CN104676937B - 一种低温空气源地源双源热泵机组及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温空气源地源双源热泵机组及其控制方法，旨在解决低温环境下空气源热泵制热能力衰减和地源热泵土壤吸排热不平衡问题，包括低压压缩机、高压压缩机、四通换向阀、制冷剂‑水换热器、制冷剂‑空气换热器、制冷剂‑地源水换热器、一级膨胀阀和二级膨胀阀，制冷剂‑空气换热器用于和室外空气进行热交换，制冷剂‑地源水换热器用于和土埋管中的循环水进行热交换，制冷剂‑水换热器用于和用户循环水进行热交换。调整四通换向阀可以使热泵机组处于制热和制冷两种状态，本发明的热泵机组既可有效利用空气作为辅助热源，解决土壤吸排热不平衡问题，又可以解决空气源热泵冬季供热运行效率低、运行稳定性和可靠性差等技术难题，达到提高机组能效比和运行可靠性的目的。

Description

一种低温空气源地源双源热泵机组及其控制方法
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，尤其涉及一种低温空气源地源双源热泵机组及其控制方法。
背景技术
当前，能源紧缺与环境污染已经成为制约全球可持续发展的两个突出问题，引起世界各国越来越广泛的关注。另外，随着社会的发展和人民生活水平的提高，用于采暖空调及制取生活用热水方面的能耗占能源总量的比例越来越大。为此，大力开发和有效利用可再生能源已成为各国的优先发展战略。空气中的能源和地能用于采暖、空调符合“温度对口、梯级利用”的科学用能原则，属于可再生清洁能源，拥有巨大的应用市场和前景，其开发和有效利用越来越受到广泛的重视。
空气源热泵以空气作为冷热源，结构简单，安装使用方便，可以充分利用空气中的能源，是一种高效、节能的空调设备。但在冬季室外气温过低时，空气源热泵系统蒸发温度过低，COP急剧下降，系统能耗升高，甚至不能正常启动，不能满足正常供暖要求。
地源热泵系统主要利用储存于地表浅层近乎于无限、不受地域限制的低焓热能，属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点。但我国由于巨大的地域差异，使得大部分地区的建筑物在一年之中的冷、热负荷相差甚大，造成土壤吸、排热不平衡，无法保证地源热泵系统的高效节能，不利于热泵的长期稳定运行，也会对生态环境造成一定影响。
现有技术中已存在多种类型的双源热泵机组，同时使用空气源和地源作为冷热源，一般包括风冷热泵装置和水源热泵装置，和一个可为用户提供循环水的外部水循环装置，和一个可在风冷热泵装置的第二换热器与水源热泵装置的蒸发器之间形成水循环的内部水循环装置。当室外温度低于-5℃时，风冷热泵的第二换热器起冷凝器作用，其产生的热水作为水源热泵的低温热源，在室外温度低于-10℃时，系统仍可以正常稳定运行，但该类型的双源热泵机组是通过风冷热泵和水源热泵两级串联产生高温热水，没有解决低温环境风冷热泵机组制热能力衰减和可靠性问题，系统效率低。
现有技术中还存在另一种类型的双源热泵装置，利用一个气-液双源复合式换热器，该换热器设计了空气和水两种介质通道，可同时利用地能和空气两种资源。但是该复合式换热器的两种介质采用同一蒸发温度，在低温环境下空气介质通道蒸发能力衰减，不仅无法吸收空气中的热量，甚至还会恶化水介质通道的蒸发吸热。
发明内容
针对上述现有技术的缺点和不足，本发明旨在解决低温环境下空气源热泵制热能力衰减和地源热泵土壤吸排热不平衡问题，充分利用现有空气源热泵及地源热泵的成熟技术和优点，而提供一种新型的低温空气源地源双源热泵机组及其控制方法。本发明的热泵机组既可有效利用空气作为辅助热源，解决土壤吸排热不平衡问题，又可以解决空气源热泵冬季供热运行效率低、运行稳定性和可靠性差等技术难题，达到提高机组能效比和运行可靠性的目的。
本发明所述问题是由以下方案解决的：
一种新型低温空气源地源双源热泵机组，包括低压压缩机、高压压缩机、四通换向阀、制冷剂-水换热器、制冷剂-空气换热器、制冷剂-地源水换热器、一级膨胀阀和二级膨胀阀，其特征在于，
所述低压压缩机包括一个吸气口和一个排气口，所述高压压缩机包括吸气口Ⅰ、吸气口Ⅱ和一个排气口，所述低压压缩机的排气口与所述高压压缩机的吸气口Ⅰ连通，
所述制冷剂-水换热器包括制冷剂侧部分和水侧部分，
所述制冷剂-地源水换热器包括制冷剂侧部分和地源水侧部分，
所述制冷剂-空气换热器包括制冷剂侧部分和空气侧部分，
所述四通换向阀包括四个接口，分别为接口Ⅰ、接口Ⅱ、接口Ⅲ和接口Ⅳ，接口Ⅰ、接口Ⅱ分别与所述高压压缩机的吸气口Ⅱ、排气口连通，接口Ⅲ经制冷剂管路与所述制冷剂-水换热器的制冷剂侧部分的一端连通，接口Ⅳ经制冷剂管路与所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分的一端连通，
其中，
所述制冷剂-水换热器的制冷剂侧部分的另一端与所述一级膨胀阀的一端连通，所述一级膨胀阀的另一端连通两个并联的制冷剂流路，其中一个制冷剂流路经所述二级膨胀阀、所述制冷剂-空气换热器的制冷剂侧部分后与所述低压压缩机的吸气口连通，另一个制冷剂流路经所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分与所述四通换向阀的接口Ⅳ连通；
所述制冷剂-水换热器的水侧部分的两端与用户循环水管路连通；
所述制冷剂-地源水换热器的地源水侧部分的两端与土埋管中的地源水循环管路连通。
优选地，所述制冷剂-空气换热器的制冷剂侧部分的两端均设置有控制阀。
优选地，所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分的两端均设置有控制阀。
优选地，本发明的新型低温空气源地源双源热泵机组，包括制热模式和制冷模式。
进一步地，当所述双源热泵机组处于制热模式时，所述低压压缩机和高压压缩机同时运行，所有制冷剂管路上的控制阀均处于开启状态，所述四通换向阀的接口Ⅱ与接口Ⅲ连通，所述四通换向阀的接口Ⅰ与接口Ⅳ连通，所述高压压缩机排出的高压制冷剂气体经所述四通换向阀通入所述制冷剂-水换热器和用户循环水进行热交换后进入一级膨胀阀，之后分成两路，一路经二级膨胀阀进一步膨胀后进入所述制冷剂-空气换热器，另一路进入制冷剂-制冷剂-地源水换热器，所述制冷剂-空气换热器出口制冷剂气体进入低压压缩机，所述制冷剂-地源水换热器出口制冷剂气体经四通换向阀后进入高压压缩机。
进一步地，当所述双源热泵机组处于制冷模式时，所述四通换向阀的接口Ⅱ与接口Ⅳ连通，所述四通换向阀的接口Ⅰ与接口Ⅲ连通，所述制冷剂-空气换热器的制冷剂侧部分两端的控制阀处于关闭状态，所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分两端的控制阀处于开启状态，所述低压压缩机停止，高压压缩机运行，所述高压压缩机出口制冷剂气体经四通换向阀后进入所述制冷剂-地源水换热器和地源水热交换，所述制冷剂-地源水换热器出口的制冷剂经所述一级膨胀阀膨胀后进入所述制冷剂-水换热器，和用户循环水进行热交换后经四通换向阀进入高压压缩机。
优选地，所述制冷剂-地源水换热器的地源水侧部分包括端口Ⅰ、Ⅱ，其中端口Ⅰ靠近所述一级膨胀阀，所述端口Ⅰ所连接的地源水循环管路包括并联的地源水管路Ⅰ、Ⅱ，地源水管路Ⅰ上设置有控制阀和抽水泵，地源水管路Ⅱ上设置有控制阀和供水泵。
进一步地，当所述双源热泵机组处于制热模式时，所述地源水管路Ⅰ上的控制阀和抽水泵均处于开启状态，所述地源水管路Ⅱ上的控制阀和供水泵均处于关闭状态。
进一步地，当所述双源热泵机组处于制冷模式时，所述地源水管路Ⅰ上的控制阀和抽水泵均处于关闭状态，所述地源水管路Ⅱ上的控制阀和供水泵均处于开启状态。
根据本发明的另一方面，还提供了一种利用本发明的低温空气源地源双源热泵机组进行制热和制冷的方法，其特征在于，所述方法包括制热模式和制冷模式，
--当所述双源热泵机组处于制热模式时，所述低压压缩机和高压压缩机同时运行，所有制冷剂管路上的控制阀均处于开启状态，所述四通换向阀的接口Ⅱ与接口Ⅲ连通，所述四通换向阀的接口Ⅰ与接口Ⅳ连通，所述高压压缩机排出的高压制冷剂气体经所述四通换向阀通入所述制冷剂-水换热器和用户循环水进行热交换后进入一级膨胀阀，之后分成两路，一路经二级膨胀阀进一步膨胀后进入所述制冷剂-空气换热器，另一路进入制冷剂-制冷剂-地源水换热器，所述制冷剂-空气换热器出口制冷剂气体进入低压压缩机，所述制冷剂-地源水换热器出口制冷剂气体经四通换向阀后进入高压压缩机；
--当所述双源热泵机组处于制冷模式时，所述四通换向阀的接口Ⅱ与接口Ⅳ连通，所述四通换向阀的接口Ⅰ与接口Ⅲ连通，所述制冷剂-空气换热器的制冷剂侧部分两端的控制阀处于关闭状态，所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分两端的控制阀处于开启状态，所述低压压缩机停止，高压压缩机运行，所述高压压缩机出口制冷剂气体经四通换向阀后进入所述制冷剂-地源水换热器和地源水热交换，所述制冷剂-地源水换热器出口的制冷剂经所述一级膨胀阀膨胀后进入所述制冷剂-水换热器，和用户循环水进行热交换后经四通换向阀进入高压压缩机。本发明的双源热泵机组采用双级压缩补气增焓技术，构建两级压缩热泵系统，低压压缩机吸入来自制冷剂-空气蒸发器的制冷剂气体，高压压缩机吸入来自制冷剂-水蒸发器的制冷剂气体和低压压缩机出口制冷剂气体，提高了压缩机的排气量，减小压缩比，具有更高的制热能力。在室外温度-15℃条件下制取65℃采暖热水，制热系数达3.0以上，解决了传统空气源热泵系统低温环境制热量小、制热效率低的难题。
本发明的新型低温空气源地源双源热泵机组，适用于我国严寒地区和寒冷地区，在室外温度-15℃条件下亦可以获得较高的制热系数，机组在冬季和夏季可以分别启动制热和制冷模式，制热模式下，制冷剂-水换热器从土壤中取热，制冷模式下，制冷剂-水换热器向土壤中排热，吸排热量的不平衡量由制冷剂-空气换热器调节，解决了地源热泵土壤吸排热不平衡问题，并保证了机组高效运行。
本发明的新型低温空气源地源双源热泵机组，在制热模式下，低压压缩机和高压压缩机同时运行，高压压缩机出口制冷剂气体经冷凝器冷凝后进入一级膨胀阀，之后分成两路，一路经二级膨胀阀进一步膨胀后进入制冷剂-空气蒸发器，另一路进入制冷剂-水蒸发器，制冷剂-空气蒸发器的蒸发温度为-0℃，从土壤中取热的制冷剂-水蒸发器的蒸发温度为7℃，经蒸发吸热以后，制冷剂-空气蒸发器出口制冷剂气体进入低压压缩机，制冷剂-水蒸发器出口制冷剂气体经四通换向阀后进入高压压缩机。
本发明的新型低温空气源地源双源热泵机组，在制冷模式下，低压压缩机停止，高压压缩机运行，高压压缩机出口制冷剂气体经四通换向阀后进入水-制冷剂，之后经一级膨胀阀膨胀后进入水-制冷剂蒸发器，蒸发器出口制冷剂气体经四通换向阀后进入高压压缩机。
本发明的新型低温空气源地源双源热泵机组，所述压缩机可以是开启式、半封闭式或封闭式的。低压压缩机有一个吸气口和一个排气口，高压压缩机有两个吸气口和一个排气口，一个吸气口吸收来自制冷剂-水蒸发器的制冷剂气体，另一个吸气口吸收来自低压压缩机出口制冷剂气体。
附图说明
图1本发明低温空气源地源双源热泵机组结构原理图(制热工况)；
图2本发明低温空气源地源双源热泵机组结构原理图(制冷工况)。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或者多个特定实施例。所描述的这些实施例仅是本发明的举例说明。此外，为了简明描述这些实施例，实际实现的所有特征可能未在本说明中全部描述。应该明白，在任何这种实际实现的开发中，与在任何工程或者设计项目中相同，为了实现开发者的特定目标，必须进行许多特定实现判定，诸如服从相关系统限制和相关商业限制，许多特定实现判定从一种实现到另一种实现可以变更。此外，应当明白，这种开发工作可能是复杂并且是耗时的，然而，尽管如此，开发工作对于受益于本公开的普通技术人员仍是从事设计、装配和制造的例行工作。
参看图1，本发明的低温空气源地源双源热泵机组包括电动机1、低压压缩机2、高压压缩机3、电动机4、四通换向阀5、制冷剂-地源水换热器6、一级膨胀阀7、控制阀8、制冷剂-空气换热器9、二级膨胀阀10、控制阀11、控制阀12、制冷剂-地源水换热器13、控制阀14、控制阀15、抽水泵16、控制阀17、水泵18及连接管路。制冷剂-空气换热器9采用翅片管式换热器，用于和室外空气进行热交换，制冷剂-地源水换热器13用于和土埋管中的循环水进行热交换，制冷剂-水换热器6用于和用户循环水进行热交换。四通换向阀5有四个进出口，分别为接口Ⅰ、接口Ⅱ、接口Ⅲ和接口Ⅳ，接口Ⅰ、接口Ⅱ分别与高压压缩机3的吸气口Ⅱ、排气口连通，接口Ⅲ经制冷剂管路与制冷剂-水换热器6的制冷剂侧部分的一端连通，接口Ⅳ经制冷剂管路与制冷剂-地源水换热器13的制冷剂侧部分的一端连通。制冷剂-水换热器6的制冷剂侧部分的另一端与一级膨胀阀7的一端连通，一级膨胀阀7的另一端连通两个并联的制冷剂流路，其中一个制冷剂流路经二级膨胀阀10、制冷剂-空气换热器9的制冷剂侧部分后与低压压缩机的吸气口连通，另一个制冷剂流路经制冷剂-地源水换热器13的制冷剂侧部分与四通换向阀5的接口Ⅳ连通；制冷剂-水换热器6的水侧部分的两端与用户循环水管路连通；制冷剂-地源水换热器13的地源水侧部分的两端与土埋管中的地源水循环管路连通。
调整四通换向阀5可以使热泵机组处于制热和制冷两种状态。
参看图1，在制热模式下，四通换向阀5的接口Ⅱ与接口Ⅲ连通，四通换向阀5的接口Ⅰ与接口Ⅳ连通，低压压缩机2和高压压缩机3同时运行，低压压缩机有一个吸气口和一个排气口，高压压缩机3有两个吸气口和一个排气口，制冷剂-空气换热器9出口的制冷剂气体进入低压压缩机的吸气口，经压缩后进入高压压缩机3的一个吸气口，另一个吸气口吸收来自制冷剂-地源水换热器13的制冷剂气体，两路制冷剂气体在高压压缩机3内混合并经高压压缩机3压缩后由高压压缩机的排气口排出。高压压缩机3出口制冷剂气体进入制冷剂-水换热器6和用户循环水进行热交换后进入一级膨胀阀7，之后分成两路，一路经二级膨胀阀10进一步膨胀后进入制冷剂-空气换热器9，另一路进入制冷剂-地源水换热器13，此时，控制阀8、11、12、14均处于开启状态，控制阀17关闭，水泵18停止，控制阀15开启、水泵16运行，驱动地埋管中循环水与制冷剂-地源水换热器13进行热交换。制冷剂-空气换热器9出口制冷剂气体进入低压压缩机，制冷剂-地源水换热器13出口制冷剂气体经四通换向阀5后进入高压压缩机3。
参看图2，在制冷模式下，四通换向阀5的接口Ⅱ与接口Ⅳ连通，四通换向阀5的接口Ⅰ与接口Ⅲ连通，低压压缩机停止，高压压缩机3运行，高压压缩机3出口制冷剂气体经四通换向阀5后进入制冷剂-地源水换热器13，制冷剂-空气换热器9的风机停止，控制阀8、11关闭，控制阀12、14开启，控制阀15关闭、水泵16停止，控制阀17开启，水泵18运行，驱动地埋管中循环水与制冷剂-地源水换热器13进行热交换。制冷剂-地源水换热器13出口的制冷剂经一级膨胀阀7膨胀后进入制冷剂-水换热器6，和用户循环水进行热交换后经四通换向阀5后进入高压压缩机3。
本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明可被授予专利的范围通过权利要求书限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的文字语言并无不同的结构元件，或者它们包括与权利要求书的文字语言无本质区别的等价结构元件，则此类其它示例意图处在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种低温空气源地源双源热泵机组，包括低压压缩机、高压压缩机、四通换向阀、制冷剂-水换热器、制冷剂-空气换热器、制冷剂-地源水换热器、一级膨胀阀和二级膨胀阀，其特征在于，
所述低压压缩机包括一个吸气口和一个排气口，所述高压压缩机包括吸气口Ⅰ、吸气口Ⅱ和一个排气口，所述低压压缩机的排气口与所述高压压缩机的吸气口Ⅰ连通，
所述制冷剂-水换热器包括制冷剂侧部分和水侧部分，
所述制冷剂-地源水换热器包括制冷剂侧部分和地源水侧部分，
所述制冷剂-空气换热器包括制冷剂侧部分和空气侧部分，
所述四通换向阀包括四个接口，分别为接口Ⅰ、接口Ⅱ、接口Ⅲ和接口Ⅳ，接口Ⅰ、接口Ⅱ分别与所述高压压缩机的吸气口Ⅱ、排气口连通，接口Ⅲ经制冷剂管路与所述制冷剂-水换热器的制冷剂侧部分的一端连通，接口Ⅳ经制冷剂管路与所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分的一端连通，
其中，
所述制冷剂-水换热器的制冷剂侧部分的另一端与所述一级膨胀阀的一端连通，所述一级膨胀阀的另一端连通两个并联的制冷剂流路，其中一个制冷剂流路经所述二级膨胀阀、所述制冷剂-空气换热器的制冷剂侧部分后与所述低压压缩机的吸气口连通，另一个制冷剂流路经所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分与所述四通换向阀的接口Ⅳ连通；
所述制冷剂-水换热器的水侧部分的两端与用户循环水管路连通；
所述制冷剂-地源水换热器的地源水侧部分的两端与土埋管中的地源水循环管路连通。
2.根据权利要求1所述的双源热泵机组，其特征在于，所述制冷剂-空气换热器的制冷剂侧部分的两端均设置有控制阀。
3.根据权利要求1所述的双源热泵机组，其特征在于，所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分的两端均设置有控制阀。
4.根据权利要求1所述的双源热泵机组，其特征在于，包括制热模式和制冷模式。
5.根据权利要求4所述的双源热泵机组，其特征在于，当所述双源热泵机组处于制热模式时，所述低压压缩机和高压压缩机同时运行，所有制冷剂管路上的控制阀均处于开启状态，所述四通换向阀的接口Ⅱ与接口Ⅲ连通，所述四通换向阀的接口Ⅰ与接口Ⅳ连通，所述高压压缩机排出的高压制冷剂气体经所述四通换向阀通入所述制冷剂-水换热器和用户循环水进行热交换后进入一级膨胀阀，之后分成两路，一路经二级膨胀阀进一步膨胀后进入所述制冷剂-空气换热器，另一路进入制冷剂-制冷剂-地源水换热器，所述制冷剂-空气换热器出口制冷剂气体进入低压压缩机，所述制冷剂-地源水换热器出口制冷剂气体经四通换向阀后进入高压压缩机。
6.根据权利要求4或5所述的双源热泵机组，其特征在于，当所述双源热泵机组处于制冷模式时，所述四通换向阀的接口Ⅱ与接口Ⅳ连通，所述四通换向阀的接口Ⅰ与接口Ⅲ连通，所述制冷剂-空气换热器的制冷剂侧部分两端的控制阀处于关闭状态，所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分两端的控制阀处于开启状态，所述低压压缩机停止，高压压缩机运行，所述高压压缩机出口制冷剂气体经四通换向阀后进入所述制冷剂-地源水换热器和地源水热交换，所述制冷剂-地源水换热器出口的制冷剂经所述一级膨胀阀膨胀后进入所述制冷剂-水换热器，和用户循环水进行热交换后经四通换向阀进入高压压缩机。
7.根据权利要求1所述的双源热泵机组，其特征在于，所述制冷剂-地源水换热器的地源水侧部分包括端口Ⅰ、Ⅱ，其中端口Ⅰ靠近所述一级膨胀阀，所述端口Ⅰ所连接的地源水循环管路包括并联的地源水管路Ⅰ、地源水管路Ⅱ，地源水管路Ⅰ上设置有控制阀和抽水泵，地源水管路Ⅱ上设置有控制阀和供水泵。
8.根据权利要求7所述的双源热泵机组，其特征在于，当所述双源热泵机组处于制热模式时，所述地源水管路Ⅰ上的控制阀和抽水泵均处于开启状态，所述地源水管路Ⅱ上的控制阀和供水泵均处于关闭状态。
9.根据权利要求7所述的双源热泵机组，其特征在于，当所述双源热泵机组处于制冷模式时，所述地源水管路Ⅰ上的控制阀和抽水泵均处于关闭状态，所述地源水管路Ⅱ上的控制阀和供水泵均处于开启状态。
10.一种利用权利要求1至9任一项所述的低温空气源地源双源热泵机组进行制热和制冷的方法，其特征在于，所述方法包括制热模式和制冷模式，
--当所述双源热泵机组处于制热模式时，所述低压压缩机和高压压缩机同时运行，所有制冷剂管路上的控制阀均处于开启状态，所述四通换向阀的接口Ⅱ与接口Ⅲ连通，所述四通换向阀的接口Ⅰ与接口Ⅳ连通，所述高压压缩机排出的高压制冷剂气体经所述四通换向阀通入所述制冷剂-水换热器和用户循环水进行热交换后进入一级膨胀阀，之后分成两路，一路经二级膨胀阀进一步膨胀后进入所述制冷剂-空气换热器，另一路进入制冷剂-制冷剂-地源水换热器，所述制冷剂-空气换热器出口制冷剂气体进入低压压缩机，所述制冷剂-地源水换热器出口制冷剂气体经四通换向阀后进入高压压缩机；
--当所述双源热泵机组处于制冷模式时，所述四通换向阀的接口Ⅱ与接口Ⅳ连通，所述四通换向阀的接口Ⅰ与接口Ⅲ连通，所述制冷剂-空气换热器的制冷剂侧部分两端的控制阀处于关闭状态，所述制冷剂-地源水换热器的制冷剂侧部分两端的控制阀处于开启状态，所述低压压缩机停止，高压压缩机运行，所述高压压缩机出口制冷剂气体经四通换向阀后进入所述制冷剂-地源水换热器和地源水热交换，所述制冷剂-地源水换热器出口的制冷剂经所述一级膨胀阀膨胀后进入所述制冷剂-水换热器，和用户循环水进行热交换后经四通换向阀进入高压压缩机。
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