CN207247612U - 一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，旨在提供一种具有能够根据使用环境切换运行模式，实现稳定运行和经济化热回收的优点的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其技术方案要点是风冷热泵机组内设有水冷机组，风冷热泵机组包括依次连接的风冷压缩机、风冷翅片管换热器、风冷蒸发器和风冷换热器，水冷机组包括设于风冷翅片管换热器底盘上依次串联设置的水冷换热器、水侧蒸发器和水侧冷凝器，以及分别与它们连通的水冷压缩机，水侧蒸发器与风冷换热器通过第一水路管道并联，水侧冷凝器与风冷换热器通过第二水路管道并联连接，第一水路管道和第二水路管道上设有用于控制水路管道开闭的阀门组，可以提供稳定的制冷、制热作用。

Description

一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统

技术领域

本实用新型涉及环境温度调节设备领域，具体涉及一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统。

背景技术

热泵作为解决供热问题的替代手段，从技术和经济角度都具有较大的优势。热泵技术是一种利用低品位的热量，例如：空气、水( 包括：地表水、地下水等)、太阳能、土壤、废热等热量，转换为高品位的热量， 例如供暖的热量。

目前，随着社会经济的发展，越来越多的风冷式热泵机组被人们所采用。冷热泵机组是由压缩机、换热器、节流器、吸热器等装置构成的一个循环系统。

冷媒在压缩机的作用下在系统内循环流动。它在压缩机内完成气态的升压升温过程（温度高达100℃），它进入换热器后与风进行热量交换，被冷却并转化为流液态，当它运行到吸热器后，液态迅速吸热蒸发再次转化为气态，同时温度下降至零下20℃～30℃，这时吸热器周边的空气就会源源不断地将低温热量传递给冷媒。

冷媒不断地循环就实现了空气中的低温热量转变为高温热量并加热冷水过程。

目前，公开号为CN102022858A的中国专利公开了一种热回收型风冷热泵机组，它包括第一和第二制冷剂循环系统；第一制冷剂循环系统包括第一压缩机、第一四通阀、第二四通阀、第一空气侧翅片式换热器、空调侧换热器、第一气液分离器、全热回收换热器、热水循环水泵和保温水箱以及阀；第二制冷剂循环系统包括第二压缩机、第三四通阀、第四四通阀、第二空气侧翅片式换热器、空调侧换热器、第三储液器、第二气液分离器、部分热回收换热器和保温水箱以及阀。

这种热回收型风冷热泵机组虽然能够保证热量有效回收再利用，又保护环境免受热污染、环保节能，但是它仅通过风冷系统进行热交换，其使用范围和制热、制冷量范围具有局限性，如果环境温度极低，会影响其使用效果，热回收的经济性较低。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其具有能够根据使用环境切换运行模式，实现稳定运行和经济化热回收的优点。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，包括风冷热泵机组，所述风冷热泵机组内设有水冷机组，风冷热泵机组包括依次连接的风冷压缩机、风冷翅片管换热器、风冷蒸发器和风冷换热器，水冷机组包括设于风冷翅片管换热器底盘上依次串联设置的水冷换热器、水侧蒸发器和水侧冷凝器，以及分别与它们连通的水冷压缩机，水侧蒸发器与风冷换热器通过第一水路管道并联，水侧冷凝器与风冷换热器通过第二水路管道并联连接，第一水路管道和第二水路管道上设有用于控制水路管道开闭的阀门组。

通过采用上述技术方案，可以将风冷热泵机组和水冷热泵的水路耦合，形成复叠式制冷系统。同时，风冷热泵机组带有风冷换热器以实现热回收功能，两相配合能够使其在高温水源热泵的工况下运行。

也能够现夏季运行并联制冷和并联制热，冬季运行风冷热泵和水源热泵的并联制热，还可以实现冬季运行风冷热泵和水源热泵的复叠式制热运行。根据环境温度的不同，有多达七种运行模式进行切换，尤其适用于极低环境温度下提供可靠稳定的热泵系统运行。如此整套系统可以实现最经济化的热回收，提供稳定的制冷、制热作用。

进一步设置：所述水侧蒸发器上连通有冷冻进水管和冷冻出水管，水侧冷凝器上连通有热出水管和热进水管。

通过采用上述技术方案，需要制冷时，风冷热泵机组和水冷机组均运行在空调制冷模式下，水冷蒸发器和风冷蒸发器提供冷冻出水，两台机组同时进行制冷并提供冷冻水。

进一步设置：所述第一水路管道连接热出水管和冷冻进水管，第二水路管道连接热进水管和冷冻出水管。

通过采用上述技术方案，风冷热泵机组运行在制热模式下，风冷换热器提供进行制热并提供热水，并通过热出水管和热进水管将热水输送到水冷机组的水侧蒸发器内；水冷冷水机组运行在制冷循环模式下，通过制冷循环，水冷机组的水侧冷凝器可以提供更高温度的热水和更高的制热量。

进一步设置：所述阀门组包括设置在第一水路管道上的水路蝶阀A和水路蝶阀B，还包括设置在第二水路管道上的水路蝶阀C和水路蝶阀D。

进一步设置：所述风冷换热器的出水口连接在水路蝶阀A和水路蝶阀B之间，风冷换热器的进水口连接在水路蝶阀C和水路蝶阀D之间。

进一步设置：所述风冷蒸发器的热水进出口分别连通至水侧冷凝器的热出水管和热进水管上，并分别通过水路蝶阀E和水路蝶阀F进行启闭控制。

通过采用上述技术方案，在极低环境温度下，风冷机组无法提供足够高的热水温度和制热量，而通过上述循环方式，风冷机组只需要运行在较小的压头下，将提供的热水温度加热到一定温度，然后再通过水冷机组，可以提供足够高的热水温度。而通过阀门组中各个水路蝶阀的控制，整个热泵系统能够以下列模式运行：

第一种，在夏季时，开启水路蝶阀B和水路蝶阀D，风冷热泵机组在制冷工况下单独运行进行制冷。

第二种，在夏季时，开启水路蝶阀A和水路蝶阀C，水冷机组在制冷工况下单独运行进行制冷。

第三种，在夏季时，开启水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D，风冷热泵机组和水冷机组均在制冷工况下运行进行制冷。

第四种，在夏季时，开启水路蝶阀A～F，风冷热泵机组和水冷机组在制冷工况下并联运行进行制冷；风冷热泵机组提供热回收热水和制热量，冷水机组可提供冷凝器出水热水和制热量，即并联制热。

第五种，在冬季时，开启水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D，风冷热泵机组工作在制热运行模式，风冷换热器向水侧蒸发器提供中间温度的热水；同时水冷机组的水侧冷凝器提供终端供热使用的高温热水和制热量。

第六种，在冬季时，开启水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D，即在第五种模式的基础上，同时水冷机组的冷冻出水管连接土壤源和水源换热器，水冷机组的水侧蒸发器将可以吸收水源或者土壤源的环境中的低品位热量，并通过水侧冷凝器提供高温热水和更高的制热量。

第七种，在冬季时，开启水路蝶阀E和水路蝶阀F，风冷热泵机组停机。水冷机组作为水源热泵或者土壤源热泵，水侧蒸发器吸收水源或者土壤源的环境中的低品位热量，通过水侧冷凝器提供高温热水和更高的制热量。

第八种，在冬季时，风冷热泵运行在制热模式下，水冷机组运行在水源热泵模式下。风冷热泵的风冷换热器提供热水和制热量，水冷机组作为水源热泵或者土壤源热泵，水侧蒸发器吸收水源或者土壤源的环境中的低品位热量，通过水侧冷凝器提供高温热水和制热量。即并联运行两个热泵。

进一步设置：所述风冷热泵机组还包括三通阀A和三通阀B，三通阀A的进口连接至设于风冷压缩机外的四通阀上，三通阀A的两个出口分别与风冷蒸发器和风冷翅片管换热器连通。

通过采用上述技术方案，通过三通阀A能够为风冷蒸发器和风冷翅片管换热器提供所需的低位热量。

进一步设置：所述三通阀B的进口与风冷蒸发器连通，三通阀B的连个出口分别与风冷翅片管换热器和风冷换热器连通。

通过采用上述技术方案，通过三通阀B能够将风冷热泵机组产生的制冷或制热量输出，并与水冷机组并联提供。

进一步设置：所述水冷机组还包括喷射器和地热源，喷射器的出口与水冷压缩机连通，喷射器的两个进口分别与水冷换热器和水侧蒸发器连通。

通过采用上述技术方案，喷射器是利用流体来传递能量和质量的真空获得装置，采用有一定压力的水流通过对称均布成一定侧斜度的喷嘴喷出，聚合在一个焦点上，可以为水流提供能量，使其输送至水冷压缩器中。

进一步设置：所述地热源连通至冷冻进水管和冷冻出水管上，并通过冷冻水蝶阀控制。

通过采用上述技术方案，地热源能将外界的冷水进行预热，冷水吸收地热源中的低位热量后进入系统中转化为高位热量，还能够通过冷冻水蝶阀控制流量。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

能够根据环境要求进行多种模式的切换，在各种温度环境下都能够较为良好地运行。同时，风冷热泵机组带有风冷换热器以实现热回收功能，两相配合能够使其在高温水源热泵的工况下运行。

能够现夏季运行并联制冷和并联制热，冬季运行风冷热泵和水源热泵的并联制热，还可以实现冬季运行风冷热泵和水源热泵的复叠式制热运行。根据环境温度的不同，有多达七种运行模式进行切换，尤其适用于极低环境温度下提供可靠稳定的热泵系统运行。如此整套系统可以实现最经济化的热回收，提供稳定的制冷、制热作用。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是实施例1的连接结构示意图。

图中，1、风冷热泵机组；11、风冷压缩机；12、风冷翅片管换热器；13、风冷蒸发器；14、风冷换热器；15、三通阀A；16、三通阀B；2、水冷机组；21、水冷换热器；22、水侧蒸发器；23、水侧冷凝器；24、水冷压缩机；25、喷射器；26、地热源；3、第一水路管道；4、第二水路管道；5、阀门组；51、水路蝶阀A；52、水路蝶阀B；53、水路蝶阀C；54、水路蝶阀D；55、水路蝶阀E；56、水路蝶阀F；57、冷冻水蝶阀；6、冷冻进水管；7、冷冻出水管；8、热出水管；9、热进水管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

本实用新型所采用的技术方案是：

实施例1，一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，如图1所示，包括两大部分，其一为风冷热泵机组1，其二为水冷机组2。风冷热泵机组1与水冷机组2并联设置，两者的水路系统耦合，可以实现二者的复叠式制热运行，以提高制热量并提升运行的平稳性。

如图1所示，风冷热泵机组1包括依次连接的风冷压缩机11、风冷翅片管换热器12、风冷蒸发器13和风冷换热器14，由于风冷翅片管换热器12的体积最大，底盘上安装的所有零件尺寸都远小于翅片管换热器的尺寸，底盘较为空余，因此将水冷机组2安装在底盘上。

如图1所示，风冷热泵机组1还包括三通阀A15和三通阀B16，三通阀A15的进口连接至设于风冷压缩机11外的四通阀上，三通阀A15的两个出口分别与风冷蒸发器13和风冷翅片管换热器12连通。三通阀B16的进口与风冷蒸发器13连通，三通阀B16的连个出口分别与风冷翅片管换热器12和风冷换热器14连通。

如图1所示，水冷机组2包括水冷压缩机24、依次串联设置的水冷换热器21、水侧蒸发器22和水侧冷凝器23。风冷热泵机组1与水冷机组2之间并联连接，水侧蒸发器22与风冷换热器14通过第一水路管道3并联，水侧冷凝器23与风冷换热器14通过第二水路管道4并联连接。为了分别控制两条水路管道，水路管道上还设有阀门组5用以控制水路管道的启闭，以更换热泵系统整体的运行模式。

如图1所示，水侧蒸发器22上设有冷冻进水管6和冷冻出水管7，水侧冷凝器23上连通有热出水管8和热进水管9。第一水路管道3连接热出水管8和冷冻进水管6，第二水路管道4连接热进水管9和冷冻出水管7。风冷蒸发器13的热水进出口分别连通至水侧冷凝器23的热出水管8和热进水管9上。

如图1所示，阀门组5包括水路蝶阀A51、水路蝶阀B52、水路蝶阀C53、水路蝶阀D54、水路蝶阀E55和水路蝶阀F56。水路蝶阀A51和水路蝶阀B52设置在第一水路管道3上，水路蝶阀C53和水路蝶阀D54设置在第二水路管道4上，水路蝶阀E55和水路蝶阀F56分别位于述风冷蒸发器13的热水进出口与水侧冷凝器23的热出水管8和热进水管9之间。

如图1所示，水冷机组2外还设有喷射器25和地热源26，喷射器25的出口与水冷压缩机24连通，喷射器25的两个进口分别与水冷换热器21和水侧蒸发器22连通。地热源26连通至冷冻进水管6和冷冻出水管7上，并且设有两个用于控制流量的冷冻水蝶阀57。

操作人员通过控制阀门组中各个水路蝶阀的启闭，可以使整个热泵系统能够以表1所列出的模式运行：

表1 热泵系统不同时期的运行模式

季节	水路阀门的动作	风冷热泵机组状态	水冷机组状态	运行组件
					夏季	水路蝶阀B和水路蝶阀D开启	风冷换热器提供冷冻水和制冷量	关机	仅风冷热泵制冷运行
夏季	水路蝶阀A和水路蝶阀C开启	关机	水侧蒸发器提供冷冻水和制冷量	仅水冷机组制冷运行
					夏季	水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D开启	风冷换热器提供冷冻水和制冷量	水侧蒸发器提供冷冻水和制冷量	水冷机组/风冷热泵机组并联制冷运行
夏季	水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C、水路蝶阀D、水路蝶阀E和水路蝶阀F开启	风冷换热器提供热水和热量	水侧蒸发器提供冷冻水和制冷量	水冷机组/风冷热泵并联制冷运行+ 并联热水和热量
					夏季	水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D开启	风冷换热器提供中间温度的热水和制热量至水侧蒸发器	水侧蒸发器接收来自风冷热泵机组风冷换热器的中间温度的热水，水侧冷凝器制热并提供高温的热水	水冷机组/风冷热泵水路耦合复叠式热泵运行，由水源热泵提供最终热水
冬季	水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D开启	风冷换热器提供中间温度的热水和制热量水侧蒸发器	水侧冷凝器制热并提供热水，水侧蒸发器冷源由水源或土壤源的热泵以及风冷热泵的中间温度的热水提供	风冷热泵和水源/土壤源并联提供低温热源+水路耦合复叠式热泵运行，水源热泵提供最终热水
					冬季	水路蝶阀E和水路蝶阀F开启	关机	水侧冷凝器提供热水和制热量；水侧蒸发器冷源由水源或土壤源的热泵提供	仅水源热泵制热运行
冬季	水路蝶阀B、水路蝶阀D、水路蝶阀E和水路蝶阀F开启	风冷换热器提供热水和制热量	水侧冷凝器提供热水和制热量；水侧蒸发器冷源由水源或土壤源的热泵提供	水源热泵/风冷热泵并联热泵运行

第一种，在夏季时，开启水路蝶阀B和水路蝶阀D，风冷热泵机组1在制冷工况下单独运行进行制冷。

第二种，在夏季时，开启水路蝶阀A和水路蝶阀C，水冷机组2在制冷工况下单独运行进行制冷。

第三种，在夏季时，开启水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D，风冷热泵机组1和水冷机组2均在制冷工况下运行进行制冷。

第四种，在夏季时，开启水路蝶阀A～F，风冷热泵机组1和水冷机组2在制冷工况下并联运行进行制冷；风冷热泵机组1提供热回收热水和制热量，冷水机组可提供冷凝器出水热水和制热量，即并联制热。

第五种，在冬季时，开启水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D，风冷热泵机组1工作在制热运行模式，风冷换热器14向水侧蒸发器22提供中间温度的热水；同时水冷机组2的水侧冷凝器23提供终端供热使用的高温热水和制热量。

由于水冷机组2的冷冻水侧是风冷热泵机组1的热水侧，因此水冷机组2运行在高蒸发温度的热泵工况下，风冷热泵机组1作为低压级，水冷机组2作为高压级，组成的水路耦合复叠式机组整机。

第六种，在冬季时，开启水路蝶阀A、水路蝶阀B、水路蝶阀C和水路蝶阀D，即在第五种模式的基础上，同时水冷机组2的冷冻出水管7连接土壤源和水源换热器，水冷机组2的水侧蒸发器22将可以吸收水源或者土壤源的环境中的低品位热量，并通过水侧冷凝器23提供高温热水和更高的制热量。

与第五种运行模式相比，水冷机组2不仅仅从风冷热泵机组1的风冷换热器14侧的中间温度的热水侧中吸收热量，还向水源和土壤源等环境吸收低品位热量，以并联热泵与水路耦合复叠式机组模式运行。

第七种，在冬季时，开启水路蝶阀E和水路蝶阀F，风冷热泵机组1停机。水冷机组2作为水源热泵或者土壤源热泵，水侧蒸发器22吸收水源或者土壤源的环境中的低品位热量，通过水侧冷凝器23提供高温热水和更高的制热量。

第八种，在冬季时，风冷热泵运行在制热模式下，水冷机组2运行在水源热泵模式下。风冷热泵的风冷换热器14提供热水和制热量，水冷机组2作为水源热泵或者土壤源热泵，水侧蒸发器22吸收水源或者土壤源的环境中的低品位热量，通过水侧冷凝器23提供高温热水和制热量。即并联运行两个热泵。

在夏季制冷工况下，风冷热泵机组1在制冷工况下运行，风冷蒸发器13送出冷冻水；水冷机组2在空调工况下运行，水侧蒸发器22送出冷冻水，水侧冷凝器23送出冷却水，风冷热泵机组1和水侧蒸发器22的水路并联，以双机并联提供制冷量和低温冷冻水。

当冬季制热模式下，风冷热泵机组1在带四通阀换向的制热工况下运行，水侧冷凝器23送出热水；水冷机组2在水源/地源热泵工况下运行，水侧蒸发器22通过外接水源/低源水，水侧冷凝器23送出热水；风冷热泵机组1和水侧蒸发器22水路并联，以双机并联提供制热量和高温热水。

当冬季制热模式下，尤其是极低环境温度下，外界水源或者低热源提供的水温低，那么水冷机组2的工作压头较高；在极低环境温度下，风冷热泵工作压头较高。无论是水冷机组2还是风冷机组的运行效率都明显降低。

那么，风冷热泵机组1在制热工况下工作，同时水冷机组2在空调工况下运行，风冷冷凝器的水路出口连接水侧蒸发器22的水路进口，依靠风冷热泵机组1提供预热的水路连接形成复叠式热泵机组。

例如，当环境温度为-15℃时，对于风冷热泵机组1来说，蒸发温度将低至-22℃（270kPa表压），吸气饱和温度低至-24℃（229.3kPa表压），当提供25℃热水时，排气饱和温度为30℃（1552kPa）；对于水冷机组2来说，从风冷换热器14送入水侧蒸发器22的热水温度为25℃，则蒸发温度为22℃（554kPa），水侧冷凝器23出水温度可以达到60℃，排气饱和温度为63℃（1704kPa）。

如此可知，对于水冷机组2和风冷热泵机组1来说，制冷剂的高压和低压都接近于风冷的额定制冷工况的压差，总体运行效率较高，风冷热泵机组1低压侧的低压较高，而高压不超过1552kPa。

以上是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，包括风冷热泵机组（1），其特征在于：所述风冷热泵机组（1）内设有水冷机组（2），风冷热泵机组（1）包括依次连接的风冷压缩机（11）、风冷翅片管换热器（12）、风冷蒸发器（13）和风冷换热器（14），水冷机组（2）包括设于风冷翅片管换热器（12）底盘上依次串联设置的水冷换热器（21）、水侧蒸发器（22）和水侧冷凝器（23），以及分别与它们连通的水冷压缩机（24），水侧蒸发器（22）与风冷换热器（14）通过第一水路管道（3）并联，水侧冷凝器（23）与风冷换热器（14）通过第二水路管道（4）并联连接，第一水路管道（3）和第二水路管道（4）上设有用于控制水路管道开闭的阀门组（5）。

2.根据权利要求1所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述水侧蒸发器（22）上连通有冷冻进水管（6）和冷冻出水管（7），水侧冷凝器（23）上连通有热出水管（8）和热进水管（9）。

3.根据权利要求2所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述第一水路管道（3）连接热出水管（8）和冷冻进水管（6），第二水路管道（4）连接热进水管（9）和冷冻出水管（7）。

4.根据权利要求3所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述阀门组（5）包括设置在第一水路管道（3）上的水路蝶阀A（51）和水路蝶阀B（52），还包括设置在第二水路管道（4）上的水路蝶阀C（53）和水路蝶阀D（54）。

5.根据权利要求4所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述风冷换热器（14）的出水口连接在水路蝶阀A（51）和水路蝶阀B（52）之间，风冷换热器（14）的进水口连接在水路蝶阀C（53）和水路蝶阀D（54）之间。

6.根据权利要求5所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述风冷蒸发器（13）的热水进出口分别连通至水侧冷凝器（23）的热出水管（8）和热进水管（9）上，并分别通过水路蝶阀E（55）和水路蝶阀F（56）进行启闭控制。

7.根据权利要求1所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述风冷热泵机组（1）还包括三通阀A（15）和三通阀B（16），三通阀A（15）的进口连接至设于风冷压缩机（11）外的四通阀上，三通阀A（15）的两个出口分别与风冷蒸发器（13）和风冷翅片管换热器（12）连通。

8.根据权利要求7所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述三通阀B（16）的进口与风冷蒸发器（13）连通，三通阀B（16）的连个出口分别与风冷翅片管换热器（12）和风冷换热器（14）连通。

9.根据权利要求1所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述水冷机组（2）还包括喷射器（25）和地热源（26），喷射器（25）的出口与水冷压缩机（24）连通，喷射器（25）的两个进口分别与水冷换热器（21）和水侧蒸发器（22）连通。

10.根据权利要求9所述的一种水路耦合复叠式低温风冷热泵系统，其特征在于：所述地热源（26）连通至冷冻进水管（6）和冷冻出水管（7）上，并通过冷冻水蝶阀（57）控制。