高效率、而且在现有环境下不能付诸实际应用。
发明内容
本发明是针对现有技术所存在的问题而提出的，本发明的一个目的是通过向空调系统提供利用CO2作为制冷剂且使用如井水、地下水、河水、以及海水之类的天然水作为热源或冷源的热泵来提高加热/热水供给和制冷能力。
本发明的另一目的是提供一种使用天然水作为热源或冷源时不需要大型辅助设备的热泵及其运行方法。
本发明的再一目的是提供一种热泵及其运行方法，其可简便、平稳地从加热/热水供给运行模式切换到加热/热水供给和制冷运行模式，反之亦然。
为了达到这些目的，本发明提供的利用CO2作为制冷剂的热泵包括：CO2循环通道，在该CO2循环通道中包括压缩制冷剂的压缩机、冷却压缩后的制冷剂从而产生热水的气体冷却器、使制冷剂膨胀的膨胀阀、热交换器、以及通过吸收冷水的热量而使膨胀和降压后的制冷剂蒸发的蒸发器，其中，在CO2循环通道内的所述压缩机的下游部分相互平行地设有第一断流阀(stopper valve)和第一膨胀阀，在第一断流阀和第一膨胀阀的下游部分设有用于使制冷剂与天然水进行热交换的热交换器，在热交换器的下游部分相互平行地设有第二断流阀和第二膨胀阀，在第二断流阀和第二膨胀阀的下游部分设有蒸发器。
优选第二断流阀的出口侧由旁路管线连接到所述蒸发器的下游部分。
天然水为井水、河水、地下水、或海水等。
本发明还提供了利用如上所述地构成的热泵来执行加热/热水供给操作的方法，其中，通过关闭第一断流阀使制冷剂流经第一膨胀阀而使所述制冷剂膨胀，从而使制冷剂通过吸收天然水的热量而在热交换器内蒸发，然后使制冷剂流经开启的第二断流阀致使在蒸发器不工作的情况下使制冷剂流向压缩机。
本发明还提供了利用如上所述地构成的热泵来执行加热/热水供给和制冷操作的方法，其中，通过开启所述第一断流阀使制冷剂流向热交换器从而使制冷剂在热交换器内与天然水进行热交换，然后通过关闭第二断流阀使制冷剂流经第二膨胀阀而被膨胀和降压致使制冷剂通过吸收冷水的热量而在蒸发器内被蒸发，然后被蒸发的制冷剂流向压缩机。
在本发明的热泵中，第一断流阀和第一膨胀阀相互平行地设置于压缩机的下游侧，使制冷剂与天然水进行热交换的热交换器被设置在第一断流阀和第一膨胀阀的下游部分，第二断流阀和第二膨胀阀相互平行地设置在热交换器的下游部分，通过吸收冷水的热量使制冷剂在其内蒸发的蒸发器被设置在第二断流阀和膨胀阀的下游部分，因此可以极其方便地从加热/热水供给运行切换到加热/热水供给和制冷运行，反之亦然，而且用于切换运行模式所需要的辅助设备十分简单。使用天然水作为热源或冷源所需要的辅助设备仅为热交换器。
借助于本发明的热泵进行加热/热水供给运行时需要完成的操作是关闭第一断流阀和开启第二断流阀。通过关闭第一断流阀，制冷剂流经第一膨胀阀而被膨胀，并且制冷剂吸收天然水的热量而在热交换器内蒸发，天然水的热量被有效利用且可获得大的加热/热水供给能力。在这种情况下，可切断供给设置于下游侧的蒸发器的冷水，而且制冷剂流经开启的第二断流阀并流经蒸发器到达压缩机而在蒸发器内没有经历任何变化。
优选设置使第二断流阀的出口侧连接到蒸发器的下游侧的旁通管线，使制冷剂绕过蒸发器。借此，制冷剂可顺畅地流向压缩机而不流过没有运行的蒸发器。
利用本发明的热泵进行加热/热水供给和制冷运行时，需要进行的操作是开启第一断流阀和关闭第二断流阀。通过开启第一断流阀，制冷剂流经第一断流阀在未被膨胀的情况下到达热交换器，因为制冷剂的温度高于供给到热交换器的天然水的温度，在该热交换器处制冷剂被天然水冷却。当第二断流阀关闭时，被冷却的制冷剂流经第二膨胀阀而被膨胀并从供给到蒸发器的冷水中吸收热量而在蒸发器内蒸发。在这种情况下，通过将热量从制冷剂释放到供给蒸发器的冷水中而能提高制冷能力。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的系统示意图，它示出了利用本发明的热泵进行加热/热水供给运行的情况；
图2为第一实施例的压力-焓图；
图3为本发明的第二实施例的系统示意图，它示出了利用本发明的热泵进行加热或热水供给和冷却运行的情况；
图4为第二实施例的压力-焓图。
具体实施方式
以下将参考附图对本发明的一些优选实施例进行详细说明。然而，申请人的意图是，除非明确规定，应将这些实施例中所列举出的组成部件的尺寸、材料、相关位置等解释为说明性的，而不是对本发明范围的限制。
以下参考图1和2阐述第一实施例，附图标记d表示CO2制冷剂的循环通道，附图标记1表示用于压缩CO2制冷剂的压缩机，附图标记2表示用于驱动压缩机1的电机，而附图标记3表示由经进水管线f供给的水介质来冷却压缩后的CO2制冷剂的气体冷却器。例如，如图1中的实例所示，供给气体冷却器3的进水为55℃，该进水被CO2制冷剂加热到90℃。
附图标记4和5分别表示相互平行地设置在循环管线d内的第一膨胀阀和第一断流阀，附图标记6表示用于使CO2制冷剂和通过井水管线g供给的井水之间进行热交换的热交换器。附图标记7和8分别表示相互平行地设置于热交换器6下游部分的循环通道d内的第二膨胀阀和第二断流阀，附图标记9表示用于使CO2制冷剂通过吸收由冷水管线h输入的冷水的热量而被蒸发的蒸发器。同样适用于另一实施例的是设有使第二断流阀8的出口侧与蒸发器9的下游侧的循环通道d相连的旁路管线e。
对这种结构的热泵而言，当执行加热/热水供给操作时，首先，关闭第一断流阀5并开启第二断流阀8。在此状态下，压缩机1压缩CO2制冷剂使之压力和温度升高(图2中的压缩过程A)，然后借助于进水管线f输入的进水使被压缩的制冷剂在气体冷却器3内冷却(图2中的冷却过程B)。另一方面，例如，如图1所示，进水从55℃被加热到90℃，以用于房间供暖或供给热水。
因为第一断流阀5是关闭的，在气体冷却器3内被冷却的压缩后的CO2制冷剂流经第一膨胀阀4而被膨胀(图2中的膨胀过程C)和降压，降压后的CO2制冷剂在热交换器6内吸收来自由井水管线g供给的井水的热量而被蒸发(图2中的蒸发过程D)。另一方面，例如，如图1所示，通过井水管线g供给的井水从15℃被冷却到10℃。
然后，被蒸发的CO2制冷剂流经开启的第二断流阀8和蒸发器9到达压缩机1。在这个实施例中，由于热泵用作加热/热水供给运行，不通过冷水管线h向蒸发器9供水。
在图2的p-h图中，K是CO2制冷剂的临界点(临界温度是31.1℃，临界压力是75.28Kg/cm2)，SL是饱和液体线，Sy是干饱和蒸气线，Tk是等温线，而Pk是临界压力。长度b表示加热/热水供给能力。
根据第一实施例，可通过利用由井水管线g供给的井水的热量获得大的加热/热水供给能力。此外，由于第一和第二断流阀5和8分别与第一和第二膨胀阀4和7平行安置，加热/热水供给运行可在只关闭第一断流阀5和开启第二断流阀8的情况下进行。另外，对于利用井水的热量而言，仅实现井水和CO2制冷剂之间的热交换的热交换器6是所需的辅助设备，因此系统结构非常紧凑。
作为另一实施例，通过设置使第二断流阀8的出口侧与蒸发器9的下游部分的循环通道d相连的旁路管线e可以不经蒸发器9而顺畅地将CO2制冷剂送入压缩机。
下面将参考图3和4阐述执行加热/热水供给和冷却操作的情况，这些附图分别为本发明第二实施例的系统示意图和p-h图。
在这些附图中，热泵的结构与第一实施例的结构相同。在第二实施例中进行加热/热水供给和冷却运行时，首先，开启第一断流阀5而关闭第二断流阀8。
在这种情况下，CO2制冷剂被压缩机1压缩而使压力和温度升高(图4中的压缩过程A)，然后被压缩的制冷剂在气体冷却器3内由通过进水管线f输入的进水冷却(图4中的冷却过程B1)。另一方面，例如，进水从55℃被加热到90℃，以用于向房间供暖或供给热水。
在气体冷却器3内被冷却的压缩后的CO2制冷剂流经第一断流阀5到达热交换器6。进入热交换器6的CO2制冷剂的温度高于通过井水管线g供给的井水的温度并被井水冷却(图4中的冷却过程B2)。另一方面，例如，如图3所示，通过井水管线g供给的井水从15℃被加热到20℃。
由于设置在热交换器6下游侧的第二断流阀8是关闭的，在热交换器6内被冷却的CO2制冷剂流经第二膨胀阀7而被膨胀和降压(图4中的膨胀过程C)，然后在蒸发器9内通过吸收来自由冷水管线h供给的冷水的热量而被蒸发(图4中的蒸发过程D)。
在图4中，在第二实施例的运行中，长度a表示制冷能力，长度b表示加热/热水供给能力，长度c表示在热交换器6内被井水冷却的CO2制冷剂的运行效能。
根据第二实施例，借助于热交换器6内由井水冷却CO2制冷剂的冷却效能量可提高制冷能力。此外，只需对第一和第二断流阀5和8进行切换操作就可简单地改变运行模式。再者，改变运行模式所需的系统结构是将每个膨胀阀和断流阀相互平行配置，因此系统的结构简单且成本低。
工业实用性
根据本发明，通过利用如此构成的热泵可以在不需要用于采用天然水的大型辅助设备的情况下提供使用天然水作为热源或冷源的加热/热水供给和制冷系统，该热泵由被相互平行地设置于压缩机下游部分的第一断流阀和第一膨胀阀、被设置在第一断流阀和第一膨胀阀的下游侧使制冷剂和天然水在其内进行热交换的热交换器、相互平行地设置于该热交换器的下游侧的第二断流阀和第二膨胀阀、以及设置在第二断流阀和第二膨胀阀下游侧使制冷剂吸收冷水的热量并在其内蒸发的蒸发器构成。此外，用于使运行模式从加热/热水供给切换到加热/热水供给和制冷以及相反过程所需的结构只需设置具有相互平行的断流阀和膨胀阀的两组断流阀和膨胀阀，因此系统结构简单，成本低。
将如上所述地构成的热泵应用到空调系统并使其执行加热/热水供给操作时，第一断流阀关闭，在气体冷却器内被冷却的制冷剂流经第一膨胀阀而被膨胀，然后被降压的制冷剂在热交换器内通过吸收天然水的热量而被蒸发。通过如此地利用天然水的热量可获得大的加热/热水供给能力。
当执行加热/热水供给和制冷操作时，第一断流阀开启使在气体冷却器内被冷却的制冷剂流经第一断流阀到达热交换器，在该热交换器中制冷剂被进一步冷却并通过关闭第二断流阀使制冷剂流经第二膨胀阀进入蒸发器，然后，被膨胀和降压的制冷剂在蒸发器内通过吸收冷水的热量而被蒸发，被蒸发的制冷剂流到压缩机。通过利用天然水的冷或热量，可获得大的加热/热水供给能力，同时可大大提高制冷能力。

Claims (5)

1.一种利用CO2作为制冷剂的热泵，包括：
CO2循环通道；
用于压缩所述制冷剂的压缩机；
用于冷却所述被压缩的制冷剂借此产生热水的气体冷却器；
用于使所述制冷剂降压和膨胀的膨胀阀；
热交换器；
用于使所述被膨胀和降压的制冷剂通过吸收来自冷水的热量而蒸发的蒸发器；
其中，在所述CO2循环通道内的所述压缩机的下游部分中设有相互平行的第一断流阀和第一膨胀阀；
在所述第一断流阀和第一膨胀阀的下游部分中设有用于使所述制冷剂与天然水进行热交换的所述热交换器；
在所述热交换器的下游部分中设有相互平行的第二断流阀和第二膨胀阀；及
在所述第二断流阀和第二膨胀阀的下游部分中设有蒸发器，
借此通过开启和关闭所述第一断流阀和第二断流阀的切换操作可从加热/热水供给运行模式切换到加热/热水供给和制冷运行模式，所述加热/热水供给运行模式是通过利用与所述制冷剂进行热交换而在所述气体冷却器中被加热的热水实现的，而制冷通过所述蒸发器来实现。
2.一种利用CO2作为制冷剂的热泵，包括：
CO2循环通道；
用于压缩所述制冷剂的压缩机；
用于冷却所述被压缩的制冷剂借此产生热水的气体冷却器；
用于使所述制冷剂降压和膨胀的膨胀阀；
用于使所述被膨胀和降压的制冷剂通过吸收来自冷水的热量而蒸发的蒸发器；
其中，在所述压缩机的下游部分中设有相互平行的第一断流阀和第一膨胀阀；
在所述第一断流阀和第一膨胀阀的下游部分中设有用于使所述制冷剂与温度低于CO2的临界温度的天然水进行热交换的热交换器；
在所述热交换器的下游部分中设有相互平行的第二断流阀和第二膨胀阀；
在所述第二断流阀和第二膨胀阀的下游部分中设有蒸发器，及
设有将所述第二断流阀的出口侧连接到所述蒸发器的下游部分的旁通通道。
3.如权利要求1所述的利用CO2作为制冷剂的热泵，其中，所述天然水是温度低于CO2的临界温度的河水、地下水、或海水。
4.一种利用如权利要求2所述的热泵采用与所述制冷剂进行热交换而在所述气体冷却器中被加热的热水执行加热/热水供给操作的方法，其中，通过关闭所述第一断流阀使所述制冷剂流经所述第一膨胀阀而被降压和膨胀，并使所述制冷剂流过所述热交换器，从而使所述制冷剂在所述热交换器中通过吸收温度低于CO2的临界温度的天然水中的热量而蒸发，然后使所述制冷剂流经开启的所述第二断流阀并在所述蒸发器不工作的情况下通过所述旁通通道流到所述压缩机。
5.一种利用如权利要求1或2所述的热泵执行加热/热水供给和制冷操作的方法，所述加热/热水供给通过利用与所述制冷剂进行热交换而在所述气体冷却器中被加热的热水实现，所述制冷由所述蒸发器实现，其中，通过开启所述第一断流阀使所述制冷剂流经所述第一断流阀流向所述热交换器，以使所述制冷剂通过在所述热交换器中与温度低于CO2的临界温度的天然水进行热交换而冷却，然后通过关闭所述第二断流阀使所述制冷剂流经所述第二膨胀阀而膨胀并在所述蒸发器内通过吸收冷水中的热量而被蒸发，再使所述被蒸发的制冷剂流到所述压缩机。
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