CN110671841A - 多末端低温热能高效利用的co2跨临界空气源热泵系统 - Google Patents
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Abstract
一种多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，所述系统包括热泵循环、水循环和卫生热水循环。本发明既能够保证室内供暖，又能够方便制取卫生热水，保证系统全年稳定高效运行。其中，多末端的室内供暖，将低温采暖末端和高温采暖末端串联在水箱出口处，并通过4个截止阀进行控制，既能够满足住户舒适性的要求，又不会造成过多的浪费，可谓是一举两得。冬季蒸发器表面产生霜层时，本系统能够快速化霜而不使系统受到太大影响，保证系统在合理的工作范围内正常运行。本发明作为一种多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，可以解决现有热泵效率较低、化霜成本较高的问题。
Description
技术领域
本发明属于热泵，涉及一种直热式热泵。
背景技术
热泵可以利用少量驱动能源，将低温热源的热量转移到温度高于环境温度的物体，热泵的常规工质HCFC、HFC有破坏臭氧层、加剧温室效应的负面效应，不利于可持续发展，因此，近年来，CO2跨临界空气源热泵成为热泵领域的重点研究和发展对象。这是由于一方面，CO2工质更环保，易获取；另一方面，由于气冷器中工质处于超临界的特性使得特别适合通过逆流换热制取温度较高的热水，较为节能。
我国北方冬季温度往往很低，一些农村常常采用燃煤锅炉进行供暖，近年来环境与能源问题越来越引起关注，国家也越来越重视环保与节能，空气能热泵因而得到大量的推广。常用的热泵热风机进出口温度低，有很好的节能效果，但是在冬季制热时吹出的干热风常使人感觉不适，室内空气不佳，人体舒适度降低。一些高温采暖末端，如暖气片、地暖等，在供暖时采用自然对流，无吹风感又能保证供热效果，但需要大量管道铺设与改造，同时，高温采暖末端的进出口温度比较大，热泵高温热源长期处于较高的温度，会导致循环系统的节流损失大，性能系数较低。
现有技术中，为了解决以上问题，可采用的技术措施主要有变频压缩、复叠压缩、采用二元或三元混合工质、低温工况下补气增焓等方法。这些技术对于提高热泵效率有一定的帮助，但是并不能完全解决问题，且部分技术在家用方面还没有办法做到普及，另外，这些技术或多或少会造成系统的复杂，导致成本提高，对于小型家用来说成本过高，节能意义不大。
发明内容
为了克服已有热泵的效率较低、化霜成本较高的不足,本发明提供了一种提升热泵效率、降低化霜成本的多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，包括压缩机、第一气冷器、第二气冷器、第一节流装置、第二节流装置、第一过滤器、第二过滤器、蒸发器、气液分离器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第一单向阀和第二单向阀，所述压缩机的排气口与第一截止阀的入口以及第三截止阀的入口分别相连，第一截止阀的出口与第一气冷器的第一入口相连，第一气冷器的第一出口与第二气冷器的第一入口相连，第二气冷器的第一出口与第一过滤器的入口相连，第一过滤器的出口与第一节流装置的入口相连，第一节流装置的出口与第一单向阀的入口相连，第一单向阀的出口与第二过滤器的入口相连，第二过滤器的出口与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的第一出口与压缩机的入口相连，气液分离器的第二出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的出口与第二单向阀的入口相连，第二单向阀的出口与压缩机入口相连，第三截止阀的出口与第二节流装置入口相连，第二节流装置出口与第二过滤器入口相连。
进一步，所述热泵还包括低温采暖末端、高温采暖末端、恒温水箱、水泵，第四截止阀，第五截止阀，第六截止阀，第七截止阀，所述第一气冷器的第二出口与恒温水箱的入口相连，恒温水箱的出口与第四截止阀的入口、第五截止阀的第一接口、第六截止阀的入口分别相连，第四截止阀的出口与高温采暖末端的入口相连，高温采暖末端的出口与低温采暖末端的入口以及第五截止阀的第二接口分别相连，低温采暖末端的出口与第七截止阀的入口相连，第七截止阀的出口与水泵的入口以及第六截止阀的出口分别相连，水泵的出口与第一气冷器的第二入口相连。
更进一步，所述热泵还包括卫生热水箱，所述自来水接口与第二气冷器的第二入口相连，第二气冷器的第二出口与卫生热水箱相连，卫生热水箱的出口即卫生热水出口。
更进一步，所述热泵还包括电加热装置，所述电加热装置布置在在气液分离器的中下部。
更进一步，所述热泵还包括温度传感器、变频风机和控制装置，所述温度传感器位于蒸发器空气侧入口处，与控制装置连接；变频风机也与控制装置连接。
本发明的技术构思为：将低温采暖末端和高温采暖末端串联起来，这里以常用的热风机作为低温采暖末端，暖气片作为高温采暖末端为例，可以将热风机安装在不长时间使用的卫生间、厨房、储藏室等地方，暖气片则可以安装在需要保证舒适的卧室地板上，以保证最好的供暖舒适性。基于能量梯级利用的原理，高温的热水先通过暖气片用于加热，再加热热风机从而吹出热风，合理的利用了余热，减小了热泵高温热源的温度，优化热泵运行工况，降低压缩机耗功，提升系统性能系数。同时，该系统改进了热气旁通除霜系统并将其用于热泵除霜上，作为本系统的一个改进点。
本发明还设有第二气冷器，通过第一气冷器的中温高压气体会在第二气冷器中进一步降温，用于加热自来水从而获得卫生热水，从而进一步降低压缩机的排气温度和压力，提高系统的能效。卫生热水并不需要太高的温度(30℃-45℃),安装在第二气冷器上加热，既可以充分利用余热，又可以制取卫生热水，可谓是一举两得。
本发明的有益效果主要表现在：
1.系统工作运行时，尤其在冬季低温下运行时，相比普通热泵循环，本系统的能效系数COP更高，更节能。给室内供暖相同的温度下，消耗的电更少，效率更高。
2.冬季蒸发器表面产生霜层时，本系统能够快速化霜而不使系统受到太大影响，保证系统在合理的工作范围内正常运行。
3.系统使用CO2作为制冷剂，更加环保，其效率高于普通热泵，适用范围宽，尤其适合在北方冬季供暖，具有显著的节能效果和经济效益，发展前景广阔。
4.有效利用气冷器中放出的余热，采用多级冷却，既可以满足室内供暖需求，也能够满足卫生间热水需求。
附图说明
图1是多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统的附图，其中1：压缩机；2：第一截止阀；3：第一气冷器；4：第二气冷器；5：第一过滤器；6：第一节流装置；7：第一单向阀；8：第二过滤器；9：蒸发器；10：气液分离器；11：第二截止阀；12：第二单向阀；13：第三截止阀；14：第二节流装置；15：电加热装置；16：恒温水箱；17：高温采暖末端；18：低温采暖末端；20：第四截止阀；21：第五截止阀；22：第六截止阀；23：第七截止阀；26：水泵；27：卫生热水箱；28：温度传感器；29：变频风机；30：控制装置。
图2是本系统未安装卫生热水的附图，其中1：压缩机；2：第一截止阀；3：第一气冷器；4：第二气冷器；5：第一过滤器；6：第一节流装置；7：第一单向阀；8：第二过滤器；9：蒸发器；10：气液分离器；11：第二截止阀；12：第二单向阀；13：第三截止阀；14：第二节流装置；15：电加热装置；16：恒温水箱；17：高温采暖末端；18：低温采暖末端；20：第四截止阀；21：第五截止阀；22：第六截止阀；23：第七截止阀；26：水泵；28：温度传感器；29：变频风机；30：控制装置。
图3是本系统加装次低温采暖末端的附图，其中1：压缩机；2：第一截止阀；3：第一气冷器；4：第二气冷器；5：第一过滤器；6：第一节流装置；7：第一单向阀；8：第二过滤器；9：蒸发器；10：气液分离器；11：第二截止阀；12：第二单向阀；13：第三截止阀；14：第二节流装置；15：电加热装置；16：恒温水箱；17：高温采暖末端；18：低温采暖末端；19：次低温采暖末端；20：第四截止阀；21：第五截止阀；22：第六截止阀；23：第七截止阀；24：第八截止阀；25：第九截止阀；26：水泵；27：卫生热水箱；28：温度传感器；29：变频风机；30：控制装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，包括压缩机、第一气冷器、第二气冷器、第一节流装置、第二节流装置、第一过滤器、第二过滤器、蒸发器、气液分离器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第一单向阀和第二单向阀，所述压缩机的排气口与第一截止阀的入口以及第三截止阀的入口分别相连，第一截止阀的出口与第一气冷器的第一入口相连，第一气冷器的第一出口与第二气冷器的第一入口相连，第二气冷器的第一出口与第一过滤器的入口相连，第一过滤器的出口与第一节流装置的入口相连，第一节流装置的出口与第一单向阀的入口相连，第一单向阀的出口与第二过滤器的入口相连，第二过滤器的出口与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的第一出口与压缩机的入口相连，气液分离器的第二出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的出口与第二单向阀的入口相连，第二单向阀的出口与压缩机入口相连，第三截止阀的出口与第二节流装置入口相连，第二节流装置出口与第二过滤器入口相连。
进一步，所述热泵还包括低温采暖末端、高温采暖末端、恒温水箱、水泵，第四截止阀，第五截止阀，第六截止阀，第七截止阀，所述第一气冷器的第二出口与恒温水箱的入口相连，恒温水箱的出口与第四截止阀的入口、第五截止阀的第一接口、第六截止阀的入口分别相连，第四截止阀的出口与高温采暖末端的入口相连，高温采暖末端的出口与低温采暖末端的入口以及第五截止阀的第二接口分别相连，低温采暖末端的出口与第七截止阀的入口相连，第七截止阀的出口与水泵的入口以及第六截止阀的出口分别相连，水泵的出口与第一气冷器的第二入口相连。
更进一步，所述热泵还包括卫生热水箱，所述自来水接口与第二气冷器的第二入口相连，第二气冷器的第二出口与卫生热水箱相连，卫生热水箱的出口即卫生热水出口。
更进一步，所述热泵还包括电加热装置，所述电加热装置布置在在气液分离器的中下部。
更进一步，所述热泵还包括温度传感器、变频风机和控制装置，所述温度传感器位于蒸发器空气侧入口处，与控制装置连接；变频风机也与控制装置连接。
实施例1：正常工作模式。
如图1所示，本系统正常工作模式有两个循环，热泵循环和水循环。在正常工作模式下的水循环系统，第五截止阀21、第六截止阀22关闭，第四截止阀20、第七截止阀23打开，高温采暖末端17与低温采暖末端18相连并分别处于不同的房间，将二者串联起来工作，吸收气冷器3中放出的热量，再给室内供暖。低温采暖末端(如：地板辐射采暖末端)可以安装在不长时间使用的卫生间、厨房、储藏室等地方，高温采暖末端(如：暖气片)可以装在需要保证舒适的卧室里，以保证最好的供暖舒适性。高温的热水先通过高温采暖末端，再经过低温采暖末端，合理的利用了余热，减小了热泵高温热源的温度，因此可以提高系统的能效系数。同时，第二气冷器4也在工作，不断加热自来水从而制取卫生热水储存在水箱27中，如图2也可以去掉该部分。相比起部分城市只使用热泵暖气片作为供暖装置，节能了不少，更不用说是能效更低的采暖炉或者电加热器了。
实施例2：低温采暖末端工作模式或高温采暖末端工作模式
如图1所示，当一些特殊的情况下住户可能待在一间房间里所以并不需要两个供暖设备都启用。本发明在水循环系统中加装了4个截止阀控制两个供暖设备。比如只需要低温采暖末端工作而不需要高温采暖末端工作，即关闭第四和第六截止阀，打开第五和第七截止阀，当只需要高温采暖末端工作而不需要低温采暖末端工作时，关闭第七截止阀，打开第四、第五和第六截止阀。同时，第二气冷器也在工作，不断加热自来水从而制取卫生热水储存在水箱中，如图2也可以去掉该部分。此设计可以保证系统在最节能的模式下运行。
实施例3：热气旁通化霜模式
如图1所示，当蒸发器9表面的温度低于空气中的露点温度时，空气中的水蒸气会逐渐凝结在蒸发器的表面形成霜层，这在北方的冬季是非常常见的现象。本发明将热气旁通化霜系统用于多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，当蒸发器上霜层过厚影响工作时，第四截止阀关闭，第五截止阀打开，此时，从压缩机1排出的高温CO2制冷剂将流过第五截止阀，直接进入到风冷蒸发器中，进行化霜，换热之后的CO2制冷剂流经气液分离器10后，进入压缩机内，完成循环。
在系统正常工作过程中，压缩机中的油会溶解在制冷剂中从压缩机中跑出来，最后在气液分离器中析出，随着系统的工作，压缩机中的油会越来越少，会使得系统没有办法正常运行甚至导致压缩机的烧毁，因此，本发明将电加热装置15安装在气液分离器的中下部，设定一段时间让它定时加热，底部接有回油管道，随着电加热器的加热，油会溶解在制冷剂液体中通过第二截止阀11流回压缩机内，保证压缩机在安全的环境下工作。
实施例4：加热卫生热水模式
本系统设有第二气冷器4，目的是制取卫生热水。通过第一气冷器的中温高压气体会在第二气冷器中进一步降温，用于加热自来水从而获得卫生热水。该卫生热水箱24安装在浴室，白天随着室内的供暖，会不断有热水储存在热水箱中，可以供住户随时使用。如果住户不需要卫生热水，或是冬季温度室外温度太低没有办法得到足够温度的热水，也可以采用图2中的结构，去除卫生热水模块，保证室内得到充足供暖。若住户急需使用卫生热水，可以关闭水泵26，从而快速制备卫生热水。
实施例5：多级加热模式
如图3所示，本系统在原有系统的基础上，加装次低温采暖末端19和两个截止阀，进一步细分热泵提供的热源温度并降低热源利用的温度下限，进行精细化利用，从而提高热泵的效率。以此类推，原理上可以将采暖末端分成更多级，在原有基础上进一步提高能效系数COP，具体级数可以根据环境温度以及经济条件进行改变，大大提高了系统的工况条件。
实施例6：夏季制取热水模式
在夏季，住户不需要采暖模式，只需要系统提供每日一定量的生活热水即可，即采用图2中的结构。因为本系统各部件工况是基于冬季零下20℃的条件下设计的，夏季蒸发温度过高会使得压缩机耗功太大而烧坏。因此，本系统在蒸发器空气侧入口处安装了一个温度传感器并与控制装置连接，控制装置的另一端连接着与蒸发器的变频风机。当空气温度超过设定值，控制装置控制变频风机转速降低，蒸发器温差增大，降低蒸发器中制冷剂温度，从而降低压缩机耗功。保证系统在合理安全的条件下运行。
Claims (5)
1.一种多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，其特征在于，所述系统包括压缩机、第一气冷器、第二气冷器、第一节流装置、第二节流装置、第一过滤器、第二过滤器、蒸发器、气液分离器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第一单向阀和第二单向阀，所述压缩机的排气口与第一截止阀的入口以及第三截止阀的入口分别相连，第一截止阀的出口与第一气冷器的第一入口相连，第一气冷器的第一出口与第二气冷器的第一入口相连，第二气冷器的第一出口与第一过滤器的入口相连，第一过滤器的出口与第一节流装置的入口相连，第一节流装置的出口与第一单向阀的入口相连，第一单向阀的出口与第二过滤器的入口相连，第二过滤器的出口与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的第一出口与压缩机的入口相连，气液分离器的第二出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的出口与第二单向阀的入口相连，第二单向阀的出口与压缩机入口相连，第三截止阀的出口与第二节流装置入口相连，第二节流装置出口与第二过滤器入口相连。
2.如权利要求1所述的多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，其特征在于，所述热泵还包括低温采暖末端、高温采暖末端、恒温水箱、水泵，第四截止阀，第五截止阀，第六截止阀和第七截止阀，所述第一气冷器的第二出口与恒温水箱的入口相连，恒温水箱的出口与第四截止阀的入口、第五截止阀的第一接口、第六截止阀的入口分别相连，第四截止阀的出口与高温采暖末端的入口相连，高温采暖末端的出口与低温采暖末端的入口以及第五截止阀的第二接口分别相连，低温采暖末端的出口与第七截止阀的入口相连，第七截止阀的出口与水泵的入口以及第六截止阀的出口分别相连，水泵的出口与第一气冷器的第二入口相连。
3.如权利要求1或2所述的多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，其特征在于，所述热泵还包括卫生热水箱，所述自来水接口与第二气冷器的第二入口相连，第二气冷器的第二出口与卫生热水箱相连，卫生热水箱的出口即卫生热水出口。
4.如权利要求1或2所述的多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，其特征在于，所述热泵还包括电加热装置，所述电加热装置布置在在气液分离器的中下部。
5.如权利要求1或2所述的多末端低温热能高效利用的CO2跨临界空气源热泵系统，其特征在于，所述热泵还包括温度传感器、变频风机和控制装置，所述温度传感器位于蒸发器空气侧入口处，与控制装置连接；变频风机也与控制装置连接。
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