CN116182430A - 一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统及运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统及运行控制方法，包括变频压缩机、室外翅片换热器、分配器、生活热水侧换热器、换热缓冲一体式水箱和嵌套式锥形盘管换热器。本发明在压缩机排气过热段增加了生活热水侧换热器，制备生活热水，实现了将生活热水供给和冷暖供给集成到一个系统，在供冷和暖的同时，免费供生活热水，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及热泵产品设计和运行控制领域，具体是一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统及运行控制方法。
背景技术
随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，发展可再生能源为主的低碳能源成为我国实现能源可持续发展的必由之路。空气源热泵技术作为可替代燃煤等传统供热或热水形式，有效降低能源消耗，减少碳排放，具有广阔的应用空间和价值。
目前，空气源热泵产品多是以满足供暖兼顾夏季制冷为目的，而对有生活热水供给需求的用户多是采用燃气热水机、电热水器或空气源热泵热水器，导致户内设备繁多控制复杂。在我国南北方有持续供暖需求，但对热水供给需求则是不连续的，导致家电市场极少有集成供暖季和生活热水于一体功能的产品。
因此，开发一种供生活热水和热一体的新型空气源热泵系统是非常有必要的，以助力空热泵企业产品升级，推动空气源热泵技术的高效应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统及运行控制方法，来解决实际使用中，遇到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统，包括变频压缩机、室外翅片换热器、分配器、生活热水侧换热器、换热缓冲一体式水箱和嵌套式锥形盘管换热器，所述换热缓冲一体式水箱的内部固定连接有嵌套式锥形盘管换热器，换热缓冲一体式水箱的一端与供暖侧变频水泵的输出端固定连接，供暖侧变频水泵的输入端和换热缓冲一体式水箱的另一端均与外部的供暖空调两端连接，从而形成供暖回路，嵌套式锥形盘管换热器的输入端与分配器的输出端固定连接，嵌套式锥形盘管换热器的输出端与四通换向阀的第一端口连接，分配器的输入端与节流装置的输出端固定连接，节流装置的输入端与室外翅片换热器的一端固定连接，室外翅片换热器的另一端与四通换向阀的第二端口连接，四通换向阀的第三端口与变频压缩机的输入端固定连接，变频压缩机的输出端与生活热水侧换热器的一端连接，生活热水侧换热器的另一端与四通换向阀的第四端口固定连接，生活热水侧换热器的内部固定连接有换热管路，换热管路的一端与供生活热水侧变频水泵输出端固定连接，供生活热水侧变频水泵的输入端生活热水的供水管路进水端连接，换热管路的另一端均与生活热水的供水管路的供水端连接。
优选的：所述室外翅片换热器上还固定连接有室外风机，通过室外风机提高室外翅片换热器的换热效果。
优选的：所述嵌套式锥形盘管换热器由多个互不相通的锥形盘管构成，锥形盘管的一端均与分配器的输出端固定连接，锥形盘管的另一端均与四通换向阀的第一端口连接，通过分配器的设置，对每个锥形盘管的流量进行控制，从而实现换热的缓冲性，提高换热效率。
优选的：所述锥形盘管顶部采用金属材料进行密封。
一种供热和生活热水一体的新型空气源热泵系统及运行控制方法，包括如下过程：在冬天供热时，空气源热泵的制冷剂流向为从变频压缩机--生活热水侧换热器--四通换向阀--嵌套式锥形盘管换热器—分配器--节流装置--室外翅片换热器--四通换向阀--变频压缩机，供暖侧变频水泵处于工作状态，此时，空气源热泵从室外翅片换热器处吸热，并将热量通过嵌套式锥形盘管换热器和生活热水侧换热器处放出，同时实现供暖和生活热水的供应，另外，通过嵌套式锥形盘管换热器的设置，并配合分配器的工作，实现换热缓冲一体式水箱中的换热缓冲功能，不仅提高了换热效率，而且避免了系统再安装缓冲水箱，降低了系统成本；夏天时，主要是供生活热水和供冷冻水，调整四通换向阀，使空气源热泵的制冷剂流向为从从变频压缩机--生活热水侧换热器--四通换向阀--室外翅片换热器--节流装置--分配器--嵌套式锥形盘管换热器—四通换向阀--变频压缩机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）在压缩机排气过热段增加了生活热水侧换热器，制备生活热水，实现了将生活热水供给和暖供给集成到一个系统，同时供生活热水和暖供给，实用性强；
（2）颠覆性地采用全新的换热缓冲一体式水箱替代常规换热器，提高了换热效率，同时具备一定的缓冲作用，避免了系统再安装缓冲水箱，降低了系统成本，且系统稳定性更好。
附图说明
图1是本发明的系统原理图。
如图所示：1、变频压缩机；2、室外翅片换热器；3、室外风机；4、节流装置；5、分配器；6、生活热水侧换热器；7、四通换向阀；8、换热缓冲一体式水箱；9、嵌套式锥形盘管换热器；10、供生活热水侧变频水泵；11、供暖侧变频水泵。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1，本发明实施例中，一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统，包括变频压缩机1、室外翅片换热器2、分配器5、生活热水侧换热器6、换热缓冲一体式水箱8和嵌套式锥形盘管换热器9，所述换热缓冲一体式水箱8的内部固定连接有嵌套式锥形盘管换热器9，换热缓冲一体式水箱8的一端与供暖侧变频水泵的输出端固定连接，供暖侧变频水泵的输入端和换热缓冲一体式水箱8的另一端均与外部的供暖空调两端连接，从而形成供暖回路，嵌套式锥形盘管换热器9的输入端与分配器5的输出端固定连接，嵌套式锥形盘管换热器9的输出端与四通换向阀7的第一端口连接，分配器5的输入端与节流装置4的输出端固定连接，节流装置4的输入端与室外翅片换热器2的一端固定连接，室外翅片换热器2的另一端与四通换向阀7的第二端口连接，四通换向阀7的第三端口与变频压缩机1的输入端固定连接，变频压缩机1的输出端与生活热水侧换热器6的一端连接，生活热水侧换热器6的另一端与四通换向阀7的第四端口固定连接，生活热水侧换热器6的内部固定连接有换热管路，换热管路的一端与供生活热水侧变频水泵10输出端固定连接，供生活热水侧变频水泵10的输入端生活热水的供水管路进水端连接，换热管路的另一端均与生活热水的供水管路的供水端连接。
所述室外翅片换热器2上还固定连接有室外风机3，通过室外风机3提高室外翅片换热器2的换热效果。
所述嵌套式锥形盘管换热器9由多个互不相通的锥形盘管构成，锥形盘管的一端均与分配器5的输出端固定连接，锥形盘管的另一端均与四通换向阀7的第一端口连接，通过分配器5的设置，对每个锥形盘管的流量进行控制，从而实现换热的缓冲性，提高换热效率。
所述锥形盘管顶部采用金属材料进行密封。
本发明的运行控制方法如下：在冬天供热时，空气源热泵的制冷剂流向为从变频压缩机1--生活热水侧换热器6--四通换向阀7--嵌套式锥形盘管换热器9 --分配器5--节流装置4--室外翅片换热器2--四通换向阀7--从变频压缩机1，供暖侧变频水泵11处于工作状态，此时，空气源热泵从室外翅片换热器2处吸热，并将热量通过嵌套式锥形盘管换热器9和生活热水侧换热器6处放出，同时实现供暖和生活热水的供应，另外，通过嵌套式锥形盘管换热器9的设置，并配合分配器5的工作，实现换热缓冲一体式水箱8中的换热缓冲功能，不仅提高了换热效率，而且避免了系统再安装缓冲水箱，降低了系统成本；
夏天时，主要是对生活热水和冷冻水进行供应，调整四通换向阀7，使空气源热泵的制冷剂流向为从从变频压缩机1--生活热水侧换热器6--四通换向阀7--室外翅片换热器2--节流装置4 --分配器5--嵌套式锥形盘管换热器9--四通换向阀7--从变频压缩机1，使空气源热泵在生活热水侧换热器6处放热，嵌套式锥形盘管换热器9释放冷量。
本发明嵌套式锥形盘管换热器9的具体设计选型方法如下：
第一步，根据机组制热能力Q，按照公式Q=KFΔT，计算出锥形盘管的总换热面积F。式中，K为换热盘管传热系数，ΔT为对数换热温差。
第二步，根据制冷剂管的直径r，按照公式L=F/2πr，计算出换热器内制冷剂管总长度L。
第三步，考虑供暖系统规模和水温，按照公式V=0.009×T×Vs/1000（单位：m3），计算出缓冲水箱容积V，以及水箱直径R及高度H。式中，T为最大的水温改变值，冷水时取15oC，热水时取45oC；Vs为系统内的水容量m3，即体系中管道和设备内总容水量。
第四步，取水箱直径作为锥形盘管底部圆面的直径R1，螺旋间距d，按照相邻两个螺旋直径差（R1-Rx）/[(H-D)/(r+d)]，可以计算每一螺旋盘管直径，进而完成锥形螺旋盘管的盘制。式中，x为顶部盘管，D为盘管顶部到水箱顶部的预留高度（一般可取5~20cm）。
第五步，按照公式L0=∑πRi，i取值范围为[1，x]，计算出单个锥形盘管换长度L0，进而根据总长度L计算出需要的锥形盘管嵌套数量N。
下面以额定制热能力12kW的空气源热泵机组为例，详细描述该部件的设计：
（1）设定热泵机组制热能力Q为12kW，按照公式Q=KFΔT，计算出锥形盘管的总换热面积F为53 m2。式中，K为换热盘管传热系数，取值45W/(m2·oC)，ΔT为对数换热温差，取值5oC。
（2）取制冷剂管的直径r为10mm，按照公式L=F/πr，计算出换热器内制冷剂管总长度L为168m。
（3）考虑供暖系统规模和水温，按照公式V=0.009×T×Vs/1000（单位：m3），计算出缓冲水箱容积V为0.04m3。式中，T为最大的水温改变值，取值45oC；Vs为系统内的水容量m3，取值100m3。取水箱直径R为0.3m，计算得到水箱高度H为0.6m。
（4）取水箱直径作为锥形盘管底部圆面的直径R1，即0.3m，Rx为锥形盘管上部圆面直径取值为0.1m，螺旋间距d取值为5mm，按照相邻两个螺旋直径差（R1-Rx）/ [(H-D)/(r+d)]，可以计算每一螺旋盘管直径，进而完成锥形螺旋盘管的盘制。式中，x为自底部盘管第x个盘管，本案例x=37，D为盘管顶部到水箱顶部的预留高度，取值5cm。
（5）按照公式L0=∑πRi，i取值范围为[1,37]，计算出单个锥形盘管换长度L0约为21m，进而根据总长度L计算出需要的锥形盘管嵌套数量N为3个。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (5)
1.一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统，其特征在于，包括变频压缩机（1）、室外翅片换热器（2）、分配器（5）、生活热水侧换热器（6）、换热缓冲一体式水箱（8）和嵌套式锥形盘管换热器（9），所述换热缓冲一体式水箱（8）的内部固定连接有嵌套式锥形盘管换热器（9），换热缓冲一体式水箱（8）的一端与供暖侧变频水泵的输出端固定连接，供暖侧变频水泵的输入端和换热缓冲一体式水箱（8）的另一端均与外部的供暖空调两端连接，从而形成供暖回路，嵌套式锥形盘管换热器（9）的输入端与分配器（5）的输出端固定连接，嵌套式锥形盘管换热器（9）的输出端与四通换向阀（7）的第一端口连接，分配器（5）的输入端与节流装置（4）的输出端固定连接，节流装置（4）的输入端与室外翅片换热器（2）的一端固定连接，室外翅片换热器（2）的另一端与四通换向阀（7）的第二端口连接，四通换向阀（7）的第三端口与变频压缩机（1）的输入端固定连接，变频压缩机（1）的输出端与生活热水侧换热器（6）的一端连接，生活热水侧换热器（6）的另一端与四通换向阀（7）的第四端口固定连接，生活热水侧换热器（6）的内部固定连接有换热管路，换热管路的一端与供生活热水侧变频水泵（10）输出端固定连接，供生活热水侧变频水泵（10）的输入端生活热水的供水管路进水端连接，换热管路的另一端均与生活热水的供水管路的供水端连接。
2.根据权利要求1所述的一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统，其特征在于，所述室外翅片换热器（2）上还固定连接有室外风机（3）。
3.根据权利要求1所述的一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统，其特征在于，所述嵌套式锥形盘管换热器（9）由多个互不相通的锥形盘管构成，锥形盘管的一端均与分配器（5）的输出端固定连接，锥形盘管的另一端均与四通换向阀（7）的第一端口连接。
4.根据权利要求3所述的一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统，其特征在于，所述锥形盘管顶部采用金属材料进行密封。
5.一种供冷/热和生活热水一体的新型空气源热泵系统及运行控制方法，包括如下过程：在冬天供热时，空气源热泵的制冷剂流向为从变频压缩机（1）--生活热水侧换热器（6）--四通换向阀（7）--室外翅片换热器（2）--节流装置（4）--分配器（5）--嵌套式锥形盘管换热器（9）--四通换向阀（7）--从变频压缩机（1），供暖侧变频水泵（11）处于工作状态，此时，空气源热泵从室外翅片换热器（2）处吸热，并将热量通过嵌套式锥形盘管换热器（9）和生活热水侧换热器（6）处放出；夏天时，主要是对生活热水和冷冻水进行供应，调整四通换向阀（7），使空气源热泵的制冷剂流向为从从变频压缩机（1）--生活热水侧换热器（6）--四通换向阀（7）--室外翅片换热器（2）--节流装置（4） --分配器（5）--嵌套式锥形盘管换热器（9）--四通换向阀（7）--从变频压缩机（1），使空气源热泵在生活热水侧换热器（6）处放热，嵌套式锥形盘管换热器（9）释放冷量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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