CN214148419U - 双模超低温空气源热泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双模超低温空气源热泵，将带喷气增焓功能的低温采热压缩回路冷凝盘管和带变频功能的制热压缩回路蒸发盘管交错设置在同一壳程内构成中继换热器。中继换热器里面灌注导热防冻液体，外周做好保温。通过低温端喷气增焓压缩系统从低温环境采热，将热量送至中继换热器；通过温控变频压缩系统从中继换热器取热将热端冷凝器内流体加热，以此实现在低温环境下高能效比产热。系统中增设三通切换阀和切换跨线，通过三通阀动作可将双级压缩的制热、制冷系统变更为单级喷气增焓热泵流程，可实现气温不太低情况下热泵高效制热。

Description

双模超低温空气源热泵

技术领域

本实用新型涉及一种双模超低温空气源热泵，由低温端喷气増焓压缩回路 和热端变频压缩回路两部分组成。其中喷气增焓低温采热压缩回路的设置使机 组从寒冷环境中高效采热成为可能；带变频压缩机的制热压缩回路使机组中继 换热器中热平衡成为可能。双模超低温空气源热泵具备冬天极寒季高效采暖功 能和流通深度加热功能；夏季，系统通过切换四通阀可以实现系统深度制冷。 本系统属于寒冷天气深度制热节能技术；也属于炎热天气深度制冷的节能技术。

背景技术

随着喷气增焓压缩机技术的应用，单级热泵低气温制热的适应温度达到零 下二十多度。应用越来越广，技术越来越成熟，但在市场应用当中，也存在出 一些问题，比如：

(1)如要实现深度制热，其能效比必然降低。

(2)制热工况对环境温度敏感性大，极寒天气能效比低，特别是气温低于零 下二十度的情况下，节能效果非常差。

此前发明人曾设计一款“有制冷功能的低温高效空气源热泵系统”，为双级 压缩低温热泵，能适应极端低气温，而且极低气温情况下能效比相对较高。但 该机也有缺陷：环境温度不太低时，由于两级压缩机工作，整机制热能效比反 倒低于单级喷气增焓压缩机。

根据上述情况，发明人构思如下一个新的系统：

在双级压缩系统中增加三通切换阀，使其具有双级压缩和单级压缩切换的 功能。即：寒冷天气制热或需深度制热的情况下，热泵启运双级制热模式；普 通采暖天气或不需要深度制热的情况下只启运单级喷气增焓制热模式。

这一机器称之为双模超低温空气源热泵。

发明内容

本实用新型将带喷气增焓功能的低温采热压缩回路冷凝盘管和带变频压缩 机的制热压缩回路蒸发盘管设置在同一壳程内构成中继换热器。带喷气增焓功 能的低温采热压缩回路具备从低温环境安全采热优点；带变频压缩机的制热压 缩回路具备自动调节热平衡的优点。上述两个压缩回路在中继换热器内实现冷 热源互补和热量平衡，进而降低每个压缩回路的压缩比，提高整个机组能效比。

另一个方面，系统中引入三通切换阀，可以将双级压缩系统变更为单级喷 气增焓压缩系统，适应环境温度不太低的制热需求和环境温度不太高的制冷需 求。

本实用新型的技术方案如下：

一种双模超低温空气源热泵，由低温端和热端通过中继换热器组合而成， 其特征是：由1-4组喷气增焓压缩机、四通阀、三通阀、冷凝盘管、三通阀、 储液罐、喷气增焓换热器、喷气控制阀、节流器、蒸发盘管、气液分离器组成1 -4个低温采热压缩回路，以此构成机组低温端；由另外1-4组变频压缩机、 四通阀、三通阀、冷凝盘管、三通阀、储液罐、节流器、蒸发盘管、气液分离 器组成1-4个制热压缩回路以此构成机组热端；热端蒸发盘管与低温端冷凝盘 管交错设置，共处于一个壳程构成中继换热器；中继换热器壳程内装有导热液体，并设置感温器，感温器信号线与变频压缩机控制器相联；低温端蒸发器上 设有排风扇；低温端四通阀之后的三通阀切换口与热端四通阀之后的三通阀切 换口相连；低温端冷凝盘管之后的三通阀切换口与热端冷凝盘管之后的三通阀 切换口相连。

本实用新型的特征还在于：中继换热器设置为容积式，内置蒸发盘管与冷 凝盘管允许为分列平行管组。

本实用新型的特征还在于：热端冷凝器选择设置为管壳式换热器、套管式 换热器、容积式换热器和风热器四者之一；热端冷凝器允许多联。

本发明的特征还在于：当热端冷凝器为容积式换热器时，其内部允许设置 有温控电加热器，温控电加热器设置数量为1-4个。

本发明的特征还在于：当低温采热压缩回路和热端制热压缩回路为多回路 设置时，二者允许不等路。

本发明的特征还在于：当低温采热压缩回路和热端制热压缩回路为多回路 设置时，允许中继换热器外壳合并为一个。

本发明的特征还在于：室外主机上风扇设置数量为1-8个。

本发明的特征还在于：允许热端冷凝器不处于外置主机机箱内。

本发明的特征还在于：允许压缩回路中不设四通阀。

本发明需要进一步明确的是：压缩回路所列设备为说明原理的主要关键配 件。增加其它常规配件如“阀门”“过滤器”“测温测压口”“冷媒加注口”等等 的罗列均属保护范围。

压缩回路所列设备中的“储液罐”“气液分离器”在有些情况下可以不设置， 这不影响系统冷热互补、低温高效和逆循环制冷的特点，也是在权利保护保护 范围之内。

本发明的有益效果：

在需要深度制热的情况下，启动双级压缩模式下，有下列优点：

(1)由于低温端设置了喷气增焓回路，可以保证压缩机在低温环境下正常 运行。

(2)热端蒸发盘管吸热，低温端冷凝管放热，二者在中继换热器实现冷热 源互补，所以在节能的前提下，达到了深度制热。

(3)低温端压缩机工作温度范围窄，压缩比小，能效比高。

(4)制热端压缩机工作温度范围窄，压缩比小，能效比高。

(5)热端压缩机为温控变频压缩机，可以保证中继换热器冷热平衡进而确 保整个系统平稳运行。

环境气温不太低的情况下或者不许深度制热模式情况下，可切换至单级喷 气(液)增焓运行模式。这种情况下变频压缩机停用，综合能效比提升。

附图说明

图1是热端冷凝器套管换热的双模超低温空气源热泵原理流程图；

图2是热端冷凝器为风热机的双模超低温空气源热泵原理流程图；

图3是热端冷凝器为双联风热机的双模超低温空气源热泵原理流程图；

图4是中继换热器为平行列管、热端冷凝器套管换热的双模超低温空气源 热泵原理流程图；

图5是中继换热器为平行列管、热端冷凝器为板换的双模超低温空气源热 泵原理流程图；

图6是中继换热器为平行列管、热端冷凝器套管换热的双回路的双模超低 温空气源热泵原理流程图；

图7是热端压缩循环和低温端压缩循环均为双回路且合并了中继换热器的 套管冷凝器加热双模超低温空气源热泵原理流程图。

图8是热端冷凝器为容积式换热器的双模超低温空气源热泵原理流程图。

图中：

1、喷气增焓压缩机 11、变频压缩机

2、中继换热器 12、热端冷凝器

3、低温端冷凝盘管(冷凝平行列管) 13、热端冷凝盘管(板换冷凝腔)

4、低温端储液罐 14、热端储液罐

5、低温端节流器 15、热端节流器

6、低温端蒸发盘管 16、热端蒸发盘管(蒸发平行列管)

7、低温端气液分离器 17、热端气液分离器

8、喷气增焓换热器 18、风扇

9、喷气控制阀 19、排冷风扇

10、外置主机外壳 21、中温流体入口

20、感温器 22、高温流体出口

28、温控电加热器 23、流体加热腔

25、低温端四通阀 26、热端四通阀

31、低温端四通阀后三通阀 32、低温端冷凝盘管后三通阀

33、低温端冷凝盘管入口 34、回流跨线

35、输出跨线 36、低温端冷凝盘管出口

37、热端四通阀出口 38、热端储液罐入口

39、热端四通阀后三通阀 40、热端冷凝盘管后三通阀

图中，虚线表示中继换热器内温度对变频压缩机的控制关系。

具体实施方式

本实用新型将带喷气增焓功能的低温采热压缩回路冷凝盘管和带变频功能 的热端制热压缩回路蒸发盘管交错设置在同一壳程内构成中继换热器。中继换 热器里面灌注导热防冻液体，外周做好保温。低温端喷气增焓压缩机、低温端 四通阀、低温端四通阀后三通阀、低温端冷凝盘管(冷凝平行列管)、低温端冷 凝盘管后三通阀、低温端储液罐、低温端节流器、喷气增焓换热器、喷气控制 阀、低温端气液分离器、低温端蒸发盘管依次连接构成采热压缩回路；热端变 频压缩机、热端四通阀、热端四通阀后三通阀、热端冷凝盘管、热端冷凝盘管 后三通阀、热端储液罐、热端节流器、热端蒸发盘管(蒸发平行列管)、热端气 液分离器依次连接构成采热压缩回路。一般情况下，所有配件安装在一个箱体 内构成主机，安装在室外通风处。热端冷凝器外置的情况下，热端冷凝器一般 置于室内或特定区域，管路与主机相连。低温端四通阀后三通阀切换口与热端 四通阀后三通阀切换口通过输出跨线相连；低温端冷凝盘管后三通阀切换口与 热端冷凝盘管后三通阀切换口通过回流跨线相连。主机内根据需要设置一至八 个风扇。

双模超低温空气源热泵常规工况为双级压缩模式。双级压缩模式下三通阀 不动作，输出跨线和回流跨线封堵，不导通。

常规工况下，考虑中继换热器可能出现热量不平衡，热端压缩循环采用温 控变频压缩机，中继换热器内温度高则变频压缩机功率加大，吸热能力增大； 温度低则变频压缩机功率减小，吸热能力降低。

风扇的作用就是排冷，保证冷量散到空气当中，保障低温端采热循环正常 运行。四通阀切换，系统制冷的情况下风扇则用于排热。

根据公知的原理，热端独自完成“压缩——冷凝——节流——蒸发——压 缩”循环，从中继换热器吸热，在冷凝器放热加热水或其它流体。

根据公知的原理，低温端独自完成“压缩——冷凝——节流——蒸发—— 压缩”循环，从低温环境吸热，将热量送至中继换热器。这里，压缩机为特制 的喷气增焓压缩机，喷气增焓回路保障压缩机在低温环境下正常采热运行。

低温端和热端的压缩回路运行为联动启动，联动停机。

当需要制冷的情况下，根据公知的原理，低温端四通阀切换，压缩循环逆 运行，蒸发器和冷凝器功能互换；热端四通阀切换，压缩循环逆运行，蒸发器 和冷凝器功能互换。这种情况下，整个系统开始制冷，而且能实现深度制冷。

系统制冷时，喷气控制阀关闭，喷气增焓功能不启动。

系统制冷时，低温端与热端在中继换热器的热量补偿机理相同。

环境温度不太低的情况下启动单级压缩模式，这时所有三通阀动作，输出 跨线和回流跨线导通，变频压缩机停机，原有压缩回路切换变更，中继换热器 失效，由低温端喷气增焓压缩机、低温端四通阀、低温端四通阀后三通阀、输 出跨线、热端冷凝盘管、热端冷凝盘管后三通阀、回流跨线、低温端储液罐、 低温端节流器、喷气增焓换热器、喷气控制阀、低温端气液分离器、低温端蒸 发盘管依次连通构成新的喷气增焓采热压缩回路。根据公知的原理，新的喷气 增焓采热压缩回路独自完成“压缩——冷凝——节流——蒸发——压缩”循 环，从低温环境吸热，将热量直接传送给热端冷凝器。

当需要制冷的情况下，根据公知的原理，低温端四通阀切换，压缩循环逆 运行，低温端蒸发器和热端冷凝器功能互换。

系统制冷时，喷气控制阀关闭，喷气增焓功能不启动。

下面结合具体实施例，对本实用新型的具体实施方式进行说明：

实施例1：热端冷凝器套管换热的双模超低温空气源热泵。见图1。

图1是热端冷凝器套管换热的双模超低温空气源热泵的原理流程图，在双 模超低温空气源热泵中，低温端由一个压缩回路构成，热端由一个压缩回路构 成。热端冷凝器12为套管换热器。中继换热器2中注满导热防冻液体(保证液 体淹没盘管)，换热器16和3为常规蛇形盘管或其它异形盘管。所有设备安装 在外置主机外壳10内。

常规工况下(双级压缩)，低温端四通阀后三通阀31、低温端冷凝盘管后三 通阀32、热端四通阀后三通阀39、热端冷凝盘管后三通阀40均不动作，回流 跨线34、输出跨线35均封堵，低温端冷凝盘管入口33、低温端冷凝盘管出口 36、热端四通阀出口37、热端储液罐入口38导通。

低温端采热循环和热端制热循环同步启动，同步停机。

低温端的工作原理是：

低温端喷气增焓压缩机1将气态的制热剂加压并经低温端四通阀25、低温 端四通阀后三通阀31、低温端冷凝盘管入口33送入低温端冷凝盘管3。制热剂 在低温冷凝盘管3内变成液态并放热，热量排入中继换热器2中，将导热液体 加热。冷凝后的制热剂经低温端冷凝盘管出口36、低温端冷凝盘管后三通阀32、 低温端储液罐4、大部分过喷气增焓换热器8和低温端节流器5进入低温端蒸发 盘管6，并在低温端蒸发盘管6内蒸发汽化，再经低温端气液分离器7脱除液体 后返回压缩机1进行下一轮循环；小部分通过喷气控制阀9变成气态，经喷气 增焓换热器8升温后直接进入喷气增焓压缩机1。喷气增焓回路使得进入压缩机的气体温度升高，改善了压缩机运行温度条件。制热剂在低温端蒸发盘管6内 汽化的同时要吸收空气中大量的热量，排出冷气；运行过程中，排冷风扇19动 作，将排走冷气，吸进热气。低温端压缩循环的效果就是从低温空气中采热， 送至中继换热器2中加热导热液体。

热端的工作原理是：

热端变频压缩机11将气态的制热剂加压并经热端四通阀26、热端四通阀出 口37、热端四通阀后三通阀39送入热端冷凝盘管13。制热剂在热端冷凝盘管 13内变成液态并放出热量，使热端冷凝器12中的流体逐渐加热。冷凝后的制热 剂经热端冷凝盘管后三通阀40、热端储液罐入口38、热端储液罐14、热端节流 器15进入热端蒸发盘管16，并在热端蒸发盘管16内蒸发汽化，汽化时吸收中 继换热器2中导热液体的热量。汽化后的制热剂经热端气液分离器17脱除液体 后被吸入变频压缩机11进行下一个制热循环。热端压缩循环的效果就是从中继 换热器2中采热，送至热端冷凝器12中。

这里，变频压缩机11的功率是可变的，由中继换热器2中的感温器20控 制。当中继换热器2出现热量不平衡时，变频器动作：中继换热器内温度高则 变频压缩机功率加大，吸热能力增大；温度低则变频压缩机功率减小，吸热能 力降低。

中温流体经中温流体入口21进入热端冷凝器12壳程，吸收热量后变为高 温流体，通过高温流体出口22导出。

这里，低温端节流器5和热端节流器15为常规的热力膨胀阀或电子膨胀阀 或毛细管节流装置，也可以是其它节流装置。

当需要制冷的情况下，根据公知的原理，低温端四通阀25切换，压缩循环 逆运行，蒸发盘管6和冷凝盘管3功能互换；热端四通阀26切换，压缩循环逆 运行，蒸发盘管16和冷凝盘管13功能互换。这种情况下，整个系统开始制冷， 而且能实现深度制冷。高温流体出口22送出冷流体。

系统制冷时，喷气控制阀9关闭，喷气增焓功能不启动。

系统制冷时，低温端与热端在中继换热器2的热量补偿机理相同。

特殊工况情况下(单级压缩)，低温端四通阀后三通阀31、低温端冷凝盘管 后三通阀32、热端四通阀后三通阀39、热端冷凝盘管后三通阀40同时动作， 回流跨线34、输出跨线35均导通，低温端冷凝盘管入口33、低温端冷凝盘管 出口36、热端四通阀出口37、热端储液罐入口38封堵。这种情况下，中继换 热器2失效，热端变频压缩机11停机，系统变成单机压缩。制热运行机制如下：

低温端喷气增焓压缩机1将气态的制热剂加压并经低温端四通阀25、低温 端四通阀后三通阀31、输出跨线35、热端四通阀后三通阀39送入热端冷凝盘 管13。制热剂在热端冷凝盘管13内变成液态并放热，热量排入热端冷凝器12 壳程。中温流体经中温流体入口21进入热端冷凝器12壳程，吸收热量后变为 高温流体，通过高温流体出口22导出。

冷凝后的制热剂经热端冷凝盘管后三通阀40、回流跨线34、低温端冷凝盘 管后三通阀32、低温端储液罐4、大部分过喷气增焓换热器8和低温端节流器5 进入低温端蒸发盘管6，并在低温端蒸发盘管6内蒸发汽化，再经低温端气液分 离器7脱除液体后返回压缩机1进行下一轮循环；小部分通过喷气控制阀9变 成气态，经喷气增焓换热器8升温后直接进入喷气增焓压缩机1。喷气增焓回路 使得进入压缩机的气体温度升高，改善了压缩机运行温度条件。制热剂在低温 端蒸发盘管6内汽化的同时要吸收空气中大量的热量，排出冷气；运行过程中， 排冷风扇19动作，将排走冷气，吸进热气。压缩循环的效果就是从低温空气中采热，送至热端冷凝器12中。

当需要制冷的情况下，根据公知的原理，低温端四通阀25切换，压缩循环 逆运行，低温端蒸发盘管6和热端冷凝盘管13功能互换。这种情况下，整个系 统开始制冷。高温流体出口22送出冷流体。

系统制冷时，喷气控制阀9关闭，喷气增焓功能不启动。

实施例2：热端冷凝器为风热机的双模超低温空气源热泵原。见图2。

图2是热端冷凝器为风热机的双模超低温空气源热泵原理流程图，其低温 端以及热端工作原理、温度补偿控制原理、四通阀转换逆循环原理、不同工况 切换原理与实施例1完全相同，这里就不赘述。所不同的是：这一系统中热端 冷凝器12结构为风热机。这里，热端冷凝盘管13散出的热量被风扇18吹出， 用于空间采暖或干燥。

实施例3：热端冷凝器为双联风热机的双模超低温空气源热泵。见图3。

图3是热端冷凝器为双联风热机的双模超低温空气源热泵原理流程图。其 低温端以及热端工作原理、温度补偿控制原理、四通阀转换逆循环原理、不同 工况切换原理与实施例2完全相同，这里就不赘述。所不同的是：这一系统中 热端冷凝器为二联风热机。

实施例4：中继换热器为平行列管、热端冷凝器套管换热的双模超低温空气 源热泵。见图4。

图4是中继换热器为平行列管、热端冷凝器套管换热的双模超低温空气源 热泵原理流程图。其低温端以及热端工作原理、温度补偿控制原理、四通阀转 换逆循环原理、不同工况切换原理与实施例1完全相同，这里就不赘述。所不 同的是：这一系统中中继换热器选择为平行列管组换热器，其功能与盘管相同， 但有效换热面积大。

实施例5：中继换热器为平行列管、热端冷凝器为板换的双模超低温空气源 热泵。见图5。

图5是中继换热器为平行列管、热端冷凝器为板换的双模超低温空气源热 泵原理流程图。在这一系统中，其制热工作原理、温度补偿控制原理、不同工 况切换原理与实施例4相同，这里就不赘述。所不同的是这一系统热端冷凝器 为板换。

实施例6：中继换热器为平行列管、热端冷凝器套管换热的双回路的双模超 低温空气源热泵。见图6。

图6是中继换热器为平行列管、热端冷凝器套管换热的双回路的双模超低 温空气源热泵原理流程图。

其低温端以及热端工作原理、温度补偿控制原理、四通阀转换逆循环原理、 不同工况切换原理与实施例4完全相同，这里就不赘述。所不同的是：这一系 统中其低温端有两个制喷气增焓压缩回路并联，与单压缩回路比，具有更大的 功率和更强的吸热能力；热端有两个变频压缩回路并联，与单压缩回路比，具 有更大的功率和更强的制热能力。

图7是热端压缩循环和低温端压缩循环均为双回路且合并了中继换热器的 套管冷凝器加热双模超低温空气源热泵原理流程图。

实施例7：热端压缩循环和低温端压缩循环均为双回路且合并了中继换热器 的套管冷凝器加热双模超低温空气源热泵。见图7。

图7是热端压缩循环和低温端压缩循环均为双回路且合并了中继换热器的 套管冷凝器加热双模超低温空气源热泵原理流程图。其低温端以及热端工作原 理、温度补偿控制原理、四通阀转换逆循环原理、不同工况切换原理与实施例6 完全相同，这里就不赘述。所不同的是：中继换热器合并为一个壳程。

实施例8：热端冷凝器为容积式换热器的双模超低温空气源热泵原。见图8。

图8是热端冷凝器为容积式换热器的双模超低温空气源热泵原理流程图， 其低温端以及热端工作原理、温度补偿控制原理、四通阀转换逆循环原理、不 同工况切换原理与实施例1完全相同，这里就不赘述。所不同的是：这一系统 中热端冷凝器12结构为容积式换热器。这里，容积式换热器中设置温控电加热 器28，用以提升液体温度或保证高温流体出口22送出热流体恒温。

与此类似的其它不同的设备组合就不一一列举。

本设备的主要特征有二：

其一就是设置中继换热器和变频压缩机、低温喷气增焓联用，这种方式解 决了二级压缩热量平衡问题和热泵低温采热困难问题，同时使机组具备夏季深 度制冷功能。符合这种结构特点的二级压缩循环其它设备组合变化均为本申请 保护范围。

其二就是设置了低温端四通阀后三通阀、低温端冷凝盘管后三通阀、热端 四通阀后三通阀、热端冷凝盘管后三通阀、回流跨线、输出跨线，通过三通阀 切换动作，使低温端冷凝盘管入口、低温端冷凝盘管出口、热端四通阀出口、 热端储液罐入口导通，实现二级压缩运行变一级压缩运行。符合这种结构特点 的二级压缩循环其它设备组合变化均为本申请保护范围。

Claims (9)

1.一种双模超低温空气源热泵，由低温端和热端通过中继换热器组合而成，其特征是：由1-4组喷气增焓压缩机、四通阀、三通阀、冷凝盘管、三通阀、储液罐、喷气增焓换热器、喷气控制阀、节流器、蒸发盘管、气液分离器组成1-4个低温采热压缩回路，以此构成机组低温端；由另外1-4组变频压缩机、四通阀、三通阀、冷凝盘管、三通阀、储液罐、节流器、蒸发盘管、气液分离器组成1-4个制热压缩回路以此构成机组热端；热端蒸发盘管与低温端冷凝盘管交错设置，共处于一个壳程构成中继换热器；中继换热器壳程内装有导热液体，并设置感温器，感温器信号线与变频压缩机控制器相联；低温端蒸发器上设有排风扇；低温端四通阀之后的三通阀切换口与热端四通阀之后的三通阀切换口相连；低温端冷凝盘管之后的三通阀切换口与热端冷凝盘管之后的三通阀切换口相连。

2.根据权利要求1所述的双模超低温空气源热泵，其特征是：中继换热器设置为容积式，内置蒸发盘管与冷凝盘管允许为分列平行管组。

3.根据权利要求1所述的双模超低温空气源热泵，其特征是：热端冷凝器选择设置为管壳式换热器、套管式换热器、容积式换热器和风热器四者之一；热端冷凝器允许多联。

4.根据权利要求1所述的双模超低温空气源热泵，其特征是：当热端冷凝器为容积式换热器时，其内部允许设置有温控电加热器，温控电加热器设置数量为1-4个。

5.根据权利要求1所述的双模超低温空气源热泵，其特征是：当低温采热压缩回路和热端制热压缩回路为多回路设置时，二者允许不等路。

6.根据权利要求1所述的双模超低温空气源热泵，其特征是：当低温采热压缩回路和热端制热压缩回路为多回路设置时，允许中继换热器外壳合并为一个。

7.根据权利要求1所述的双模超低温空气源热泵，其特征是：室外主机上风扇设置数量为1-8个。

8.根据权利要求1所述的双模超低温空气源热泵，其特征是：允许热端冷凝器不处于外置主机机箱内。

9.根据权利要求1所述的双模超低温空气源热泵，其特征是：允许压缩回路中不设四通阀。

Images