CN110160178B - 基于自然能源的热泵空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空调领域，提供了一种基于自然能源的热泵空调系统。该系统包括循环泵、第一干管、第二干管、多个空调机组以及用于从自然能源中采集热、冷量的自然能源采集装置；空调机组的室外换热器具有室外第一介质通道和室外第二介质通道，室外第一介质通道、室外第二介质通道和外部空气两两之间能够进行换热；室外第一介质通道属于其所在的空调机组的冷媒循环回路的一部分；所有室外第二介质通道的第一端均与第一干管连通、第二端均与第二干管连通；自然能源采集装置与循环泵串联形成的管路的两端分别与第一干管和第二干管连通。本发明能够在不额外增加换热器的情况下克服现有空调机组在冬季和夏季效率低的缺陷，实现空调机组全年稳定高效的运行。

Description

基于自然能源的热泵空调系统
技术领域
本发明涉及空调技术领域，尤其涉及一种基于自然能源的热泵空调系统。
背景技术
目前，小型分体式空调的形式通常为压缩机驱动、相变冷媒与空气换热的一拖一分体机和一拖多多联机，冬季空调机组从室外空气取热并向室内供热，夏季空调机组向室外空气放热并向室内供冷，以较低的能耗将低品位的热能转换为高品位的热能，被广泛应用于各个场所。
虽然，现有的小型分体式空调机组具有节能、安全、体积小、寿命长等优点，但仍存在许多问题：1、由于夏天室外温度较高，因此室外换热器的冷凝温度也很高，导致空调机组的效率相对较低。2、由于冬季室外温度较低，因此室外换热器的蒸发温度也很低，进而导致空调机组制热量小、效率低，严重时还可能出现压缩机排气温度过高而导致空调机组难以持续运行的情况。此外。单一空气源的分体式空调机在寒冷、高湿度地区使用时易出现室外换热器结霜的情况。
三介质换热器是一种可以实现三种介质两两直接高效换热的换热器，用其替代两台单独的换热器，可以减少换热器和电磁阀数量、降低系统复杂性和可靠性隐患。中国专利申请201821519297.2公开了一种换热器，可以实现三种介质两两之间的直接无阻碍高效换热，该结构类型的三介质换热器为创新设计、提高空调机组性能奠定了基础。
发明内容
本发明要解决的是现有的空调机组在冬季和夏季运行效率低、无法全年稳定高效运行的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种基于自然能源的热泵空调系统，该系统包括循环泵、第一干管、第二干管和多个空调机组，所述基于自然能源的热泵空调系统还包括用于从自然能源中采集热量和冷量的自然能源采集装置；每个所述空调机组的室外换热器均为具有室外第一介质通道和室外第二介质通道的三介质换热器，所述室外第一介质通道、所述室外第二介质通道和外部空气两两之间能够进行换热；所述室外第一介质通道属于其所在的所述空调机组的冷媒循环回路的一部分；所有所述室外第二介质通道的第一端均与所述第一干管连通、第二端均与所述第二干管连通；所述自然能源采集装置与循环泵串联形成的管路的两端分别与所述第一干管和所述第二干管连通。
其中，所述空调机组还包括第一阀门，所述第一阀门的第一端与所述室外第二介质通道的第一端连通，所述第一阀门的第二端与所述第一干管连通。
其中，所述空调机组还包括室内换热器，所述室内换热器为具有室内第一介质通道和室内第二介质通道的三介质换热器，所述室内第一介质通道、所述室内第二介质通道和外部空气两两之间能够进行换热；所述室内第一介质通道属于其所在的所述空调机组的冷媒循环回路的一部分；所述室内第二介质通道的一端通过第二阀门与所述第一干管连通、另一端与所述第二干管连通。
其中，所述空调机组还包括室内换热器、压缩机、四通换向阀和节流装置，所述室外换热器、压缩机、四通换向阀、节流装置和室内换热器共同构成所述空调机组的冷媒循环回路。
其中，所述室内换热器和所述室外换热器上均设有风机。
其中，所述自然能源采集装置包括地源采集装置。
其中，所述自然能源采集装置还包括太阳能集热装置、冷却塔、高温热水网中的至少一种。
其中，所述自然能源采集装置包括太阳能集热装置和冷却塔。
其中，所述自然能源采集装置还包括高温热水网。
本发明结构简单、操作便捷，通过在空调机组中采用能够实现室外第一介质通道、室外第二介质通道和外部空气两两直接高效换热的室外换热器，并将各个空调机组的室外第二介质通道与自然能源采集装置连通，就能在不额外增加换热器的情况下克服现有空调机组在冬季和夏季效率低的缺陷，实现空调机组全年稳定高效的运行。同时，各个空调机组既可每户独立运行于空气源热泵机组模式，又可基于自然能源总线运行于水源热泵机组模式。同时，各个空调机组既可以运行于空气源热泵模式，又可基于自然能源采集装置的总线运行于地源热泵模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例中的一种基于自然能源的热泵空调系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中的空调机组的结构示意图；
图3是本发明实施例中的另一种空调机组的结构示意图。
附图标记：
1、空调机组；1.1、室内换热器；1.2、室外换热器；
1.3、压缩机；1.4、节流装置；1.5、四通换向阀；2、循环泵；
3、第一阀门；4、第一干管；5、第二干管；
6、自然能源采集装置；7、第二阀门；
1.1.1、室内第一介质通道；1.1.2、室内第二介质通道；
1.2.1、室外第一介质通道；1.2.2、室外第二介质通道。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”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。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于自然能源的热泵空调系统，该系统包括循环泵2、第一干管4、第二干管5、多个空调机组1以及用于从自然能源中采集热量和冷量的自然能源采集装置6；每个空调机组1的室外换热器1.2均为具有室外第一介质通道1.2.1和室外第二介质通道1.2.2的三介质换热器，室外第一介质通道1.2.1、室外第二介质通道1.2.2和外部空气两两之间能够进行换热；室外第一介质通道1.2.1属于其所在的空调机组1的冷媒循环回路的一部分；所有室外第二介质通道1.2.2的第一端均与第一干管4连通、第二端均与第二干管5连通；自然能源采集装置6与循环泵2串联形成的管路的两端分别与第一干管4和第二干管5连通。进一步地，空调机组1还包括室内换热器1.1、压缩机1.3、四通换向阀1.5和节流装置1.4，室外换热器1.2、压缩机1.3、四通换向阀1.5、节流装置1.4和室内换热器1.1共同构成空调机组1的冷媒循环回路；室内换热器1.1和室外换热器1.2上均设有风机。优选地，所述空调机组还包括第一阀门3，所述第一阀门3的第一端与所述室外第二介质通道1.2.2的第一端连通，所述第一阀门3的第二端与第一干管4连通。由于各个空调机组1和对应的第一阀门3形成的支路相互并联，因此每个用户可以在不影响其他用户的情况下，根据自身需要自由切换对应空调机组1的运行模式。
需要说明的是，自然能源采集装置6既可以仅包括地源采集装置，也可以在地源采集装置的基础上还包括太阳能集热装置和/或冷却塔。当然，自然能源采集装置6也可以由太阳能集热装置和冷却塔组成。但是上述几种组合方式并不构成对本申请保护范围的限制，也就是说，自然能源采集装置6还可以由其他能够采集热量和冷量的一种或几种装置构成。
例如，当自然能源采集装置6为地源采集装置时，该系统具有多种运行模式，例如空气源热泵模式、地源热泵模式、空气源热泵+地源热泵模式以及地源补能模式。下面针对单台空调机组对上述模式的运行过程进行说明：
空气源热泵模式：保持循环泵2和所有的第一阀门3关闭，同时启动压缩机1.3、并开启室外换热器1.2的风机。此时，在风机的驱动下流经室外第一介质通道1.2.1的制冷剂与室外空气进行强制对流换热。
地源热泵模式：在冬季或夏季启动循环泵2，并打开与对应室外换热器1.2串联的第一阀门3，同时启动压缩机1.3。例如，在冬季当空调机组1处于制热模式时，在循环泵2的驱动下自然能源采集装置6中采集的高温换热介质依次通过循环泵2以及与该室外换热器1.2串联的第一阀门3后流入该空调机组1的室外第二介质通道1.2.2，进入室外第二介质通道1.2.2的高温换热介质则不断将热量释放给流经其室外第一介质通道1.2.1的制冷剂，室外第一介质通道1.2.1中的制冷剂吸热后通过压缩机1.3流入室内换热器1.1。进入室内换热器1.1的高温制冷剂则不断通过导热、对流和辐射的方式将热量传递给室内空气，放热降温后制冷剂经过节流装置1.4节流后重新流入室外换热器1.2中继续吸热。可见，在空调机组1处于制热模式时，流入室外第二介质通道1.2.2的高温换热介质相当于替代室外低温空气向流经室外第一介质通道1.2.1的制冷剂放热，进而提高了室外换热器1.2的蒸发温度，从而提升了空调机组1的制热量和运行效率。在夏季，当空调机组1处于制冷模式时，在循环泵2的驱动下自然能源采集装置6中采集的低温换热介质依次通过循环泵2以及与该室外换热器1.2串联的第一阀门3后流入该空调机组1的室外第二介质通道1.2.2，进入室外第二介质通道1.2.2的低温换热介质则不断从流经其室外第一介质通道1.2.1的高温制冷剂吸收热量，室外第一介质通道1.2.1中的高温制冷剂放热后通过节流装置1.4流入室内换热器1.1。进入室内换热器1.1的制冷剂则不断通过导热、对流和辐射的方式从室内空气吸收热量，吸热升温后的高温制冷剂通过压缩机1.3升温升压后重新流入室外换热器1.2中继续放热。可见，在空调机组1处于制冷模式时，流入室外第二介质通道1.2.2的低温换热介质相当于替代室外高温空气从流经室外第一介质通道1.2.1的高温制冷剂吸热，进而降低了室外换热器1.2的冷凝温度、提高了空调机组1的运行效率。
空气源热泵+地源热泵模式：当室外气候条件合适时，启动循环泵2、打开与对应室外换热器1.2串联的第一阀门3，同时启动压缩机1.3、并开启室外换热器1.2的风机。此时，流经室外第一介质通道1.2.1的制冷剂同时与室外空气和流经其室外第二介质通道1.2.2的换热介质换热，进而向室内供冷/热。
地源补能模式：在过渡季等房间不需供热/冷的时候，例如春秋季节时启动循环泵2，并打开与对应室外换热器1.2串联的第一阀门3，与此同时，关闭压缩机1.3、但开启室外换热器1.2的风机。此时，在风机的驱动下流经室外第二介质通道1.2.2的换热介质不断与室外空气换热，换热后的换热介质流入自然能源采集装置6向地源补能，以缓解该系统长期运行在地源热泵模式时出现的土壤热不平衡的现象。
当自然能源采集装置6包括太阳能集热装置时，该系统也具有多种运行模式，例如空气源热泵模式、太阳能热泵模式、空气源热泵+太阳能热泵模式：
空气源热泵模式：当太阳能不丰富时，例如夜间保持循环泵2和所有的第一阀门3关闭，同时启动压缩机1.3、并开启室外换热器1.2的风机。此时，在风机的驱动下流经室外第一介质通道1.2.1的制冷剂与室外空气进行强制对流换热。
太阳能热泵模式：当太阳能比较丰富时，启动循环泵2，并打开与对应室外换热器1.2串联的第一阀门3，同时启动压缩机1.3并使空调机组1处于制热模式。此时，在循环泵2的驱动下自然能源采集装置6中采集的高温换热介质依次通过循环泵2以及与该室外换热器1.2串联的第一阀门3后流入该空调机组1的室外第二介质通道1.2.2，进入室外第二介质通道1.2.2的高温换热介质则不断将热量释放给流经其室外第一介质通道1.2.1的制冷剂，室外第一介质通道1.2.1中的制冷剂吸热后通过压缩机1.3流入室内换热器1.1。进入室内换热器1.1的高温制冷剂则不断通过导热、对流和辐射的方式将热量传递给室内空气，放热后的制冷剂经过节流装置1.4节流后重新流入室外换热器1.2中继续吸热。可见，此时流入室外第二介质通道1.2.2的高温换热介质相当于替代室外低温空气向流经室外第一介质通道1.2.1的制冷剂放热。
空气源热泵+太阳能热泵模式：当太阳能不够丰富且室外气候条件合适时，启动循环泵2，打开与对应室外换热器1.2串联的第一阀门3，同时启动压缩机1.3、并开启室外换热器1.2的风机。此时，流经室外第一介质通道1.2.1的制冷剂同时与室外空气和流经其室外第二介质通道1.2.2的换热介质换热，进而向室内供热。
当自然能源采集装置6包括冷却塔时，该系统也具有多种运行模式，例如空气源热泵模式、水冷机组模式、空气源热泵+水冷机组模式：
空气源热泵模式：保持循环泵2和所有的第一阀门3关闭，同时启动压缩机1.3、并开启室外换热器1.2的风机。此时，在风机的驱动下流经室外第一介质通道1.2.1的制冷剂与室外空气进行强制对流换热。
水冷机组模式：当夏季室外温度较高时，启动循环泵2，并打开与对应室外换热器1.2串联的第一阀门3，同时启动压缩机1.3。此时在循环泵2的驱动下自然能源采集装置6中采集的低温换热介质依次通过循环泵2以及与该室外换热器1.2串联的第一阀门3后流入该空调机组1的室外第二介质通道1.2.2，进入室外第二介质通道1.2.2的低温换热介质则不断从流经其室外第一介质通道1.2.1的高温制冷剂吸收热量，室外第一介质通道1.2.1中的高温制冷剂放热后通过节流装置1.4流入室内换热器1.1。进入室内换热器1.1的制冷剂则不断通过导热、对流和辐射的方式从室内空气中吸收热量，吸热后的制冷剂通过压缩机1.3升温升压后重新流入室外换热器1.2中继续放热。
空气源热泵+水冷机组模式：当室外气候条件合适时，启动循环泵2、打开与对应室外换热器1.2串联的第一阀门3，同时启动压缩机1.3、并开启室外换热器1.2的风机。此时，流经室外第一介质通道1.2.1的制冷剂同时与室外空气和流经其室外第二介质通道1.2.2的换热介质换热，进而向室内供冷
可见，该系统结构简单、操作便捷，通过在空调机组1中采用能够实现室外第一介质通道1.2.1、室外第二介质通道1.2.2和外部空气两两直接高效换热的室外换热器1.2，并将各个空调机组1的室外第二介质通道1.2.2与自然能源采集装置6连通，就能在不额外增加换热器的情况下克服现有空调机组1在冬季和夏季运行效率低的缺陷，实现空调机组1全年稳定高效的运行。同时，各个空调机组1既可每户独立运行于空气源热泵模式，又可基于自然能源采集装置6的总线运行于地源热泵模式。
另外，如图3所示，为了实现自然能源采集装置6向室内免费供冷和/或供热，所以，室内换热器1.1也可为具有室内第一介质通道1.1.1和室内第二介质通道1.1.2的三介质换热器，室内第一介质通道1.1.1、室内第二介质通道1.1.2和外部空气两两之间能够进行换热；室内第一介质通道1.1.1属于其所在的空调机组的冷媒循环回路的一部分；室内第二介质通道1.1.2的一端通过第二阀门7与第一干管4连通、另一端与第二干管5连通。
由此，当室外气候条件合适时，启动循环泵2，并打开与对应室内换热器1.1串联的第二阀门7，同时关闭压缩机1.3和第一阀门3，开启室内换热器1.1的风机。此时，在循环泵2的驱动下自然能源采集装置6中采集的换热介质依次通过循环泵2以及与该室内换热器1.1串联的第二阀门7后流入该室内换热器1.1的室内第二介质通道1.1.2。在风机的驱动下流经室内第二介质通道1.1.2的换热介质与室外空气进行强制对流换热，向室内供热或供冷。当然，在启动循环泵2，打开与对应的室外换热器1.2串联的第一阀门3以及与对应室内换热器1.1串联的第二阀门7时，在循环泵2的驱动下，自然能源采集装置6中采集的换热介质流入室外第二介质通道1.2.2的同时，还会流入室内第二介质通道1.1.2。需要说明的是，在此种情况下自然能源采集装置6还可以包括高温热水网。
显然，在如图3所示的运行模式中，当自然能源采集装置6为地源采集装置、太阳能集热装置、冷却塔时，在如前所述的各种运行模式的基础上还可实现地源采集装置出水、太阳能集热装置出水、冷却塔出水直接用于向室内供冷/热的功能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于自然能源的热泵空调系统，包括循环泵、第一干管、第二干管和多个空调机组，其特征在于，所述基于自然能源的热泵空调系统还包括用于从自然能源中采集热量和冷量的自然能源采集装置；每个所述空调机组的室外换热器均为具有室外第一介质通道和室外第二介质通道的三介质换热器，所述室外第一介质通道、所述室外第二介质通道和外部空气两两之间能够进行换热；所述室外第一介质通道属于其所在的所述空调机组的冷媒循环回路的一部分；所有所述室外第二介质通道的第一端均与所述第一干管连通、第二端均与所述第二干管连通；所述自然能源采集装置与循环泵串联形成的管路的两端分别与所述第一干管和所述第二干管连通；
所述空调机组还包括第一阀门，所述第一阀门的第一端与所述室外第二介质通道的第一端连通，所述第一阀门的第二端与所述第一干管连通；
所述空调机组还包括室内换热器，所述室内换热器为具有室内第一介质通道和室内第二介质通道的三介质换热器，所述室内第一介质通道、所述室内第二介质通道和外部空气两两之间能够进行换热；所述室内第一介质通道属于其所在的所述空调机组的冷媒循环回路的一部分；所述室内第二介质通道的一端通过第二阀门与所述第一干管连通、另一端与所述第二干管连通；
所述空调机组还包括室内换热器、压缩机、四通换向阀和节流装置，所述室外换热器、压缩机、四通换向阀、节流装置和室内换热器共同构成所述空调机组的冷媒循环回路。
2.根据权利要求1所述的基于自然能源的热泵空调系统，其特征在于，所述室内换热器和所述室外换热器上均设有风机。
3.根据权利要求1或2所述的基于自然能源的热泵空调系统，其特征在于，所述自然能源采集装置包括地源采集装置。
4.根据权利要求3所述的基于自然能源的热泵空调系统，其特征在于，所述自然能源采集装置还包括太阳能集热装置、冷却塔、高温热水网中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的基于自然能源的热泵空调系统，其特征在于，所述自然能源采集装置包括太阳能集热装置和冷却塔。
6.根据权利要求5所述的基于自然能源的热泵空调系统，其特征在于，所述自然能源采集装置还包括高温热水网。
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