CN101936613A - 集成式热交换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式热交换系统，其包括四通换向阀，该四通换向阀包括一个入口、一个出口、变向口A和变向口B，压缩机的出气口通过一个制热的热交换器后与入口相连，出口通过一个制冷的热交换器后与压缩机的吸气口相连，四通换向阀的入口在控制器的控制下可选择地与变向口A或变向口B连通，与此相对应地，出口则可选择地与变向口B或变向口A连通，并在变向口A和变向口B之间用管道依次串接储液器、膨胀阀和调节用热交换器以构成一个内部回路。上述系统内所有的制冷剂均同时参与循环，并通过储液器平衡系统工作模式切换时高低压两侧制冷剂的充注空间，适用于建筑物内的集中供热、制冷。

Description

集成式热交换系统

 

技术领域

本发明属于热泵系统技术领域，尤其是涉及一种适合建筑物使用、集成了供热和制冷的热交换系统。

 

背景技术

目前，用于民用和商用建筑的能源消耗占整个能源消耗的比重越来越大，这其中房间的制冷和热水供应是两个主要的方面。传统上，制冷和供热是两个相互独立的系统，在冬天，一方面需要消耗大量的燃油、燃气或电能制热以确保热水的供应，同时又消耗电能对冰箱或冷库制冷；而到了夏天，既要消耗电能给房间制冷，同时却仍然需为热水的供应而消耗能源，而制冷时排出的热量被白白地浪费了，同时使城市的气温进一步升高。图1所示的是一个典型的空气压缩循环系统，其工作原理如下：首先用压缩机1对制冷剂加压，使其变成高温高压的气体，高温高压的气体流经制热的热交换器（冷凝器）2时通过水冷或风冷的方式释放热量，以产生热水或为房间供热等，然后，高压低温的制冷剂经过一个可控制制冷剂流量的膨胀阀4进入到一个制冷的热交换器（蒸发器）3，制冷剂蒸发吸热，为房间制冷或为冷库、冰箱等制冷。蒸发后的制冷剂重新回到压缩机1中，以开始新的循环。在该系统中，压缩机所消耗的能源只是将热量进行转移，制冷时产生的热量被合理地用于制热，从而可大大降低整个系统的能耗。但是，此类系统的一个主要缺陷是，制冷或制热的模式无法独立运行，当系统中一个热交换器无需工作时，压缩机即停止工作，从而使整个系统停止工作。

美国专利US5495723公开了一种“可用作热水器的空调单元”（CONVERTIBLE AIR CONDITIONING UNIT USABLE AS WATER HEATER），其技术方案是在房间空调器的室外机（冷凝器）上通过一个三通阀旁通一个水冷的热交换器，以便在为房间制冷的同时供应热水，这样，当没有热水需求时，可维持房间空调器的正常工作。但是该系统中的房间空调器无需工作时，压缩机只能停止工作，从而无法继续提供热水。此外，由于在整个系统中制冷剂的流动管路不是单纯的串联结构，室外机和旁通的热交换器中始终有一个是不工作的，因此其管路内储存的制冷剂在不工作时是不参加系统的循环的，从而造成不同运行工况下参与循环的制冷剂流量的波动，进而影响系统的热交换效率。

 

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的热泵型热交换系统所存在的制冷和制热的模式不能独立工作、以及管路内的制冷剂流量波动大从而影响系统热交换效率的问题，提供一种高能效的集成式热交换系统，其制冷和制热的各模式可独立运行。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种集成式热交换系统，包括压缩机、若干热交换器、膨胀阀 、储液器以及控制系统运行模式的控制器，所述热交换系统还包括一个用于控制制冷剂流向、用电磁控制的四通换向阀，该四通换向阀包括一个入口、一个出口、变向口A和变向口B，所述压缩机的出气口通过一个制热的热交换器后与入口相连，出口通过一个制冷的热交换器后与压缩机的吸气口相连，四通换向阀的入口在控制器的控制下可选择地与变向口A或变向口B连通，与此相对应地，出口则可选择地与变向口B或变向口A连通，并在变向口A和变向口B之间用管道依次串接储液器、膨胀阀和调节用热交换器以构成一个内部回路。本发明通过一个电磁四通换向阀将整个系统分为外部回路和内部回路，内部回路上的热交换器主要用于和外部回路上的热交换器进行工作匹配，其通过电磁四通换向阀的切换，使内部回路上的调节用热交换器在制冷和制热两种工作模式之间切换，这样，当制热的热交换器或制冷的热交换器中的一个无需工作时，调节用热交换器即可切换到相应的制冷或制热模式，从而确保系统中各模式能独立地正常工作。进一步地，无论内部回路的制冷剂流向如何切换，整个系统的管路始终是串联模式，也就是说，管路上各处的制冷剂流量是相同的，从而避免出现部分制冷剂不参与工作循环的现象，使整个系统的制冷剂流量保持均衡一致，有利于提高系统工作的稳定性和热交换效率。更进一步地，当调节用热交换器处于高压一侧时，管路的高压一侧具有两个热交换器，运行中调节用热交换器的管路内会充满了较多液态的制冷剂，而当系统的工作模式切换时，调节用热交换器处于低压一侧，会带来两个问题。第一：此时管路的低压一侧具有两个热交换器，而高压一侧只有一个热交换器，因此高压冷凝换热后制冷剂冷凝成液体后，在高压一侧存液空间与工作模式转换前相比大幅度减少，这样造成液态冷媒在高压一侧制热的热交换器（冷凝器）里蓄积，使得冷凝器里面的有效冷凝换热面积大幅度下降，从而使得换热效率急剧下降，进而造成系统压缩机排气压力急剧上升而产生高压保护停机。第二：当调节用热交换器从高压切换到低压的时候，该热交换器在高压侧运行时存下的大量液态制冷剂，可能在短时间内不能完全蒸发，从而造成压缩机吸气口出现液态制冷剂。当调节用热交换器从低压转换到高压一侧时，也会带来第三个问题，当该热交换器在低压侧时，低压一侧有两个热交换器，而高压侧只有１个，转换到高压侧后高压一侧有两个热交换器，而低压侧只有一个，为了使得系统在高低压两侧的制冷剂充注空间保持较好的一致性，需要有一个能在高低压之间调节制冷剂充注空间的设备。本发明的内部回路上，膨胀阀可采用双向式膨胀阀，其一侧与调节用热交换器连接，另一侧与储液器相连，储液器不仅可使进入蒸发器的制冷剂尽可能为液态，以提高蒸发器的吸热效果，并且还可以解决上述提到的第一和第三个问题，在调节用热交换器从高压切换到低压时储存高压一侧管路内冷凝换热后的液态的制冷剂，使得制热的热交换器（冷凝器）的换热面积得到保证，避免出现压缩机因出气口的压力过高而保护性停机，并有利于提高冷凝器的换热效率，确保系统平稳地工作。同时高压一侧有一个热交换器和储液器，低压一侧有两个热交换器，平衡了整个系统高、低压两侧的制冷剂充注空间；而当调节用热交换器从低压切换到高压时，储液器也同时从高压切换到低压，使得高压一侧有两个热交换器，低压一侧有一个热交换器和储液器，系统高低压两侧制冷剂充注空间也保持相对均衡的布局。

作为优选，所述制热的热交换器带有水泵以及储能用的热水箱，在制热的热交换器管路上同轴设有连接热水箱的循环水管，并通过水泵在循环水管中产生与制热的热交换器管路中制冷剂的流动方向相反的循环水流。由于热水供应是建筑物内的热交换系统长期的需求，因此，设置制热的热交换器为水冷方式以提供热水，可减少调节用热交换器工作在制热模式，进而减少调节用热交换器在两种工作模式之间频繁切换，有利于维持整个系统工作的稳定性和持续性，并最大限度地提高能量的利用率。此外，如果水流和制冷剂的流动方向一致，则水管后段的水温逐步上升，而制冷剂的温度逐步下降，两者的温差逐步缩小，从而使散热冷凝效果变差，循环水流的流动方向与制冷剂的流动方向相反，则可使水流和制冷剂之间维持合适的温差，进而有利于提高制热的热交换器管路的冷凝散热效果。

作为优选，所述循环水管呈竖直的螺旋状，其上端为出水口，下端为进水口，在下端的进水口处设有旁通的泄流回路。当制热的热交换器无需提供热水而调节用热交换器处于制热工作模式时，水泵停止工作，制热的热交换器变成单纯的管路，由于循环水管为直向的螺旋状结构，因此水管内的水依靠自身重力的作用可从旁通的泄流回路泄空，避免循环水管内静止的水升温过高而造成故障。

作为优选，所述制热的热交换器的制热功率与制冷的热交换器的制冷功率相匹配。由于热水的需求通常是间断性的，其波动较大，并且热水是可储存的，因此，将制热的热交换器的制热功率与制冷的热交换器的制冷功率相匹配，在确保制冷需求的前提下提供稳定的热水供应，使系统在制冷和制热之间尽可能平衡，减少调节用热交换器的工作时间，既有利于提高系统工作的连续性和稳定性，同时有利于减小整个系统的功率，并降低能耗。

作为优选，所述调节用热交换器与制冷的热交换器、制热的热交换器中换热面积较大的热交换器具有相同工况下相当的换热功率。从而确保制冷、制热的热交换器均可正常地独立运行。

作为优选，在压缩机的吸气口一侧设有气液分离器。当调节用热交换器从高压一侧切换到低压一侧时，其管路内积存的制冷剂可能无法在制冷的热交换器中完全蒸发，气液分离器可避免液态的制冷剂大量进入压缩机，从而确保压缩机的正常工作。

作为优选，所述调节用热交换器为风冷式或其他二级冷媒冷却式。由于调节用热交换器的作用在于当系统的一个制冷或制热模式无需工作时，其可与另一个模式进行平衡以保证系统的各模式能独立工作，因此调节用热交换器工作时所放出或吸收的热量是无需储存的，采用风冷式有利于简化其结构。当然，根据实际情况，所述调节用热交换器也可其他二级冷媒冷却式。

综上所述，本发明具有如下有益效果：（1）系统内各模式可独立工作，从而满足人们在不同时期对制热和制冷的不同需求；（2）系统内所有的制冷剂均同时参与循环，保证了不同工况下制冷剂流量的稳定，有利于提高系统的效率；（3）用储液器平衡系统工作模式切换时高低压两侧制冷剂的充注空间，确保压缩机的正常工作，并保证高压侧制冷剂有充分的换热面积。

 

附图说明

图1是现有的集成式热交换系统典型结构的示意图；

图2 是本发明采用双向储液器时的管路示意图；

图3是本发明中制热的热交换器上循环水管的结构示意图；

图4是本发明采用单向储液器时的管路示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

在如图2所示的实施例中，本发明的一种集成式热交换系统，其主要是用于建筑物的热水供应、房间的制冷或制热、冰箱和冷库的制冷，其基本的构成包括压缩机1、三个热交换器、膨胀阀4、储液器5、电磁控制的四通换向阀6以及控制系统运行模式的控制器（图中未示出），其中一个热交换器为制热的热交换器2，其采用水冷方式以提供热水，从而成为系统的一个冷凝器，另一个为制冷的热交换器3，其主要用于房间的制冷，从而成为系统的一个蒸发器，而第三个热交换器为调节用热交换器7，其可在制冷与制热模式之间切换，该调节用热交换器采用风冷式，当然也可根据实际情况采用其他二级冷媒冷却式。四通换向阀上设有一个入口61、一个出口62、变向口A63和变向口B64，四通换向阀的入口在控制器的控制下可选择地与变向口A或变向口B连通，与此相对应地，出口则可选择地与变向口B或变向口A连通。

压缩机的出气口用管路与制热的热交换器连接，制热的热交换器再与四通换向阀的入口相连，四通换向阀的出口用管路与制冷的热交换器连接，制冷的热交换器再与压缩机的吸气口相连。而在变向口A上用管路连接一个双向的储液器，然后再依次连接一个双向式膨胀阀和调节用热交换器，最后用管路连接到变向口B，从而在变向口A和变向口B之间形成一个内部回路。

制热的热交换器带有水泵8以及储能用的热水箱（图中未示出），如图3所示，在制热的热交换器管路外套设有连接热水箱的循环水管9，并通过水泵在循环水管中产生与制热的热交换器管路中制冷剂的流动方向相反的循环水流，循环水管为呈直向的螺旋状，其下端为进水口91，上端为出水口92，同时在进水口处旁通设置一条泄流回路（图中未示出），在该泄流回路上设置一个由控制器控制的电磁阀，热水箱中的热水可用于热水供应，也可作为房间制热的热源。当然循环水管的结构形式还可有多种变化，如可采用平板式结构，同时使循环水管呈之字形排列，以方便在水泵不工作时将循环水管内的水排空。

制冷的热交换器同样带有一个水泵以及储能用的冷水箱（图中未示出），在制冷的热交换器管路外套设有连接冷水箱的循环水管，并通过水泵在循环水管中产生与制冷的热交换器管路中制冷剂的流动方向相反的循环水流，冷水箱中的冷水可作为房间制冷的冷源。

本发明的集成式热交换系统在工作时，从压缩机出气口喷出的高温高压气态制冷剂首先进入制热的热交换器，如果这时需供应热水，控制器使制热的热交换器上的水泵开启从而使制热的热交换器成为系统的冷凝器，循环水管内的循环水流吸收制冷剂的热量，从而使制冷剂冷凝呈低温液态状，热水箱内的水在循环吸热过程中逐步变成热水。

从制热的热交换器中流出的低温液态制冷剂进入四通换向阀的入口，此时，如果房间有制冷的需求，则调节用热交换器无需工作，控制器使其风机停止工作，因而调节用热交换器成为单纯的连接管路，四通换向阀在控制器的控制下，其入口与变向口A连通，而出口则与变向口B连通，因此，制冷剂从入口进入后从变向口A流出，然后经储液器、膨胀阀、调节用热交换器后流回变向口B，再从出口流出，并经过制冷的热交换器流回压缩机。制冷剂在经过膨胀阀后转为低压液态状，并进入到制冷的热交换器中，此时，控制器使制冷的热交换器的水泵开启，从而使制冷的热交换器成为系统的蒸发器，水泵使冷水箱内的水在循环水管内循环流动，制冷剂吸收循环水管内循环水流的热量而蒸发为低压气态状，并最终经管路流回到压缩机内，循环水管内循环水流则变成冷水，其作为房间制冷用的冷源。由于制热的热交换器的制热功率与制冷的热交换器的制冷功率相匹配，因而调节用热交换器无需工作，其仅是作为单纯的连接管路。如果此时房间无制冷的需求，则控制器使制冷的热交换器上的水泵停止运行，因而制冷的热交换器成为单纯的连接管路，同时，控制器使调节用热交换器上的风机启动，此时调节用热交换器工作于制冷模式，以便与制热的热交换器进行平衡。

当系统没有热水的需求时，控制器使制热的热交换器的水泵停止工作。此时，制热的热交换器成为单纯的连接管路，控制器使四通换向阀切换到入口与变向口B连接，而出口与变向口A连接，并且开启调节用热交换器的风机以及制冷的热交换器的水泵，此时，从压缩机的出气口出来的高温高压气态的制冷剂经过制热的热交换器后从四通换向阀的入口进入，然后从变向口B流出，并依次经过调节用热交换器、膨胀阀、储液器后流回到变向口A，最后从出口流出，并经过制冷的热交换器后流回到压缩机。由于此时的调节用热交换器处于膨胀阀前的高压一侧，因此其工作模式被切换到制热模式，从而与制冷的热交换器进行平衡。高温高压气态的制冷剂在经过调节用热交换器后被冷凝成低温高压的液态制冷剂，调节用热交换器成为系统的冷凝器，制冷剂在经过膨胀阀降压后，再通过储液器并进入到制冷的热交换器中吸热蒸发，从而确保系统的制冷系统能独立地运行。

当系统没有制冷的需求时，控制器使制冷的热交换器的水泵停止工作，此时，制冷的热交换器成为单纯的连接管路，控制器使四通换向阀切换到入口与变向口A连接，而出口与变向口B连接，并且开启调节用热交换器的风机以及制热的热交换器的水泵，此时，从压缩机的出气口出来的高温高压气态的制冷剂经过制热的热交换器冷凝后从四通换向阀的入口进入，然后从变向口A流出，并依次经过储液器、膨胀阀、调节用热交换器后流回到变向口B，最后从出口流出，并经过制冷的热交换器后流回到压缩机。由于此时的调节用热交换器处于膨胀阀后的低压一侧，因此其工作模式被切换到制冷模式，从而与制热的热交换器进行平衡。低温高压液态的制冷剂经过膨胀阀降压后，在调节用热交换器中吸热蒸发，调节用热交换器成为系统的蒸发器，从而确保系统的制热系统能独立地运行。

在系统运行过程中，本发明的调节用热交换器需在高压和低压之间来回切换，当调节用热交换器处于系统的高压一侧时，高压一侧具有两个热交换器，而低压一侧只有一个热交换器，因此高压一侧具有较多的制冷剂充注空间；而当调节用热交换器从系统的高压一侧切换到低压一侧时，高压侧只有一个热交换器，而低压侧则有两个热交换器，此时高压一侧的制冷剂充注空间会有一个突变性地减少，因此，在调节用热交换器从高压一侧切换到低压一侧的最初一段时间内，低压一侧大量的液态制冷剂可能没有完全蒸发就直接进入压缩机吸气口。高压一侧管路和换热器的制冷剂充注空间不足，容易导致冷凝液态制冷剂迅速将制热的热交换器管路充满，从而造成制热的热交换器的冷凝换热面积不足，同时，压缩机的出气口压力急剧上升，严重时造成压缩机的运行障碍。本发明通过在四通换向阀的变向口A与膨胀阀之间设置双向的储液器，一方面可确保系统在任何工况下进入到系统蒸发器中的制冷剂为液态，从而有利于提高蒸发制冷的效率，另一方面可平衡系统运行模式在进行上述切换时高、低压两侧管路中的制冷剂充注空间。当调节用热交换器处于低压一侧时，处于高压一侧的储液器起到增加高压一侧制冷剂充注空间的作用，高压一侧过多的液态制冷剂可通过储液器储存。而当调节用热交换器再次切换到系统高压一侧时，储液器会同时切换到低压一侧，此时储液器可补偿低压一侧制冷剂充注空间，使高、低压两侧的制冷剂充注空间得以平衡。

当然，如图2所示，本发明的集成式热交换系统还可在压缩机的吸气口前设置一个气液分离器10，这样可确保进入到压缩机内的制冷剂呈低温低压的气态，进一步提高压缩机运行的稳定性和可靠性。

以上所述是本发明的一个基本形式，其中的四通换向阀、储液器等结构，以及热交换器的冷却方式等都可以有多种变化形式，但仍然没有脱离本发明的基本原理。例如，储液器可采用单向式，同时在储液器和膨胀阀之间增加相应的单向阀51，并在单向阀与四通换向阀的出口之间设置旁通的电磁阀52，具体可参见图4。当储液器位于系统的高压一侧时，旁通的电磁阀关闭，制冷剂从四通换向阀的入口进入后从变向口A流出，然后经储液器、膨胀阀、调节用热交换器后流回变向口B，再从出口流出并进入到制冷用热交换器中，系统高压一侧多余的制冷剂可储存在储液器中；而当储液器位于系统低压一侧时，则将旁通的电磁阀打开，此时制冷剂从四通换向阀的入口进入后从变向口B流出，然后经调节用热交换器、膨胀阀、旁通的电磁阀后直接流入制冷的热交换器中，流回变向口A。在调节用热交换器被切换到系统的低压一侧时，高压一侧只有一个制热的热交换器，储液器可起到补充和平衡制冷剂充注空间的作用；当调节用热交换器被切换到系统的高压一侧时，系统高压一侧具有两个热交换器，制冷剂充注空间增加，此时，储液器内的制冷剂可经过单向阀、旁通的电磁阀进入制冷的热交换器，以补充系统低压一侧的制冷剂。

Claims (7)

1.一种集成式热交换系统，包括压缩机（1）、若干热交换器、膨胀阀（4）、储液器（5）以及控制系统运行模式的控制器，其特征是，所述热交换系统还包括一个用于控制制冷剂流向、用电磁控制的四通换向阀（6），该四通换向阀包括一个入口（61）、一个出口（62）、变向口A（63）和变向口B（64），所述压缩机的出气口通过一个制热的热交换器（2）后与入口相连，出口通过一个制冷的热交换器（3）后与压缩机的吸气口相连，四通换向阀的入口在控制器的控制下可选择地与变向口A或变向口B连通，与此相对应地，出口则可选择地与变向口B或变向口A连通，并在变向口A和变向口B之间用管道依次串接储液器、膨胀阀和调节用热交换器（7）以构成一个内部回路。

2.根据权利要求1所述的集成式热交换系统，其特征是，所述制热的热交换器带有水泵（8）以及储能用的热水箱，在制热的热交换器管路上同轴设有连接热水箱的循环水管（9），并通过水泵在循环水管中产生与制热的热交换器管路中制冷剂的流动方向相反的循环水流。

3.根据权利要求2所述的集成式热交换系统，其特征是，所述循环水管呈竖直的螺旋状，其上端为出水口（92），下端为进水口（91），在下端的进水口处设有旁通的泄流回路。

4.根据权利要求1或2或3所述的集成式热交换系统，其特征是，所述制热的热交换器的制热功率与制冷的热交换器的制冷功率相匹配。

5.根据权利要求1或2或3所述的集成式热交换系统，其特征是，所述调节用热交换器与制冷的热交换器、制热的热交换器中换热面积较大的热交换器具有相同工况下相当的换热功率。

6.根据权利要求1或2或3所述的集成式热交换系统，其特征是，在压缩机的吸气口一侧设有气液分离器（10）。

7.根据权利要求1或2或3所述的集成式热交换系统，其特征是，所述调节用热交换器为风冷式或其他二级冷媒冷却式。

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