CN106196683A - 一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于供暖的超低温热泵系统及控制方法，包括复叠相接的第一热泵系统和第二热泵系统，其中第一热泵系统为高温级，其包括第一压缩机(11)、冷凝器(12)和第一节流装置(13)；第二热泵系统为低温级，包括第二压缩机(21)、气体冷却器(22)、高压蒸发器(23)和第二节流装置高压蒸发器(24)；所述第一热泵系统与所述第二热泵系统通过蒸发冷凝器(3)复叠组合在一起，其中所述第一热泵系统通过所述蒸发冷凝器(3)吸热，所述第二热泵系统通过所述蒸发冷凝器(3)放热。通过本发明能够克服现有技术中的热泵供暖系统在低温环境温度下尤其是‑25℃以下性能衰减严重的缺陷，使得系统性能稳定且不会发生衰减、系统能效始终维持在较高的水平。
Description
技术领域
本发明属于热能转换和利用技术领域，具体涉及一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法。
背景技术
现有技术中的热泵供水系统多数采用空气源或水源热泵热水器(也称空气能或水能热水器)，通常是把空气中或水中的低温热量吸收进来，然后通过压缩机压缩后升温增压，再通过换热器转化给水加热，压缩后的高温热能以此来加热冷水使其升温从而达到制取热水的目的。但是如果室外环境空气温度较低时，空气源热泵蒸发器内的制冷剂质量流量会降到很低的值，造成空气源热泵从室外环境空气温度中能吸收的热量很有限，最终导致热泵的工作效率降低，研究表明，当室外环境温度低于-15℃时，空气源热泵性能衰减明显，以冷媒为R410A为例，其热泵系统只能适应-25℃以上的环境温度，并且在该温度条件下能制出的热水只能达到55℃，在-15℃时性能便衰减为原来的一半，空气源热泵在低温温度条件下能制出的热量满足不了恒温热水供应的需求。
由于现有技术中的热泵供水系统存在在低温环境温度下性能衰减严重，制取出的热水温度不高等的技术问题，因此本发明研究设计出一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的热泵供水系统存在在低温环境温度下性能衰减严重的缺陷，从而提供一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法。
本发明提供一种用于供暖的超低温热泵系统，其包括复叠相接的第一热泵系统和第二热泵系统，其中所述第一热泵系统为高温级，其包括第一压缩机、冷凝器和第一节流装置；所述第二热泵系统为低温级，其包括第二压缩机、气体冷却器、高压蒸发器和第二节流装置；
所述第一热泵系统与所述第二热泵系统通过蒸发冷凝器复叠组合在一起，其中所述第一热泵系统通过所述蒸发冷凝器吸热，所述第二热泵系统通过所述蒸发冷凝器放热。
优选地，所述气体冷却器设置在所述蒸发冷凝器的制冷剂上游端。
优选地，所述冷凝器设置为与低温水管路进行换热；所述气体冷却器设置为与中温水管路进行换热。
优选地，所述低温水管路包括低温进水端和中温出水端，其中所述中温出水端分支为第一路和第二路两个支路，所述第二路与所述中温水管路的中温进水端相连。
优选地，所述中温水管路的高温出水端与所述第一路通过混水阀连接至高温水用水需求端。
优选地，所述中温出水端通过设置分水阀将其分支为第一路和第二路两个支路；且在所述低温水管路上还设置有水泵。
优选地，所述第二热泵系统中还设置有除霜支路，所述除霜支路的一端连接至所述气体冷却器和所述蒸发冷却器之间，另一端连接至所述高压蒸发器。
优选地，在所述气体冷却器和蒸发冷凝器所在的管路上还设置有第一电磁阀；在所述除霜支路上还设置有第二电磁阀。
优选地，所述除霜支路为为具有节流作用的管，且化霜时冷媒还通过气体冷却器从中温水管路中吸热。
优选地，所述第一热泵系统中采用R134A作为制冷剂，所述第二热泵系统中采用R744作为制冷剂。
优选地，当室外环境温度T环≥-10℃时，控制所述第二热泵系统在跨临界状态下循环；当室外环境温度T环≤-10℃时，控制所述第二热泵系统在亚临界状态下循环。
本发明还提供一种用于供暖的超低温热泵系统的控制方法，其使用前述的超低温热泵供暖系统，通过控制第一节流装置和第二节流装置以控制第一热泵系统和第二热泵系统各自进行供热。
优选地，当所述供暖系统中还包括除霜管路、以及第一电磁阀和第二电磁阀时：
1)当需要系统进行正常制热时，则打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，使得第一热泵系统和第二热泵系统同时正常制热；
2)当需要系统进行除霜时，则打开第二电磁阀，关闭第一电磁阀，使得第一热泵系统不工作，第二热泵系统对高压蒸发器进行化霜。
本发明提供的一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法具有如下有益效果：
1.通过本发明提供的一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法，能够克服现有技术中的热泵供暖系统在低温环境温度下性能衰减严重的缺陷，使得系统性能稳定且不会发生衰减、系统能效始终维持在较高的水平；
2.通过本发明提供的一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法，能够使得系统可适应-40℃以下的超低温环境温度且还能保持原有的性能；
3.通过本发明提供的一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法，能够制取高达95℃以上的超高温热水；
4.通过本发明提供的一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法，能够同时制取中温水和高温水，充分地利用了R744系统的高温热量，利用率可达95％；
5.通过本发明提供的一种用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法，还能够有效地对系统中由于低温带来的结霜进行除霜作用，保证了超低温热泵供暖系统在超低温状态下仍能安全可靠地运行，提高了系统的运行性能。
附图说明
图1是本发明的一种用于供暖的超低温热泵系统的结构示意图。
图中附图标记表示为：
11-第一压缩机，12-冷凝器，13-第一节流装置，14-第一电子油位平衡器，15-低压储液罐，16-第一气液分离器，21-第二压缩机，22-气体冷却器，23-高压蒸发器，24-第二节流装置，25-第一电磁阀，26-第二电子油位平衡器，27-回热器，28-第二气液分离器，3-蒸发冷凝器，4-低温水管路，41-低温进水端，42-中温出水端，421-第一路，422-第二路，5-中温水管路，51-中温进水端，52-高温出水端，6-除霜支路，61-第二电磁阀，7-水泵，8-分水阀，9-混水阀。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种用于供暖的超低温热泵系统，其包括复叠相接的第一热泵系统和第二热泵系统，其中所述第一热泵系统为高温级，其包括第一压缩机11、冷凝器12和第一节流装置13；所述第二热泵系统为低温级，其包括第二压缩机21、气体冷却器22、高压蒸发器23和第二节流装置24；
所述第一热泵系统与所述第二热泵系统通过蒸发冷凝器3复叠组合在一起，其中所述第一热泵系统通过所述蒸发冷凝器3蒸发吸热，所述第二热泵系统通过所述蒸发冷凝器3冷却放热(即第一热泵系统与第二热泵循环系统共用所述蒸发冷凝器3)。
通过本发明的超低温热泵系统，采用复叠式的第一热泵系统和第二热泵系统，并在第二热泵系统中采用气体冷却器和蒸发冷凝器两级式放热的连接方式，能够克服现有技术中的热泵供暖系统在低温环境温度下性能衰减严重的缺陷，使得系统性能稳定且不会发生衰减、系统能效始终维持在较高的水平；能够使得系统可适应-40℃以下的超低温环境温度且还能保持原有的性能。
优选地，所述气体冷却器22设置在所述蒸发冷凝器3的制冷剂上游端。这样使得气体冷却器构成为第一级冷却器，蒸发冷凝器构成为第二级冷却器，形成二级串联式的冷却放热方式，能够有效利用第二热泵系统的高排气温度从而产生高温热水，同时降低了蒸发冷凝器的功率和第一热泵系统的能耗；能够通过第一级冷却器(气体冷却器)释放高温热量对需要热量部位(如室内、冷水水管等)进行放热，以提高室内环境气温或是制取热水的水温，且能够通过蒸发冷凝器(第二级冷却器)与第一热泵循环系统进行换热，具体地，由于第一热泵系统的蒸发温度足够低，从而有效降低了第二热泵系统制冷剂的温度，进而进过节流膨胀后能够到达更低的温度和保证制冷剂干度足够低。
优选地，所述冷凝器12设置为与低温水管路4进行换热；所述气体冷却器22设置为与中温水管路5进行换热。通过上述的设置方式能够通过冷凝器对低温水管路进行加热从而制取中温的水、通过气体冷却器对中温水管路进行加热从而制取高温的水，从而能够同时制取中温水和高温水，能够适应实际情况中各种对不同热水温度的需要。
优选地，所述低温水管路4包括低温进水端41和中温出水端42，其中所述中温出水端42分支为第一路421和第二路422两个支路，所述第一路421连接至中温水用户需求端，第二路422与所述中温水管路5的中温进水端51相连。将复叠系统中的第一热泵中的供水管路经换热后的中温热水通过第一路连接至中温水用户需求端能够对需求中温水的用户提供相应温度的中温热水，同时将第一热泵中经换热后的中温热水通过第二路连接到第二热泵系统中的中温进水端，能够为第二热泵系统中的供水提供来源、同时提供温度处于中温的中温热水(温度大约在60-70℃)，为制取高温热水(70℃以上)提供了条件(提供中温水源)，本发明能够制取高达95℃以上的超高温热水。
优选地，所述中温水管路5的高温出水端52与所述第一路421通过混水阀9汇合后共同连接至用水需求端。将复叠系统中的第二热泵中的供水管路经换热后的高温热水通过管路连接至高温水用户需求端能够对需求高温水的用户提供相应温度的高温热水，通过混水阀的方式可智能调节，满足客户对中温和/或高温用水的需求。
优选地，所述中温出水端42通过设置分水阀8将其分支为第一路421和第二路422两个支路；且在所述低温水管路4上还设置有水泵7。通过设置分水阀的结构方式能够有效地实现分水分流的作用、设置水泵起到根据需要有效泵送水流的作用。
优选地，所述第二热泵系统中还设置有除霜支路6，所述除霜支路6的一端连接至所述气体冷却器22和所述蒸发冷凝器3之间，另一端连接至所述高压蒸发器23。通过设置上述的除霜支路能够有效地利用压缩机的热和/或水路的热，根据实际的需要(通过例如控制压缩机、水泵和电磁阀)，对高压蒸发器中所结的霜进行化解和除去。
优选地，在所述气体冷却器22和蒸发冷凝器3所在的管路上还设置有第一电磁阀25；在所述除霜支路6上还设置有第二电磁阀61。通过在上述位置设置第一电磁阀的结构方式，能够对复叠连接的第一热泵系统和第二热泵系统进行打开或关闭的控制，以进一步对低温制热或制取热水进行控制；通过在除霜支路上设置第二电磁阀的结构方式，能够对除霜作用进行控制，当然这是在室外环境温度较低以导致高压蒸发器已产生结霜的情况下才执行的控制操作，从而能够在结霜已经影响整个热泵系统正常运行工作的情况下对其进行除霜，以保证热泵系统的正常、安全的运行。
优选地，所述除霜支路6为具有节流作用的管(优选为毛细管)，且化霜时冷媒还通过气体冷却器22从中温水管路5中吸热。通过将除霜支路设置为直径合理的细管可以保证压缩机出口的制冷剂有恰当的压力和温度，从而保证其经过结霜的蒸发器时能快速化霜；并且化霜时冷媒还通过气体冷却器从中温水管路中吸热，能够有效地利用水管中的热量对冷媒进行加热，进而进一步对蒸发器进行化霜作用，提升了化霜的效果。
优选地，所述第一热泵系统中采用R134A作为制冷剂，所述第二热泵系统中采用R744作为制冷剂。由于第一热泵系统属于常温或普通低温下的热泵制热，采用R134A能够该种情况下的热泵系统制取相应热水(中温)的需求；而第二热泵系统则属于较低温或超低温工况下的热泵制热，而此时采用R744(其主要成分为CO2)作为制冷剂的结构方式，能够利用CO2冷媒的特殊特性，能够激起适用于低温情况下热泵系统的制热，并且COP(能效比)依然较高，能够获取更高温度的热水(高温水)，充分利用了R744系统的能量，利用率可达95％。
由于现有技术中的热泵供水系统存在在低温环境温度下性能衰减严重，制取出的热水温度不高等的技术问题，因此本发明研究设计出一种可以制造90℃高温热水的用于供暖的超低温热泵系统及其控制方法。该热泵系统充分利用了R744在低温环境时密度大，性能衰减不明显的特性，以及R744压缩机高温侧高达140℃的高温排气温度来制备95℃的高温热水；进一步的，将R744低温热泵系统的气体冷却器一分为二，中温水与高温R744制冷剂在高温段气体冷却器换热得到高温水，R134A制冷剂与中温R744制冷剂在第二气体冷却器(即蒸发冷凝器)中换热；R744低温热泵系统的气体冷却器一分为二后，可使复叠系统R134A一侧的压缩机功耗降低，有利于选择小功率、振动小、噪音小、冷凝温度较高(70℃)的R134A涡旋压缩机而非大功率、振动大、噪音大、冷凝温度较低(60℃)的R134A活塞压缩机。
优选地，当室外环境温度T环≥-10℃时，控制所述第二热泵系统在跨临界状态下循环；当室外环境温度T环≤-10℃时，控制所述第二热泵系统在亚临界状态下循环。当室外环境温度T环≥-10℃时，说明系统处于普通低温(或称温度较高)工况环境下，此时该系统的蒸发温度相对来说较高，通过选择跨临界制冷循环进行执行能够获得较高的热泵热水温度，当室外环境温度T环≤-10℃时，说明系统处于低温或超低温工况环境下，此时该系统的蒸发温度相对来说较低，若使用跨临界循环则会耗费大量的压缩机功率，为了降低压缩机耗功且还能获得一定的制热热量以制取高温热水，选择并采用亚临界状态循环的方式。
本发明一种用于供暖的超低温热泵系统的控制方法，其使用前述的超低温热泵系统，通过控制第一节流装置和第二节流装置以控制第一热泵系统和第二热泵系统各自进行供热。采用复叠式的第一热泵系统和第二热泵系统，并在第二热泵系统中采用气体冷却器和蒸发冷凝器两级式放热的连接方式，能够克服现有技术中的热泵供暖系统在低温环境温度下性能衰减严重的缺陷，使得系统性能稳定且不会发生衰减、系统能效始终维持在较高的水平；能够使得系统可适应-40℃以下的超低温环境温度且还能保持原有的性能；并通过第一和第二节流装置对复叠是第一和第二热泵系统进行开闭和冷媒流量的控制，能够根据需要和实际情况进行有效的控制作用，完成在超低温工况下制取热量且性能不衰减、能效高。
优选地，当所述供暖系统中还包括除霜管路、以及第一电磁阀和第二电磁阀时：
1)当需要系统进行正常制热时，则打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，使得第一热泵系统和第二热泵系统同时正常制热；
2)当需要系统进行除霜时，则打开第二电磁阀，关闭第一电磁阀，使得第一热泵系统不工作，第二热泵系统对高压蒸发器进行化霜。
这是本发明的超低温热泵供暖系统的具体控制步骤，通过将第一电磁阀打开、第二电磁阀关闭，能够将除霜支路进行关闭使得不进行除霜、打开系统正常制热循环回路以制取热空气或热水，完成在超低温工况下的制热的目的和效果；通过将第一电磁阀关闭、第二电磁阀打开，能够将除霜支路进行打开使得进行除霜、同时关闭系统正常制热循环回路以不制取热空气或热水，完成在超低温工况下的除霜化霜的目的和效果；使得超低温正常制热和化霜动作各自独立正常地运行。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种用于供暖的超低温热泵系统，其特征在于：包括复叠相接的第一热泵系统和第二热泵系统，其中所述第一热泵系统为高温级，其包括第一压缩机(11)、冷凝器(12)和第一节流装置(13)；所述第二热泵系统为低温级，其包括第二压缩机(21)、气体冷却器(22)、高压蒸发器(23)和第二节流装置高压蒸发器(24)；
所述第一热泵系统与所述第二热泵系统通过蒸发冷凝器(3)复叠组合在一起，其中所述第一热泵系统通过所述蒸发冷凝器(3)吸热，所述第二热泵系统通过所述蒸发冷凝器(3)放热。
2.根据权利要求1所述的超低温热泵系统，其特征在于：所述气体冷却器(22)设置在所述蒸发冷凝器(3)的制冷剂上游端。
3.根据权利要求1-2之一所述的超低温热泵供暖系统，其特征在于：所述冷凝器(12)设置为与低温水管路(4)进行换热；所述气体冷却器(22)设置为与中温水管路(5)进行换热。
4.根据权利要求3所述的超低温热泵系统，其特征在于：所述低温水管路(4)包括低温进水端(41)和中温出水端(42)，其中所述中温出水端(42)分支为第一路(421)和第二路(422)两个支路，所述第二路(422)与所述中温水管路(5)的中温进水端(51)相连。
5.根据权利要求4所述的超低温热泵系统，其特征在于：所述中温水管路(5)的高温出水端(52)与所述第一路(421)通过混水阀(9)连接至用水需求端。
6.根据权利要求4-5之一所述的超低温热泵系统，其特征在于：所述中温出水端(42)通过设置分水阀(8)将其分支为第一路(421)和第二路(422)两个支路；且在所述低温水管路(4)上还设置有水泵(7)。
7.根据权利要求1-6之一所述的超低温热泵系统，其特征在于：所述第二热泵系统中还设置有除霜支路(6)，所述除霜支路(6)的一端连接至所述气体冷却器(22)和所述蒸发冷凝器(3)之间，另一端连接至所述高压蒸发器(23)。
8.根据权利要求7所述的超低温热泵系统，其特征在于：在所述气体冷却器(22)和蒸发冷凝器(3)所在的管路上还设置有第一电磁阀(25)；在所述除霜支路(6)上还设置有第二电磁阀(61)。
9.根据权利要求7-8之一所述的超低温热泵系统，其特征在于：所述除霜支路(6)为具有节流作用的管，且化霜时冷媒还通过气体冷却器(22)从中温水管路(5)中吸热。
10.根据权利要求1-9之一所述的超低温热泵系统，其特征在于：所述第一热泵系统中采用R134A作为制冷剂，所述第二热泵系统中采用R744作为制冷剂。
11.根据权利要求10所述的超低温热泵系统，其特征在于：当室外环境温度T环≥-10℃时，控制所述第二热泵系统在跨临界状态下循环；当室外环境温度T环≤-10℃时，控制所述第二热泵系统在亚临界状态下循环。
12.一种用于供暖的超低温热泵系统的控制方法，其特征在于：使用权利要求1-11之一所述的超低温热泵系统，通过控制第一节流装置和第二节流装置以控制第一热泵系统和第二热泵系统各自进行供热。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于：当所述供暖系统中还包括除霜管路、以及第一电磁阀和第二电磁阀时：
1)当需要系统进行正常制热时，则打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，使得第一热泵系统和第二热泵系统同时正常制热；
2)当需要系统进行除霜时，则打开第二电磁阀，关闭第一电磁阀，使得第一热泵系统不工作，第二热泵系统对高压蒸发器进行化霜。
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