CN115307325A - 一种储热的复叠热泵循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种储热的复叠热泵循环系统，包括复叠热泵循环和单级热泵循环，二者均有供水回路；供水回路能够向外输出热水/冷水，以实现向外部的供热水、供暖和供冷；所述的复叠热泵循环包括低温级循环系统和高温级循环系统；所述低温级循环系统和高温级循环系统通过冷凝蒸发器连接；所述的供水回路分别与蒸发器、冷凝蒸发器和储热罐连接；本发明系统既可以实现储热模式、供暖和热水模式以及制冷模式，系统结构简单，可实现三种循环方式的转换，可以实现严寒地区冬季快速供暖和热水需求以及夏季制冷。

Description

一种储热的复叠热泵循环系统
技术领域
本发明涉及热泵装置技术领域，具体是一种储热的复叠热泵循环系统。
背景技术
传统的空气源热泵不但无法在-5℃的低温环境下正常运行，往往还需要在水箱提前加热才能提供55℃以上的热水，且水的显热储存热量较低，水箱的体积较大。热泵通过电能运行，峰谷电价的价格相差很大，因此，如何提供一种可以利用低价谷电的同时不使用水箱能提高出水温度的热泵循环系统，是目前亟待解决的技术问题。
针对上述技术问题，故需要进行改进。
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储热的复叠热泵循环系统，实现冬季储热、供暖和热水以及夏季制冷。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种储热的复叠热泵循环系统，包括复叠热泵循环和单级热泵循环，二者均有供水回路；供水回路能够向外输出热水/冷水，以实现向外部的供热水、供暖和供冷。
所述的复叠热泵循环包括低温级循环系统和高温级循环系统；所述低温级循环系统和高温级循环系统通过冷凝蒸发器连接；所述的供水回路分别与蒸发器、冷凝蒸发器和储热罐连接。
作为本发明的一种优选方案，所述的冷凝蒸发器包括第一内置换热器和第二内置换热器；第一内置换热器和第二内置换热器之间连接有第五电动三通阀和第六电动三通阀；第五电动三通阀和第六电动三通阀的外侧连通有第五连接管和第六连接管，第一内置换热器的两侧分别连通有第七连接管和第八连接管；第二内置换热器的两侧分别连通有第九连接管和第十连接管。
作为本发明的一种优选方案，所述冷凝蒸发器内部的制冷剂流向由温度传感器和压力传感器控制。
作为本发明的一种优选方案，所述的制冷剂采用R134a、R410A、R407C、R417A、R404A、R507、R23、R508A、R508B和R152a新型环保制冷剂。
作为本发明的一种优选方案，所述的蒸发器、冷凝蒸发器的内置换热器为盘管式换热器或管翅式换热器或微通道换热器。
作为本发明的一种优选方案，所述的高温级循环系统包括冷凝蒸发器的第三换热通道、四通换向阀、高温级压缩机、第一电动三通阀、储热罐的第一换热通道、第四电动三通阀、第一节流阀；所述冷凝蒸发器的第三换热通道与所述高温压缩机连接，构成高温级循环系统。
作为本发明的一种优选方案，所述低温级循环系统包括依次连接的冷凝蒸发器的第四换热通道、第二节流阀、蒸发器的第一换热通道，所述冷凝蒸发器的第四换热通道与低温压缩机连接，构成低温级循环系统。
作为本发明的一种优选方案，所述单级热泵循环包括冷凝蒸发器的第二换热通道、四通换向阀、高温级压缩机、第一电动三通阀、储热罐的第一换热通道、第四电动三通阀、第一节流阀，所述冷凝蒸发器的第二换热通道与所述高温压缩机连接，构成单级热泵循环。
蒸发器的第一换热通道、冷凝蒸发器的第二换热通道、第三换热通道、第四换热通道、储热罐的第一换热通道为制冷剂通道；蒸发器第二换热通道、储热罐的第二换热通道和冷凝蒸发器的第一换热通道均为循环水通道。
蒸发器、冷凝蒸发器的内置换热器常用盘管式换热器或管翅式换热器或微通道换热器。
作为本发明的一种优选方案，所述第一节流阀和第二节流阀为开度连续可调电磁膨胀阀，用于通过控制出口过热度调节制冷剂流量。
作为本发明的一种优选方案，所述的供水回路包括连接于储热罐的第二换热通道上的第一连接管和第二连接管、连接于蒸发器第二换热通道上的第三连接管和第四连接管；第一连接管上安装有第一水泵和第三电动三通阀；第二连接管上安装有第二电动三通阀；第三连接管上安装有第二水泵。
本发明的有益效果是：
1.本发明系统既可以实现储热模式、供暖和热水模式以及制冷模式，系统结构简单，可实现三种循环方式的转换，可以实现严寒地区冬季快速供暖和热水需求以及夏季制冷。
2.本发明中的储热模式在低价谷电时间段运行，减少用电费用；
3.本发明中的冷凝蒸发器内置换热器，通过压力和温度实现复叠热泵循环储热模式和单级热泵循环储热模式的转换，简化系统结构，节约材料。
附图说明
图1为本发明梯级储热的复叠热泵系统的流程示意图；
图2为本发明中单机热泵循环制冷模式的流程示意图；
图3为本发明中冷凝蒸发器的结构示意图。
图中附图标记：冷凝蒸发器1，四通换向阀2，高温压缩机3 ，第一电动三通阀4，储热罐5，第一节流阀7，第二节流阀8，蒸发器9，低温压缩机10，第二电动三通阀11,第三电动三通阀12，第四电动三通阀13，第一内置换热器101，第二内置换热器102，第五电动三通阀103，第六电动三通阀104，第五连接管105，第六连接管106，第七连接管107，第八连接管108，第九连接管109，第十连接管110，第一连接管601，第二连接管602，第一水泵603，第三连接管901，第四连接管902，第二水泵903,压力传感器P，温度传感器T。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地 连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术 语在本发明中的具体含义。
实施例：
如1-3所示，一种梯级储热的复叠热泵系统的流程示意图，包含复叠热泵循环和单级热泵循环，二者均有梯级储热系统和供水回路。
复叠热泵循环由低温级循环系统和高温级循环系统组成；低温级循环系统和高温级循环系统通过冷凝蒸发器1连接；所述的供水回路分别与蒸发器9、冷凝蒸发器1和储热罐5连接。
冷凝蒸发器1包括第一内置换热器101和第二内置换热器102；第一内置换热器101和第二内置换热器102之间连接有第五电动三通阀103和第六电动三通阀104；第五电动三通阀103和第六电动三通阀104的外侧连通有第五连接管105和第六连接管106，第一内置换热器101的两侧分别连通有第七连接管107和第八连接管108；第二内置换热器102的两侧分别连通有第九连接管109和第十连接管110。
冷凝蒸发器1内部的制冷剂流向由温度传感器T和压力传感器P控制；具体的，制冷剂采用R134a、R410A、R407C、R417A、R404A、R507、R23、R508A、R508B和R152a新型环保制冷剂。
蒸发器9、冷凝蒸发器1的内置换热器为盘管式换热器或管翅式换热器或微通道换热器。
低温级循环系统包含冷凝蒸发器1、第二节流阀8、蒸发器9和低温压缩机10，各部件连接关系为：经连接管依次将冷凝蒸发器1第四换热通道出口与第二节流阀8入口，第二节流阀8出口与蒸发器第一换热通道入口，蒸发器第一换热通道出口与低温压缩机10入口，低温压缩机10出口与冷凝蒸发器1第四换热通道入口相连，构成低温级循环。
高温级循环系统包含冷凝蒸发器1、四通换向阀2、高温压缩机3、第一电动三通阀4、储热罐5、第一节流阀7，各部件连接关系为：经连接管依次将冷凝蒸发器1第三换热通道出口与四通换向阀连接口2A，四通换向阀连接口2D与高温压缩机入口，高温压缩机出口与四通换向阀连接口2B,四通换向阀连接口2C与第一电动三通阀4入口，第一电动三通阀4第一出口与储热罐5第一换热通道入口。
单级热泵循环包含冷凝蒸发器1、四通换向阀2、高温压缩机3、第一电动三通阀4、储热罐5、第一节流阀7，各部件连接关系为：经连接管依次将冷凝蒸发器1第第二换热通道出口与四通换向阀连接口2A，四通换向阀连接口2D与高温压缩机入口，高温压缩机出口与四通换向阀连接口2B,四通换向阀连接口2C与第一电动三通阀4入口，第一电动三通阀4第一出口与储热罐5第一换热通道入口，第一节流阀7出口与冷凝蒸发器1第二换热通道入口相连。
供水回路包括第一连接管601、第一水泵603、第三电动三通阀12、储热罐的第二换热通道、第二电动三通阀11、第二连接管602；第三连接管901、第二水泵903、蒸发器第二换热通道、第四连接管902；第九连接管109、第三水泵111、冷凝蒸发器的第一换热通道、连接管110，回路一各部件连接关系为:连接管601、第一水泵603入口、第一水泵603出口、第三电动三通阀12入口、第三电动三通阀12第一出口、储热罐的第二换热通道入口、储热罐的第二换热通道出口、第二电动三通阀第一入口、第二电动三通阀出口、连接管602依次相连；回路一并联支路：第一连接管601、第一水泵603入口、第一水泵603出口、第三电动三通阀12入口、第三电动三通阀12第二出口、第二电动三通阀11第二入口、第二电动三通阀出口、连接管602依次相连。
回路二各部件连接关系为：第九连接管109、第三水泵111入口、第三水泵111出口、冷凝蒸发器1第一换热通道入口、冷凝蒸发器1第一换热通道出口、连接管110依次相连。
回路三各部件连接关系为：第三连接管901、第二水泵903入口、第二水泵903出口、蒸发器第二换热通道入口、蒸发器第二换热通道出口、第四连接管902依次相连。
本实施例的梯级储热的复叠热泵循环系统可以实现储热模式、供暖和热水模式以及制冷模式，其中储热模式、供暖和热水两种模式是根据环境温度选择运行单级热泵循环和复叠热泵循环中的一种。
一，储热模式
单级热泵循环储热模式的工作原理：低温低压的制冷剂在冷凝蒸发器1中的第一内置换热器101从冷冻水中吸收来自空气环境的低品位热能，实现汽化吸热，通过四通换向阀2（2A与2D相连，2B与2C相连）进入高温压缩机3被压缩后变为高温高压的气体，高温气体经第一电动三通阀4进入储热罐5向三种复合相变材料放热后，通过第四电动三通阀13至第一节流阀7，制冷剂被节流后变为低温低压的液体，最后回到冷凝蒸发器1。
复叠热泵循环储热模式的工作原理：低温级循环回路中，低温低压的制冷剂在蒸发器9中吸收冷冻水中来自空气环境的低品位热能，经低温压缩机10压缩成高温高压的气体，向冷凝蒸发器1中的第二内置换热器102放热后，到第二节流阀8被节流成低温低压的液体，最后回到蒸发器9。高温级循环回路中，低温低压的制冷剂液体在冷凝蒸发器1内置换热器102中汽化吸热，吸收低温级气态制冷剂的冷凝放热，再经过四通换向阀2（2A与2D相连，2B与2C相连）进入高温压缩机3压缩成为高温高压气体，经第一电动三通阀4进入储热罐5冷凝放热，依次对三种复合相变材料进行加热，通过第一节流阀7重新变成低温低压的液体，最后回到冷凝蒸发器1。
二，供暖和热水模式
单级热泵循环供暖和热水模式的工作原理：低温低压的制冷剂在冷凝蒸发器1中的第一内置换热器101从冷冻水中吸收来自空气环境的低品位热能，实现汽化吸热，通过四通换向阀2（2A与2D相连，2B与2C相连）进入高温压缩机3被压缩后变为高温高压的气体，最后回到冷凝蒸发器1。
复叠热泵循环供暖和热水模式的工作原理：低温级循环回路中，低温低压的制冷剂在蒸发器9中吸收冷冻水中来自空气环境的低品位热能，经低温压缩机10压缩成高温高压的气体，向冷凝蒸发器1中的第二内置换热器102放热后，到第二节流阀8被节流成低温低压的液体，最后回到蒸发器9。高温级循环回路中，低温低压的制冷剂液体在冷凝蒸发器1的第二内置换热器102中汽化吸热，吸收低温级气态制冷剂的冷凝放热，再经过四通换向阀2（2A与2D相连，2B与2C相连）进入高温压缩机3压缩成为高温高压气体，最后回到冷凝蒸发器1。
循环水经第一连接管601，被第一水泵603加压后，进入储热罐5吸收储存的热量，循环水到达第二电动三通阀11，合流后经第二连接管602输送到系统末端。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：冷凝蒸发器1，四通换向阀2，高温压缩机3，第一电动三通阀4，储热罐5，第一节流阀7，第二节流阀8，蒸发器9，低温压缩机10，第二电动三通阀11,第三电动三通阀12，第四电动三通阀13，第一内置换热器101，第二内置换热器102，第五电动三通阀103，第六电动三通阀104，第五连接管105，第六连接管106，第七连接管107，第八连接管108，第九连接管109，第十连接管110，第一连接管601，第二连接管602，第一水泵603，第三连接管901，第四连接管902，第二水泵903,压力传感器P，温度传感器T等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：包括复叠热泵循环和单级热泵循环，二者均有供水回路；所述的复叠热泵循环包括低温级循环系统和高温级循环系统；所述低温级循环系统和高温级循环系统通过冷凝蒸发器（1）连接；所述的供水回路分别与蒸发器（9）、冷凝蒸发器（1）和储热罐（5）连接。
2.根据权利要求1所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述的冷凝蒸发器（1）包括第一内置换热器（101）和第二内置换热器（102）；第一内置换热器（101）和第二内置换热器（102）之间连接有第五电动三通阀（103）和第六电动三通阀（104）；第五电动三通阀（103）和第六电动三通阀（104）的外侧连通有第五连接管（105）和第六连接管（106），第一内置换热器（101）的两侧分别连通有第七连接管（107）和第八连接管（108）；第二内置换热器（102）的两侧分别连通有第九连接管（109）和第十连接管（110）。
3.根据权利要求2所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述冷凝蒸发器（1）内部的制冷剂流向由温度传感器（T）和压力传感器（P）控制。
4.根据权利要求3所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述的制冷剂采用R134a、R410A、R407C、R417A、R404A、R507、R23、R508A、R508B和R152a新型环保制冷剂。
5.根据权利要求1所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述的蒸发器（9）、冷凝蒸发器（1）的内置换热器为盘管式换热器或管翅式换热器或微通道换热器。
6.根据权利要求1所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述的高温级循环系统包括冷凝蒸发器的第三换热通道、四通换向阀（2）、高温级压缩机（3）、第一电动三通阀（3）、储热罐的第一换热通道、第四电动三通阀（13）、第一节流阀（7）；所述冷凝蒸发器的第三换热通道与所述高温压缩机（3）连接，构成高温级循环系统。
7.根据权利要求1所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述低温级循环系统包括依次连接的冷凝蒸发器的第四换热通道、第二节流阀（8）、蒸发器的第一换热通道，所述冷凝蒸发器的第四换热通道与低温压缩机（10）连接，构成低温级循环系统。
8.根据权利要求1所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述单级热泵循环包括冷凝蒸发器的第二换热通道、四通换向阀（2）、高温级压缩机（3）、第一电动三通阀（3）、储热罐的第一换热通道、第四电动三通阀（13）、第一节流阀（7），所述冷凝蒸发器的第二换热通道与所述高温压缩机（13）连接，构成单级热泵循环。
9.根据权利要求8所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述第一节流阀（7）和第二节流阀（8）为开度连续可调电磁膨胀阀，用于通过控制出口过热度调节制冷剂流量。
10.根据权利要求1所述的一种储热的复叠热泵循环系统，其特征在于：所述的供水回路包括连接于储热罐的第二换热通道上的第一连接管（601）和第二连接管（602）、连接于蒸发器第二换热通道上的第三连接管（901）和第四连接管（902）；第一连接管（601）上安装有第一水泵（603）和第三电动三通阀（12）；第二连接管（602）上安装有第二电动三通阀（11）；第三连接管（901）上安装有第二水泵（903）。
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