CN115264561A - 一种大气换热式水汽能热泵空气调节装置 - Google Patents

Abstract

一种大气换热式水汽能热泵空气调节装置，包括水汽能提纯平台、第一换热器、第二换热器、压缩机和主机节流装置，水汽能提纯平台内注入换热溶液，所述第一换热器安装在水汽能提纯平台的塔体空间内，水汽能提纯平台内设有热量传递机构，换热溶液通过热量传递机构在第一换热器上形成液膜，再与第一换热器进行热交换。本发明通过采用热量传递机构将水汽能提纯平台内的换热溶液覆盖在第一换热器的表面，形成液膜，与第一换热器进行热交换，换热溶液转移至第一换热器的过程中能吸收空气中的水汽能，达到换热效果。在制冷与制热两种不同的工况下，第一换热器可分别起到冷凝器或蒸发器的作用，从而实现冬季采暖、夏季制冷空调目的。

Description

一种大气换热式水汽能热泵空气调节装置

技术领域

本发明涉及一种空气调节装置，特别是涉及大气换热式水汽能热泵空气调节装置。

背景技术

碳达峰碳中和任务极其艰巨，这是关乎人类命运和人类社会可持续发展的重大任务，然而，建筑能耗是我国社会能耗总量46.7%，而能耗大户采暖又间接占了整个社会总能耗的20%以上了，这又如何把减碳最为关键采暖行列构建起新能源体系呢，并完全替代传统的以化石矿物能源的各式锅炉采暖，或是把能量转换方式的电热采暖转变为能量转移的热泵方式，这是可以大幅减少二氧化碳温室气体排放的。而大力推广水汽能热泵用以采暖是一个很好的技术研究方向，因为它不属于能量转换方式，而是以能量转移方式为主的采暖新技术方案，是把蕴含量极为丰富的空气中低温水汽能转变为可资利用的采暖用热能，同时还可以实现高效制冷空调，是可以助力碳达峰碳中和最佳技术标的。

大力开展热泵新技术研究，使热泵采暖变得经济实惠，不管在什么环境下都能够显现其极高利用价值。目前地源热泵与水源热泵都会受到地理条件及相关设备成本极大的限制，而空气能热泵又受困于化霜难题及极寒天气采暖温度不到位，它们很难在高纬度地域得到普及应用与推广。为此，科技工作者经过多年不懈努力发明了热源塔热泵，虽然解决了化霜的难题，却囿于其防冻液冰点温度上移出现冻管的困惑，冻管会造成换热器设备被毁坏，从而造成巨大的经济损失，同样也存在极寒天气情况下采暖温度不够的情况，还有防冻液流失污染水土等诸多不利的因素的制约。当前多联机组及模块机组制热工况下于冬季湿度相对较大时往往会陷入化霜的陷阱之中，会出现较长的工作时间用于化霜，而制热时间就会相对缩短许多，从而形成化霜恶性循环而导致采暖温度不够的窘境，使得户体验极为不爽。

除非异常天气外，一般情况下空气中水汽含量是0.003%~4%之间，虽然空气中水汽含量相对较少，但在空气中所蕴含热能占比非常高，可占到空气能99%以上。若在环境温度40℃情况下，相对湿度为100%时，其水汽质量会占空气质量比例可达3.94%左右。若环境温度越高其占比还会更大。下面我们可以通过计算，看几个不同温度和不同相对湿度情况下所含水汽潜热量及占比情况，从而分析出水汽能占整个空气能比例有多少：因为空气的密度ρ=1.29Kg/m³，空气的比热容c=1.003J/(kg•K)。那么，根据热量公式Q=cm△t可得，一立方空气温升一度需要的热量Q就是：

Q=1.003J/(kg•K)×1.29Kg/m³×1m³1K=1.29387J。

因为：1卡＝1千卡＝4.18千焦（kJ）。

所以1.29387J=0.3095卡≈0.00031大卡。一立方空气温升一度需要0.0003大卡热量，那么升高10℃就需要0.003大卡热量，反之降低10℃就不是释放0.003大卡热量了，因为空气中含有水汽，在降温过程中空气中会有部分水汽凝结并释放出潜热来，空气升温就不存在水汽被凝结的情况了，所以往往计算空气升温与降温同等幅度其热量会有很大的差异。然而，每立方空气中水汽含量又是多少呢，可以通过相对湿度与绝对含湿量对照表查到不同温度情况下、在不同相对湿度下其绝对含湿量为多少可以计算出其降温应该释放多少潜热。在温度20℃降至10℃时，假若相对湿度均为饱和水汽，那么20℃含湿量为17.27g/㎥，10℃的含湿量为9.36g/㎥，则每立方空气就会凝结出水=17.27-9.36=7.91g水，这部分水释放出潜热量=7.91×0.001×537=4.247kcai大卡热量，相比空气降温10度每立方只有0.003大卡显热的1415倍释放量了，这个水汽能潜热比例明显比空气显热强许多啊。但是环境温度越低每立方空气水汽绝对含湿量就越少，且降温幅度越小释放水汽潜热也就越少。我们再来看空气中零度情况下饱和水汽每立方含量仅仅只有4.85g了，若只是降低5℃，那么释放潜热=（4.8-3.4）×587×0.001=0.8218大卡，相比空气同等体积显热仍然存在548倍的优势，这都是在饱和水汽情况下计算出来的结果。假若比较干燥的北方其相对湿度只有30%的情况下，把空气温度从-10℃降至-15℃能够获得水汽潜热吗，从相对湿度与绝对含湿量对照表查到30%的相对湿度在-10℃和-15℃时其绝对含湿量分别是0.7g/㎥和0.5g/㎥，而相对湿度30%时-10℃水汽露点温度却是-22℃，显然，其温度降幅须要超过12℃以上才会有水汽潜热释放出来，温度降幅过大会极大影响机组运行效率的，这是需要权衡利弊的。像我国四川盆地年平均相对湿度为70～80％，北京全年平均62%，在冬季降温5℃~8℃以上便会有水汽潜热释放出来。那么按照北方冬季空气相对湿度60%计算吧，若从-10℃空气中获取水汽潜热须要把空气降至-15℃以下才会有凝结水的潜热获得，因此在北方冬季需要降温10℃才会有较多的水汽潜热，我们计算一下相对湿度60%每立方空气从-10℃降至-20℃的潜热，首先我们查到-10℃相对湿度60%的绝对含湿量是1.4g/㎥，而-20℃饱和水汽的绝对含湿量是0.9g/㎥，那么（1.4－0.9）×0.001×593=0.2965大卡，这比空气降温10℃显热为0.003大卡还要高出98倍以上。显然，空气释放出来的显热还不到同等体积空气中相对湿度为60%的水汽所释放的潜热2%。这充分说明了空气源热泵差不多都是以获取水汽潜热能为主，其空气显热完全是可以忽略不计的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种旨在最大化利用空气中的水汽能的浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种大气换热式水汽能空气调节装置，包括水汽能提纯平台、第一换热器、第二换热器、压缩机和主机节流装置，所述水汽能提纯平台内注入换热溶液，所述第一换热器安装在水汽能提纯平台的塔体空间内，所述水汽能提纯平台内设有热量传递机构，所述换热溶液通过热量传递机构在第一换热器上形成液膜，再与第一换热器进行热交换。

进一步，所述热量传递机构包括喷淋管道和喷淋循环泵，所述喷淋循环泵的一端与水汽能提纯平台的底部连接，所述喷淋循环泵的另一端与喷淋管道连接，所述喷淋循环泵不断把换热溶液通过喷淋管道喷淋至第一换热器的翅片上，在第一换热器的表面形成液膜。

进一步，所述水汽能提纯平台内设有热管，所述热管的一端暴露于第一换热器的周围，所述热管的另一端插入换热溶液中。

进一步，所述第一换热器、第二换热器连接的管道上设有冷媒切换阀，所述冷媒切换阀用于对第一换热器进行蒸发与冷凝的相互转换和用于对第二换热器进行蒸发与冷凝的相互转换。

进一步，所述冷媒切换阀采用两个以上的四通阀并联组成，或采用多个电动角阀串、并联构成。

进一步，所述第一换热器为一个整体换热器，或为多个串联的换热器组合，或为多个并联的换热器组合，或为串并联混和的换热器组合。

进一步，所述水汽能提纯平台的顶部设有轴流风扇，所述水汽能提纯平台的两侧设有塔体进风口。

进一步，所述第一换热器的翅片设置方向与空气的流动方向或与换热溶液的滴入方向一致。

进一步，所述水汽能提纯平台的上部空间设有填料支架，并在填料支架上装满散热填料用以降膜换热。

进一步，所述水汽能提纯平台的底部设有隔音板，所述水汽能提纯平台的内壁设有消音器及吸音装置。

进一步，所述热管为非重力虹吸方式实现热力循环，其布列采用垂直错列交替方式来与空气进行热量交换。

进一步，所述水汽能提纯平台的塔底为托液盘，所述托液盘包括外托液盘和内托液盘，所述外托液盘和内托液盘通过隔板隔开，所述热管是插入外托液盘的换热溶液内，内托液盘与外托液盘通过管道联通，并采用溶液循环泵来加强内外托液盘溶液之间的循环。

进一步，所述喷淋管道上设有若干个喷淋头。

本发明通过将空气调节装置系统中的第一换热器安装在水汽能提纯平台的塔体空间中，同时采用了热量传递机构将水汽能提纯平台内的换热溶液覆盖在第一换热器的表面，形成液膜，与第一换热器进行热交换，换热溶液转移至第一换热器的过程中能吸收空气中的水汽能，达到换热效果。在制冷与制热两种不同的工况下，第一换热器可分别起到冷凝器或蒸发器的作用，从而实现冬季采暖、夏季制冷空调目的。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例包括水汽能提纯平台18、轴流风扇1、喷淋管道2、塔体进风口3、第一换热器4、主机节流装置5、喷淋循环泵6、主机压缩机7、四通阀8、用户末端循环泵9、第二换热器10、塔体空间11。

水汽能提纯平台的底部为托液盘19，托液盘19内注入换热溶液17，所述第一换热器4设置在塔体空间11内，塔体空间11为换热溶液17的上方区域，第一换热器4为翅片管换热器，第一换热器4不局限于本实施例中所采用的两组翅片管换热器并联形式。

所述第一换热器4、第二换热器10连接的管道上设有冷媒切换阀，所述冷媒切换阀用于对第一换热器4进行蒸发与冷凝的相互转换和用于对第二换热器10进行蒸发与冷凝的相互转换。本实施例中的冷媒切换阀为两个并联的四通阀8，冷媒切换阀可以采用电动角阀或其它气密性优良的电动阀代替。这种以冷媒切换方式来转换制冷与制热工况方式要优于水路切换方式，而不会发生难以预测的管控溶液流体的阀门出现渗漏情况，导致防冻液浓度扩散至温度尚高的冷凝系统里去，并出现腐蚀相关设备或结垢的情况。

在冬季制热工况下，换热溶液17为防冻液溶液，通过四通阀8切换可使置于塔体空间11里的第一换热器4成为蒸发器，那么第二换热器10便成为冷凝器，而第一换热器4不断吸收其翅片上换热溶液17的潜热，并使换热溶液17的温度降至比空气温度低3℃～10℃，空气掠过第一换热器4表面的液膜便会把空气中水汽潜热释放给换热溶液17，再通过换热溶液17传递给第一换热器4内部的制冷剂，这比蒸发器内制冷剂直接与蒸发器外部空气换热要强许多，因为换热溶液17直接吸收空气潜热要比换热器管壁强多了，且换热溶液17具有较强的吸收水汽能力，而换热溶液17传递热量给制冷剂也要比空气强多了，换热溶液的换热系数是空气的几十倍，再加上翅片换热面积的拓展更是加强了其换热能力。

喷淋循环泵6会不断把水汽能提纯平台18内的换热溶液18通过喷淋管2降膜于换热器4的翅片上，以实现吸收空气中的水汽潜热与空气的显热。水汽能提纯平台18的顶部风筒里所设置的轴流风扇1会将空气通过塔体进风口3吸入水汽能提纯平台18内，并且把已进行热量交换被降温后的空气排入到大气中，换热溶液17在与空气交换热量过程中会促使空气中水汽释放潜热给防冻液，使得防冻液溶液温度提高3℃～10℃，就这样周而复始地不断吸收空气中水汽潜热，并通过主机压缩机7把制冷剂吸收而来的潜热转移到第二换热器10（冷凝器）里，而第二换热器10非制冷剂侧的暖媒水吸收制冷剂潜热后被用户末端循环泵9把含有采暖温度热量的流体输送至各用户风机盘管末端，释放潜热的制冷剂被冷凝成液态制冷剂后经过主机节流装置5又重新返回到第一换热器4（蒸发器），和其外部防冻液进行热量交换。

本实施例所具备优势在于结构紧凑，占用空间少，缩短与空气换热介质循环里程，相应可减少管道阻力，降低循环泵功率，增强制冷剂与防冻液热量交换能力，导致防冻液与环境温度的温差变大，防冻液温度越低就越有利于吸收空气中水汽的潜热。

在夏季制冷工况下，换热溶液17为冷却水，电子冷媒切换阀将塔体空间11中的第一换热器4变为冷凝器，而第二换热器10变为蒸发器，冷却水降膜在第一换热器4的翅片上，其冷却效果更佳，更容易使冷凝器逼近环境湿球温度附近，降温效果越好意味着制冷效率越高，可以获得更高能效比。

本实施例中的第一换热器4优选翅片管换热器，且翅片布置方向须与空气的流动方向和换热溶液17的滴入方向保持一致，以减少流体阻力，并获得良好的换热效果，比之管壳式换热器内的换热管所设置的螺旋沟槽来说翅片所拓展的换热面积要大百倍以上，其换热扰动性也不弱于沟槽，翅片间隙横截总面积很大，那么流体阻力相对会较小，并可提升其流量来增大换热量 。而管壳式换热器提升流量靠流速来实现会导致换热器使用寿命缩短，考虑防冻液会有一定腐蚀作用，且第一换热器4容易暴露在空气中会遭受腐蚀，所以第一换热器4的外部壁面可涂覆防腐和阻垢的相关涂料，如石墨烯材料等，还可以增强其导热能力。

实施例2：

如图2所示，本实施例中，第一换热器4的两边或四周安装有热管或超导热管12，利用超导热管12来平衡托液盘19中换热溶液17与环境空气温度，实现空气热量转移至换热溶液17中，可极大地实现托液盘19内换热溶液的出口温度与环境空气温度接近。

本实施例采用了四个串、并联混合的电动角阀作为冷媒切换阀（当然也可以采用其它的电动阀，如四通阀）。通过四个电动角阀的开或闭来实现系统制热与制冷工况的切换。包括第一电动角阀13、第二电动角阀14、第三电动角阀15、第四电动角阀16。

在制热工况运行情况下，第一电动角阀13与第三电动角阀15是关闭的，而第二电动角阀14和第四电动角阀16是打开的，此时第二换热器10便是冷凝器，第一换热器4就成为蒸发器。若是制冷运行工况下，第一电动角阀13与第三电动角阀15是打开的，而第二电动角阀14和第四电动角阀16便是关闭的。

本实施例2与实施例1的制冷剂热力循环一样都是在主机压缩机7、第一换热器4、主机节流装置、第二换热器10之间进行的，并构成制冷剂闭式循环系统。

本实施例采用了超导热管12来快速传递空气与换热溶液17之间的热量，超导热管12通过固定支架安装在第一换热器4的两边或四周，在冬季制热工况下，超导热管12插入换热溶液17内的为冷凝段，超导热管12与空气接触的是蒸发段。在夏季制冷工况则相反，超导热管12插入换热溶液17内的为蒸发段，超导热管12与空气进行热量交换的便是冷凝段。

超导热管12的内部填充有超导介质，可在相对真空环境下实现冷凝与蒸发相变循环，采用了非重力的虹吸原理来实现超导介质热力循环，所以其两端是可以根据温度高低来置放的，由于超导热管12热量传导速度快，温差反应灵敏可达0.1 ℃，热流密度很大，可以实现换热溶液（或冷却水）温度趋近环境的空气温度。超导热管12吸收了空气中水汽潜热后，与换热溶液17（防冻液溶液或冷却水）进行热交换，然后通过喷淋循环泵6和喷淋管道2将换热溶液降膜于换热器4翅片上，可极大提高蒸发器的温度及压力（或降低冷凝器温度及压力），那么会使冷凝器与蒸发器间压缩比降低许多，从而达到提高其能效比的目的，本实施例相当于复叠热泵，只是初级循环没有压缩机参与，超导热管12就是初级热力内循环系统。

实施例3：

如图3所示，本实施例是基于实施例1及实施例2，采取模块化组合方式来实现用户的增容，每个塔体空间11内的第一换热器4并联后再串联于主机循环系统，该实施例不局限于3组水汽能提纯平台的组合。

水汽能提纯平台18的下部围壁须采用隔音板或具有吸音材料的板材，或在围壁内设置消音器，虽然实施例图没有绘制和标注隔音部件并不代表没有，是一般技术员都可以领会到的。还有实施例图虽然没有绘制出溶液浓缩装置并不代表没有，防冻液储存容积虽然没有绘制出来并不代表没有。

本发明通过改变水汽能提纯平台18内换热器的布局，以缩短换热介质循环里程为目的来减少流体的阻力，这体现与现有的可制热同时又能制冷各类相关设备的不同之处，也是具有很大技术上的优势，其优势在于以下六点：

1、结构紧凑，减少空间占用；

2、无需建设主机设备机房，可减少总投资费用；

3、增强与空气换热能力，喷淋循环泵功率要比冷却循环泵功率减少40%以上，使系统能效比有所增强；

4、采用翅片管蒸发器降膜换热，可完全百分之百杜绝冻管事件的发生；

5、不存在水路切换阀门渗漏而导致防冻液浓度扩散至高温循环系统设备里，所以冷媒切换没有了防冻液腐蚀设备之虞，

6、采用超导热管实现溶液温度可以非常趋近环境空气温度，可使蒸发器温度及压力得到提高（同样也可以使冷凝器温度及压力降低），有利于系统能效比大幅提升。

从现有成熟的空气源复叠热泵与传统的空气源热泵机组比较来看，它们会各有自己的优势，首先空气源复叠热泵投资费用肯定要高于传统空气能热泵，可是传统空气能热泵无法应对极低温环境运行，而复叠热泵则不然，当环境温度为零度时，复叠热泵能效比还能够达到5.0，其系统能效比还有3.11，在同一工况下传统空气能热泵的能效比只有2.5，其能效比相比传统热泵增加了24.4%，其应用温度范围得到了明显扩大，而传统空气能热泵在环境温度低于-10℃时一般是无法正常运行，除非是降低出水温度，这样很难达到采暖温度需求。空气源复叠热泵一般情况下会比传统空气能热泵能效比提高24.4%，但是环境温度超过10℃时这种节能优势不具备了，反而传统空气能热泵还要稍微强一些，这就是复叠热泵比较困惑的地方，因此采用超导热管代替复叠热泵低温级循环，不仅会降低成本，也不会存在这种困惑，超导热管作为低温级热力循环不仅具有复叠热泵之优势，还能化解这一困惑，那么水汽能吸收平台内托液盘就相当于复叠热泵的中间换热器了。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (12)

1.一种大气换热式水汽能热泵空气调节装置，包括水汽能提纯平台、第一换热器、第二换热器、压缩机和主机节流装置，其特征在于：所述水汽能提纯平台内注入换热溶液，所述第一换热器安装在水汽能提纯平台的塔体空间内，所述水汽能提纯平台内设有热量传递机构，所述换热溶液通过热量传递机构在第一换热器上形成液膜，再与第一换热器进行热交换。

2.根据权利要求1所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述热量传递机构包括喷淋管道和喷淋循环泵，所述喷淋循环泵的一端与水汽能提纯平台的底部连接，所述喷淋循环泵的另一端与喷淋管道连接，所述换热溶液通过喷淋循环泵及喷淋管道喷淋至第一换热器的翅片上，在第一换热器的表面形成液膜。

3.根据权利要求1所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述水汽能提纯平台内设有热管，所述热管的一端暴露于第一换热器的周围，所述热管的另一端插入换热溶液中。

4.根据权利要求1所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述第一换热器、第二换热器连接的管道上设有冷媒切换阀，所述冷媒切换阀用于对第一换热器进行蒸发与冷凝的相互转换和用于对第二换热器进行蒸发与冷凝的相互转换。

5.根据权利要求4所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：冷媒切换阀采用两个以上的四通阀并联组成，或采用多个电动角阀串、并联构成。

6.根据权利要求1所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述第一换热器为一个整体换热器，或为多个串联的换热器组合，或为多个并联的换热器组合，或为串并联混和的换热器组合。

7.根据权利要求1所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述水汽能提纯平台的顶部设有轴流风扇，所述水汽能提纯平台的两侧设有塔体进风口。

8.根据权利要求7所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述第一换热器的翅片设置方向与空气的流动方向或与换热溶液的滴入方向一致。

9.根据权利要求1所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述水汽能提纯平台的上部空间设有填料支架，并在填料支架上装满散热填料用以降膜换热。

10.根据权利要求1所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述水汽能提纯平台的底部设有隔音板，所述水汽能提纯平台的内壁设有消音器及吸音装置。

11.根据权利要求3所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述热管为非重力虹吸方式实现热力循环，其布列采用垂直错列交替方式来与空气进行热量交换。

12.根据权利要求3所述的大气换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述喷淋管道上设有若干个喷淋头。

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