CN1436980A - 扩大在低温环境下热泵制热能力的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扩大在低温环境下空气源热泵制热能力的方法及装置。空气源热泵系统采用低温部分和高温部分，这两部分由中间换热器连接起来，既可以按常规循环运行，又可以按复叠循环运行。在夏季作制冷运行或在冬季室外环境温度较高做制热运行时，按照常规循环运行；随着冬季室外环境温度的降低，热泵通过中间换热器自动转为复叠循环运行，来减小压缩机的压比，增强低温环境下的加热能力，扩大热泵的应用地区和室外环境温度适应范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种扩大在低温环境下热泵制热能力的方法及装置，以扩大系统工作的环境温度范围，提高季节使用效率，特别涉及当环境温度降低以后，减缓压缩机压比的增大，提高系统制热能力和压缩机使用寿命。
背景技术
热泵系统通常是双向的，即它们能够实现加热或冷却，或者有时同时加热和冷却。热泵由于能实现把低温位热能输送至高温位的功能，能大量利用自然资源和余热资源中的热量，有效减少了输入能，因而可以节省采暖、空调、供热水和工业加热所需的一次能源。许多国家把推广应用热泵作为减少CO2排放的一种手段。
目前空气源热泵系统在运行和性能上存在着以下缺陷。主要是，它们在较低的环境温度下，压缩机压比很高，压缩机输气系数降低，尤其是使用活塞压缩机的热泵，当压比达到20时输气系数接近于0，压缩机已吸不进气体；吸气比体积变大、制冷系统的质量流量变小，造成供热量会急剧减少；压比大使得实际压缩过程与理论等熵压缩过程偏离程度增大，制冷/供热系数下降，即使是使用螺杆或涡旋这两类基本不存在余隙容积、压比影响要小得多的压缩机的热泵，其内容积比因素决定了在低温环境下绝热效率很低；压比高还导致采用常规流程的热泵压缩机排气温度很高，润滑油变稀，使润滑条件变坏，甚至会引起润滑油碳化，而出现拉缸、结碳现象，缩短压缩机的使用寿命。
压缩比过大使得热泵在北方最寒冷的时候无法正常运行，因此阻碍了很节能的热泵产品在北方地区的推广，即使有应用其供暖季节使用率也较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种扩大在低温环境下热泵制热能力的方法及装置。
它采用低温部分和高温部分，这两部分由中间换热器连接起来，在夏季作制冷运行或在冬季室外环境温度较高做制热运行时，按照常规循环运行；随着冬季室外环境温度的降低，热泵通过中间换热器自动转为复叠循环运行。
它包括低温部分和高温部分，其中低温部分为：压缩机1a出口与四通换向阀2a的高压侧进口相连，压缩机1a吸气口与四通换向阀2a的低压侧出口相连，四通换向阀2a的一个接口与用户侧换热器3a的一端相连，另一个接口与环境侧换热器5a的一端相连，环境侧换热器5a的另一端经节流装置4a分别与控制阀7a以及7b的一端相连，控制阀7b的另一端经中间换热器6后与控制阀7a的另一端以及用户侧换热器3a的另一端相连；高温部分为：压缩机1b出口与四通换向阀2b的高压侧进口相连，压缩机1b吸气口与四通换向阀2b的低压侧出口相连，四通换向阀2b的一个接口与用户侧换热器3b的一端相连，另一个接口经中间换热器6与环境侧换热器5b的一端相连，环境侧换热器5b的另一端经节流装置4b与用户侧换热器3b的另一端相连。
本发明能在很宽的环境温度内有效地运行，在冬季运行时，克服由于单机压比高、绝热效率低、排气温度过高等缺陷。以扩大该种热泵在冬季的使用时间和应用地区，尽量减少采暖季节一次能源及高品位电能的消耗，达到节能、环保的目的。
附图说明
附图是可在低温环境下运行的空气源热泵结构示意图。
具体实施方式
本发明包括高温部分和低温部分，它们通过中间换热器6连接在一起。其中低温部分的基本连接是：压缩机1a出口与四通换向阀2a的高压侧进口相连，压缩机1a吸气口与四通换向阀2a的低压侧出口相连，四通换向阀2a的一个接口与用户侧换热器3a的一端相连，另一个接口与环境侧换热器5a的一端相连，环境侧换热器5a的另一端经节流装置4a分别与控制阀7a以及7b的一端相连，控制阀7b的另一端经中间换热器6后与控制阀7a的另一端以及用户侧换热器3a的另一端相连。高温部分的基本连接是：压缩机1b出口与四通换向阀2b的高压侧进口相连，压缩机1b吸气口与四通换向阀2b的低压侧出口相连，四通换向阀2b的一个接口与用户侧换热器3b的一端相连，另一个接口经中间换热器6与环境侧换热器5b的一端相连，环境侧换热器5b的另一端经节流装置4b与用户侧换热器3b的另一端相连。
空气源热泵的高温部分和低温部分可以采用同一种制冷剂，也可以分别采用两种不同的但可以互相替代的制冷剂。
空气源热泵的压缩机1a和1b可以是活塞式、螺杆式、涡旋式或其它形式，可以是开启式、封闭式、半封闭式；两压缩机容量可以相同，也可以不相同。当采用不相同容量的压缩机时，较大容量的压缩机用于低温部分，较小容量压缩机用于高温部分。
空气源热泵的中间换热器可以是壳管式、套管式、板式或其它形式的换热器；
空气源热泵的节流装置可以是毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀或手动节流阀；
本发明的空气源热泵系统的控制阀可以是电磁阀、电动阀，也可以是单向阀。如果采用单向阀，则单向阀7a方向指向用户侧换热器3a，单向阀7b方向指向节流装置4a。
本发明的工作原理：
空气源热泵作常规制冷循环时，高温部分四通换向阀2b实现虚线所示流向，高压工质经中间换热器6后流到环境侧换热器5(作为冷凝器)，再经节流装置4b、用户侧换热器3b(作为蒸发器)和2b后流回压缩机；低温部分中，压缩机1a出口气体经四通换向阀2a虚线所示流向依次流经环境侧换热器5a(作为冷凝器)、节流装置4a，再经过单向阀7a流至用户侧换热器3a(作为蒸发器)，最后经四通换向阀2a回到压缩机1a。
空气源热泵作常规制热循环时，高温部分四通换向阀2b实现实线所示流向，高压工质依次经用户侧换热器3b(作为冷凝器)、节流装置4b、环境侧换热器5b(作为蒸发器)、中间换热器6和四通换向阀2b后流回压缩机；低温部分，压缩机1a出口气体经四通换向阀2a实线所示流向依次流经用户侧换热器3a(作为冷凝器)、中间换热器6和单向阀7b、节流装置4a、环境侧换热器5a(作为蒸发器)，最后经四通换向阀2a回到压缩机1a。
在冬季室外环境温度较低时制热，由于环境温度低，高温部分的环境侧换热器5b中的两相制冷剂不能部分或全部蒸发汽化，使得其余或全部液相制冷剂进入中间换热器6。另一方面，低温部分的高压制冷剂在用户侧换热器3a冷却后在中间换热器6中冷凝放热，其释放的热量用于加热高温部分的液体制冷剂使其蒸发汽化。此时的循环已经部分或全部转为复叠循环。由于高温部分制冷剂蒸发温度较高，因此，高温部分压缩机1b的吸气压力也较高，并没有因为环境温度的降低而大量降低。同样的，由于低温部分制冷剂冷凝温度较低，因此，低温部分压缩机1a的排气压力也较低，并没有因为环境温度的降低而使压缩比大量提高。
中间换热器6的热交换量大小会受到几个因素的影响：所提供的用户侧冷却介质(气体或液体)的进出口温度高低、室外环境温度的高低，换热器面积大小、结构形式等。在换热器结构、大小确定后，室外环境温度越低，低温部分用户侧换热器3a提供给冷却介质的热量越少。其数量将由最大换热量(包括过冷、两相和过热三部分热量)逐渐减少为只提供工质两相区和过热区热量、再减少为只提供过热区热量，最后该换热器3a几乎不交换热量，而冷凝热量的输出就主要集中在中间换热器6中进行，复叠效果越来越强，从而使得低温部分环境侧换热器5a(作为蒸发器)能适应的环境温度越来越低，高温部分供热量却仍能保持在较高水平。这样，整个单元热泵系统所适应的环境温度可以比常规系统热泵低很多，达到了低温环境下热泵能继续使用的目的。
从上述还可以看出，所发明的空气源热泵循环从常规向复叠循环方式转换时，不需对系统进行大量跳跃式的调整，系统本身可以自动平缓地过渡，因此系统运行很稳定。
与通常的复叠循环相比，本发明因高低压侧使用同一制冷剂或相互可以替代的不同制冷剂，因此在蒸发温度和冷凝温度确定情况下中间换热器两侧流动、传热匹配时，中间温度的确定，不再需要遵从两级压缩机的压比相等这一原则，两侧压比应由中间换热器换热量大小自行调整。
空气源热泵热泵当两压缩机容量相同时，因低压侧压缩机吸气比容比高压侧压缩机吸气比容大得多，导致通过中间换热器复叠时低压侧压比很小，而高压侧压比要高得多，影响制热COP的进一步提高。此时，可以通过选择两套不同容量的压缩机，从而在低温室外环境下以复叠方式运行时使高低压级压比相近，更利于复叠机组性能的提高。这种情况下复叠时以大压缩机一侧作为复叠低压级。
在稳态加热时，可能在蒸发器上产生霜。在这种情况下，无论是以常规热泵方式运行还是以复叠方式运行，都可以采用多种除霜方式。如通过倒转四通换向阀2逆循环方式进行除霜，也可以采用热气旁通除霜。每单元甚至可以根据高温部分和低温部分结霜程度的不同进行单侧除霜或两侧除霜，单侧除霜时另一侧还可仍然进行制热运行。但同时除霜并采用热气旁通法除霜对系统最为有利。
Claims (7)
1.一种扩大在低温环境下空气源热泵制热能力的方法，其特征在于空气源热泵系统采用低温部分和高温部分，这两部分由中间换热器连接起来，在夏季作制冷运行或在冬季室外环境温度较高做制热运行时，按照常规循环运行；随着冬季室外环境温度的降低，热泵通过中间换热器自动转为复叠循环运行。
2.一种可在低温环境下运行的空气源热泵，其特征在于：它包括低温部分和高温部分，这两部分由中间换热器6连接起来。其中低温部分为：压缩机1a出口与四通换向阀2a的高压侧进口相连，压缩机1a吸气口与四通换向阀2a的低压侧出口相连，四通换向阀2a的一个接口与用户侧换热器3a的一端相连，另一个接口与环境侧换热器5a的一端相连，环境侧换热器5a的另一端经节流装置4a分别与控制阀7a以及7b的一端相连，控制阀7b的另一端经中间换热器6后与控制阀7a的另一端以及用户侧换热器3a的另一端相连；高温部分为：压缩机1 b出口与四通换向阀2b的高压侧进口相连，压缩机1b吸气口与四通换向阀2b的低压侧出口相连，四通换向阀2b的一个接口与用户侧换热器3b的一端相连，另一个接口经中间换热器6与环境侧换热器5b的一端相连，环境侧换热器5b的另一端经节流装置4b与用户侧换热器3b的另一端相连。
3.根据权利要求2所述的一种可在低温环境下运行的空气源热泵，其特征在于：所说的低温部分和高温部分采用的工质为同一种或可相互替代的两种。
4.根据权利要求2所述的一种可在低温环境下运行的空气源热泵，其特征在于：所说的压缩机1a和1b是活塞式或是螺杆式或是滚动转子式或是涡旋式，两压缩机容量为相同或不相同，当采用不相同容量的压缩机时，较大容量的压缩机用于低温部分，较小容量压缩机用于高温部分。
5.根据权利要求2所述的一种可在低温环境下运行的空气源热泵，其特征在于：所说的中间换热器6是壳管式或是套管式或是板翅式或是板式换热器。
6.根据权利要求2所述的一种可在低温环境下运行的空气源热泵，其特征在于：所说的节流装置4a、4b是毛细管或是热力膨胀阀或是电子膨胀阀或是手动节流阀或是它们的组合。
7.根据权利要求2所述的一种可在低温环境下运行的空气源热泵，其特征在于：所说的控制阀7a、7b是电磁阀或是电动阀或是单向阀。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20050629 Termination date: 20140228 |