CN110398094A - 一种简单型制冰空气源热泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用制冰换热器代替室内侧换热器的简单型制冰空气源热泵，采用毛细管作双向节流装置，翅片式换热器与制冰换热器各自分为多组，通过三通阀门控制，各组都能各自独立地运行冷凝或蒸发工况，可以分别运行空气源制热、热气融霜、制冰蓄冷、融冰脱冰工况，无需配套冷却塔，无需配套额外的室内侧冷凝器，机组结构简单、生产工艺简单、制作容易、成本低，同时能有效降低机组配套功率，利用峰谷电价差减少用户电费。

Description

一种简单型制冰空气源热泵

技术领域

本发明涉及空气源热泵技术领域，尤其是一种简单型制冰空气源热泵。

背景技术

目前中国城市化发展很快，空调、供暖已经是现代城市人们生活和工作中必不可少的刚性需求，已经占到建筑物能源消耗量的2/3左右，已经占到总能源消耗量的22%左右；中国目前主流技术还是采用燃煤供暖+空调供冷，供冷、供暖两套系统，双倍投资，供冷供暖能耗都高，而且燃煤供暖是雾霾形成的重要原因，空调负荷则是夏季电网尖峰负荷形成的主要原因，从我国国情结合发达国家的经验以及新能源发展趋势来看，空气源热泵供暖+蓄冰供冷将是冷暖联供的主流解决方案。

空气源热泵的热源来自于空气，突出优点是空气作为热源取之不尽，用之不竭，采用电能蒸汽压缩制热，高效节能而且环保；缺点是空气源热泵夏季不能制冰、制冷必须使用昂贵峰电、白天高温时段制冷低效高能耗、机组功率配套大、投资成本高。

水冷冷水机组是高效节能的制冷装置，目前是大型建筑物供冷的首选，因为建筑物的制冷需求负荷大，制冷机组配置需要满足夏季最大制冷负荷，配置功率大，设备投资大；而且因为无法利用低温热源，不能用于制热供暖，冬季则完全闲置。它的优点是制冷高效；缺点是必须使用昂贵峰电，造成电网高峰负荷，配套冷却塔散热，不能利用空气源制热供暖。

常规冰蓄冷空调是水冷冷水机组节能升级产品，优点是可以使用低价谷电电代替昂贵峰电，为电网削峰填谷，节能减排，为用户节省电费；缺点是投资成本高、不能制热供暖。

专利申请CN107843039A提供了一种节能动态板冰热泵，夏季采用晚上低价谷电制冰蓄冰代替白天高价峰电供冷，冬季制热热源采用0℃以上未结冰的水制冰制热；优点：1.能使用水冰相变潜热制热，热源来源较充足，可以使用城市污水中水，2.制热与环境温度无关， 即使-50℃环境温度下制热COP可达3.3左右，3.夏天高效制冰蓄冰供冷，可以大幅节省电费，同时为电网削峰填谷；缺点：1. 城市污水中水来源有一定限制，水源设施需要投资，2.副产冰砂量大需要处理，3.不适用于缺水地区供暖；适用于：1. 污水中水等水源方便地区供冷、供暖，2.冰砂可以资源化利用的细分领域。

专利申请CN108413648A提供了一种气水双热源热泵，夏季采用晚上低价谷电制冰蓄冰代替白天高价峰电供冷；冬季-5℃以上环境温度下运行空气源制热模式，既高效节能、又不耗水，-5℃以下环境温度下，运行制冰制热模式，热泵机组既保持高效节能、又能少耗水，减少热泵机组供暖季需水总量和冰处理总量；优点：1.能使用水冰相变潜热制热，热源来源较充足，可以使用城市污水中水，2.高环境温度和低环境温度制热都高效，3.夏天高效制冰蓄冰供冷，可以大幅节省电费，同时为电网削峰填谷；缺点：1. 低温环境制冰制热还是需要水源，水源设施需要投资，也不适用于缺水地区供暖，2.副产冰砂还是需要外排处理，冰处理设施需要投资。适用于：1. 污水中水等水源方便地区供冷、供暖，2.冰砂可以资源化利用的细分领域。

专利申请CN109724290A提供了一种制冰空气源热泵，在空气源热泵上增加制冰换热器,可以形成多种回路,运行空气源制热、制冰制热、蓄热、制冰蓄冷、直接制冷等多种模式、多种工况,无需配套冷却塔,能全天候制冰制热却无需水源设施、无需冰处理设施,一套设备同时解决了冬季空气源制热供暖、夏季削峰填谷节能供冷，优点：1.冬季制热具有空气源热泵热源方便、高效节能的优点，2.夏天高效制冰蓄冰供冷，可以大幅节省电费，同时为电网削峰填谷；缺点：制冷系统结构复杂、阀门多、生产工艺较复杂、成本较高。

故现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种简单型制冰空气源热泵，在空气源热泵机组基础上采用制冰换热器代替室内侧换热器，在机组的翅片式换热器与制冰换热器之间采用毛细管作双向节流装置，翅片式换热器与制冰换热器各自分为多组，通过三通阀门控制，使机组的翅片式换热器组和制冰换热器组各组都能各自独立连通压缩机排气口或者压缩机进气口，每一组都能各自独立地运行冷凝或蒸发工况，能在热机组制冰蓄冷模式时采用制冰换热器制冰同时能采用翅片式换热器作为冷凝器向空气中散发冷凝热从而无需配套冷却塔，能在机组空气源制热模式时采用翅片式换热器作为蒸发器吸收空气的温差热并采用制冰换热器冷凝制热，来达到机组供冷季制冰蓄冷供冷、无需配套冷却塔、无需配套额外室内侧换热器、供暖季能全天候空气源制热、制冰换热器既能蒸发制冰又能冷凝制热、同时制冷系统管路简单、阀门较少、生产工艺较简单、成本低的目的。

本发明的技术解决方案是：一种简单型制冰空气源热泵，包括压缩机、三通阀、翅片式换热器、制冰换热器、分液器、毛细管，它还包括系统内相连接的管道、气液缓冲装置及检测控制系统；在空气源热泵机组基础上采用制冰换热器代替室内侧换热器，在机组的翅片式换热器与制冰换热器之间采用毛细管作双向节流装置，翅片式换热器与制冰换热器各自分为多组，通过三通阀门控制，使机组的翅片式换热器组与制冰换热器组都能各自独立连通压缩机排气口或者压缩机进气口，都能各自独立地运行冷凝或蒸发工况；机组可以分别构成空气源制热循环回路、热气旁通融霜支路、制冰蓄冷循环回路、热气旁通融冰脱冰支路,在一定工况下以上回路或支路可以分别或同时连通。机组的压缩机可以采用变频喷气增焓低温热泵压缩机及其配套系统，也可以根据用户工况需要采用定频低温热泵压缩机或者常温热泵压缩机；在压缩机排气口管路上也可以增加一个水冷冷凝器用作热水热回收器，副产热水可用于生活热水等；制冰换热器采用吹胀式蒸发器结构，材料可以采用不锈钢板或铝板，制冷剂在管内流动，立式安装，水从制冰换热器组板外表面淋下；毛细管也可以采用双向电子膨胀阀代替或者其他组合式双向节流装置代替。

其中，所述空气源制热循环回路包括依次管路连接并构成回路的压缩机排气口、制冰三通阀、制冰换热器组、制冰分液器、毛细管、空气源分液器、翅片换热器组、空气源三通阀、压缩机进气口，翅片换热器组用作蒸发器吸收空气热量，制冰换热器组用作冷凝器制取热水。所述热气旁通融霜支路包括依次管路连接的压缩机排气口、空气源三通阀、翅片换热器组、空气源分液器；翅片换热器组用作蒸发器吸收空气温差热量，翅片换热器组的组数可以分为2-4组。在空气源制热模式下，空气源制热循环回路循环运行；运行过程中翅片换热器结霜严重需要除霜时，热气旁通融霜支路连通。空气源三通阀的公共口连通翅片换热器，空气源三通阀的分支口分别连通压缩机进气口和压缩机排气口，通过空气源三通阀切换，控制翅片换热器在空气源制热模式时与压缩机进气口连通，控制翅片换热器在除霜状态时与压缩机排气口连通；采用多组翅片换热器并联，采用阀门控制切换，在空气源制热模式下，各组翅片换热器制热、除霜交替进行；一组翅片换热器处于除霜状态时，其他组翅片换热器还在连续制热。其中一组翅片换热器组处于除霜状态时，所述除霜翅片换热器组的风机断电和空气停止流动，所述除霜翅片换热器组的空气源三通阀连通压缩机排气口，从压缩机排气口引出旁通高压热气，高压热气在所述除霜翅片换热器组中冷凝液化，冷凝热用于除霜，除霜过程产生的液态制冷剂通过空气源分液器与空气源制热循环回路中经过毛细管节流的制冷剂一起流入处于空气源制热模式的另一组翅片换热器蒸发。

其中，所述制冰蓄冷循环回路包括依次管路连接并构成回路的压缩机排气口、空气源三通阀、翅片换热器组、空气源分液器、毛细管、制冰分液器、制冰换热器组、制冰三通阀、压缩机进气口；制冰换热器组用作蒸发器吸收水冰相变热量；翅片换热器用作冷凝器，向空气中散发冷凝热。所述热气旁通融冰脱冰支路包括依次管路连接的压缩机排气口、制冰三通阀、制冰换热器组、制冰分液器；制冰换热器组用作蒸发器来吸收水冰相变热量，制冰换热器组的组数可以采用2-4组。在制冰蓄冷模式下运行过程中，制冰蓄冷循环回路循环运行，制冰换热器表面冰层到达设定厚度需要脱冰时，热气旁通融冰脱冰支路连通。制冰三通阀公共口连通制冰换热器组，分支口分别连通压缩机进气口和压缩机排气口，通过制冰三通阀切换，控制制冰换热器组在制冰蓄冷模式时与所述压缩机进气口连通，控制制冰换热器组在融冰脱冰状态时与压缩机排气口连通；制冰换热器分为多组，采用阀门控制切换，各组制冰换热器制冰、融冰脱冰状态交替进行；一组制冰换热器处于融冰脱冰状态时，其他组制冰换热器还处于连续制冰状态；融冰脱冰状态时，从压缩机排气口引出旁通高压热气，使所述融冰脱冰制冰换热器组表面的冰少量均匀融化，冰板在重力作用下自动滑落,板冰再破碎为冰砂，落入蓄能槽；气态制冷剂在所述融冰脱冰制冰换热器组管中冷凝液化，自动流入制冰蓄冷循环回路的其他组制冰换热器中蒸发。

供冷季，机组可以在晚上空气温度低的时段降低冷凝温度，高效采用谷电运行制冰蓄冷模式制冰，冷凝热可以通过翅片换热器向环境散热，机组制冰蓄冷模式晚上生产的冰储存于蓄能槽可以在白天融冰用于冰蓄冷空调系统节能供冷；为优化机组配置，机组制冰蓄冷模式还能运行直接制冷供冷工况，制冰换热器下面采用接水盘，制冰换热器进水12℃，水淋过制冰换热器后温度降低到7℃再去空调末端供冷，空调末端12℃回水又进制冰换热器冷却，冷凝热可以通过翅片换热器向环境散热。

供暖季，机组可以运行空气源制热模式生产热水直接供暖，也可以采用谷电运行空气源制热模式生产较高温度热水将多余热量储存于蓄能槽替代峰电时段供暖。

本技术方案还可应用于制冰、恒温恒湿系统、工业冷暖冰供应系统等。

本发明的有益效果是：提供了一种采用制冰换热器替代空气源热泵室内侧换热器的简单型制冰空气源热泵，在机组制冰蓄冷模式时能采用制冰换热器作为蒸发器制冰同时能采用翅片式换热器作为冷凝器向空气中散发冷凝热从而无需配套冷却塔，在机组空气源制热模式时能采用翅片式换热器作为蒸发器吸收空气的温差热制热同时能采用制冰换热器作为冷凝器制取热水从而无需配套室内侧冷凝器，蒸发制冰、冷凝制热共用同一套制冰换热器，供冷季制冰蓄冷供冷、无需配套冷却塔，供暖季空气源制热、无需配套额外的室内侧冷凝器、无需水源设施、无需冰处理设施，同时制冷系统结构简单、生产工艺较简单、制作容易、成本低。

附图说明

图1本发明工艺流程示意图；

附图标记说明：1.压缩机、2.制冰三通阀、3.制冰换热器组、4.制冰分液器、5.毛细管、6.空气源分液器、7.翅片换热器组、8.空气源三通阀。

具体实施方式

实施例：参阅图1，一种简单型制冰空气源热泵，包括压缩机1、制冰三通阀2、空气源三通阀8、翅片式换热器组7、制冰换热器组3、制冰分液器4、空气源分液器6、毛细管5，它还包括系统内相连接的管道、气液缓冲装置及检测控制系统；在空气源热泵机组基础上采用制冰换热器组3代替室内侧换热器，在机组的翅片式换热器组7与制冰换热器组3之间采用毛细管5作双向节流装置，翅片式换热器与制冰换热器各自分为多组，通过三通阀门控制，使机组的翅片式换热器组7与制冰换热器组3都能各自独立连通压缩机1排气口或者压缩机1进气口，都能各自独立地运行冷凝或蒸发工况；机组可以分别构成空气源制热循环回路、热气旁通融霜支路、制冰蓄冷循环回路、热气旁通融冰脱冰支路,在一定工况下以上回路或支路可以分别或同时连通。机组的压缩机1采用常温热泵压缩机；制冰换热器组3采用吹胀式蒸发器，采用不锈钢板激光焊接再氮气吹胀，立式安装，制冷剂在板内流动，布水器在两侧外表面喷水，水从板的两侧外表面淋下。

其中，所述空气源制热循环回路包括依次管路连接并构成回路的压缩机1排气口、制冰三通阀2、制冰换热器组3、制冰分液器4、毛细管5、空气源分液器6、翅片换热器组7、空气源三通阀8、压缩机1进气口；所述热气旁通融霜支路包括依次管路连接的压缩机1排气口、空气源三通阀8、翅片换热器组7、空气源分液器6，制冰换热器组3用作冷凝器制取热水，翅片换热器组7用作蒸发器吸收空气温差热量，翅片换热器的组数为2组。在空气源制热模式下，空气源制热循环回路循环运行；运行过程中翅片换热器组7结霜严重需要除霜时，热气旁通融霜支路连通。空气源三通阀8的公共口连通所述翅片换热器组7，所述空气源三通阀8的分支口分别连通压缩机1进气口和压缩机1排气口，通过空气源三通阀8切换，控制所述翅片换热器组7在空气源制热模式时与压缩机1进气口连通，控制所述翅片换热器组7在除霜状态时与压缩机1排气口连通；采用2组翅片换热器组7并联，采用阀门控制切换，在空气源制热模式下，各组翅片换热器制热、除霜交替进行；一组翅片换热器处于除霜状态时，其他组翅片换热器还在连续制热。其中一组翅片换热器组7处于除霜状态时，所述除霜翅片换热器组7的风机断电和空气停止流动，所述除霜翅片换热器组7的空气源三通阀8连通压缩机1排气口，从压缩机1排气口引出旁通高压热气，高压热气在所述除霜翅片换热器组7中冷凝液化，冷凝热用于除霜，除霜过程产生的液态制冷剂通过空气源分液器6与空气源制热循环回路中经过毛细管5节流的制冷剂一起流入处于空气源制热模式的另一组翅片换热器蒸发。

其中，所述制冰蓄冷循环回路包括依次管路连接并构成回路的压缩机1排气口、空气源三通阀8、翅片换热器组7、空气源分液器6、毛细管5、制冰分液器4、制冰换热器组3、制冰三通阀2、压缩机1进气口；制冰换热器组3用作蒸发器吸收水冰相变热量；翅片换热器组7用作冷凝器，向空气中散发冷凝热。所述热气旁通融冰脱冰支路包括依次管路连接的压缩机1排气口、制冰三通阀2、制冰换热器组3、制冰分液器4；制冰换热器组3用作蒸发器来吸收水冰相变热量，制冰换热器的组数采用2组。在制冰蓄冷模式下运行过程中，制冰蓄冷循环回路循环运行，制冰换热器组3表面冰层到达设定厚度需要脱冰时，热气旁通融冰脱冰支路连通。制冰三通阀2公共口连通制冰换热器组3，制冰三通阀2分支口分别连通压缩机1进气口和压缩机1排气口，通过制冰三通阀2切换，控制制冰换热器组3在制冰蓄冷模式时与压缩机1进气口连通，控制制冰换热器组3在融冰脱冰状态时与压缩机1排气口连通；制冰换热器分为2组，采用阀门控制切换，各组制冰换热器制冰、融冰脱冰状态交替进行；一组制冰换热器处于融冰脱冰状态时，其他组制冰换热器还处于连续制冰状态；融冰脱冰状态时，热气旁通融冰脱冰支路连通，从压缩机1排气口引出旁通高压热气，使所述融冰脱冰制冰换热器组3表面的冰融化，冰板在重力作用下自动滑落,板冰再跌碎落入蓄能槽；气态制冷剂在所述融冰脱冰制冰换热器组3管中冷凝液化，通过制冰分液器4自动流入制冰蓄冷循环回路的其他组制冰换热器中蒸发。

供冷季，机组可以在晚上温度低的时段，高效采用谷电运行制冰蓄冷模式制冰，冷凝热可以通过翅片换热器组7向环境散热，机组制冰蓄冷模式晚上生产的冰储存于蓄能槽，可以在白天融冰用于冰蓄冷空调系统节能供冷；为优化机组配置，机组制冰蓄冷模式还能运行直接制冷供冷工况，制冰换热器组3下面采用接水盘，制冰换热器组3进水12℃，水淋过制冰换热器组3后温度降低到7℃再去空调末端供冷，空调末端12℃回水又进制冰换热器组3冷却，冷凝热可以通过翅片换热器组7向环境散热。

供暖季，机组可以运行空气源制热模式生产热水直接供暖，也可以采用谷电运行空气源制热模式生产较高温度热水将多余热量储存于蓄能槽替代峰电时段供暖。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种简单型制冰空气源热泵，包括压缩机、三通阀、翅片式换热器、制冰换热器、分液器、毛细管，它还包括系统内相连接的管道、气液缓冲装置及检测控制系统，其特征在于，机组可以分别构成空气源制热循环回路、热气旁通融霜支路、制冰蓄冷循环回路、热气旁通融冰脱冰支路。

2.根据权利要求1所述的一种简单型制冰空气源热泵，其特征在于，所述空气源制热循环回路包括依次管路连接并构成回路的压缩机排气口、制冰三通阀、制冰换热器组、制冰分液器、毛细管、空气源分液器、翅片换热器组、空气源三通阀、压缩机进气口。

3.根据权利要求1所述的一种简单型制冰空气源热泵，其特征在于，所述热气旁通融霜支路包括依次管路连接的压缩机排气口、空气源三通阀、翅片换热器组、空气源分液器。

4.根据权利要求1所述的一种简单型制冰空气源热泵，其特征在于，所述制冰蓄冷循环回路包括依次管路连接并构成回路的压缩机排气口、空气源三通阀、翅片换热器组、空气源分液器、毛细管、制冰分液器、制冰换热器组、制冰三通阀、压缩机进气口。

5.根据权利要求1所述的一种简单型制冰空气源热泵，其特征在于，所述热气旁通融冰脱冰支路包括依次管路连接的压缩机排气口、制冰三通阀、制冰换热器组、制冰分液器。

6.根据权利要求1所述的一种简单型制冰空气源热泵，其特征在于，机组的翅片式换热器与制冰换热器之间采用毛细管。

7.根据权利要求1所述的一种简单型制冰空气源热泵，其特征在于，翅片式换热器与制冰换热器各自分为多组。