CN106766318A - 用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的co2热泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，涉及热泵技术领域，所述用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵包括气液分离器、压缩机、四通阀、冷凝器、单向阀组、回热器、主毛细管和第一换热器；还包括制冰循环和制热水循环。本申请的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，能够完成制冷、制热水、制冰工况和制热、制热水、制冰工况，解决了现有技术中热泵热水器功能单一、能量利用率低，以及在极寒的天气下供热量不足，无法稳定运行的技术问题。

Description

用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO2热泵

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，尤其是涉及一种用于极寒天气具有制热水、制冰等多种功能的CO₂热泵。

背景技术

空气能热水器，也称“空气源热泵热水器”。“空气能热水器”把空气中的低温热量吸收进来，经过氟利昂介质气化，然后通过压缩机压缩后增压升温，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水温。空气能热水器具有高效节能的特点，制造相同的热水量，是一般电热水器的4－6倍，其年平均热效比是电加热的4倍，利用能效高。由此可见，空气能热水器起是运用热泵工作原理制热，利用上述热量加热水箱中的水，从而实现制热水。

但是，现有的热泵热水器功能单一，不能高效的利用资源。众所周知，氟利昂在使用时会对环境造成较大的污染，如果热泵不能高效的利用其循环介质，会对环境产生巨大的伤害。此外，现有的热泵难以在外界温度较低的情况下使用。随着外界温度的降低，热泵的负荷增加，会出现供热不足、压缩机比增大，系统性能系数急剧下降等问题。现有热泵在外界温度为零下20摄氏度以下基本无法运行。基于此，如何提供一种热泵系统，使其在使用时充分利用介质，在一次循环中实现更多的功能，是本领域技术人员亟待解决的问题。

基于此，本发明提供了一种用于极寒天气具有制热水、制冰等多种功能的CO₂热泵以解决上述的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，以缓解现有技术中存在的热泵热水器功能单一，在极寒的天气下供热量不足，无法稳定运行的技术问题。

本发明提供的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，包括气液分离器、压缩机、四通阀、冷凝器、单向阀组、回热器、主毛细管和第一换热器；

所述气液分离器上设置有充注口，所述气液分离器的出口与所述回热器的第一入口连通，所述回热器的第一出口与所述所述压缩机的一端连通；

所述压缩机的另一端与所述四通阀的第一接口连通，所述四通阀的第二接口连通和所述冷凝器的一端连通，所述四通阀的第三接口和所述气液分离器连通；所述四通阀的第四接口和所述第一换热器的一端连通；

所述冷凝器和所述第一换热器之间设置有主管，所述主管上设置有单向阀组，所述单向阀组包括第一支管、第二支管和四个单向阀，所述第一支管和所述第二支管的一端均与所述冷凝器的另一端的主管连通，所述第一支管和所述第二支管的另一端均与所述第一换热器一端的主管连接；所述第一支管上有两个所述单向阀，所述第二支管上有两个所述单向阀；所述回热器的第二出口的管路连接在所述第一支管的两个单向阀之间，所述主毛细管的第二端连接在所述第二支管的两个单向阀之间；所述主毛细管的第一端和所述回热器的第二出口连接；

还包括制冰循环，所述制冰循环连接在所述主毛细管的第二端所述单向阀组之间；所述制冰循环包括制冰机、第一制冰开关和第二制冰开关，所述主毛细管的第二端所述单向阀组之间设置有主管，所述第二制冰开关设置在所述主管上，所述制冰机的第二端和所述第一制冰开关的第一端分别与所述主管的两端连通；

还包括制热水循环，所述制热水循环连接在所述压缩机和所述四通阀的第一接口之间；所述制热水循环包括热水器、第一制热水开关和第二制热水开关，所述压缩机和所述四通阀的第一接口之间设置有主管，所述第二制热水开关在所述主管上；所述热水器的第一端和所述第一制热水开关的第二端串接，所述所述热水器的第二端和所述第一制热水开关的第一端分别与所述主管的两端连通。

进一步的，还包括调压支路，所述调压支路连接在所述主毛细管的第一端和所述第二支管的两个单向阀之间；所述调压支路包括相互串接的减压毛细管和第一调压开关，所述第一调压开关为常闭开关。

进一步的，还包括调压阀组，所述调压阀组连接在所述主毛细管的第二端和所述制冰循环之间；所述调压阀组包括调压阀组开关和相互并接的多个节流器，所述调压阀组开关和所有所述节流器均并接。

进一步的，所述节流器设置有四个。

进一步的，所述节流器为相互串接的单向阀和毛细管，所述单向阀为常闭单向阀。

进一步的，还包括过滤器，所述过滤器设置在所述回热器的第二出口和所述主毛细管的第一端之间。

进一步的，还包括过滤器，所述过滤器设置在所述回热器的第二出口和所述减压毛细管之间。

进一步的，所述冷凝器使用翅片换热器。

进一步的，所述第一换热器使用板式换热器。

进一步的，制冷剂使用二氧化碳。

本发明提供的所述用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，包括气液分离器、压缩机、冷凝器、单向阀组、回热器、主毛细管和第一换热器。气液分离器连接在压缩机的入口用于气液分离，其内部装有制冷剂，气液分离器上设置有充注口，用于注入制冷剂。本申请所提供的热泵系统，通过四通阀的换向切换制冷、制热水、制冰工况和制热、制热水、制冰工况。

制冷、制热水、制冰工况：气液分离器内的制冷剂经回热器，从回热器的第一入口流入，第一出口流出。制冷剂经回热器后进入压缩机，流出的为高温高压的液体。此时，如果需要制热水，可以开启制热水循环中的第一制热水开关，上述高温高压的制冷剂流入热水器，用以加热水，实现制热水功能。如果不需要制热水，关闭第一制热水开关，开启第二制热水开关，高温高压的制冷剂经四通阀流入冷凝器，此时冷凝器周围辅以冷风，降低上述高温高压的制冷剂的温度，完成制冷剂的第一次降温。之后，制冷剂流入单向阀组，经第一支管上的临近的单向阀流入回热器的第二入口，由回热器的第二出口流出后进入主毛细管内，经主毛细管降压节流后流入制冰循环。经主毛细管降压节流后的制冷剂进一步降温。

在制冰循环中，如果需要制冰，可以开启第一制冰开关，进一步降温的制冷剂流入制冰机中，实现制冰的功能。如果不需要制冰，关闭第一制冰开关，开启第二制冰开关，制冷剂经单向阀组的第二支管上的单向阀流入第一换热器内，此时第一换热器的入口流入的热水被降温成冷水，由第一换热器的出口流出冷水，实现制冷的功能。

制热、制热水、制冰工况：气液分离器内的制冷剂经回热器后进入压缩机，流出的为高温高压的液体。此时，如果需要制热水，可以开启制热水循环中的第一制热水开关，上述高温高压的制冷剂流入热水器，用以加热水，实现制热水功能。如果不需要制热水，关闭第一制热水开关，开启第二制热水开关。此时，四通阀换向，高温高压的制冷剂经流入第一换热器。第一换热器的入口流进的冷水经第一换热器加热成热水，实现制热的功能。

需要说明的是，制热的功能和制热水功能不同。制热的功能只要系统开启，就一直制热，更适用于采暖用水。制热水功能的开启和关闭可以控制，更适合提供生活用水。此外，采暖用水和生活用水分开提供，一方面，不会影响采暖循环的正常运行，在极寒天气下也能保证采暖温度和生活用水的温度，另一方面，采暖用水和生活用水对水质的要求不同，生活用水的流出端可以根据需要配以过滤装置。

经第一换热器流出的制冷剂温度下降，通过单向阀组的第一支管上的单向阀流入回热器的第二入口，由回热器的第二出口流出，随后进入主毛细管，经主毛细管降压节流后流入制冰循环。制冰过程和制冷、制热水、制冰工况中相同。

本发明提供的所述用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，在同一系统内同时实现制冷、制热、制热水、制冰功的能，并且在极寒的天气条件下，不会影响采暖循环的正常运行，能保证采暖温度和生活用水的温度。

基于此，本发明较之原有技术，实现了能量的多级利用，具有功能多样，能够在极寒天气下稳定运行，且提供足够的热量的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例一提供的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵的结构示意图；

图2为实施例二提供的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵的结构示意图；

图3为图2的制冷、制热水、制冰工况流程图；

图4为图2的制热、制热水、制冰工况流程图。

标记：1－热水器；2－第一制热水开关；3－第二制热水开关；4－四通阀；5－压缩机；6－气液分离器；7－第一换热器；8－回热器；9－冷凝器；10－单向阀组；11－过滤器；12－减压毛细管；13－第一调压开关；14－主毛细管；15－调压阀组；16－第二制冰开关；17－第一制冰开关；18－制冰机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，在本实施例中提供了一种用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵，所述用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵，包括气液分离器6、压缩机5、四通阀4、冷凝器9、单向阀组10、回热器8、主毛细管14和第一换热器7；

所述气液分离器6上设置有充注口，所述气液分离器6的出口与所述回热器8的第一入口连通，所述回热器8的第一出口与所述所述压缩机5的一端连通；

所述压缩机5的另一端与所述四通阀4的第一接口连通，所述四通阀4的第二接口连通和所述冷凝器9的一端连通，所述四通阀4的第三接口和所述气液分离器6连通；所述四通阀4的第四接口和所述第一换热器7的一端连通；

所述冷凝器9和所述第一换热器7之间设置有主管，所述主管上设置有单向阀组10，所述单向阀组10包括第一支管、第二支管和四个单向阀，所述第一支管和所述第二支管的一端均与所述冷凝器9的另一端的主管连通，所述第一支管和所述第二支管的另一端均与所述第一换热器7一端的主管连接；所述第一支管上有两个所述单向阀，所述第二支管上有两个所述单向阀；所述回热器8的第二出口的管路连接在所述第一支管的两个单向阀之间，所述主毛细管14的第二端连接在所述第二支管的两个单向阀之间；所述主毛细管14的第一端和所述回热器8的第二出口连接；

还包括制冰循环，所述制冰循环连接在所述主毛细管14的第二端所述单向阀组10之间；所述制冰循环包括制冰机18、第一制冰开关17和第二制冰开关16，所述主毛细管14的第二端所述单向阀组10之间设置有主管，所述第二制冰开关16设置在所述主管上，所述制冰机18的第二端和所述第一制冰开关17的第一端分别与所述主管的两端连通；

还包括制热水循环，所述制热水循环连接在所述压缩机5和所述四通阀4的第一接口之间；所述制热水循环包括热水器1、第一制热水开关2和第二制热水开关3，所述压缩机5和所述四通阀4的第一接口之间设置有主管，所述第二制热水开关3在所述主管上；所述热水器1的第一端和所述第一制热水开关2的第二端串接，所述所述热水器1的第二端和所述第一制热水开关2的第一端分别与所述主管的两端连通。

本实施例的可选方案中，还包括过滤器11，所述过滤器11设置在所述回热器8的第二出口和所述主毛细管14的第一端之间。

本实施例的可选方案中，所述冷凝器9使用翅片换热器。

本实施例的可选方案中，所述第一换热器7使用板式换热器。

本实施例的可选方案中，制冷剂使用二氧化碳。

本发明提供的所述用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵，包括气液分离器6、压缩机5、冷凝器9、单向阀组10、回热器8、主毛细管14和第一换热器7。气液分离器6连接在压缩机5的入口用于气液分离，其内部装有制冷剂，气液分离器6上设置有充注口，用于注入制冷剂。本申请所提供的热泵系统，通过四通阀4的换向切换制冷、制热水、制冰工况和制热、制热水、制冰工况。

如图3所示，制冷、制热水、制冰工况：气液分离器6内的制冷剂经回热器8，从回热器8的第一入口流入，第一出口流出。制冷剂经回热器8后进入压缩机5，流出的为高温高压的液体。此时，如果需要制热水，可以开启制热水循环中的第一制热水开关2，上述高温高压的制冷剂流入热水器1，用以加热水，实现制热水功能。如果不需要制热水，关闭第一制热水开关2，开启第二制热水开关3，高温高压的制冷剂经四通阀4流入冷凝器9，此时冷凝器9周围辅以冷风，降低上述高温高压的制冷剂的温度，完成制冷剂的第一次降温。之后，制冷剂流入单向阀组10，经第一支管上的临近的单向阀流入回热器8的第二入口，由回热器8的第二出口流出后进入主毛细管14内，经主毛细管14降压节流后流入制冰循环。经主毛细管14降压节流后的制冷剂进一步降温。

在制冰循环中，如果需要制冰，可以开启第一制冰开关17，进一步降温的制冷剂流入制冰机18中，实现制冰的功能。如果不需要制冰，关闭第一制冰开关17，开启第二制冰开关16，制冷剂经单向阀组10的第二支管上的单向阀流入第一换热器7内，此时第一换热器7的入口流入的热水被降温成冷水，由第一换热器7的出口流出冷水，实现制冷的功能。

如图4所示，制热、制热水、制冰工况：气液分离器6内的制冷剂经回热器8后进入压缩机5，流出的为高温高压的液体。此时，如果需要制热水，可以开启制热水循环中的第一制热水开关2，上述高温高压的制冷剂流入热水器1，用以加热水，实现制热水功能。如果不需要制热水，关闭第一制热水开关2，开启第二制热水开关3。此时，四通阀4换向，高温高压的制冷剂经流入第一换热器7。第一换热器7的入口流进的冷水经第一换热器7加热成热水，实现制热的功能。

需要说明的是，制热的功能和制热水功能不同。制热的功能只要系统开启，就一直制热，更适用于采暖用水。制热水功能的开启和关闭可以控制，更适合提供生活用水。此外，采暖用水和生活用水分开提供，一方面，不会影响采暖循环的正常运行，在极寒天气下也能保证采暖温度和生活用水的温度，另一方面，采暖用水和生活用水对水质的要求不同，生活用水的流出端可以根据需要配以过滤装置。

经第一换热器7流出的制冷剂温度下降，通过单向阀组10的第一支管上的单向阀流入回热器8的第二入口，由回热器8的第二出口流出，随后进入主毛细管14，经主毛细管14降压节流后流入制冰循环。制冰过程和制冷、制热水、制冰工况中相同。

本发明提供的所述用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵，在同一系统内同时实现制冷、制热、制热水、制冰功的能，并且在极寒的天气条件下，不会影响采暖循环的正常运行，能保证采暖温度和生活用水的温度。现有的热泵在零下20摄氏度左右基本无法运行，经试验，本申请至少在零下35摄氏度以上能够提供足够的热量且稳定运行。

基于此，本发明较之原有技术，实现了能量的多级利用，具有功能多样，能够在极寒天气下稳定运行，且提供足够的热量的优点。本实施例的可选方案中，还包括过滤器11，所述过滤器11设置在所述回热器8的第二出口和所述主毛细管14的第一端之间。

本实施例的可选方案中，还包括过滤器11，所述过滤器11设置在所述回热器8的第二出口和所述调压支路远离所述单向阀组10的第四接口的一端的之间。

本实施例的可选方案中，所述冷凝器9使用翅片换热器。

本实施例的可选方案中，所述第一换热器7使用板式换热器。

本实施例的可选方案中，制冷剂使用二氧化碳，使用二氧化碳将更加环保。此外，使用二氧化碳做制冷剂也有利于本申请在极寒的天气下稳定运行。

实施例二

如图2所示，本实施例提供的所述用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵，是对实施例一提供的所述用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵的进一步改进，实施例一所描述的技术方案也属于该实施例，实施例一已经描述的技术方案不再重复描述。

具体而言，如图2所示，在本实施例中提供了一种用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的二氧化碳热泵，还包括调压支路，所述调压支路连接在所述主毛细管14的第一端和所述第二支管的两个单向阀之间；所述调压支路包括相互串接的减压毛细管12和第一调压开关13，所述第一调压开关13为常闭开关。

如图2，本实施例的可选方案中，还包括调压阀组15，所述调压阀组15连接在所述主毛细管14的第二端和所述制冰循环之间；所述调压阀组15包括调压阀组15开关和相互并接的多个节流器，所述调压阀组15开关和所有所述节流器均并接。

如图2，本实施例的可选方案中，所述节流器设置有四个。

如图2，本实施例的可选方案中，所述节流器为相互串接的单向阀和毛细管，所述单向阀为常闭单向阀。

如图2所示，本实施例的可选方案中，还包括过滤器11，所述过滤器11设置在所述回热器8的第二出口和所述减压毛细管12之间。

基于热泵系统的运行原理，当外界环境温度变化时系统内部压力也会相应的变化。例如，环境温度为零上和零下的时候，系统内部压力不同，环境温度在零下1摄氏度和零下10摄氏度的时候，系统内部压力也会出现变化。因此，为了保证系统能够稳定运行，需要设置起调压作用的结构。

由于热泵在运行时容易超压，尤其是制冷剂使用二氧化碳的时候。因此，系统压力变化时，通过调节调压阀组15中接入的节流器的个数调整系统内部压力，实现系统的稳压运行。

当系统压力超过一定数值时，开启调压支路的第一调压开关13，以保证系统不会超压运行。作为优选，系统压力超过9Mpa时，第一调压开关13开启，接入调压支路。

最为优选，第一调压开关13使用电磁阀。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，包括气液分离器、压缩机、四通阀、冷凝器、单向阀组、回热器、主毛细管和第一换热器；

所述气液分离器上设置有充注口，所述气液分离器的出口与所述回热器的第一入口连通，所述回热器的第一出口与所述所述压缩机的一端连通；

所述压缩机的另一端与所述四通阀的第一接口连通，所述四通阀的第二接口连通和所述冷凝器的一端连通，所述四通阀的第三接口和所述气液分离器连通；所述四通阀的第四接口和所述第一换热器的一端连通；

所述冷凝器和所述第一换热器之间设置有主管，所述主管上设置有单向阀组，所述单向阀组包括第一支管、第二支管和四个单向阀，所述第一支管和所述第二支管的一端均与所述冷凝器的另一端的主管连通，所述第一支管和所述第二支管的另一端均与所述第一换热器一端的主管连接；所述第一支管上有两个所述单向阀，所述第二支管上有两个所述单向阀；所述回热器的第二入口的管路连接在所述第一支管的两个单向阀之间，所述主毛细管的第二端连接在所述第二支管的两个单向阀之间；所述主毛细管的第一端和所述回热器的第二出口连接；

还包括制冰循环，所述制冰循环连接在所述主毛细管的第二端所述单向阀组之间；所述制冰循环包括制冰机、第一制冰开关和第二制冰开关，所述主毛细管的第二端所述单向阀组之间设置有主管，所述第二制冰开关设置在所述主管上，所述制冰机的第二端和所述第一制冰开关的第一端分别与所述主管的两端连通；

还包括制热水循环，所述制热水循环连接在所述压缩机和所述四通阀的第一接口之间；所述制热水循环包括热水器、第一制热水开关和第二制热水开关，所述压缩机和所述四通阀的第一接口之间设置有主管，所述第二制热水开关设置在所述主管上；所述热水器的第一端和所述第一制热水开关的第二端串接，所述所述热水器的第二端和所述第一制热水开关的第一端分别与所述主管的两端连通。

2.根据权利要求1所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，还包括调压支路，所述调压支路连接在所述主毛细管的第一端和所述第二支管的两个单向阀之间；所述调压支路包括相互串接的减压毛细管和第一调压开关，所述第一调压开关为常闭开关。

3.根据权利要求2所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，还包括调压阀组，所述调压阀组连接在所述主毛细管的第二端和所述制冰循环之间；所述调压阀组包括调压阀组开关和相互并接的多个节流器，所述调压阀组开关和所有所述节流器均并接。

4.根据权利要求3所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，所述节流器设置有四个。

5.根据权利要求3所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，所述节流器为相互串接的单向阀和毛细管，所述单向阀为常闭单向阀。

6.根据权利要求1所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，还包括过滤器，所述过滤器设置在所述回热器的第二出口和所述主毛细管的第一端之间。

7.根据权利要求2所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，还包括过滤器，所述过滤器设置在所述回热器的第二出口和所述减压毛细管之间。

8.根据权利要求1所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，所述冷凝器使用翅片换热器。

9.根据权利要求1所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，所述第一换热器使用板式换热器。

10.根据权利要求1－9任一项所述的用于极寒天气具有制热水制冰等多种功能的CO₂热泵，其特征在于，制冷剂使用二氧化碳。