CN108981160B - 一种空气循环的开式热泵的供热方法 - Google Patents

一种空气循环的开式热泵的供热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气循环的开式热泵的供热方法，大气环境中的冷空气在回热器中被预热后进入第一空气压缩机，经压缩升温后由排气端排出；排气分成两路，其中一路进入第二空气压缩机，经压缩升温升压后进入空气三通的第一入口；另一路进入压气部件，经压缩升温升压后进入空气三通的第二入口，两路气体在空气三通内混合后经空气/水换热器进气管进入空气/水换热器；高温高压的空气在空气/水换热器内将水管路中的循环水加热，该方法利用一级预热两级压缩制备高温空气，通过换热完成对循环水的加热，可在寒冷及严寒地区制备60℃以上建筑供暖用水及生活热水。

Description

一种空气循环的开式热泵的供热方法
技术领域
本发明涉及一种热水制备方法，尤其是一种空气循环的开式热泵的供热方法。
背景技术
越来越多的研究表明，工业排放以及大量使用化石能源燃烧采暖是北方地区近年来雾霾频发且程度越来越严重的重要原因。逐步减少化石能源的使用、提高可再生能源的利用率，推进北方地区冬季清洁取暖是建筑供暖未来必然的发展方向，是解决我国社会矛盾的一个实践。在各类供暖方式中，热泵供暖是一种基本不会产生污染且能源利用率相对较高的供暖方式，近几年备受关注。
各类热泵中，逆布雷顿循环(空气循环)热泵具有一些天然的优势。由于传统蒸汽压缩热泵循环的实际性能总是与制冷剂相关的，寻求对环境友好且制冷性能良好的制冷剂和研究新型的制冷/供热方式一直是相关学者们研究的重点。出于臭氧层保护和对全球变暖的关注，氯氟烃(CFCs)类制冷剂已被淘汰，过渡使用的HCFCs制冷剂也受到了越来越多的管制。目前新型制冷剂替代研究进展并不顺利，能用于空调用途且满足零ODP、低GWP的制冷剂屈指可数，仅包含一些易燃的碳氢化合物、有毒的氨以及价格昂贵的HFO类、二氧化碳等。与之形成对比的空气是一种绝对天然、安全且免费的制冷剂，且具有优良的运行特性，因此使用空气作为制冷剂的逆布雷顿循环(空气循环)是传统蒸汽压缩循环的一种潜在的替代循环。
尽管空气循环在制冷和低温领域已有数十年的应用，但其在热泵领域的潜力却长期被低估。
发明内容
为了克服寒冷及严寒地区建筑供暖及生活热水制备方式的不足，本发明提供一种空气循环的开式热泵的供热方法，利用该方法可以从室外空气中提取热量，进一步利用空气压缩机提供高温空气，通过换热器完成对循环水的加热，可在寒冷及严寒地区制备60℃以上建筑供暖用水及生活热水。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种空气循环的开式热泵的供热方法，采用大气连通于回热器的第一进气端，回热器的第一排气端与第一空气压缩机的进气端相连，第一空气压缩机的排气端分支出两条空气管路且分别连接压气部件的进气端、第二空气压缩机的进气端，第二空气压缩机的排气端连通在空气三通的第一入口，压气部件的排气端连通在空气三通的第二入口；且空气三通的出口连接在空气/水换热器进气管，空气/水换热器出气管与回热器第二进气端相连，回热器的第二排气端连接涡轮部件的进气端，涡轮部件的排气端连通大气；空气/水换热器中通入水管路以由空气对水管路加热。
空气/水换热器中的水管路出口通过水管路与热水箱入口连通，热水箱出口连通在循环水泵进口，循环水泵的出口连通于空气/水换热器中的水管路。热水箱的供水口接用户生活热水供水或者采暖热水供水，回水口接自来水或者采暖热水回水。
大气环境中的冷空气经空气入口进入回热器中，被预热后进入第一空气压缩机的进气端，经第一空气压缩机压缩升温后由排气端排出；第一空气压缩机的排气分成两路，其中一路进入第二空气压缩机进气端，经第二空气压缩机压缩升温升压后由排气端排出，进入空气三通的第一入口；另一路进入压气部件，经压气部件压缩升温升压后由排气端排出，进入空气三通的第二入口，两路气体在空气三通内混合后从空气三通出口排出，经空气/水换热器进气管进入空气/水换热器；高温高压的空气在空气/水换热器内释放热量，将水管路中的循环水加热，温度降低后的空气经空气/水换热器出气管进入回热器，在回热器内进一步释放热量，将经空气入口进入回热器的冷空气进行预热，最后空气进入涡轮压气部件的涡轮部件的进气端，在涡轮部件内做功后变为低温低压的空气由涡轮部件的排气端排出，经空气出口排入大气环境，完成一个空气循环。
循环水在循环水泵的作用下，经水管路入口侧进入空气/水换热器，被空气/水换热器中的高温高压空气加热后经过水管路出口侧返回热水箱。热水箱的供水口接用户生活热水供水或者采暖热水供水，回水口接自来水或者采暖热水回水。当热水箱内水温达到设定值时，该装置停止运行。
本发明的有益效果是：
1.采用空气循环的开式热泵的供热方法，相当于对室外冷空气进行三次加热，加热后的高温空气可以在超低环境温度下制备60℃以上的热水，有效解决寒冷及严寒地区建筑供暖用水及生活热水制备方式的不足；
2.本方法中第二空气压缩机与涡轮压气部件并联，通过调节第二空气压缩机的运行频率来调节涡轮压气部件中涡轮部件和压气部件的空气流量比例，可以实现变工况运行条件下所述涡轮压气部件始终以较高效率运行，可有效节省运行费用；
3.在回热器中再次放热后的空气进入涡轮部件内做功，通过轴带动压气部件运行，可有效节省涡轮压气部件的运行费用；
4.该系统的制热性能系数可达2.0以上，且随室外环境温度变化不大；
5.使用空气作为制冷剂，无臭氧层破坏和臭氧效应，对环境友好。
附图说明
图1为本发明系统图；
图中1.第一空气压缩机，2.涡轮压气部件，3.第二空气压缩机，4.回热器，5.空气/水换热器，6.循环水泵，7.热水箱，8.空气三通，9.空气/水换热器进气管，10.空气入口，11.空气出口，12.空气/水换热器出气管，13.水管路出口侧，14.水管路入口侧。
图2为涡轮压气部件示意图；
图中201.压气部件，202.涡轮部件，203.轴部件。
具体实施方式
一种空气循环的开式热泵的供热方法，包含第一空气压缩机1、涡轮压气部件2、第二空气压缩机3、回热器4和空气/水换热器5，大气环境中的冷空气经空气入口10进入回热器4中，被预热后进入第一空气压缩机1的进气端，经第一空气压缩机1压缩升温后由排气端排出；第一空气压缩机1的排气分成两路，其中一路进入第二空气压缩机3进气端，经第二空气压缩机3压缩升温升压后由排气端排出，进入空气三通8的第一入口；另一路进入压气部件201，经压气部件201压缩升温升压后由排气端排出，进入空气三通8的第二入口，两路气体在空气三通8内混合后从空气三通8出口排出，经空气/水换热器进气管9进入空气/水换热器5；高温高压的空气在空气/水换热器5内释放热量，将水管路中的循环水加热，温度降低后的空气经空气/水换热器出气管12进入回热器4，在回热器4内进一步释放热量，将经空气入口10进入回热器4的冷空气进行预热，最后空气进入涡轮压气部件2的涡轮部件202的进气端，在涡轮部件内做功后变为低温低压的空气由涡轮部件202的排气端排出，经空气出口11排入大气环境，完成一个空气循环。
循环水在循环水泵6的作用下，经水管路入口侧14进入空气/水换热器5，被空气/水换热器5中的高温高压空气加热后经过水管路出口侧13返回热水箱7；热水箱7的供水口701接用户生活热水供水或者采暖热水供水，回水口702接自来水或者采暖热水回水。当热水箱7内水温达到设定值时，该装置停止运行。
第一空气压缩机1和第二空气压缩机3均为变频压缩机，可实现变频率运行。其中，通过调节第一空气压缩机1的运行频率来适应负荷的变化，当负荷增加时增加运行频率，反之降低运行频率。第二空气压缩机3与涡轮压气部件2并联，通过调节第二空气压缩机3的运行频率来调节涡轮压气部件2中涡轮部件和压气部件的空气流量比例，从而实现变工况运行条件下所述涡轮压气部件2始终以较高效率运行，从而节省运行费用。
本发明引入回热器，利用换热后的空气对引入的室外冷空气进行预热，合理利用了热能，同时将引入的室外冷空气进行第一次加热再进入第一空气压缩机进行加压升温，相比于冷空气直接进入第一空气压缩机更节省电能。同时，采用第一空气压缩机与第二空气压缩机和涡轮压气部件串联，形成两级压缩，相当于对室外冷空气进行三次加热，加热后的高温空气可以在超低环境温度下制备60℃以上的热水，有效解决寒冷及严寒地区建筑供暖用水及生活热水制备方式的不足；
本发明采用空气压缩机替代电动热泵中的制冷压缩机，使用空气作为制冷剂，无臭氧层破坏和臭氧效应，对环境友好。系统运行过程中，从室外大气中取用正常温度的空气，系统从空气中取热后，将低温低压的空气排入室外大气。因此，系统向用户提供的热量来自两部分，一部分是从室外空气中提取的热量，另一部分来自空气压缩机所消耗的电量。经过测算该系统的制热性能系数可达2.0以上，且随室外环境温度变化不大。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种空气循环的开式热泵的供热方法，其特征在于，大气环境中的冷空气经空气入口(10)进入回热器(4)中，被预热后进入第一空气压缩机(1)的进气端，经第一空气压缩机(1)压缩升温后由排气端排出；第一空气压缩机(1)的排气分成两路，其中一路进入第二空气压缩机(3)进气端，经第二空气压缩机(3)压缩升温升压后由排气端排出，进入空气三通(8)的第一入口；另一路进入压气部件(201)，经压气部件(201)压缩升温升压后由排气端排出，进入空气三通(8)的第二入口，两路气体在空气三通(8)内混合后从空气三通(8)出口排出，经空气/水换热器进气管(9)进入空气/水换热器(5)；高温高压的空气在空气/水换热器(5)内释放热量，将水管路中的循环水加热，温度降低后的空气经空气/水换热器出气管(12)进入回热器(4)，在回热器(4)内进一步释放热量，将经空气入口(10)进入回热器(4)的冷空气进行预热，最后空气进入涡轮压气部件(2)的涡轮部件(202)的进气端，在涡轮部件(202)内做功后变为低温低压的空气由排气端排出，经空气出口(11)排入大气环境，完成一个空气循环。
2.根据权利要求1所述的一种空气循环的开式热泵的供热方法，其特征在于，循环水在循环水泵(6)的作用下，经水管路入口侧(14)进入空气/水换热器(5)，被空气/水换热器(5)中的高温高压空气加热后经过水管路出口侧(13)返回热水箱(7)；热水箱(7)的供水口(701)接用户生活热水供水或者采暖热水供水，回水口(702)接自来水或者采暖热水回水；当热水箱(7)内水温达到设定值时，循环水泵(6)停止运行。
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