CN211177233U - 一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统，包括闭式能源塔、所述闭式能源塔内部安装有表冷换热器，所述闭式能源塔上设置有上循环接口和下循环接口，所述上循环接口上连接有上循环主管，所述下循环接口上连接有下循环主管；所述上循环主管和下循环主管之间并联有分户式水/水热泵。本实用新型以能源塔作为冷热源设备，制冷剂在能源塔的表冷换热器中直接低温膨胀吸热或高温冷凝大温差高效率换热，耦合小型分户式水地源热泵之间均实现制冷剂大温差换热运行，能适应更宽频的低温或者高温自然环境，性价比高。

Description

一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统

技术领域

本实用新型属于暖通空调领域，主要涉及到一种闭式能源塔冷热源，通过制冷剂在能源塔内直接低温膨胀吸热或高温冷凝放热，利用制冷剂换热耦合分户式水地源热泵冷暖二联供系统应用，尤其涉及一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统。

背景技术

中国的经济进入到绿色高质量发展阶段，绿色发展成为时代要求。空调能耗占比国家能源消耗很大一部分，在环保要求越来越严格的大环境下，采用热泵等清洁能源采暖制冷成为一种趋势。但是目前所推广应用的各种形式的热泵采暖模式存在许多的经济技术问题，有待进一步提高和改进。

“煤改电”分户式热泵采暖以空气能热泵为主，但是空气能热泵冬季化霜，故障率高、冷岛效应、采暖费用高，低温工况效率低、造价高、针对入住率低的小区运行费高、单一采暖功能，设备全年闲置率高等一系列问题。其它形式的集中供暖系统，需要额外的机房占地、配电变压器投入、机房到各楼之间输送管网的投入增加等弊端。地源热泵系统存在造价高、地埋管地质要求以及冷热地热平衡要求、造价过大等问题，性价比差。其它形式的分户系统有采用空气能热泵等耦合运行，由于是空气能为一次热源，存在系统投资过大，空气能热泵一次系统存在压缩机耗电，因此其整体的采暖费用上没有明显优势。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题利用制冷剂为直接在闭式能源塔内低温膨胀吸热或者为冷热源，耦合各户小型分户式水地源热泵间接换热运行实现对各户的冷暖二联供系统。

本实用新型的技术方案：

一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统，包括闭式能源塔、所述闭式能源塔内部安装有表冷换热器，所述表冷换热器上设置有上循环接口和下循环接口，所述上循环接口上连接有上循环主管，所述下循环接口上连接有下循环主管；

所述下循环接口处依次串联膨胀阀、制冷剂循环泵和储液闪蒸罐，制冷剂循环泵进液端与膨胀阀低压出液端之间与制冷剂循环泵并联连接有液态制冷剂导流管，液态制冷剂导流管上串接有第二电动阀；

所述上循环接口上串联有真空泵和气液分离器，所述真空泵的负压进气口和高压出气口之间通过上循环主管与真空泵并联有第三电动阀；

所述储液闪蒸罐的出液口通过第四电动阀连接到上循环主管上，所述储液闪蒸罐的进液口连接下循环主管；

所述上循环主管和下循环主管之间并联有不少于两组的分户式小水/水热泵和储液闪蒸罐。

优选的，所述各分户式小水/水热泵分别通过下循环支管、上循环支管并联到上循环主管和下循环主管上；上循环支管上与分户式小水/水热泵串接有分户电动阀。

优选的，所述储液闪蒸罐包括上半部分的储液闪蒸罐闪蒸部分和下半部分的储液闪蒸罐液态部分，所述制冷剂循环泵进液端和储液闪蒸罐液态部分连接，所述储液闪蒸罐闪蒸部分通过第四电动阀连接到上循环主管上。

优选的，所述储液闪蒸罐进液口前段串联有干燥过滤器。

优选的，所述上循环主管的上安装有膨胀罐。

本实用新型换热系统各个工作部件的功能介绍：

1、闭式能源塔：能源塔技术是利用水和空气的接触，冬季制热是按照供热负荷能力设计的换热面积，和热泵之间的换热介质是在能源塔闭式表冷器中实现换热，表冷器内的换热介质和能源塔外部的换热介质不直接接触实现换热，能高效提取低温环境下的相对湿度较高的空气中的低品位热能，通过向能源塔输入少量高品位能源（主要是风机耗电，无压缩机耗电），实现低温环境下低品位热能向高品位转移,对建筑物进行供热制冷.特别是冬季源塔热泵系统适用于室外湿球温度高于-9℃以上地区，能高效吸热且没有结霜融霜的问题。夏季制冷,通过蒸发作用来散去建筑物内热量一种热源设备。

2、分户式小水/水热泵：本实用新型所阐述的小型家庭户式水地源热泵主机，为常规小型水地源热泵主机，额定制冷量在20.0KW以下。

3、储液闪蒸罐：由于系统所使用的的制冷剂量较大，为适应系统运行工况动态变化（比如环境温度、湿度、小主机开启的数量变化等因数），来不及蒸发或者冷凝的制冷剂暂时储存在该罐体中，使得制冷剂有个缓冲储存的空间，以维持系统所需要的蒸发量；在实际运行过程中，随着运行工况发生变化，需要大量的制冷剂时，从该储液闪蒸罐中调配，使得系统处于最佳的运行状态。使得制冷剂在该设备中实现气液分离，确保真空泵只抽取气态制冷剂、制冷剂循环泵只抽取液态制冷剂，确保真空泵阀片不被液击损坏和液态制冷剂循环顺畅，从流体力学角度，对系统循环更有利。采暖循环过程中，有部分制冷剂在储液闪蒸罐中会发生闪蒸吸热现象，不但能降低蒸发温度提高效率。

4、制冷剂：包含目前空调热泵系统常用冷媒，制冷机中完成热力循环的工质，包含R22/R12/R125/R32/R134a/R410a/R407C/R404C等等非共沸制冷剂或者共沸制冷剂，属于常规冷媒制冷剂。

5、分户电动阀/第二电动阀/第三电动阀/第四电动阀:就是用电动执行器控制阀门从而实现阀门的开和关。其可分为上下两部分，上半部分为电动执行器，下半部分为阀门。在制冷剂管路中起通断开关的作用。

6、膨胀阀:属于热泵空调冷媒系统中常用的部件，常温常压的液体制冷剂通过其节流成为低温低压的湿蒸汽，在能源塔表冷换热器中蒸发吸收热量的效果，其作用主要是节流降压和调节制冷剂蒸发流量。在本发明中，该膨胀阀为单向流膨胀阀。有热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管等等之分。

7、干燥过滤器：属于制冷系统中常用部件，起到干燥制冷剂中少量水分和过滤杂质作用。

8、真空泵：是对气体抽取、压缩加压的作用，真空泵有排气口和吸气口之分，排气口为气体加压端，吸气口为负压端。

本实用新型的有益效果：

本实用新型各分户水源热泵主机换热制冷剂在闭式能源塔内直接膨胀蒸发吸热或冷凝放热，耦合各户小型分户式水地源热泵主机运行，分户主机和室内通过空调末端风机盘管或地暖实现冷暖。闭式能源塔和分户式小水地源热泵主机之间的换热循环采用冷媒制冷剂形式，冷媒制冷剂直接在闭式能源塔内膨胀蒸发吸热或冷凝散热，提高了换热效率。各户小水源热泵换热冷媒循环通过闭式能源塔膨胀吸热或者冷媒高温冷凝大温差换热，这与采用防冻液二次换热循环有本质区别，大大提高了能源塔的换热效率，能适应更宽频的低温或者高温环境。以能源塔作为冷热源设备，制冷剂在能源塔的表冷换热器中直接低温膨胀吸热或高温冷凝散热，在换热器中制冷剂实现大温差高效率换热，耦合小型分户式水地源热泵之间均实现制冷剂大温差换热运行，能适应更宽频的低温或者高温环境，性价比高等经济技术优势是本发明的核心创新点，具体表现以下几点：

1）、系统成本和运行费用低廉，有较强的经济技术优势：相比较地源热泵地埋管系统采用地埋管换热器实现能量转移，无需地埋管巨大的投入，也能到达地源热泵分户系统的节能效果；相比空气能热泵采暖系统，也较大幅度节约了整体的设备投入和运费费用、不存在空气能热泵冬季运行的结霜化霜问题。闭式能源塔的成本虽然比开式能源塔稍高，但是闭式能源塔和分户式小水地源热泵主机之间的换热循环采用冷媒制冷剂形式，冷媒制冷剂直接在闭式能源塔内膨胀蒸发吸热或高温冷凝散热，提高了换热效率，降低了运行费用和减少了维护成本。

2）、其它形式的能源塔采暖制冷系统，虽然也是以能源塔作为冷热源，但是本发明的换热介质采用冷媒制冷剂直接在闭式能源塔换热器内低温膨胀蒸发吸热或者制冷剂高温冷凝散热，强化了换热效果，降低了运行费和维护成本，简化了技术工艺。冷媒制冷剂直接在闭式能源塔内蒸发，冬季从空气中吸热其蒸发温度可低至-30℃一下，夏季制冷剂40℃高温冷凝放热，实现大温差高效率换热。闭式能源塔冬季吸热过程，其本身不存在类似于空气能热泵冬季结霜化霜等难题。由于制冷剂换热温差大，但是其气化潜热、显热小，换热后的制冷剂温度更接近于环境温度，能提高热泵机组的蒸发温度和夏季降低冷凝温度，进一步提高热泵机组的效率。

3）闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热冷暖系统，分户计量，没有物业收费管理的麻烦；克服了单独水地源热泵系统需要地埋管换热系统造价高需要占地面积等缺陷；克服了空气能热泵化霜等能效低的问题；克服了其它集中耦合式热泵冷暖系统需要机房、额外配电设备、输送管网投资高；克服了其它热泵及耦合系统集中冷暖系统投资及运行费用高等问题。

3）、闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热冷暖系统，既克服了目前传统的采用大主机的集中机房地源热泵系统主机能耗需要计费、输送过程中损耗大、一次性主机设备投入过大等不利的方面，又继承和发扬了小系统的主机耗电无需计费，根据需要和入住率，灵活开启分批次投入的优点。

4）、更宽频的温湿度适用范围，高低温适用性更强，相比较采用防冻液为换热介质能源塔冷热源系统-9℃/RH≈40%温湿度要求，采用制冷剂直接在闭式能源塔内低温蒸发吸热或者高温冷凝散热，特别是克服了防冻液系统能源塔冬季对温、湿度要求，拥有更宽频的温度适用范围，同是能源塔原理，但是以制冷剂为换热介质在能源塔表冷换热器中直接膨胀蒸发吸热或高温冷凝放热的大温差换热特点，这是同防冻液为换热介质有本质区别，制冷剂在能源塔的表冷换热器中直接低温膨胀或高温冷凝散热，有更宽频的温湿度使用范围，更高的换热效率，有无可比拟的经济技术优势。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型制冷散热原理及工艺流程图。

图3为本实用新型膨胀蒸发吸热原理及工艺流程图。

1、闭式能源塔；1-1、表冷换热器；2、制冷剂循环泵；3、下循环主管；3-1、下循环支管；3-2液态制冷剂导流管； 4、上循环主管；4-1、上循环支管；5、储液闪蒸罐；5-1储液闪蒸罐闪蒸部分；5-2储液闪蒸罐液态部分；6、膨胀罐；7、分户式小水/水热泵；8、干燥过滤器；9、真空泵；10、气液分离器。

V0：分户电动阀；V1：膨胀阀；V2：第二电动阀；V3：第三电动阀；V4：第四电动阀；a：上循环接口；b：下循环接口；c：膨胀阀低压出液端；c-1：制冷剂循环泵进液端。

具体实施方式

本实用新型主要组成部分，具体见图1：包括闭式能源塔1、以及安装在闭式能源塔1内部的表冷换热器1-1，制冷剂上循环主管4和下循环主管3分别连接在表冷换热器1-1的上循环接口a和下循环接口b上。在膨胀阀V1和储液闪蒸罐5之间串联有制冷剂循环泵2，从下循环接口b处依次串联膨胀阀低压出液端c、制冷剂循环泵进液端c-1和储液闪蒸罐5的下半部分储液闪蒸罐液态部分5-2连接，干燥过滤器8串联在储液闪蒸罐5进液口前段，储液闪蒸罐5的上半部分储液闪蒸罐闪蒸部分5-1通过第四电动阀V4并联到上循环主管4上。各分户式小水/水热泵7分别通过下循环支管3-1和上循环支管4-1并联到下循环主管3和上循环主管4上；并联在分户式小水/水热泵7上循环支管4-1和上主循环管4之间串接有分户电动阀V₀。在上循环主管4上安装有膨胀罐6。闭式能源塔1的表冷换热器1-1的上循环接口a通过上循环主管4依次串联接真空泵9和气液分离器10。在真空泵9的负压进气口和高压出气口之间通过上循环主管4与真空泵9并联有第三电动阀V3；在膨胀阀低压出液端c和储液闪蒸罐5之间依次串联接有膨胀阀V1、制冷剂循环泵2，在制冷剂循环泵进液端c-1与膨胀阀低压出液端c之间与制冷剂循环泵2并联连接有液态制冷剂导流管3-2，在液态制冷剂导流管3-2上串接有第二电动阀V2；

采暖制冷换热原理及工艺流程：

制冷剂循环动力分别采用真空泵和制冷剂循环的原因是：制冷模式真空泵9为气态制冷剂的提供循环动力，更有利于制冷剂换热系统的循环顺畅，真空泵9不可以使得液态制冷剂被压缩，但是能使气态制冷剂被压缩成高温高压气体，推动制冷剂循环换热；采暖模式用制冷剂循环泵更有利于液态制冷剂的循环顺畅，制冷剂循环泵只能推动液态制冷剂循环。因此采暖和制冷循环分别采用不同的循环动力设备。

真空泵9、制冷剂循环泵2、阀门开启关闭说明：

在制冷模式下，以高压气体压缩推动制冷剂循环换热，真空泵提供循环动力源，处于开启状态，制冷循环泵2处于停机状态；在制热模式下，以制冷剂循环泵2提供动力推动液态制冷剂循环换热，真空泵9处于停机状态。

在制冷模式下第二电动阀V2处于开启状态，第三电动阀V3、第四电动阀V4关闭；制冷剂相对于采暖模式来说处于逆向循环，分户式小水/水热泵7如果开启运行，分户电动阀V0也是处于开启状态；膨胀阀V1属于单向流膨胀阀，制冷剂不能逆向通过，相当于关闭状态。

在制热模式下，第二电动阀V2处于关闭状态，第三电动阀V3、第四电动阀V4开启；分户式小水/水热泵7如果开启运行，分户电动阀V0也是处于开启状态；制冷剂相对于制冷模式来说处于逆向循环，膨胀阀V1属于单向流膨胀蒸发，制冷剂只能单向通过，相当于开启状态。

制冷散热原理及工艺流程描述：

夏季分户式小水/水热泵7开启制冷，分户电动阀V0同步开启，常温液态制冷剂从下循环支管3-1流入到各分户式小水/水热泵7冷凝器中吸热，变成高温（约45--55℃）气态制冷剂通过上循环支管4-1和分户电动阀V0汇总到上循环主管4中，上循环主管4中的高温常压的制冷剂气体流入到气液分离器10中，少量的液态制冷剂受重力影响，落入气液分离器10的底部在蒸发成气态，以确保吸入真空泵9负压端的制冷剂为气体状态，通过真空泵9吸附增压，将气态制冷剂增压后小幅度增温通过上循环主管4流入到上循环接口a进入闭式能源塔表冷换热器1-1中，经过能源塔和自然界空气强制逆流冷凝降温后，在能源塔表冷换热器1-1的由上而下由气态逐步过渡到气液混合状态到最下半部分变成常温液态制冷剂形式从表冷器下循环接口b流出，依次通过液态制冷剂导流管3-2、第二电动阀V2、（膨胀阀V1为单向阀，因此常温液态制冷剂不能通过），干燥过滤器8进入储液闪蒸罐液态部分5-2中，在真空泵9气压加压作用下，回流到下循环主管3、各分支下循环支管3-1进入到分户式小水/水热泵7的冷凝器中吸热后，制冷剂变成高温气态经分支上循环支管4-1汇合到上主循环管4依次通过气液分离器10、真空泵9加压回到闭式能源塔1的表冷器上循环接口a，在闭式能源塔表冷换热器1-1中冷凝。如此完成一次完整的放热循环过程，达到将建筑物的热量转移到环境大气中实现制冷的目的，见图2。

膨胀蒸发吸热原理及工艺流程描述：

冬季分户式小水/水热泵7开启制冷，分户电动阀V0同步开启，常温气态态制冷剂从分支上循环支管4-1，经过电动阀V0流入到各分户式小水/水热泵7蒸发器中释放热量，变成常温（约10--15℃）常压液态制冷剂通过分支下循环支管3-1汇总到下循环主管3中，下循环主管3中的常温常压的制冷剂液体经过干燥过滤器8到串联受重力影响，制冷剂液体落到的底部，上半部分少量闪蒸气体由储液闪蒸罐闪蒸部分通过第四电动阀V4回到上循环主管4上，以确保制冷剂循环泵2的进液口从储液闪蒸罐5下半部分吸入全部是液态制冷剂，由制冷剂循环泵2增压后，经过膨胀阀V1节流膨胀作用，低温低压的液态雾化的制冷剂通过下循环主管3流入到闭式能源塔1的表冷换热器下循环接口a进入闭式能源塔表冷换热器1-1中，经过闭式能源塔1和自然界空气强制逆流换热吸热升温后，在表冷换热器1-1的由下而上由低温低压液态逐步过渡到气液混合状态到最上半部分变成常温气态制冷剂，从表冷换热器1-1上循环接口a流出，经过第三电动阀V3回流到下循环主管3、常温气态制冷剂由各分支上循环主管4-1进入到分户式小水/水热泵7的蒸发凝器中释放热量后，制冷剂变成常温液态经分支下循环支管3-1汇合到下循环主管3依次通过干燥过滤器8、储液闪蒸罐5、制冷剂循环泵2、膨胀阀V1的节流膨胀蒸发，回到闭式能源塔1的表冷器下循环接口a，在闭式能源塔表冷换热器1-1中蒸发吸热。如此完成一次完整的放热循环过程，达到将大气中的热量转移到建筑物中实现采暖的目的，见图3。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述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；作为本领域技术人员对本实用新型的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统，其特征在于：包括闭式能源塔（1）、所述闭式能源塔（1）内部安装有表冷换热器（1-1），所述表冷换热器（1-1）上设置有上循环接口（a）和下循环接口（b），所述上循环接口（a）上连接有上循环主管（4），所述下循环接口（b）上连接有下循环主管（3）；

所述下循环接口（b）处依次串联膨胀阀（V1）、制冷剂循环泵（2）和储液闪蒸罐（5），制冷剂循环泵进液端（c-1）与膨胀阀低压出液端（c）之间与制冷剂循环泵（2）并联连接有液态制冷剂导流管（3-2），液态制冷剂导流管（3-2）上串接有第二电动阀（V2）；

所述上循环接口（a）上串联有真空泵（9）和气液分离器（10），所述真空泵（9）的负压进气口和高压出气口之间通过上循环主管（4）与真空泵（9）并联有第三电动阀（V3）；

所述上循环主管（4）和下循环主管（3）之间并联有不少于两组的分户式小水/水热泵（7）和储液闪蒸罐（5）；

所述储液闪蒸罐（5）的出液口通过第四电动阀（V4）连接到上循环主管（4）上，所述储液闪蒸罐（5）的进液口连接下循环主管（3）。

2.根据权利要求1所述的一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统，其特征在于：所述各分户式小水/水热泵（7）分别通过下循环支管（3-1）、上循环支管（4-1）并联到上循环主管（4）和下循环主管（3）上；上循环支管（4-1）上与分户式小水/水热泵（7）串接有分户电动阀（V0）。

3.根据权利要求1所述的一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统，其特征在于：所述储液闪蒸罐（5）包括上半部分的储液闪蒸罐闪蒸部分（5-1）和下半部分的储液闪蒸罐液态部分（5-2），所述制冷剂循环泵进液端（c-1）和储液闪蒸罐液态部分（5-2）连接，所述储液闪蒸罐闪蒸部分（5-1）通过第四电动阀（V4）连接到上循环主管（4）上。

4.根据权利要求1所述的一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统，其特征在于：所述储液闪蒸罐（5）进液口前段串联有干燥过滤器（8）。

5.根据权利要求1所述的一种闭式能源塔耦合分户水源热泵制冷剂换热系统，其特征在于：所述上循环主管（4）的上安装有膨胀罐（6）。

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