CN105485958A - 免除霜风冷、水冷一体机空气源热泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免除霜风冷、水冷一体机空气源热泵。由空气热交换部件和热量传递末端部件组成，两部件之间由管路连接，连接管路中的循环介质是制冷剂或是载冷剂。空气热交换部件主要由下列部件构成：排风扇、喷淋头、翅片换热器、网格状填料、储液池、防冻液自动导流排放管、保留液面控制开关、喷淋水泵。热量传递末端部件：当选用带有四通阀的小功率压缩机系统时，其结构与普通空气源热泵相同；当选用没有四通阀的大功率压缩机系统时，其结构与水源热泵、水冷机组相同。本发明冬季运行免除霜；夏季运行制冷系数与水冷机组相同；可把大功率压缩机系统应用在空气源热泵机组中；可以使大功率的水冷机组应用在冬季的采暖领域。

Description

免除霜风冷、水冷一体机空气源热泵

技术领域

本发明涉及一种免除霜风冷、水冷一体机空气源热泵，它把空气中的热能转化到水中，主要应用于冬季采暖、夏季中央空调制冷领域。

背景技术

目前现有空气源热泵机组在冬季运行中，当空气换热器表面满足结霜条件时都会结霜，都需要除霜以保证空气源热泵的正常运行，而现有的多种除霜措施都明显地存在着两大缺陷：

一是除霜需要付出热能，付出的这个热能远大于从结霜相变中获得的热能，即，除霜过程是一个格外消耗热量的过程，湿度越大，除霜付出的热能也越多。在理论上，湿度越大，换热器吸收湿空气相变的潜热量越大，而现有除霜措施的结果却与科学理论相悖；

二是进入除霜和退出除霜的条件不科学，往往是翅片换热器表面上并没有结霜，但机组已经进入了除霜程序而进行无效地除霜；当翅片换热器表面上仍有霜层时，机组却已经退出了除霜程序，使得霜层越积越厚，更有甚者霜融积成冰膨胀至蒸发器断裂导致制冷剂泄露。

现有的空气源热泵夏季制冷时，制冷系数小于水冷机组。

在目前现有的空气源热泵机组中，冬季采暖时，普遍采用的除霜措施是：四通阀反向除霜，因此现有的空气源热泵机组一般都是带有四通阀涡旋压缩机的小功率系统。

现有的大功率压缩机水冷机组的冷却塔作用是，夏季制冷中的散热作用，如果冬季采暖用冷却塔吸收空气的热能，当空气湿度低、冷却塔中的循环液体的温度高于露点温度时，液体挥发会带走大量的汽化潜热，所以它吸收空气热能的效果远远低于翅片换热器直接从空气中吸收热能的效果。因此大功率的水冷机组一般应用在夏季的空调制冷中，目前还不能普遍应用在冬季的采暖领域，设备的利用率低。

发明内容

为了解决现有空气源热泵机组技术上存在的冬季除霜不科学、不可靠；夏季制冷系数低的问题。本发明提供了一种免除霜风冷、水冷一体机空气源热泵。本发明冬季运行可以免除霜，充分吸收空气中水分相变的潜热，湿度越大，机组吸收的热量越大；夏季制冷时，可以作为风冷、水冷两用机使用，当使用水冷时，制冷系数与普通的水冷机组相同；本发明可把大功率的压缩机系统应用在空气源热泵机组中；可把大功率的水冷机组应用在冬季的采暖领域。

本发明所采用的技术方案：

一种免除霜风冷、水冷一体机空气源热泵，由空气热交换部件和热能传递末端部件构成。空气热交换部件是把空气中的热能传递给循环介质；热能传递末端部件是把循环介质的热能传递到末端循环水中。这个热能传递的过程在夏季是反向的。两个部件之间由管路通过连接管路放空阀体连接，管路中循环的介质是制冷剂或是载冷剂。

空气热交换部件：

空气热交换部件主要由下列部件构成：翅片换热器（循环介质与空气的换热器），翅片换热器上部设置有喷淋头，喷淋头的上部是挡水板，挡水板的上面是排风扇，在翅片换热器的下部是网格状填料，在网格状填料的下面是储液池，在储液池中设置有防冻液自动导流排放管和保留液面控制开关、自来水自动补水开关，在防冻液自动导流排放管上设置有水流开关，在储液池的下部设置有喷淋水泵。本部件还设置了检测周围环境的温度感应器和相对湿度感应器。防冻液自动导流排放管上的水流开关信号线、温度感应器信号线、相对湿度感应器信号线一同接入到电控箱，喷淋水泵的启停由电控箱控制。

翅片换热器的换热面积及排风扇的排风量均按空气源热泵冬季采暖需求设计。

储液池中的防冻液主要由乙二醇和清水按比例配制混合而成。冰点的确定办法：当储液池中液面达到最高液面时，刚好是防冻液的冰点等于当地冬季的最低气温。

第一次防冻液配制：容积按保留液面计算，冰点温度比当地最低气温低10-20℃（如当地最低温度是-20℃，此时防冻液的冰点可确定为-40℃）。确定保留液面高度，开启保留液面对应的保留液面控制开关，关闭其它的液面控制开关（保留液面越低，补充防冻液的时间周期越长、防冻液的冰点就越低）。

储液池中的防冻液经喷淋水泵到喷淋头，喷淋头喷下的防冻液又经翅片换热器、网格状填料与空气充分接触换热，并吸收了空气中的水分，而使防冻液稀释，逐渐稀释的防冻液在储液池中达到最高液面，一旦达到最高液面后就会被防冻液自动导流排放管排放至保留液面，防冻液自动导流排放管上的水流开关给出信号到电控箱，提醒操作人员应重新配制加注防冻液。

再次配制加注防冻液时，要根据保留液面下液体所含的水分、乙二醇的量，和达到要求的冰点，通过计算确定乙二醇的加注量，由防冻液加注漏斗倒入所需量的乙二醇，（之后也按这个配比配制防冻液），水泵运转一个循环后就会搅拌均匀，防冻液配制加注完成。

防冻液的循环利用：冬季被空气中的水分稀释的防冻液储存起来供夏天使用，因夏天空气热交换器作用是散热器，翅片换热器的表面温度高于环境温度，加之空气的流通使防冻液中的水分挥发，而使防冻液浓缩，夏季被浓缩的防冻液再储存起来供冬季使用。

空气热交换部件的工作过程如下：

冬季采暖时：

翅片换热器吸收空气中的热能，其表面温度低于环境温度，当翅片换热器表面温度低于0℃，且低于空气的露点温度时，翅片换热器表面上就会结霜。

如果翅片换热器的表面温度按低于环境温度5℃设计，根据湿空气的饱和状态下的含湿量数值表可知：

翅片换热器表面温度-30℃湿空气饱和状态下的含湿量是环境温度-25℃饱和状态下含湿量的62%，即：环境温度-25℃、相对湿度62%的露点温度是-30℃。当环境温度高于-25℃时，对应的相对湿度也高于62%，下降5℃就是露点温度。

因此，当环境温度在-25—5℃，且环境温度下的相对湿度高于62%时，翅片换热器表面就会结霜。

因此，当机组的电控部分检测到满足这个条件时就开启喷淋水泵，喷淋头喷下环境温度下的防冻液，翅片换热器吸收了防冻液的热能，使防冻液的温度下降到露点温度，防冻液继续下降至网格状填料中，与经过进风栅板进来的空气再进行热交换，使空气中的水分凝结在防冻液的液粒上，防冻液吸收空气的热能和空气中水分的汽化潜热，而使防冻液的温度上升重新回到环境温度上，防冻液落入到储液池中供循环使用。

在上述换热当中，湿空气只在网格状填料中出现了水蒸汽凝结成水的过程（汽化潜热释放过程），没有出现结霜的过程，即使在翅片换热器表面上出现少量的结霜，也会被环境温度下的防冻液融化而冲涮掉。

在上述换热当中，环境温度下的空气湿度越大，翅片换热器吸收的热能越多，并且机组不再为除霜而停机、不再为化霜而付出热能。

当环境温度大于5℃（翅片的温度大于0℃）或环境温度下的相对湿度低于62%时，翅片换热器表面不会结霜，此时不开启防冻液的喷淋水泵。

夏季制冷时：

把储液池中的防冻液更换成自来水，开启自来水自动补水开关（或使用冬季被稀释的防冻液），开启喷淋水泵，此时空气热交换部件作用就相当于中央空调的闭式冷却塔，由于冷却水蒸发带走大量的汽化潜热，它的散热效果高于空气散热器，所以此时的空气源热泵的制冷系数与水冷机组一致。

热能传递末端部件：

热量传递末端部件：当选用带有四通阀的小功率压缩机系统时，其结构与普通空气源热泵相同；当选用没有四通阀的大功率压缩机系统时，其结构与水源热泵、水冷机组相同。

优选的，当热能传递末端部件选用：带有四通阀涡旋压缩机的小功率系统时：连接管路中的循环介质是制冷剂，冬季采暖时翅片换热器就相当于空气源热泵机组的蒸发器；夏季制冷时翅片换热器就相当于冷凝器。根据现有的技术:如采用：制冷剂R404A、配合使用热泵型R404A专用涡旋压缩机，机组在环境温度-20℃、制热出水温度40℃的情况下的能效比可以达到1:2（cop=1:2）；如采用：补气增焓压缩机，机组在环境温度-25℃、制热出水温度40℃的情况下的能效比为1:2。因此，这种机型可以在冬季最低气温-25℃以上的寒冷地区冬季采暖、夏季制冷中使用。

优选的，当热能传递末端部件选用：没有四通阀螺杆压缩机的大功率系统时：连接管路中的循环介质是载冷剂（载冷剂的冰点要在-30℃以下）。在制冷剂与空气的换热当中，因为多了一层载冷剂的换热，如果载冷剂与制冷剂的换热温差为5℃，那么机组冬季适应的最低环境温度就减少了5℃。如采用：制冷剂R404A、配合使用热泵型R404A专用螺杆压缩机，机组在环境温度-15℃、制热出水温度40℃的情况下的能效比可以达到1:2（cop=1:2）。因此，这种机型可以在冬季最低气温-15℃以上的夏热冬冷地区冬季采暖、夏季制冷中使用。

这种方式可以使大功率压缩机系统应用在空气源热泵机组中；可以使大功率的水冷机组应用在冬季的采暖领域。

优选的，所述的防冻液自动导流排放管为倒U型结构，倒U结构的顶端与储液池中最高液面平齐，排放口侧设置有水流开关，排放口的另一侧设有多个保留液面控制开关，最下面一个保留液面控制开关的高度高于另一侧排放口的高度。当选定一个保留液面时，要开启对应液面的保留液面控制开关，关闭其他的液面控制开关。

优选的，夏季制冷时，储液池中的冷却液体使用冬季稀释的防冻液，而使防冻液浓缩再供冬季继续使用。

本发明的有益效果：

1)冬季运行免除霜，不再为除霜停机和付出格外的热能，湿度越大，机组的制热量越大；

2)夏季制冷风冷、水冷两用；

3)夏季制冷时开启喷淋水泵后提高了机组的制冷系数，制冷系数与水冷机组相同；

4)带有四通阀的小功率压缩机系统，可以在冬季最低气温-25℃以上的寒冷地区冬季采暖、夏季制冷中使用；

5)没有四通的大功率压缩机系统，可以在冬季最低气温-15℃以上的夏热冬冷地区冬季采暖、夏季制冷中使用。

附图说明

图1为本发明的空气热交换部件的结构主视剖面图；

图2为本发明的空气热交换部件的结构左视剖面图；

图3为本发明的热能传递末端部件：带有四通阀涡旋压缩机小功率系统连接示意图；

图4为本发明的热能传递末端部件：没有四通阀螺杆压缩机大功率系统连接示意图。

其中：1、过滤器，2、保留液面，3、喷淋水泵，4、最高液面5、进风栅板，6、网格状填料，7、翅片换热器（循环介质与空气的换热器），8、喷淋头，9、挡水板，10、温度感应器，11、排风扇，12、排风口，13、相对湿度感应器，14、连接管路放空阀体，15、储液池，16、防冻液自动导流排放管，17、水流开关，18、保留液面控制开关，19、自来水自动补水开关，20、排污阀，21、防冻液加注漏斗，22、制冷剂连接管路，23、电控箱，24、涡旋机机体外壳，25、末端循环水管路，26、制冷剂与末端循环水的热交换器，27、涡旋压缩机节流组件（包括压缩机、四通阀、膨胀阀、储液罐、气液分离器），28、29、30、31、管路阀门，32、冷凝器（制冷剂释放热能），33,、螺杆压缩机节流组件（包括压缩机、膨胀阀、储液罐、气液分离器、回油分离器），34、螺杆机机体底盘，35、蒸发器（制冷剂吸收热能），36、载冷剂连接管路。

具体实施方式

参见图，本发明提供了一种免除霜风冷、水冷一体机空气源热泵，由空气热交换部件和热量传递末端部件组成，空气热交换部件与热量传递末端部件之间由管路连接，管路中循环介质是制冷剂或是载冷剂。

空气热交换部件主要由下列部件组成：

1、过滤器，2、保留液面，3、喷淋水泵，4、最高液面，5、进风栅板，6、网格状填料，7、翅片换热器（循环介质与空气的换热器），8、喷淋头，9、挡水板，10、温度感应器，11、排风扇，12、排风口，13、相对湿度感应器，14、连接管路放空阀体，15、储液池，16、防冻液自动导流排放管，17、水流开关，18、保留液面控制开关，19、自来水自动补水开关，20、排污阀，21、防冻液加注漏斗。

热量传递末端部件主要由下列部件组成：

带有四通阀涡旋压缩机小功率系统：22、制冷剂连接管路，23、电控箱，24、涡旋机机体外壳，25、末端循环水管路，26、制冷剂与末端循环水的热交换器，27、涡旋压缩机节流组件（包括压缩机、四通阀、膨胀阀、储液罐、气液分离器）。

没有四通阀螺杆压缩机大功率系统：23、电控箱，28、29、30、31、管路阀门，32、冷凝器（制冷剂释放热能），33,、螺杆压缩机节流组件（包括压缩机、膨胀阀、储液罐、气液分离器、回油分离器），34、螺杆机机体底盘，35、蒸发器（制冷剂吸收热能），36、载冷剂连接管路。

具体实施过程：

空气热交换部件：

在7、翅片换热器（循环介质与空气的换热器）的上部设置有8、喷淋头，在8、喷淋头的上部设有9、挡水板，9、挡水板的上面是11、排风扇，在11、排风扇的上面是12、排风口；在7、翅片换热器（循环介质与空气的换热器）的下部是6、网格状填料，在6、网格状填料的下面是15、储液池，在15、储液池中设置有16、防冻液自动导流排放管和18、保留液面控制开关、19、自来水自动补水开关，在16、防冻液自动导流排放管上设置有17、水流开关，在15、储液池的下部设置有3、喷淋水泵。本部件还设置了检测周围环境的10、温度感应器和13、相对湿度感应器，10、温度感应器、13、相对湿度感应器、17、水流开关的信号线一同接入到23、电控箱，3、喷淋水泵的启停由23、电控箱控制。

15、储液池中的防冻液经3、喷淋水泵到8、喷淋头，8、喷淋头喷下的防冻液又经7、翅片换热器（循环介质与空气的换热器）进行热交换，然后经6、网格状填料再与空气充分接触换热，并吸收了空气中的水分，而使防冻液稀释，逐渐稀释的防冻液在15、储液池中达到4、最高液面后被16、防冻液自动导流排放管排放，将防冻液排放至2、保留液面，16、防冻液自动导流排放管上的17、水流开关发出信号给23、电控箱，由机组发出信号，提醒操作人员应重新配置加注防冻液：所需量的乙二醇由21、防冻液加注漏斗倒入。

防冻液的循环过程：15、储液池中防冻液经1、过滤器进入3、喷淋水泵，再由8、喷淋头经7、翅片换热器流下到6、网格状填料，最后落入15、储液池。

空气的流通过程：空气由5、进风栅板进入到6、网格状填料中，再经7、翅片换热器向上经过9、挡水板，最后由11、排风扇从12、排风口排出。

定期清理储液池：由于空气中存在着灰尘及污物，储液池需要定期清理，清洗时打开19、自来水自动补水开关，污水由20、排污阀排出。

空气热交换部件的工作过程如下：

冬季采暖时：

当23、电控箱检测到环境温度、相对湿度满足翅片换热器结霜条件时，开启3、喷淋水泵，8、喷淋头喷下环境温度下的防冻液，7、翅片换热器吸收了防冻液的热能，使防冻液的温度下降到露点温度，防冻液继续下落至6、网格状填料中，与经过5、进风栅板进来的空气再进行热交换，空气中的水分凝结在防冻液的液粒上，防冻液的温度上升回到环境温度上，落入15、储液池中。

夏季制冷时：

把储液池中的防冻液更换成自来水，开启19、自来水自动补水开关（或使用冬季被稀释的防冻液），开启3、喷淋水泵，此时空气热交换部件作用就相当于中央空调的闭式冷却塔，由于冷却水蒸发带走大量的汽化潜热，它的散热效果高于空气散热器，所以此时的空气源热泵的制冷系数与水冷机组一致。

热量传递末端部件：

例案1：热能传递末端部件：选用带有四通阀涡旋压缩机的小功率系统：

7、翅片换热器中的循环管路中的循环介质是制冷剂，22、制冷剂连接管路与14、连接管路放空阀体连接。冬季运行时，7、翅片换热器就相当于空气源热泵机组的蒸发器；夏季运行时，7、翅片换热器就相当于冷凝器。冬季采暖时，空气中的热能传递给制冷剂，制冷剂再通过27、涡旋压缩机节流组件（包括压缩机、四通阀、膨胀阀、储液罐、气液分离器）传递给26、制冷剂与末端循环水的热交换器，再由26传递给25、末端循环水管路；夏季制冷时，25、末端循环水管路中的热能传递给制冷剂，制冷剂再经7、翅片换热器传递给空气。26、27安装在24、涡旋机机体外壳内。

此系统可以在冬季最低气温-25℃以上的寒冷地区冬季采暖、夏季制冷中使用。

例案2：热量传递末端部件：选用没有四通阀螺杆压缩机的大功率系统：

35、蒸发器（制冷剂吸收热能）、33、螺杆压缩机节流组件（包括压缩机、储液罐、气液分离器、回油分离器）、32、冷凝器（制冷剂释放热能）安装在34、螺杆机机体底盘上。

冬季采暖使用时：

36、载冷剂连接管路中的循环介质是载冷剂(载冷剂的冰点要在-30℃以下)，36、载冷剂连接管路与14、连接管路放空阀体连接。

开启管路阀门29和31，关闭管路阀门28和30。空气中的热能经36、载冷剂连接管路的载冷剂传递给35、蒸发器（制冷剂吸收热能）中的制冷剂，制冷剂通过33、螺杆压缩机节流组件（包括压缩机、膨胀阀、储液罐、气液分离器、回油分离器）传递给32、冷凝器（制冷剂释放热能），再由32、冷凝器（制冷剂释放热能）把制冷剂中的热能传递给25、末端循环水管路。

夏季制冷使用时：

36、载冷剂连接管路中的循环介质是冷却水（或载冷剂），36、载冷剂连接管路与14、连接管路放空阀体连接。

开启管路阀门28和30，关闭管路阀门29和31。25、末端循环水管路中的热能递给35、蒸发器（制冷剂吸收热能）中的制冷剂，制冷剂通过33、螺杆压缩机节流组件（包括压缩机、膨胀阀、储液罐、气液分离器、回油分离器）传递给32、冷凝器（制冷剂释放热能），再由32、冷凝器（制冷剂释放热能）把制冷剂中的热能通过冷却水（或载冷剂）传递给空气热交换部件中的7、翅片换热器，最后由7、翅片换热器把热能散发到空气中。

此系统可以在冬季最低气温-15℃以上的夏热冬冷地区冬季采暖、夏季制冷中使用。

Claims (5)

1.一种免除霜风冷、水冷一体机空气源热泵，由空气热交换部件和热量传递末端部件组成，两个部件之间由管路连接，连接管路中的循环介质是制冷剂或是载冷剂，热量传递末端部件：当选用带有四通阀的小功率压缩机系统时，其结构与普通空气源热泵相同；当选用没有四通阀的大功率压缩机系统时，其结构与水源热泵、水冷机组相同，其特征在于，空气热交换部件包括：在翅片换热器的上部设置的喷淋头、挡水板、排风扇，在翅片换热器的下部设置的网格状填料、储液池、防冻液自动导流排放管、保留液面控制开关、喷淋水泵，冬季储液池中的液体是防冻液，当翅片换热器表面达到结霜条件时，启动喷淋水泵，喷淋头喷下环境温度下的防冻液。

2.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于，所述的热量传递末端部件：当选用带有四通阀的小功率压缩机系统时，空气热交换部件和热量传递末端部件之间连接管路中的循环介质是制冷剂，通过四通阀实现冬季采暖与夏季制冷的转换。

3.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于，所述的热量传递末端部件：当选用没用四通阀的大功率压缩机系统时，空气热交换部件和热量传递末端部件之间连接管路中的循环介质是载冷剂，通过管路阀门实现冬季采暖与夏季制冷的转换。

4.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于，在所述的储液池中设有防冻液自动导流排放管、保留液面控制开关。

5.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于，所述的防冻液自动导流排放管为倒U型结构，倒U型结构的顶端与储液池中最高液面平齐，排放口侧设置有水流开关，排放口的另一侧设有多个保留液面控制开关，最下面一个保留液面控制开关的高度高于另一侧排放口的高度。