CN101793420B - 液体循环式供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液体循环式供暖系统，其包括：用于生成加热液体的热泵、和供暖用散热器。热泵具有为了对液体进行加热而使制冷剂循环的热泵回路。制冷剂作为主成分含有四氟丙烯和二氟甲烷。根据这样结构的液体循环式供暖系统，能够减小对地球温暖化的影响。

Description

液体循环式供暖系统
技术领域
本发明涉及利用液体来进行供暖的液体循环式供暖系统。
背景技术
历来，利用锅炉(boiler)或电热器来生成热水，使用该热水来进行供暖的液体循环式供暖系统众所周知。在近年，正在研究采用能够高效率地生成热水的热泵来作为代替锅炉和电热器的热源。例如，在日本特开2008-39306号公报中，提案有利用热泵生成热水，将该热水保存在贮热水箱的液体循环式供暖系统。在该液体循环式供暖系统中，被储存在贮热水箱中的热水被输送到例如配置在居室内的供暖用散热器，在这里散热之后返回到贮热水箱。
热泵具有使制冷剂循环的热泵回路。热泵回路例如通过压缩机、散热器、膨胀阀和蒸发机用配管连接而构成。并且，在散热器中在制冷剂与水之间进行热交换而将水加热，由此生成热水。
但是，从地球温暖化问题的观点来看，作为填充到热泵回路的制冷剂，优选使用地球温暖化系数(以下称为“GWP”)低的制冷剂。近年，作为GWP低的制冷剂，开发出2，3，3，3-四氟丙烯(HFO1234yf)等。例如，在日本特开2007-315663号公报中，公开有使用了含有HFO1234yf和三氟碘化甲烷(CF3I)的制冷剂的制冷循环装置。
发明内容
但是，虽然HFO1234yf的GWP低，但作为加热制冷剂的能力差，因此不适合于热泵用。另外，由于CF3I不是作为制冷剂发挥功能的，所以在日本特开2007-315663号公报中认为在HFO1234yf中混合有CF3I是为了谋求HFO1234yf的稳定化。
本发明鉴于这样的问题而提出，其目的在于提供一种能够减小对地球温暖化的影响的液体循环式供暖系统。
即，本发明提供一种液体循环式供暖系统，其对液体进行加热生成加热液体，使该加热液体的热从供暖用散热器散出而进行供暖，该液体循环式供暖系统包括为了对上述液体进行加热而使制冷剂循环的热泵回路，上述制冷剂作为主成分含有四氟丙烯和二氟甲烷。
根据本发明，能够得到能减小对地球温暖化的影响的液体循环式供暖系统。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的液体循环式供暖系统的简要结构图。
图2是热泵的莫里尔图。
图3是表示在使用HFO1234yf和二氟甲烷的混合制冷剂时的、二氟甲烷含有率与对HFO1234yf单一制冷剂的加热能力比和GWP的关系的图表。
图4是表示在使用HFO1234yf和二氟甲烷的混合制冷剂时的、二氟甲烷含有率与将65℃的水加热到70℃时的高压和GWP的关系的图表。
图5是本发明的第二实施方式的液体循环式供暖系统的简要结构图。
图6是本发明的第三实施方式的液体循环式供暖系统的简要结构图。
图7是变形例的热泵的简要结构图。
图8是另一个变形例的热泵的简要结构图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，下面的说明是关于本发明的一个例子的，本发明并不限定于这些。
(第一实施方式)
在图1中表示本发明的第一实施方式的液体循环式供暖系统1A。该液体循环式供暖系统1A，对液体进行加热而生成加热液体，通过使该加热液体的热从供暖用散热器3散出，来进行例如居室内的供暖。具体而言，液体循环式供暖系统1A包括：供暖用散热器3；用于生成加热液体的热泵2；和进行设备的整体控制的总括控制装置5。
在本实施方式中，供暖用散热器3与热泵2通过后述的供给管31和回收管32直接连接，使得液体循环而不停留。作为液体，例如也能够使用在水中混入了丙二醇等的防冻液，但优选使用廉价且能够大量获得的水。以下，以液体是水，加热液体是热水的方式进行说明。
热泵2具有使制冷剂循环的热泵回路20。该热泵回路20包括：将制冷剂压缩的压缩机21；使被压缩了的制冷剂散热的散热器(制冷剂散热器)22；使散热了的制冷剂膨胀的膨胀阀23；和使膨胀了的制冷剂蒸发的蒸发器24，这些设备21～24通过配管依次连接。此外，热泵2具有根据来自总括控制装置5的指令对压缩机21和膨胀阀23进行控制的热泵控制装置26。另外，也能够代替膨胀阀23而采用用于从膨胀的制冷剂中回收动力的膨胀机。
在散热器22中，在通过散热器22的水与制冷剂之间进行热交换，而将水加热，由此生成热水。在蒸发器24中，在由风扇25送风的空气与制冷剂之间进行热交换而使制冷剂吸热。另外，对于制冷剂，在后面详细地进行说明。
供暖用散热器3在使热水流动的同时使热水散热，具有使热水流入到内部的流入口、和使散热后的热水从内部流出的流出口。例如，作为供暖散热器3，既可以采用设置在建筑物的居室内的散热装置(radiator)，也可以采用铺设于地板的热水板。
供暖用散热器3的流出口通过向散热器22供给水的供给管31与散热器22连接，供暖用散热器3的流入口通过对在散热器22中所生成的热水进行回收的回收管32与散热器22连接。在供给管31设置有泵61，在回收管32设置有对在散热器22中所生成的热水的温度进行检测的热水温度传感器71。并且，当使泵61旋转时，水被供给管31从供暖用散热器3向散热器22引导，并且在散热器22中所生成的热水被回收管32从散热器22向供暖用散热器3引导。
总括控制装置5由微机或DSP(digital signal processor)等构成，与上述的热泵控制装置26和热水温度传感器71以及泵61连接。并且，总括控制装置5，当由用户接通(ON)省略图示的供暖开关时，使泵61旋转，并且向热泵控制装置26发送运转开始的信号。由此，在散热器22中水被加热而生成热水，并且该热水被送到供暖用散热器3而进行供暖。此外，总括控制装置5，对泵61的转速进行控制从而对在供给管31中流动的水的流量进行调整，使得由热水温度传感器71检测出的水的温度成为规定温度(例如，70℃)。
只要是这样的液体循环式供暖系统1A，就能够将所生成的热水直接利用于供暖，因此能够使散热损失少，实现节能。
接着，对热泵2用的制冷剂详细地进行说明。
在本实施方式中使用的制冷剂，作为主成分含有四氟丙烯和二氟甲烷(R32)。这里，“作为主成分含有四氟丙烯和二氟甲烷”是指四氟丙烯和二氟甲烷的含有率合计为80质量％以上，并且，它们的含有率分别为10质量％以上。
作为四氟丙烯，例如能够举出2，3，3，3-四氟丙烯(HFO1234yf)、1，3，3，3-四氟丙烯(HFO1234ze)等。
二氟甲烷作为加热制冷剂的能力强，通过将它以规定量混合到四氟丙烯中，能够提高热泵用制冷剂的加热性能。从进一步提高加热性能这样的观点来看，制冷剂中的二氟甲烷的含有率优选20质量％以上。二氟甲烷的含有率更加优选25质量％以上，进一步优选30质量％以上，特别优选35质量％以上，尤其优选40质量％以上。
热泵2的加热能力Q[w]，可通过以下的式子来求得。
Q＝GR×Δh
另外，式中的GR是在热泵回路20中循环的制冷剂的循环量，Δh是图2中表示的莫里尔图中的B点与C点之间(即制冷循环的高压侧)的焓差。此外，制冷剂的循环量，通过图2所示的莫里尔图中的A点的制冷剂(即向压缩机21吸入的制冷剂)的密度ρc和压缩机21的容积V的积来求出。因此，即使在使用了加热性能差的制冷剂的情况下，例如，如果将压缩机21的转速提高或者将压缩机21的容积增大来使循环量GR增加，也能够得到与使用了加热性能高的制冷剂的情况相同程度的加热能力Q。
但是，只要是具有在与以往使用的制冷剂相同的条件下能得到与以往使用的制冷剂相同程度的加热能力Q的加热性能的制冷剂，就能够原样使用以往的设备。例如，为了在与作为热泵用的主要制冷剂之一的R407C相同的条件下能得到与该R407C相同程度的加热能力Q，制冷剂中的二氟甲烷的含有率优选26～34质量％，更加优选28～32质量％。
例如，在图3中表示使用HFO1234yf与二氟甲烷的混合制冷剂时的、二氟甲烷含有率与对HFO1234yf单一制冷剂的加热能力比和GWP的关系。如图3所示，为了能够在与R407C相同的条件下得到与该R407C相同程度以上的加热能力Q，优选制冷剂中的二氟甲烷的含有率为30质量％以上，此时的GWP在200以上。
另一方面，二氟甲烷的GWP没有675那么高，但在四氟丙烯中混合了二氟甲烷的制冷剂的GWP与它们的混合比成比例。因此，从将制冷剂的GWP抑制得更低的观点来看，优选二氟甲烷的含有率为80质量％以下。二氟甲烷的含有率更优选75质量％以下，进一步优选为70质量％以下，特别优选为65质量％以下，尤其优选为60质量％以下。
在图1所示的液体循环式供暖系统1A中，在输送到供暖用散热器3的热水的流量多的情况(例如作为供暖用散热器3使用能够流动较多量的热水的板式散热器等的情况)下，认为从供暖用散热器3流出的水的温度不会下降那么多。在此情况下，供给到散热器22的水的温度上升。当供给到散热器22的水的温度(下面也称为“进水温度”)上升时，如图2中用虚线表示那样，制冷循环的高压上升。例如，在作为制冷剂使用了二氟甲烷单体时，如果在生成70℃的热水时进水温度上升为65℃，则制冷循环的高压上升到约5MPa。
但是，作为在现有的热泵中经常使用的制冷剂之一的R410A用的压缩机中，保证运转的上限压力大致为4.1MPa。于是，从能够使用现有的R410A用的压缩机的观点来看，优选使得将65℃的水加热到70℃时的高压成为4.1Mpa以下。为了实现这一点，二氟甲烷的含有率优选47质量％以下，更加优选45质量％以下。这从表示使用HFO1234yf和二氟甲烷的混合制冷剂时的、二氟甲烷含有率与将65℃的水加热到70℃时的高压和GWP之间的关系的图4能够确认。要注意的是，在图4中，使用假设与HFO1234yf具有相同程度的能力的R134a来算出高压。另外，在制冷剂中的二氟甲烷的含有率为47质量％以下时，GWP为大约310以下。
进一步，制冷剂也可以包含五氟乙烷(R125)。四氟丙烯和二氟甲烷均是可燃性的物质，因此通过在这些物质中混合具有抑制可燃性的效果的五氟乙烷，能够使制冷剂难以燃烧。但是，五氟乙烷的GWP是相当高的3500，因此制冷剂中的五氟乙烷的含有率优选为10质量％以下。更加优选的五氟乙烷的含有率为7质量％以下，进一步优选5质量％以下。
但是，作为五氟乙烷的加热制冷剂的能力，与二氟甲烷相比仅稍差一些。因此，加入五氟乙烷时，也可以仅降低相应量的二氟甲烷的含有率。
上述的制冷剂与冷冻机油一起填充于热泵回路20中。作为冷冻机油，优选以聚氧化亚烷基二醇类、聚乙烯醚类、聚氧化亚烷基二醇或其单醚与聚乙烯醚的共重物、聚醇酯类、聚碳酸酯类等的含氧化合物为主成分的合成油、或者以烷基苯类或α烯烃类为主成分的合成油。如果使用这些合成油中的以含氧化合物为主成分的合成油，与上述制冷剂的相溶性比较好，也能够确保油向压缩机返回，信赖性提高。此外，即使使用缺乏相溶性的以烷基苯类或α烯烃类为主成分的合成油，也能够通过配管直径的最佳设计等确保油返回。
(第二实施方式)
接着，在图5中表示本发明的第二实施方式的液体循环式供暖系统1B。另外，在本实施方式中，对与第一实施方式相同的结构部分标注相同符号，省略其说明。
第二实施方式的液体循环式供暖系统1B，供暖用散热器3与散热器22通过贮热水箱8连接，这一点与第一实施方式的液体循环式供暖系统1A不同，但其结构基本上与第一实施方式相同。
此外，作为热泵2用的制冷剂也能够采用与在第一实施方式中所说明的制冷剂相同的制冷剂，因此，也省略对制冷剂的说明。这一点也与后面叙述的实施方式和变形例相同。
贮热水箱8是在铅直方向上延伸的圆筒状的密闭容器，内部装满水。贮热水箱8的下部，通过供给管31与散热器22连接，贮热水箱8的上部，通过回收管32与散热器22连接。
并且，当使泵61旋转时，水被供给管31从贮热水箱8的下部引导向散热器22，并且，在散热器22中所生成的热水被回收管32从散热器22向贮热水箱8的上部引导。由此，所生成的热水在贮热水箱8内从上侧储存。进一步，在贮热水箱8的侧面，在上下离开的位置设置有用于判定贮热水箱8内存留有多少热水的多个贮存热水温度传感器74。贮存热水温度传感器74与总括控制装置5连接。
另外，在本实施方式中，在贮热水箱8内的上侧位置配置有供热水用的热交换器92，在该热交换器92连接有供水管91和出热水管93。即，在本实施方式中，能够将所生成的热水作为供热水用的热源利用。此外，在贮热水箱8内的上侧位置也配置有用于对热水进行再加热的加热器85。
另一方面，供暖用散热器3的流入口，通过输送管81与贮热水箱8的上部连接，供暖用散热器3的流出口，通过返回管82与贮热水箱8的下部连接。在本实施方式中，在返回管82设置有循环用泵66，但循环用泵66也可以设置于输送管81。循环用泵66连接在总括控制装置5。并且，当使循环用泵66旋转时，将被存储在贮热水箱8中的热水经由输送管81输送到供暖用散热器3，并且将在供暖用散热器3中散热了的热水经由返回管82返回到贮热水箱8。
接着，对总括控制装置5进行的控制进行具体地说明。
<贮存热水运转>
总括控制装置5，例如，在夜间时间带(例如，23时～7时)，根据由贮存热水温度传感器74检测出的温度判定为存留热水量少时，使泵61旋转，并且向热泵控制装置26发送运转开始的信号。由此，在散热器22中水被加热而生成热水，所生成的热水储存在贮热水箱8中。此外，总括控制装置5，对泵61的转速进行控制从而对在供给管31中流动的水的流量进行调整，使得由热水温度传感器71检测出的水的温度成为规定温度(例如，70℃)。
<供暖运转>
总括控制装置5，在由用户接通(ON)省略图示的供暖开关时，使循环用泵66旋转。由此将被储存在贮热水箱8内的热水送到供暖用散热器3并在此散热，进行供暖。
在上述说明了的第二实施方式的液体循环式供暖系统1B中，能够在供暖运转初期将被储存在贮热水箱8中的高温的热水送到供暖用散热器3，因此能够在接通(ON)供暖开关后立即开始供暖。
(第三实施方式)
接着，在图6中表示本发明的第三实施方式的液体循环式供暖系统1C。另外，在本实施方式中，对与第一实施方式和第二实施方式相同的结构部分标注相同符号，省略其说明。
在第三实施方式的液体循环式供暖系统1C中，被储存在贮热水箱8中的热水能够直接地使用于供热水。具体而言，供水管91连接在贮热水箱8的下部，出热水管93连接在贮热水箱8的上部。此外，在贮热水箱8内的上侧位置，配置有用于在储存于贮热水箱8中的热水与载热液体(第二液体)之间进行热交换的热交换器83。热交换器83通过输送管81和返回管82与供暖用散热器3连接。并且，当使循环用泵66旋转时，在热交换器83中加热了的载热液体经由输送管81被输送到供暖用散热器3，在供暖散热器3中散热了的载热液体经由返回管82返回到热交换器83。作为载热液体，例如也能够使用防冻液，但优选使用廉价并且能够大量获得的水。
另外，总括控制装置5所进行的控制与第二实施方式相同，因此省略其说明。但是，在供暖运转时，与储存在贮热水箱8内的热水进行了热交换的载热液体在供暖用散热器3中散热，即热水的热经由载热液体移动到供暖用散热器3，由此进行供暖。
在这样的液体循环式供暖系统1C中，能够通过来自供水管91的供水将贮热水箱8内的下部的温度保持为低温。因此，能够向散热器22供给温度低的水，能够提高热泵2的效率。
(变形例)
另外，在上述各实施方式中，也能够采用图7所示那样的热泵2A。在该热泵2A中，在热泵回路20的蒸发器24与压缩机21之间设置有储蓄器(accumulator)27。此外，在供给管31设置有用于对供给到散热器22的水的温度(进水温度)进行检测的进水温度传感器72。
气液二相状态的制冷剂从蒸发器24被输送到储蓄器27。制冷剂是沸点相对高的四氟丙烯和沸点相对低的二氟甲烷的非共沸混合制冷剂。因此，在储存器27的底部形成有处于富含四氟丙烯的状态的积液(liquid pool)。
热泵控制装置26在由进水温度传感器72检测出的温度相对高的情况下，使膨胀阀23的开度变小。这样，制冷剂在蒸发器24中高效率地吸热，被送到储蓄器27的液相状态的制冷剂减少，在储蓄器27内的积液减少。由此，在热泵回路20中循环的制冷剂中的四氟丙烯的比率变高，制冷循环的高压下降。
此外，即使取代储蓄器27而在散热器22与膨胀阀23之间设置贮存器(receiver)，也能够通过与上述同样的控制在进水温度高的情况下降低制冷循环的高压。
另外，在上述实施方式和变形例的热泵2、2A中，散热器22配置在热泵2、2A的内部，但也可以如图8所示，散热器22与本体29分开地构成。如果这样，能够将散热器22设置在例如室内，来防止散热器22或其周围的水冻结。

Claims (9)

1.一种液体循环式供暖系统，其对液体进行加热生成加热液体，使该加热液体的热从供暖用散热器散出而进行供暖，
所述液体循环式供暖系统包括：
热泵回路，该热泵回路具有：将制冷剂压缩的压缩机；使被所述压缩机压缩后的所述制冷剂散热而对所述液体进行加热的制冷剂散热器；使通过所述制冷剂散热器散热后的所述制冷剂膨胀的膨胀阀；使通过所述膨胀阀膨胀后的所述制冷剂蒸发的蒸发器；和在所述蒸发器与所述压缩机之间设置的储蓄器，所述压缩机、所述制冷剂散热器、所述膨胀阀、所述蒸发器和所述储蓄器通过配管依次连接；
对供给到所述制冷剂散热器的所述液体的温度进行检测的进水温度传感器；和
对所述压缩机和所述膨胀阀进行控制的热泵控制装置，
所述制冷剂作为主成分含有四氟丙烯和二氟甲烷，
所述热泵控制装置在由所述进水温度传感器检测出的所述液体的温度相对高的情况下，使所述膨胀阀的开度变小。
2.如权利要求1所述的液体循环式供暖系统，其特征在于：
所述制冷剂中的所述二氟甲烷的含有率为20质量％以上。
3.如权利要求1所述的液体循环式供暖系统，其特征在于：
所述制冷剂中的所述二氟甲烷的含有率为80质量％以下。
4.如权利要求1所述的液体循环式供暖系统，其特征在于：
所述制冷剂还含有五氟乙烷。
5.如权利要求4所述的液体循环式供暖系统，其特征在于：
所述制冷剂中的所述五氟乙烷的含有率为10质量％以下。
6.如权利要求1所述的液体循环式供暖系统，其特征在于：
所述热泵回路具有制冷剂散热器，所述制冷剂散热器使所述制冷剂散热而对所述液体进行加热，生成所述加热液体，
所述液体循环式供暖系统还包括：
从所述供暖用散热器向所述制冷剂散热器引导所述液体的供给管；和
从所述制冷剂散热器向所述供暖用散热器引导所述加热液体的回收管，
所述进水温度传感器设置于所述供给管。
7.如权利要求1所述的液体循环式供暖系统，其特征在于：
所述热泵回路具有制冷剂散热器，所述制冷剂散热器使所述制冷剂散热而对所述液体进行加热，生成所述加热液体，
所述液体循环式供暖系统还包括：
储存所生成的所述加热液体的箱；
从所述箱的下部向所述制冷剂散热器引导所述液体的供给管；
从所述制冷剂散热器向所述箱的上部引导所述加热液体的回收管；
向所述供暖用散热器输送被储存在所述箱中的所述加热液体的输送管；和
使由所述供暖用散热器所散热的所述加热液体返回所述箱的返回管。
8.如权利要求1所述的液体循环式供暖系统，其特征在于：
所述热泵回路具有制冷剂散热器，所述制冷剂散热器使所述制冷剂散热而对所述液体进行加热，生成所述加热液体，
所述液体循环式供暖系统还包括：
储存所生成的所述加热液体的箱；
从所述箱的下部向所述制冷剂散热器引导所述液体的供给管；
从所述制冷剂散热器向所述箱的上部引导所述加热液体的回收管；
配置在所述箱内的热交换器，所述热交换器用于在被储存于所述箱中的所述加热液体与载热液体之间进行热交换；
向所述供暖用散热器输送由所述热交换器所加热的载热液体的输送管；和
使由所述供暖用散热器所散热的载热液体返回所述热交换器的返回管。
9.如权利要求1所述的液体循环式供暖系统，其特征在于：
所述液体是水，所述加热液体是热水。
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