CN101457949A - 寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置 - Google Patents

寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，涉及一种利用空气源在低温环境下平稳运行并向室内提供所需热量及卫生热水的热泵系统及装置。该装置包括低压变频压缩机、高压压缩机、室外换热器、闪蒸器、储液器、除霜盘管、闪蒸气体过热盘管、压缩机散热回收盘管、低压补气增压管路、分热转换器、多头高效螺旋换热器、热力膨胀阀等部件通过管线连接。其特征在于所述系统中包括闪蒸器组件、闪蒸气体过热盘管、压缩机散热回收盘管及低压补气增压管路。本发明在低温工况制热运行时，基于两级节流中间不完全冷却的双级压缩循环，利用闪蒸气体过热盘管、压缩机散热回收盘管与低压补气增压管路回收压缩机散热量，实现闪蒸气态工质过热，提高压缩机输气量，进而提高了热泵系统的制热量和能效比。同时在室外换热装置底部增加除霜盘管，解决了热泵系统室外换热装置结霜问题。本发明能实现冬季单独供暖运行方式，冬季供暖和卫生热水联合运行方式、非供暖期间卫生热水单独运行方式之间的相互切换。

Description

寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置
技术领域
本发明公开了一种寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，涉及一种利用空气源在低温环境下平稳运行并向室内提供所需热量及卫生热水的热泵系统及装置。
背景技术
目前我国城市居民采暖形式主要是城市集中供热，同时还存在城市小区局部供热和个人采用小型煤、油、气锅炉进行冬季取暖。供热的热源主要是由锅炉燃烧化石燃料提供。由于锅炉热效率不高、高位热能直接用来取暖，既浪费大量能源又造成环境污染。同时传统供热系统需要分户计费、分户改造，涉及的工程量大、成本高，并且仍然存在供热效果不佳、房间冷热不均等现象。所以以电为主的清洁能源正在逐渐成为采暖供热热源，特别是在北方利用低位热能的热泵空调系统越来越受到重视，采用水源热泵和地源热泵系统供暖的用户逐渐增多。空气源热泵在长江以南地区也获得了广泛应用，但在北方寒冷地区由于气候条件的限制，现有空气源热泵系统很难大面积推广。环境空气是巨大的低品位热源，若能研制出一种热泵装置，使其满足室外气温在—15℃时热泵性能系数在2.0以上，那么这种空气源热泵系统将会在北方寒冷地区家用供暖获得很好的应用。
空气源热泵供暖装置具有诸多优点：首先它是一种环保型取暖装置，在能源利用方面又是一种建筑节能产品。可以根据室内温度的要求自动调节，室内温度波动较小、供热品质好且应急性较强。与集中供热相比，避免了巨大的能源浪费。在供热的同时可以提供卫生热水，在非供暖期可作为单独热水器使用。经检索发现：“双级压缩低温热泵系统及装置”(申请号02100339.4)公开了一种冬季空气源热泵的空调装置。该装置只是提出利用双级压缩循环减小压缩比，改善低温热泵系统效率，但没有解决室外气温在0℃以下室外换热装置除霜问题。该装置利用中间冷却器实现一级节流、中间不完全冷却，虽然抑制了节流过程中无效蒸汽量的产生，却增加了不可逆损失。ZL200720011341.4实用新型专利公开一种“北方寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置”，该装置利用双级压缩两级节流中间不完全冷却循环减少压缩比，改善低温热泵系统效率。以上两个专利在室外低温环境下系统的输气量低，装置运行时压缩机机体有热量损失，没有解决如何回收双级压缩循环系统中散失的热量；如何减少吸气比容增大吸气量；如何有效除霜提高制热效率的问题。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术存在的未考虑室外低温高湿环境换热器的结霜工况、节流不可逆损失过大、压缩机输气量少、压缩机热损失等不足，提出一种用于寒冷地区家庭供暖的空气源热泵装置。本装置在室外热交换器底部设有热气体除霜装置，利用来自压缩机散热回收盘管内、回收压缩机机体热量后的过热气态工质进行热气体除霜，确保系统连续供暖、提高制热效果及制热效率；利用高低压两台压缩机及闪蒸器装置实现两级节流、中间不完全冷却的双级压缩循环，减少节流不可逆损失；利用压缩机散热回收盘管对压缩机散热量进行回收，减少压缩机热量损失，降低压缩机排气温度，提高装置制热效率。利用低压补气增压管路提高吸气温度、降低吸气比容、增大压缩机输气量。利用闪蒸气体过热盘管使闪蒸器内气态工质过热，解决热力膨胀阀过热度过小影响其工质流量的问题。采用分热转换器和多头螺旋式换热器合理分配冷媒工质流向及流量，实现单独供暖、单独提供卫生热水、同时供暖和卫生热水的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，该装置包括空气源热泵系统(A)和供暖及卫生热水系统(B)两部分组成；空气源热泵系统(A)是由低压变频压缩机、高压压缩机、闪蒸器、储液器、室外换热器、室外风扇、除霜盘管、闪蒸气体过热盘管、压缩机散热回收盘管、低压补气增压管路、热力膨胀阀、三通电磁阀、电磁阀和冷媒工质连接管路组成；供暖及卫生热水系统(B)是由分热转换器、多头高效螺旋换热器、水泵、蓄水箱、供热出水管、供热回水管、卫生热水补水口、卫生热水出水口和水管路冷媒管路所构成。
本发明是在普通热泵装置循环回路基础上增设高压级单元和两级节流中间不完全冷却单元构成。即在低压压缩机排气管路和分热转换器之间增设高压压缩机，在储液器和热力膨胀阀(11)之间增设闪蒸器及热力膨胀阀(12)，实现双级压缩两级节流中间不完全冷却制热循环。所述系统可实现单、双级循环切换，且单机运行时只开启高压压缩机。在室外环境温度低于0℃的条件下作制热运行时，低压变频压缩机、高压压缩机同时工作，实现双级压缩循环；闪蒸器内闪蒸气态工质与低压变频压缩机排出的气态工质混合，实现两级节流中间不完全冷却循环。在室外环境温度高于0℃的条件下作制热运行时，高压压缩机(2)单独工作，实现单级压缩循环。
本发明在闪蒸器机体外部设有闪蒸气体过热盘管，闪蒸气体加热盘管是把来自热力膨胀阀(12)且在闪蒸器内闪蒸后的冷媒工质，通过闪蒸器外壁与闪蒸气体过热盘管内来自储液器中的高温高压液态冷媒工质进行热量交换，实现闪蒸器内气态工质过热，解决热力膨胀阀过热度过小影响其工质流量的问题。
本发明在高压压缩机机体外部设有压缩机散热回收盘管。利用压缩机散热回收盘管把来自闪蒸气体加热盘管的过冷液态冷媒工质与压缩机进行热交换，吸收压缩机机体的散热量，冷却压缩机电机，降低排气温度及压缩机油温，提高系统制热量和制热效率。
本发明在室外换热器与压缩机之间增设低压增压补气口及低压补气增压管路。低压增压补气口通过低压补气增压管路与压缩机散热回收盘管相连。利用压缩机散热回收盘管中过热气态工质与蒸发器吸热后的过热气体进行混合，提高吸气温度、降低吸气比容、增大冷媒工质质量流量，从而减小压缩比、增加系统制热量。
本发明在室外热交换器底部设有热气体除霜盘管，该装置与室外换热器构成一体。除霜盘管是利用来自压缩机散热回收盘管中过热气态工质进行除霜。利用室外热交换器内设有的温度探测装置，与微电脑连接控制三通电磁阀的导通方式，当冬季室外换热器大量结霜时三通电磁阀a、b导通，实现热气体除霜。当室外换热器只有微量结霜产生凝结液滴时三通电磁阀不开启，由于底部盘管未有冷媒工质流过与室外空气不发生热交换，自然排掉液滴而不影响制热效果。三通电磁阀a、c导通，会增大室外换热器换热面积。
本发明设有分热转换器和多头高效螺旋换热器，实现单独供暖、单独提供卫生热水、同时供暖和卫生热水的功能。根据用户的要求和蓄水箱水温探测装置，合理地对多头高效螺旋换热器进行冷媒流量的调节。在单独供暖时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器(22)中的A、B、C、D四个接口相连，通过多头高效螺旋换热器(22)，高温高压蒸汽冷媒工质与供暖闭式水环系统进行换热；在单独提供卫生热水时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器(23)中的E、F、G、H四个接口相连，通过多头高效螺旋换热器(23)高温高压蒸汽冷媒工质与卫生热水开式水环系统进行换热；在供暖系统和卫生热水系统同时运行时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器(22、23)中的C、D、E、F四个接口相连，通过多头高效螺旋换热器(22、23)，实现高温高压蒸汽冷媒工质同时与供暖闭式水环系统和开式卫生热水循环系统进行换热。当蓄水箱(27)中探测温度装置检测水温低于35℃时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器(23)中的E、F、G、H四个接口相连，当蓄水箱(22)中探测温度装置检测水温高于50℃时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器(22)中的A、B、C、D四个接口相连。
本发明中低压压缩机采用小型变频调节压缩机，低压变频压缩机根据室外环境温度的不同进行10％～130％的能量输出。在环境温度为-15℃以下时，低压变频压缩机高频运转可实现130％大能量输出；在环境温度0℃时，低压变频压缩机低频运转可实现30％的小能量输出。利用低压变频压缩机的能量调节功能保持冷媒工质质量流量的稳定性，与高压压缩机配合实现稳定、高效的双级压缩循环。
目前，空气源热泵系统以其节能、高效、环保的优势，逐渐被用户所接受，市场应用前景可观。普通的单级空气源热泵系统，在低温环境下室外换热盘管大面积结霜、压缩机压缩比过大、排气温度过高、输气系数剧减、以致制热量不足、制热性能系数低，甚至系统无法正常运行。本发明的系统及装置完全克服普通单级空气源热泵系统的不足，在室外—15℃的低温环境下，满足供暖系统供热水温55℃、卫生热水出水口水温40℃的需求。因此低温空气源热泵供暖系统是一种适合北方寒冷地区应用的供暖装置。低温空气源热泵供暖系统关键技术在于利用了高低压两台压缩机、闪蒸器组件、闪蒸气体过热盘管、压缩机散热回收盘管、低压补气增压管路及除霜盘管等装置实现在低温环境下，系统稳定、长期地可靠运行，满足用户的需求。同已有的技术相比，本发明具有实质性特点和显著的进步。
本发明的效果和益处是：该装置采用了高低压两台压缩机和闪蒸器装置实现冷媒工质两次节流、中间不完全冷却的双级压缩热泵循环。利用闪蒸气体过热盘管、压缩机散热回收盘管与低压补气增压管路回收压缩机散热量，实现闪蒸气态工质过热，提高压缩机输气量，进而提高了热泵系统的制热量和能效比。同时还设有热气体除霜盘管在—15℃的低温环境中稳定、可靠地长期运行，提供足够的制热量和最低2.0的制热性能系数，满足北方寒冷地区冬季采暖和卫生热水的要求；采用了分热换热器和多头高效螺旋换热器冷媒工质流向和流量进行分配，控制供水温度，满足用户的需求；本发明可在北方寒冷地区的家庭居室内广泛应用，具有很大的推广空间。
附图说明
图1是本发明结构原理示意图。
图2是除霜盘管的立面图。
图3是分热换热器和多头高效螺旋换热器结构示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。如图1所示，本发明包括低压变频压缩机(1)、高压压缩机(2)、闪蒸器(3)、储液器(4)、室外换热器(5)、室外风扇(6)、除霜盘管(7)、闪蒸气体过热盘管(8)、压缩机散热回收盘管(9)、低压补气增压管路(10)、热力膨胀阀(11、12)、三通电磁阀(13)、电磁阀(14、15、16、17、18、19、20、32)、分热转换器(21)、多头高效螺旋换热器(22、23)、水泵(24、25)、蓄水箱(26、27)、供热出水管(28)、供热回水管(29)、卫生热水补水口(30)、卫生热水出水口(31)及冷媒工质连接管和水路连接管等。
室外环境温度在0℃以下时，电磁阀(15)开启，低压变频压缩机(1)对来自室外换热器(5)与低压补气增压管路(10)混合的气态过热蒸气进行压缩增压，从低压变频压缩机(1)排出的气态冷媒工质与闪蒸器(3)b出口的过热气态工质混合，实现冷媒工质中间不完全冷却，进入高压压缩机(2)，从高压压缩机排出的高温高压冷媒工质，经分热换热器(21)进入多头高效螺旋换热器(22、23)与水环系统进行热交换，从多头高效螺旋换热器(22、23)出口流出的高温高压液体，经储液器(4)、电磁阀(20)与热力膨胀阀(12)相连，经热力膨胀阀(12)后冷媒气液混合工质由闪蒸器(3)a端进入闪蒸器(3)，闪蒸器(3)b端与低压变频压缩机(1)排气管路相连，闪蒸器(7)c端经电磁阀(18)与热力膨胀阀(11)相连，经二次节流后的低温低压液体流向室外换热盘管(5)；同时一部分来自储液器(5)的高温高压液态制冷工质利用闪蒸气体过热盘管(8)与闪蒸器(3)内的闪蒸气态工质进行热交换，实现闪蒸气态工质过热。高温高压液态制冷工质经过换热成为过冷液态冷媒工质，经过压缩机散热回收盘管(9)吸收压缩机散热量，过冷液态冷媒工质吸热后成为过热气态冷媒工质。过热气态工质一部分经电磁阀(14)和低压补气增压管路(10)与室外换热器气态冷媒工质混合；一部分经三通电磁阀(13)(a、b接通)与除霜盘管(7)相连。除霜盘管(7)是利用过热气态冷媒工质，实现热气体除霜，同时保证了冬季低温条件下系统连续制热。此系统中的闪蒸器(3)与低压变频压缩机排气口相连，实现冷媒工质中间不完全冷却，利用闪蒸气体过热盘管、压缩机散热回收盘管与低压补气增压管路回收压缩机散热量，实现闪蒸气态工质过热，提高压缩机输气量，并能保持较低的压缩比和排气温。
室外环境温度在0℃以上时，电磁阀(15、17、18、20)、热力膨胀阀(12)不开启，电磁阀(16、19)开启。即此系统只有高压压缩机启动，实现单机运行。具体连接方式是由管道将下列部件依次连接而成：高压压缩机(2)、分热转换器(21)、多头高效螺旋换热器(22、23)、储液器(4)、电磁阀(19)、热力膨胀阀(11)、室外换热器(5)、电磁阀(16)、高压压缩机(2)。单机运行时，来自储液器的高温高压液体经闪蒸气体过热盘管(8)且不与闪蒸器(3)换热，利用压缩机散热回收盘管(9)直接与压缩机进行换热，吸收压缩机的散热量，换热后的过热气态冷媒工质经电磁阀(14)和低压补气增压管路(10)与室外换热器气态冷媒工质混合，实现增压补气、提高制热量和制热效率的目的。
图2是除霜盘管的立面图。冬季室外温度在—10℃以下时，三通电磁阀(13)(a、b接通)、电磁阀(32)开启，实现热气体除霜；冬季温度在0℃以下有微量结霜时，三通电磁阀(13)和电磁阀(32)不开启，实现自然重力排出液滴；在非供暖期，三通电磁阀(13)b、c连通，电磁阀(32)开启，增大室外换热面积。
图3是分热转换器和多头高效螺旋换热器结构平面示意图。在同时供暖和提供卫生热水时分热转换器(21)与多头高效螺旋换热器连通(22、23即与E、F、G、H连通)分别与供暖闭式水环系统和开式卫生热水循环系统进行热交换。同时可以根据蓄水箱(22)中探测温度装置检测水温来调整分热换热器(16)与多头高效螺旋换热器连通，当水温高于50℃时分热换热器(21)内部接口装置向左移动，当水温低于35℃时分热换热器(21)内部接口装置向右移动。保证卫生热水水温在40℃左右；单独供暖时，分热转换器(21)与多头高效螺旋换热器连通(22即与A、B、C、D连通)与闭式供暖水循环系统进行热交换；单独提供卫生热水时分热转换器(21)与多头高效螺旋换热器连通(22即与E、F、G、H连通)与开式卫生热水循环系统进行热交换。

Claims (10)

1、一种适用于寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，它包括低压变频压缩机(1)、高压压缩机(2)、闪蒸器(3)、储液器(4)、室外换热器(5)、室外风扇(6)、除霜盘管(7)、闪蒸气体过热盘管(8)、压缩机散热回收盘管(9)、低压补气增压管路(10)、热力膨胀阀(11、12)、三通电磁阀(13)、电磁阀(14、15、16、17、18、19、20、32)、分热转换器(21)、多头高效螺旋换热器(22、23)、水泵(24、25)、蓄水箱(26、27)、供热出水管(28)、供热回水管(29)、卫生热水补水口(30)、卫生热水出水口(31)及冷媒工质连接管和水路连接管等。
2、按照权利要求1所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于：所述系统是在普通热泵装置循环回路基础上增设高压级单元和两级节流中间不完全冷却单元构成，即在低压压缩机(1)排气管路和分热转换器(21)之间增设高压压缩机(2)，在储液器(4)和热力膨胀阀(11)之间增设闪蒸器(3)及热力膨胀阀(12)。
3、按照权利要求1或2所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其中在室外环境温度低于0℃的条件下作制热运行时，低压变频压缩机(1)、高压压缩机(2)同时工作，实现双级压缩循环；闪蒸器内闪蒸气态工质与低压变频压缩机(1)排出的气态工质混合，实现两级节流中间不完全冷却循环。其连接方式是由管道将下列部件依次连接而成：低压变频压缩机(1)、闪蒸器(3)b端、电磁阀(17)、高压压缩机(2)、分热转换器(21)、多头高效螺旋换热器(22、23)、储液器(4)、电磁阀(20)、热力膨胀阀(12)、闪蒸器(3)a端、闪蒸器(3)c端、电磁阀(18)、热力膨胀阀(11)、室外换热器(5)、电磁阀(15)、低压变频压缩机(1)。
4、按照权利要求1或2所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其中在室外环境温度高于0℃的条件下作制热运行时，高压压缩机(2)单独工作，实现单级压缩循环；其连接方式是由管道将下列部件依次连接而成：高压压缩机(2)、分热转换器(21)、多头高效螺旋换热器(22、23)、储液器(4)、电磁阀(19)、热力膨胀阀(11)、室外换热器(5)、电磁阀(16)、高压压缩机(2)。
5、按照权利要求1所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于：闪蒸器(3)机体外部设有闪蒸气体过热盘管(8)，来自热力膨胀阀(12)的冷媒工质在闪蒸器内闪蒸后，通过闪蒸器(3)外壁与闪蒸气体过热盘管(8)内来自储液器中的高温高压液态冷媒工质进行热量交换，闪蒸器内过热气态工质与低压压缩机(1)排气混合后与高压压缩机(3)相连。
6、按照权利要求1所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于：高压压缩机(2)机体外部设有压缩机散热回收盘管(9)；即来自闪蒸气体加热盘管(8)中经过换热后的过冷液态冷媒工质，通过压缩机散热回收盘管(9)吸收压缩机机体的散热量，冷却压缩机电机，降低排气温度及压缩机油温，提高系统制热量和制热效率。
7、按照权利要求1所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于：所述系统是在普通热泵装置循环回路基础上增设低压补气增压管路(10)。即在室外换热器(5)与压缩机(1、2)之间增设低压增压补气口，低压增压补气口通过低压补气增压管路(10)与压缩机散热回收盘管相连；利用压缩机散热回收盘管(10)中过热气态工质与蒸发器吸热后的过热气体进行混合。
8、按照权利要求1所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于：在室外热交换器(5)底部设有热气体除霜盘管(7)，该装置与室外换热器构成一体。除霜盘管(7)是利用来自压缩机散热回收盘管(10)中过热气态工质进行除霜；室外热交换器(5)内设有的温度探测装置，与微电脑连接控制三通电磁阀(13)的导通，当冬季室外换热器(5)大量结霜时三通电磁阀(13)a、b导通，实现热气体除霜；当室外换热器(5)只有微量结霜产生凝结液滴时三通电磁阀(13)不开启，由于底部盘管未有制冷剂流过与室外空气不发生热交换，自然排掉液滴而不影响制热效果；三通电磁阀(13)a、c的导通，增大室外换热器换热面积。
9、按照权利要求1所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于：分热转换器(21)和多头高效螺旋换热器(22、23)能实现将制冷剂单独供给多头高效螺旋换热器(22)和多头高效螺旋换热器(23)以及同时供给换热器(22)、(23)。
10、按照权利要求1所述的寒冷地区家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于：低压压缩机(1)采用小型变频调节压缩机。低压变频压缩机(1)根据室外的环境温度的不同进行10％～130％的能量输出。在环境温度为-15℃以下时，低压变频压缩机(1)高频运转130％能量输出；在环境温度0℃时，低压变频压缩机(1)低频运转30％的能量输出。利用低压变频压缩机(1)的能量调节功能保持冷媒工质质量流量的稳定性，与高压压缩机(2)配合实现稳定、高效的双级压缩循环系统。
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