CN1425888A

CN1425888A - 一种直接蒸发式蓄能热泵空调装置

Info

Publication number: CN1425888A
Application number: CN 03100609
Authority: CN
Inventors: 李先庭; 赵彬; 吕晓艳; 杜恩杰; 王宝龙; 赵庆珠; 田长青; 石文星
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: CN1176338C

Abstract

一种直接蒸发式蓄能热泵空调装置，它是由压缩机、四通阀、风冷换热器、高压贮液器、单向阀、节流机构、气液分离器、闭式蓄能槽、盘管换热器构成的室外机组和由空调末端、水泵构成的空调水回路组成。外融冰蓄能槽的出口直接与空调末端相连，无需制冷剂/水换热器；根据四通阀与水泵的不同状态，具有蓄冰、冰槽融冰供冷、冷机与冰槽边蓄边供供冷、冷机蓄热、冷机供热五种运行模式。该装置具有结构简单、紧凑、成本低廉及运行可靠性高的显著特点，特别适合于中、小型蓄能中央空调系统。

Description

一种直接蒸发式蓄能热泵空调装置

技术领域

本发明属于蓄能热泵空调技术领域，特别涉及一种直接蒸发式蓄能热泵空调装置的结构设计。

背景技术

热泵空调装置作为住宅用供冷/供热设备近年来得到广泛应用，特别是风冷热泵式冷热水机组应用更为普遍。然而在现有风冷热泵式冷热水机组中制冷剂与空调水进行能量交换的设备普遍采用板式换热器和/或套管式换热器，其结构决定了空调水系统中水的充注量较少，导致低空调负荷时，机组出现频繁启/停，严重威胁压缩机的使用寿命；冬季热泵除霜需要从空调水中取热，空调末端吹出冷风，严重影响室内舒适性；此外，机组开启后，需要较长时间对空调水进行冷却/加热，空调系统的快速响应性很差。上述现象是目前用户要求住宅空调急需解决的课题。

另一方面，空调系统的大量普及，加剧了电力供应紧张局面。因此，电力系统的“移峰填谷”问题更是急待解决的问题。随着世界范围内的峰谷电价的实施，住宅用蓄冷蓄热型空调开始得到发展，从1995年已开始应用于直接蒸发式单室内机单冷和热泵空调系统以及热泵型VRV空调系统中。如中国专利ZL99214599.6，名称为“一种蓄冷蓄热型热泵空调机”；中国专利ZL97236089.1，名称为“采用制冷剂过冷内融冰释冷方式蓄冷空调装置”均公开了冰蓄冷在风冷热泵空调系统中应用的技术方案。上述系统的共同特点是：(1)各系统均是利用夜间廉价电力，将冷/热量贮存在蓄能槽内，当白天向房间供冷/热时，利用冰/水贮藏的冷/热量使系统的冷凝温度降低(或实现高压液态制冷剂大幅度过冷)或蒸发温度升高，以减小白天机组运行时的耗电量，从而实现电力系统的“移峰填谷”；(2)普遍采用盘管式蓄冰槽，槽体内的水只是发生冻结/融化和温度升高与降低变化，与空调水系统中的水互不参混；(3)均为内融冰方式释冷。上述利用冰和热水蓄能，改善空调系统白天运行时制冷剂状态，降低消耗电力，是将制冷剂直接输送到室内的单元或VRV系统移峰填谷的有效方法。但这类系统在白天供冷或供热时，压缩机必须投入运行；特别是对于制取冷水的系统，不可能制取低温冷水，不能实现低温送风。为此，日本三菱电机株式会社在1999年《三菱电机技报》Vol.73，No5中公开了KAH型直接蒸发外融冰蓄冷空调系统，该系统采用了双蒸发器结构，在室外机组内除制冷系统必需部件外，还设置了制冷剂/载冷剂换热器、盘管式蓄冰槽、载冷剂泵、水路电动三通阀等用于蓄冷/取冷的设备。但由于系统采用双蒸发器结构，并采用载冷剂泵，增加了系统成本，降低了夜间运行时系统的蒸发温度，不利于进一步节能；另外该系统不具备冬季制热功能。为解决上述技术中存在的不足，发明人在中国专利“一种直接蒸发闭式外融冰热泵空调装置(申请号：02123436.1)”和“直接蒸发闭式外融冰热泵空调装置(申请号：02238024.8)”中公开了如附图1所示的技术方案，该装置采用了一种闭式外融冰蓄冰槽，实现了夏季蓄冷、供冷，冬季供热功能，降低了空调装置的整体造价与运行能耗。但是，该热泵装置仍然采用了一个制冷剂/水换热器，制冷剂控制阀部件较多，结构比较复杂，对于小容量热泵装置而言，尚不能最大限度地降低系统成本，此外，该热泵装置不具备冬季夜间蓄热功能。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种既能弥补现有风冷热泵式冷热水机组缺陷，又能实现利用夜间廉价电力进行蓄能的直接蒸发式蓄能热泵空调装置。该装置具有延长压缩机启停周期，空调快速响应性好，除霜运行时不影响室内舒适性，以及具有夏季蓄冷、冬季蓄热功能，而且结构简单、紧凑，运行可靠性高的显著特点，特别适合于中、小型蓄能中央空调系统，为电力系统大规模“移峰填谷”奠定了坚实的基础。

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：一种直接蒸发式蓄能热泵空调装置，它主要包括由压缩机、四通阀、风冷换热器、单向阀组件、高压贮液器、节流机构、气液分离器以及设置在外融冰蓄能槽内部的盘管换热器构成的制冷剂回路和由水泵、外融冰蓄能槽和空调末端构成的空调水回路两部分，所述的气液分离器出口与压缩机进气口相连，压缩机排气管与四通阀的进气口相连，四通阀的出气口与气液分离器的进气口相连，四通阀的一个接口与风冷换热器的一个端口相连，其特征在于：所述的四通阀的另一个接口直接与外融冰蓄能槽内部的盘管换热器的一个接口相连；风冷换热器的另一个端口通过单向阀组件与外融冰蓄能槽内部的盘管换热器另一个接口相连；所述的单向阀组件是由四个单向阀组成的，其另外两个端口分别与高压贮液器、节流机构构成的高压贮液器/节流机构组件的出入口相连；所述的外融冰蓄能槽空调水出口直接与空调末端连接。

本发明所述的外融冰蓄能槽可采用开式或闭式中的任一种。所述的闭式外融冰蓄能槽主要包括壳体、冰盘管、载冷剂分液管和载冷剂集液管，所述壳体的两端分别与封头封闭连接，所述冰盘管由弯管和直管形成多管程载冷剂通道，由壳体内两端所设具有通孔的管板固定在壳体内，冰盘管外表面与壳体内表面空间形成空调水通道，空调水通道中径向设有多个交错放置的水折流板，冰盘管集合入口与载冷剂分液管连接，载冷剂分液管与设在封头上的载冷剂进口相接，冰盘管集合出口与载冷剂集液管连接，载冷剂集液管与设在封头上的载冷剂出口相接，空调水通道的入口、空调水通道的出口分别与设在封头上的空调水入水管和空调水出水管连接。

本发明由于采用了上述的结构连接形式，因此，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)与现有直接蒸发式蓄能热泵装置相比，直接蒸发式蓄能热泵空调装置具有蓄冷与蓄热双重功能，且在其取能过程中，不需要开启压缩机，直接从蓄能槽中取能，可改善移峰填谷效果；蓄能槽中的水与空调水串通，省去了二次换热环节，减少了调节部件，大幅度降低了装置成本和运行费用，其可靠性得到了进一步提高。对推进蓄能空调设备小型化、家庭化进程有着极为重要的意义。

(2)直接蒸发式蓄能热泵空调装置采用内部设有盘管换热器的外融冰蓄能槽作为制冷剂与空调水交换热量的换热设备，由于蓄能槽具有较大的热惯性，制冷/热运行时，通过控制槽体内的温度，可以延长压缩机启/停周期，从而延长装置的使用寿命；由于保证槽体内蓄存有冷水(冰)或者热水，制冷与制热开机后，可快速向空调末端提供冷/热水，迅速向房间输送冷热量，提高室内的舒适性；制热除霜运行时，由于槽体蓄热量大，系统直接从槽体中取热，不会对室内热舒适性产生影响。

附图说明

图1是本申请人申请的“一种直接蒸发闭式外融冰热泵空调装置”(申请号：02123436.1)的结构连接图。

图2是本发明提供的“一种直接蒸发式蓄能热泵空调装置”的结构示意图。

图3为本发明运行于“冷机蓄冰模式”下的运行模式流程图。

图4为本发明运行于“冰槽融冰供冷模式”下的运行模式流程图。

图5为本发明运行于“冷机与冰槽边蓄边供供冷模式”和“冷机供冷模式”下的运行模式流程图。

图6为本发明运行于“冷机蓄热模式”下的运行模式流程图。

图7为本发明运行于“冷机制热模式”下的运行模式流程图。

图8为闭式外融冰蓄冰槽的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施应用例对本发明作进一步说明。

图中各部件编号与名称如下：

1-风冷压缩冷凝机组；2-外融冰蓄能槽；3-水泵；4-空调末端；5-压缩机；6-四通阀；7-风冷换热器；8、11、14、15-单向阀；9-高压贮液器；10-节流机构；12-盘管换热器(冰盘管)；13-气液分离器；16-壳体；17-左封头；18-右封头；19-载冷剂进口；20-载冷剂出口；21-空调入水管；22-空调出水管；23-载冷剂分液管；24-载冷剂集液管；25-水道隔板；26-折流板；27-管板布水器。

附图2是本发明的结构连接图，它包括由风冷压缩冷凝机组1和外融冰蓄能槽2构成的室外机组及由水泵3和空调末端4构成的空调水回路两部分。室外机组是由压缩机5、四通阀6、风冷换热器7、单向阀(8、11、14、15)、高压贮液器9、节流机构10、气液分离器13、外融冰蓄能槽2和盘管换热器(冰盘管)12等部件构成。

在制冷剂回路中，气液分离器13出口与压缩机5进气口相连，压缩机5排气管与四通阀6的进气口相连，四通阀6的出气口与气液分离器13的进气口相连，四通阀6的一个接口与风冷换热器7的端口相连，所述的四通阀6的另一个接口直接与外融冰蓄能槽2内部的盘管换热器12的一个接口相连；风冷换热器7的另一个端口通过单向阀组件与外融冰蓄能槽2内部的盘管换热器12的另一个接口相连；所述的单向阀组件是由四个单向阀8、11、14和15按一定方向和次序连接而成组成的，单向阀组的另外两个端口分别与高压贮液器9、节流机构10构成的高压贮液器/节流机构组件的出入口相连，形成制冷剂回路。在空调水回路中，空调水从空调末端4返回，经水泵3加压后由外融冰蓄能槽空调水入口进入外融冰蓄能槽2内，经与盘管换热器12换热后，从外融冰蓄能槽2空调水出口流出并注入空调末端4，完成空调水循环。该空调装置根据四通阀6的不同开闭状态和水泵3的启停状态具有冷机蓄冰、冰槽融冰供冷、冷机与冰槽边蓄边供供冷、冷机供冷以及冷机蓄热、冷机供热六种运行模式。

A.夏季运行共有冷机供冷、冷机蓄冰、冰槽融冰供冷、冷机与冰槽边蓄边供供冷运行模式。

(a)如附图3所示，当装置运行在冷机蓄冰模式时，制冷剂回路中压缩机5、风冷换热器7运行，四通阀6不上电；水泵3停机，空调水回路停止运行。低温低压的气态制冷剂由压缩机5压缩成为高温高压的气态制冷剂，经四通阀6流入风冷换热器7，经室外空气冷却、冷凝成为过冷高压液体，再通过单向阀8进入高压贮液器9中；由高压贮液器9流出的高压液态制冷剂在节流机构10内节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，并通过单向阀11进入外融冰蓄能槽2内部的盘管换热器12制冷剂通道，在此液态制冷剂吸收外融冰蓄能槽2内水的热量蒸发成低温低压的气态制冷剂，同时使盘管换热器12表面结冰，实现冻结蓄冰目的；低温低压的气态制冷剂经四通阀6、气液分离器13返回压缩机5，完成蓄冰循环。

(b)当装置运行在冰槽融冰供冷模式时，如附图4所示，制冷剂回路停止工作，压缩机5、风冷换热器7停止运行，四通阀6不上电；空调水回路中的水泵3运行，空调水从空调末端4返回，经水泵3加压后由空调水入口进入外融冰蓄能槽2内，取冷后从外融冰蓄能槽2空调水出口流出并注入空调末端4，完成冰槽融冰供冷循环。

(c)当装置运行在冷机与冰槽边蓄边供供冷模式时，如附图5所示，制冷剂回路中压缩机5、风冷换热器7运行，四通阀6不上电；空调水回路中的冷水泵3运行。制冷剂回路运行流程与(a)模式完全相同，空调水回路运行流程与(b)模式完全相同。空调水一边在蓄能槽内盘管换热器12外侧结冰，一边流过冰层表面融冰，制取空调冷水。

(d)当蓄能槽内盘管换热器12外侧冰层完全融化后，冷机运行制取冷水的模式即为冷机供冷模式。此时制冷剂回路与空调水回路的运行流程与(c)模式完全相同，附图5也是该模式的流程图。

B.冬季运行有冷机蓄热、冷机制热两种运行模式。

(a)当装置运行在冷机蓄热模式时，如附图6所示，制冷剂回路中压缩机5、风冷换热器7(制热时作为蒸发器使用)运行，四通阀6上电；空调水回路中的水泵3停止运行。低温低压的气态制冷剂由压缩机5压缩成为高温高压的气态制冷剂，经四通阀6流入外融冰蓄能槽2内部的盘管换热器12制冷剂通道，在此外融冰蓄能槽2内的水吸收高温高压的气态制冷剂的热量，水温逐渐升高，从而使热量以水的显热的形式蓄存在外融冰蓄能槽2空调水内，同时，高温高压的气态制冷剂经外融冰蓄能槽2内空调水的冷却、冷凝成为过冷高压液体。从外融冰蓄能槽2内部的盘管换热器12制冷剂通道流出的过冷高压液体制冷剂经过单向阀14进入高压贮液器9中；由高压贮液器9流出的高压液态制冷剂在节流机构10内节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，并经单向阀15进入风冷换热器7，在此液态制冷剂吸收空气热量蒸发成低温低压的气态制冷剂；低温低压的气态制冷剂经四通阀6、气液分离器13返回压缩机5，完成冷机蓄热循环。

(b)当装置运行在冷机制热模式时，如附图7所示，制冷剂回路中压缩机6、风冷换热器7运行，四通阀6上电；空调水回路中的冷水泵3运行。制冷剂回路运行流程与(a)模式完全相同；在空调水回路中，空调水由空调末端4返回，经水泵3加压，进入外融冰蓄能槽2内，吸收制冷剂低温制冷剂的热量而升温，从外融冰蓄能槽2流出的升温后的空调水而后流向空调末端4，完成冷机制热循环。

本发明的蓄能构件“外融冰蓄能槽2”可为开式或闭式外融冰蓄能槽，由于本发明适合在住宅用中、小型蓄能中央空调系统中采用，因此大型开式外融冰系统中所普遍存在的缺陷，如泵停机后会出现水流倒灌、水路电动三通阀承受水静压大，开启与调节困难等，在本发明的实际应用过程中基本不会出现。当然，如果外融冰蓄能槽2采用闭式外融冰蓄能槽，系统的空调水系统将会更加安全、可靠。

附图8是本发明中外融冰蓄能槽2的结构简图(专利申请号：02237573.2)。

该闭式外融冰蓄冰槽主要由壳体16，封头17、18，冰盘管12，管板布水器27，折流板26和水道隔板25等构成。壳体16的两端分别与封头17、18封闭连接，冰盘管12由弯管和直管形成多管程载冷剂通道，由壳体内两端所设具有布水器的管板27固定在壳体16内，冰盘管12外表面与壳体16内表面空间设有多层隔板25形成预设空调水通道，冰盘管12集合入口与载冷剂分液管23连接，冰盘管12集合出口与载冷剂集液管24连接，载冷剂分液管23与集液管24分别与设在封头上的载冷剂进口19与出口20连接，空调水通道的入口与出口分别与设在封头上的空调入水管21和空调出水管22连接。此技术就是将现有的开式外融冰蓄冰槽通过上述的结构连接关系改进成为闭式外融冰蓄冰槽。

Claims

1、一种直接蒸发式蓄能热泵空调装置，它主要包括由压缩机(5)、四通阀(6)、风冷换热器(7)、单向阀组件、高压贮液器(9)、节流机构(10)、气液分离器(13)以及设置在外融冰蓄能槽(2)内部的盘管换热器(12)构成的制冷剂回路和由水泵(3)、外融冰蓄能槽(2)、和空调末端(4)构成的空调水回路两部分，所述的气液分离器(13)出口与压缩机(5)进气口相连，压缩机(5)排气管与四通阀(6)的进气口相连，四通阀(6)的出气口与气液分离器(13)的进气口相连，四通阀(6)的一个接口与风冷换热器(7)的一个端口相连，其特征在于：所述的四通阀(6)的另一个接口直接与外融冰蓄能槽(2)内部的盘管换热器(12)的一个接口相连；风冷换热器(7)的另一个端口通过单向阀组件与外融冰蓄能槽(2)内部的盘管换热器(12)另一个接口相连；所述的单向阀组件是由四个单向阀组成的，其另外两个端口分别与高压贮液器(9)、节流机构(10)构成的高压贮液器/节流机构组件的出入口相连；所述的外融冰蓄能槽空调水出口直接与空调末端(4)连接。

2、按照权利要求1所述的直接蒸发闭式蓄能热泵空调装置，其特征在于：所述的外融冰蓄能槽采用开式或闭式中的任一种。

3、按照权利要求2所述的直接蒸发闭式蓄能热泵空调装置，其特征在于：所述的闭式外融冰蓄能槽包括壳体、冰盘管、载冷剂分液管和载冷剂集液管，所述壳体的两端分别与封头封闭连接，所述冰盘管由弯管和直管形成多管程载冷剂通道，由壳体内两端所设具有通孔的管板固定在壳体内，冰盘管外表面与壳体内表面空间形成空调水通道，空调水通道中径向设有多个交错放置的水折流板，冰盘管集合入口与载冷剂分液管连接，载冷剂分液管与设在封头上的载冷剂进口相接，冰盘管集合出口与载冷剂集液管连接，载冷剂集液管与设在封头上的载冷剂出口相接，空调水通道的入口、空调水通道的出口分别与设在封头上的空调水入水管和空调水出水管连接。