CN2682344Y - 一种用于寒冷地区的热泵装置 - Google Patents

Abstract

一种用于寒冷地区的热泵装置，属于空调技术领域。在普通热泵装置室外侧换热器上并联一个压缩机和膨胀阀组成，所并联的压缩机回路通过冷凝蒸发器与普通热泵回路进行热交换。普通热泵装置包括压缩机、四通阀、室外侧换热器、室外侧风机、制冷节流部件、电磁阀、制热节流部件、室内侧换热器、室内侧风机、气液分离器、制冷剂连接管路；所并联的压缩机回路包括压缩机、电磁阀、制热毛细管、气液分离器、制冷剂连接管路。在夏季制冷工况或一般冬季工况制热运行时，系统按常规循环运行；随着冬季室外环境温度的降低，热泵通过冷凝蒸发器转换为复叠循环运行。其特征在于，在冷凝蒸发器内，所并联的压缩机循环放出的热量全部被普通热泵循环吸收。本系统可以做得更加紧凑、节约成本，充分发挥复叠循环的技术优势，具有广泛的推广使用前景。

Description

一种用于寒冷地区的热泵装置

技术领域

本实用新型涉属于空调技术领域，尤其是涉及一种在外界低温环境条件下能向室内高效率提供热量的热泵装置。

背景技术

随着经济建设的高速发展，空调用热泵在世界各国均得到广泛的采用。它可以较低的能量消耗，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，很好地满足了冬季采暖的要求。单级蒸汽压缩空气源普通热泵随着室外环境温度的降低，压缩机的压比P_k/P₀增大、排气温度升高，制冷剂节流损失增加，单位质量制冷量及单位容积制冷量下降，经济性下降。压缩比增大造成压缩机的输气系数、输气量及效率下降，同时压缩机排气温度过高，使润滑油的粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。因此，普通空气源热泵空调机，当室外环境温度低于-5℃时，其制热能力和可靠性会大大降低，普通热泵空调无法满足寒冷地区冬季的采暖需求。

为使热泵能在寒冷环境中高效、稳定、可靠地运行，国内外进行了许多技术研发和改进。有效的技术思路主要有三条：其一，采用向压缩机喷液冷却技术，比如中国专利01109633.0和中国专利96102111.X用于寒冷地区的热泵空调机，采用的补气喷液技术；其二，采用双级压缩以降低单个压缩机的压比和排气温度，比如中国专利02100339.4一种双级压缩低温热泵系统及其装置，采用了设置双级压缩机的技术；其三，采用复叠循环制冷技术，比如中国专利03115636.3一种扩大在低温环境下热泵制热能力的方法及装置，采用复叠循环来减小压缩机的压比，以增强低温环境下的制热能力。

文献《制冷原理与设备》(张祉佑主编，1987)介绍了一种为获得低温的复叠循环系统。系统包括高温部分压缩机、冷凝器、高温部分节留阀、冷凝蒸发器；低温部分压缩机、高温部分节留阀、蒸发器。通过设置这种复叠循环，可以降低低温部分蒸发器的蒸发温度，降低低温部分和高温部分压缩机的压比和排气温度。

中国专利03115636.3，一种扩大在低温环境下热泵制热能力的方法及装置，将复叠循环应用到热泵系统中，以降低压缩机的压比和排气温度。

该系统的低温部分包括：压缩机、四通阀、用户侧换热器、单向阀、膨胀阀、室外侧换热器；高温部分包括：压缩机、四通阀、用户侧换热器、膨胀阀、室外侧换热器；两个部分通过中间换热器实现复叠。该系统存在如下问题：(1)普通冬季制热时，低温部分用户侧换热器和高温部分用户侧换热器同时向用户供热；而在寒冷冬季，只有高温部分用户侧换热器向用户供热。这样，如果按普通冬季进行热泵机组选型，造成寒冷冬季的热量不够。(2)在寒冷冬季制热时，低温部分用户侧换热器将不起作用，增大了机组的造价；(3)室外侧布置换热器和中间换热器以及压缩机，系统复杂，室外机体积大，成本高。因此，机组做成产品后竞争力不强，不能发挥复叠循环在寒冷冬季制热的优势。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种用于寒冷地区的热泵装置的技术方案，解决寒冷地区压缩机的大压缩比和高温排气问题，以提高系统的稳定性和可靠性。采用该方案的热泵装置不仅具有普通热泵装置在夏季和一般冬季工况下的性能和功能，而且能在-18℃的低温环境中稳定、可靠地长期运行，具有足够的制热量和较高的性能系数，压缩机排气温度低于120℃，能够在没有辅助热源的条件下满足寒冷地区冬季的采暖要求。

本实用新型的技术方案是：一种用于寒冷地区的热泵装置是在热泵装置室外侧换热器上并联一个压缩机和膨胀阀组成回路，所并联的压缩机回路通过冷凝蒸发器与热泵回路进行热交换。热泵装置包括压缩机、四通阀、室外侧制冷剂/空气换热器、室外侧风机、制冷毛细管与单向阀并联组成的制冷节流部件、电磁阀、制热毛细管与单向阀并联组成的制热节流部件、室内侧制冷剂/空气换热器、室内侧风机、气液分离器、制冷剂连接管路；所并联的压缩机回路包括压缩机、电磁阀、制热毛细管、气液分离器、制冷剂连接管路。在夏季制冷工况或一般冬季工况制热运行时，系统按常规循环运行；随着冬季室外环境温度的降低，热泵通过冷凝蒸发器转换为复叠循环运行。在冷凝蒸发器内，所并联的压缩机循环放出的热量全部被热泵循环吸收。这样，本系统可以做得更加紧凑、节约成本，充分发挥复叠循环的技术优势。

在本方案所提出的一种用于寒冷地区的热泵装置中，用制冷剂/水换热器代替室内侧制冷剂/空气换热器，用水泵代替风机，则可以利用水将夏季制冷工况生产的冷量和冬季制热工况生产的热量输送到风机盘管等末端装置，通过空调末端向室内环境输送冷热量，从而得到本方案的另一实施例。

为克服现有复叠循环存在的问题，本技术方案把低温部分的压缩机和膨胀阀并联在高温部分室外换热器上，同时不采用在寒冷制热时不起作用的低温部分的用户侧换热器；这样，系统将得到简化，机组的体积和成本可以大幅度降低，提高了采用复叠循环热泵机组的性价比和市场竞争力，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是普通复叠循环原理图，

图2是现有的一种采用复叠循环的热泵原理图，

图3是本实用新型第一个实施例的原理图，

图4是本实用新型第二个实施例的原理图。

具体实施方式

下面结合附图及其具体实施方式对本方案的技术特征进一步进行描述。

文献《制冷原理与设备》(张祉佑主编，1987)介绍了一种为获得低温的复叠循环系统，见附图1。系统包括高温部分压缩机311、冷凝器314、高温部分节留阀313、冷凝蒸发器302；低温部分压缩机301、高温部分节留阀303、蒸发器304。通过设置这种复叠循环，可以降低蒸发器304的蒸发温度，降低压缩机301、311的压比和排气温度。

中国专利03115636.3，一种扩大在低温环境下热泵制热能力的方法及装置，将复叠循环应用到热泵系统中，以降低压缩机的压比和排气温度，系统如附图2所示。该系统的低温部分包括：压缩机401a、四通阀402a、用户侧换热器403a、单向阀407a和407b、膨胀阀404a、室外侧换热器405a；高温部分包括：压缩机401b、四通阀402b、用户侧换热器403b、膨胀阀404b、室外侧换热器405b；两个部分通过中间换热器406实现复叠。该系统存在如下问题：(1)普通冬季制热时，用户侧换热器403a和403b同时向用户供热；而在寒冷冬季，只有用户侧换热器403b向用户供热。这样，如果按普通冬季进行热泵机组选型，造成寒冷冬季的热量不够。(2)在寒冷冬季制热时，用户侧换热器403a将不起作用，增大了机组的造价；(3)室外侧布置换热器405a、405b和中间换热器406以及压缩机406a、406b，系统复杂，室外机体积大，成本高。因此，机组做成产品后竞争力不强，不能发挥复叠循环在寒冷冬季制热的优势。

普通热泵部分：1压缩机；2四通阀；3室内侧制冷剂/空气换热器；4室内侧风机；5、6单向阀；11、13、14电磁阀；8制热节流阀；7制冷节流阀；9室外侧风机；8室外侧制冷剂/空气换热器；15、16制冷剂连接管路；10气液分离器；12冷凝蒸发器；20制冷剂/水换热器；21水路连接管；22水泵。

所并联的压缩机回路部分：51压缩机；54单向阀；53制热节流阀、56气液分离器；55制冷剂连接管路。

上述部件中，制冷剂/空气换热器3、8为翅片管式换热器；制冷剂/水换热器20为板式换热器、套管式换热器或盘管式换热器；室内侧风机4为离心风机或贯流风机；室外侧风机9为轴流风机；节流阀7、8、53为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀；压缩机1、101为定频、变频或数码变容压缩机。

一种用于寒冷地区的热泵系统及其装置，在普通热泵的A、E处通过制冷剂连接管15并联了电磁阀11和冷凝蒸发器12。

一种用于寒冷地区的热泵系统及其装置，在普通热泵的室外侧换热器8的两端C、D处并联了单向阀54、膨胀阀53、压缩机51和气液分离器56；在寒冷制热工况时，换热器8与压缩机51组成回路，压缩机排出的高温高压气体在冷凝蒸发器12处冷凝，在换热器8处蒸发。

实施例1

图3是所提出的一种用于寒冷地区的热泵系统及其装置实施例1原理图。(其中实线箭头表示制冷线路，虚线箭头表示制热线路，带圆点的虚线箭头表示低温制热线路)它包普通热泵部分和并联在换热器8上的另外一个制冷回路，两部分通过冷凝蒸发器12进行热交换。普通热泵部分包括：压缩机1、四通阀2、室内侧制冷剂/空气换热器3、室内侧风机4、单向阀5，6、电磁阀11，13，14、制热节流阀8、制冷节流阀7、室外侧风机9、室外侧制冷剂/空气换热器8、制冷剂连接管路15，16和气液分离器10；其中并联的压缩机回路包括：压缩机51、单向阀54、制热节流阀53、制冷剂连接管路52，55和气液分离器56。

由上述连接方式所构成的一种用于寒冷地区的热泵系统及其装置，不仅具备普通热泵装置的功能和功效，而且能在低温环境气候条件下稳定、可靠、高效地向房间提供热空气，满足寒冷地区的采暖需求。在不同工况下该热泵系统的工作原理如下所述：

夏季制冷工况的工作原理：并联压缩机51回路在夏季制冷工况下不投入使用；打开电磁阀13、14，关闭电磁阀11，普通热泵部分压缩机的排气依次通过四通阀2、电磁阀14、室外侧换热器8、制冷膨胀阀7、电磁阀13、单向阀5、室内侧换热器3、四通阀2、气液分离器10回到压缩机1，完成制冷循环。

一般冬季制热工况的工作原理：并联压缩机5 1回路在一般冬季制热工况下不投入使用；打开电磁阀13、14，关闭电磁阀11，普通热泵部分压缩机的排气依次通过四通阀2、室内侧换热器3、制热膨胀阀8、电磁阀13、单向阀6、室外侧换热器8、电磁阀14、四通阀2、气液分离器10回到压缩机1，完成制热循环。

严寒冬季制热工况的工作原理：打开电磁阀11，关闭电磁阀13、14，此时，并联压缩机51的制冷剂回路参加工作。压缩机51的高温高压排气进入冷凝蒸发器12内把热量传递给普通热泵的低温低压制冷剂，然后通过制热膨胀阀53、单向阀54进入换热器8，并由管子55进入气液分离器56，回到压缩机51，完成一个循环。普通热泵部分压缩机的排气依次通过四通阀2、室内侧换热器3、制热膨胀阀8、电磁阀11、冷凝蒸发器12、制冷剂管15，16、四通阀2、气液分离器10回到压缩机1，完成严寒冬季制热工况制热循环。这样，在寒冷的冬季，压缩机1、51的压比和排气温度都可以控制在合理的范围内，从而提高了热泵装置的可靠性，保证它能够长期在低温环境中稳定运行。

另一方面，虽然在严寒冬季制热工况下同时开启了压缩机1和51，但因压缩机1和51的压比P_k，2/P_0，2、P_k，1/P_0，2较小；而排气量为V_k的压缩机的理论压缩功率N_a为 $N_a=V_k\frac{k}{k-1}{P}_0[{(P_k/P_0)}^{\frac{k}{k-1}}-1],$ 这样降低压比也节约了单位质量制冷剂的压缩功；采用复叠循环的同时大幅度降低了进入低温部分室外侧制冷剂/空气换热器制冷剂的温度，使得单位质量制冷剂能从空气中获取更多的热量，从而提高了热泵在严寒冬季制热工况运行的性能系数和制热能力。

在本实施例中，也可以把并联回路通过单向阀6的一端B与普通热泵系统连接，其工作原理不变。

实施例2

用制冷剂/水换热器20代替普通热泵部分的制冷剂/空气换热器3，用水泵22代替风机4，则可以把制冷剂的冷、热量先传递给中间介质水，再通过室内末端设备将水介质携带的冷、热量传递给室内空气，得到另一实施例，如附图4所示(其中实线箭头表示制冷线路，虚线箭头表示制热线路，带圆点的虚线箭头表示低温制热线路)。除了把制冷剂的冷、热量先传递给中间介质水外，本实施例在夏季制冷工况、一般冬季制热工况和严寒冬季制热工况的工作原理与上一实施例相同。

本方案所提出的一种用于寒冷地区的热泵系统及其装置，不仅具有普通热泵装置在夏季制冷工况、一般冬季制热工况的性能和功能，而且能在-18℃的严寒冬季制热工况稳定、可靠地长期运行，具有足够的制热量和较高的性能系数，压缩机的排气温度低于120℃，能够在没有辅助热源的条件下满足寒冷地区冬季的采暖要求；同时，系统简单，体积小，成本低，具有广泛的推广使用前景。

Claims (5)

1、一种用于寒冷地区的热泵装置，包括一个热泵装置，该热泵装置包括压缩机、四通阀、室外侧制冷剂/空气换热器、室外侧风机、制冷节流阀与单向阀并联组成的制冷节流部件、电磁阀、制热节流阀与单向阀并联组成的制热节流部件、室内侧制冷剂/空气换热器、室内侧风机、气液分离器、制冷剂连接管路；其特征是：在热泵装置室外侧换热器上并联一个压缩机和膨胀阀组成的回路，所并联的压缩机回路包括压缩机、电磁阀、制热毛细管、气液分离器、制冷剂连接管路。

2、根据权利要求1所述的一种用于寒冷地区的热泵装置，其特征在于：制冷和制热节流阀为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀；压缩机为定频、变频或变容压缩机；制冷剂/空气换热器为翅片管式换热器，室内侧风机为离心风机或贯流风机，室外侧风机为轴流风机。

3、根据权利要求1所述的一种用于寒冷地区的热泵装置，其特征在于：在热泵的(A、E)处通过制冷剂连接管(15)并联了电磁阀(11)和冷凝蒸发器(12)。

4、根据权利要求1所述的一种用于寒冷地区的热泵装置，其特征在于：在热泵的室外侧换热器(8)的两端(C、D)处并联了单向阀(54)、膨胀阀(53)、压缩机(51)和气液分离器(56)；在寒冷制热工况时，换热器(8)与压缩机(51)组成回路，压缩机排出的高温高压气体在冷凝蒸发器(12)处冷凝，在换热器(8)处蒸发。

5、根据权利要求1所述的一种用于寒冷地区的热泵装置，其特征在于：室内侧制冷剂/空气换热器和风机及电机可以由制冷剂/水换热器和水泵代替，通过中间介质水来传递制冷剂的冷量或热量；制冷剂/水换热器为板式换热器、套管式换热器或盘管式换热器。

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