CN102798214B - 一种相变蓄热空气源热泵热水机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气源热泵热水机组，特别是一种带相变蓄热器的低温空气源热泵热水机组。一种相变蓄热空气源热泵热水机组，包括涡旋式压缩机、油分离器、多个气液分离器、四通换向阀、多个电磁阀、多个单向阀、套管冷凝器、水箱、相变蓄热器、蒸发器、干燥过滤器、视液镜、多个热力膨胀阀，所述涡旋式压缩机设有吸气口、补气口及排气口，所述吸气口与所述蒸发器管路连接，所述补气口与所述相变蓄热器管路连接，所述排气口与所述套管冷凝器管路连接。即使在低温环境下（低于-25℃）时，由于相变蓄热器作为系统的辅助蒸发器向系统提供热量，为压缩机补气，增大了压缩机的进气量，优化了压缩机的运行工况，保证了压缩机低温稳定安全运行。

Description

一种相变蓄热空气源热泵热水机组

技术领域

本发明涉及一种空气源热泵热水机组，特别是一种带相变蓄热器的低温空气源热泵热水机组。

背景技术

空气源热泵机组长期在低温环境下运行时存在一系列的问题，主要包括以下几个方面：1）系统安全问题。热泵长期在低温环境下工作，使系统压缩机的运行工况恶化，严重影响压缩机寿命。当环境温度低于-25℃，甚至会出现压缩机烧毁。2）空气源热泵供热过程中存在能量供需矛盾。室外温度比较高时系统制热量增加，而热用户需热量减少；温度比较低时系统制热量减少，而热用户的需热量增加。3）热泵系统中室外蒸发器结霜除霜问题。空气源热泵在冬季运行时，蒸发器表面的温度较低，当空气流经蒸发器盘管时水分析出形成霜层，如果这些霜层不能及时除去严重影响蒸发器的换热效果。

专利号为201020261648.1的实用新型专利揭露了一种技术方案：冷凝器出来的制冷剂循环分为主回路循环和补气回路循环，且涡旋压缩机带有补气口，主要解决了热泵系统低温工况的安全性问题。在低温环境下运行时，该技术的运用可以使压缩机的运行工况得到很大的改善，增加了压缩机的使用寿命，避免了压缩机低温停机或烧毁等事故。与此同时，系统也在一定程度上解决了低温运行供热不足的问题，在同工况下该热泵系统制热量比常规热泵要高一些，但是随着环境温度的降低，系统的制热量衰减仍然非常大，低温下热用户的供热需求依旧不能很好的满足。主回路中的高压液体在经济器内过冷，在一定程度上也提高了系统的性能系数（COP），但是系统工质的过冷度有限，因此系统COP增加不显著。该专利的最大不足在于低温环境下热泵系统蒸发器的除霜问题，蒸发器的除霜只能采用单一的电除霜，消耗了大量电能的同时又增加了初投资的成本，不利于系统的节能。

专利号为201020669249.9的实用新型专利揭露了一种技术方案：采用中间补气压缩机，通过增加压缩机低温环境下的冷媒循环量，增加冷凝器制热量，克服了空气源热泵机组不能在湿度比较大的湿冷地区应用的困难，解决了上述地区制暖费用高的问题。该专利技术主要解决了低温运行热泵系统的安全问题，同时还在一定程度上增加了系统低温工况的制热量，系统的COP也得到了一定提高。但是当室外温度很低时，热泵运行工况恶化，制热量满足了不了热用户的需求，COP也会急剧下降；同时当冷凝器出现冷凝不充分时，还可能导致膨胀阀无法稳定工作，大大降低补气量，严重影响补气效果。专利技术最大的不足还在于缺少合理的除霜系统，系统只能采用额外的电加热器对室外蒸发器进行除霜，既不经济也不节能。

专利号为201120113835.X的实用新型记录了一种技术方案：提供的一种低温补气空气源热泵热水器，能够在外界低温环境、水箱内高水温的恶劣工况下，保证进入第二膨胀阀之前的制冷剂充分冷凝为液体，而非气液混合物，从而使第二膨胀阀稳定工作，提高蒸发压力，保障系统稳定运行，保障压缩机寿命。同样由于没有外部热源的输入，当室外温度极低时，系统的供热量仍然会严重减少，满足不了热用户的需求。同时，该专利技术中系统蒸发器的除霜只能采用电除霜，不经济不节能。

专利号：201110078011.8的发明专利，该发明主要是为克服现有除霜技术的缺点和不足提出的一种用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统。当前公认的空气源热泵的除霜系统有两种方式：一是压缩机的高温热气旁路除霜；二是利用四通换向阀，将热泵由制热工况运行变为制冷工况除霜。这两种除霜方式均存在一定的缺陷，主要表现在：热气旁路除霜过程中除霜所用的能量都来自压缩机的耗功，由于供给除霜用的热量不足，引起吸气、排气压力变化剧烈，对压缩机的冲击大，系统制冷剂回液量大，蒸发器和冷凝器频繁转换破坏机组的正常运行，误除霜现象有时发生，压缩机入口压力太低，导致低压保护动作；除霜过程不仅不制热，而且还从供热空间吸收热量，从而对水箱内储存的热水造成很大影响，又由于供给除霜用的热量不足，导致除霜时间加长，除霜能耗损失加大。

发明内容

本发明主要解决技术方案是：解决现有的空气源热泵在北方寒冷天气下制热量不足、热气除霜时供融霜用的热量不足而引起的除霜可靠性差、能耗损失大等问题。

本发明所采用的技术方案是：一种相变蓄热空气源热泵热水机组，包括涡旋式压缩机、油分离器、多个气液分离器、四通换向阀、多个电磁阀、多个单向阀、套管冷凝器、水箱、相变蓄热器、蒸发器、干燥过滤器、视液镜、多个热力膨胀阀，所述涡旋式压缩机设有吸气口、补气口及排气口，所述吸气口与所述蒸发器管路连接，所述补气口与所述相变蓄热器管路连接，所述排气口与所述套管冷凝器管路连接。

所述相变蓄热器由保温钢制外壳、相变蓄热介质和两个盘管换热器组成，当环境温度高于平衡点温度时，所述相变蓄热器蓄热，冷剂蒸汽只由所述蒸发器产生；当环境温度低于平衡点温度时，所述相变蓄热器放热，成为蓄热蒸发器，放出蓄存的热量使一部分冷剂液体蒸发，蒸发温度10℃-12℃，冷剂蒸汽分别由所述蒸发器和蓄热器产生，所述盘管换热器一进口与所述套管冷凝器管路相连，出口通过一个热力膨胀阀与所述蒸发器管路连接，所述盘管换热器二进口与所述盘管换热器一进口管路连接的不同的一个热力膨胀阀管路连接，出口与所述涡旋式压缩机的补气口管路连接。除霜回路由相变蓄热器内的盘管换热器二、涡旋压缩机、蒸发器和一个热力膨胀阀等组成。

所述相变蓄热器的相变蓄热介质主材料为Na2SO410H2O，硼砂、聚酯纤维素、木屑作为辅助材料。

本发明的技术特征为：

（1）根据地区低温环境下全天24小时气温分布特点，确定平衡点温度，然后确定机组负荷、压缩机容量、蓄热器容量等。

（2）蓄热器内设置两个盘管换热器，形成两个冷剂回路，分别完成两种功能。

（3）全天供暖期间，当环境温度高于平衡点温度时，蓄热器蓄热，冷剂蒸气只由室外蒸发器产生；当环境温度低于平衡点温度时，蓄热器变为蒸发器，放出蓄存的热量使一部分冷剂液体蒸发，为蜗旋压缩机补气，此时冷剂蒸气分别由室外蒸发器和蓄热器产生，增加了蜗旋压缩机的蒸气流量，使机组的制热量大大增加，同时极大地改善了空气源热泵机组低温环境下的运行工况。

（4）当环境温度低于平衡点温度时，蓄热器变为蒸发器，同时又是一个过冷器（或称经济器），蓄热器内的蒸发热源一方面来自蓄存的热量，另一方面来自过冷而释放的热量，使热泵机组的供热系数COP提高。

（5）除霜任务由蓄热器完成，蓄热器蓄存的热量足够满足除霜的需求，避免了除霜过程中吸气压力过低，甚至出现低压保护停机的现象，保证了除霜过程的稳定性、可靠性和融霜的彻底性，同时，在除霜过程中供热质量不受影响。

（6）蓄热蒸发型空气源热泵系统中的相变蓄热器内的相变蓄热材料为Na₂SO₄10H₂O，为了防止发生相分离，蓄热材料中添加了木屑。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）系统运行的安全性较高。即使在超低温环境下（低于-25℃）时，由于相变蓄热器作为系统的辅助蒸发器向系统提供热量，为压缩机补气，增大了压缩机的进气量，优化了压缩机的运行工况，保证了压缩机低温稳定安全运行。

（2）解决了现有空气源热泵技术在低温环境下普遍存在的热量供需矛盾。当环境温度高低变化时，蓄热器实时处于蓄热放热状态，平衡系统的供热量与热用户的需热量，使低温环境下的热泵系统的制热量大大增加。

（3）低温工况运行时，热泵性能系数（COP）提高显著。在超低温（环境温度低于-25℃）下，热泵系统的冷剂蒸气由室外蒸发器和相变蓄热器共同产生，由于相变蓄热材料的相变温度为32℃，故相变蓄热器的蒸发温度较高，约10－12℃，有利于提高热泵系统的COP，同时，相变蓄热器使得冷凝器出口工质过冷，进一步提高了系统的COP。

（4）采用相变蓄热除霜，具有除霜热量大，除霜时间短，除霜能耗小，除霜效果好等优点，并且不影响供热质量，可实现热泵系统稳定、可靠、节能和高效运行。

附图说明

图1为本发明工艺流程图；

图2为本发明相变蓄热器结构示意图；

图3为相变蓄热器蓄热时的工艺循环流程；

图4为相变蓄热器放热时的工艺循环流程；

图5为相变蓄热器除霜时的工艺循环流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明

如图1，图2所示：本发明包括涡旋式压缩机1、四通换向阀2、冷凝器3、热力膨胀阀4、5和6、水箱7、视液镜8、气液分离器9和16、室外蒸发器10、相变蓄热器11、油分离器12、干燥过滤器13、单向阀14和15、电磁阀F1、F2、F3和F4。涡旋式压缩机1的排气输出管连接油分离器12的输入管，油分离器12的输出端口连接四通换向阀2的第三输入输出端口，涡旋式压缩机1的进气输入管连接气液分离器9的输出管，气液分离器9的输入管与室外蒸发器10的输出管相连，气液分离器16的输入管与蓄热器11内盘管换热器二的输出管相连，冷凝器出口通过两路与蓄热器相连：一路通过电磁阀F2与蓄热器内盘管换热器一的进口相连，盘管换热器一出口接热力膨胀阀4，另一路通过电磁阀F3、干燥过滤器13和热力膨胀阀6与蓄热器内盘管换热器二的进口相连，盘管换热器二出口接蜗旋压缩机补气口。本发明所提及的连接均为管路连接。

如图3所示：系统相变蓄热器处于蓄热工作状态时，系统的循环路径为涡旋式压缩机1出口、油分离器12、四通换向阀2、电磁阀F1、冷凝器3、电磁阀F2、相变蓄热器11内的盘管换热器一、视液镜、单向阀14、干燥过滤器13、热力膨胀阀5、室外蒸发器10、四通换向阀2、气液分离器和涡旋式压缩机1入口完成整个循环。室外蒸发器10吸收的热量分别传递给冷凝器3和相变蓄热器11。

如图4所示：系统相变蓄热器处于放热工作状态时，系统的循环路径包括主路循环和补气循环。系统的主路循环路径为涡旋式压缩机1出口、油分离器12、四通换向阀2、电磁阀F1、冷凝器3、电磁阀F2、相变蓄热器11内的盘管换热器一、视液镜、单向阀14、干燥过滤器13、热力膨胀阀5、室外蒸发器10、四通换向阀2、气液分离器9和涡旋式压缩机1入口形成主路循环；系统的补气回路循环路径为涡旋式压缩机1出口、油分离器12、四通换向阀2、电磁阀F1、冷凝器3、电磁阀F3、干燥过滤器13、热力膨胀阀6、相变蓄热器11内盘管换热器二、气液分离器16和涡旋式压缩机1补气口形成补气回路循环。此时，相变蓄热器相当于整个热泵系统的辅助蒸发器，将蓄存的热量释放给制冷剂，使一部分冷剂蒸发。

如图5所示：系统相变蓄热器处于除霜工作状态时，系统的循环路径为涡旋式压缩机1出口、油分离器12、四通换向阀2、室外蒸发器10、单向阀5、干燥过滤器13、热力膨胀阀4、视液镜8、相变蓄热器11内盘管换热器一、电磁阀F4、四通换向阀2、气液分离器9和涡旋式压缩机1入口形成辅助循环回路。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明实质和原理的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种相变蓄热空气源热泵热水机组，其特征在于：包括涡旋式压缩机、油分离器、多个气液分离器、四通换向阀、多个电磁阀、多个单向阀、套管冷凝器、水箱、相变蓄热器、蒸发器、干燥过滤器、视液镜、多个热力膨胀阀，所述涡旋式压缩机设有吸气口、补气口及排气口，所述吸气口与所述蒸发器管路连接，所述补气口与所述相变蓄热器管路连接，所述排气口与所述套管冷凝器管路连接；所述相变蓄热器由保温钢制外壳、相变蓄热介质和两个盘管换热器组成，当环境温度高于平衡点温度时，所述相变蓄热器蓄热，冷剂蒸汽只由所述蒸发器产生；当环境温度低于平衡点温度时，所述相变蓄热器放热，成为蓄热蒸发器，放出蓄存的热量使一部分冷剂液体蒸发，蒸发温度10℃-12℃，冷剂蒸汽分别由所述蒸发器和蓄热器产生，所述盘管换热器一进口与所述套管冷凝器管路相连，出口通过一个热力膨胀阀与所述蒸发器管路连接，所述盘管换热器二进口与所述盘管换热器一进口管路连接的不同的一个热力膨胀阀管路连接，出口与所述涡旋式压缩机的补气口管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种相变蓄热空气源热泵热水机组，其特征在于：所述相变蓄热器的相变蓄热介质主材料为Na₂SO₄·10H₂O，硼砂、聚酯纤维素、木屑作为辅助材料。