CN101995090B

CN101995090B - 双热源热泵加热方法与装置

Info

Publication number: CN101995090B
Application number: CN 200910184024
Authority: CN
Inventors: 张后雷; 刘心志; 朱曙光; 熊荣辉
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: CN101995090A

Abstract

本发明公开了一种双热源热泵加热方法与装置，包括热泵动力装置、冷凝器、储液器、干燥过滤器、节流装置、空气源蒸发器、凝冰蒸发器、冰水分离器、补水水箱、气液分离器、电磁阀、温度传感器和控制器。本发明双热源热泵加热方法与装置的两个蒸发器根据环境温度高低切换工作，形成双热源热泵装置；本发明双热源热泵加热方法与装置通过从凝冰过程中取热，提高了低环境温度时的蒸发温度，从而获得很高的热泵平均性能系数；凝冰蒸发器中的部分水凝固形成冰浆，流动特性好，换热系数高，得到的冰浆可供外部用户使用；本发明具有低环境温度下高效节能、无结霜、安装运行方便、安全性高和适用范围宽等优点。

Description

双热源热泵加热方法与装置

技术领域

本发明属于一种从两种热源吸取热量的热泵加热方法与装置，特别是一种双热源热泵加热装置。

背景技术

随着经济发展和人们生活水平的提高，家庭或工商业机构对热水的需求不断增加。热水器是一种供应热水的重要设备，与电热水器、燃气热水器相比，热泵装置具有更高的能源利用效率和显著的节能效果，与太阳能热水器相比，不受日照条件的限制。

根据热泵装置的低温侧热源划分，目前用于加热水的热泵装置的低温侧热源主要有空气源、地源和水源等，地源热泵需要地下施工安装吸热管，投资成本高，水源热泵则受制于地点和国家用水政策的限制，空气源热泵直接从环境空气中吸热，使用最为方便，因此应用最广。但是空气源热泵也存在明显缺点，当环境气温降低时，其工作效率急剧下降，当气温降低到一定程度，甚至无法正常运行，所以在冬季低温地区或低温时段使用空气源热泵存在着经济效益差或运行困难(如结霜严重)等问题。

为了提高低环境气温时的热泵装置性能，除了改进装置本身的性能外，一种措施是采用双热源(或多热源)工作模式，即在环境气温高时仍采用空气源作热源，而在环境气温低时采用一种温度相对较高的热源(如太阳能等)。本发明专利提供一种新的双热源热泵加热方法与装置，在环境气温高时仍采用空气源作热源，在环境气温低时采用水的部分凝冰潜热作为热源，热源温度始终保持为0℃，从而保证了热泵装置在环境温度低时(如-20℃)仍具有较高的工作效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双热源热泵加热方法与装置，它可以用很少的成本在环境温度低时提供较高的性能系数，同时避免结霜等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双热源热泵加热装置，包括压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤器、节流装置、气液分离器、入口水温传感器、出口水温传感器、环境温度传感器、控制器；压缩机排气口与冷凝器制冷剂侧、储液器、干燥过滤器、节流装置通过管道依次连接，压缩机吸气口与气液分离器出口端通过管道连接，入口水温传感器、出口水温传感器分别安装在冷凝器的水侧进口与水侧出口，环境温度传感器用于测量环境空气温度；还包括第一电磁阀、凝冰蒸发器、止回阀、水泵、冰水分离器、第二电磁阀、补水水箱、第三电磁阀、第四电磁阀、空气源蒸发器；节流装置出口管分成两路，一路和第一电磁阀、凝冰蒸发器制冷剂侧、止回阀入口通过管道依次连接，另一路和第四电磁阀、空气源蒸发器制冷剂侧通过管道依次连接，止回阀出口和空气源蒸发器制冷剂侧出口通过管道连接后再与气液分离器入口端连接；外界供水管通过管道和第三电磁阀、补水水箱、第二电磁阀入口依次连接，第二电磁阀出口和冰水分离器出口端通过管道连接后再与水泵吸入口连接，水泵排出口通过管道与凝冰蒸发器水侧入口连接，凝冰蒸发器水侧出口通过管道和冰水分离器进口端连接，冰水分离器排冰口通至外界环境。

本发明双热源热泵加热方法，具体包括如下两种可以根据环境温度进行热源切换的工作模式：

模式一：控制器读取环境温度传感器的温度值并和设定值比较，当环境温度高于设定温度时，第一电磁阀关闭，水泵不工作，第四电磁阀打开，热泵装置通过空气源蒸发器从环境中吸热；

模式二：控制器读取环境温度传感器的温度值并和设定值比较，当环境温度低于设定温度时，第四电磁阀关闭，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀打开，水泵工作，流经凝冰蒸发器的水部分凝结成冰过程形成冰浆，冰浆进入冰水分离器进行液固分离，分离后的水经由冰水分离器出口端流至水泵吸入口，分离后的冰经由冰水分离器排冰口排至外部环境，在排冰同时补水水箱水压恒定，保证流经凝冰蒸发器的水量不变；凝冰蒸发器水侧入口工质为液态水，出口为冰浆，冰浆含冰率＜30％。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)在低环境温度时，采用水部分凝结成冰作为低温热源，可以保证低温热源的温度为0℃，即保证了较高的性能系数，且性能不再受环境温度的影响，由此产生明显的节能效果；(2)在低环境温度时，采用水部分凝结成冰作为低温热源彻底避免了目前常规空气源热泵普遍存在的结霜问题，从而可以去除常规热泵中的除霜装置并省去相应的除霜运行能耗；(3)根据环境温度切换使用两种热源，使得热泵可以在很低的环境温度下高效运行，大大拓宽了热泵的环境工作范围，解决了在环境温度很低时常规空气源热泵无法使用的问题。

附图说明

附图是本发明双热源热泵加热方法与装置的结构示意图。

附图中：1-压缩机，2-冷凝器，3-储液器，4-干燥过滤器，5-节流装置，6-第一电磁阀，7-凝冰蒸发器，8-止回阀，9-气液分离器，10-水泵，11-冰水分离器，12-第二电磁阀，13-补水水箱，14-第三电磁阀，15-第四电磁阀，16-空气源蒸发器，17-入口水温传感器，18-出口水温传感器，19-环境温度传感器，20-控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明双热源热泵加热装置，包括压缩机1、冷凝器2、储液器3、干燥过滤器4、节流装置5、气液分离器9、入口水温传感器17、出口水温传感器18、环境温度传感器19、控制器20，压缩机1排气口与冷凝器2制冷剂侧、储液器3、干燥过滤器4、节流装置5通过管道依次连接，压缩机1吸气口与气液分离器9出口端通过管道连接，入口水温传感器17、出口水温传感器18分别安装在冷凝器2的水侧进口与水侧出口，环境温度传感器19用于测量环境空气温度；还包括第一电磁阀6、凝冰蒸发器7、止回阀8、水泵10、冰水分离器11、第二电磁阀12、补水水箱13、第三电磁阀14、第四电磁阀15、空气源蒸发器16；节流装置5出口管分成两路，一路和第一电磁阀6、凝冰蒸发器7制冷剂侧、止回阀8入口通过管道依次连接，另一路和第四电磁阀15、空气源蒸发器16制冷剂侧通过管道依次连接，止回阀8出口和空气源蒸发器16制冷剂侧出口通过管道连接后再与气液分离器9入口端连接；外界供水管通过管道和第三电磁阀14、补水水箱13、第二电磁阀12入口依次连接，第二电磁阀12出口和冰水分离器11出口端通过管道连接后再与水泵10吸入口连接，水泵10排出口通过管道与凝冰蒸发器7水侧入口连接，凝冰蒸发器7水侧出口通过管道和冰水分离器11进口端连接，冰水分离器11排冰口通至外界环境。

本发明双热源热泵加热装置，补水水箱13是恒压水箱，该补水水箱13在装置运行过程中水位恒定或补水压力恒定。

模式一：控制器20读取环境温度传感器19的温度值并和设定值比较，当环境温度高于设定温度时，第一电磁阀6关闭，水泵10不工作，第四电磁阀15打开，热泵装置通过空气源蒸发器16从环境中吸热，此模式和常规空气源热泵装置工作模式相同；

模式二：控制器20读取环境温度传感器19的温度值并和设定值比较，当环境温度低于设定温度时，第四电磁阀15关闭，第一电磁阀6、第二电磁阀12、第三电磁阀14打开，水泵10工作，流经凝冰蒸发器7的水部分凝结成冰过程形成冰浆，冰浆进入冰水分离器11进行液固分离，分离后的水经由冰水分离器11出口端流至水泵10吸入口，分离后的冰经由冰水分离器11排冰口排至外部环境，在排冰同时补水水箱13水压恒定，保证流经凝冰蒸发器7的水量不变；凝冰蒸发器7水侧入口工质为液态水，出口为冰浆，冰浆含冰率＜30％。

本发明装置基于提高蒸发器热源温度有利于提高热泵性能系数这一物理原理，根据环境温度变化切换使用两种热源。当环境温度低时，采用水部分凝结成冰作为热源，使得热源温度恒定为0℃，不再受环境条件的影响，从而保证了即使在很低的零下温度条件下，热泵性能系数仍保持较高的数值，此外由于此时不再采用空气做热源，也彻底避免了结霜问题。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明：按照本发明所述的双热源热泵加热方法建立热泵装置，该装置以模式一运行时，其运行过程及性能与常规空气源热泵装置完全相同。在低环境温度时，分别运行模式一和模式二，即得到常规空气源热泵装置和本发明在相同的低环境温度下的性能。

以模式二的运行为例，当环境温度低于设定值时，第四电磁阀15关闭，第一电磁阀6、第二电磁阀12、第三电磁阀14打开，水泵10工作，压缩机1流经凝冰蒸发器7的水部分凝结成冰过程形成冰浆，冰浆进入冰水分离器11进行液固分离，分离后的水经由冰水分离器11出口端流至水泵10吸入口，分离后的冰经由冰水分离器11排冰口排至外部环境，在排冰同时补水水箱13水压恒定，保证流经凝冰蒸发器7的水量不变；凝冰蒸发器7水侧入口工质为液态水，出口为冰浆；由冷凝器2所提供的热水流量和冷凝器2水侧进出口温度及装置所消耗的电功率可确定其性能系数；由冰水分离器11排出的冰量可确定顺水的消耗量。

工况条件如下：设定环境温度分别为-15℃和-20℃，运行模式二，把水从15℃(入口水温传感器17的值)加热到60℃(出口水温传感器18的值)，制热量1kW，冷凝器最小端差为5℃，同时把同样工况下的常规空气源热泵装置作为对比基准，即此时运行模式一。如果不考虑冰水分离器11排出冰量的再利用，本发明装置功耗费用比常规空气源热泵分别减小12％和18％；如果对冰水分离器11排出冰量作进一步再利用，本发明装置的性能还会更优。计算功耗费用时取某地实际价格，即生活用水价格为2.8元/m³，生活电价谷时晚上21时到早上8点为0.35元/度，峰时早上8点到晚上21点为0.55元/度。

本发明双热源热泵加热方法与装置适用于环境温度≥-30℃，可采用各种现有的热泵装置用制冷剂，可实现供热水温度范围35℃-90℃，其它条件与普通热泵装置相同。采用本发明装置也可用于加热空气等其它流体。

本发明双热源热泵加热方法与装置根据环境温度的不同切换使用不同的蒸发器热源，在低环境温度时利用水凝冰过程温度不变(恒为0℃)的特点，可获得较高的能源利用系数，避免了结霜问题，可广泛应用于冬季低温地区加热水或其它供热过程。

Claims

1.一种双热源热泵加热装置，包括压缩机[1]、冷凝器[2]、储液器[3]、干燥过滤器[4]、节流装置[5]、气液分离器[9]、入口水温传感器[17]、出口水温传感器[18]、环境温度传感器[19]、控制器[20]，压缩机[1]排气口与冷凝器[2]制冷剂侧、储液器[3]、干燥过滤器[4]、节流装置[5]通过管道依次连接，压缩机[1]吸气口与气液分离器[9]出口端通过管道连接，入口水温传感器[17]、出口水温传感器[18]分别安装在冷凝器[2]的水侧进口与水侧出口，环境温度传感器[19]用于测量环境空气温度，入口水温传感器[17]、出口水温传感器[18]、环境温度传感器[19]通过导线与控制器[20]连接，其特征在于：还包括第一电磁阀[6]、凝冰蒸发器[7]、止回阀[8]、水泵[10]、冰水分离器[11]、第二电磁阀[12]、补水水箱[13]、第三电磁阀[14]、第四电磁阀[15]、空气源蒸发器[16]；节流装置[5]出口管分成两路，一路和第一电磁阀[6]、凝冰蒸发器[7]制冷剂侧、止回阀[8]入口通过管道依次连接，另一路和第四电磁阀[15]、空气源蒸发器[16]制冷剂侧通过管道依次连接，止回阀[8]出口和空气源蒸发器[16]制冷剂侧出口通过管道连接后再与气液分离器[9]入口端连接；外界供水管通过管道和第三电磁阀[14]、补水水箱[13]、第二电磁阀[12]入口依次连接，第二电磁阀[12]出口和冰水分离器[11]出口端通过管道连接后再与水泵[10]吸入口连接，水泵[10]排出口通过管道与凝冰蒸发器[7]水侧入口连接，凝冰蒸发器[7]水侧出口通过管道和冰水分离器[11]进口端连接，冰水分离器[11]排冰口通至外界环境。

2.根据权利要求1所述的双热源热泵加热装置，其特征在于：补水水箱[13]是恒压水箱，该补水水箱[13]在装置运行过程中水位恒定或补水压力恒定。

3.一种权利要求1所述的双热源热泵装置的双热源热泵加热方法，其特征在于：双热源热泵加热方法具体包括如下两种根据环境温度进行热源切换的工作模式：

模式一：控制器[20]读取环境温度传感器[19]的温度值并和设定值比较，当环境温度高于设定温度时，第一电磁阀[6]关闭，水泵[10]不工作，第四电磁阀[15]打开，热泵装置通过空气源蒸发器[16]从环境中吸热；

模式二：控制器[20]读取环境温度传感器[19]的温度值并和设定值比较，当环境温度低于设定温度时，第四电磁阀[15]关闭，第一电磁阀[6]、第二电磁阀[12]、第三电磁阀[14]打开，水泵[10]工作，流经凝冰蒸发器[7]的水部分凝结成冰过程形成冰浆，冰浆进入冰水分离器[11]进行液固分离，分离后的水经由冰水分离器[11]出口端流至水泵[10]吸入口，分离后的冰经由冰水分离器[11]排冰口排至外部环境，在排冰同时补水水箱[13]水压恒定，保证流经凝冰蒸发器[7]的水量不变；凝冰蒸发器[7]水侧入口工质为液态水，出口为冰浆，冰浆含冰率＜30％，温度设定值可调节。