CN113218101A - 一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的方法和系统，通过在冷媒压缩热泵制热循环的冷媒冷凝过程和节流过程之间增加冷媒过冷过程，所述冷媒过冷过程为：采用低温新风或含有低温新风的气流作为热沉流体吸收冷凝后的高温高压冷媒的热量，使其温度降低后再通过节流过程进行蒸发，增加热泵的制冷量，即从环境取热量，从而提高热泵的制热量和COP。所述冷媒冷凝过程的冷凝热加热新风或其他流体，或同时加热新风和其他流体，所述的热沉流体直接吸收冷媒流体的热量，或通过第一加热流体吸收冷媒的热量。

Description

一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的方 法及其系统

技术领域

本发明涉及一种利用新风作为热沉吸收冷凝器出口的高温冷媒的热量改善热泵制热循环的方法及系统。

背景技术

众所周知，对冷媒进行有效过冷却可以显著提高制冷量，针对压缩热泵系统制冷循环时对冷媒过冷的研究和应用比较多，主要的应用是双极压缩时采用第一级压缩的冷媒对第二级来过冷，而对于单级压缩时，由于没有冷源对冷媒过冷，所以很少采用大的有效过冷度。而对于制热而言，对过冷的研究和应用几乎没有，因为采用冷源对冷媒过冷后没有增加制冷的同时也没有增加制热量，这样导致过冷不仅没有好处，还带来坏处。但是，如果冷源本身就是需要加热的，如新风本来就需要加热，过冷增加制冷就可以增加制热，很显然，这一点并未得到充分的认识。另外一个方面，如前所述，夏季制冷时往往没有合适的冷源实现过冷，因此过冷往往是一个理论上的措施，无法实施，而对于冬季制热而言，新风却是唾手可得的过冷冷源，易于实现过冷。尤其是人们健康环保意识增强后，新风对于人工环境的重要性已经变得尤为重要。无论是民用，商用还是工业应用场合，固定建筑应用还是交通工具等。

如动车和公交汽车都需要大量的新风，家庭新风系统也日益普及。工厂的新风系统更是需要大量新风，如北方某焊接车间，面积10000平方米，需要的新风量为150000m³/h,用于补充焊接排烟的气量。其能耗也很大，仅仅将车间温度保证在12度左右，就需要操控1000kW的加热量。

因此，利用新风作为冷源或者热沉，实现热泵冷媒的过冷，提高热泵制热的性能是一个可行的选择。

同时，与新风对应的排风其热能有时方便回收，可以利用冷媒或者载冷剂在新风与排风之间循环，进一步提高系统制热性能。这样的好处是不需要布置体积较大的空气/空气换热器，冷媒或载冷剂实现了两个功能，即过冷回热和新风与排风的回热。

发明内容

本发明基于上述事实，提出了一种充分利用新风作为热沉改善热泵制热循环的方法和系统，系统具有简单可靠，有效可行，高效节能，有利环保，经济适用等特点，具有广阔的应用前景。

采用的技术方案具体如下：

一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的方法，所述冷媒压缩热泵制热循环为冷媒依次经过压缩、冷凝、节流、蒸发然后再压缩。本方法在冷媒压缩热泵制热循环的冷媒冷凝过程和节流过程之间增加冷媒过冷过程，所述冷媒过冷过程为：采用低温新风或含有低温新风的气流作为热沉流体吸收冷凝后的高温高压冷媒的热量，使其温度降低后再通过节流过程进行蒸发，增加热泵的制冷量，即从环境取热量，从而提高热泵的制热量和COP。所述冷媒冷凝过程的冷凝热加热新风或其他流体，或同时加热新风和其他流体，所述的热沉流体直接吸收冷媒流体的热量，或通过第一加热流体吸收冷媒的热量。

进一步地，通过切换压缩后冷媒流经用于蒸发和冷凝装置的先后顺序，和/或切换冷凝后冷媒流经用于蒸发和过冷装置的先后顺序，使得同一装置能够通过切换实现蒸发、冷凝或过冷的功能。其中，压缩后冷媒先经过的装置功能为冷凝，冷凝后冷媒先经过的装置功能为过冷。

进一步地，所述的冷媒或所述的第一加热流体在新风与新风对应的排风之间循环回收排风的热量并加热新风。

一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的系统，系统含有压缩机，节流结构，过冷器，蒸发器、冷凝器和过冷器加热箱，其中压缩机出口与冷凝器的冷媒通道进口相连，冷凝器的冷媒通道出口与过冷器的冷媒通道进口相连，过冷器的冷媒通道出口与节流机构进口相连，节流机构出口与蒸发器的冷媒通道进口相连，蒸发器的冷媒通道出口与压缩机进口相连，构成冷媒压缩热泵制热循环回路。过冷器加热箱设有进出口，过冷器置于过冷器加热箱内，过冷器加热箱通入新风或者含新风的混风。蒸发器为空气源，水源等，空气源的蒸发器匹配有风机。所述冷凝器为气体换热器或液体换热器，当为气体换热器时，冷凝器置于过冷器加热箱内加热被冷凝器加热的流体或同时加热被冷凝器加热的流体及其他流体，或冷凝器置于处理末端内加热其他气体。当为液体换热器时，冷凝器的另一流体通道通入液体。

进一步地，所述的处理末端可以为多个。

一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的系统，系统含有压缩机，节流结构，过冷器，蒸发器、冷凝器、第一加热箱第一流体加热器和第二流体加热器，其中压缩机出口与冷凝器的冷媒通道进口相连，冷凝器的冷媒通道出口与过冷器的冷媒通道进口相连，过冷器的冷媒通道出口与节流机构进口相连，节流机构出口与蒸发器的冷媒通道进口相连，蒸发器的冷媒通道出口与压缩机进口相连，构成冷媒压缩热泵制热循环回路。过冷器的另一流体通道进出口与第一流体加热器的流体通道进出口相连，冷凝器的另一流体通道进出口与第二流体加热器的流体通道进出口相连，第一流体加热器置于第一加热箱内，第一加热箱设有进出口，用于通入新风或含新风的气流；或第一加热箱内还含有第二流体换热器，第二流体换热器加热经过第一流体加热器加热的流体，或同时加热经过第一流体加热器加热的流体和其它流体。蒸发器为空气源，水源等，空气源的蒸发器匹配有风机。

进一步地，系统还包括第二加热箱，所述第二加热器置于第二加热箱内，第二加热箱设有进出口，通入其他气体。第二加热器中流经的第二流体加热通入的其他气体。

进一步地，系统还含有第一四通阀，第一四通阀置于冷媒管道上，第一四通阀的四个接口分别与过冷器的冷媒通道进口，蒸发器的冷媒通道出口，冷凝器的冷媒通道出口及压缩机进口相连。通过第一四通阀切换冷凝器出口的冷媒进入蒸发器和过冷器的先后顺序，实现蒸发器和过冷器的功能转换。

进一步地，系统还含有第二四通阀，第二四通阀置于冷媒管道上，第二四通阀的四个接口分别与蒸发器的冷媒通道出口，冷凝器的冷媒通道进口及压缩机进出口相连。通过第二四通阀切换压缩机出口的冷媒进入蒸发器和冷凝器的先后顺序，实现蒸发器、过冷器和冷凝器的功能转换。

进一步地，系统同时含有第一四通阀和第二四通阀，第一四通阀置于冷媒管道上，第一四通阀的四个接口分别与第一四通阀的四个接口分别与过冷器的冷媒通道进口，蒸发器的冷媒通道出口，冷凝器的冷媒通道出口及第二四通阀的一接口相连，第二四通阀另三个接口分别与冷凝器的冷媒通道进口及压缩机进出口相连。通过第二四通阀切换压缩机出口的冷媒进入第一四通阀和冷凝器的先后顺序，通过第一四通阀切换冷媒进入蒸发器和过冷器的先后顺序，共同实现蒸发器和过冷器的功能转换。通过第一四通阀切换冷凝器出口的冷媒进入蒸发器和过冷器的先后顺序，实现蒸发器、过冷器和冷凝器的功能转换。

附图说明

图1为本发明新风加热的原理图

图2为加热新风和回风的原理图

图3为非空气源热泵的情形

图4为过冷器分为两个部分的情形

图5为含有多个空气末端的情形

图6为冷凝器加热液体的情形

图7为带有第一四通阀的系统

图8为图7系统的主制热模式

图9为图7系统辅制热模式

图10为利用冷媒进行排风热回收的情形

图11为利用热泵加热两种流体，利用流体加热新风等的情形

图12为利用载冷剂进行排风热回收的情形

图13为含有第一四通阀和第二四通阀的情形

图14为图11系统主制热模式

图15为图11系统辅制热模式

图16为图11系统制冷模式

图17为无过冷时冷媒压缩压缩系统的参数

图18为50C利用新风过冷时压缩系统的参数

具体实施方式

如图1所示，系统100含有压缩机101，节流结构102，过冷器104，蒸发器105，冷凝器103及冷媒管道106，通过冷媒管道106，压缩机101出口与冷凝器103的冷媒通道进口相连，冷凝器103的冷媒通道出口与过冷器104的冷媒通道进口相连，过冷器104的冷媒通道出口与节流机构102进口相连，节流机构102出口与蒸发器105的冷媒通道进口相连，蒸发器105的冷媒通道出口与压缩机101进口相连，构成冷媒循环回路。

作为公知的冷媒系统常识，冷媒管道上可以选择配置制冷系统附件，包括阀门，气液分离器，储液罐等。图中未作标注。

图1中热泵为空气源，与蒸发器105换热的为空气，蒸发器105匹配有风机107，当然也可以采用其它冷热源，如图3所示，包括水源，土壤源，工业废热源等。

过冷器104用于加热新风，系统还含有过冷器加热箱108，过冷器104置于过冷器加热箱108内加热新风或者含新风的混风，冷凝器103用于冷凝冷媒，也置于过冷器加热箱108内，位于过冷器104下游，过冷器加热箱108可配备风机，也可以利用其它设备的风机作为动力，过冷器加热箱108可以作为独立的设备为人工环境提供新风，也可以与其它空调设备相连。

图2系统100A与图1不同在于，在过冷器104与冷凝器103之间设有回风口，冷凝器103加热经过过冷器104的新风，也加热回风。

图3系统100B与图2不同在于，经过过冷器的风包括新风和回风，此外，图3系统100B采用非空气源的其它冷热源，包括水源，土壤源，工业废热源等，所以蒸发器105A未配备风机，蒸发器105A的另一通道通入其它热源。

图4系统100C与图3不同在于，经过过冷器的新风和回风不是混合后进入过冷器的，而是将过冷器104A分为两个部分，新风先经过过冷器上游部分，在两部分之间设有回风口，回风与已经过过冷器上游部分的新风混合后进入过冷器下游部分，这样更有利于能量的梯级利用。

图5系统100D与系统100不同在于，冷凝器未置于在过冷器加热箱108内，冷凝器置于空气处理末端内，空气处理末端可以为一个或多个，图5系统100D显示两个，末端1内含冷凝器1031，末端2内含冷凝器1032。末端内应含有其它部件，如风机等，图中未显示。

图6系统100E与图5系统一样，冷凝器未置于过冷器加热箱108内，但两者不同在于，图6系统中冷凝器103A为液体加热器，冷凝器103A的另一通道通入水源，利用水源与冷媒换热实现冷媒冷凝，图5系统为空气加热器，置于末端内。

图7系统200在系统100的基础上增加了第一四通阀201，第一四通阀201置于冷媒管道上，第一四通阀201的四个接口分别与过冷器104冷媒通道进口，蒸发器105冷媒通道出口，冷凝器103冷媒通道出口及压缩机进口相连，第一四通阀201实现蒸发器105与过冷器104的功能互换，如图8，图9所示，图8为主制热模式，图9为辅助制热模式，可以对蒸发器105进行融霜。主制热模式时，来自压缩机101出口的气态冷媒经过冷凝器103，与流体换热，冷媒冷凝加热流体，再经过第一四通阀201进入过冷器104，冷媒被过冷与流体换热，流体被加热，然后经过节流阀102进入蒸发器105，与空气换热，冷媒蒸发，然后通过第一四通阀201回到压缩机101进口；当蒸发器105产霜后，通过第一四通阀201切换至辅制热循环。

辅制热模式时，来自压缩机101出口的气态冷媒经过冷凝器103，与流体换热，冷媒冷凝，流体被加热，再经过第一四通阀201进入蒸发器105，此时作为过冷器，冷媒被过冷，并对蒸发器105融霜，然后经过节流阀102进入过冷器104，此时其功能为蒸发器，与流体换热，冷媒蒸发，流体被冷却，然后通过第一四通阀201回到压缩机101进口；当蒸发器105融霜完成后，通过第一四通阀201切换回主制热循环。

图10系统110与图1系统100不同在于，系统110还具有回收排风热能的功能，即过冷器加热箱108A含有两个室，新风室和排风室，同时设有两个过冷器，两个过冷器之间设有加热器；新风室内含第一过冷器1041，和第二过冷器1042，排风室内含加热器111，冷凝器103出口的冷媒先经过第二过冷器1042被冷却,然后经过回风加热器111被加热，再经过第一过冷器1041被冷却后进入节流机构102。

图10中新风和排风在一处，新风和排风室为一体结构，有些情况下，新风与排风距离较远，新风室和回风室采用分体结构，如图12所示。

图11系统300与图2系统100A一样，利用过冷器的热量加热新风，利用冷凝器加热新风和回风的混风，两者不同在于，系统100A直接利用冷媒加热空气，图11系统利用冷媒加热流体，流体再通过换热器加热空气。如图中所示，系统300的过冷器104B加热第一流体，图中显示第一流体为乙二醇，冷凝器103A加热第二流体，图中显示第二流体为水，过冷器加热箱108内含有第一流体加热器301，第二流体加热器302，第一流体加热器与过冷器通过第一流体管304相连，第二流体加热器与冷凝器通过第一流体管303相连。过冷器加热箱108内通入新风，利用第一流体、第二流体换热进行加热。

图12系统300A在图11系统上增加了排风热回收，排风箱1081与过冷器加热箱108分离，排风箱内设置排风加热器305，第一流体先经过第一流体加热器A，即301A被冷却，再通过第一流体管进入回风加热器305被加热，然后经过第一流体加热器B,即301B，被冷却后回到过冷器104B。

图13系统400在系统300的基础上增加了第一四通阀401，和第二四通阀402，另外再加热箱内显示了风机403。四通阀置于冷媒管道上，第一四通阀401的四个接口分别与过冷器104的冷媒通道进口，蒸发器105的冷媒通道出口，冷凝器103的冷媒通道出口及第二四通阀402的一接口相连，第二四通阀402的其它三个接口分别与冷凝器103的冷媒通道进口及压缩机进出口相连。

通过第一四通阀401，可以实现主制热模式和辅制热模式的变换，如图14，图15所示，辅制热模式实现风冷蒸发器的融霜。

通过第二四通阀402实现制热和制冷模式的变换，图16为制冷模式。制冷模式时，来自压缩机101出口的气态冷媒经过第二四通阀402与第一四通阀401，再进入蒸发器105，其功能为冷凝，与空气换热，冷媒冷凝，然后经过节流阀102进入过冷器104，其功能为蒸发，冷媒与流体换热，冷媒蒸发，流体被冷却，蒸发后的冷媒再通过第一四通阀401进入冷凝器103，其功能为蒸发，与流体换热，冷媒继续被蒸发，流体被冷却，最后通过第二四通阀401回到压缩机101进口。

上述四通阀均可以通过多个三通阀组合和一通阀组合替代。

图17显示无过冷情形下采用比泽尔压缩机的制热系统的参数，图18为通过新风实现50℃过冷，采用比泽尔压缩机的制热系统的参数。

以下是比则尔压缩机选型软件的基本数据

·采用R404A冷媒，蒸发温度-25℃,冷凝温度40℃

·图17没有过冷，制冷COP是1.52，制热COP为2.52

·图18有50℃过冷，制冷COP从1.52增加到2.63，制热COP 3.63，

·COP增加：(3.63-2.52)/2.52＝44％。

从图17，图18比较可以看出，采用新风过冷可以大幅度提高热泵系统的制热量和COP。

Claims (10)

1.一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的方法，所述冷媒压缩热泵制热循环为冷媒依次经过压缩、冷凝、节流、蒸发然后再压缩进行循环。其特征在于，在冷媒压缩热泵制热循环的冷媒冷凝过程和节流过程之间增加冷媒过冷过程，所述冷媒过冷过程为：采用低温新风或含有低温新风的气流作为热沉流体吸收冷凝后的高温高压冷媒的热量，使其温度降低后再通过节流过程进行蒸发，增加热泵的制冷量，即从环境取热量，从而提高热泵的制热量和COP。所述冷媒冷凝过程的冷凝热加热新风或其他流体，或同时加热新风和其他流体，所述的热沉流体直接吸收冷媒流体的热量，或通过第一加热流体吸收冷媒的热量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过切换压缩后冷媒流经用于蒸发和冷凝装置的先后顺序，和/或切换冷凝后冷媒流经用于蒸发和过冷装置的先后顺序，使得同一装置能够通过切换实现蒸发、冷凝或过冷的功能。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的冷媒或所述的第一加热流体在新风与新风对应的排风之间循环回收排风的热量并加热新风。

4.一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的系统，其特征在于，系统含有压缩机，节流结构，过冷器，蒸发器、冷凝器和过冷器加热箱，其中压缩机出口与冷凝器的冷媒通道进口相连，冷凝器的冷媒通道出口与过冷器的冷媒通道进口相连，过冷器的冷媒通道出口与节流机构进口相连，节流机构出口与蒸发器的冷媒通道进口相连，蒸发器的冷媒通道出口与压缩机进口相连，构成冷媒压缩热泵制热循环回路。过冷器加热箱设有进出口，过冷器置于过冷器加热箱内，过冷器加热箱通入新风或者含新风的混风。蒸发器为空气源，水源等，空气源的蒸发器匹配有风机。所述冷凝器为气体换热器或液体换热器，当为气体换热器时，冷凝器置于过冷器加热箱内加热被冷凝器加热的流体或同时加热被冷凝器加热的流体及其他流体，或冷凝器置于处理末端内加热其他气体。当为液体换热器时，冷凝器的另一流体通道通入液体。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的处理末端可以为多个。

6.一种利用低温新风作为热沉改善冷媒压缩热泵制热循环的系统，其特征在于，系统含有压缩机，节流结构，过冷器，蒸发器、冷凝器、第一加热箱第一流体加热器和第二流体加热器，其中压缩机出口与冷凝器的冷媒通道进口相连，冷凝器的冷媒通道出口与过冷器的冷媒通道进口相连，过冷器的冷媒通道出口与节流机构进口相连，节流机构出口与蒸发器的冷媒通道进口相连，蒸发器的冷媒通道出口与压缩机进口相连，构成冷媒压缩热泵制热循环回路。过冷器的另一流体通道进出口与第一流体加热器的流体通道进出口相连，冷凝器的另一流体通道进出口与第二流体加热器的流体通道进出口相连，第一流体加热器置于第一加热箱内，第一加热箱设有进出口，用于通入新风或含新风的气流；或第一加热箱内还含有第二流体换热器，第二流体换热器加热经过第一流体加热器加热的流体，或同时加热经过第一流体加热器加热的流体和其它流体。蒸发器为空气源，水源等，空气源的蒸发器匹配有风机。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，系统还包括第二加热箱，所述第二加热器置于第二加热箱内，第二加热箱设有进出口，通入其他气体。

8.根据权利要求4-7任一项所述的系统，系统还含有第一四通阀，第一四通阀置于冷媒管道上，第一四通阀的四个接口分别与过冷器的冷媒通道进口，蒸发器的冷媒通道出口，冷凝器的冷媒通道出口及压缩机进口相连。通过第一四通阀切换冷凝器出口的冷媒进入蒸发器和过冷器的先后顺序，实现蒸发器和过冷器的功能转换。

9.根据权利要求4-7任一项所述的系统，系统还含有第二四通阀，第二四通阀置于冷媒管道上，第二四通阀的四个接口分别与蒸发器的冷媒通道出口，冷凝器的冷媒通道进口及压缩机进出口相连。通过第二四通阀切换压缩机出口的冷媒进入蒸发器和冷凝器的先后顺序，实现蒸发器、过冷器和冷凝器的功能转换。

10.根据权利要求4-7任一项所述的系统，系统同时含有第一四通阀和第二四通阀，第一四通阀置于冷媒管道上，第一四通阀的四个接口分别与第一四通阀的四个接口分别与过冷器的冷媒通道进口，蒸发器的冷媒通道出口，冷凝器的冷媒通道出口及第二四通阀的一接口相连，第二四通阀另三个接口分别与冷凝器的冷媒通道进口及压缩机进出口相连。通过第二四通阀切换压缩机出口的冷媒进入第一四通阀和冷凝器的先后顺序，通过第一四通阀切换冷媒进入蒸发器和过冷器的先后顺序，共同实现蒸发器和过冷器的功能转换。通过第一四通阀切换冷凝器出口的冷媒进入蒸发器和过冷器的先后顺序，实现蒸发器、过冷器和冷凝器的功能转换。

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