CN2542969Y - 复合式风冷热泵机组 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种风冷热泵机组。传统的风冷热泵机组在低温状态(通常Ta＜－5℃)下制热时，机组的蒸发温度过低，排气温度过高，严重影响轴承、转子的润滑和密封性能；制热能效比很低，制热能力严重不足。本实用新型的特征是使水源热泵机组经水循环装置与风冷热泵机组形成一有机的整体，通过水循环装置的变换而实现不同的功能。在夏季，风冷热泵机组和水源热泵机组可分别用来制冷；而在冬季外界环境空气温度太低时，先用风冷热泵机组制取中间温度的热水(约21℃左右)，然后用水源热泵机组从该热水中吸收热量，进一步通过压缩机作功来制取高温水源(约45℃左右)，通过水－空气盘管将热量传递给建筑空调区域，达到对房间空气加热的目的。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及一种具有制冷、制热双重功能的风冷热泵机组。
【背景技术】
风冷热泵是以空气为冷(热)源，以水为供冷(热)介质的中央空调机组，作为冷、热源兼用型的一体化设备，风冷热泵机组省略了冷却塔、水泵、锅炉及相应管道系统等诸多辅件，其系统结构简单，占据空间小，维修管理方便，节约能源，尤其适用于水源缺乏地区。因此，风冷热泵机组通常是许多既无供热锅炉，又无供热网或其它稳定可靠热源，却又要求一年四季进行空气调节的暖通工程设计时优先选用的方案。
传统的风冷热泵机组空调系统如图1所示，其中17为风冷热泵机组，18为空气调节箱(也可以是风机盘管等其它空调末端)，其内有水-空气盘管，19为建筑空调区域。其工作原理是：
1、制冷模式
传统风冷热泵机组1的制冷模式系统流程如实线箭头所示：压缩机1排出的高温高压制冷剂蒸汽经四通阀2进入处于外界环境中的风侧换热器10(此时功能为冷凝器)，通过轴流风机通风带走制冷剂在冷凝过程中所产生的大量热量，冷凝后的高压过冷制冷剂液体经逆止阀4、储液器5、干燥过滤器6和电磁阀7进入膨胀阀8节流膨胀，膨胀后的低温低压制冷剂气液两相混合物经逆止阀9进入水侧换热器3(此时功能为蒸发器)，吸收流自空气调节箱18的空调水回水(温度约12℃左右)热量后变成过热蒸汽，再经四通阀2流至气液分离器11进行分离，分离出的制冷剂蒸汽回到压缩机1后再重新被压缩，开始新的制冷剂循环过程。在水侧换热器3中放热降温后的空调水(温度降至7℃左右)则回到空气调节箱18，通过水-空气盘管与流经空气调节箱18的循环空气进行热交换，吸收循环空气的热量后水温上升(约12℃左右)，接着被水泵16增压又重新回到水侧换热器3，开始新的空调水循环过程；同时，循环空气被冷却，并经散流器21送至建筑空调区域19，达到冷却房间空气的目的。
2、制热模式
传统风冷热泵机组1的制热模式系统流程如虚线箭头所示：压缩机1排出的高温高压制冷剂蒸汽经四通阀2进入水侧换热器3(此时功能为冷凝器)，与流自空气调节箱18的空调水回水(温度约40℃左右)进行热量交换，将制冷剂蒸汽在冷凝过程中所产生的大量热量传递给空调水，使空调水温度升高(约45℃左右)后进入空气调节箱18，通过水-空气盘管与流经空气调节箱中的循环空气进行热交换，将热量释放给循环空气后水温下降(约40℃左右)，接着又被水泵16增压后重新回到水侧换热器3，开始新的空调水循环；其间循环空气在空气调节箱中被加热，并经散流器21送至建筑空调区域19，达到加热房间空气的目的。同时，水侧换热器中被冷凝的高压过冷制冷剂液体经逆止阀12、储液器5、干燥过滤器6和电磁阀15进入膨胀阀14节流膨胀，膨胀后的低温低压制冷剂气液两相混合物经逆止阀13进入处于外界环境中的风侧换热器10(此时功能为蒸发器)，通过轴流风机通风吸收空气热量后变成过热蒸汽，接着再经四通阀2流至气液分离器11进行分离，将液态制冷剂分离后的制冷剂蒸汽回到压缩机1后再重新被压缩，开始新的制冷剂循环过程。
从前述工作流程可以看出，风冷热泵机组制热模式下通过制冷剂从外界环境空气中吸收热量，且通过对压缩机作功(消耗电能或机械能)而将热量传递给循环的空调水以达到对建筑空调区域加热的目的。制冷模式下机组则从循环的空调水中吸收热量，达到冷却建筑空调区域的目的，机组通过制冷剂所吸收的热量则同样须对压缩机做功而最终将热量散发到环境空气。其中处于外界环境中的风侧换热器的热量传递是靠环境空气与制冷剂的温差来驱动的，且在相同的空调水进水或出水温度情况下，外界环境空气的温度越低，机组供热负荷Q′越大，而机组制热能力Q则越小，其相对关系可参照图4：其中Ta为外界环境空气的温度，T0为平衡点温度，Ta＞T0时，Q＞Q′，机组制热能力能够满足供热负荷需求；Ta＜T0时，Q＜Q′，机组制热能力小于供热负荷需求，空调系统须增加辅助供热设施。故外界环境空气的温度是影响风冷热泵机组性能的极其重要的物理量，其中平衡点温度T0的高低主要取决于机组容量大小及其制热性能。
通常，机组的制冷性能是以35℃外界环境空气温度、12℃空调水进水、7℃空调水出水为名义工况来标定；而制热性能则以7℃DB(干球温度)/6℃WB(湿球温度)外界环境空气温度、40℃空调水进水、45℃空调水出水为名义工况来标定。一般当外界环境空气的温度低于13～15℃时就需进行供热，而在北方地区的秋冬季节，外界环境空气的温度要远低于此名义工况7℃DB/6℃WB的温度；如前所述，要使机组制热能力能够满足供热负荷需求(即Q＞Q′)，就必须降低机组的平衡点温度T0，其结果将对风冷热泵机组的正常制热运行产生一系列影响，而极易引发机组故障：
a、蒸发温度过低。风冷热泵机组制热模式下，制冷剂从外界环境空气中吸收热量，其蒸发温度低于要外界环境空气温度，外界环境空气温度越低，机组的蒸发温度越低，压缩机用油的粘度越大，也就越容易粘附在风侧换热器内制冷配管内壁，造成压缩机失油。
b、排气温度过高。风冷热泵机组设计压缩比一般仅3.5左右，而在低温制热时其压缩比超过7，甚至达到9。压缩比越高，排气温度越高，压缩机中油的粘度也就越小，极难在摩擦面形成正常油膜厚度，而严重影响轴承、转子的润滑和密封性能。同时过高的排气温度也会导致油质的劣化。
c、制热能力严重不足。由于机组压缩比很高，制冷系统制冷量衰减严重(就意味着需选用较大规格容量的机组来满足供热需要)，制热能效比很低。
d、电机散热条件恶化。蒸发温度越低，压缩机吸气比容越大，制冷剂质量流量越小，电机散热条件也就越差，电机极易烧毁。
当外界环境空气温度降至5℃时，风侧换热器表面结霜加快，机组制热量下降加剧；当外界环境空气温度处在-5℃～-10℃以下时，普通风冷热泵机组就很难正常运转，而影响风冷热泵机组在寒冷地区(如黄河流域以北)的应用。因此，低温制热性能通常成为衡量风冷热泵机组性能优劣的重要技术指标。
【实用新型内容】
本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术存在的缺陷，提供一种复合式风冷热泵机组，以在过低的外界环境空气温度(-5℃以下)下仍能正常运转，有效地对建筑空调区域进行供热，同时避免风冷热泵机组因过低的外界环境空气温度而引发机组故障。
本实用新型采取的技术方案是：复合式风冷热泵机组，包括：
一风冷热泵机组，包括由制冷配管连接的A压缩机、四通电磁阀、风侧换热器、膨胀装置和水侧换热器；
其特征是一水源热泵机组经水循环装置与所述的风冷热泵机组配合：
所述的水源热泵机组包括由制冷配管连接的B压缩机、冷凝器19、C膨胀阀和蒸发器；
所述的水循环装置包括经水管串联在水侧换热器与蒸发器之间的B水泵和V3阀，B水泵上并联V7阀，冷凝器上串联水管，水管的两端设有M水口和N水口，一V2阀的一端与M水口连接，其另一端连接在V3阀与水侧换热器之间，另一V6阀的一端与N水口连接，其另一端连接在V7阀与B水泵之间，冷凝器一端的水管上设有V4阀。
使用时，将V2阀、V6阀、V7阀开启，将V3阀、V4阀、水源热泵机组、B水泵关闭，即可使机组运行于正常制热模式；将V3阀、V4阀、水源热泵机组、B水泵开启，将V2阀、V6阀、V7阀关闭，即可使机组运行于低温制热模式。由于水循环的特殊性，为了达到换热、载热的目的，水循环装置元件的具体安装位置具有多种连接方案，比如可以根据需要将B水泵和V3阀装配在水侧换热器的同一侧，也可分别连接在水侧换热器的两侧；而且，在空间上既可将风冷热泵机组与水源热泵机组组合在一起；也可分离安装，本实用新型对此均不作限制。
作为对上述技术方案的进一步优化，使风冷热泵机组和水源热泵机组分别能够单独运行于制冷模式，在冷凝器另一端的水管上设有V5阀，水侧换热器与V3阀之间设有V1阀。
为了提高风冷热泵机组的运行效果，将膨胀装置设计成两组，一组由依次连接的A电磁阀、A膨胀阀、D逆止阀组成，另一组由依次连接的B电磁阀、B膨胀阀、C逆止阀组成，其中D逆止阀的出口与水侧换热器3的制冷配管连接，C逆止阀的出口与风侧换热器的制冷配管连接，A电磁阀通过制冷配管与B电磁阀连接；两出口相对的A逆止阀和B逆止阀的入口分别连接在C逆止阀与风侧换热器之间及D逆止阀与水侧换热器之间；串联的储液器和干燥过滤器的入口端连接在A逆止阀和B逆止阀的出口之间，其出口端连接在A电磁阀和B电磁阀之间。
本实用新型将传统的风冷热泵机组与水源热泵机组有机结合为复合式风冷热泵机组，在夏季，风冷热泵机组和水源热泵机组可分别用来制冷；而在冬季外界环境空气温度太低时，先用风冷热泵机组制取中间温度的热水(约21℃左右)，然后用水源热泵机组从该热水中吸收热量，进一步通过压缩机作功来制取高温水源(约45℃左右)，通过水-空气盘管将热量传递给建筑空调区域，达到对房间空气加热的目的。实际运行过程中具有下述优点：
1、拓展了热泵机组的工作温度范围，将其最低制热的外界环境空气温度从-5～-10℃一直可以延伸至-25℃左右，从而可以有效的解决东北、西北、华北等广大寒冷地域秋、冬季采暖问题。
2、夏季可同时开启风冷热泵机组和水源热泵机组，增加复合热泵机组的制冷能力，且当空调系统处于低负荷时，可单独开启风冷热泵机组或水源热泵机组，故具有较高的部分负荷性能；同时，风冷热泵机组和水源热泵机组还可以相互备份，一旦其中一台机组发生故障，便可开启另一台机组。
3、降低压缩机排气温度，提高了机组的制热能效比，改善了电机散热条件。
4、增加了机组制热能力，其机组制热能力视外界环境空气温度的不同可比传统风冷热泵机组增加30％～50％左右。
【附图说明】
图1为传统的风冷热泵机组系统原理图。
图2为本实用新型的制冷流程示意图。
图3为本实用新型的低温制热流程示意图。
图4为供热负荷及机组制热能力随外界环境空气温度的变化走势图。
图2、3中：1-A压缩机，2-四通电磁阀，3-水侧换热器，4-A逆止阀，5-储液器，6-干燥过滤器，7-A逆止阀，8-A膨胀阀，9-D逆止阀，10-风侧换热器，11-气液分离器，12-B逆止阀，13-C逆止阀，14-B膨胀阀，15-B电磁阀，16-B水泵，17-蒸发器，18-B压缩机，19-冷凝器，20-C膨胀阀，21-冷却塔，22-C水泵，23-A水泵，24-水-空气盘管，25-风冷热泵机组，26-复合式风冷热泵机组，27-水源热泵机组，28-V1阀，29-V2阀，30-V3阀，31-V4阀，32-V5阀，33-V6阀，34-V7阀，35-M水口，36-N水口。
【具体实施方式】
如图3、4所示：复合式风冷热泵机组26是风冷热泵机组25和水源热泵机组27的有机结合体，其内部包含了水泵、水阀及相应水管，同时与外部的水泵和空调末端装置水-空气盘管组成中央空调系统：
风冷热泵机组25包括由制冷配管连接的A压缩机1、四通电磁阀2、风侧换热器10、膨胀装置、水侧换热器3和气液分离器11；膨胀装置为两组，一组由依次连接的A电磁阀7、A膨胀阀8、D逆止阀9组成，另一组由依次连接的B电磁阀15、B膨胀阀14、C逆止阀13组成，其中D逆止阀9的出口与水侧换热器3的制冷配管连接，C逆止阀13的出口与风侧换热器10的制冷配管连接，A电磁阀7通过制冷配管与B电磁阀15连接；A逆止阀4和B逆止阀12的出口相对并通过制冷配管连接，其入口分别连接在C逆止阀13与风侧换热器10之间及D逆止阀9与水侧换热器3之间；串联的储液器5和干燥过滤器6的入口端连接在A逆止阀4与B逆止阀12的出口之间，其出口端连接在A电磁阀7与B电磁阀15之间。
水源热泵机组27由经制冷配管依次连接的B压缩机18、冷凝器19、C膨胀阀20和蒸发器17组成。
水循环装置包括由水管依次连接的M水口35、V2阀29、V1阀28、水侧换热器3、B水泵16、V6阀33、N水口36、V5阀32、冷凝器19和V4阀31，V4阀31还与M水口35连接；其中：B水泵16上并联V7阀34，且蒸发器17的一端经水管连接在V6阀33与B水泵16、V7阀34之间，其另一端由水管经V3阀30连接在V2阀29与V1阀28之间。
此外，从N水口36通过水管依次连接水-空气盘管24和A水泵23，A水泵23的出水口与M水口35连接；C水泵的出水口经水管与冷却塔21的进水口连接，C水泵的进水口通过水管连接在V5阀与冷凝器19之间，冷却塔21的出水口通过水管连接在V4阀与冷凝器19之间。
由复合式风冷热泵机组所构成的中央空调系统的工作流程如下：
1、制冷模式
如图2所示，复合式风冷热泵机组在制冷模式下既可单独开启风冷热泵机组或水源热泵机组，也可将两者同时投入运行；在此模式下，B水泵始终处于关闭状态。
(a)、当水源热泵机组和风冷热泵机组同时投入运行时，A水泵23、C水泵22、V1阀28、V2阀29、V3阀30、V6阀33、V7阀34开启；V4阀31、V5阀32关闭。其中冷却塔21和C水泵22的设置为两台机组同时运行提供了条件。
此时风冷热泵机组运行于制冷模式：A压缩机1排出的高温高压制冷剂蒸汽经四通电磁阀2进入处于外界环境中的风侧换热器10，通过轴流风机通风带走制冷剂在冷凝过程中所产生的大量热量，冷凝后的高压过冷制冷剂液体经A逆止阀4、储液器5、干燥过滤器6和A电磁阀7进入A膨胀阀8节流膨胀，膨胀后的低温低压制冷剂气液两相混合物经D逆止阀9进入水侧换热器3，吸收流自水-空气盘管24的空调水回水(温度约12℃左右)热量后变成过热蒸汽，再经四通电磁阀2流至气液分离器11进行分离，分离出的制冷剂蒸汽回到A压缩机1后再重新被压缩，开始新的制冷剂循环过程。
对于水源热泵机组，B压缩机18排出的高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器19冷凝，将冷凝过程中所释放的冷凝热传递给流自冷却塔21的冷却水(约30℃左右)，冷却水吸收冷凝热后水温升高(约35℃左右)，经C水泵22增压后进入冷却塔21散热，水温降低(约30℃左右)后重新回到冷凝器19。冷凝后的高压过冷制冷剂液体进入C膨胀阀20节流膨胀，膨胀后的低温低压制冷剂汽液两相混合物进入蒸发器17吸收空调水(温度约12℃)的热量，使空调水降温(约7℃左右)。吸热蒸发后的过热制冷剂蒸汽则回到B压缩机18，开始新的循环。
流自水-空气盘管24的空调水(温度约12℃)，经A水泵23增压后先通过V2阀29，接着分成两路，其中一路经V3阀30进入水源热泵机组的蒸发器17，将热量释放给膨胀后的低温低压制冷剂汽液两相混合物，温度下降(约7℃左右)；另一路则经V1阀28进入风冷热泵机组的水侧换热器3，吸收制冷剂所释放冷量后温度下降(约7℃左右)；之后，两路空调水共同进入V6阀33，流向水-空气盘管24而对流自建筑空调区域的房间空气进行冷却。
(b)、风冷热泵机组单独运行于制冷模式时，A水泵23、V1阀28、V2阀29、V6阀33、V7阀34开启；C水泵22、V3阀30、V4阀31、V5阀32关闭。其制冷剂循环与前述1(a)相同，空调水被A水泵23增压后依次经V2阀29、V1阀28在水侧换热器3中释放热量，水温从12℃左右降至7℃左右，之后经V7阀34、V6阀33通向水-空气盘管24而对流自建筑空调区域的房间循环空气进行冷却，最后回到A水泵23开始新的循环。
(c)、水源热泵机组单独运行于制冷模式时，A水泵23、C水泵22、V2阀29、V3阀30、V6阀33开启；V1阀28、V4阀31、V5阀32、V7阀34关闭。其制冷剂循环和冷却水循环与前述1(a)相同；空调水被A水泵23增压后依次经V2阀29、V3阀30在蒸发器17中释放热量，水温从12℃左右降至7℃左右，之后经V6阀33通向水-空气盘管24而对流自建筑空调区域的房间空气进行冷却，最后回到A水泵23开始新的循环。
2、制热模式
复合式热泵机组依据外界环境空气的温度Ta的高低分为正常制热(通常Ta≥-5℃)和低温制热(通常Ta＜-5℃)两种运行模式。
(a)、正常制热模式
当复合式风冷热泵机组在正常制热模式下运行时，A水泵23、V1阀28、V2阀29、V6阀33、V7阀34开启；水源热泵机组、B水泵16、C水泵22、V3阀30、V4阀31、V5阀32关闭。
A压缩机1排出的高温高压制冷剂蒸汽经四通电磁阀2进入水侧换热器3(此时功能为冷凝器)，与流自水-空气盘管24的空调水回水(温度约40℃左右)进行热量交换而被冷凝成高压过冷制冷剂液体，之后经B逆止阀12、储液器5、干燥过滤器6和B电磁阀15进入B膨胀阀14节流膨胀，膨胀后的低温低压制冷剂气液两相混合物经C逆止阀13进入处于外界环境中的风侧换热器10(此时功能为蒸发器)，通过轴流风机通风吸收空气热量后变成过热蒸汽，接着再经四通电磁阀2流至气液分离器11进行分离，将液态制冷剂分离后的制冷剂蒸汽回到A压缩机1后再重新被压缩，开始新的制冷剂循环过程。其间，流自水-空气盘管24的空调水(约40℃)经A水泵23增压后经V2阀29、V1阀28进入风冷热泵机组的水侧换热器3，吸收高温高压制冷剂蒸汽在水侧换热器冷凝过程中所释放的冷凝热后温度上升(约45℃)，接着经V7阀34、V6阀33回到水-空气盘管24对流自建筑空调区域的房间空气进行加热，释放热量后其水温下降(约40℃)，之后重新进入A水泵23开始新的循环。
(b)、低温制热模式
当复合式热泵机组在低温模式下运行时，风冷热泵机组、水源热泵机组、A水泵23、B水泵16、V1阀28、V3阀30、V4阀31及V5阀32开启，C水泵22、V2阀29、V6阀33及V7阀34关闭。
风冷热泵机组运转与前述2(a)相同。所不同的是水侧换热器3的循环水进水温度仅16℃左右，吸收高温高压制冷剂蒸汽在水侧换热器3冷凝过程中所释放的冷凝热后水温上升至21℃左右，接着经V1阀28、V3阀30进入水源热泵机组蒸发器17，吸收水源热泵机组的低温低压制冷剂汽液两相混合物在蒸发过程中所释放的冷量后水温下降至16℃左右，经B水泵16增压后重新回到风冷热泵机组的水侧换热器3。与此同时，水源热泵机组低温低压制冷剂在风冷热泵机组的水侧换热器3中吸收循环水热量变为过热蒸汽后进入B压缩机18被压缩成高温高压蒸汽，之后进入冷凝器19被冷凝，冷凝后的高压过冷制冷剂液体则流至C膨胀阀20节流膨胀，膨胀后低温低压制冷剂汽液两相混合物则又回到蒸发器17，开始新的循环。高温高压制冷剂蒸汽在冷凝过程中所释放的大量冷凝热则将流经A水泵23和V4阀31的空调循环水温度从40℃左右加热至45℃左右，温度上升之后的空调循环水经V5阀32进入水-空气盘管24，流自建筑空调区域的房间空气进行加热。
Claims (3)
1、复合式风冷热泵机组，包括：
一风冷热泵机组，包括由制冷配管连接的A压缩机(1)、四通电磁阀(2)、风侧换热器(10)、膨胀装置和水侧换热器(3)；
其特征是一水源热泵机组经水循环装置与所述的风冷热泵机组配合：
所述的水源热泵机组包括由制冷配管连接的B压缩机(18)、冷凝器(19)、C膨胀阀(20)和蒸发器(17)；
所述的水循环装置包括经水管串联在水侧换热器(3)与蒸发器(17)之间的B水泵(16)和V3阀(30)，B水泵(16)上并联V7阀(34)，冷凝器(19)上串联水管，水管的两端设有M水口(35)和N水口(36)，一V2阀(29)的一端与M水口(35)连接，其另一端连接在V3阀(30)与水侧换热器(3)之间，另一V6阀(33)的一端与N水口(35)连接，其另一端连接在V7阀(34)与B水泵(16)之间，冷凝器(19)一端的水管上设有V4阀(31)。
2、根据权利要求1所述的复合式风冷热泵机组，其特征是V4阀(31)位于M水口(35)与冷凝器(19)之间，冷凝器(19)与N水口(36)之间设有V5阀(32)；水侧换热器(3)与V3阀(30)之间设有V1阀(28)。
3、根据权利要求1或2所述的复合式风冷热泵机组，其特征是所述的膨胀装置为两组，一组由依次连接的A电磁阀(7)、A膨胀阀(8)、D逆止阀(9)组成，另一组由依次连接的B电磁阀(15)、B膨胀阀(14)、C逆止阀(13)组成，其中D逆止阀(9)的出口与水侧换热器3的制冷配管连接，C逆止阀(13)的出口与风侧换热器(10)的制冷配管连接，A电磁阀(7)通过制冷配管与B电磁阀(15)连接；两出口相对的A逆止阀(4)和B逆止阀(12)的入口分别连接在C逆止阀(13)与风侧换热器(10)之间及D逆止阀(9)与水侧换热器(3)之间；串联的储液器(5)和干燥过滤器(6)的入口端连接在A逆止阀(4)和B逆止阀(12)的出口之间，其出口端连接在A电磁阀(7)和B电磁阀(15)之间。
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| CN 02231706 CN2542969Y (zh) | 2002-04-20 | 2002-04-20 | 复合式风冷热泵机组 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2002
- 2002-04-20 CN CN 02231706 patent/CN2542969Y/zh not_active Expired - Lifetime
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
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