CN107218644A - 一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，包括供热热泵回路、辅助热泵回路、空气回路及溶液回路，本发明通过采用两个热泵系统串联运行，辅助热泵用于从空气中吸收热量，加热再生溶液，而供热热泵负责为室内环境提供热量，一方面利用溶液除湿实现热泵系统的安全无霜运行，另一方面通过闭式空气循环回路回收再生空气中的显热和潜热，极大的提高了溶液的再生效率和系统的运行能效。通过将冬季热泵运行过程中的大温差合理分配到两个热泵中，既降低了压缩机的压比，提高了系统运行的稳定性和能效，又保证了热泵运行过程中的持续供热，提高了室内的热舒适性。

Description

一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统
技术领域
本发明涉及一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，属于制冷空调系统技术领域。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，空气源热泵作为一种主要的供暖设备在长江流域地区得到广泛应用，然而该地区冬季气候阴冷潮湿，平均相对湿度达70％以上，温度较低时极易结霜，造成热泵系统无法正常运行。因此，发展合适的除霜技术或防止结霜方法是现在热泵应用的当务之急。
目前，针对常规热泵系统结霜存在的一系列问题，一些学者提出了无霜空气源热泵，浙江大学陈光明提出的一种无霜型空气源热泵系统(专利申请号：CN200910098008.5)，该装置利用防冻溶液作为载热介质吸收室外低温空气热量，再将溶液的热量传给室外蒸发器，从而避免了空气源热泵的结霜，该系统利用部分冷凝器的冷凝热量再生稀释后的溶液，再生后的空气直接排出到室外，造成大量热量损耗，系统整体性能不高。东南大学李舒宏等提出了一种溶液除湿预防空气源热泵热水器结霜的系统(专利申请号：CN201410156239.8)，利用除湿浓溶液对蒸发器进口空气进行除湿干燥，保证了热泵热水器的无霜运行，当除湿溶液达到除湿极限后，利用热泵回路自身的热量进行再生，同时将吸热后的空气热量在蒸发器内释放，回收利用。该系统在再生过程中将大部分热量用于溶液再生，而再生时间较长，造成该段时间内室内热舒适性下降明显。因此，采用合适的再生方法回收再生空气的热量，并实现热泵系统连续高效的运行，保证室内热舒适性显得十分必要。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中溶液加热再生后空气中大量显热和潜热排放无法回收，导致热量浪费的问题，同时针对无霜热泵溶液再生过程中室内供热量减少，热舒适性严重下降的情况，本发明提出一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，引入一个辅助热泵循环回路，利用该系统蒸发器从外界空气吸收热量，同时系统的冷凝热用于再生稀释后的溶液，吸热后的再生空气在闭式风路循环中流经供热热泵的蒸发器完成全部热量的回收。该系统一方面可以实现无霜热泵系统连续运行，保证室内热环境的舒适性，另一方面，溶液再生的热量在闭式的风路循环过程中，被全部回收，提升了系统的能效。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，包括供热热泵回路、辅助热泵回路、空气回路及溶液回路：
供热热泵回路包括压缩机一、蒸发器、电子膨胀阀一、室内冷凝器、风扇一、轴流风机及其相应连接管道，所述轴流风机也是辅助热泵回路、空气回路及溶液回路的构成部件。所述供热热泵回路中，压缩机一的输出端与室内冷凝器的输入端连接，室内冷凝器的输出端与电子膨胀阀一的输入端连接，电子膨胀阀一的输出端与蒸发器的输入端连接，蒸发器的输出端与压缩机一的输入端连接；
辅助热泵回路包括压缩机二、室外蒸发器、溶液蒸发换热器、电子膨胀阀二、电子膨胀阀三、再生空气冷凝器、溶液冷凝器、风扇二及相应链接管道，所述溶液蒸发换热器和溶液冷凝器同时也是溶液回路的构成部件。所述辅助热泵回路中，压缩机二的输出端与溶液冷凝器的输入端连接，溶液冷凝器的输出端与电子膨胀阀三的输入端连接，电子膨胀阀三的输出端与再生空气冷凝器的输入端连接，再生空气冷凝器的输出端与电子膨胀阀二的输入端连接，电子膨胀阀二的输出端与室外蒸发器的输入端连接，室外蒸发器的输出端与溶液蒸发换热器的输入端连接，溶液蒸发换热器的输出端与压缩机二的输入端连接；
溶液回路包括溶液除湿器、溶液再生器、溶液冷凝器、溶液蒸发换热器、溶液热交换器、溶液泵一、溶液泵二、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、轴流风机；所述除湿器的出口一经电磁阀四和溶液泵二与溶液蒸发换热器的入口连接，溶液蒸发换热器的出口与除湿器的入口链接；除湿器的出口二经电磁阀三与溶液换热器的入口连接，溶液换热器的出口经溶液泵一与溶液冷凝器的入口连接，溶液冷凝器的出口与再生器的入口连接；再生器的出口一经电磁阀一和溶液泵一与溶液冷凝器的入口连接，溶液冷凝器的出口与再生器的入口链接；再生器的出口二经电磁阀二与溶液换热器的入口连接，溶液换热器的出口经溶液泵二与溶液蒸发换热器的入口连接；
空气回路包括蒸发器、轴流风机、再生器、再生空气冷凝器、凝水槽及循环风道，蒸发器、轴流风机、再生器、再生空气冷凝器、通过循环风道依次连接构成循环回路，蒸发器的凝结水直接流入凝水槽。
优选的：所述溶液除湿器与溶液再生器均为叉流型式，除湿溶液为氯化锂溶液、氯化钙溶液、溴化锂溶液或乙二醇溶液中的一种。
优选的：所述室内冷凝器、室外蒸发器、再生空气冷凝器均采用风冷式换热器，溶液冷凝器、溶液蒸发换热器、溶液热交换器采用管式换热器或板式换热器。
优选的：所述再生空气冷凝器和溶液冷凝器分别用于加热再生空气和再生溶液。
优选的：所述电子膨胀阀二和电子膨胀阀三用于调节再生空气冷凝器和溶液冷凝器的热量分配。
优选的：所述循环风道内设有挡水板。
进一步地：所述供热系统蒸发器位于再生器的空气侧出口，用于回收再生后空气中的显热和潜热。
有益效果：本发明提供的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明通过采用两个热泵系统串联运行，辅助热泵用于从空气中吸收热量，加热再生溶液，而供热热泵负责为室内环境提供热量，保证了热泵运行过程中的持续供热，提高了室内的热舒适性。
2.本发明一方面利用溶液除湿实现热泵系统的安全无霜运行，另一方面通过闭式空气循环回路回收再生空气中的显热和潜热，极大的提高了溶液的再生效率和系统的运行能效。
3.本发明的供热热泵工作温差为供暖温度与再生空气回收温度(大于0度)，辅助热泵工作温差为溶液再生温度与外界空气温度，合理的将传统热泵冬季工作中存在的温差过大，效率较低的问题予以解决，降低了压缩机的压比，提高了系统运行的稳定性和能效。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1压缩机一、2蒸发器、3电子膨胀阀一、4室内冷凝器、5溶液再生器、6溶液除湿器、7再生空气冷凝器、8电子膨胀阀二、9室外蒸发器、10溶液蒸发换热器、11压缩机二、12溶液冷凝器、13轴流风机、14电子膨胀阀三、15电磁阀一、16电磁阀二、17电磁阀三、18电磁阀四、19溶液泵二、20风机二、21风机一、22溶液热交换器、23凝水槽、24溶液泵一、25循环风道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
参见图1公开了一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，包括供热热泵回路、辅助热泵回路、空气回路及溶液回路。
供热热泵回路包括压缩机一1、蒸发器2、电子膨胀阀一3、室内冷凝器4、风扇一21、轴流风机13及其相应连接管道，该轴流风机13也是辅助热泵回路、空气回路及溶液回路的构成部件。供热热泵回路中，压缩机一1的输出端与室内冷凝器4的输入端连接，室内冷凝器4的输出端与电子膨胀阀一3的输入端连接，电子膨胀阀一3的输出端与蒸发器2的输入端连接，蒸发器2的输出端与压缩机一1的输入端连接。
辅助热泵回路包括压缩机二11、室外蒸发器9、溶液蒸发换热器10、电子膨胀阀二8、电子膨胀阀三14、再生空气冷凝器7、溶液冷凝器12、风扇二20及相应连接管道，溶液蒸发换热器10和溶液冷凝器12同时也是溶液回路的构成部件。辅助热泵回路中，压缩机二11的输出端与溶液冷凝器12的输入端连接，溶液冷凝器12的输出端与电子膨胀阀三14的输入端连接，电子膨胀阀三14的输出端与再生空气冷凝器7的输入端连接，再生空气冷凝器7的输出端与电子膨胀阀二8的输入端连接，电子膨胀阀二8的输出端与室外蒸发器9的输入端连接，室外蒸发器9的输出端与溶液蒸发换热器10的输入端连接，溶液蒸发换热器10的输出端与压缩机二11的输入端连接。
溶液回路包括溶液除湿器6、溶液再生器5、溶液冷凝器12、溶液蒸发换热器10、溶液热交换器22、溶液泵一24、溶液泵二19、电磁阀一15、电磁阀二16、电磁阀三17、电磁阀四18、轴流风机13；除湿器6的出口一经电磁阀四18和溶液泵二19与溶液蒸发换热器10的入口连接，溶液蒸发换热器10的出口与除湿器6的入口链接；除湿器6的出口二经电磁阀三17与溶液换热器22的入口连接，溶液换热器22的出口经溶液泵一24与溶液冷凝器12的入口连接，溶液冷凝器12的出口与再生器5的入口连接；再生器5的出口一经电磁阀一15和溶液泵一24与溶液冷凝器12的入口连接，溶液冷凝器12的出口与再生器5的入口链接；再生器5的出口二经电磁阀二16与溶液换热器22的入口连接，溶液换热器22的出口经溶液泵二19与溶液蒸发换热器10的入口连接。
空气回路包括蒸发器2、轴流风机13、再生器5、再生空气冷凝器7、凝水槽23及循环风道24，蒸发器2、轴流风机13、再生器5、再生空气冷凝器7、通过循环风道25依次连接构成循环回路，蒸发器的凝结水直接流入凝水槽23。
其中，溶液除湿器6与溶液再生器5均为叉流型式，除湿溶液为氯化锂溶液、氯化钙溶液、溴化锂溶液或乙二醇溶液中的一种。
其中，室内冷凝器4、室外蒸发器9、再生空气冷凝器7均采用风冷式换热器，溶液冷凝器12、溶液蒸发换热器10、溶液热交换器22采用管式换热器或板式换热器。
其中，再生空气冷凝器7和溶液冷凝器12分别用于加热再生空气和再生溶液。
其中，电子膨胀阀二8和电子膨胀阀三14用于调节再生空气冷凝器7和溶液冷凝器12的热量分配。
其中，循环风道25内设有挡水板。
其中，供热系统蒸发器2位于再生器5的空气侧出口，用于回收再生后空气中的显热和潜热。
该系统包括溶液自循环模式和溶液级间交换循环模式。
溶液自循环模式：
供热热泵回路中，压缩机一1出来的高温高压制冷剂蒸汽进入室内冷凝器4向室内环境释放出热量，冷凝成液态，经电子膨胀阀一3进行节流膨胀后进入蒸发器2，从再生空气中吸收热量后变为低温低压的蒸汽进入压缩机，完成循环过程；
辅助热泵回路中，压缩机二11出来的高温高压制冷剂蒸汽先进入溶液冷凝器12释放部分冷凝热给再生溶液，之后经电子膨胀阀三14后节流膨胀进入再生空气冷凝器7进一步释放热量到再生空气中，经电子膨胀阀二8再次节流膨胀后进入室外蒸发器9中从外界空气中吸收热量，后到溶液蒸发换热器10进一步吸收溶液中热量后变为低温低压蒸汽进入压缩机二11，进行下一个循环；
溶液回路中，电磁阀三17和电磁阀二16处于关闭状态，电磁阀四18和电磁阀一15打开，除湿器6中溶液经电磁阀四18由溶液泵二19送入溶液蒸发换热器10释放部分热量给制冷剂后，进入除湿器6与外界空气进行热湿交换，吸收空气中的水分，干燥后的空气由除湿器进入室外蒸发器9进一步被降温后排出；再生器5的溶液经电磁阀一15由溶液泵一24送入溶液冷凝器12，从中吸收热量后温度升高进入再生器5与再生空气冷凝器7来的空气进行热湿交换将溶液的水分传递给空气。
空气回路中，空气在再生空气冷凝器7中被加热后进入再生器5与再生溶液进行热湿交换吸收溶液水分后进入蒸发器2，在蒸发器2中将显热和潜热释放给蒸发器后变成低温干燥的空气经循环风道25返回开始下个循环，蒸发器2上凝结的水分流入凝水槽23。
溶液级间循环模式：
当除湿器6中溶液浓度降低，无法保证辅助热泵无霜运行时，系统进行溶液级间循环，进行稀溶液和浓溶液的交换。供热热泵回路中，压缩机一1出来的高温高压制冷剂蒸汽进入室内冷凝器4向室内环境释放出热量，冷凝成液态，经电子膨胀阀一3进行节流膨胀后进入蒸发器2，从再生空气中吸收热量后变为低温低压的蒸汽进入压缩机，完成循环过程；辅助热泵回路中，压缩机二11出来的高温高压制冷剂蒸汽先进入溶液冷凝器12释放部分冷凝热给再生溶液，之后经电子膨胀阀三14后节流膨胀进入再生空气冷凝器7进一步释放热量到再生空气中，经电子膨胀阀二8再次节流膨胀后进入室外蒸发器9中从外界空气中吸收热量，后到溶液蒸发换热器10进一步吸收溶液中热量后变为低温低压蒸汽进入压缩机二11，进行下一个循环；
溶液回路中，电磁阀三17和电磁阀二16处于打开状态，电磁阀四18和电磁阀一15关闭，除湿器6中稀溶液经电磁阀三17进入溶液换热器22与再生器5过来的浓溶液进行热量交换后，由溶液泵一24送入溶液冷凝器12，从中吸收热量后温度升高进入再生器5与再生空气冷凝器7来的空气进行热湿交换将溶液的水分传递给空气；再生器5的浓溶液经电磁阀二16进入溶液换热器22与除湿器过来的稀溶液进行热量交换后由溶液泵二19送入溶液蒸发换热器10释放部分热量给制冷剂后，进入除湿器6与外界空气进行热湿交换，吸收空气中的水分，干燥后的空气由除湿器进入室外蒸发器9进一步被降温后排出，直至稀溶液和浓溶液完成交换。
空气回路中，空气在再生空气冷凝器7中被加热后进入再生器5与再生溶液进行热湿交换吸收溶液水分后进入蒸发器2，在蒸发器2中将显热和潜热释放给蒸发器后变成低温干燥的空气经循环风道25返回开始下个循环，蒸发器2上凝结的水分流入凝水槽23。
本发明通过采用两个热泵系统串联运行，辅助热泵用于从空气中吸收热量，加热再生溶液，而供热热泵负责为室内环境提供热量，保证了热泵运行过程中的持续供热，提高了室内的热舒适性。
本发明一方面利用溶液除湿实现热泵系统的安全无霜运行，另一方面通过闭式空气循环回路回收再生空气中的显热和潜热，极大的提高了溶液的再生效率和系统的运行能效。
本发明的供热热泵工作温差为供暖温度与再生空气回收温度(大于0度)，辅助热泵工作温差为溶液再生温度与外界空气温度，合理的将传统热泵冬季工作中存在的温差过大，效率较低的问题予以解决，降低了压缩机的压比，提高了系统运行的稳定性和能效。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：包括负责为室内环境提供热量的供热热泵回路、用于从空气中吸收热量的辅助热泵回路、空气回路及溶液回路，所述供热热泵回路与辅助热泵回路串联工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述供热热泵回路包括压缩机一(1)、蒸发器(2)、电子膨胀阀一(3)、室内冷凝器(4)、风扇一(21)、轴流风机(13)及其相应连接管道，所述轴流风机(13)也是辅助热泵回路、空气回路及溶液回路的构成部件。所述供热热泵回路中，压缩机一(1)的输出端与室内冷凝器(4)的输入端连接，室内冷凝器(4)的输出端与电子膨胀阀一(3)的输入端连接，电子膨胀阀一(3)的输出端与蒸发器(2)的输入端连接，蒸发器(2)的输出端与压缩机一(1)的输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述辅助热泵回路包括压缩机二(11)、室外蒸发器(9)、溶液蒸发换热器(10)、电子膨胀阀二(8)、电子膨胀阀三(14)、再生空气冷凝器(7)、溶液冷凝器(12)、风扇二(20)及相应链接管道，所述溶液蒸发换热器(10)和溶液冷凝器(12)同时也是溶液回路的构成部件。所述辅助热泵回路中，压缩机二(11)的输出端与溶液冷凝器(12)的输入端连接，溶液冷凝器(12)的输出端与电子膨胀阀三(14)的输入端连接，电子膨胀阀三(14)的输出端与再生空气冷凝器(7)的输入端连接，再生空气冷凝器(7)的输出端与电子膨胀阀二(8)的输入端连接，电子膨胀阀二(8)的输出端与室外蒸发器(9)的输入端连接，室外蒸发器(9)的输出端与溶液蒸发换热器(10)的输入端连接，溶液蒸发换热器(10)的输出端与压缩机二(11)的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液回路包括溶液除湿器(6)、溶液再生器(5)、溶液冷凝器(12)、溶液蒸发换热器(10)、溶液热交换器(22)、溶液泵一(24)、溶液泵二(19)、电磁阀一(15)、电磁阀二(16)、电磁阀三(17)、电磁阀四(18)、轴流风机(13)；所述除湿器(6)的出口一经电磁阀四(18)和溶液泵二(19)与溶液蒸发换热器(10)的入口连接，溶液蒸发换热器(10)的出口与除湿器(6)的入口链接；除湿器(6)的出口二经电磁阀三(17)与溶液换热器(22)的入口连接，溶液换热器(22)的出口经溶液泵一(24)与溶液冷凝器(12)的入口连接，溶液冷凝器(12)的出口与再生器(5)的入口连接；再生器(5)的出口一经电磁阀一(15)和溶液泵一(24)与溶液冷凝器(12)的入口连接，溶液冷凝器(12)的出口与再生器(5)的入口链接；再生器(5)的出口二经电磁阀二(16)与溶液换热器(22)的入口连接，溶液换热器(22)的出口经溶液泵二(19)与溶液蒸发换热器(10)的入口连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述空气回路包括蒸发器(2)、轴流风机(13)、再生器(5)、再生空气冷凝器(7)、凝水槽(23)及循环风道(25)，蒸发器(2)、轴流风机(13)、再生器(5)、再生空气冷凝器(7)、通过循环风道(25)依次连接构成循环回路，蒸发器的凝结水直接流入凝水槽(23)。
6.根据权利要求4所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述溶液除湿器(6)与溶液再生器(5)均为叉流型式，除湿溶液为氯化锂溶液、氯化钙溶液、溴化锂溶液或乙二醇溶液中的一种。
7.根据权利要求3所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述再生空气冷凝器(7)和溶液冷凝器(12)分别用于加热再生空气和再生溶液。
8.根据权利要求3所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述电子膨胀阀二(8)和电子膨胀阀三(14)用于调节再生空气冷凝器(7)和溶液冷凝器(12)的热量分配。
9.根据权利要求5所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述蒸发器(2)位于再生器(5)的空气侧出口，用于回收再生后空气中的显热和潜热。
10.根据权利要求5所述的一种基于再生热回收的串联无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述循环风道(25)内设有挡水板。
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