CN108518773B - 一种蓄能式双循环热泵空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓄能式双循环热泵空调系统，包括压缩式热泵机组，还包括耦合在压缩式热泵机组上的冷冻水回路和热水回路，冷冻水回路包括蒸发器、第一三通调节阀、冷盘管、第二三通调节阀、蓄冷换热器和冷冻水泵，热水回路包括冷凝器、第三三通调节阀、热盘管、第四三通调节阀、蓄热换热器和热水泵。本发明采取热水循环和冷冻水循环同时运行的方式，系统不用在制热模式和制冷模式之间转换工质的循环方向，控制简单，蒸发器和冷凝器可以按照各自最佳方案设计，系统效率高，可根据外界负荷变化自动调节输出功率，压缩机可以长时间稳定工作在效率最高的标准工况，节能省电。

Description

一种蓄能式双循环热泵空调系统
技术领域
本发明涉及空调暖通技术领域，具体涉及一种蓄能式双循环热泵空调系统。
背景技术
热泵是一种基于逆卡诺循环原理的热能装置，它既可以从环境中吸取热量传递给高温物体，实现供热目的，也可以从低温物体吸取热量传递给环境，实现制冷目的。按热泵驱动功的型式，常见的热泵机组分为机械压缩式热泵机组、吸收式热泵机组、喷射式热泵机组和热电热泵机组4种类型，其中机械压缩式热泵机组是应用最广泛、技术最成熟的热泵机组。
压缩式热泵机组主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成，基本工作原理为：工质(也叫冷媒)蒸汽在压缩机内被压缩成高温高压的气体，高温高压气体随后进入冷凝器，并在冷凝器中将热量传递给另一种传热介质后变成高压低温气体，高压低温气体经过节流阀降压后进入蒸发器，并在蒸发器中吸取一种传热介质(低温热源)的热量后变成中温低压气体，然后进入压缩机再被压缩成高温高压气体，周而复始。因此，冷凝器就成为了热泵机组向外供热的部件，而蒸发器就成为了向外供冷的部件。
压缩式热泵机组用于环境空气温度的调节，就是我们常说的“空调机”。市场上的空调机一般分为单冷空调和冷暖空调，前者只有制冷功能，后者兼具制冷供暖双重功能。
单冷空调的蒸发器(风机盘管)置于室内，吸收室内空气的热量，用于制冷，冷凝器置于室外，向室外排出热量。当负荷变化时，通过不断地开停压缩机的驱动电机来增减机组工作时间的方法来调节输出功率。但是电机的频繁启动会大大增加电功率的无谓损耗，降低空调能效比。
冷暖空调与单冷空调相比，在零部件方面多了一个四通换向阀，通过换向阀换向来实现工质循环方向的调转，使得室内的风机盘管既可以做供冷的蒸发器，也可以做供热的冷凝器，达到冷热模式切换的目的。当负荷变化时，输出功率的调节方法和单冷空调一样，弊端也类似。
采用变频压缩机或者变排量压缩机可以解决电机频繁启动的问题，但是此类压缩机成本会很高，影响了此类空调的市场推广。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种蓄能式双循环热泵空调系统，可用于同时供冷和供热，且冷热模式转换时不需要改变工质在压缩式热泵机组里面的循环方向，不用频繁启停压缩机，就可实现根据负荷变化调节输出功率的目的。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种蓄能式双循环热泵空调系统，包括压缩式热泵机组，其主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器构成，还包括耦合在压缩式热泵机组上的冷冻水回路和热水回路：
冷冻水回路包括蒸发器、第一三通调节阀、冷盘管、第二三通调节阀、蓄冷换热器和冷冻水泵；蓄冷换热器包括蓄冷材料和设置在蓄冷材料中的蓄冷盘管；蒸发器的冷冻水出口依次通过第一三通调节阀、冷盘管、第二三通调节阀、蓄冷换热器的蓄冷盘管、冷冻水泵与蒸发器的冷冻水入口连通；冷盘管的两端通过第一三通调节阀并联一旁通管道；蓄冷换热器的蓄冷盘管两端通过第二三通调节阀并联一旁通管道；
热水回路包括冷凝器、第三三通调节阀、热盘管、第四三通调节阀、蓄热换热器和热水泵；蓄热换热器包括蓄热材料和设置在蓄热材料中的蓄热盘管；冷凝器的热水出口依次通过第三三通调节阀、热盘管、第四三通调节阀、蓄热换热器的蓄热盘管、热水泵与冷凝器的热水入口连通；热盘管的两端通过第三三通调节阀并联一旁通管道；蓄热换热器中蓄热盘管的两端通过第四三通调节阀并联一旁通管道。
本发明的空调系统，压缩式热泵机组的蒸发器只供冷，由冷冻水泵驱动冷冻水循环传递冷量，压缩式热泵机组的冷凝器只供热，由热水泵驱动热水循环传递热量，风机盘管机组的两个独立盘管(冷盘管和热盘管)分别接冷冻水回路和热水回路，冷热模式转换时不需要改变工质在压缩式热泵机组里面的循环方向。需要调温时，由三通调节阀自动调节流过冷盘管和热盘管的冷热水流量，以达到调节输入冷量和热量的目的。而且，由于增加了蓄能装置(蓄冷换热器和蓄热换热器)，可以使系统多余的制热量或制冷量储存起来，需要时再提供给机组，以减小机组输出功，起到节能的效果。
作为本发明的一种改进，还包括一调温水回路，该调温水回路包括调温换热器、调温水泵和电子开关阀，调温换热器为一闭合的换热管，内部填充调温水，一端插入在蓄冷换热器的蓄冷材料中，另一端插入在蓄热换热器的蓄热材料中，调温水泵和电子开关阀均设置在调温换热器上。当蓄热材料温度过高或蓄冷材料温度过低，无法满足对热水或冷冻水调温的要求时，就需要开启电子开关阀和调温水泵，让调温水在蓄热材料和蓄冷材料中循环流动，达到传递热量，调节温度的作用。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、由于采取了两套循环水同时运行的方法，即热水循环和冷冻水循环，所以该系统不用在制热模式和制冷模式之间转换工质的循环方向，省去了四通换向阀，不存在回油问题，而且控制也更简单。
2、由于蒸发器和冷凝器在不同工作模式下(制冷和制热模式)不需要互相转换，即蒸发器只供冷，冷凝器只供热，所以蒸发器、冷凝器可以按照各自最佳方案设计，运行时水量可以保持不变，从而提高系统效率。
3、由于采取了蓄能装置(蓄冷换热器和蓄热换热器)作为响应负荷变化的调温器，使得热泵压缩机可以长时间稳定工作在效率最高的标准工况，不必根据外界负荷变化而改变输出功率，不需要采用变频压缩机或变排量压缩机，只利用常规压缩机即可，从而达到节能省电的目的。
附图说明
图1是本发明蓄能式双循环热泵空调系统原理图；
附图标记说明：1-压缩机；2-冷凝器；3-节流阀；4-蒸发器；5-蓄冷换热器；6-冷冻水泵；7-蓄热换热器；8-热水泵；9-调温换热器；10-调温水泵；V1-第一三通调节阀；V2-第二三通调节阀；V3-第三三通调节阀；V4-第四三通调节阀；V5-电子开关阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例：
如图1所示，一种蓄能式双循环热泵空调系统，包括由压缩机1、冷凝器2、节流阀3和蒸发器4组成的压缩式热泵机组，还包括耦合在压缩式热泵机组上的冷冻水回路和热水回路。
冷冻水回路包括通过冷冻水管道连通的蒸发器4、第一三通调节阀V1、冷盘管FC1、第二三通调节阀V2、蓄冷换热器5和冷冻水泵6。蓄冷换热器5中填充有蓄冷材料，蓄冷材料中设置有可与冷冻水管道连通的蓄冷盘管。蒸发器4的冷冻水出口依次经过第一三通调节阀V1、冷盘管FC1、第二三通调节阀V2、蓄冷换热器5的蓄冷盘管、冷冻水泵6与蒸发器4的冷冻水入口连通，构成一闭合回路。冷盘管FC1的两端通过第一三通调节阀V1并联一旁通管道；蓄冷换热器5的蓄冷盘管两端通过第二三通调节阀V2并联一旁通管道。
热水回路包括通过热水管道连通的冷凝器2、第三三通调节阀V3、热盘管FC2、第四三通调节阀V4、蓄热换热器7和热水泵8。蓄热换热器7中填充有蓄热材料，蓄热材料中设置有可与热水管道连通的蓄热盘管。冷凝器2的热水出口依次经过第三三通调节阀V3、热盘管FC2、第四三通调节阀V4、蓄热换热器7的蓄热盘管、热水泵8与冷凝器2的热水入口连通，构成一闭合回路。热盘管FC2的两端通过第三三通调节阀V3并联一旁通管道；蓄热换热器7的蓄热盘管两端通过第四三通调节阀V4并联一旁通管道。
为了防止因蓄热换热器7的蓄热材料温度过高或蓄冷换热器5的蓄冷材料温度过低，无法对热水或冷冻水调温，在冷冻水回路和热水回路之间设置一个由调温换热器9、调温水泵10和电子开关阀V5组成的调温回路。调温换热器9为一闭合的换热管，内部填充调温水，一端插入在蓄冷换热器5的蓄冷材料中，另一端插入在蓄热换热器7的蓄热材料中，调温水泵10和电子开关阀V5均设置在调温换热器9上。
本发明空调系统还包括PLC控制系统、设置在管道各处的温度传感器和流量计(图中未示出)，PLC控制系统根据室内设定温度、以及冷热水的温度和流量，调节管道中各泵、阀的开度，从而实现对系统的自动控制。
本发明空调系统可用于同时供冷和供热，冷热模式转换时不需要改变工质在压缩式热泵机组里面的循环方向。蒸发器4只供冷，由冷冻水泵6驱动冷冻水循环传递冷量，冷凝器2只供热，由热水泵8驱动热水循环传递热量，因此叫双循环热泵空调。风机盘管机组的两个独立盘管(冷盘管FC1和热盘管FC2)分别接冷冻水回路和热水回路，需要调温时，由第一三通调节阀V1自动调节流过冷盘管FC1的冷冻水流量，以达到调节输入冷量目的，由第三三通调节阀V3自动调节流过热盘管FC2的热水流量，以达到调节输入热量的目的。蓄冷换热器5和第二三通阀V2可以使压缩式热泵机组多余的制冷量储存起来，蓄热换热器7和第四三通阀V4可以使压缩式热泵机组多余的制热量储存起来，需要时再提供给压缩式热泵机组，以减小压缩式热泵机组输出功，起到节能的效果。
本发明的蓄能式双循环热泵空调系统，工作流程如下：
①冷冻水循环
冷冻水从蒸发器4出来以后，温度为T1(标准工况的供水温度)，流过第一三通调节阀V1时，控制系统根据室内设定温度以及冷热水的温度和流量，自动分配流入冷盘管FC1的冷冻水流量，另一部分冷冻水不经过冷盘管FC1，仍然以T1温度从旁路绕过冷盘管FC1。流入冷盘管FC1的冷冻水经换热后，温度变成了T2，T1和T2两股冷冻水合流后变成了温度为T3的冷冻水。此时T3如果小于标准工况的回水温度T6，说明压缩式热泵机组有富余的冷量，此时第二三通调节阀V2根据控制设定策略，让一部分冷冻水流入蓄冷换热器5，这部分冷冻水将冷量传递给蓄冷材料后，温度变为T5，与温度T3合流后，温度可以达到T6，满足了标准工况的回水温度要求。当空调系统所需供冷负荷大于压缩式热泵机组标准输出负荷时，冷冻水回水温度会高于T6，此时就可让冷冻水流过蓄冷换热器5，取出所蓄的冷量，降低冷冻水回水温度至T6。
②热水循环
热水从冷凝器2出来以后，温度为T7(标准工况的供水温度)，流过第三三通调节阀V3时，控制系统根据室内设定温度以及冷热水的温度和流量，自动分配流入热盘管FC2的热水流量，另一部分热水不经过热盘管FC2，仍然以T7温度从旁路绕过热盘管FC2。当流入热盘管FC2的热水经换热后，温度变成了T8，T7和T8两股热水合流后变成T9的热水。此时T9如果大于标准工况的回水温度T12，说明压缩式热泵机组有富余的热量，此时第四三通调节阀V4根据控制设定策略，让一部分热水流入蓄热换热器7，这部分热水将热量传递给蓄热材料后，温度变为T11，与温度T9合流后，温度可以达到T12，满足了标准工况的回水温度要求。当空调系统所需供热负荷大于压缩式热泵机组标准输出负荷时，热水回水温度会低于T12，此时就可让热水流过蓄热换热器7，取出所蓄的热量，升高热水回水温度至T12。
③调温水循环
调温水是在蓄热材料和蓄冷材料之间建立的一个热量调配工具，调温水在调温换热器9中循环流动，调温换热器9的两端分别插入蓄热材料和蓄冷材料。当蓄热材料温度过高或蓄冷材料温度过低，无法满足对热水或冷冻水调温的要求时，就需要开启电子开关阀V5和调温水泵10，让调温水在蓄热材料和蓄冷材料中循环流动，达到传递热量，调节温度的作用。
这里需要指出的是，当空调在夏季使用时，以冷水循环的控制为主，控制目标是达到冷冻水供回水的标准工况，同理，当空调在冬季使用时，以热水循环的控制为主，控制目标是达到热水供回水的标准工况。
本发明的蓄能式双循环热泵空调系统，采取热水循环和冷冻水循环同时运行的方式，系统不用在制热模式和制冷模式之间转换工质的循环方向，省去了四通换向阀，不存在回油问题，而且控制也更简单。蒸发器只供冷，冷凝器只供热，蒸发器和冷凝器可以按照各自最佳方案设计，运行时水量可以保持不变，从而提高系统效率。蓄能装置和三通调节阀可根据负荷变化调节输出功率，不用频繁启停压缩机，可用常规压缩机替代成本高的变频压缩机或变排量压缩机，节省机组成本，同时压缩机可以长时间稳定工作在效率最高的标准工况，不必根据外界负荷变化而改变输出功率，从而达到节能省电的目的。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种蓄能式双循环热泵空调系统，包括压缩式热泵机组，其主要由压缩机（1）、冷凝器（2）、节流阀（3）和蒸发器（4）构成，其特征在于，还包括耦合在压缩式热泵机组上的冷冻水回路和热水回路：
冷冻水回路包括蒸发器（4）、第一三通调节阀（V1）、冷盘管（FC1）、第二三通调节阀（V2）、蓄冷换热器（5）和冷冻水泵（6）；蓄冷换热器（5）包括蓄冷材料和设置在蓄冷材料中的蓄冷盘管；蒸发器（4）的冷冻水出口依次通过第一三通调节阀（V1）、冷盘管（FC1）、第二三通调节阀（V2）、蓄冷换热器（5）的蓄冷盘管、冷冻水泵（6）与蒸发器（4）的冷冻水入口连通；冷盘管（FC1）的两端通过第一三通调节阀（V1）并联一旁通管道；蓄冷换热器（5）的蓄冷盘管两端通过第二三通调节阀（V2）并联一旁通管道；
热水回路包括冷凝器（2）、第三三通调节阀（V3）、热盘管（FC2）、第四三通调节阀（V4）、蓄热换热器（7）和热水泵（8）；蓄热换热器（7）包括蓄热材料和设置在蓄热材料中的蓄热盘管；冷凝器（2）的热水出口依次通过第三三通调节阀（V3）、热盘管（FC2）、第四三通调节阀（V4）、蓄热换热器（7）的蓄热盘管、热水泵（8）与冷凝器（2）的热水入口连通；热盘管（FC2）的两端通过第三三通调节阀（V3）并联一旁通管道；蓄热换热器（7）的蓄热盘管两端通过第四三通调节阀（V4）并联一旁通管道；
还包括一调温水回路，该调温水回路包括调温换热器（9）、调温水泵（10）和电子开关阀（V5），调温换热器（9）为一闭合的换热管，内部填充调温水，一端插入在蓄冷换热器（5）的蓄冷材料中，另一端插入在蓄热换热器（7）的蓄热材料中，调温水泵（10）和电子开关阀（V5）均设置在调温换热器（9）上。
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