CN101799225B - 一种多热源辅助多功能热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多热源辅助多功能热泵系统。本发明包括制冷剂循环系统和生活用水循环系统两部分，制冷剂循环系统具有依次连接的压缩机、室内换热器、制冷剂-水换热器、室外换热器、高压储液罐、干燥过滤器、四通换向阀、节流元件、单向截止阀、截止阀，水循环系统具有依次连接的水箱、循环水泵、辅助热源换热器。本发明采用了非常简洁和经济可靠的方式将热泵型空调和热水器结合在一起，可以在多种热泵型空调系统中实现太阳能、地源热和其他辅助热源的综合利用，实用性很强。特别适用于辅助热源丰富，同时需要冷暖空调和大量热水供应的场合。

Description

一种多热源辅助多功能热泵系统

技术领域

本发明属于热泵型空调、热泵热水器以及热能利用领域，尤其涉及一种多热源辅助多功能热泵系统。

背景技术

发展绿色能源、保护环境、与环境和谐共发展，已经成为世界性的趋势。太阳能和地源热是两种待开发的重要绿色能源，它们与热泵技术的结合是近年来的开发和应用的热点。我国太阳能热水器技术和地源热泵技术的快速发展，为太阳能辅助多功能热泵的发展提供了广阔的空间。

专利ZL200610050285.5提出的太阳能辅助多功能热泵系统，虽然有结构简单、节能高效的优点，但是不能调节在不同功能模式下热泵系统制冷剂的运行量，对系统的稳定运行十分不利。专利200710070046.0和专利ZL200810120282.3针对上述热泵系统的不足先后进行了改进，均增设了高压储液桶，并保证高压储液器底部的液态制冷工质正向流过节流元件，可以实现专利ZL200610050285.5中的所有功能。但是这两个改进后的热泵系统仍然需要可逆向流通的二通阀或三通阀来实现不同功能模式之间的切换，目前这种可逆向流通的电动二通阀或电动三通阀成本昂贵，耗电量大，这对于太阳能辅助多功能热泵系统的实际应用造成了很大的障碍。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多热源辅助多功能热泵系统。

多热源辅助多功能热泵系统包括制冷剂循环系统和生活用水循环系统两部分，制冷剂循环系统为：压缩机的高压出口与第一四通换向阀的第一端口相连，压缩机的低压出口分别与第一四通换向阀的第四端口和第二四通换向阀的第四端口相连；第一四通换向阀的第二端口与第二四通换向阀的第一端口相连，第一四通换向阀的第三端口与室外换热器的第一端口相连；第二四通换向阀的第二端口与制冷剂-水换热器的第二端口相连，第二四通换向阀的第三端口与室内换热器的第一端口相连；第一截止阀的第一端口经第一节流元件后分别与室内换热器的第二端口和第一单向截止阀的第二端口相连；第一单向截止阀的第一端口分别与高压储液罐的第一端口、第二单向截止阀的第一端口和第三单向截止阀的第一端口相连；高压储液罐的第二端口经干燥过滤器分别与第一截止阀的第二端口、第二截止阀的第二端口和第三截止阀的第二端口相连；第二截止阀的第一端口经第二节流元件分别与第二单向截止阀的第二端口和制冷剂-水换热器的第一端口相连；第三截止阀的第一端口经第三节流元件分别与第三单向截止阀的第二端口和室外换热器的第一端口相连；水路循环系统为：水箱的第一端口与制冷剂-水换热器的第三端口相连，水箱的第二端口与第一循环水泵的入口相连，水箱的第三端口与辅助热源换热器的第一端口相连，水箱的第四端口与第二循环水泵的入口相连；第一循环水泵的出口与制冷剂-水换热器的第四端口相连，第二循环水泵的出口与辅助热源换热器的第二端口相连。

所述的第一节流元件、第二节流元件或第三节流元件是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。所述的第一单向截止阀、第二单向截止阀、第三单向截止阀、第一截止阀，第二截止阀或第三截止阀是手动截止阀或自动截止阀。所述的第一单向截止阀、第二单向截止阀、第三单向截止阀、第一截止阀，第二截止阀或第三截止阀为双向截止阀。所述的制冷剂-水换热器是套管式换热器、板式换热器、套片式换热器或光管沉浸式换热器。所述的室内换热器或室外换热器是风冷换热器或水冷换热器。所述的辅助热源换热器是套管式换热器、板式换热器、套片式换热器、光管沉浸式换热器或辐射换热器。所述辅助热源换热器的辅助热源是太阳能、地源热或工业余热热源。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)节能性。本发明能够通过热泵系统蒸发器有效利用太阳能、地源热和其他辅助热源，大幅提高热泵系统在冬季运行的性能系数，弥补普通热泵空调冬季运行存在制热系数很低的缺点；本发明能够实现热泵制热水，平均性能系数可达到300％左右，远高于普通电加热和燃气热水器效率；本发明能够在制冷的同时实现热泵制热水，具有更好的节能性，

2)实用性。本发明采用了非常简洁的方式将热泵型空调和热水器结合在一起，可以在家用冷暖空调、风冷热泵、冷水机组等多种空调系统中实现与太阳能、地源热和其他余热的结合，应用面较广，具有九种功能模式，可满足多种场合一年四季对制冷、制热和制热水等多种需求。

3)经济性。本发明的一体化设计，提高了系统设备利用率和电能利用率，与单一功能产品相比，有着明显的成本优势和运行费用优势。控制阀门可采用已大批量商业化的普通四通换向阀和普通二通电磁阀，可大幅降低控制系统成本，非常有利于推广。

4)可靠性。在寒冷季节，本发明可有效利用太阳能、地源热和其他辅助热源，减少普通热泵空调系统因蒸发温度过低而导致的各类故障。本发明的热水源可用于室外风冷蒸发器的快速除霜，提高系统的稳定性。分别用三个节流元件独立控制进入三个换热器的制冷剂流量，并在每个节流元件前用一个普通二通电磁阀控制节流元件的停用，可以很好地适应功能模式之间的转化。已大批量商业化电控阀门的使用，进一步提高了系统运行的可靠性。

附图说明

附图是本发明装置的系统流程图。图中：压缩机1、室内换热器2、制冷剂-水换热器3、室外换热器4、高压储液罐5、干燥过滤器6、第一四通换向阀7、第二四通换向阀8、第一节流元件9、第二节流元件10、第三节流元件11、第一单向截止阀12、第二单向截止阀13、第三单向截止阀14、第一截止阀15、第二截止阀16、第三截止阀17、水箱18、第一循环水泵19、辅助热源换热器20、第二循环水泵21。

具体实施方式

本发明采用了一个全新的流程，仅采用大批量商业化的普通四通换向阀和两通电磁阀，可实现以上专利中的所有功能，可以大幅降低成本，提高运行的可靠性。不但可以应用于家用冷暖空调和太阳能热水器的结合，也可以应用于风冷热泵、冷水机组等大型空调系统与太阳能、地源热等辅助热源的结合，满足多种场合在一年四季中，对制冷、制热和制热水等多种需求，可以大量节约电能，大幅降低运行费用，具有良好的应用前景。

如附图所示，多热源辅助多功能热泵系统包括制冷剂循环系统和生活用水循环系统两部分，制冷剂循环系统为：压缩机1的高压出口1a与第一四通换向阀7的第一端口7a相连，压缩机1的低压出口1b分别与第一四通换向阀7的第四端口7d和第二四通换向阀8的第四端口8d相连；第一四通换向阀7的第二端口7b与第二四通换向阀8的第一端口8a相连，第一四通换向阀7的第三端口7c与室外换热器4的第一端口4b相连；第二四通换向阀8的第二端口8b与制冷剂-水换热器3的第二端口3b相连，第二四通换向阀8的第三端口8c与室内换热器2的第一端口2a相连；第一截止阀15的第一端口15a经第一节流元件9后分别与室内换热器2的第二端口2b和第一单向截止阀12的第二端口12b相连；第一单向截止阀12的第一端口12a分别与高压储液罐5的第一端口5a、第二单向截止阀13的第一端口13a和第三单向截止阀14的第一端口14a相连；高压储液罐5的第二端口5b经干燥过滤器6分别与第一截止阀15的第二端口15b、第二截止阀16的第二端口16b和第三截止阀17的第二端口17b相连；第二截止阀16的第一端口16a经第二节流元件10分别与第二单向截止阀13的第二端口13b和制冷剂-水换热器3的第一端口3a相连；第三截止阀17的第一端口17a经第三节流元件11分别与第三单向截止阀14的第二端口14b和室外换热器4的第一端口4a相连；水路循环系统为：水箱18的第一端口18a与制冷剂-水换热器3的第三端口3c相连，水箱18的第二端口18b与第一循环水泵19的入口19a相连，水箱18的第三端口18c与辅助热源换热器20的第一端口20a相连，水箱18的第四端口18d与第二循环水泵21的入口21a相连；第一循环水泵19的出口19b与制冷剂-水换热器3的第四端口3d相连，第二循环水泵21的出口21b与辅助热源换热器20的第二端口20b相连。

所述的第一节流元件9、第二节流元件10或第三节流元件11是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。所述的第一单向截止阀12、第二单向截止阀13、第三单向截止阀14、第一截止阀15，第二截止阀16或第三截止阀17是手动截止阀或自动截止阀。所述的第一单向截止阀12、第二单向截止阀13、第三单向截止阀14、第一截止阀15，第二截止阀16或第三截止阀17为双向截止阀。所述的制冷剂-水换热器3是套管式换热器、板式换热器、套片式换热器或光管沉浸式换热器。所述的室内换热器2或室外换热器4是风冷换热器或水冷换热器。所述的辅助热源换热器20是套管式换热器、板式换热器、套片式换热器、光管沉浸式换热器或辐射换热器。所述辅助热源换热器20的辅助热源是太阳能、地源热或工业余热热源。

本发明采用分体式结构，室内换热器2需安装在室内，制冷剂-水换热器3、室外换热器4、辅助热源换热器20、第一循环水泵19、第二循环水泵21和压缩机1可安装于离水箱18不远的地方，水箱18与制冷剂-水换热器3、室外换热器4、辅助热源换热器20、第一循环水泵19、第二循环水泵21和压缩机1也可作为一个整体部件安装于屋顶。室内装置和室外装置的制冷剂循环系统和生活用水循环系统分别用制冷剂管路和水管路相连接。辅助热源换热器20直接置入水箱18中。

本发明可以实现的主要功能有：普通室内制热、热源辅助室内制热、双热源室内制热、普通室内制冷、室内制冷兼热泵制热水、室内制冷兼制冷水、普通热泵制热水、冬季除霜和辅助热源制热水。以下是这九种功能模式的详细工作流程：

1)普通室内制热

在没有辅助热源可资利用时，系统按照普通空调制热循环进行。系统中的室内换热器2作冷凝器，室外换热器4作为蒸发器使用，制冷剂-水换热器3和辅助热源换热器20不使用。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压制冷剂依次流过第一四通换向阀7和第二四通换向阀8，由第二四通换向阀8的第三个端口8c流向室内换热器2的第一个端口2a，在室内换热器2中冷凝放热后，从第一单向截止阀12流进高压储液罐5，制冷剂液体从高压储液5底部流出后，依次经过干燥过滤器6、第三截止阀17和第三节流元件11，进入室外换热器4，在室外换热器4中蒸发后，经过第一四通换向阀7的第三个端口7c、第一四通换向阀7的第四个端口7d，回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，第一循环水泵19和第二循环水泵21均不运行。

2)热源辅助室内制热

有充足的辅助热源可资利用时，将系统中的制冷剂-水换热器3作为蒸发器使用，室内换热器2作冷凝器，室外换热器4不使用，辅助热源换热器20启用。辅助热源通过生活用水循环为蒸发器源源不断提供蒸发所需热量，可大大提高热泵的制热效率。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压制冷剂依次流过第一四通换向阀7和流经第二四通换向阀8，由第二四通换向阀8的第三个端口8c，流向室内换热器2的第一个端口2a，在室内换热器2中冷凝放热后，从第一单向截止阀12流进高压储液罐5，制冷剂液体从高压储液5底部流出，经过干燥过滤器6、第二截止阀16、第二节流元件10，进入制冷剂-水换热器3，在制冷剂-水换热器3中蒸发后，经过第二四通换向阀8的第二个端口8b、第二四通换向阀8的第四个端口8d，回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，第一循环水泵19和第二循环水泵21开启，水箱18中的水经过第二循环水泵21，进入辅助热源换热器20，被加热后回到水箱18。水箱18中的热水经过第一循环水泵19，进入制冷剂-水换热器3，放热后回到水箱18。

3)双热源室内制热

当可资利用的辅助热源热不足时，将系统中的制冷剂-水换热器3和室外换热器4同时作为蒸发器使用，室内换热器2作冷凝器，辅助热源换热器20启用。辅助热源和室外环境同时为蒸发器提供蒸发所需热量，与普通室内制热模式相比，仍可较大程度地提高热泵的制热效率。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压制冷剂依次流过第一四通换向阀7和流经第二四通换向阀8，由第二四通换向阀8的第三个端口8c，流向室内换热器2的第一个端口2a，在室内换热器2中冷凝放热后，从第一单向截止阀12流进高压储液罐5，制冷剂液体从高压储液5底部流出，经过干燥过滤器6，然后工质分为两路：第一路由第二截止阀16、第二节流元件10，进入制冷剂-水换热器3，在制冷剂-水换热器3中蒸发后，经过第二四通换向阀8的第二个端口8b、第二四通换向阀8的第四个端口8d，回到压缩机1；第二路由第三截止阀17、第三节流元件11，进入室外换热器4，在室外换热器4中蒸发后，经过第一四通换向阀7的第三个端口7c、第一四通换向阀7的第四个端口7d，回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，第一循环水泵19和第二循环水泵21开启，水箱18中的水经过第二循环水泵21，进入辅助热源换热器20，被加热后回到水箱18。水箱18中的热水经过第一循环水泵19，进入制冷剂-水换热器3，放热后回到水箱18。

4)普通室内制冷

系统按照普通空调制冷循环进行。系统中的室内换热器2作蒸发器，室外换热器4作冷凝器，制冷剂-水换热器3和辅助热源换热器20不使用。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂，通过第一四通换向阀7的第三个端口7c，流向室外换热器4的第二个端口4b，在室外换热器4中冷凝放热后，从第三单向截止阀14流进高压储液罐5，制冷剂液体从高压储液5底部流出，经过干燥过滤器6、第一截止阀15、第一节流元件9，进入室内换热器2，在室内换热器2中蒸发后，经过第二四通换向阀8的第三个端口8c、第二四通换向阀8的第四个端口8d，回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，第一循环水泵19和第二循环水泵21均不运行。

5)室内制冷兼热泵制热水

在室内制冷季节，可利用热泵系统的部分冷凝热来制热水。系统中的制冷剂-水换热器3作冷凝器，室内换热器2作蒸发器，室外换热器4不使用，辅助热源换热器20不使用，此时获得的热水可视为免费的。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂依次流过第一四通换向阀7和第二四通换向阀8，由第二四通换向阀8的第二个端口8b，流向制冷剂-水换热器3的第二个端口3b，在制冷剂-水换热器3中冷凝放热后，从第二单向截止阀13流进高压储液罐5，制冷剂液体从高压储液5底部流出，经过干燥过滤器6、第一截止阀15、第一节流元件9，进入室内换热器2，在室内换热器2中蒸发后，经过第二四通换向阀8的第三个端口8c、第二四通换向阀8的第四个端口8d，回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，第一循环水泵19开启，水箱18中的水经过第一循环水泵19，进入制冷剂-水换热器3，吸热后回到水箱18。第二循环水泵21不运行。

6)室内制冷兼制冷水

在室内制冷季节，可在热泵系统室内制冷的同时制取冷水。系统中的室内换热器2和制冷剂-水换热器3作蒸发器，室外换热器4作冷凝器，辅助热源换热器20不使用。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂，通过第一四通换向阀7的第三个端口7c，流向室外换热器4的第二个端口4b，在室外换热器4中冷凝放热后，从第三单向截止阀14流进高压储液罐5，制冷剂液体从高压储液5底部流出，经过干燥过滤器6，然后工质分为两路：第一路经过第一截止阀15、第一节流元件9，进入室内换热器2，在室内换热器2中蒸发后，经过第二四通换向阀8的第三个端口8c、第二四通换向阀8的第四个端口8d，回到压缩机1；第二路由第二截止阀16、第二节流元件10，进入制冷剂-水换热器3，在制冷剂-水换热器3中蒸发后，经过第二四通换向阀8的第二个端口8b、第二个四通换向阀8的第一个端口8a，经过第一四通换向阀7的第二个端口7b、第一四通换向阀7的第四个端口7d，回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，第一循环水泵19开启，水箱18中的水经过第一循环水泵19，进入制冷剂-水换热器3，放热后回到水箱18。第二循环水泵21在需要使用这些冷水时运行。

7)普通热泵制热水

当无辅助热源可资利用时，需要启用该模式制生活热水。系统中的室外换热器4当作蒸发器使用，制冷剂-水换热器3作冷凝器用于加热水，此时系统的功能与普通热泵热水器相同。室内换热器2和辅助热源换热器20不使用。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂依次流过第一四通换向阀7和第二四通换向阀8，由第二四通换向阀8的第二个端口8b，流向制冷剂-水换热器3的第二个端口3b，在制冷剂-水换热器3中冷凝放热后，从第二单向截止阀13流进高压储液罐5，制冷剂液体从高压储液5底部流出，经过干燥过滤器6、第三截止阀17、第三节流元件11，进入室外换热器4，在室外换热器4中蒸发后，经过第一四通换向阀7的第三个端口7c、第一四通换向阀7的第四个端口7d，回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，第一循环水泵19开启，水箱18中的水经过第一循环水泵19，进入制冷剂-水换热器3，吸热后回到水箱18。第二循环水泵21在需要使用这些热水时运行。

8)冬季除霜

本发明采用优于普通空调的热水源除霜循环，能快速高效地进行除霜。此时系统中的室外换热器4作为冷凝器，制冷剂在其中冷凝放热融霜，而制冷剂-水换热器3作为蒸发器，其中的热水提供蒸发潜热的热源，室内换热器2不使用，辅助热源换热器20视热源情况决定是否启用。

具体工作流程为：从压缩机1出来的高温高压制冷剂，通过第一四通换向阀7的第三个端口7c，流向室外换热器4的第二个端口4b，在室外换热器4中冷凝放热后，从第三单向截止阀14流进高压储液罐5，制冷剂液体从高压储液5底部流出，经过干燥过滤器6、第二个截止阀16、第二节流元件10，进入制冷剂-水换热器3，在制冷剂-水换热器3中蒸发后，经过第二四通换向阀8的第二个端口8b、第二四通换向阀8的第四个端口8d，回到压缩机1。在上述制冷循环运行的同时，循环水泵19开启，水箱18中的热水经过循环水泵19，进入制冷剂-水换热器3，最后回到水箱18。如果有辅助热源可资利用，第二循环水泵21运行；如果无辅助热源可资利用，第二循环水泵21不运行。

9)辅助热源制热水

此种模式下，热泵系统不工作，完全依靠辅助热源来加热水箱中的水，获得零电耗热水。

Claims (6)

1.一种多热源辅助多功能热泵系统，其特征在于包括制冷剂循环系统和生活用水循环系统两部分，制冷剂循环系统为：压缩机(1)的高压出口(1a)与第一四通换向阀(7)的第一端口(7a)相连，压缩机(1)的低压出口(1b)分别与第一四通换向阀(7)的第四端口(7d)和第二四通换向阀(8)的第四端口(8d)相连；第一四通换向阀(7)的第二端口(7b)与第二四通换向阀(8)的第一端口(8a)相连，第一四通换向阀(7)的第三端口(7c)与室外换热器(4)的第一端口(4b)相连；第二四通换向阀(8)的第二端口(8b)与制冷剂-水换热器(3)的第二端口(3b)相连，第二四通换向阀(8)的第三端口(8c)与室内换热器(2)的第一端口(2a)相连；第一截止阀(15)的第一端口(15a)经第一节流元件(9)后分别与室内换热器(2)的第二端口(2b)和第一单向截止阀(12)的第二端口(12b)相连；第一单向截止阀(12)的第一端口(12a)分别与高压储液罐(5)的第一端口(5a)、第二单向截止阀(13)的第一端口(13a)和第三单向截止阀(14)的第一端口(14a)相连；高压储液罐(5)的第二端口(5b)经干燥过滤器(6)分别与第一截止阀(15)的第二端口(15b)、第二截止阀(16)的第二端口(16b)和第三截止阀(17)的第二端口(17b)相连；第二截止阀(16)的第一端口(16a)经第二节流元件(10)分别与第二单向截止阀(13)的第二端口(13b)和制冷剂-水换热器(3)的第一端口(3a)相连；第三截止阀(17)的第一端口(17a)经第三节流元件(11)分别与第三单向截止阀(14)的第二端口(14b)和室外换热器(4)的第一端口(4a)相连；生活用水循环系统为：水箱(18)的第一端口(18a)与制冷剂-水换热器(3)的第三端口(3c)相连，水箱(18)的第二端口(18b)与第一循环水泵(19)的入口(19a)相连，水箱(18)的第三端口(18c)与辅助热源换热器(20)的第一端口(20a)相连，水箱(18)的第四端口(18d)与第二循环水泵(21)的入口(21a)相连；第一循环水泵(19)的出口(19b)与制冷剂-水换热器(3)的第四端口(3d)相连，第二循环水泵(21)的出口(21b)与辅助热源换热器(20)的第二端口(20b)相连。

2.根据权利要求1所述的一种多热源辅助多功能热泵系统，其特征在于所述的第一节流元件(9)、第二节流元件(10)或第三节流元件(11)是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

3.根据权利要求1所述的一种多热源辅助多功能热泵系统，其特征在于所述的制冷剂-水换热器(3)是套管式换热器、板式换热器、套片式换热器或光管沉浸式换热器。

4.根据权利要求1所述的一种多热源辅助多功能热泵系统，其特征在于所述的室内换热器(2)或室外换热器(4)是风冷换热器或水冷换热器。

5.根据权利要求1所述的一种多热源辅助多功能热泵系统，其特征在于所述的辅助热源换热器(20)是套管式换热器、板式换热器、套片式换热器、光管沉浸式换热器或辐射换热器。

6.根据权利要求1所述的一种多热源辅助多功能热泵系统，其特征在于所述辅助热源换热器(20)的辅助热源是太阳能、地源热或工业余热热源。

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