CN103047802A - 空气源热泵冬季除霜系统 - Google Patents

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陆建清
张磊
陈程
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本发明公开了一种空气源热泵冬季除霜系统 , 其特征在于:该系统包括地上机组制冷剂循环回路子系统、地源热水换热循环回路子系统和室内用户侧换热回路子系统;所述地上机组制冷剂循环回路子系统一端与室内用户侧换热回路子系统连接形成回路进行热量交换,所述地上机组制冷剂循环回路子系统另一端与地源热水换热循环回路子系统连接形成回路进行热量交换。该系统以热泵技术以及流体换热技术为基础,不仅能够提高空气源热泵冬季运行效率,而且能够对普通空气源热泵系统冬季室外蒸发器侧结霜的问题进行一定的解决,同时该系统还可以对低品位热能以供应日常生活热水和直接改善室内热湿环境两种方式加以利用,是一种既环保又绿色节能的供热形式。

Description

空气源热泵冬季除霜系统
技术领域
[0001] 本发明属于建筑节能与制冷工程领域,具体涉及一种利用地热能辅助空气源热泵来提高空气源热泵冬季运行性能并且能够自动除霜的系统。
背景技术
[0002] 空气源热泵是一种通过输入少量的高品位热源(电)来实现低品位热源向高品位热源进行供热的一种热泵空调系统装置。由于空气源热泵具有结构简单,运行成本较低等有点,被广泛应用于现代建筑中。空气源热泵是一种较为节能的冬季采暖方式,冬季供暖运行时,制冷剂在室外蒸发器侧盘吸收空气中的热量,再经压缩机压缩升温后进入室内室内冷凝器侧为用户提供热量或热水。但空气源热泵在冬季运行时,热泵系统运行的经济性和稳定性受环境温度的影响,其供热能力和供热系数随外界空气环境温度的降低而降低;同时,当外界环境温度降低到空气露点温度以下时,蒸发器外表面便会结霜,当室外温度低于-10°C时,结霜现象会造成换热效果的恶化。现常用的除霜技术,如“换向除霜”和“电加热除霜”等,虽能在一定程度控制蒸发器的结霜现象,但这以消耗大量的电能为代价,据有关资料研究发现,在环境温度为0°c,相对湿度为70%时,由于除霜作用多而消耗的电能可达压缩机耗电的12%。综上所述,优化空气源热泵系统设计,有效控制系统蒸发器外侧结霜,对提闻空气源热栗系统性能具有一定的研究价值和实际意义。
发明内容
[0003] 本发明目的是:提供一种利用地热能辅助空气源热泵冬季除霜的系统。
[0004] 该系统以热泵技术以及流体换热技术为基础,不仅能够提高空气源热泵冬季运行效率,而且能够对普通空气源热泵系统冬季室外蒸发器侧结霜的问题进行一定的解决,同时该系统还可以对低品位热能以供应日常生活热水和直接改善室内热湿环境两种方式加以利用,是一种既环保又绿色节能的供热形式。
[0005] 本发明的技术方案是:
一种空气源热泵冬季除霜系统,其特征在于,该系统包括地上机组制冷剂循环回路子系统、地源热水换热循环回路子系统和室内用户侧换热回路子系统;所述地上机组制冷剂循环回路子系统一端与室内用户侧换热回路子系统连接形成回路进行热量交换,所述地上机组制冷剂循环回路子系统另一端与地源热水换热循环回路子系统连接形成回路进行热量交换。
[0006] 进一步的,所述地上机组制冷剂循环回路子系统包括:压缩机、室内冷凝器、节流装置、套管换热器、室外蒸发器;
其中,所述室内冷凝器的管内制冷剂的出口与节流装置的进口连接,所述节流装置的出口与套管换热器的管内制冷剂进口连接,所述套管换热器的管内制冷剂出口与室外蒸发器的进口连接,所述室外蒸发器的出口与压缩机的进气口相连接,压缩机的排气出口连接室内冷凝器的管内制冷剂的进口;所述地上机组制冷剂换热循环子系统是整个系统的运行核心,决定着能量的转换与热 量的传递。[0007] 进一步的,所述地源热水换热循环回路子系统包括:套管换热器、地埋管换热器、 地埋管进口调节阀、地埋管出口调节阀地埋管循环水泵;其中,所述套管换热器的管壳侧介质(介质为水)出口经地埋管进口侧调节阀连接地埋 管换热器的进水口,所述地埋管换热器的出水口经地埋管出口侧调节阀连接接循环水泵, 所述随后循环水泵中的循环水出口连接套管换热器的管壳侧介质(介质为水)进口 ;为能源 节约考虑,在所述地埋管换热器的进出水管间还设置有压差旁通水管,所述压差旁通水管 上装有压差流量调节阀来控制,以应对室外气温或室内负荷变化导致的进入地埋管换热水 量的变化;在所述地埋管换热器的出水管还设有作为辅助系统的在定压装置和补水阀; 地源热水换热循环回路子系统通过循环介质收集地下土壤中的低品位热能,并将其传 递给空气源热泵系统的室外蒸发器,提高冬季运行工况下制冷剂的蒸发温度。[0008] 进一步的,所述室内用户侧换热回路子系统包括:室内冷凝器、调节阀、室内用户 侧水泵、室内用户热交换器或储热器;其中,所述室内冷凝器的壳侧出水口连接调节阀的进口,所述调节阀的出口连接室内 用户侧水泵的进口,所述室内用户侧水泵的出口与室内用户热交换器或储热器的进口相连 接,所述室内用户热交换器或储热器的出口接室内冷凝器的壳侧进水口。[0009] 所述室内用户侧换热回路子系统可为用户提供多种热量的利用方式,如将其作为 生活热水或实现室内空气直接循环换热改善室内热湿环境。[0010]地热能是一种蕴含量巨大的清洁能源,在冬季运行工况时,地埋管换热器收集的延米 换热量平均可达3(T60W/m,即使是在冬季极端天气工况下由于地表面至土壤内部传热存在 的延迟作用,地下埋管的换热量也不会即时发生变化,因此可以保证热泵系统在冬季工况 下运行的稳定性。[0011] 地源热泵是将地热能结合热泵联合运行的一种系统,通过地埋管换热系统提高循 环系统中制冷剂的温度,防止其机组外部结霜,从而有效的提高系统的COP (机组性能系 数),而且此系统还可以使用户侧所获得热能以生活热水和室内空气加热两种方式利用,是 一种既经济又绿色环保的热泵形式。根据地源热泵系统的热源形式,地源热泵系统分为土 壤源热泵系统、地下水源热泵和污水源热泵系统等形式;根据埋管敷设形式不同又可分为 垂直埋管系统、水平埋管系统和螺旋埋管系统等形式。这些系统无论是热源形式不同的还 是敷设方式不同的都都能有效提高制冷剂循环中制冷剂温度,避免机组室外蒸发器管外翅 片结霜的问题,同时,鉴于地热能自身全年稳定的特点,地下埋管换热器收集的地热能同蒸 发器侧所需的热量相匹配,这将能保证空气源热泵系统冬季工况下稳定运行。[0012] 本发明是地热能辅助空气源热泵冬季除霜系统。在冬季工况下联合运行地上机组 制冷剂循环系统、地源热水换热循环系统以及室内用户侧换热水系统,通过地埋管换热器 将地源热水换热循环系统中循环水加热,再通过套管换热器将热量传递给空气源热泵系统 中的管内制冷剂,提高制冷剂的蒸发温度,这样可以有效的控制室外蒸发器侧的结霜问题, 与此同时也提高了压缩机吸入口处制冷剂的蒸汽压力,进而提升了空气源热泵机组冬季运 行COP值,再者,通过室内用户侧换热循环可以将热量进行存储或者直接加以利用,以便错开高峰负荷,减少室外低温热源处的热负荷负担;而在晴朗天气状况下,室外气温较高,关 闭地源热水换热系统,可以作为传统空气源热泵系统运行,节省系统运行成本。[0013]本发明的优点是:本发明提供了一种借助地热能辅助空气源热泵冬季换热的系统,利用地下埋管换热器 收集地下土壤环境中低品位热能,用于提高蒸发器侧的蒸发温度,提高热泵系统冬季的运 行效率。[0014] 热泵系统中制冷剂走套管式换热器的管内,管外由地源热水换热循环系统中地埋 管内传热介质(水)的循环流动将地下土壤环境中的热量不断传递给制冷剂,地埋管内水的 温度由于地下土壤的恒温作用而高于室外空气的露点温度,可以有效的控制室外蒸发器侧 的结霜问题。[0015] 本系统相对于传统空气源热泵能够更好的解决冬季运行工况的除霜难问题,而机 组构造本身增加了一套地下埋管换热装置,并且对于纯粹使用地源热泵换热机组的系统而 言其经济性优势明显,对于建筑改造方面前景广阔,能最大限度地对原有热泵系统进行利 用。附图说明[0016] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:图1为本发明空气源热泵冬季除霜系统的原理图其中:1、压缩机,2、室内冷凝器,3、节流装置,4、套管换热器,5、室外蒸发器,6、地埋管 换热器,7a、地埋管进口调节阀,7b、地埋管出口调节阀,8、地埋管循环水泵,9、调节阀,10、 室内用户侧水泵,11、室内用户热交换器或储热器,12、定压装置,13、补水阀,14a、压差旁通 水管,14b、压差流量调节阀。具体实施方式[0017] 实施例:以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解,这些实施例是用于说明本发 明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体工程的条件做进一 步调整,未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。[0018] 如图1所示,空气源热泵冬季除霜系统的装置包括:压缩机1、室内冷凝器2、节流装置3、套管换热 器4、室外蒸发器5、地埋管换热器6、地埋管进口调节阀7a、地埋管出口调节阀7b、地埋管循 环水泵8、室内用户侧的调节阀9、室内用户侧水泵10、室内用户热交换器或储热器11 ;其中包括依次由压缩机1、冷凝器2、节流装置3、套管换热器4、室外蒸发器5串联组成 的地上机组制冷剂循环回路子系统;依次由套管换热器4、地埋管进口调节阀7a、地埋管换热器6、地埋管出口调节阀7b、地 埋管循环水泵8依次串联组成的地源热水换热循环回路子系统,辅以压差流量调节阀14、 定压装置12和补水阀13作为辅助系统;依次由冷凝器2、调节阀9、室内用户侧水泵10、室内用户热交换器或储热器11依次串联组成的室内用户侧换热回路子系统。[0019] 地上机组制冷剂循环回路中:从压缩机I出来的高温高压制冷剂蒸汽经过室内冷 凝器2向室内传热,在这过程中可以对室内空气直接换热改善室内热湿环境或者是存储于 储热器中,制冷剂蒸汽在等压条件下液化变为处于饱和或者过冷状态的液态制冷剂,随后 进入节流装置3经过绝热节流后变为汽液混合物,之后制冷剂流入套管式换热器4的管内 侧吸收管外工质的热量后蒸发变为低温低压的制冷剂气体,再由压缩机吸入低温低压的制 冷剂气体,以此完成一个循环;在地源热水换热循环回路中:循环流体(水)在套管式换热器4的管外侧将热量传递给 管内侧制冷剂,随后进入地下埋管换热器6,在地下埋管内吸收地下土壤环境中的低品位热 能后升温,经地埋管进口调节阀7a、地埋管出口调节阀7b和循环水泵8作用送入套管换热 器4继续与管内侧制冷剂进行换热,以此完成一个循环;在地埋管进出水管间设压差旁通 水管14a,辅以压差流量调节阀14b控制,以应对室外气温或室内负荷变化导致的进入地埋 管换热水量的变化,另设定压装置12及补水阀13作为辅助系统。[0020] 室内用户侧换热回路中:系统运行过程中,室内用户热交换器或储热器11中的水 经过用户侧冷凝器2,将系统冷凝器侧传递的热量带走存储,经过室内用户侧的调节阀9和 室内用户侧水泵10后将热量储存在蓄热水箱中,可以作为生活热水加以利用,或者直接对 室内空气换热改善室内热湿环境。[0021]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员 应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明 的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进,这些变化和 改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1. 一种空气源热泵冬季除霜系统,其特征在于,该系统包括地上机组制冷剂循环回路子系统、地源热水换热循环回路子系统和室内用户侧换热回路子系统;所述地上机组制冷剂循环回路子系统一端与室内用户侧换热回路子系统连接形成回路进行热量交换,所述地上机组制冷剂循环回路子系统另一端与地源热水换热循环回路子系统连接形成回路进行热量交换。
2.根据权利要求1所述的空气源热泵冬季除霜系统,其特征在于,所述地上机组制冷剂循环回路子系统包括:压缩机(I)、室内冷凝器(2)、节流装置(3)、套管换热器(4)、室外蒸发器(5);其中,所述室内冷凝器(2)的管内制冷剂的出口与节流装置(3)的进口连接,所述节流装置(3)的出口与套管换热器(4)的管内制冷剂进口连接,所述套管换热器(4)的管内制冷剂出口与室外蒸发器(5 )的进口连接,所述室外蒸发器(5 )的出口与压缩机(I)的进气口相连接,压缩机(I)的排气出口连接室内冷凝器(2)的管内制冷剂的进口。
3.根据权利要求2所述的空气源热泵冬季除霜系统,其特征在于,所述地源热水换热循环回路子系统包括:套管换热器(4)、地埋管换热器(6)、地埋管进口调节阀(7a)、地埋管出口调节阀(7b )和地埋管循环水泵(8 );其中,所述套管换热器(4)的管壳侧介质出口经地埋管进口侧调节阀(7a)连接地埋管换热器(6)的进水口,所述地埋管换热器(6)的出水口经地埋管出口侧调节阀(7b)连接接循环水泵(8),所述随后循环水泵(8)中的循环水出口连接套管换热器(4)的管壳侧介质进口 ;在所述地埋管换热器(6)的进出水管间还设置有压差旁通水管(14a),所述压差旁通水管(14a)上装有压差流量调节阀(14b);在所述地埋管换热器(6)的出水管还设有作为辅助系统的在定压装置(12)和补水阀(13)。
4.根据权利要求3所述的空气源热泵冬季除霜系统,其特征在于,所述室内用户侧换热回路子系统包括:室内冷凝器(2)、调节阀(9)、室内用户侧水泵(10)、室内用户热交换器或储热器(11);其中,所述室内冷凝器(2)的壳侧出水口连接调节阀(9)的进口,所述调节阀(9)的出口连接室内用户侧水泵(10)的进口,所述室内用户侧水泵(10)的出口与室内用户热交换器或储热器(11)的进口相连接,所述室内用户热交换器或储热器(11)的出口接室内冷凝器(2)的壳侧进水口。
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