CN102230690B - 超热自由回收太阳能热泵机组 - Google Patents

Abstract

超热自由回收太阳能热泵机组，是一种以大气太阳能为能源的两级热回收热泵装置，包括电压缩机、第一级热回收器、第二级热回收器、四通换向阀、冷凝器（冬季为蒸发器）、膨胀阀、蒸发器（冬季为冷凝器）、以及冷凝器（冬季为蒸发器）配置的风机。该机组采用两级串联热回收器后，再与冷凝器串联的方式，实现了在保证制冷或制热的工况正常运行的前提下，冷凝热的自由回收；并在制冷时获取过冷热，即获取冷凝全热+过冷热的超热，因而更大地提高了制冷和制热的能量和效率；两级热回收器可制取不同温度的热水，以满足不同的用户的需求，实用性广。

Description

超热自由回收太阳能热泵机组

技术领域

本发明涉及空调热泵热回收领域和生活水热源领域。进一步是指由压缩机、第一级热回收器、第二级热回收器、四通换向阀、冷凝器（冬季为蒸发器）、膨胀阀、蒸发器（冬季冷凝器），冷凝器（冬季为蒸发器）配置的风机连接组成的机组，夏季供应空调冷冻水及生活热水（也可作为饮用水热源）、冬季供应空调热水及生活热水（也可作为饮用水热源），实现全年空调及供应生活热水的高效节能装置。 

背景技术

对夏热冬暖和夏热冬冷地区有冷热需求的场所（如宾馆、医院等），空调冷热源通常分别设置冷、热源设备。这样会产生一边将空调冷凝热排入大气，另一边的制热设备在耗能制热的恶性矛盾的现象，造成能源极大的双重浪费，而且污染生态环境。这种情况，不仅重复设置了多余的制热设备，占用了建筑场地，也给设备运行管理上带来了困难。若使用水冷式制冷机组，机组会在秋冬季节处于 “冬眠状态”，不能工作运行。并且会浪费大量的水资源。机组总效率和能效比低下，严重影响了经济效益。对于生活热水系统则因其另设置一套独立的热水设备管网，浪费更为严重！因为空调需要排放的冷凝热除了满足自身制冷的需求外，其热量品质及其温度完全符合并能满足生活热水的需要。超热自由回收太阳能热泵机组以其独特节水、节电、节能、环保的优点在民用建筑中作为主机的一个发展方向，其在工程建设中的应用前景将是十分广泛的。目前市场上存在两种热回收机组：部分热回收机组和全热热回收机组。部分热回收机组在制冷时只能回收制冷剂的显热量，热量回收不充分，不足于满足空调、生活热水各种需求，而且回收量固定受限，机组效率低；全热回收机组控制原理复杂，或者需要较高的冷凝温度。采用其它的连接方式（并联），结构复杂，需要两个或者以上的膨胀阀、其它电动阀或者控制元件进行调节或者转换。市场上存在的热回收机组均采用一级热回收器，回收的热量少，热水温度难以提高，不能满足一些用户用热需求。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种结构形式更加合理的、科学的热回收热泵机组，以解决现有技术中冷凝热不回收或回收量少，污染生态环境，以及回收效率低，热回收器提供的热水温度不够高，可靠性差，调节不灵活等问题。本发明高效、节能、环保，无水耗、无锅炉、无需设置制冷机房，全年共享冷热一体机。 

     本发明要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现： 

所述超热自由回收太阳能热泵机组装置包括压缩机、两级热回收器即第一热回收器和第二热回收器两级热回收器、四通换向阀、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、冷凝器配置的风机、冷媒管，其特征在于：

其结构特点是：所述机组压缩机的排出口连接第一级热回收器的入口，第一级热回收器的出口连接第二级热回收器的入口，第二级热回收器的出口串联连接四通换向阀，从四通换向阀出来再依次连接冷凝器、膨胀阀、蒸发器，最后通过四通换向阀连接到压缩机的吸气口。

在保证制冷正常运行的前提下，所述机组的第一级热回收器和第二级热回收器二者可以共同完成包括过冷热在内的所有冷凝热的热回收，即实现超热回收。 

该机组的冷凝器能独立完成包括过冷热在内的所有冷凝热的排放，冬季该冷凝器转换为蒸发器，实现所述机组的热泵功能，热回收器产生热水，冷凝器（夏季为蒸发器）产生空调热水。 

所述第一级热回收器与第二级热回收器可以有多种形式，包括板式换热器、壳管式换热器、套管式换热器、容积式换热器或者其他没有描述到的各种形式的换热器。 

所述两级串联的热回收器，也可以根据需要设置成三级或者多级热回收器。所有的热回收器共同完成包括过冷热在内的所有冷凝热的热回收，即实现超热回收。 

第一、二级热回收器换热面积的比例可以调节，从而可以分别制取不同温度的热水。 

调节第一、二级热回收器的热水流量，可以分别制取不同温度的热水。 

第二级热回收器水系统的进水温度低于冷凝温度时，可实现冷凝热的充分回收，该水系统出水可以直接供用户使用或者作为第一级热回收器水系统的补充水。 

第一级热回收器水系统的热水出水温度可达到65℃以上。 

两级热回收器连接于压缩机的出口段，在热泵模式运行时，生活热水和空调热水可以同时制取。 

冷凝热可以由两级热回收器共同承担，也可以由冷凝器独立完成。两级热回收器热水需要的热量可在零至最大的冷凝热量范围内自由变化，剩余的冷凝热量则由冷凝器进行排放，实现了自由热回收。 

本发明的有益效果在于： 

1. 本发明装置采用在冷凝器与压缩机之间串联两级热回收器，可以保证在实现良好的制冷和制热的同时，根据生活热水的用热需求自由回收冷凝热，热量的利用更加灵活、宽广。

2. 与普通的热回收机组相比，本发明所采用热回收器与冷凝器串联的方式，使热量的释放更加充分，在实现过冷冷却时，获得比普通的全热回收机组更多的制冷量与冷凝热，提高了制冷效率和热回收效率。获取的冷热量总和与输入功率之比即冷热量能效比高达单制冷能效比的两倍以上。 

3.与其他热回收热泵机组相比，本发明通过采用两级热回收器串联的方式，保证冷凝热的热量在不同的温度段得到充分的利用，制取不同温度的热水，高温水的温度超过普通的热回收机组，例如采用制冷剂R22，最高的出水温度可以达到65℃以上。这样可以满足不同的热水需求。 

4.与常规空调机组相比，本发明实现了全年春夏秋冬四季在不同的模式下运行，在满足全年四季空调系统冷热量需求的同时，满足全年四季的生活热水热量的需求，无需重复设置热水的其他热源设备系统。夏季普通空调当作废热排除的冷凝热，成为热水系统的宝贵热源，不仅减少了常规采用锅炉或其他热源设备的初投资，更无需另加耗能，减少了能量的消耗以及锅炉等制热时排放燃烧废气对生态环境造成的污染。冬季热泵的制热能效比较高，达到了节能的目的。 

5. 与水冷式机组相比，本机组不需要配置制冷机房和相应配套设施，节省了相应的投入和维护费用，节省的设备机房可作为超市或车位产生经济效益；本机组不需设置冷却水系统，没有冷水损耗，节省了冷却水系统、水处理设施和大量的水资源；本机组在需要时，全年均可运行使用，避免了水冷式机组秋冬季节“冬眠”闲置的现象。 

6.本发明适用于同时需要空调制冷与热水供应以及全年有冷热需求的各种规模与档次的建筑物，包括高档楼盘、超大超高层高档楼盘等。特别适用于酒店、宾馆、公寓、会所、旅游度假村、医院、国际会议中心、学校、体育中心、游泳、跳水场馆、夜总会机场等建筑。制冷容量可以从几十千瓦到几十万千瓦等，实用面广。 

本发明的工作模式 

1、制冷与热回收模式

压缩机出口的高温高压气态制冷剂首先进入第一级热回收器，释放部分冷凝热，由于处于压缩机排气口，制冷剂的温度高，因此，第一级热回收器可以得到大量的高温冷凝热，可以制取较高温的热水。再进入第二级热回收器，可以制取比第一级温度稍低的热水，制冷剂进一步被冷却，然后从四通换向阀的a口进入，b口流出，再进入冷凝器，由冷凝器承担剩余的冷凝热的排放，此时根据冷凝压力启动风机的台数，以达到设计需要的过冷度。高压液态制冷剂由冷凝器5出来进入膨胀阀节流膨胀后，进入蒸发器7进行吸热汽化，直至过热，之后进入四通阀换向阀，由c口进入，d口流出，最后返回压缩机，完成制冷循环。

当第一、二级热回收器的热水系统不需要热量，这两级热回收器仅相当于压缩机排气管段的一部分，之后进入风冷冷凝器，释放出全部的热量，此状况仅仅实现了独立制冷，效率最低。 

当第一、二级热回收器与室外风冷冷凝器同时都有热交换时，就实现了制冷与制热同时进行的状况。两级热回收器的热水系统可以根据对热量需求的变化自由获取热量，即实现了热量的自由回收。热回收器排放的热量越大，系统的效率越高。 

当全部热量都被第一、二级热回收器的热水系统带走，制冷剂已经放出全部冷凝热时，甚至过冷热时，此状况实现了超热回收，系统的效率达到最高。 

制冷与热回收同时进行，保证正常的制冷工况，根据热量回收系统的需求实现超热回收、部分热回收与无热回收三种状况，无需调节任何阀门。 

夏季模式的特点： 

（1）    每级热回收器回收热量的多少可按各自热水系统对热量的需求量设定，不需要操作任何的阀门，获取热量自由灵活。回收的热量与总的冷凝热的比例可以在0~100%范围内自由获取。

（2）    该机组的两级热回收器与冷凝器分别都能独立完成冷凝热的排放，大大提高了机组的冷凝能力，更容易实现过冷热的排放，因此，在保证制冷正常运行的同时，能提高制冷效率，实现能量的高效利用。当实现全部热回收时，夏季冷热量总能效比达到现有热泵机组单独都制冷能效比的两倍以上。其节能效果非常显著。 

（3）    当全部实现热回收时，风冷冷凝器的风机可以停止运行，成为自由散热冷凝器，不仅节省风机的能耗，还冷凝器可以实现制冷剂的过冷。在保证制冷正常运行的同时，能大大提高制冷效率，实现能量的高效利用。 

2、热泵模式 

空调制热与生活热水制热同时进行模式：

压缩机出口的高温高压气态制冷剂首先进入第一级回收器，进行热交换，由于处于压缩机出口，制冷剂的温度高，因此，第一级换热器将得到高温热量，制取出水温度较高的生活热水。然后制冷剂再进入第二级热回收器，余下的冷凝热一部分用于加热第二级换热器所连接的生活热水系统，使制冷剂进一步被冷却，之后从四通换向阀的a口进入，c口流出，再进入冷凝器（夏季为蒸发器）中，为空调系统提供热量。在冷凝器（夏季为蒸发器）中，制冷剂被完全冷凝成液态，再进入膨胀阀降压后，再进入蒸发器5（夏季为风冷冷凝器）进行吸热变成低温低压气态制冷剂，之后进入四通阀换向阀，由b口进入，d口流出，最后返回压缩机，完成制冷循环。

冬季模式的特点： 

冬季空调与生活热水系统同时或者不同时需要热量，机组随时根据热水系统所需要总的热量提供制热量。

3、 过渡季节模式：制冷与热泵两种模式自由选择运行 

当空调制冷小，热水制热量大，可以在制冷与热泵两种模式中自由选择运行，或者采用多台机组按照冬夏不同的模式搭配运行。机组在系统中的应用自由灵活。

   结论：由上可知，本人发明的超热自由回收太阳能热泵机组，利用两级串联热回收器与冷凝器串联的连接方式，能实现在夏季制冷时对冷凝热回收利用的最大化，具有显著的节能效果和经济收益。能分别在第一级热回收器和第二级热回收器处根据用热需求自由获取热水，还可以根据需求提供不同温度的热水。冬季除了两级热回收器提供不同温度的热水外，冬季冷凝器还同时可以提供空调所需要的热水。一机全年供冷热。该构造结构简单，控制简单，仅在冬夏模式转换时需要转换四通阀。适用于夏热冬暖和夏热冬冷地区。是一种无水耗、无炉热耗、清洁环保的高效节能型空气源热回收热泵装置。 

以上仅描述和显示了本发明的意图、原理和特点，在不脱离本发明的精神和范围的前提下本发明会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护在本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

1——压缩机；    

2——第一级热回收器，形式不限；

3——第二级热回收器，形式不限；

4——四通换向阀，分为四个接口a、b、c、d；             

5——冷凝器（冬季为蒸发器）；

6——膨胀阀；

7——蒸发器（冬季冷凝器）；

8——风机。

具体实施方式

下面结合附图，描述本发明的安装结构： 

压缩机1出口的高温高压气态制冷剂首先进入第一级回收器，进行热交换，由于处于压缩机出口，制冷剂的温度高，因此，第一级换热器2将得到高温热量，制取出水温度较高的生活热水。然后制冷剂再进入第二级热回收器，余下的冷凝热一部分用于加热第二级换热器所连接的生活热水系统，使制冷剂进一步被冷却，之后从四通换向阀4的a口进入，c口流出，再进入冷凝器7（夏季为蒸发器7）中，为空调系统提供热量。在冷凝器7（夏季为蒸发器7）中，制冷剂被完全冷凝成液态，再进入膨胀阀6降压后，再进入蒸发器5（夏季为风冷冷凝器5）进行吸热变成低温低压气态制冷剂，之后进入四通阀换向阀4，由b口进入，d口流出，最后返回压缩机1，完成制冷循环。

按照附图和上述结构的本发明超热自由热回收热泵机组，制冷剂以R22为主的多种氟利昂，采用普通的电压缩机，第一、二级热回收器可以是已有的板式换热器、壳管式换热器、套管式换热器、容积式换热器或者其他没有描述到的各种形式的换热器。第一、二级热回收器的进出水管分别与用户储热水箱相连。热水温度可以加热到65℃以上。冷凝器（冬季蒸发器）进风参数按照国家规定的标准工况。 

Claims (10)

1.超热自由回收太阳能热泵机组，包括压缩机（1）、两级热回收器（2、3）、四通换向阀（4）、冷凝器（5）、膨胀阀（6）、蒸发器（7）、冷凝器配置的风机（8）、冷媒管，其特征在于： 

在所述机组中，热回收器分为两级，分别为第一级热回收器和第二级热回收器，二者之间采用串联连接；

所述机组的连接结构为：压缩机（1）的排出口连接第一级热回收器（2）的入口，第一级热回收器（2）的出口连接第二级热回收器（3）的入口，第二级热回收器（3）的出口串联连接四通换向阀（4），从四通换向阀（4）出来再依次连接冷凝器（5）、膨胀阀（6）、蒸发器（7），最后通过四通换向阀（4）连接到压缩机（1）的吸气口。

2.根据权利要求1所述机组，其特征在于，所述机组的第一级热回收器和第二级热回收器二者共同完成包括过冷热在内的所有冷凝热的热回收，即实现超热回收。

3.根据权利要求1所述机组，其特征在于，夏季制冷时，该机组的冷凝器独立完成包括过冷热在内的所有冷凝热的排放，冬季转换为热泵运行时，该机组的冷凝器转换为蒸发器运行，热回收器仍然产生生活热水，蒸发器转换为冷凝器运行，产生空调热水。

4.根据权利要求1所述机组，其特征在于，所述第一级热回收器与第二级热回收器为板式换热器、壳管式换热器、套管式换热器或容积式换热器。

5.根据权利要求1所述机组，其特征在于，所述两级串联的热回收器，根据需要设置成三级或更多级热回收器，所有的热回收器共同完成包括过冷热在内的所有冷凝热的热回收，即实现超热回收。

6.根据权利要求1所述机组，其特征在于，第一、二级热回收器换热面积的比例可以调节，分别制取不同温度的热水。

7.根据权利要求书1所述机组，其特征在于，调节第一、二级热回收器的热水流量，分别制取不同温度的热水。

8.根据权利要求1所述机组，其特征在于，第二级热回收器水系统的进水温度低于冷凝温度时，可实现冷凝热的充分回收，该水系统出水可以直接供用户使用或者作为第一级热回收器水系统的补充水。

9.根据权利要求1所述机组，其特征在于，两级热回收器连接于压缩机的出口段，在热泵模式运行时，生活热水和空调热水可以同时制取。

10.根据权利要求1所述机组，其特征在于，两级热回收器热水需要的热量可在零至最大的冷凝热量范围内自由变化，剩余的冷凝热量则由冷凝器进行排放，实现了自由热回收。

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