CN111795517A - 一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，包括相互换热式连接的空气源热泵机构和储水箱机构；所述空气源热泵机构包括空气源热泵机构外机机箱和制冷剂循环回路；所述储水箱机构包括水路循环回路和储水箱；所述空气源热泵机构中包括蓄热换热器，所述制冷剂循环回路与所述水路循环回路通过蓄热换热器换热式连接，蓄热换热器可以在过冷器和蒸发器之间进行切换，满足除霜模式和非除霜模式的切换需求，除霜模式下，所述储水箱通过水路循环回路和蓄热换热器向所述制冷剂循环回路提供热量。与现有技术相比，本发明解决了结霜时热泵性能衰减的问题，从整体系统的设计层面提供了完备的解决方案。

Description

一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵
技术领域
本发明涉及热泵系统领域，尤其是涉及一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵。
背景技术
大型公共建筑中，存在着巨大的建筑能源消耗，其中生活热水和空气调节两项需求在建筑能耗中占据着最大的比例。为了节省能源，市场上常采用空气源热泵的形式进行供热，通过从室外空气取热，实现对电能的高效利用，达到节能环保。但空气源热泵在在低温工况下使用时，室外换热器易发生结霜现象，使换热恶化，供热量骤减，甚至发生停机，严重影响供热的稳定性及机器能效。
目前市场上常用的除霜方案为电热除霜和热泵逆运行除霜两类，前者直接采用的高品质的辅助电源来进行化霜，能源利用率极低，不利于节能与环保；而后者热泵在除霜运行时，能效略高于前者，但机组需中断供热，并且从建筑物内部吸取热量，严重影响供热效果，除此之外，室外换热器需从冷凝器切换为蒸发器，室内换热器从蒸发器切换为冷凝器，蒸发压力和冷凝压力需重新积累，造成大量功耗浪费，并且冷凝段的高品质热量全部用于化霜，导致能源品质浪费，导致供热能力和能效的严重衰减。
于此同时，热泵使用时的能效与节流装置前的过冷度呈正相关关系，过冷度越大，能效越高。但因为过冷段的热量相对冷凝温度较低，能源品质不高，较难利用，因此常常被浪费掉。但过冷热相对于结霜的温度较高，足以满足化霜的要求，因此如果能将其应用于化霜之中，可实现较大的能效提升。
CN 207095144U提出了一种空气源热泵除霜装置，其是利用通过太阳能加热水并储存在循环水箱中，然后从循环水箱中引出热水进入包在蒸发器外侧的循环管，从而避免结霜，但该技术需要从外部取热，而非基于热泵自身的能量，同时太阳能取热受环境影响较大；中国专利CN 107990608A提出了一种与冷凝器并联一套换热器的方案，通过蓄热材料蓄热，从而在结霜时为除霜提供能量，但该技术为所蓄热量为热泵原供热的热量，需额外消耗能量，而且机组不能持续运行，需定时向蓄热材料内补热。
CN106288562A提出了一种空气源热泵系统的除霜控制装置，包括：压缩机、四通换向阀、室内换热器、气液分离器、节流部件、室外换热器、相变蓄热器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第一旁通管路和第二旁通管路，相变蓄热器在系统供热时连接在室内换热器的下游做过冷器使用，在系统除霜时作为该过程的低温热源，通过对旁通管路和电磁阀的切换，完成除霜前后系统的高低压对接。但其具有明显的缺陷，一方面，系统结构复杂，不同模式之间的切换使用了五个电磁阀；另一方面其使用相变材料蓄热，且蓄热量要完全满足化霜以及化霜过程中室内供热的要求，需使用很多的相变材料，因而成本很高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，解决了结霜时热泵性能衰减的问题，从整体系统的设计层面提供了完备的解决方案。
本发明的目的可以通过以下核心创新点的结合来实现：
本发明中基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，包括相互换热式连接的空气源热泵机构和储水箱机构；
所述空气源热泵机构包括空气源热泵机构外机机箱和设于空气源热泵机构外机机箱中的制冷剂循环回路；
所述储水箱机构包括水路循环回路和储水箱；
所述空气源热泵机构中包括蓄热换热器，所述制冷剂循环回路与所述水路循环回路通过蓄热换热器换热式连接，蓄热换热器可以在过冷器和蒸发器之间进行切换，满足除霜模式和非除霜模式的切换需求；
除霜模式下，所述储水箱通过水路循环回路和蓄热换热器向所述制冷剂循环回路提供热量；
非除霜模式下，所述储水箱通过水路循环回路和蓄热换热器回收制冷剂循环回路的剩余热量。
进一步地，所述制冷剂循环回路包括压缩机、室外换热器、第一四通换向阀、节流装置、蓄热换热器、制冷剂-水换热器；
其中，所述第一四通换向阀的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与制冷剂-水换热器的出口端、室外换热器、压缩机的进口端、蓄热换热器通过制冷剂管连接；
所述第一四通换向阀用于除霜模式和非除霜模式间的切换。
进一步地，所述节流装置的两个接口分别与室外换热器、蓄热换热器通过制冷剂管连接；
所述压缩机的出口端与制冷剂-水换热器的进口端通过制冷剂管连接。
进一步地，所述水路循环回路中设有水泵。
水路循环中，蓄热换热器通过水管与储水箱机构连接并进行换热。
室外换热器通过风道与室外环境的空气连通，空气通过风道与室外换热器中的制冷剂进行换热，构成循环回路，空气循环中，室外换热器通过风道与所处环境的空气连接并进行换热。
本发明中的储水箱机构，包括储水箱及水泵，通过水泵从储水箱中抽水，实现与空气源热泵机构的热量交换。水路循环中，所述的储水箱、水泵、蓄热换热器通过水管形成闭环连接。
空气源热泵在非除霜模式下，第一四通换向阀使制冷剂-水换热器与蓄热换热器连通，压缩机入口端与室外换热器连通。
空气源热泵在除霜模式下，第一四通换向阀使制冷剂-水换热器与室外换热器连通，压缩机入口端与蓄热换热器连通。
非除霜模式下，制冷剂在压缩机作用下成为高温高压的气体，通过制冷剂-水换热器向供热水散热，变为中温高压的液体，随后制冷剂通过第一四通换向阀进入制冷剂-水换热器向储水箱中的循环水散热过冷，变为低温高压的液体，制冷剂经节流装置节流后变为低温低压的两相态，进入室外换热器吸热后变为高温低压的气体，通过第一四通换向阀进入压缩机入口；
通过水泵输送循环水与蓄热换热器进行换热，将热量蓄存至储水箱内。
除霜模式下，制冷剂在压缩机作用下成为高温高压的气体，通过制冷剂-水换热器向供热水散热，变为中温高压的液体，随后通过第一四通换向阀进入室外换热器释放过冷热进行化霜，制冷剂变为低温高压的液体，经节流装置节流后变为低温低压的两相态，进入制冷剂-水换热器从储水箱中的循环水取热变为高温低压的气体，最后通过第一四通换向阀进入压缩机入口；
储水箱内蓄存的热量作为热源，通过水泵将蓄存的水泵入蓄热换热器中向制冷剂循环回路输送热量。
作为本发明的另一种实施方式，制冷剂循环回路包括压缩机、室外换热器、第一四通换向阀、节流装置、蓄热换热器、室内换热器和第二四通换向阀。
进一步地，所述第一四通换向阀用于除霜模式和非除霜模式间的切换；
所述第二四通换向阀用于室内换热器供热模式和供冷模式的切换。
进一步地，所述第一四通换向阀的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与第二四通换向阀的第二接口、蓄热换热器、室内换热器、室外换热器通过制冷剂管连接；
所述第二四通换向阀的第一接口、第三接口、第四接口分别与压缩机的出口端、压缩机的进口端、室内换热器通过制冷剂管连接。
基于上述技术方案，本发明具有以下核心创新点：
1.在空气源热泵的制冷剂循环中添加了过冷器的设置，通过过冷器收集系统的过冷热；
2.设置了使得蓄热换热器以及室外换热器可以在过冷器和蒸发器之间来回切换的四通换向阀结构，从而完成系统除霜模式和非除霜模式间的切换；
3.制冷剂-水换热器始终连接于压缩机排气管之后，因此无论制热还是化霜时，均可保证制冷剂-水换热器为冷凝器状态；
4.区别于一般热泵系统，用于模式切换的第一四通换向阀位于制冷剂-水换热器之后。
与现有技术相比，本发明具有以下明显的优势：
1.空气源热泵系统可始终处于连续供热的状态，不会中断，供热稳定；
2.因为化霜时采用的是过热过程中过冷段的热量，因此可增大系统过冷度，热泵的性能提升，同时实现能量的梯级利用；
3.因为制冷剂-水换热器始终处于冷凝器状态，无需进行蒸发器和冷凝器的切换，因此热泵系统制热能力的衰减较小，从而在实际工程选型中可以选用更小的压缩机，节省了投资成本。在运行过程中，减少了冷凝压力和蒸发压力累积的过程，进而可以避免热泵系统的启停功耗，提高系统能效；
4.本热泵系统方案技术成熟且成本低，基于公共建筑内常用设施即可完成该方案的搭建，需要添加的部件技术成熟，价格低廉；
5.本热泵系统普适性强，使用本方案对公共建筑内原有设施改动较小，因此适用范围广；
6.本热泵系统易于控制，控制方案简单，通过第一四通换向阀即可实现两种模式的切换。
附图说明
图1为本发明中基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵应用于制热水时的结构示意图；
图2为本发明中基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵应用于制热水时在非除霜模式下的结构示意图；
图3为本发明中基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵应用于制热水时在除霜模式下的结构示意图；
图4为本发明中基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵应用于室内供热时的结构示意图。
图中：A、空气源热泵机构外机机箱，B、储水箱；
1、水泵，2、压缩机，3、室外换热器，4、第一四通换向阀，5、节流装置，6、蓄热换热器，7、制冷剂-水换热器，8、室内换热器，9、第二四通换向阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例中基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵应用于制热水时的情况，如图1所示，包括：
制冷剂循环回路：主要包括空气源热泵机构的制冷剂循环，其设于空气源热泵机构外机机箱A内部。
其中空气源热泵机构制冷剂循环中各部件连接关系为：第一四通换向阀4的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与制冷剂-水换热器7的出口端、室外换热器3接口、压缩机2进口端、蓄热换热器6接口通过制冷剂管连接，所述节流装置5的两个接口分别与室外换热器3、蓄热换热器6通过制冷剂管连接，所述压缩机2的出口端与制冷剂-水换热器7的进口端通过制冷剂管连接。
水路循环回路：主要包括空气源热泵机构和储水箱机构之间的水路循环。空气源热泵机构和储水箱机构为闭式循环，各部件连接关系为：蓄热换热器6通过水管与水泵1、储水箱B依次相连。
空气循环回路：主要包括室外换热器3通过风道与室外环境的空气连通，空气不断通过风道与室外换热器3中的制冷剂进行换热，构成循环回路。
具体运行过程中包括非除霜模式和除霜模式。
图2所示为该系统在非除霜模式下的工作过程：
空气源热泵机构的制冷剂在压缩机2作用下成为高温高压的气体，通过制冷剂-水换热器7向供热水散热，变为中温高压的液体，随后通过第一四通换向阀4进入制冷剂-水换热器6向储水箱B中的循环水散热过冷，变为低温高压的液体，经节流装置5节流后变为低温低压的两相态，进入室外换热器3吸热后变为高温低压的气体，通过第一四通换向阀4进入压缩机2入口。
储水箱机构通过水泵1输送循环水与蓄热换热器6进行换热，将热量蓄存至储水箱B内。
图3所示为该系统在除霜模式下的工作过程：
空气源热泵机构的制冷剂在压缩机2作用下成为高温高压的气体，通过制冷剂-水换热器7向供热水散热，变为中温高压的液体，随后通过第一四通换向阀4进入室外换热器3释放过冷热进行化霜，变为低温高压的液体，经节流装置5节流后变为低温低压的两相态，进入制冷剂-水换热器6从储水箱B中的循环水取热变为高温低压的气体，最后通过第一四通换向阀4进入压缩机2入口。
储水箱机构以储水箱B内蓄存的热量作为热源，通过水泵1将蓄存的水泵入蓄热换热器6中向系统输送热量。
实施例2
本实施例中为一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵应用于室内供热时的情况，如图4所示，其与实施例1的区别为，将制冷剂-水换热器7替换为室内换热器8，并增补了用于切换室内换热器8供热、供冷的第二四通换向阀9，其余结构及实施方案皆与实施例1相同。
在本实施例中，制冷剂循环回路包括压缩机2、室外换热器3、第一四通换向阀4、节流装置5、蓄热换热器6、室内换热器8和第二四通换向阀9。第一四通换向阀4用于除霜模式和非除霜模式间的切换；第二四通换向阀9用于室内换热器8供热模式和供冷模式的切换。第一四通换向阀4的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与第二四通换向阀9的第二接口、蓄热换热器6、室内换热器8的出口端、室外换热器3通过制冷剂管连接；第二四通换向阀9的第一接口、第三接口、第四接口分别与压缩机2的出口端、压缩机2的进口端、室内换热器8通过制冷剂管连接。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，包括相互换热式连接的空气源热泵机构和储水箱机构；
所述空气源热泵机构包括空气源热泵机构外机机箱和设于空气源热泵机构外机机箱中的制冷剂循环回路；
所述储水箱机构包括水路循环回路和储水箱；
所述空气源热泵机构中包括蓄热换热器(6)，所述制冷剂循环回路与所述水路循环回路通过蓄热换热器(6)换热式连接，蓄热换热器(6)可以在过冷器和蒸发器之间进行切换，满足除霜模式和非除霜模式的切换需求；
除霜模式下，所述储水箱通过水路循环回路和蓄热换热器(6)向所述制冷剂循环回路提供热量；
非除霜模式下，所述储水箱通过水路循环回路和蓄热换热器(6)回收制冷剂循环回路的剩余热量。
2.根据权利要求1所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，所述制冷剂循环回路包括压缩机(2)、室外换热器(3)、第一四通换向阀(4)、节流装置(5)、蓄热换热器(6)、制冷剂-水换热器(7)；
其中，所述第一四通换向阀(4)的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与制冷剂-水换热器(7)的出口端、室外换热器(3)、压缩机(2)的进口端、蓄热换热器(6)通过制冷剂管连接；
所述第一四通换向阀(4)用于除霜模式和非除霜模式间的切换。
3.根据权利要求2所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，所述节流装置(5)的两个接口分别与室外换热器(3)、蓄热换热器(6)通过制冷剂管连接；
所述压缩机(2)的出口端与制冷剂-水换热器(7)的进口端通过制冷剂管连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，所述水路循环回路中设有水泵(1)。
5.根据权利要求4所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，非除霜模式下，制冷剂在压缩机(2)作用下成为高温高压的气体，通过制冷剂-水换热器(7)向供热水散热，变为中温高压的液体，随后制冷剂通过第一四通换向阀(4)进入制冷剂-水换热器(6)向储水箱中的循环水散热过冷，变为低温高压的液体，制冷剂经节流装置(5)节流后变为低温低压的两相态，进入室外换热器(3)吸热后变为高温低压的气体，通过第一四通换向阀(4)进入压缩机(2)入口；
通过水泵(1)输送循环水与蓄热换热器(6)进行换热，将热量蓄存至储水箱内。
6.根据权利要求4所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，除霜模式下，制冷剂在压缩机(2)作用下成为高温高压的气体，通过制冷剂-水换热器(7)向供热水散热，变为中温高压的液体，随后通过第一四通换向阀(4)进入室外换热器(3)释放过冷热进行化霜，制冷剂变为低温高压的液体，经节流装置(5)节流后变为低温低压的两相态，进入制冷剂-水换热器(6)从储水箱中的循环水取热变为高温低压的气体，最后通过第一四通换向阀(4)进入压缩机(2)入口；
储水箱内蓄存的热量作为热源，通过水泵(1)将蓄存的水泵入蓄热换热器(6)中向制冷剂循环回路输送热量。
7.根据权利要求1所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，所述制冷剂循环回路包括压缩机(2)、室外换热器(3)、第一四通换向阀(4)、节流装置(5)、蓄热换热器(6)、室内换热器(8)和第二四通换向阀(9)。
8.根据权利要求7所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，所述第一四通换向阀(4)用于除霜模式和非除霜模式间的切换；
所述第二四通换向阀(9)用于室内换热器(8)供热模式和供冷模式的切换。
9.根据权利要求7所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，所述第一四通换向阀(4)的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与第二四通换向阀(9)的第二接口、蓄热换热器(6)、室内换热器(8)的出口端、室外换热器(3)通过制冷剂管连接；
所述第二四通换向阀(9)的第一接口、第三接口、第四接口分别与压缩机(2)的出口端、压缩机(2)的进口端、室内换热器(8)的入口端通过制冷剂管连接。
10.根据权利要求2或9所述的一种基于液体过冷热回收除霜技术的空气源热泵，其特征在于，所述室外换热器(3)通过风道与室外环境的空气连通，空气通过风道与室外换热器(3)中的制冷剂进行换热，构成循环回路。
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