CN101275792A - 单/双级混合复叠热泵空调机组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单/双级混合复叠热泵空调机组。它包括第一级压缩机、三通道套管式换热器等，该三通道套管式换热器的第二通道套管上的第一接口与第一级四通换向阀连接，第二通道套管上的第二接口与第一级节流阀连接；三通道套管式换热器与第一级压缩机等构成第一级热泵循环；三通道套管式换热器与第二级压缩机等构成第二级热泵循环；所述的单/双级混合复叠热泵空调机组能够实现单级制热、双级复叠制热、单级制冷。本发明实现第一级与第二级热泵系统的复叠，减少了双级复叠运行时中间的水环路及耦合水环路的一次换热过程，降低了第一级与第二级系统间的传热温差损失，提高了系统在低温环境下的制热性能。
Description
技术领域
本发明属于空调技术，适用于在室外温度变化范围较大的空调应用场合，特别是一种单/双级混合复叠热泵空调机组。
背景技术
随着社会发展与人民生活水平的不断提高，空调逐渐普及，建筑的空调能耗也日益增大，空调系统的节能日显重要，热泵技术被公认为一种节能的空调方式。而在寒冷地区，采用风冷热泵进行空调供暖，因室外温度低，使得热泵循环的蒸发温度与蒸发压力低，从而导致传统的单级热泵系统压缩比高，在低温工况下系统的制热性能急剧下降，甚至不能正常工作，使得热泵技术在我国北方寒冷地区的应用受到极大的限制。为改善低温环境下空气源热泵系统的适应性及提高热泵机组在低温工况的制热性能，近年来在热泵技术方面开展了大量的研究工作，并取得了一定研究成果。如2002年《电力需求侧管理》公开发表了双级耦合热泵供热系统在寒冷地区应用的可行性分析(喻银平，马最良，双级耦合热泵供热系统在寒冷地区应用的可行性分析，《电力需求侧管理》，2002，4(2)：39-42)及2005暖通空调公开发表了双级耦合热泵系统在我国三北地区应用的预测分析论文(马最良，姚杨，喻银平，双级耦合热泵系统在我国三北地区应用的预测分析，《暖通空调》，2005，35(1)：6-10)，提出了一种适用于寒冷地区的双级耦合热泵空调系统，该系统由空气-水热泵系统与水-空气/水-水热泵机组构成，两个单级热泵系统之间采用中间水环路进行耦合构成双级耦合热泵系统，在室外温度较低时，由一级空气-水热泵系统制备10～20℃低温水，二级水-空气热泵或水-水热泵机组再以10～20℃的低温水为热源制备45～50℃热水；当室外温度较高时，双级耦合热泵系统单级运行，即空气-水热泵机组直接制备45～50℃热水。该系统通过双级耦合的方式，降低了各级热泵系统的压缩比，提高了系统在低温环境下的制热性能及系统的低温适应性。但该系统因在一级空气-水热泵系统与二级水-空气/水-水热泵系统之间采用中间水环路进行耦合，在系统双级耦合运行时增加了一次水环路与制冷工质间的换热，加大了一级与二级热泵间的传热温差，降低了系统的供热性能；且该双级耦合热泵系统功能单一，不能用于夏季制冷运行工况，设备的利用率低；同时因中间水环路的加入，使系统结构及运行控制较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种传热温差损失小、低温的制热性能及适应性好、系统结构简化与设备利用率高的单/双级混合复叠热泵空调机组。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种单/双级混合复叠热泵空调机组，包括第一级压缩机、第一级四通换向阀、室外换热器、第一级节流阀、第一级气液分离器、第二级压缩机、第二级换热器、第二级节流阀、第二级气液分离器、第二级四通换向阀、三通阀、循环水泵，还包括三通道套管式换热器，该三通道套管式换热器的第二通道套管上的第一接口与第一级四通换向阀连接，第二通道套管上的第二接口与第一级节流阀连接；所述的三通道套管式换热器与第一级压缩机、第一级四通换向阀、室外换热器、第一级节流阀、第一级气液分离器构成第一级热泵循环；所述的三通道套管式换热器与第二级压缩机、第二级换热器、第二级节流阀、第二级气液分离器、第二级四通换向阀构成第二级热泵循环；所述的单/双级混合复叠热泵空调机组能够实现单级制热、双级复叠制热、单级制冷，即制热工况当室外温度高于切换温度Tcr时，第一级热泵循环单级运行，第二级热泵循环停机，三通道套管换热器作为冷凝器与空调循环水换热制热；当室外温度低于切换温度Tcr时，第一级热泵循环与第二级热泵循环双级复叠运行，三通道套管换热器作为冷凝蒸发器，第二级换热器作为冷凝器与空调循环水换热制热；制冷工况第一级热泵循环单级运行，第二级热泵循环停机，三通道套管换热器作为蒸发器与空调循环水换热制冷。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用三通道套管替代现有技术双级耦合热泵系统中实现双级耦合的第一级空气-水热泵系统的冷凝器、第二级水-空气或水-水热泵系统的蒸发器，取消第一级与第二级热泵系统间的耦合水环路，并实现第一级与第二级热泵系统的复叠，减少了双级复叠运行时中间的水环路及耦合水环路的一次换热过程，降低了第一级与第二级系统间的传热温差损失，提高了系统在低温环境下的制热性能；(2)采用三通道套管换热器可在一个设备内实现第一级热泵循环的制冷工质与用户循环水、第一级热泵循环的制冷工质与第二级热泵循环的制冷工质及第一级热泵循环的制冷工质同时与第二级热泵循环的制冷工质、用户循环水之间的换热，系统结构紧凑、设备利用率高，大大降低了设备成本；(3)因采用三通道套管换热器实现第一级与第二级热泵循环间的复叠，双级复叠制热运行时，两级间的传热温差损失小，降低了第一级与第二级压缩机的压缩比，进一步提高了系统对低温环境的适应性；(4)根据室外环境温度可实现单级制热、单级制冷及双级复叠制热运行，提高了系统应用的适应性及设备的利用率，在环境温度变化范围较大的空调应用场合尤为适用。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明提供的一种单/双级混合复叠热泵空调机组的原理图。
图2为本发明提供的另一种单/双级混合复叠热泵空调机组的原理图。
图3为本发明提供的三通道套管换热器结构示意图。
附图中附图标记及其部件名称如下：1-第一级压缩机；2-第一级四通换向阀；3-室外换热器；4-第一级节流阀；5-三通道套管换热器；6-第一级气液分离器；7-第二级压缩机；8-第二级换热器；9-高温节流阀；10-第二级气液分离器；11-第二级四通换向阀；12-三通阀；13-循环水泵；(5-1)-第一接口；(5-2)-第二接口；(5-3)-第三接口；(5-4)-第四接口；(5-5)-第五接口；(5-6)-第六接口；(5-7)-第一通道套管；(5-8)-第二通道套管；(5-9)-第三通道套管；(5-10)-端板；(8-1)-第二级换热器的制冷剂入口(出口)；(8-2)-第二级换热器的制冷剂出口(入口)；(8-3)-第二级换热器的入水口；(8-4)-第二级换热器的出水口。
具体实施方式
结合图1至图3，本发明单/双级混合复叠热泵空调机组，包括第一级压缩机1、第一级四通换向阀2、室外换热器3、第一级节流阀4、第一级气液分离器6、第二级压缩机7、第二级换热器8、第二级节流阀9、第二级气液分离器10、第二级四通换向阀11、三通阀12、循环水泵13，还包括三通道套管式换热器5，该三通道套管式换热器5的第二通道套管5-8上的第一接口5-1与第一级四通换向阀2连接，第二通道套管5-8上的第二接口5-2与第一级节流阀4连接；所述的三通道套管式换热器5与第一级压缩机1、第一级四通换向阀2、室外换热器3、第一级节流阀4、第一级气液分离器6构成第一级热泵循环；所述的三通道套管式换热器5与第二级压缩机7、第二级换热器8、第二级节流阀9、第二级气液分离器10、第二级四通换向阀11构成第二级热泵循环；所述的单/双级混合复叠热泵空调机组能够实现单级制热、双级复叠制热、单级制冷，即制热工况当室外温度高于切换温度Tcr时，第一级热泵循环单级运行，第二级热泵循环停机，三通道套管换热器5作为冷凝器与空调循环水换热制热；当室外温度低于切换温度Tcr时，第一级热泵循环与第二级热泵循环双级复叠运行，三通道套管换热器5作为冷凝蒸发器，第二级换热器8作为冷凝器与空调循环水换热制热；制冷工况第一级热泵循环单级运行，第二级热泵循环停机，三通道套管换热器5作为蒸发器与空调循环水换热制冷。
如图3所示，本发明的三通道套管换热器5由同轴的第一通道套管5-7、第二通道套管5-8和第三通道套管5-9组成，该第三通道套管5-9的首端设有第五接口5-5，第三通道套管5-9的末端设有第六接口5-6；第二通道套管5-8的首端设有第一接口5-1，第二通道套管5-8的末端设有第二接口5-2；第一通道套管5-7的首端设有第四接口5-4，第一通道套管5-7的末端设有第三接口5-3。其中，第二通道套管5-8、第三通道套管5-9通过端板5-10与第一通道套管5-7焊接或法兰连接固定支撑。
实施例1：
结合图1，本发明的一种单/双级混合复叠热泵空调机组是将第一级气液分离器6的出口与第一级压缩机1的吸气口连接，第一级压缩机1的排气口与第一级四通换向阀2的进气端连接，第一级四通换向阀2的回气口与第一级气液分离器6的入口连接，第一级四通换向阀2的另外两个接口分别与室外换热器3的出口(在制冷工况下为进口，以下类推)及三通道套管换热器5的第二通道套管5-8上的第一接口5-1连接，三通道套管换热器5的第二通道套管5-8上的第二接口5-2与第一级节流阀4的入口(出口)连接，第一级节流阀4的出口(入口)与室外换热器3的入口(出口)连接。将第二级气液分离器10的出口与第二级压缩机7的吸气口连接，第二级压缩机7的排气口与第二级四通换向阀11的进气端连接，第二级四通换向阀11的回气口与第二级气液分离器10的入口连接，第二级四通换向阀11的另外两个接口分别与三通道套管换热器5的第一通道套管5-7上的第四接口5-4及第二级换热器8的制冷剂入口(出口)8-1连接，第二级换热器8的制冷剂出口(入口)8-2与第二级节流阀9的入口(出口)连接，第二级节流阀9的出口(入口)与三通道套管换热器5的第一通道套管5-7上的第三接口5-3连接。将用户回水干管分为两支路，一路与第二级换热器8的入水口8-3连接，另一支路与三通道套管换热器5的第三通道套管5-9上的第五接口5-5连接(该第五接口5-5与空调系统回水管连接)，三通道套管换热器5的第三通道套管5-9上的第六接口5-6与三通阀12的b端连接，第二级换热器8的出水口8-4与三通阀12的a端连接，三通阀12的c端与循环水泵12的吸入口连接。通过上述各部件的连接构成单/双级混合复叠热泵空调机组。
该单/双级混合复叠热泵空调机组根据室外环境温度与用户的需求、第一级四通换向阀2及第二级四通换向阀11及三通阀12的不同开闭及切换状态可实现夏季单级制冷、冬季单级与双级复叠制热三种运行模式。
(a)夏季单级制冷运行模式
当系统在夏季供冷模式运行时，第一级四通换向阀2断电，第二级压缩机7停机，三通阀12的b、c端接通。第一级压缩机1的高温高压气态制冷剂通过第一级四通换向阀2进入室外换热器3冷凝为过冷高压液态，然后通过第一级节流阀4节流为低温低压的气液两相制冷剂进入三通道套管换热器5的第二通道套管5-8与第三通道套管5-9内的循环水换热气化为低压气态制冷剂，由第二通道套管5-8流出的低压气态制冷经第一级四通换向阀2、第一级气液分离器6返回第一级压缩机1，完成单级制冷循环。空调用户的高温回水进入三通道套管换热器5的第三通道套管5-9换热降温后经三通阀12、循环水泵13送入空调系统的末端设备，实现空调制冷。
(b)冬季单级制热运行模式
冬季供热运行时，当室外环境温度高于切换温度Tcr时，系统按单级制热模式运行，此时第一级四通换向阀2通电，第二级压缩机7停机，三通阀12的b、c端接通，第一级压缩机1的高温高压气态制冷剂通过第一级四通换向阀2进入三通道套管换热器5的第二通道套管5-8与第三通道套管5-9内的循环水换热冷凝为高压液态制冷剂，由第二通道套管5-8流出的高压液态制冷剂经第一级节流阀4节流为低温低压气液两相制冷剂进入室外换热器3从环境空气中吸热气化为低温低压气态制冷剂，然后通过第一级四通换向阀2、第一级气液分离器6返回第一级压缩机1，完成单级制热循环。空调用户的低温回水进入三通道套管换热器5的第三通道套管5-9换热升温后经三通阀12、循环水泵13送入空调系统的末端设备，实现空调供热。
(c)冬季双级复叠制热运行模式
在冬季制热运行工况下，当室外环境温度低于切换温度Tcr时，系统按双级复叠制热模式运行，此时第一级四通换向阀2及第二级四通换向阀11通电，三通阀12的a、c接通。第一级压缩机1的高温高压气态制冷剂通过第一级四通换向阀2进入三通道套管换热器5的第二通道套管5-8与第一通道套管5-7内的第二级热泵系统的制冷剂进行复叠换热冷凝为高压液态制冷剂，由第二通道套管5-8流出的高压液态制冷剂经第一级节流阀4节流为低温低压气液两相制冷剂进入室外换热器3从环境空气中吸热气化为低温低压气态制冷剂，然后通过第一级四通换向阀2、第一级气液分离器6返回第一级压缩机1，完成第一级热泵制热循环。第二级压缩机7的高温高压气态制冷剂通过第二级四通换向阀11进入第二级换热器8与用户循环水换热冷凝为高压液态制冷剂，然后通过第二级节流阀9节流为低温低压气液两相制冷剂进入三通道套管换热器5的第一通道套管5-7与第二通道套管5-8内第一级热泵系统的制冷剂复叠换热气化为低温低压气态制冷剂，然后通过第二级四通换向阀11、第二级气液分离器10返回第二级压缩机7，实现双级复叠热泵循环。用户的低温回水进入第二级换热器升温后经三通阀12、循环水泵13送入系统，实现空调供热。
实施例2：
结合图2，本发明的另一种单/双级混合复叠热泵空调机组是将第一级气液分离器6的出口与第一级压缩机1的吸气口连接，第一级压缩机1的排气口与第一级四通换向阀2的进气端连接，第一级四通换向阀2的回气口与第一级气液分离器6的入口连接，第一级四通换向阀2的另外两个接口分别与室外换热器3的出口(在制冷工况下为进口，以下类推)及三通道套管换热器5的第二通道套管5-8上的第一接口5-1连接，三通道套管换热器5的第二通道套管5-8上的第二接口5-2与第一级节流阀4的入口(出口)连接，第一级节流阀4的出口(入口)与室外换热器3的入口(出口)连接。将第二级气液分离器10的出口与第二级压缩机7的吸气口连接，第二级压缩机7的排气口与第二级四通换向阀11的进气端连接，第二级四通换向阀11的回气口与第二级气液分离器10的入口连接，第二级四通换向阀11的另外两个接口分别与三通道套管换热器5的第三通道套管5-9上的第五接口5-5及第二级换热器8的制冷剂入口(出口)8-1连接，第二级换热器8的制冷剂出口(入口)8-2与第二级节流阀9的入口(出口)连接，第二级节流阀9的出口(入口)与三通道套管换热器5的第三通道套管5-9上的第六接口5-6连接。将用户回水干管分为两支路，一路与第二级换热器8的入水口8-3连接，另一支路与三通道套管换热器5的第一通道套管5-7上的第四接口5-4连接(第四接口5-4与空调系统回水管连接)，三通道套管换热器5的第一通道套管5-7上的第三接口5-3与三通阀12的b端连接，第二级换热器8的出水口8-4与三通阀12的a端连接，三通阀12的c端与循环水泵12的吸入口连接。通过上述各部件的连接构成单/双级混合复叠热泵空调机组。
与实施例1相同，该单/双级混合复叠热泵空调机组根据室外环境温度与用户的需求、第一级四通换向阀2及第二级四通换向阀11及三通阀12的不同开闭及切换状态可实现夏季单级制冷、冬季单级与双级复叠制热三种运行模式，各运行模式同实施例1。
Claims (5)
1、一种单/双级混合复叠热泵空调机组，包括第一级压缩机(1)、第一级四通换向阀(2)、室外换热器(3)、第一级节流阀(4)、第一级气液分离器(6)、第二级压缩机(7)、第二级换热器(8)、第二级节流阀(9)、第二级气液分离器(10)、第二级四通换向阀(11)、三通阀(12)、循环水泵(13)，其特征在于还包括三通道套管式换热器(5)，该三通道套管式换热器(5)的第二通道套管(5-8)上的第一接口(5-1)与第一级四通换向阀(2)连接，第二通道套管(5-8)上的第二接口(5-2)与第一级节流阀(4)连接；所述的三通道套管式换热器(5)与第一级压缩机(1)、第一级四通换向阀(2)、室外换热器(3)、第一级节流阀(4)、第一级气液分离器(6)构成第一级热泵循环；所述的三通道套管式换热器(5)与第二级压缩机(7)、第二级换热器(8)、第二级节流阀(9)、第二级气液分离器(10)、第二级四通换向阀(11)构成第二级热泵循环；所述的单/双级混合复叠热泵空调机组能够实现单级制热、双级复叠制热、单级制冷，即制热工况当室外温度高于切换温度Tcr时，第一级热泵循环单级运行，第二级热泵循环停机，三通道套管换热器(5)作为冷凝器与空调循环水换热制热；当室外温度低于切换温度Tcr时，第一级热泵循环与第二级热泵循环双级复叠运行，三通道套管换热器(5)作为冷凝蒸发器，第二级换热器(8)作为冷凝器与空调循环水换热制热；制冷工况第一级热泵循环单级运行，第二级热泵循环停机，三通道套管换热器(5)作为蒸发器与空调循环水换热制冷。
2、根据权利要求1所述的单/双级混合复叠热泵空调机组，其特征在于所述的三通道套管换热器(5)由同轴的第一通道套管(5-7)、第二通道套管(5-8)和第三通道套管(5-9)组成，该第三通道套管(5-9)的首端设有第五接口(5-5)，第三通道套管(5-9)的末端设有第六接口(5-6)；第二通道套管(5-8)的首端设有第一接口(5-1)，第二通道套管(5-8)的末端设有第二接口(5-2)；第一通道套管(5-7)的首端设有第四接口(5-4)，第一通道套管(5-7)的末端设有第三接口(5-3)。
3、根据权利要求2所述的单/双级混合复叠热泵空调机组，其特征在于所述的三通道套管换热器(5)的第二通道套管(5-8)、第三通道套管(5-9)通过端板(5-10)与第一通道套管(5-7)焊接或法兰连接固定支撑。
4、根据权利要求1或2所述的单/双级混合复叠热泵空调机组，其特征在于所述三通道套管换热器(5)的第一通道套管(5-7)上的第三接口(5-3)与第二级节流阀(9)连接，第一通道套管(5-7)上的第四接口(5-4)与第二级四通换向阀(11)连接；所述的三通道套管式换热器(5)的第三通道套管(5-9)上的第五接口(5-5)与空调系统回水管连接，并与第二级换热器(8)的进水口(8-3)的连接管并联后接入空调回水干管；第三通道套管(5-9)上的第六接口(5-6)与三通阀(12)的b端连接。所述的三通阀(12)的a端与第二级换热器(8)的出水口(8-4)连接，三通阀(12)的c端与循环水泵(13)的吸入口连接。
5、根据权利要求1或2所述的单/双级混合复叠热泵空调机组，其特征在于所述的三通道套管换热器(5)的第二通道套管(5-8)上的第一接口(5-1)与第一级四通换向阀(2)连接，第二通道套管(5-8)上的第二接口(5-2)与第一级节流阀(4)连接；所述的三通道套管换热器(5)的第三通道套管(5-9)上的第五接口(5-5)与第二级四通换向阀(11)连接，第三通道套管(5-9)上的第六接口(5-6)与第二级节流阀(9)连接；所述的套管换热器(5)的第一通道套管(5-7)上的第四接口(5-4)与空调系统回水管连接，并与第二级换热器(8)的进水口(8-3)连接管并联后接入空调回水干管；第一通道套管(5-7)上的第三接口(5-3)与三通阀(12)的b端连接。
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