CN111121342B - 热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热泵系统，包括：制冷剂主回路，其包括：压缩机，第一换热器，其用于将制冷剂冷凝；第一节流装置，其用于将制冷剂节流降压；第二换热器，其用于将制冷剂蒸发；气液分离装置，其设置在所述压缩机的进气端，用于将进入压缩机之前的制冷剂进行气液分离；热泵系统还包括：第一辅助冷凝回路，其进口连接在第一换热器与所述第一节流装置之间，其出口与气液分离装置连接。本发明的热泵热水系统，通过设置第一辅助冷凝回路，可以吸收主回路中蒸发之前的制冷剂的温度，增加制冷剂蒸发时能够吸收的热量，提升了系统的能效。第一辅助冷凝回路中的冷媒在吸收了主回路中的热量之后，为压缩机补充气态冷媒，可进一步增加制冷剂搬运热量的能力。

Description

热泵系统

技术领域

本发明涉及制热水设备技术领域，尤其涉及一种热泵热水系统。

背景技术

热泵热水系统通常配合水箱使用，将制取的设定温度的热水储存在水箱中，再供给用户做不同用途（洗浴、采暖等）使用。

由于对水箱中的热水具有维持在一定温度的要求，热水如果没有被及时使用，水箱中的水温会降低，当水温低于要求温度时，则需要热泵热水系统运行“保温模式”，即将水箱中的水再次抽吸到热泵系统中进行加热，制取满足要求的高温热水。

由于通常保温模式的进水温度很高（一般30℃以上），导致热泵热水系统的能效很低，极限情况（进水温度＞50℃、环温＞40℃）下COP会低于1。如图1所示，为现有热泵热水系统在保温模式制热时的P-h图。压缩机将冷媒压缩后变为超临界的高温高压气体（状态点1），由于保温运行时进水温度较高，气体冷却器出口的制冷剂温度较高（状态点2），进入回热器降温（状态点3）后经过节流原件等焓节流，此时的节流过程未在两相区进行，进入蒸发器内的制冷剂为低压过热状态（状态点4），状态点4的温度若比环境温度高（图3所示情况），则制冷剂在蒸发器中会持续放热、冷凝至低压两相状态（状态点5），并未从空气中吸收热量，从而导致COP小于1。因此，制冷剂热泵热水系统能效很低，由于保温模式的使用频次较高，耗电量高，增加用户的使用成本。

发明内容

为解决现有热泵系统中存在的将进水温度较高时导致能效低的技术问题，本发明提供一种热泵热水系统，其通过降低蒸发前的制冷剂的温度，增加制冷剂蒸发时能够吸收的热量，提升系统能效。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种热泵系统，其特征在于，包括：

制冷剂主回路，其包括：

压缩机，其用于压缩制冷剂；

第一换热器，其用于将制冷剂冷凝；

第一节流装置，其用于将制冷剂节流降压；

第二换热器，其用于将制冷剂蒸发；

气液分离装置，其设置在所述压缩机的进气端，用于将进入压缩机之前的制冷剂进行气液分离；

所述热泵系统还包括：

第一辅助冷凝回路，其进口连接在所述第一换热器与所述第一节流装置之间，其出口与所述气液分离装置连接，所述第一辅助冷凝回路用于吸收所述制冷剂主回路中制冷剂的热量。

进一步的，所述热泵系统还包括：

第三换热器，其具有第一制冷剂流路和第二制冷剂流路，所述第一制冷剂流路连接在所述制冷剂主回路中，所述第二制冷剂流路连接在所述第一辅助冷凝回路中。

进一步的，所述第一辅助冷凝回路中设置有：

第二节流装置，其位于所述第二制冷剂流路的前端；

电磁阀，其用于控制所述第一辅助冷凝回路的流通状态。

进一步的，所述第一换热器包括：

制冷剂流路，其连接在所述制冷剂主回路中；

水流路，其两端分别连接水箱，组成水循环系统；

所述水循环系统中设置有用于检测进入水流路的水温的温度检测元件，当所述水温不小于第一设定值时，控制所述电磁阀开启。

进一步的，还包括获取压缩机的吸气过热度，并根据所述吸气过热度调节所述第二节流装置的开度。

进一步的，当获取压缩机的吸气过热度不小于第二设定值时，增加所述第二节流装置的开度。

进一步的，当获取压缩机的吸气过热度小于第三设定值时，减小所述第二节流装置的开度，其中，第三设定值小于第二设定值。

进一步的，还包括判断所述第二节流装置的开度，当所述第二节流装置的开度不大于第四设定值时，停止增加所述第二节流装置的开度，否则，调节所述第二节流装置的开度至第四设定值；

当所述第二节流装置的开度大于或者等于第五设定值时，停止减小所述第二节流装置的开度，否则，调节所述第二节流装置的开度至第五设定值。

进一步的，所述热泵系统还包括：第二辅助冷凝回路，其进口与所述第二换热器的出口连接，其出口与所述气液分离装置连接，所述第二辅助冷凝回路用于吸收所述制冷剂主回路中制冷剂的热量。

进一步的，所述热泵系统还包括：

第四换热器，其具有第三制冷剂流路和第四制冷剂流路，所述第三制冷剂流路连接在所述制冷剂主回路中，所述第四制冷剂流路连接在所述第二辅助冷凝回路中。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：本发明的热泵热水系统，通过设置第一辅助冷凝回路，其进口连接在所述第一换热器与所述第一节流装置之间，可以吸收主回路中蒸发之前的制冷剂的温度，增加制冷剂蒸发时能够吸收的热量，提升了系统的能效。第一辅助冷凝回路中的冷媒在吸收了主回路中的热量之后，蒸发气化，通过气液分离装置分离后，为压缩机补充气态冷媒，可进一步增加制冷剂搬运热量的能力，防止进入压缩机过多液态冷媒出现液击现象而毁坏压缩机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为现有热泵热水系统在低负荷制热时的P-h图;

图2为本发明提出的热泵系统的原理图；

图3为本发明提出的热泵系统在低负荷制热时的P-h图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例一

如图2所示，本实施例热泵系统，包括，其包括压缩机11、第一换热器12、第一节流装置13、第二换热器14以及气液分离装置15，且压缩机11、第一换热器12、第一节流装置13、第二换热器14以及气液分离装置15组成闭环的制冷剂主回路。该热泵系统还包括第一辅助冷凝回路16，其进口连接在第一换热器12与第一节流装置13之间，其出口与气液分离装置15连接，第一辅助冷凝回路16用于吸收制冷剂主回路中制冷剂的热量，降低进入第二换热器14蒸发前的制冷剂的温度，以增加制冷剂蒸发时能够吸收的热量。

本实施例中的制冷剂可以是但不限于R11、R12、R113、R114、R115、R502、R22以及CO2等。

其中，第一换热器12用于将制冷剂冷凝；第一节流装置13用于将制冷剂节流降压；第二换热器14用于将制冷剂蒸发；气液分离装置15设置在压缩机11的进气端，用于将进入压缩机11之前的制冷剂进行气液分离。

本实施例中制冷剂主回路中制冷剂的循环过程为：来自气液分离装置15的低温低压的制冷剂被压缩机11压缩后变为超临界的高温高压气体，高温高压气体进入第一换热器12的制冷剂流路，第一换热器12的水流路中循环有由水泵抽吸的进水，进水在第一换热器12中吸收制冷剂的热量，制冷剂进行换热被冷却成为高压中温状态，在进入第一节流装置13之前，制冷剂主回路中的制冷剂继续被第一辅助冷凝回路16吸热，制冷剂温度进一步降低，进而可以增加制冷剂蒸发时能够吸收的热量，提升了系统的能效。被第一辅助冷凝回路16吸热后的制冷剂进入第一节流装置13进行节流降压，变为低温低压的两相状态，而后进入第二换热器14中蒸发成为低压过热状态，从第二换热器14出来的制冷剂可以进入气液分离装置中进行气液分离，保证进入压缩机的制冷剂为气态，防止出现液击损坏压缩机。

第一辅助冷凝回路16的进口连接在第一换热器12与第一节流装置13之间，也即，从第一换热器12中出来的高压中温状态的制冷剂一部分继续在制冷剂主回路中流通，另外一部分进入第一辅助冷凝回路16，该部分的制冷剂用于吸收制冷剂主回路中制冷剂的热量，进行蒸发气化，第一辅助冷凝回路16的出口与所述气液分离装置15连接，因此，第一辅助冷凝回路16出来的二相化制冷剂通过气液分离装置15分离后，可为压缩机11补充气态冷媒，可进一步增加制冷剂搬运热量的能力，防止进入压缩机11过多液态冷媒出现液击现象而毁坏压缩机11。

第一换热器12具有制冷剂流路121和水流路122，用于两个流路中的介质进行换热，可以采用但不限于套管式换热器、管壳式换热器或者板式换热器等。

第一换热器12中的制冷剂流路121连接在制冷剂主回路中；水流路122的两端分别连接水箱，与水泵共同组成水循环系统。

本实施例的热泵系统还包括第三换热器17，第三换热器17具有第一制冷剂流路171和第二制冷剂流路172，第一制冷剂流路171连接在制冷剂主回路中，第二制冷剂流路172连接在第一辅助冷凝回路16中。

第三换热器17可以采用但不限于经济器、套管式换热器、管壳式换热器或者板式换热器等。

由于初始进入第一辅助冷凝回路16中的制冷剂为从制冷剂主回路中分流出的一路，为高压中温状态的制冷剂，第一辅助冷凝回路16中设置有：第二节流装置18和电磁阀19。

第二节流装置18位于第二制冷剂流路172的前端，用于将进入第二制冷剂流路172的冷媒进行节流降压，节流降压后的冷媒具有一定的吸热能力，进而能够在第二制冷剂流路172中可以吸收制冷剂主回路中的热量，使得制冷剂主回路中的制冷剂进一步降温。

第二节流装置18可以采用电子膨胀阀实现，其开度能够受控制进行调节。

电磁阀19用于控制第一辅助冷凝回路16的流通状态。本方案中设置第一辅助冷凝回路16是用于在热负荷较小的情况下运行系统，导致能效低的技术问题，也就是说，当热负荷大时，则无需开启该第一辅助冷凝回路16，因此，本方案中通过在第一辅助冷凝回路16中设置电磁阀19，用于控制该回路的流通状态第一辅助冷凝回路16，以根据实际需求选择流通或者断开该回路。

水温的高低直接反映了热负荷的大小，本方案中通过检测水温的方式控制第一辅助冷凝回路16的流通或者断开。因此，水循环系统中设置有用于检测进入水流路的水温的温度检测元件（图中未示出），当所述水温不小于第一设定值时，控制所述电磁阀19开启，进而第一辅助冷凝回路16流通，否则，电磁阀19关闭，第一辅助冷凝回路16断开。

温度检测元件可以设置在水箱中、进水管中或者出水管中，总之，设置位置只要能够直接或者间接检测水温，均属于本发明的保护范围。

还包括获取压缩机11的吸气过热度，并根据吸气过热度调节第二节流装置18的开度。保温模式运行时，赋给第二节流装置18的开度初始值，当获取压缩机的吸气过热度不小于第二设定值时，增加所述第二节流装置18的开度。获取压缩机的吸气过热度小于第三设定值时，减小第二节流装置的开度，其中，第三设定值小于第二设定值。

当检测进水温度大于或等于第一设定值T_wio时，T_wio可取25~30℃，打开电磁阀19。若压缩机吸气过热度ΔT_s不小于第二设定值时，则继续增大第二流装置开度，以实现降低节流前冷媒过冷度、降低干度。若压缩机吸气过热度ΔT_s小于第三设定值时，则减小第二节流装置开度，防止压缩机吸入过多液态冷媒出现液击现象、毁坏压缩机。

其中，压缩机吸气过热度ΔT_s的计算方法为：ΔT_s=T_s-T_sat。其中，T_s为压缩机吸气温度，T_sat为图1中Ps对应的冷媒饱和温度。

为了防止当第二节流装置18开度到最大时继续增大其开度导致空转，还包括判断第二节流装置18的开度，当第二节流装置18的开度不大于第四设定值时，停止增加第二节流装置18的开度，否则，调节第二节流装置18的开度至第四设定值；其中，第四设定值为第二节流装置18的最大开度值。

当第二节流装置18的开度大于或者等于第五设定值时，停止减小第二节流装置的开度，否则，调节第二节流装置18的开度至第五设定值。其中，第五设定值为第二节流装置18的最小开度。

为了进一步降低从第三换热器17流出的制冷剂主回路中的制冷剂的温度，提高其进入第二换热器14后的吸热能力，本实施例中的热泵系统还包括第二辅助冷凝回路20，其进口与第二换热器14的出口连接，其出口与气液分离装置15连接，第二辅助冷凝回路20用于进一步吸收制冷剂主回路中制冷剂的热量。

本实施例的热泵系统还包括第四换热器21，第四换热器21具有第三制冷剂流路211和第四制冷剂流路212，第三制冷剂流路211连接在制冷剂主回路中，第四制冷剂流路212连接在第二辅助冷凝回路20中。

主回路中的制冷剂在第二换热器14中吸热，呈高温低压的气液相态，从第二换热器14流出后进入第四换热器21的第四制冷剂流路212，在第四换热器21中继续吸收制冷剂主回路中的热量，进一步提升了第二辅助冷凝回路20中制冷剂的干度，因此，可以有更多的气态制冷剂进入压缩机中，提升系统对热量的搬运能力。同时，由于第二辅助冷凝回路20中的制冷剂继续吸收了制冷剂主回路中的热量，所以在进入第二换热器14之前的制冷剂温度进一步降低，因此，保证进入第二换热器14内制冷剂干度较低，从而保证制冷剂在第二换热器14中吸收热量，提升机组制热能力，提升系统COP。

第四换热器21可以采用回热器实现。

如图3所示，为采用与不采用本实施例热泵系统的的P-h对比图，其中传统热泵系统循环为1-2-3-4-5-6（实线），本实施例系统循环为1’-2’-3”-3’-4’-5’-6”-6’（双点划线）。

本实施例的热泵系统，当热负荷较小时，第一辅助冷凝回路16的电磁阀19打开、第二节流装置18打开，第一换热器12出口的制冷剂（状态点2’）进入第一制冷剂流路171中，并且与第二制冷剂流路172经过第二节流装置18节流后的低压两相冷媒（状态点7’）换热，制冷剂主路中的制冷剂温度进一步降低（状态点3”），第一辅助冷凝回路16吸收热量干度增加（状态点8’）后流入气液分离装置15中；在第四换热器21中，制冷剂主路在制冷剂在第三制冷剂流路211中温度进一步降低（状态点3’），而后经过第一节流装置13节流降压至低压两相状态（状态点4’），在第二换热器14中蒸发吸热至过热状态（状态点5’），而后在第四制冷剂流路212中温度升高（状态点6”），第一辅助冷凝回路16出口冷媒（状态点8’）和第二辅助冷凝回路20出口冷媒（状态点6”）在气液分离装置15中混合，而后压缩机11从气液分离器中抽吸冷媒（状态点6’）进入下一次循环。由于压缩机11低压侧制冷剂量增多，蒸发压力略微上升。

从图3对比图中可以看出，在保温模式运行时，通过经济器降低节流前制冷剂温度，保证进入第二换热器14中的制冷剂干度较低，从而保证制冷剂在第二换热器14中吸收热量，提升机组制热能力，提升系统COP。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种热泵系统，其特征在于，包括：

制冷剂主回路，其包括：

压缩机，其用于压缩制冷剂；

第一换热器，其用于将制冷剂冷凝；

第一节流装置，其用于将制冷剂节流降压；

第二换热器，其用于将制冷剂蒸发；

气液分离装置，其设置在所述压缩机的进气端，用于将进入压缩机之前的制冷剂进行气液分离；

所述热泵系统还包括：

第一辅助冷凝回路，所述第一辅助冷凝回路连接在所述第一换热器之后、第一节流装置之前，其进口连接在所述第一换热器与所述第一节流装置之间，其出口与所述气液分离装置连接，所述第一辅助冷凝回路用于吸收所述制冷剂主回路中制冷剂的热量；

所述第一辅助冷凝回路中设置有：

第二节流装置，其位于第二制冷剂流路的前端；

电磁阀，其用于控制所述第一辅助冷凝回路的流通状态；

当检测进水温度大于或等于第一设定值T_wio时，打开电磁阀，若压缩机吸气过热度ΔT_s不小于第二设定值时，则继续增大第二节流装置开度；

所述热泵系统还包括：

第三换热器，其具有第一制冷剂流路和第二制冷剂流路，所述第一制冷剂流路连接在所述制冷剂主回路中，所述第二制冷剂流路连接在所述第一辅助冷凝回路中；

所述第一换热器包括：

制冷剂流路，其连接在所述制冷剂主回路中；

水流路，其两端分别连接水箱，组成水循环系统；

所述水循环系统中设置有用于检测进入水流路的水温的温度检测元件；

还包括判断所述第二节流装置的开度，当所述第二节流装置的开度不大于第四设定值时，停止增加所述第二节流装置的开度，否则，调节所述第二节流装置的开度至第四设定值；

当所述第二节流装置的开度大于或者等于第五设定值时，停止减小所述第二节流装置的开度，否则，调节所述第二节流装置的开度至第五设定值。

2.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，当获取压缩机的吸气过热度小于第三设定值时，减小所述第二节流装置的开度，其中，第三设定值小于第二设定值。

3.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述制冷剂主回路还包括：第二辅助冷凝回路，所述第二辅助冷凝回路连接在所述第二换热器之后、气液分离装置之前，其进口与所述第二换热器的出口连接，其出口与所述气液分离装置连接，所述第二辅助冷凝回路用于吸收所述制冷剂主回路中制冷剂的热量；

所述热泵系统还包括：

第四换热器，其具有第三制冷剂流路和第四制冷剂流路，所述第三制冷剂流路连接在所述制冷剂主回路中，所述第四制冷剂流路连接在所述第二辅助冷凝回路中。

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