CN105928200B - 一种适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统。本发明主要包括串联成一个冷媒闭合回路的自复叠用压缩机、冷凝精馏塔、高沸点工质节流阀、冷凝蒸发器、低沸点工质节流阀、低温级无霜蒸发器；与冷凝精馏塔串联成一个闭合回路的高温级压缩机、高温级冷凝器、高温级节流阀、高温级蒸发换热器；与冷凝精馏塔中管式换热器串联成一个闭合回路的溶液泵、低温级无霜蒸发器；还包括储水箱，储水箱通过循环水泵、电磁阀、与冷凝蒸馏器中螺旋管式换热器和高温级冷凝器组成两个并联的水循环闭合回路。本发明提供了一种适用性强、能解决在低温环境下运行时结霜、供热效果及稳定性差等问题的空气源热泵热水系统。

Description

一种适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统

技术领域

本发明属于空气源热泵技术领域，具体涉及一种基于低温环境工况下可实现热泵系统在自复叠运行模式、自复叠/高温级热泵耦合系统模式之间切换，从而实现该系统能够稳定高效地制取高温热水、满足用户热需求、可全年使用的适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统。

背景技术

目前，市场上使用的热水器主要有电热水系统、燃气热水系统、太阳能热水系统等。电热水系统体积庞大，占用室内空间大，易结水垢，对电能浪费大。最新型的电热水系统内置了阳极镁棒除垢装置，解决了该产品容易结垢的问题。但阳极镁棒需两年更换一次，给保养带来了麻烦。燃气热水系统在使用过程中会因燃烧不充分而排出有毒气体，容易造成安全事故，且起动水压高，有些住高层的用户，如不装增压泵就无法起动。燃气热水系统安装不方便，要在墙上打洞，安装排气扇等，且不同的燃气，其燃烧器形状、喷嘴大小、燃气通道截面积都不一样。太阳能热水系统安装复杂，如安装不当，会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌；维护较麻烦，因太阳能热水系统安装在室外，多数在楼顶、房顶，因此相对于电热水系统和燃气热水系统比较难维护。太阳能热水系统主要以太阳能为热源，在连续阴雨天气不能产出高温热水，这也是太阳能热水系统的一大弊端。

空气源热泵热水系统，是一项逐渐成熟的新技术，它通过消耗少量电能来驱动压缩机，通过蒸发器从空气中吸取热量，将热量转移到冷凝器来加热热水，从而实现供应热水的目的。目前，市场上的热水器多为高耗能的电热水器或燃气热水器，而节能环保、使用简便的空气源热泵热水器使用受限的主要原因有：

(1)现有空气源热泵热水器的产水温度和能效比较低；空气源热泵热水器产水温度在55℃左右，而电热水器的产水温度达75℃，故热泵热水器的储水箱比其他形式热水器的体积大的多；

(2)现有空气源热泵热水器在冬季环境温度偏低时，系统的蒸发温度降低，在冷凝温度不变的情况下，压缩比增大，超出普通单级压缩系统正常运行的临界值，压缩机容积效率降低，输气量减小，且压缩比的增大引起压缩机排气温度过高，超过压缩机正常的工作范围，致使压缩机频繁启停，系统无法正常工作，严重时可导致压缩机烧毁；此外，蒸发器表面容易结霜，换热器传热效果恶化，且增加了空气流动阻力，使得机组制热量减少，性能下降；低温工况下，大量的润滑油积存在气液分离器内而造成压缩机的缺油，同时由于粘度增加，引起启动失油，降低润滑效果；这也限制了空气源热泵热水器的广泛应用；

(3)压缩机的排气温度高，运行电流高，系统压力高也使得压缩机处于高负荷运行状态，缩短了空气源热泵热水系统的使用寿命，这些都制约了空气源热泵热水系统的使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有空气源热泵热水系统在低温环境下使用的不足，提供一种适用性强、能解决空气源热泵在低温环境下运行时面临的结霜问题、能够保证低温环境下的供热效果，有效提高机组使用寿命且稳定性强、可全年使用的适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统，它包括相互连接的空气源热泵系统、水循环系统和盐溶液循环系统。

具体的，所述空气源热泵系统包括依次串联成一个冷媒闭合回路的自复叠用压缩机、釜底带管式换热器的冷凝精馏塔、高沸点工质节流阀、冷凝蒸发器、低沸点工质节流阀、低温级无霜蒸发器；还包括与釜底带管式换热器的冷凝精馏塔依次串联成一个闭合回路的高温级压缩机、高温级冷凝器、高温级节流阀、高温级蒸发换热器；所述盐溶液循环系统包括与釜底带管式换热器的冷凝精馏塔中的管式换热器依次串联成一个闭合回路的溶液泵、低温级无霜蒸发器；所述水循环系统包括储水箱，储水箱上设有冷水进水端和热水出水用户端，储水箱还通过循环水泵、电磁阀、与釜底带管式换热器的冷凝蒸馏器中的螺旋管式换热器和高温级冷凝器组成两个并联的水循环闭合回路。

具体的，所述低温级无霜蒸发器为套管与翅片复合结构换热器，套管外管内的工质为盐溶液，套管内管内的工质为低沸点制冷剂。

具体的，所述釜底带管式换热器的冷凝蒸馏塔，其釜底管式换热器管内的盐溶液与所述低温级无霜蒸发器的外管相连，再与所述盐溶液循环系统中的溶液泵连接组成一个闭合回路；当需要除霜时，溶液泵开启，当不需要除霜时，溶液泵关闭。

本发明通过电磁阀的通断变化实现自复叠制热水、自复叠/高温级热泵相耦合制热水模式之间的转换。当室外环境温度不是很低时，系统按自复叠制热水模式运行；当室外温度很低时，系统按自复叠和高温级热泵相耦合的制热水模式运行，此时，溶液泵打开，盐溶液从釜底带管式换热器的冷凝精馏塔的釜底吸取热量，进入低温级无霜蒸发器套管的外管，因盐溶液温度高于环境温度，一方面加热了低温级无霜蒸发器套管的外管，使得管壁不结霜；另一方面可通过套管的内壁将热量传递给低温级制冷剂，提高了蒸发温度；盐溶液从釜底带管式换热器的冷凝精馏塔的釜底吸取高沸点液态制冷剂热量实现了高沸点液态制冷剂的过冷，进一步改善了系统性能。

本发明不但能在正常工况下制取高温热水，还能满足在低温环境下用户对热水的要求。本发明结构简单，性能稳定，高效节能，工作温度范围宽，能够解决空气源热泵热水系统在环境温度偏低时存在的蒸发器结霜、运行效果差甚至不能运行的问题，可满足用户的热需求。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)采用空气源热泵系统，以少量的电能驱动压缩机，相比电热水系统、燃气热水系统更节能、安全、环保。

(2)采用自复叠和高温级热泵相耦合的热泵系统，解决了现有空气源热泵热水系统在低温环境下制热温度不高的问题，同时解决了空气源热泵热水器在低温环境下使用的局限性问题，制热温度范围增加，系统运行更稳定，拓展了空气源热泵热水系统的使用范围。

(3)采用自复叠热泵系统、自复叠/高温级热泵相耦合的热泵系统，两者之间相互切换，比传统复叠式热泵系统制热效果更好，压缩机的使用寿命增加，从而系统的使用寿命得到了提高。

附图说明

图1是本发明实施例的原理结构示意图。

图2是本发明实施例的热泵系统在自复叠运行模式下的制冷剂、盐溶液和循环水流程示意图。

图3是本发明实施例的热泵系统在自复叠/高温级热泵耦合系统运行模式下的制冷剂、盐溶液和循环水流程示意图。

图4是本发明实施例的低温级无霜蒸发器的原理结构示意图。

图5是本发明实施例的釜底带管式换热器的冷凝精馏塔的原理结构示意图。

图6是图5的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本实施例包括空气源热泵系统、水循环系统和盐溶液循环系统。从图中可见，空气源热泵系统包括依次串联成冷媒闭合回路的自复叠用压缩机1、釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3、高沸点工质节流阀10、冷凝蒸发器4、低沸点工质节流阀11、低温级无霜蒸发器5；还包括与釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3依次串联成一个闭合回路的高温级压缩机2、高温级冷凝器7、高温级节流阀9、高温级蒸发换热器6。

盐溶液循环系统包括与釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3的管式换热器12依次串联成闭合回路的溶液泵15、低温级无霜蒸发器5。

水循环系统包括储水箱8，储水箱8上设有冷水进水端801和热水出水用户端802，储水箱8还通过循环水泵14、循环水泵20、电磁阀13、电磁阀17、电磁阀18、电磁阀19与釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3中的螺旋管式换热器16和高温级冷凝器7组成两个并联的水循环闭合回路。

参见图4，低温级无霜蒸发器5为套管与翅片复合结构换热器，套管外管501内的工质为盐溶液，套管内管502内的工质为低沸点制冷剂。图4中，503表示盐溶液入口，504表示盐溶液出口；505表示制冷剂入口，506表示制冷剂出口。

参见图5、图6，釜底带管式换热器的冷凝蒸馏塔3，其管式换热器12管内的盐溶液与低温级无霜蒸发器5的外管501相连，再与盐溶液循环系统中的溶液泵15连接组成一个闭合回路；当需要除霜时，溶液泵15开启，当不需要除霜时，溶液泵15关闭。图5中，121表示盐溶液入口，122表示盐溶液出口；161表示循环水入口，162表示循环水出口；301表示气态低沸点制冷剂出口，302表示液态高沸点制冷剂出口，303表示高温高压气态非共沸制冷剂入口。

本发明实施例的工作原理及过程如下：

在室外温度较高的情况下，采用自复叠制热水模式运行，如图2所示，高温级压缩机2停机，自复叠用压缩机1开启，电磁阀13、19的两端接通，电磁阀17、18的两端关闭，循环水泵14开启。自复叠用压缩机1的高温高压气态非共沸制冷剂进入釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3，通过螺旋管式换热器16与循环水换热，高沸点制冷剂冷凝为高压液态制冷剂，经节流阀10节流为低温低压气液两相制冷剂进入冷凝蒸发器4，低沸点制冷剂经釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3的上部进入冷凝蒸发器4，充分换热后，经节流阀11节流为低温低压气液两相制冷剂进入低温级无霜蒸发器5返回自复叠用压缩机1，完成制冷剂自复叠制热循环。

在室外温度较低的情况下，采用自复叠和高温级热泵相耦合的制热水模式运行，如图3所示，此时，高温级压缩机2与自复叠用压缩机1同时开启，电磁阀17、18的两端开启，电磁阀13、19的两端关闭，循环水泵14、20开启。自复叠用压缩机1的高温高压气态非共沸制冷剂进入釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3，通过螺旋管式换热器16与循环水换热，高沸点制冷剂冷凝为高压液态制冷剂，经节流阀10节流为低温低压气液两相制冷剂进入冷凝蒸发器4，低沸点制冷剂经釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3的上部进入冷凝蒸发器4，充分换热后，经节流阀11节流为低温低压气液两相制冷剂进入低温级蒸发器5返回自复叠用压缩机1，完成自复叠制热循环；为防止在室外温度较低时，低温级无霜蒸发器5因蒸发温度过低而表面结霜，低温无霜蒸发器5设计为套管式和翅片式相结合的复合换热器，如图4所示，低温级防霜蒸发器5套管的外管501工质为盐溶液，内管502工质为制冷剂。当环境温度处于结霜工况时，溶液泵15打开，盐溶液吸收从釜底带管式换热器的冷凝精馏塔3中通过的管式换热器12(如图5所示)中高沸点制冷剂的热量，温度升高，进入低温级无霜蒸发器5套管的外管501，并将热量传递到翅片上，从而实现蒸发器表面在低温结霜工况时的无霜化。当环境温度处于不结霜工况时，溶液泵15处于关闭状态。高温级压缩机2出口的高温高压气态制冷剂进入高温级冷凝器7与从储水箱8来的循环水进行换热，冷凝为高压液态制冷剂，通过高温级节流阀9节流为低温低压气液两相制冷剂，再进入高温级蒸发换热器6并成为低温低压的气态制冷剂，返回高温级压缩机2，完成高温级热泵制热循环。

Claims (3)

1.一种适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统，其特征在于：它包括相互连接的空气源热泵系统、水循环系统和盐溶液循环系统；

所述空气源热泵系统包括依次串联成一个冷媒闭合回路的自复叠用压缩机、釜底带管式换热器的冷凝精馏塔、高沸点工质节流阀、冷凝蒸发器、低沸点工质节流阀、低温级无霜蒸发器；还包括与釜底带管式换热器的冷凝精馏塔依次串联成一个闭合回路的高温级压缩机、高温级冷凝器、高温级节流阀、高温级蒸发换热器；所述盐溶液循环系统包括与釜底带管式换热器的冷凝精馏塔中的管式换热器依次串联成一个闭合回路的溶液泵、低温级无霜蒸发器；所述水循环系统包括储水箱，储水箱上设有冷水进水端和热水出水用户端，储水箱还通过循环水泵、电磁阀、与釜底带管式换热器的冷凝蒸馏器中的螺旋管式换热器和高温级冷凝器组成两个并联的水循环闭合回路。

2.根据权利要求1所述适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统，其特征在于：所述低温级无霜蒸发器为套管与翅片复合结构换热器，套管外管内的工质为盐溶液，套管内管内的工质为低沸点制冷剂。

3.根据权利要求2所述适用于低温环境的空气源热泵高温热水系统，其特征在于：所述釜底带管式换热器的冷凝蒸馏塔，其釜底管式换热器管内的盐溶液与所述低温级无霜蒸发器的外管相连，再与所述盐溶液循环系统中的溶液泵连接组成一个闭合回路；当需要除霜时，溶液泵开启，当不需要除霜时，溶液泵关闭。