CN114017962A - 空气源热泵蓄热除霜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了空气源热泵蓄热除霜系统，包括采暖水循环模块、蓄热模块、冷媒循环模块、热交换模块；冷媒循环模块与热交换模块连接，采暖水循环模块与热交换模块连接，冷媒循环模块与采暖水循环模块通过热交换模块进行热量传递；热交换模块设置在蓄热模块内，蓄热模块用于通过热交换模块储蓄热量；蓄热模块中的蓄热介质包括水。本发明的有益效果为：本发明设计有多种制热蓄热运行模式，不同制热蓄热模式之间切换简单，可实现在不同运行环境下系统制热量的合理分配，从而保证系统的供热效果和除霜效果均能令用户满意，大大提高供暖期间室内的舒适性。

Description

空气源热泵蓄热除霜系统
技术领域
本发明属于暖通空调空气源热泵技术领域，尤其是涉及一种空气源热泵蓄热除霜系统。
背景技术
空气源热泵热水器因节能、高效、安全可靠等优点近年来得到了广泛的应用。但在低温高湿的环境(如我国的长江中下游区域)下运行时机组的蒸发器都会发生结霜现象，结霜堵塞了空气通道，增加了空气侧的传热热阻，导致机组的制热量大幅衰减，所以需要周期性对蒸发器进行除霜。现有的逆循环除霜技术在除霜时需要从用户侧的热水或室内吸热用于除霜，这将导致室内温度的大幅下降，严重影响用户侧室内的舒适性，也降低了机组的制热能效，所以有必要研发新的除霜技术来解决这一问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种空气源热泵蓄热除霜系统，以解决上述问题中的不足之处。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
空气源热泵蓄热除霜系统，包括采暖水循环模块、蓄热模块、冷媒循环模块、热交换模块；
冷媒循环模块与热交换模块连接，采暖水循环模块与热交换模块连接，冷媒循环模块与采暖水循环模块通过热交换模块进行热量传递；
热交换模块设置在蓄热模块内，蓄热模块用于通过热交换模块储蓄热量；蓄热模块中的蓄热介质包括水。
进一步的，采暖水循环模块包括第一水管、第二水管、第一水阀、第二水阀、三通阀、水泵；
第一水管一端通过三通阀与热交换模块连接，另一端与采暖房间内的换热器连通，为用户输送采暖供水；
采暖回水依次通过设置在第二水管上的第一水阀、水泵和第二水阀后回输至热交换模块。
进一步的，蓄热模块包括外壳、套管换热器、第三水管、第三水阀、第四水阀、第四水管、第五水阀、第五水管；
所述外壳将套管换热器仅仅包裹并密封在其里面；
套管换热器包括内管和外管，内管置于外管内部，内管和外管之间存有一定间隙，套管换热器上方为入口端，下方为出口端，套管换热器的外部中间空腔部分充有热水；
位于入口端的内管出水口通过三通阀与第一水管连通，三通阀的入口端与内管出水口连通，三通阀的第一出水口与第一水管的入口连通，三通阀的第二出水口与外壳内的蓄热介质连通；
采暖回水通过第二水管输入至位于出口端的内管入水口；
冷媒通过位于入口端的内管和外管的间隙入口输入至热交换模块；
冷媒通过位于出口端的内管和外管的间隙出口回输至冷媒循环模块；
套管换热器的中间空腔部分设置有大波纹管、上横梁、小波纹管、下横梁和弹簧；
所述大波纹管的上端与上横梁的下面密封固定连接，小波纹管的下端与上横梁的上面密封固定连接，小波纹管的上端同时与第三水管的出口端和第四水管的入口端连通，第三水管的人口端与水泵的入口端连通，第三水阀设置在第三水管上，第四水管的出口端与外壳内的蓄热热水连通，第四水阀设置在第四水管上，大波纹管的下端密封固定在下横梁上，弹簧的一端固定在下横梁的中间位置上，另一端固定在上横梁的中间位置上，下横梁固定外壳上，小波纹管内充有热水；
第五水管的入口端与水泵的入口端连通，第五水管的出口端与热交换模块内的热水连通，
外壳包括内壁和外壁，内壁和外壁之间设置有保温材料；
所述大波纹管是由导热性能较差的橡胶或PVC材质的材料制成；
所述小波纹管是由柔韧性较好的不锈钢橡材料制成。
进一步的，冷媒循环模块包括压缩机、四通阀、风冷蒸发器、节流阀、气液分离器；
经热交换模块的内部中空部出口输送回的冷媒通过管路与节流阀的入口端连接；
风冷蒸发器的进口与节流阀的出口连通；
风冷蒸发器的出口中出来的冷媒经四通阀和气液分离器后被压缩机的吸气口吸入；
压缩机输出的冷媒经过四通阀通过内部中空部入口输送至热交换模块。
相对于现有技术，本发明所述的空气源热泵蓄热除霜系统具有以下有益效果：
(1)本发明提出的技术方案是基于套管换热器外部中空的特点，将中间空腔部分充有热水用于蓄存系统在正常制热时多余的热量，除霜时这部分热水进到套管换热器的内管中，与冷媒进行强制对流换热，与现有的蓄热除霜技术相比，本发明不用增加额外的换热器，减少了占用机组的空间，而且使用水蓄热，使得附加成本大大降低，同时提高了除霜期间换热器的换热效果，使得除霜时间大大缩短；
(2)本发明设计有多种制热蓄热运行模式，不同模式之间切换简单，可实现在不同运行环境下机组制热量的合理分配，保证机组的供热效果和除霜效果均能令用户满意，大大提高供暖期间室内的舒适性。
(3)在系统除霜过程中，套管换热器作为蒸发器，管间隙的低温冷媒既能和内管中流动的蓄热热水强制对流换热，又能和蓄热热水进行扰动换热(因为不断的有水流入和流出蓄热热水中，会对蓄热热水产生扰动)，从而大大增强了换热器的换热效果，与现有的热水尤其是相变蓄热除霜技术相比(冷媒和相变材料的换热主要为相变材料的导热)，可大大缩短除霜时间，同时可以避免除霜期间从室内吸热，保证了室内的舒适性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的空气源热泵蓄热除霜系统示意图；
图2为图1中的采暖水循环模块和蓄热模块示意图；
图3为图1中大波纹管被压缩前的局部示意图；
图4为图1中大波纹管被完全压缩后的局部示意图；
图5为图1中大波纹管被压缩但未被完全压缩后的局部示意图。
附图标记说明：
1-压缩机；2-四通阀；3-风冷蒸发器；4-节流阀；5-气液分离器；6-套管换热器；61-外壳；62-三通阀；63-第二水阀；7-水泵；8-第一水管；9-第二水管；10-第五水管；11-第一水阀；12-第五水阀；13-第三水管；14-第三水阀；15-第四水阀；16-第四水管；17-大波纹管；18-上横梁；19-小波纹管；20-下横梁；21-弹簧。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
套管换热器6由内管和外管组成，内管走水，内管和外管的间隙走冷媒，套管换热器6的进口端设有热水进口端、冷媒进口端、套管换热器6的出口端设有热水出口端、冷媒出口端，套管换热器6的中间空腔部分充有热水，外壳61将套管换热器6仅仅包裹并密封在里面，使套管换热器6及热水与外界隔绝，外壳61内部置有保温材料，三通阀62的入口与热水出口端连通，三通阀62的第一出口与第一水管8的入口连通，三通阀62的第二出口与外壳61内的热水连通，第一水管8的出口与采暖房间内的换热器连通，热水进口端与第二水管9的入口连通，第二水管9的出口连通与采暖房间内的换热器连通，第二水管9上设有水泵7，水泵7的进水口和第二水管9的出口之间的管道上设有第一水阀11，第二水阀63设置在水泵7和热水进口端之间的第二水管9上，第三水管13的入口与外壳61内的热水连通，第三水管13的出口与水泵7的进水口连通，第三水管13上设有第五水阀12；
大波纹管17的上端与上横梁18的下面密封固定连接，小波纹管19的下端与上横梁18的上面密封固定连接，小波纹管19的上端同时与第三水管13的出口端和第四水管16的入口端连通，第三水管13的人口端与水泵7的入口端连通，第三水阀14设置在第三水管13上，第四水管16的出口端与外壳61内的蓄热热水连通，第四水阀15设置在第四水管16上，大波纹管17的下端密封固定在下横梁20上，弹簧21的一端固定在下横梁20的中间位置上，另一端固定在上横梁18下面的中间位置上，下横梁20与外壳61固定连接在一起，小波纹管19内充满热水，第五水管10的入口端与水泵7的入口端连通，第五水管10的出口端与外壳61内的热水连通；
大波纹管17的材料为导热性能较差的橡胶或PVC材质的材料制成；
套管换热器6的冷媒进口端与四通阀2的第二通口连通，四通阀2的第一通口与压缩机1的排气口连通，四通阀2的第三通口与气液分离器5的入口连通，气液分离器5的出口与压缩机1的吸气口连通，四通阀2的第四通口与风冷蒸发器3的出口连通，风冷蒸发器3的进口与节流阀4的出口连通，节流阀4的入口与套管换热器6的冷媒出口端连通。
本实施例的工作模式由制热蓄热模式、蓄热热水快速蓄热模式和除霜模式组成，具体如下：
系统运行制热蓄热模式时，第一水阀11和第二水阀63打开，三通阀62的第一出口打开，第二出口关闭，该模式由冷媒循环、采暖水循环和蓄热热水循环组成，各部分循环的工作原理如下。
冷媒循环：从压缩机1出来的高温高压气体冷媒经四通阀2进到套管换热器6中的内管和外管间隙中，自上而下流动，以逆流的方式与采暖回水进行强制对流换热，通过内管管壁把热量传给采暖回水，同时冷媒也通过外管管壁把热量传给套管换热器6周围的低温的蓄热热水，从而实现高温冷媒的冷却、冷凝和过冷，从套管换热器6出来的冷媒经节流阀4节流后变为低温低压的液体，然后进到风冷蒸发器3中吸收室外空气的热量蒸发和过热，同时蒸发器表面慢慢结霜，从风冷蒸发器3中出来的低温低压过热气体经四通阀2和气液分离器5后被压缩机1的吸气口吸入。
采暖水循环：从采暖房间出来的采暖水经第一水阀11和水泵7加压后，经第二水阀63进入到套管冷凝器中自下而上流动，被冷媒加热后的采暖水经第一水管8进到采暖房间中，把热量传给室内的空气，从而实现房间的采暖。
蓄热热水循环：蓄热热水以导热的方式吸收套管换热器6中冷媒的热量后温度逐渐升高，具体过程如下：
在上述冷媒循环过程中，默认设置大波纹管17处于压缩状态，小波纹管19处于伸张状态(大波纹管17是处于压缩还是伸张的状态主要取决于套管换热器6出水的温度是否达到了设定值)，即关闭第三水阀14和第四水阀15；
当检测到套管换热器6的出水温度低于设定值时，为了满足室内的供热需求，应该减少冷媒传给蓄热热水的热量，即控制大波纹管17处于张开的状态，控制原理如下：
打开第四水阀15，小波纹管19的热水在弹簧21的弹力和自身的压力作用下会流出小波纹管19，通过第四水管16流进套管换热器6的中间空腔中，同时小波纹管19开始收缩，大波纹管17在弹簧21的带动下开始拉伸，当小波纹管19内的热水流尽后，大波纹管17则处于完全张开的状态，小波纹管19则处于完全压缩的状态；
如图所示，当大波纹管17完全张开后，其内部将会充满蓄热热水，冷媒的热量需要依次通过外管管壁和大波纹管17才能传递给里边的热水，由于大波纹管17是由导热性能较差(即导热系数较小)的橡胶或PVC材质的材料制成，在热量传递的过程中会产生较大的热阻，所以会大大减少冷媒向蓄热热水的传热量，从而将更多的热量传给套管换热器6中的采暖热水，以保证采暖房间内的温度满足供热需求。
当检测到套管换热器6的出水温度高于设定值时，说明此时系统的制热量过剩，可以将冷媒多余的热量传给蓄热热水以满足系统除霜等其它需要，那么接下来应该控制大波纹管17处于张开的状态，控制原理如下：
打开第三水阀14，关闭第二水阀63和第四水阀15，停止采暖水循环，水泵7的出水经第三水管13进入到小波纹管19中(此时的小波纹管19处于压缩状态，大波纹管17处于张开状态)，在水压的作用下，小波纹管19开始逐渐拉伸，大波纹管17开始压缩，当小波纹管19内充满热水后，大波纹管17则处于完全压缩的状态，小波纹管19则处于完全张开的状态，如图所示，这样冷媒的热量通过外管管壁即能传递给蓄热热水，就实现了热水的蓄热。
然后打开第二水阀63，关闭第三水阀14，继续采暖水的循环。
因为系统的制热量和采暖房间所需要的供热量随着环境温度的变化而变化，所以在系统运行过程中，可通过动态的控制小波纹管19内的热水量(如图所示)来控制大波纹管17被压缩的状态，进而控制蓄热热水与套管换热器6外管管壁的接触面积来控制传热量，从而实现在保证房间供热量的同时，最大程度的利用热水进行蓄热，即实现系统制热量的合理分配。
当系统检测到风冷蒸发器3需要除霜时，首先检测蓄热热水的温度是否达到设定值(设定值可根据实际情况而定，只要保证该水温能为系统除霜提供充足的热量即可，如设定值取℃)，如果达到设定值，则系统进入除霜模式；如果没有达到设定值，则运行蓄热热水快速蓄热模式，该模式的工作原理如下：
第一水阀11关闭，第二水阀63和第五水阀12打开，三通阀62的第一出口关闭，第二出口打开，该模式由冷媒循环，采暖水循环，蓄热热水循环组成，其中冷媒循环过程与制热蓄热模式的冷媒循环过程一样，但采暖水循环和蓄热热水循环有较大不同，该模式下采暖水循环停止，蓄热热水循环工作原理如下：
控制大波纹管17处于完全压缩状态，在水泵7的抽吸下，外壳61中的蓄热热水经第五水阀12和第二水阀63，被水泵7加压后进到套管换热器6中，自下而上流动，以强制对流的方式与冷媒进行换热并且温度逐渐升高，然后经三通阀62的第二出口又回到外壳61的蓄热热水中。该过程中系统产生的热量全部用于加热蓄热热水，相对于系统的制热量，蓄热热水所需的热量较小，系统在短时间(如min)内就能将蓄热热水加热到设定值，由于停止供热时间较短，所以采暖房间内的温度并不会下降，当蓄热热水的水温达到设定值时，系统停止运行该模式，进入除霜模式，该模式的工作原理如下：
四通阀2换向，第一水阀11关闭，第二水阀63和第五水阀12打开，三通阀62的第一出口关闭，第二出口打开，该模式由冷媒循环、采暖水循环和蓄热热水循环组成，各部分循环的工作原理如下：
冷媒循环：从压缩机1出来的高温高压气体冷媒经四通阀2进到，风冷蒸发器3中，将热量传给蒸发器表面的霜使其融化，从风冷蒸发器3中出来的冷媒经节流阀4节流后，变成低温低压的液体进入到套管换热器6的内管和外管间隙中，自下而上流动，与内管里边的流动蓄热热水进行强制对流换热，同时也以导热的方式与套管换热器6表面的蓄热热水进行换热，冷媒吸收这两部分蓄热热水的热量蒸发成过热气体后经四通阀2和气液分离器5后被压缩机1的吸气口吸入。
采暖水循环：该模式下采暖水循环停止，系统停止向采暖房间供热。
蓄热热水循环：控制大波纹管17处于完全压缩状态，蓄热热水经第五水阀12，被水泵7加压后经第二水阀63进到套管换热器6的内管中，自下而上流动，以强制对流的方式与冷媒进行换热并且温度逐渐降低，然后经三通阀62的第二出口又回到外壳61中。当系统除霜结束时，系统停止运行该模式，进入制热蓄热模式。
所述外壳61内置有导热系数极低的保温材料，可以有效降低蓄热热水向周围冷空气的散热，所述保温材料可以是本领域常用的保温棉或是聚氨酯保温材料。
通过本实施例可以证明以下效果：(1)在系统制热蓄热过程中，通过控制小波纹管19里面充有的热水量来控制大波纹管17被压缩的状态来进而控制冷媒向蓄热热水的传热量，从而实现供热量和蓄热量的合理分配，而且为了保证蓄热量的充足，系统还设有蓄热热水快速蓄热模式，这样即可实现利用套管换热器达到优先制热、余热蓄热并能保证蓄热量充足的目的。(2)在系统除霜过程中，套管换热器作为蒸发器，内管和外管间隙的低温冷媒既能和内管中流动的蓄热热水强制对流换热，又能和套管换热器表面的蓄热热水进行扰动换热。因为不断的有水流入和流出蓄热热水中，会对蓄热热水产生扰动，从而增强了蓄热热水的换热效果，这样会大幅提高冷媒的蒸发温度，从而缩短除霜时间，同时可以避免除霜期间从室内吸热，保证了室内的舒适性。(3)本实施例基于换热器外部中空的特点，利用中空部分的体积充有蓄热用的热水，而且不用增加额外的水泵，仅仅是增加了几个阀门和水管道，这样即可最大限度的降低机组的占用空间和成本，和传统的逆循环除霜技术及现有的蓄热除霜技术尤其是相变蓄热除霜技术相比，无论从成本上还是效果上，优势都非常明显。(4)现有市场上小型和中型空气源热泵热水器用的冷凝器大都为套管换热器，而且在冬天制热时系统都要进行除霜操作，再结合上面本实施例的优点，所以不难想到，本实施例将具有非常广阔的市场应用前景，其相关的产品也正在开发中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.空气源热泵蓄热除霜系统，其特征在于：包括采暖水循环模块、蓄热模块、冷媒循环模块、热交换模块；
冷媒循环模块与热交换模块连接，采暖水循环模块与热交换模块连接，冷媒循环模块与采暖水循环模块通过热交换模块进行热量传递；
热交换模块设置在蓄热模块内，蓄热模块用于通过热交换模块储蓄热量；
蓄热模块中的蓄热介质包括水。
2.根据权利要求所述的空气源热泵蓄热除霜系统，其特征在于：采暖水循环模块包括第一水管(8)、第二水管(9)、第一水阀(11)、第二水阀(63)、三通阀(62)、水泵(7)；
第一水管(8)一端通过三通阀(62)与热交换模块连接，另一端与采暖房间内的换热器连通，为用户输送采暖供水；
采暖回水依次通过设置在第二水管(9)上的第一水阀(11)、水泵(7)和第二水阀(63)后回输至热交换模块。
3.根据权利要求所述的空气源热泵蓄热除霜系统，其特征在于：蓄热模块包括外壳(61)、套管换热器(6)、第三水管(13)、第三水阀(14)、第四水阀(15)、第四水管(16)、第五水阀(12)、第五水管(10)；
所述外壳(61)将套管换热器(6)仅仅包裹并密封在其里面；
套管换热器(6)包括内管和外管，内管置于外管内部，内管和外管之间存有一定间隙，套管换热器(6)上方为入口端，下方为出口端，套管换热器(6)的外部中间空腔部分充有热水；
位于入口端的内管出水口通过三通阀(62)与第一水管(8)连通，三通阀(62)的入口端与内管出水口连通，三通阀(62)的第一出水口与第一水管(8)的入口连通，三通阀(62)的第二出水口与外壳(61)内的蓄热介质连通；
采暖回水通过第二水管(9)输入至位于出口端的内管入水口；
冷媒通过位于入口端的内管和外管的间隙入口输入至热交换模块；
冷媒通过位于出口端的内管和外管的间隙出口回输至冷媒循环模块；
套管换热器(6)的中间空腔部分设置有大波纹管(17)、上横梁(18)、小波纹管(19)、下横梁(20)和弹簧(21)；
所述大波纹管(17)的上端与上横梁(18)的下面密封固定连接，小波纹管(19)的下端与上横梁(18)的上面密封固定连接，小波纹管(19)的上端同时与第三水管(13)的出口端和第四水管(16)的入口端连通，第三水管(13)的人口端与水泵(7)的入口端连通，第三水阀(14)设置在第三水管(13)上，第四水管(16)的出口端与外壳(61)内的蓄热热水连通，第四水阀(15)设置在第四水管(16)上，大波纹管(17)的下端密封固定在下横梁(20)上，弹簧(21)的一端固定在下横梁(20)的中间位置上，另一端固定在上横梁(18)的中间位置上，下横梁(20)固定外壳(61)上，小波纹管(19)内充有热水；
第五水管(10)的入口端与水泵(7)的入口端连通，第五水管(10)的出口端与热交换模块内的热水连通，
外壳(61)包括内壁和外壁，内壁和外壁之间设置有保温材料；
所述大波纹管(17)是由导热性能较差的橡胶或PVC材质的材料制成；
所述小波纹管(19)是由柔韧性较好的不锈钢橡材料制成。
4.根据权利要求所述的空气源热泵蓄热除霜系统，其特征在于：冷媒循环模块包括压缩机(1)、四通阀(2)、风冷蒸发器(3)、节流阀(4)、气液分离器(5)；
经热交换模块的内部中空部出口输送回的冷媒通过管路与节流阀(4)的入口端连接；
风冷蒸发器(3)的进口与节流阀(4)的出口连通；
风冷蒸发器(3)的出口中出来的冷媒经四通阀(2)和气液分离器(5)后被压缩机(1)的吸气口吸入；
压缩机(1)输出的冷媒经过四通阀(2)通过内部中空部入口输送至热交换模块。
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