CN101871700A - 双源并阶式热泵热水空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优先利用太阳能集热与地源或空气源热泵联合供暖空调同时可供热水的双源并阶式热泵热水空调系统。系统包括一个优先利用太阳能的高温热源换热循环，两个相互并联的供暖空调换热循环和一个四阀并阶热泵循环以及一个低温换热系统。蓄热水箱是各个循环的集热换热枢纽。系统既可通过低温热泵蓄热循环吸收土壤或空气源热能，也可通过太阳能集热系统等高温热源来进一步蓄热。蓄热水箱可在高水温时直接向供暖系统供热，也可在低水温下，通过间接热泵供热循环提高热能品位后再供热。在夏季时系统有两种空调模式，在为室内制冷降温的同时，将余热传给生活热水或向低温热源排出。在蓄热水温超限时，系统还可紧急排热。

Description

双源并阶式热泵热水空调系统

技术领域

本发明专利属于建筑能源的收集、储存及供应系统设备的设计及开发。主要涉及太阳能或者电加热及燃煤燃气锅炉等高温热源集热、热水蓄热及生活热水供应、蒸汽压缩制冷循环、地源热泵和供热空调设备。

背景技术

在科技高速发展的二十一世纪，社会各行各业都正在经历着日新月异的变革。这使得整个社会在生产和生活领域里的能源消耗都产生了巨大的增长。能源已经成为本世纪最关键的社会经济问题，能源危机正以人们意想不到的速度走进我们的生活。传统一次能源的需求量与日俱增，可产量是有限的，因此消费成本也越来越高。人们只能从新的途径寻找希望。太阳能和土壤源热能都是很好的新能源，但是因其品位较低也比较分散，一直不能得到很好的利用。目前太阳能光热转换技术也只能应用于生活热水方面。而在建筑能耗中，生活热水只占非常有限的份额。真正的建筑能耗大项是采暖和空调，据统计数字显示，建筑能耗大体占全国总能耗的30——40％，其中采暖和空调能耗占建筑总能耗的55％，但是大部分的采暖和空调设备都是利用传统的优质化石能源或电能，但是利用效率并不高，同时还不可避免的对环境造成污染，这一点尤其体现在建筑采暖过程中。因此应用新能源技术替代采暖和空调这两部分低效且不环保的能源消耗才算是解决了建筑能耗的实质性问题。但是各种新能源单独用于采暖又都有自己的弱点，出于这一点的考虑，我们必须寻求多种能源综合利用的合理途径，在充分利用太阳能等新能源的基础上，尽可能的节约传统一次能源(包括煤炭，石油及天然气)的消耗，在产品系统化的进程中寻求产业升级的动力。

发明内容

本发明专利所描述的双源并阶式热泵热水空调系统正是出于上述目的而开发的新型能源复合式采集、储存并通过热泵对热源温度适当调整的供热水、采暖及空调一体化系统，它可以根据不同的环境状况及建筑能耗需求的变化来调整自身的运行方式，从而实现能源优化配置的综合节能效果。

双源并阶式热泵热水空调系统由高温热源换热循环、室内冷暖空调循环、低温热源换热循环及四阀并阶热泵循环组成，高温热源换热循环直接与蓄热水箱连接，循环中是由高温换热循环泵将蓄热水箱中的低温水经过高温回水管路输送到高温热源换热器中被加热，经过高温热源加热的水再由高温供水管路返回蓄热水箱；室内冷暖空调循环将空调末端设备与阶梯热泵中的用户换热器及直接连接蓄热水箱的供热端这两个相互并联的热源换热端相连，并由空调循环泵提供循环动力；低温热源换热循环将一个低温热源与双阀阶梯热泵循环的低温蒸发换热器相连；四阀并阶热泵循环通过两个四通换向阀，以及两个三通换向阀，还有膨胀阀将循环各组件连接起来。

四阀并阶热泵循环通过两个四通换向阀，上位四通阀和下位四通阀，以及两个三通换向阀，吸气三通阀和膨胀三通阀，还有膨胀阀将循环各组件连接起来，上位四通阀的主进口与压缩机的排气口连接，主出口与吸气三通阀的一个分流口相连，它的另外一对可切换的进、出口分别接高温换热器的上口和下位四通阀的主进口；下位四通阀的主出口与吸气三通阀的另一分流口相连，它的另一对可切换进、出口分别与用户换热器和低温蒸发换热器的上口相连；吸气三通阀的汇流口与压缩机吸气口相连；用户换热器的下口和高温换热器的下口分别与双向膨胀阀的进、出口相连，低温蒸发换热器的下口与膨胀三通阀汇流口相连，膨胀三通阀的两个分流口分别并联到双向膨胀阀的进、出口两端。

系统中的四阀并阶热泵循环可通过与双向膨胀阀并联的膨胀三通阀与其它三个构成品字形串接结构的上位四通阀、下位四通阀和吸气三通阀的协调配合并联合切换，实现用户换热器，高温换热器和低温蒸发换热器之间的多种三选二工况转换，以提供各种不同而且稳定可靠的全天候供热、制冷空调或供生活热水的功能。

系统中的室内冷暖空调循环，由空调循环泵推动换热媒质从空调末端设备流向蓄热水箱和用户换热器这两个相互并联的换热端，这两个并联的换热端通过各支路上设置的电磁阀，即直接电磁阀和间接电磁阀实现通断切换。

双阀阶梯热泵循环中的高温换热器水侧与蓄热水箱直接连接来进行换热。

高温热源换热循环中的高温热源可以是太阳能集热器，也可以是电加热器还可以是燃煤、燃气或燃油锅炉，而且也可以是上述热源串、并联的组合。

低温热源换热循环中的低温热源既可以是土壤源，也可以是水源或者空气源。

本发明专利的有益效果是系统在冬季供热时，一方面可以通过间接供暖换热模式充分利用蓄热水低蓄热温度下的热能，从而大大拓展了蓄热介质的蓄热温度变化范围，使单位体积的介质的可利用蓄热容大大提高；另一方面，以水源、地源或空气源等为冷端热源的低温热泵循环还可以使蓄热介质吸收低温热能来作为太阳能集热或者电加热及燃煤燃气锅炉等高温热源的有益的补充。在夏季空调时，系统可以切换至空调热水联动模式，不仅可以使室内环境制冷，还可以将室内多余的热量传导到蓄热水箱内，这部分能量会同太阳能集热或者电加热及燃煤燃气锅炉等高温热源得到的能量一起加热生活热水，如果蓄热水箱端的蓄热能力已经饱和，系统还可以切换到单一空调制冷模式，直接将室内环境制冷所吸取的热量向低温热源排放，由此构成的双空调工况增强了系统在夏季全天侯条件下的稳定性。另外，当蓄热系统温度过高，出现异常时，热泵还可以切换到低温紧急排热模式，使蓄热水箱中多余的热量通过热泵向土壤源或空气源等低温热源排放。以上谈到的五种功能的转换枢纽就是四阀并阶热泵系统内部的两个三通换向阀和两个四通换向阀，此循环也充分体现了系统比较高的设备使用效率。

附图说明

图1为双源并阶式热泵热水空调系统低温热泵蓄热模式图；

图2为双源并阶式热泵热水空调系统热泵供热模式图；

图3为双源并阶式热泵热水空调系统空调热水联动模式图；

图4为双源并阶式热泵热水空调系统单一空调制冷模式图；

图5为双源阶梯式热泵热水空调系统紧急排热模式图。

1、高温热源换热器    2、高温回水管路    3、高温换热循环泵

4、高温供水管路       5、蓄热水箱         6、溢流管

7、补水管             8、排污管           9、直接供暖供水管

10、直接供暖回水管    11、直接电磁阀      12、间接电磁阀

13、空调循环泵        14、空调末端设备    15、间接供暖回水管

16、间接供暖供水管    17、高温换热回水管  18、高温换热供水管

19、热泵蒸发管路      20、热泵冷凝管路    21、压缩机

22、吸气三通阀        23、上位四通阀      24、双向膨胀阀

25、下位四通阀        26、膨胀三通阀      27、高温换热循环泵

28、高温换热器        29、用户换热器      30、低温蒸发换热器

31、低温热源循环泵    32、低温换热盘管    33、低温换热回水管

34、低温换热供水管

具体实施方式

为了充分体现本系统的综合节能运行效果，下面我们可以结合之后的附图来分析一下本系统在实际应用过程中的运行实施方案。

双源并阶式热泵热水空调系统由高温热源换热循环、室内冷暖空调循环、低温热源换热循环及四阀并阶热泵循环组成，高温热源换热循环直接与蓄热水箱5连接，循环中是由高温换热循环泵3将蓄热水箱5中的低温水经过高温回水管路2输送到高温热源换热器1中被加热，经过高温热源加热的水再由高温供水管路4返回蓄热水箱5；室内冷暖空调循环将空调末端设备14与阶梯热泵中的用户换热器29及直接连接蓄热水箱的供热端这两个相互并联的热源换热端相连，并由空调循环泵13提供循环动力；低温热源换热循环将一个低温热源与双阀阶梯热泵循环的低温蒸发换热器30相连；四阀并阶热泵循环通过两个四通换向阀，上位四通阀23和下位四通阀25，以及两个三通换向阀，吸气三通阀22和膨胀三通阀26，还有膨胀阀24将循环各组件连接起来，上位四通阀23的主进口与压缩机21的排气口连接，主出口与吸气三通阀22的一个分流口相连，它的另外一对可切换的进、出口分别接高温换热器28的上口和下位四通阀25的主进口；下位四通阀25的主出口与吸气三通阀22的另一分流口相连，它的另一对可切换进、出口分别与用户换热器29和低温蒸发换热器30的上口相连；吸气三通阀22的汇流口与压缩机21吸气口相连；用户换热器29的下口和高温换热器28的下口分别与双向膨胀阀24的进、出口相连，低温蒸发换热器30的下口与膨胀三通阀26汇流口相连，膨胀三通阀26的两个分流口分别并联到双向膨胀阀24的进、出口两端；

室内冷暖空调循环，由空调循环泵13推动换热媒质从空调末端设备14流向蓄热水箱5和用户换热器27这两个相互并联的换热端，这两个并联的换热端通过各支路上设置的电磁阀，即直接电磁阀11和间接电磁阀12实现通断切换；

低温换热循环由低温热源循环泵31推动传热媒质在低温换热盘管32和低温蒸发换热器30之间往复循环；

四阀并阶热泵循环可通过与双向膨胀阀24并联的膨胀三通阀26与其它三个构成品字形串接结构的上位四通阀23、下位四通阀25和吸气三通阀22的协调配合并联合切换，实现用户换热器27，高温换热器20和低温蒸发换热器28之间的多种三选二工况转换，以提供蓄热水箱通过高温换热器28和用户换热器29形成的供热热泵循环向室内供热；通过高温换热器28和用户换热器29形成的空调热水联动制冷循环将室内环境制冷同时将余热导入蓄热水箱蓄存；通过低温蒸发换热器30和高温换热器28形成的低温蓄热热泵循环吸取低温热源的热量并传给蓄热水箱蓄存；通过低温蒸发换热器30和高温换热器28形成的紧急排热循环将蓄热水箱内多余的热量向低温热源排放；还有通过用户换热器29和低温蒸发换热器30构成的单一空调制冷循环直接将室内环境制冷所吸取的热量向低温热源排放等功能。

系统中的高温热源换热循环中的高温热源可以是太阳能集热器，也可以是电加热器还可以是燃煤、燃气或燃油锅炉，而且也可以是上述热源串、并联的组合。

系统中的低温热源换热循环中的低温热源既可以是土壤源，也可以是水源或者空气源。

本专利基本设计是：整个系统装置由四部分组成，主要包括高温热源换热蓄热循环总成，供暖空调换热循环总成，四阀并阶热泵循环总成和低温热源换热循环总成。

高温热源换热蓄热循环总成主要包括高温热源换热组件、高温换热循环泵、蓄热水箱及排污阀等辅助阀件，热媒输送管路配置在高温换热器和蓄热水箱之间。此处所谓的高温热源是相对于与系统发生换热关系的水源、土壤源或空气源而言的。上述三种热源的温度与当地的土壤环境温度或大气环境温度一致，通常情况下地下水源和土壤温度在10℃左右，大气环境温度则随季节波动。而系统中与蓄热水箱直接相连的换热能源为太阳能或者电热炉还有各种燃煤、燃油及燃气锅炉，这些能源可以随着热量的不断释放，逐步提高蓄热水箱的温度而不受环境温度的限制。故为区别起见，本说明书中把此类热源称为高温热源，而前面提到的三种与受环境温度制约的热源称为低温热源。

供暖空调换热循环包括与蓄热水箱直接相连的换热循环管路、与四阀并阶热泵的用户换热器相连的间接换热循环管路、直接换热和间接换热管路上的电磁阀、供暖空调循环泵、空调末端换热设备及其它的辅助阀件。循环管路配置在各个部件之间。供暖可以配置地热盘管或风机盘管为末端换热设备，夏季空调时则以风机盘管为末端换热设备。它们要求的供热热媒工作温度在50℃上下，而空调时需要的冷媒温度在15℃左右。

四阀并阶热泵循环总成包括压缩机、上位四通阀、下位四通阀、吸气三通阀、膨胀三通阀、双向膨胀阀、高温换热器、用户换热器、低温蒸发换热器，循环冷凝管段和蒸发管段将各个部件连接成一个整体系统。热泵体系通过三个构成品字形串接结构的上位四通阀、下位四通阀和吸气三通阀的并联合切换，可以将系统中任意两个分别被置为冷凝器和蒸发器，同时膨胀三通阀通过配合切换可将参与热泵循环的冷凝器和蒸发器分别连接到双向膨胀阀24的两端并形成一个完整的热泵循环。

低温热源换热循环总成包括与四阀并阶热泵循环中的低温蒸发换热器相连的外部换热部件和相关辅助阀件。其主要功能是将低温热源环境，如水源、土壤源或者空气源中的低品位热能通过低温热泵蓄热循环蓄存到温度较高的蓄热水箱中，或者在必要时将蓄热水箱或室内空调循环中多余的热能通过低温蒸发换热器向低温环境排放。

另外热泵循环的高温换热器与蓄热水箱之间的换热是通过一个换热循环泵和相关阀件组成的水侧循环来实现的。

本说明书中述及的此系统前两种工况，如图1和图2，主要是应用于冬季的建筑采暖供热。而且系统中兼容的高温热源的最优选择是太阳能集热器。在白天太阳能充足的时候，太阳能集热循环会自动开始温差循环状态。即太阳能循环泵的启停受太阳能集热器的出口热媒温度和水箱内的热水温度的温差控制。当温差大于一个设定值时，太阳能循环泵启动，充分吸收了太阳能的热水从集热器中被推进水箱，一旦温差又回落到一个比较低的设定值时，太阳能循环泵就停止，被输送到太阳能集热器中的低温热水开始新一轮的蓄热过程。周而复始，太阳能集热器会不断将热水输送到蓄热水箱内。因为白天的室内采暖热负荷比较小，而且根据设计，为保证白天有效的日照时段内的集热器的热量能满足更长时间的建筑采暖需求，集热器的集热功率要明显大于建筑物白天的瞬时采暖热负荷。这样在白天，在系统供暖的同时，蓄热水箱内热能仍有盈余，因此水温会不断上升。当蓄热水温上升到一定的温度时，供暖换热循环切换到直接换热循环状态，供暖热水被输送到蓄热水箱内的直接换热盘管里，通过管壁与蓄热热水换热。考虑到太阳能的设计负荷量有可能受多种因素制约，而达不到使用要求，也可以将其它的高温热源如电加热或燃煤锅炉等与太阳能集热系统并联使用。在设计合理的条件下系统的整体一样可以实现综合运行节能的效果。

当遇到阴雨天或傍晚时分，光照已经不足的时候，如果蓄热水箱内蓄存的太阳能的热量仍不能满足当天夜间的供暖需求时，低温热泵蓄热模式启动，四阀并阶热泵被切换到如图1所示的状态，这样水源、土壤源或空气源热能可以通过热泵循环源源不断的被输送到蓄热热水中以补充当日不足的热负荷。热能补充到位后，热泵循环停止。

在夜间没有太阳能或土壤热源补充不足的情况下，在供暖换热循环不断向室内的采暖末端设备输送热能的过程中，蓄热水温不断下降，一旦下降到它不能保证采暖末端设备的可接受工作水温时，采暖换热循环就切换到间接换热模式，同时四阀并阶热泵被切换到如图2所示的状态，这样供热热泵循环从温度较低的蓄热热水中继续吸热并通过该用户换热器向间接供暖换热循环释放高温热能从而继续满足供暖末端设备的工作要求。

直到第二天恢复日照以后，系统又开始经历一个新的采暖运行周期。

随着外界环境的变化建筑采暖的热负荷也在变化。过渡季节里，采暖热负荷远远小于系统设计的太阳能单日集热量，这样蓄热水箱内每天都会有热能盈余，可以保证全天采暖换热循环都工作在直接供暖换热模式，同时一旦遇到短期的热能补充不足时，盈余的热能可以延长供暖换热循环在高蓄热水温条件下的直接供暖换热工作模式。

系统在夏季时，四阀并阶热泵则可以切换到图3所示的状态，用户换热器成为热泵循环的蒸发器并从室内吸取热量从而造成低温环境，同时高温换热器成为热泵循环的冷凝器并将从室内吸取的热量释放到蓄热水箱中，蓄热热水再作为生活热水被使用或者通过间接换热加热生活热水。这样四阀并阶热泵的空调热水联动工况在为生活热水提供热量的同时，达到为室内制冷降温的目的。如果蓄热水箱端的蓄热能力已经饱和，为摆脱蓄热环节对空调功能的制约，并提高系统在全天候条件下空调功能的可靠性，系统还可以切换到图4所示的单一空调制冷模式，直接将室内环境制冷所吸取的热量通过低温蒸发换热器向低温热源排放。

在蓄热水箱中热能出现过多盈余的条件下，系统的蓄热水温会超过安全上限，这时就可使四阀并阶热泵切换到图5所示的紧急排热状态，使过多的热能排到室外的空气源或土壤源环境中。

Claims (7)

1.双源并阶式热泵热水空调系统由高温热源换热循环、室内冷暖空调循环、低温热源换热循环及四阀并阶热泵循环组成，其特征在于高温热源换热循环直接与蓄热水箱(5)连接，循环中是由高温换热循环泵(3)将蓄热水箱(5)中的低温水经过高温回水管路(2)输送到高温热源换热器(1)中被加热，经过高温热源加热的水再由高温供水管路(4)返回蓄热水箱(5)；室内冷暖空调循环将空调末端设备(14)与阶梯热泵中的用户换热器(29)及直接连接蓄热水箱的供热端这两个相互并联的热源换热端相连，并由空调循环泵(13)提供循环动力；低温热源换热循环将一个低温热源与双阀阶梯热泵循环的低温蒸发换热器(30)相连；四阀并阶热泵循环通过两个四通换向阀，以及两个三通换向阀，还有膨胀阀(24)将循环各组件连接起来。

2.根据权利要求1所述的双源并阶式热泵热水空调系统，其特征在于四阀并阶热泵循环通过两个四通换向阀，上位四通阀(23)和下位四通阀(25)，以及两个三通换向阀，吸气三通阀(22)和膨胀三通阀(26)，还有膨胀阀(24)将循环各组件连接起来，上位四通阀(23)的主进口与压缩机(21)的排气口连接，主出口与吸气三通阀(22)的一个分流口相连，它的另外一对可切换的进、出口分别接高温换热器(28)的上口和下位四通阀(25)的主进口；下位四通阀(25)的主出口与吸气三通阀(22)的另一分流口相连，它的另一对可切换进、出口分别与用户换热器(29)和低温蒸发换热器(30)的上口相连；吸气三通阀(22)的汇流口与压缩机(21)吸气口相连；用户换热器(29)的下口和高温换热器(28)的下口分别与双向膨胀阀(24)的进、出口相连，低温蒸发换热器(30)的下口与膨胀三通阀(26)汇流口相连，膨胀三通阀(26)的两个分流口分别并联到双向膨胀阀(24)的进、出口两端。

3.根据权利要求2所述的双源并阶式热泵热水空调系统，其特征在于系统中的四阀并阶热泵循环可通过与双向膨胀阀(24)并联的膨胀三通阀(26)与其它三个构成品字形串接结构的上位四通阀(23)、下位四通阀(25)和吸气三通阀(22)的协调配合并联合切换，实现用户换热器(27)，高温换热器(20)和低温蒸发换热器(28)之间的多种三选二工况转换，以提供各种不同而且稳定可靠的全天候供热、制冷空调或供生活热水的功能。

4.根据权利要求3所述的双源并阶式热泵热水空调系统，其特征在于系统中的室内冷暖空调循环，由空调循环泵(13)推动换热媒质从空调末端设备(14)流向蓄热水箱(5)和用户换热器(27)这两个相互并联的换热端，这两个并联的换热端通过各支路上设置的电磁阀，即直接电磁阀(11)和间接电磁阀(12)实现通断切换。

5.根据权利要求4所述的双源并阶式热泵热水空调系统，其特征在于双阀阶梯热泵循环中的高温换热器水侧与蓄热水箱直接连接来进行换热。

6.根据权利要求5所述的双源并阶式热泵热水空调系统，其特征在于高温热源换热循环中的高温热源可以是太阳能集热器，也可以是电加热器还可以是燃煤、燃气或燃油锅炉，而且也可以是上述热源串、并联的组合。

7.根据权利要求6所述的双源并阶式热泵热水空调系统，其特征在于所述的低温热源换热循环中的低温热源既可以是土壤源，也可以是水源或者空气源。

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