CN105318466B - 一种蓄热型空气源热泵冷热水系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
一种蓄热型空气源热泵冷热水系统及其运行方法，属于热泵技术和制冷空调领域。该系统包括室外源侧、热泵主机、用户侧和蓄热模块；室外源侧包括载冷剂泵、风冷换热器和源侧阀门，所述的载冷剂泵出口通过管道依次连接风冷换热器和源侧阀门，然后通过热泵主机的第一液体冷却式换热器返回载冷剂泵的入口；蓄热侧主要包括第一阀门、第二阀门、蓄热箱、第三阀门和第四阀门；所述的蓄热箱一侧通过管道依次连接第一阀门和源侧的源侧阀门，然后通过第二阀门返回蓄热箱；另一侧通过管道依次连接第三阀门和用户侧的用户侧阀门，然后通过第四阀门返回蓄热箱。本发明可以大大降低冬季供热热泵系统容量，从而不仅降低了初投资，而且提高了热泵的运行效率。
Description
技术领域
本发明属于热泵技术和制冷空调领域，涉及一种蓄热型柔性空气源热泵系统。
背景技术
空气源热泵以兼顾制冷制热、结构紧凑、节能节水、使用安装方便等诸多优点在我国长江中下游、西南地区及华南地区得到了广泛的推广与应用。但是对于我国北方地区而言，由于以供热为主，保障极端恶劣天气下室内热负荷需求，热泵机组的容量选型较大，导致热泵系统大部分时间在部分负荷下运行，满负荷运行时间极少，因此效率低。因此，降低热泵选型容量，解决选型偏大问题，提高热泵运行效率，对于我国节能减排事业具有重要意义，也是扩大空气源热泵应用地域的必然要求。
中国专利(申请号CN01105718)公开了利用相变材料进行蓄热的热泵供热的技术方案。该方案在用电低谷时，利用电加热器加热相变蓄热装置中的相变材料，将热量蓄存，白天通过热泵系统将热量提取出来为房间供热。该系统可以节省运行电费，均衡城市用电负荷，但该技术方案未充分利用自然能源，因此并不节能。中国专利(申请号CN200410026453)提出了另一种相变蓄热热泵技术方案。该方案与上一方案的区别在于在相变蓄热装置中增加了冷凝换热盘管，可以充分利用冷凝热并蓄存起来。该系统缺点在于：当环境温度较高，但热泵冷凝热不满足相变材料蓄热要求或一段时间内需要大量热水时，该系统仍旧需要开启辅助电加热设备，导致系统的运行效率降低。中国专利(CN201420315932)公开了采用微通道换热和毛细管换热技术来提高热水器的换热效率的技术方案。该方案在系统型式上与专利(申请号CN200410026453)并无本质区别。中国专利(CN201410356791)公开了采用不同相变点的蓄热材料及冷水和冷媒换热管道组合形式的技术方案。该方案在蓄热装置的相变材料及结构型式上进行了改进。
上述蓄热型热泵系统复杂，初投资大，仍存在由于设计不合理导致的高能耗运维昂贵等问题，因此，研发具有结构简单、运行可靠、供热能力强、能耗水平低等特征的空气源热泵冷热水系统是改善供热的可靠性、舒适性和安全性的重要技术途径。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题和缺点，本发明提供了一种蓄热型空气源热泵冷热水系统及其运行方法，解决了冬季热泵供热容量选型偏大的问题，不仅降低了初投资，而且提高了热泵的运行效率。
本发明的具体技术方案如下：
一种蓄热型空气源热泵冷热水系统，包括热泵主机和用户侧；热泵主机包括压缩机、四通阀、第一液体冷却式换热器、膨胀阀以及第二液体冷却式换热器；用户侧包括用户、水泵和用户侧阀门；其特征在于：该系统还包括室外源侧和蓄热模块；室外源侧依次包括载冷剂泵、风冷换热器以及源侧阀门，所述的载冷剂泵出口通过管道依次连接风冷换热器和源侧阀门，源侧阀门的出口与第一液体冷却式换热器的冷却介质入口相连，载冷剂泵的入口与第一液体冷却式换热器的冷却介质出口相连；蓄热侧包括蓄热箱、第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门，所述的蓄热箱内部还包括换热盘管；所述的源侧阀门的进口通过第二阀门连接蓄热箱内换热盘管的进口，所述的源侧阀门的出口通过第一阀门连接蓄热箱内换热盘管的出口；所述的蓄热箱的进口通过第四阀门连接用户侧阀门的进口，所述的蓄热箱的出口通过第三阀门连接用户侧阀门的出口。
本发明所述的一种蓄热型空气源热泵冷热水系统，其特征在于：所述的蓄热箱是闭式蓄热箱或开式蓄热箱。
本发明所述的一种蓄热型空气源热泵冷热水系统，其特征在于：所述的蓄热箱采用的蓄热介质是水或相变材料或二者的混合物。
本发明所述的蓄热型空气源热泵冷热水系统的运行方法，其特征在于：所述的蓄热型空气源热泵冷热水系统的运行方法主要包括以下六种运行模式：
1)单源热泵供热模式：关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，打开源侧阀门和用户侧阀门；源侧载冷剂循环：载冷剂泵入口的低温载冷剂经过载冷剂泵进入风冷换热器，换热后经过源侧阀门进入热泵主机的第一液体冷却式换热器与低温低压的制冷剂进行换热，变成低温的载冷剂返回载冷剂泵的入口；热泵主机的制冷剂循环：压缩机入口的低温低压气态制冷剂经过压缩变成高温高压的气态制冷剂，接着经过四通阀流入第二液体冷却式换热器，经过冷凝放热后变成液态制冷剂，继续经过膨胀阀节流为低温低压的气液两相，然后进入第一液体冷却式换热器蒸发为气体，通过四通阀返回压缩机的入口，至此完成整个制冷循环；用户侧水循环：用户出口的低温水经过水泵进入热泵主机的第二液体冷却式换热器，与高温高压的制冷剂进行换热，然后通过用户侧阀门供给用户；
2)双源热泵供热模式：关闭第三阀门、第四阀门和源侧阀门，打开第一阀门、第二阀门和用户侧阀门；源侧载冷剂循环：载冷剂泵入口的低温载冷剂经过载冷剂泵进入风冷换热器，吸热后经过第二阀门进入蓄热箱内的换热盘管进行二次吸热，然后经过第一阀门进入热泵主机的第一液体冷却式换热器与低温低压制冷剂换热，变成低温载冷剂后返回载冷剂泵入口；热泵主机制冷剂循环以及用户侧水循环与单源热泵供热模式相同；
3)蓄热箱供热模式：关闭第一阀门、第二阀门、用户侧阀门和源侧阀门，打开第三阀门和第四阀门；此时停止源侧载冷剂循环和热泵主机制冷循环；用户侧水循环：用户出口的低温水经过水泵进入热泵主机的第二液体冷却式换热器，然后经过第四阀门进入蓄热箱进行吸热，变成高温水，经过第三阀门供给用户；
4)单源热泵+蓄热箱供热模式：关闭第一阀门、第二阀门和用户侧阀门，打开第三阀门、第四阀门和源侧阀门；源侧载冷剂循环以及热泵主机制冷剂循环与单源热泵供热模式相同；用户侧水循环与蓄热箱供热模式相同；
5)单源热泵+蓄热箱蓄热模式：关闭第一阀门、第二阀门和用户侧阀门，打开第三阀门、第四阀门和源侧阀门；此时用户没有热负荷，系统对蓄热箱进行蓄热；源侧载冷剂循环、热泵主机制冷剂循环以及用户侧水循环与单源热泵+蓄热箱供热模式相同；
6)供冷模式：关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，打开源侧阀门和用户侧阀门；源侧载冷剂循环：载冷剂泵入口的高温载冷剂经过载冷剂泵进入风冷换热器，换热后变成低温载冷剂，然后经过源侧阀门进入热泵主机的第一液体冷却式换热器与高温高压的制冷剂进行换热，变成高温的载冷剂返回载冷剂泵的入口；热泵主机的制冷剂循环：压缩机入口的低温低压气态制冷剂经过压缩变成高温高压的气态制冷剂，接着经过四通阀流入第一液体冷却式换热器，经过冷凝放热后变成液态制冷剂，继续经过膨胀阀节流为低温低压的气液两相，然后进入第二液体冷却式换热器蒸发为气体，通过四通阀返回压缩机的入口，至此完成整个制冷循环；用户侧水循环：用户出口的高温水经过水泵进入热泵主机的第二液体冷却式换热器，与低温低压的制冷剂进行换热，温度降低，然后通过用户侧阀门供给用户。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：
①相比相变蓄热，蓄热箱不仅成本低，而且大大降低了热泵的选型容量，不仅降低了初投资，而且降低了设备的闲置率，提高了运行效率。
②冬季运行性能显著改善：由于采用蓄热箱，改善了机组供热能力与负荷的不匹配性，保障了冬季极端恶劣工况下系统的供热能力，同时切换为源侧以后，不仅更加安全可靠，而且提高了系统的运行效率，降低运行能耗。
③结构简单、技术成熟：在现有空气源热泵的技术基础上利用载冷剂和水将源侧和用户侧连接起来，不仅有利于现有技术改造升级也有利于新设备的研发；另外，在蓄热模块中采用的各部件也是发展比较成熟的组件，技术可行性高。
附图说明
图1为本发明公开的系统原理及结构示意图。
图2为本发明的单源热泵供热模式的工作原理示意图。
图3为本发明的双源热泵供热模式的工作原理示意图。
图4为本发明的蓄热箱供热模式的工作原理示意图。
图5为本发明的单源热泵+蓄热箱供热模式的工作原理示意图。
图6为本发明的单源热泵+蓄热箱蓄热模式的工作原理示意图。
图7为本发明的供冷模式的工作原理示意图。
图1～图7中各部件的名称：1-源侧模块；11-载冷剂泵；12-风冷换热器；13-源侧阀门；2-热泵主机；21-压缩机；22-四通阀；23-第一液体冷却式换热器；24-膨胀阀；25-第二液体冷却式换热器；3-用户侧；31-用户；32-水泵；33-用户侧阀门；4-蓄热模块；41-第一阀门；42-第二阀门；43-蓄热箱；44-第三阀门；45-第四阀门；46-换热盘管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和运行模式作进一步阐述：
图1为本发明的原理及结构示意图，该系统包括热泵主机2和用户侧3；热泵主机2包括压缩机21、四通阀22、第一液体冷却式换热器23、膨胀阀24以及第二液体冷却式换热器25；用户侧3包括用户31、水泵32和用户侧阀门33；该系统还包括室外源侧1和蓄热模块4；室外源侧1依次包括载冷剂泵11、风冷换热器12以及源侧阀门13，所述的载冷剂泵11出口通过管道依次连接风冷换热器12和源侧阀门13，源侧阀门13的出口与第一液体冷却式换热器23的冷却介质入口相连，载冷剂泵11的入口与第一液体冷却式换热器23的冷却介质出口相连；蓄热侧4包括蓄热箱43、第一阀门41、第二阀门42、第三阀门44以及第四阀门45，所述的蓄热箱43内部还包括换热盘管46；所述的源侧阀门13的进口通过第二阀门42连接蓄热箱43内换热盘管46的进口，所述的源侧阀门13的出口通过第一阀门41连接蓄热箱43内换热盘管46的出口；所述的蓄热箱43的进口通过第四阀门45连接用户侧阀门33的进口，所述的蓄热箱43的出口通过第三阀门44连接用户侧阀门33的出口。
本发明所述的蓄热箱43采用闭式蓄热箱或开式蓄热箱，采用的蓄热介质是水或相变材料或二者的混合物。
图2为本发明的单源热泵供热模式工作原理示意图，实现本功能需要关闭第一阀门41、第二阀门42、第三阀门44和第四阀门45，打开源侧阀门13和用户侧阀门33；源侧1载冷剂循环：载冷剂泵11入口的低温载冷剂经过载冷剂泵11进入风冷换热器12，换热后经过源侧阀门13进入热泵主机2的第一液体冷却式换热器与低温低压的制冷剂进行换热，变成低温的载冷剂返回载冷剂泵11的入口；热泵主机2的制冷剂循环：压缩机21入口的低温低压气态制冷剂经过压缩变成高温高压的气态制冷剂，接着经过四通阀22流入第二液体冷却式换热器25，经过冷凝放热后变成液态制冷剂，继续经过膨胀阀24节流为低温低压的气液两相，然后进入第一液体冷却式换热器蒸发为气体，通过四通阀22返回压缩机21的入口，至此完成整个制冷循环；用户侧3水循环：用户31出口的低温水经过水泵32进入热泵主机2的第二液体冷却式换热器25，与高温高压的制冷剂进行换热，然后通过用户侧阀门33供给用户31。
图3为本发明的双源热泵供热模式工作原理示意图，实现本功能需要关闭第三阀门44、第四阀门45和源侧阀门13，打开第一阀门41、第二阀门42和用户侧阀门33；源侧1载冷剂循环：载冷剂泵11入口的低温载冷剂经过载冷剂泵11进入风冷换热器12，吸热后经过第二阀门42进入蓄热箱43内换热盘管46进行二次吸热，然后经过第一阀门41进入热泵主机2的第一液体冷却式换热器23与低温低压制冷剂换热，变成低温载冷剂后返回载冷剂泵11入口；热泵主机2制冷剂循环以及用户侧3水循环与单源热泵供热模式相同。
图4为本发明的蓄热箱供热模式工作原理示意图，实现本功能需要关闭第一阀门41、第二阀门42、用户侧阀门33和源侧阀门13，打开第三阀门44和第四阀门45；此时停止源侧1载冷剂循环和热泵主机2制冷循环；用户侧3水循环：用户31出口的低温水经过水泵32进入热泵主机2的第二液体冷却式换热器25，然后经过第四阀门45进入蓄热箱进行吸热，变成高温水，经过第三阀门44供给用户31。
图5为本发明的单源热泵+蓄热箱供热模式工作原理示意图，实现本功能需要关闭第一阀门41、第二阀门42和用户侧阀门33，打开第三阀门44、第四阀门45和源侧阀门13；源侧1载冷剂循环以及热泵主机2制冷剂循环与单源热泵供热模式相同；用户侧3水循环与蓄热箱供热模式相同。
图6为本发明的单源热泵+蓄热箱蓄热模式工作原理示意图，实现本功能需要关闭第一阀门41、第二阀门42和用户侧阀门33，打开第三阀门44、第四阀门45和源侧阀门13；此时用户31没有热负荷，系统对蓄热箱43进行蓄热；源侧1载冷剂循环、热泵主机2制冷剂循环以及用户侧3水循环与单源热泵+蓄热箱供热模式相同。
图7为本发明的供冷模式工作原理示意图，实现本功能需要关闭第一阀门41、第二阀门42、第三阀门44和第四阀门45，打开源侧阀门13和用户侧阀门33；源侧1载冷剂循环：载冷剂泵11入口的高温载冷剂经过载冷剂泵11进入风冷换热器12，换热后变成低温载冷剂，然后经过源侧阀门13进入热泵主机2的第一液体冷却式换热器与高温高压的制冷剂进行换热，变成高温的载冷剂返回载冷剂泵11的入口；热泵主机2的制冷剂循环：压缩机21入口的低温低压气态制冷剂经过压缩变成高温高压的气态制冷剂，接着经过四通阀22流入第一液体冷却式换热器23，经过冷凝放热后变成液态制冷剂，继续经过膨胀阀24节流为低温低压的气液两相，然后进入第二液体冷却式换热器25蒸发为气体，通过四通阀22返回压缩机21的入口，至此完成整个制冷循环；用户侧3水循环：用户31出口的高温水经过水泵32进入热泵主机2的第二液体冷却式换热器25，与低温低压的制冷剂进行换热，温度降低，然后通过用户侧阀门33供给用户31。
Claims (4)
1.一种蓄热型空气源热泵冷热水系统，包括热泵主机(2)和用户侧(3)；热泵主机(2)包括压缩机(21)、四通阀(22)、第一液体冷却式换热器(23)、膨胀阀(24)以及第二液体冷却式换热器(25)；用户侧(3)包括用户(31)、水泵(32)和用户侧阀门(33)；其特征在于：该系统还包括室外源侧(1)和蓄热模块(4)；室外源侧(1)依次包括载冷剂泵(11)、风冷换热器(12)以及源侧阀门(13)，所述载冷剂泵(11)出口通过管道依次连接风冷换热器(12)和源侧阀门(13)，源侧阀门(13)的出口与第一液体冷却式换热器(23)的冷却介质入口相连，载冷剂泵(11)的入口与第一液体冷却式换热器(23)的冷却介质出口相连；蓄热侧(4)包括蓄热箱(43)、第一阀门(41)、第二阀门(42)、第三阀门(44)以及第四阀门(45)，所述蓄热箱(43)内部还包括换热盘管(46)；所述源侧阀门(13)的进口通过第二阀门(42)连接蓄热箱(43)内换热盘管(46)的进口，所述源侧阀门(13)的出口通过第一阀门(41)连接蓄热箱(43)内换热盘管(46)的出口；所述蓄热箱(43)的进口通过第四阀门(45)连接用户侧阀门(33)的进口，所述蓄热箱(43)的出口通过第三阀门(44)连接用户侧阀门(33)的出口。
2.根据权利要求1所述的一种蓄热型空气源热泵冷热水系统，其特征在于：所述蓄热箱(43)是闭式蓄热箱或开式蓄热箱。
3.根据权利要求1所述的一种蓄热型空气源热泵冷热水系统，其特征在于：所述蓄热箱(43)采用的蓄热介质是水、相变材料或二者的混合物。
4.一种采用如权利要求1所述的蓄热型空气源热泵冷热水系统的运行方法，其特征在于该方法包括以下六种运行模式：
1)单源热泵供热模式：关闭第一阀门(41)、第二阀门(42)、第三阀门(44)和第四阀门(45)，打开源侧阀门(13)和用户侧阀门(33)；源侧(1)载冷剂循环：载冷剂泵(11)入口的低温载冷剂经过载冷剂泵(11)进入风冷换热器(12)，换热后经过源侧阀门(13)进入热泵主机(2)的第一液体冷却式换热器与低温低压的制冷剂进行换热，变成低温的载冷剂返回载冷剂泵(11)的入口；热泵主机(2)的制冷剂循环：压缩机(21)入口的低温低压气态制冷剂经过压缩变成高温高压的气态制冷剂，接着经过四通阀(22)流入第二液体冷却式换热器(25)，经过冷凝放热后变成液态制冷剂，继续经过膨胀阀(24)节流为低温低压的气液两相，然后进入第一液体冷却式换热器蒸发为气体，通过四通阀(22)返回压缩机(21)的入口，至此完成整个制冷循环；用户侧(3)水循环：用户(31)出口的低温水经过水泵(32)进入热泵主机(2)的第二液体冷却式换热器(25)，与高温高压的制冷剂进行换热，然后通过用户侧阀门(33)供给用户(31)；
2)双源热泵供热模式：关闭第三阀门(44)、第四阀门(45)和源侧阀门(13)，打开第一阀门(41)、第二阀门(42)和用户侧阀门(33)；源侧(1)载冷剂循环：载冷剂泵(11)入口的低温载冷剂经过载冷剂泵(11)进入风冷换热器(12)，吸热后经过第二阀门(42)进入蓄热箱(43)内的换热盘管(46)进行二次吸热，然后经过第一阀门(41)进入热泵主机(2)的第一液体冷却式换热器(23)与低温低压制冷剂换热，变成低温载冷剂后返回载冷剂泵(11)入口；热泵主机(2)制冷剂循环以及用户侧(3)水循环与单源热泵供热模式相同；
3)蓄热箱供热模式：关闭第一阀门(41)、第二阀门(42)、用户侧阀门(33)和源侧阀门(13)，打开第三阀门(44)和第四阀门(45)；此时停止源侧(1)载冷剂循环和热泵主机(2)制冷循环；用户侧(3)水循环：用户(31)出口的低温水经过水泵(32)进入热泵主机(2)的第二液体冷却式换热器(25)，然后经过第四阀门(45)进入蓄热箱(43)进行吸热，变成高温水，经过第三阀门(44)供给用户(31)；
4)单源热泵+蓄热箱供热模式：关闭第一阀门(41)、第二阀门(42)和用户侧阀门(33)，打开第三阀门(44)、第四阀门(45)和源侧阀门(13)；源侧(1)载冷剂循环以及热泵主机(2)制冷剂循环与单源热泵供热模式相同；用户侧(3)水循环与蓄热箱供热模式相同；
5)单源热泵+蓄热箱蓄热模式：关闭第一阀门(41)、第二阀门(42)和用户侧阀门(33)，打开第三阀门(44)、第四阀门(45)和源侧阀门(13)；此时用户(31)没有热负荷，系统对蓄热箱(43)进行蓄热；源侧(1)载冷剂循环、热泵主机(2)制冷剂循环以及用户侧(3)水循环与单源热泵+蓄热箱供热模式相同；
6)供冷模式：关闭第一阀门(41)、第二阀门(42)、第三阀门(44)和第四阀门(45)，打开源侧阀门(13)和用户侧阀门(33)；源侧(1)载冷剂循环：载冷剂泵(11)入口的高温载冷剂经过载冷剂泵(11)进入风冷换热器(12)，换热后变成低温载冷剂，然后经过源侧阀门(13)进入热泵主机(2)的第一液体冷却式换热器与高温高压的制冷剂进行换热，变成高温的载冷剂返回载冷剂泵(11)的入口；热泵主机(2)的制冷剂循环：压缩机(21)入口的低温低压气态制冷剂经过压缩变成高温高压的气态制冷剂，接着经过四通阀(22)流入第一液体冷却式换热器(23)，经过冷凝放热后变成液态制冷剂，继续经过膨胀阀(24)节流为低温低压的气液两相，然后进入第二液体冷却式换热器(25)蒸发为气体，通过四通阀(22)返回压缩机(21)的入口，至此完成整个制冷循环；用户侧(3)水循环：用户(31)出口的高温水经过水泵(32)进入热泵主机(2)的第二液体冷却式换热器(25)，与低温低压的制冷剂进行换热，温度降低，然后通过用户侧阀门(33)供给用户(31)。
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