CN103591663B - 一种基于能源塔的冬夏双高效热泵空调系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能源塔的冬夏双高效热泵空调方法及系统，该系统包括蒸气压缩循环回路、喷淋水循环回路、闭式空气循环回路、溶液循环回路、防冻液循环回路和冷却水循环回路。该装置运行分为冬季运行模式和夏季运行模式：冬季，系统为典型的热源塔热泵系统运行，四个填料塔中防冻液从空气中吸热升温后进入室外机释放热量；夏季，为基于冷却塔的蒸汽压缩式制冷系统和溶液除湿蒸发过冷系统，第一、二、三填料塔用于溶液除湿蒸发冷却系统，第四填料塔作为常规冷却塔运行为冷凝器提供冷却水。实现热源塔热泵系统夏季闲置填料塔的合理利用，实现冬夏双高效的热泵空调。

Description

一种基于能源塔的冬夏双高效热泵空调系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于能源塔的冬夏双高效热泵空调系统，是一种闲置填料塔合理利用的方法及装置，属于热源塔热泵、溶液除湿、间接蒸发冷却的技术领域。

背景技术

由于化石能源的日渐枯竭，能源问题已经成为制约经济发展的重要瓶颈，而随着生活水平的不断提高，人们对居住、工作环境的舒适性要求也越来越高，建筑制冷和供暖需求越来越大，建筑能源消耗所占比重不断增大，因此,实现建筑空调系统的节能已成为缓解能源紧张问题的重要途径。

热源塔热泵系统是为解决水冷冷水机组冬季闲置和空气源热泵冬季制热存在的结霜问题而提出的。热源塔技术即在冬季工况下，利用冷却塔从空气中反向吸热，将环境空气作为热泵系统的热源的技术。该技术解决了空气源热泵的结霜问题，且运行费用比空气源热泵低，投资显著低于地源热泵且不受水文条件的限制，此系统在南方得到一定程度的应用。然而，热源塔热泵系统冬季运行所需填料塔的数量多于夏季运行所需填料塔的数量，夏季运行时，多余的填料塔闲置，造成了资源的浪费。

溶液除湿蒸发冷却制冷空调由于驱动热源温度低、系统结构简单、蓄能密度高且易于实施等优势逐渐受到许多专家学者乃至商业界的重视。溶液除湿蒸发冷却方法是一种兼有环保和节能特征的制冷方法，无污染以水作为制冷剂，通过蒸发冷却实现降温。溶液除湿蒸发冷却系统的核心部件为除湿器和再生器，而除湿器、再生器常采用填料塔与空气进行热质交换。

从上述分析可知，二者具有较好的互补性，因此，研究新型、高效的热源塔热泵系统闲置填料塔的利用方法具有很重要的意义。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于能源塔的冬夏双高效热泵空调系统及方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于能源塔的冬夏双高效热泵空调系统，该系统包括蒸气压缩循环回路、喷淋水循环回路、闭式空气循环回路、溶液循环回路、防冻液循环回路和冷却水循环回路，其中：所述蒸气压缩循环回路包括蒸发器（冷凝器）、四通换向阀、压缩机、溶液加热器、冷凝器（蒸发器）、过冷器和节流阀，所述蒸发器（冷凝器）的右侧输出端依次与四通换向阀、压缩机、溶液加热器、冷凝器（蒸发器）右侧输入端连接；所述冷凝器（蒸发器）左侧输出端依次与过冷器、节流阀、蒸发器（冷凝器）的左侧输入端连接；所述喷淋水循环回路与蒸气压缩循环回路共用过冷器，还包括第一填料塔、第一阀门和循环水泵，所述第一填料塔下部输出端依次通过第一阀门、循环水泵、过冷器与第一填料塔右侧输入端连接；所述闭式空气循环回路与喷淋水循环回路共用第一填料塔，还包括第二阀门、第一风机、第二填料塔、第三阀门，所述第一填料塔上部输出端通过第二阀门、第一风机与第二填料塔的左侧输入端连接；所述第二填料塔的上部输出端通过第三阀门与第一填料塔的左侧输入端连接；所述溶液循环回路与空气循环回路共用第二填料塔，与蒸气压缩循环回路共用溶液加热器，还包括第八阀门、溶液泵、溶液热交换器、第九阀门、第三填料塔、第三风机、第十阀门、冷却器和第十一阀门，所述第二填料塔下部输出端依次与第八阀门、溶液泵、溶液热交换器、第九阀门、第三填料塔的左上侧输入端连接；所述第三填料塔下部输出端依次与第十阀门、溶液热交换器、冷却器、第十一阀门、第二填料塔右侧输入端连接；第三风机与第三填料塔的左下侧输入端连接；所述防冻液循环回路与蒸气压缩循环回路共用冷凝器（蒸发器），还包括第一填料塔、第四阀门、第五阀门、第二风机、第十二阀门、第二填料塔、第一风机、第六阀门、第七阀门、第十三阀门、第三填料塔、第三风机、第十四阀门、循环泵、第十五阀门、第十六阀门、第十七阀门、第四填料塔和第四风机，所述冷凝器（蒸发器）左上侧输出端分四路：一路通过第十五阀门、第一填料塔、第十二阀门、循环泵与冷凝器（蒸发器）右上侧输入端连接；一路通过第十六阀门、第二填料塔、第十三阀门、循环泵与冷凝器（蒸发器）右上侧输入端连接；一路通过第十七阀门、第三填料塔、第十四阀门、循环泵与冷凝器（蒸发器）右上侧输入端连接；一路通过第四填料塔、循环泵与冷凝器（蒸发器）右上侧输入端连接；第二风机通过第四阀门与第一填料塔左侧输入端连接，第一填料塔上部输出端通过第五阀门与外界接通；第一风机与第二填料塔左侧输入端连接，第二填料塔通过第六阀门、第七阀门与外界接通；第三风机与第三填料塔左下侧输入端连接；第四风机与第四填料塔左下侧输入端连接；所述冷却水循环回路与蒸气压缩循环回路共用冷凝器（蒸发器），还包括第四填料塔、第四风机、循环泵，所述冷凝器（蒸发器）左上侧输出端依次通过第四填料塔、循环泵与冷凝器（蒸发器）右上侧输入端连接。

一种基于上述装置实现能源塔冬夏双高效热泵冷空调方法，该方法分为冬季运行模式和夏季运行模式，其中所有阀门初始均处于关闭状态；夏季运行模式：四通换向阀处于断电状态，右位导通，打开第一阀门、第二阀门、第三阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门、第十一阀门，此时装置为溶液除湿蒸发过冷系统，第一填料塔中蒸发冷却产生冷水，使制冷剂过冷，第二填料塔和第三填料塔构成溶液除湿循环，为第一填料塔中提供干燥的空气，第四填料塔为冷凝器提供冷却水；冬季运行模式：四通换向阀处于通电状态，左位导通，打开第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第十二阀门、第十三阀门、第十四阀门、第十五阀门、第十六阀门、第十七阀门，此时装置为典型的热源塔热泵系统，冷凝器提供房间所需的热负荷，蒸发器中防冻液释放热量后，在第一填料塔、第二填料塔、第三填料塔和第四填料塔中重新获取热量。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点:1、此方法利用热源塔热泵系统夏季闲置的填料塔，通过溶液除湿蒸发冷却过程实现制冷剂的过冷，有效提高系统制冷系数COP；2、本装置利用夏季闲置的填料塔构建溶液除湿循环，运行稳定可靠，解决了填料塔的闲置问题，使闲置资源得以有效合理利用；3、本方法和装置为实现热源塔热泵系统中夏季闲置填料塔高效合理利用提供了一种可行的方法与方案，只需要将技术已经很成熟的热源塔热泵装置和溶液除湿蒸发冷却装置加以改造和升级即可实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，蒸发器/冷凝器1，四通换向阀2，压缩机3，溶液加热器4，冷凝器/蒸发器5，过冷器6，节流阀7，第一填料塔8，第一阀门9，循环水泵10，第二阀门11，第一风机12，第二填料塔13，第三阀门14，第四阀门15，第五阀门16，第二风机17，第六阀门18，第七阀门19，第八阀门20，溶液泵21，溶液热交换器22，第九阀门23，第三填料塔24，第三风机25，第十阀门26，冷却器27，第十一阀门28，第十二阀门29，第十三阀门30，第十四阀门31，循环泵32，第十五阀门33，第十六阀门34，第十七阀门35，第四填料塔36，第四风机37。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明公开了一种基于能源塔的冬夏双高效热泵空调方法及系统，该系统包括蒸气压缩循环回路、喷淋水循环回路、闭式空气循环回路、溶液循环回路、防冻液循环回路和冷却水循环回路。针对现有热源塔热泵系统存在夏季填料塔的闲置的问题，系统利用该闲置填料塔实现溶液除湿循环，并利用除湿蒸发冷却实现制冷剂的过冷，提高系统COP。该装置运行分为冬季运行模式和夏季运行模式：冬季，系统为典型的热源塔热泵系统运行，四个填料塔中防冻液从空气中吸热升温后进入室外机释放热量；夏季，为基于冷却塔的蒸汽压缩式制冷系统和溶液除湿蒸发过冷系统，第一、二、三填料塔用于溶液除湿蒸发冷却系统，第四填料塔作为常规冷却塔运行为冷凝器提供冷却水。实现热源塔热泵系统夏季闲置填料塔的合理利用，实现冬夏双高效的热泵空调。

如图1所示，本发明所述的系统包括蒸气压缩循环回路、喷淋水循环回路、闭式空气循环回路、溶液循环回路、防冻液循环回路和冷却水循环回路，其中：蒸气压缩循环回路包括蒸发器（冷凝器）1、四通换向阀2、压缩机3、溶液加热器4、冷凝器（蒸发器）5、过冷器6和节流阀7，蒸发器（冷凝器）1的右侧输出端依次与四通换向阀2、压缩机3、溶液加热器4、冷凝器（蒸发器）5右侧输入端连接；冷凝器（蒸发器）5左侧输出端依次与过冷器6、节流阀7、蒸发器（冷凝器）1的左侧输入端连接；喷淋水循环回路包括过冷器6、第一填料塔8、第一阀门9和循环水泵10，第一填料塔8下部输出端依次通过第一阀门9、循环水泵10、过冷器6与第一填料塔8右侧输入端连接；闭式空气循环回路包括第一填料塔8、第二阀门11、第一风机12、第二填料塔13、第三阀门14，第一填料塔8上部输出端通过第二阀门11、第一风机12与第二填料塔13的左侧输入端连接；第二填料塔13的上部输出端通过第三阀门14与第一填料塔8的左侧输入端连接；溶液循环回路包括第二填料塔13、溶液加热器4、第八阀门20、溶液泵21、溶液热交换器22、第九阀门23、第三填料塔24、第三风机25、第十阀门26、冷却器27和第十一阀门28，第二填料塔13下部输出端依次与第八阀门20、溶液泵21、溶液热交换器22、第九阀门23、第三填料塔24的左上侧输入端连接；第三填料塔24下部输出端依次与第十阀门26、溶液热交换器22、冷却器27、第十一阀门28、第二填料塔13右侧输入端连接；第三风机25与第三填料塔24的左下侧输入端连接；防冻液循环回路包括冷凝器（蒸发器）5、第一填料塔8、第四阀门15、第五阀门16、第二风机17、第十二阀门29、第二填料塔13、第一风机12、第六阀门18、第七阀门19、第十三阀门30、第三填料塔24、第三风机25、第十四阀门31、循环泵32、第十五阀门33、第十六阀门34、第十七阀门35、第四填料塔36和第四风机37，冷凝器（蒸发器）5左上侧输出端分四路：一路通过第十五阀门33、第一填料塔8、第十二阀门29、循环泵32与冷凝器（蒸发器）5右上侧输入端连接；一路通过第十六阀门34、第二填料塔13、第十三阀门30、循环泵32与冷凝器（蒸发器）5右上侧输入端连接；一路通过第十七阀门35、第三填料塔24、第十四阀门31、循环泵32与冷凝器（蒸发器）5右上侧输入端连接；一路通过第四填料塔36、循环泵32与冷凝器（蒸发器）5右上侧输入端连接；第二风机17通过第四阀门15与第一填料塔8左侧输入端连接，第一填料塔8上部输出端通过第五阀门16与外界接通；第一风机12与第二填料塔13左侧输入端连接，第二填料塔13通过第六阀门18、第七阀门19与外界接通；第三风机25与第三填料塔24左下侧输入端连接；第四风机37与第四填料塔36左下侧输入端连接；冷却水循环回路包括冷凝器（蒸发器）5、第四填料塔36、第四风机37、循环泵32，冷凝器（蒸发器）5左上侧输出端依次通过第四填料塔36、循环泵32与冷凝器（蒸发器）5右上侧输入端连接。

本发明利用夏季热源塔热泵系统中闲置的填料塔，构建溶液除湿循环，通过蒸发冷却实现制冷剂的过冷，从而提高系统COP，同时实现闲置填料塔的合理利用；系统的运行分为冬季运行模式和夏季运行模式，其中所有阀门初始均处于关闭状态；夏季运行模式：四通换向阀2处于断电状态，右位导通，打开第一阀门9、第二阀门11、第三阀门14、第八阀门20、第九阀门23、第十阀门26、第十一阀门28，此时装置为溶液除湿蒸发过冷系统，第一填料塔8中蒸发冷却产生冷水，使制冷剂过冷，第二填料塔13和第三填料24塔构成溶液除湿循环，为第一填料塔8中提供干燥的空气，第四填料塔36为冷凝器（蒸发器）5提供冷却水；冬季运行模式：四通换向阀2处于通电状态，左位导通，打开第四阀门15、第五阀门16、第六阀门18、第七阀门19、第十二阀门29、第十三阀门30、第十四阀门31、第十五阀门33、第十六阀门34、第十七阀门35，此时装置为典型的热源塔热泵系统，蒸发器（冷凝器）1提供房间所需的热负荷，冷凝器（蒸发器）5中防冻液释放热量后，在第一填料塔8、第二填料塔13、第三填料塔24和第四填料塔36中重新获取热量。

本发明的技术方案是将热源塔热泵系统和溶液除湿蒸发冷却系统加以改造，通过详细计算各填料塔所需尺寸并辅以辅助功能部件即可实现。

Claims (2)

1.一种基于能源塔的冬夏双高效热泵空调系统，其特征在于：该系统包括蒸气压缩循环回路、喷淋水循环回路、闭式空气循环回路、溶液循环回路、防冻液循环回路和冷却水循环回路，其中：

所述蒸气压缩循环回路包括蒸发器/冷凝器(1)、四通换向阀(2)、压缩机(3)、溶液加热器(4)、冷凝器/蒸发器(5)、过冷器(6)和节流阀(7)，所述蒸发器/冷凝器(1)的右侧输出端依次与四通换向阀(2)、压缩机(3)、溶液加热器(4)、冷凝器/蒸发器(5)的右侧输入端连接；所述冷凝器/蒸发器(5)左侧输出端依次与过冷器(6)和节流阀(7)、蒸发器/冷凝器(1)的左侧输入端连接；

所述喷淋水循环回路与蒸气压缩循环回路共用过冷器(6)，喷淋水循环回路还包括第一填料塔(8)、第一阀门(9)和循环水泵(10)，所述第一填料塔(8)下部输出端依次通过第一阀门(9)、循环水泵(10)、过冷器(6)与第一填料塔(8)右侧输入端连接；

所述闭式空气循环回路与喷淋水循环回路共用第一填料塔(8)，闭式空气循环回路还包括第二阀门(11)、第一风机(12)、第二填料塔(13)、第三阀门(14)，所述第一填料塔(8)上部输出端通过第二阀门(11)、第一风机(12)与第二填料塔(13)的左侧输入端连接；所述第二填料塔(13)的上部输出端通过第三阀门(14)与第一填料塔(8)的左侧输入端连接；

所述溶液循环回路与空气循环回路共用第二填料塔(13)，与蒸气压缩循环回路共用溶液加热器(4)，还包括第八阀门(20)、溶液泵(21)、溶液热交换器(22)、第九阀门(23)、第三填料塔(24)、第三风机(25)、第十阀门(26)、冷却器(27)和第十一阀门(28)，所述第二填料塔(13)下部输出端依次与第八阀门(20)、溶液泵(21)、溶液热交换器(22)、第九阀门(23)、第三填料塔(24)的左上侧输入端连接；所述第三填料塔(24)下部输出端依次与第十阀门(26)、溶液热交换器(22)、冷却器(27)和第十一阀门(28)、第二填料塔(13)右侧输入端连接；第三风机(25)与第三填料塔(24)的左下侧输入端连接；

所述防冻液循环回路与蒸气压缩循环回路共用冷凝器/蒸发器(5)，防冻液循环回路还包括第一填料塔(8)、第四阀门(15)、第五阀门(16)、第二风机(17)、第十二阀门(29)、第二填料塔(13)、第一风机(12)、第六阀门(18)、第七阀门(19)、第十三阀门(30)、第三填料塔(24)、第三风机(25)、第十四阀门(31)、循环泵(32)、第十五阀门(33)、第十六阀门(34)、第十七阀门(35)、第四填料塔(36)和第四风机(37)，所述冷凝器/蒸发器(5)左上侧输出端分四路：

第一路通过第十五阀门(33)、第一填料塔(8)、第十二阀门(29)、循环泵(32)与冷凝器/蒸发器(5)右上侧输入端连接；

第二路通过第十六阀门(34)、第二填料塔(13)、第十三阀门(30)、循环泵(32)与冷凝器/蒸发器(5)右上侧输入端连接；

第三路通过第十七阀门(35)、第三填料塔(24)、第十四阀门(31)、循环泵(32)与冷凝器/蒸发器(5)右上侧输入端连接；

第四路通过第四填料塔(24)、循环泵(32)与冷凝器/蒸发器(5)右上侧输入端连接；

第二风机(17)通过第四阀门(15)与第一填料塔(8)左侧输入端连接，第一填料塔(8)上部输出端通过第五阀门(16)与外界接通；第一风机(12)与第二填料塔(13)左侧输入端连接，第二填料塔(13)通过第六阀门(18)、第七阀门(19)与外界接通；第三风机(25)与第三填料塔(24)左下侧输入端连接；第四风机(37)与第四填料塔(36)左下侧输入端连接；

所述冷却水循环回路与蒸气压缩循环回路共用冷凝器/蒸发器(5)，还包括第四填料塔(36)、第四风机(37)、循环泵(32)，所述冷凝器/蒸发器(5)左上侧输出端依次通过第四填料塔(36)、循环泵(32)与冷凝器/蒸发器(5)右上侧输入端连接。

2.一种如权利要求1所述的基于能源塔的冬夏双高效热泵空调系统的运行方法，其特征在于：该方法的运行分为冬季运行模式和夏季运行模式，其中所有阀门初始均处于关闭状态；

夏季运行模式：四通换向阀(2)处于断电状态，右位导通，打开第一阀门(9)、第二阀门(11)、第三阀门(14)、第八阀门(20)、第九阀门(23)、第十阀门(26)、第十一阀门(28)，此时为溶液除湿蒸发过冷系统，第一填料塔(8)中蒸发冷却产生冷水，使制冷剂过冷，第二填料塔(13)和第三填料塔(24)构成溶液除湿循环，为第一填料塔(8)中提供干燥的空气，第四填料塔(36)为冷凝器提供冷却水；

冬季运行模式：四通换向阀(2)处于通电状态，左位导通，打开第四阀门(15)、第五阀门(16)、第六阀门(18)、第七阀门(19)、第十二阀门(29)、第十三阀门(30)、第十四阀门(31)、第十五阀门(33)、第十六阀门(34)、第十七阀门(35)，此时为的热源塔热泵系统，冷凝器提供房间所需的热负荷，蒸发器中防冻液释放热量后，在第一填料塔(8)、第二填料塔(13)、第三填料塔(24)和第四填料塔(36)中重新获取热量。