PL243376B1

PL243376B1 - Air-to-water heat pump system with a rotary defrost unit and a method of optimizing the operation of an air-to-water heat pump

Info

Publication number: PL243376B1
Application number: PL438230A
Authority: PL
Inventors: Marek JĘDRZEJCZAK; Marek Jędrzejczak
Original assignee: Jedrzejczak Marek
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2023-08-14
Also published as: PL441486A1; PL438230A1; PL242845B1

Abstract

Ujawniono układ pompy ciepła powietrze-woda zawierający połączone w obiegu termodynamicznym zespół dolnego źródła ciepła i zespół górnego źródła ciepła, gdzie zespół dolnego źródła ciepła zasilany jest powietrzem zewnętrznym, a dolne źródło ciepła ma co najmniej dwa pracujące naprzemiennie parowniki (1, 2) ukształtowane jako półokręgi tworzące dolne źródło ciepła o cylindrycznym kształcie jednostki z wentylatorem zamontowanym osiowo względem zespołu dolnego źródła ciepła w jego górnej części, wyposażony w zespół odtajania, w którym możliwa jest realizacja procesu odtajania i osuszania powierzchni wymiany ciepła parownika, a także poprawa efektywności energetycznej układu pompy ciepła.An air-water heat pump system is disclosed, comprising a lower heat source unit and an upper heat source unit connected in a thermodynamic cycle, where the lower heat source unit is powered by external air, and the lower heat source has at least two alternatingly operating evaporators (1, 2) shaped as semi-circles forming a lower heat source with a cylindrical unit shape with a fan mounted axially in relation to the lower heat source assembly in its upper part, equipped with a defrosting unit in which it is possible to implement the process of defrosting and drying the heat exchange surface of the evaporator, as well as improving the energy efficiency of the heat pump system .

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest pompa ciepła powietrze-woda z rotacyjnym zespołem odtajania i sposób optymalizacji pracy pompy ciepła powietrze-woda zwłaszcza procesu odtajania.The subject of the invention is an air-water heat pump with a rotary defrost unit and a method for optimizing the operation of an air-water heat pump, especially the defrosting process.

W powietrznych pompach ciepła z powodu niskiej temperatury czynnika w parowniku, na wymienniku formuje się warstwa lodu. Zjawisko szronienia wymiennika występuje zwykle przy temperaturze powietrza zewnętrznego poniżej 7°C. Z powodu wysokiej wilgotności powietrza zewnętrznego, para wodna skrapla się na zimnej powierzchni parownika i zamarza. Akumulacja warstwy lodu ogranicza przepływ powietrza i powoduje iż wymiennik traci zdolność wymiany ciepła z powietrzem zewnętrznym. Prowadzi to do znacznego spadku wydajności parownika, a tym samym spadku efektywności całego układu pompy ciepła i jego współczynnika wydajności COP (ang. Coefficient of Performance). Ze względu na konieczność okresowego usuwania warstwy lodu parownik pompy ciepła nie może pracować w sposób ciągły. Ilość cykli odtajania zależy od aktualnie panujących warunków powietrza zewnętrznego.In air heat pumps, due to the low temperature of the refrigerant in the evaporator, a layer of ice forms on the exchanger. Heat exchanger frosting usually occurs when the outside air temperature is below 7°C. Due to the high humidity of the outside air, water vapor condenses on the cold surface of the evaporator and freezes. The accumulation of the ice layer restricts the air flow and causes the heat exchanger to lose its ability to exchange heat with the outside air. This leads to a significant decrease in the efficiency of the evaporator, and thus a decrease in the efficiency of the entire heat pump system and its COP (Coefficient of Performance). Due to the need to periodically remove the ice layer, the heat pump evaporator cannot run continuously. The number of defrost cycles depends on the actual outdoor air conditions.

Znane jest ze stanu techniki rozwiązanie, w którym przez parownik kieruje się czynnik o wyższym potencjale termodynamicznym, układ wyposażony jest w oddzielny obieg zawierający źródło ciepła do zasilania parownika. Podczas przeprowadzania procesu odtajania układ jest nieaktywny, a skraplacz nie dostarcza ciepła.Known from the state of the art is a solution in which a medium with a higher thermodynamic potential is directed through the evaporator, the system is equipped with a separate circuit containing a heat source to supply the evaporator. During the defrost process, the system is inactive and the condenser does not supply heat.

Znany jest ze stanu techniki układ pompy ciepła wykorzystujący do odtajania wymiennika rewersyjną pracę parownik-skraplacz. Układ wyposażony jest w zawór 4-drogowy zainstalowany na linii wlotu i wylotu ze sprężarki. W celu odtajania parownika następuje odwrócenie kierunku przepływu czynnika chłodniczego w obiegu. Zmiana pozycji zaworu 4-drogowego powoduje, że parownik staje się skraplaczem. W procesie odtajania parownika czynnik chłodniczy oddaje ciepło do odtajanego parownika, który przyjmuje funkcję skraplacza. Podczas realizacji procesu odtajania występują przerwy w produkcji ciepła. Pompa ciepła, w okresach usuwania lodu z powierzchni parownika pracuje w trybie chłodzenia, wykorzystując energię pobraną z obsługiwanego układu.Known from the state of the art is a heat pump system that uses reverse operation of the evaporator-condenser to defrost the exchanger. The system is equipped with a 4-way valve installed on the inlet and outlet lines of the compressor. To defrost the evaporator, the flow direction of the refrigerant in the circuit is reversed. Changing the position of the 4-way valve causes the evaporator to become the condenser. In the process of defrosting the evaporator, the refrigerant transfers its heat to the defrosted evaporator, which takes on the function of the condenser. There are interruptions in heat production during the defrost process. The heat pump, during the periods of ice removal from the evaporator surface, operates in the cooling mode, using the energy taken from the serviced system.

Znany jest układ pompy ciepła wykorzystujący włączenie dodatkowego wymiennika do rewersyjnej pracy w celu odtajania parownika, gdzie obieg czynnika sterowany jest przy pomocy zaworów 2-drogowych. W opisie patentowym EP 2 516 942 B1 przedstawiono układ zawierający rozwiązanie włączenia szeregowo dodatkowego wymiennika ciepła pomiędzy skraplacz i parownik. Dodatkowy wymiennik pracuje w trybie odtajania rewersyjnie jako parownik lub jako skraplacz, w zależności od pozycji zaworów 2-drogowych. Z opisu patentu EP 0 128 108 B1 znane jest rozwiązanie, w którym układ zawiera wiele wymienników włączonych równolegle do obiegu. Zmiana konfiguracji przepływu czynnika odbywa się przy pomocy zaworów 2-drogowych. Układ obejmuje, w celu odtajania wymiennika, co najmniej dwa rewersyjne zewnętrzne wymienniki pracujące naprzemiennie jako parownik lub jako skraplacz, gdzie na czas odtajania obieg jednostki wewnętrznej zostaje odcięty.A heat pump system is known that uses an additional exchanger for reversible operation to defrost the evaporator, where the circulation of the refrigerant is controlled by means of 2-way valves. The patent description EP 2 516 942 B1 presents a system containing a solution for connecting an additional heat exchanger in series between the condenser and the evaporator. The additional coil operates in defrost mode reversing as an evaporator or as a condenser, depending on the position of the 2-way valves. From the description of patent EP 0 128 108 B1, a solution is known in which the system includes many exchangers connected in parallel to the circuit. The refrigerant flow configuration is changed using 2-way valves. The system includes, in order to defrost the exchanger, at least two reversible external exchangers working alternately as an evaporator or as a condenser, where the circuit of the indoor unit is cut off for the time of defrosting.

Znany jest układ pompy ciepła wykorzystujący szeregowe włączenie w układzie dwóch lub więcej parowników i ich naprzemienną pracę do realizacji procesu odtajania wymiennika. W opisie patentu EP 1 598 611 ujawniono układ pompy ciepła zawierający dwa rzędy parownika pracujące naprzemiennie w trybie odtajania, gdzie układ realizuje proces przy zastosowaniu jednego lub dwóch zaworów 4-drogowych oraz dwóch zaworów rozprężnych. W zgłoszeniu EP 2 447 096 A1 ujawniono układ pompy ciepła wyposażony do realizacji procesu odtajania w dwa parowniki pracujące naprzemiennie jako dochładzacz/parownik oraz dwa zawory rozprężne i zawór 4-drogowy. W patencie PL 209 839 B1 ujawniono wodną pompę ciepła zawierającą, skraplacz, doziębiacz, jeden element rozprężny oraz zawór 4-drogowy do naprzemiennej rewersyjnej zmiany kierunku obiegu czynnika chłodniczego w trybie odtajania. W zgłoszeniu patentowym P.430903 ujawniono pompę ciepła zawierającą dolne i górne źródło ciepła oraz jeden element rozprężający, gdzie dolne źródło ciepła zawiera rewersyjne parownik i doziębiacz pracujące naprzemiennie w celu realizacji procesu odtajania, gdzie zamiana obiegu czynnika odbywa się za pomocą zaworu 4-drogowego.There is known a heat pump system that uses serial inclusion of two or more evaporators in the system and their alternating operation to perform the process of defrosting the exchanger. EP 1 598 611 discloses a heat pump system comprising two evaporator rows operating alternately in defrost mode, where the system performs the process using one or two 4-way valves and two expansion valves. EP 2 447 096 A1 discloses a heat pump system equipped for the defrost process with two evaporators operating alternately as a subcooler/evaporator and two expansion valves and a 4-way valve. Patent PL 209 839 B1 discloses a water heat pump comprising, a condenser, a refrigerant, one expansion element and a 4-way valve for alternately reversing refrigerant circulation in defrost mode. Patent application P.430903 discloses a heat pump comprising a lower and an upper heat source and one expansion element, where the lower heat source includes a reversible evaporator and refrigerant working alternately to perform the defrosting process, where the refrigerant circuit is changed by a 4-way valve.

Istotnym problemem niepodejmowanym w dotychczasowych rozwiązaniach jest brak osuszania parownika po procesie odtajania, co powoduje, że powierzchnia wymiany ciepła parownika ulega ponownie oszronieniu w krótkim czasie. Celem rozwiązania według wynalazku jest realizacja procesu odtajania i osuszania powierzchni wymiany ciepła parownika, a także poprawa efektywności energetycznej układu pompy ciepła.An important problem not addressed in the previous solutions is the lack of drying of the evaporator after the defrosting process, which causes the heat exchange surface of the evaporator to become frosted again in a short time. The purpose of the solution according to the invention is to implement the process of defrosting and drying the heat exchange surface of the evaporator, as well as to improve the energy efficiency of the heat pump system.

Układ pompy ciepła powietrze-woda według wynalazku, zawiera połączone w obiegu termodynamicznym zespół dolnego źródła ciepła i zespół górnego źródła ciepła, gdzie zespół dolnego źródła ciepła zasilany jest powietrzem zewnętrznym, a dolne źródło ciepła ma co najmniej dwa pracujące naprzemiennie parowniki ukształtowane jako półokręgi tworzące dolne źródło ciepła o cylindrycznym kształcie jednostki z wentylatorem zamontowanym osiowo względem zespołu w jego górnej części, wyposażony w zespół odtajania. Zespół ten charakteryzuje się tym, że co najmniej dwa działające naprzemiennie parowniki połączone są z zespołem zaworowym złożonym z dwóch par automatycznych zaworów trójdrogowych, przypadających odpowiednio na każdy parownik zespołu dolnego źródła ciepła wyposażonego w rotacyjną przesłonę. Parowniki połączone są szeregowo w układzie zamkniętym ze skraplaczem. Króciec wylotowy parownika pierwszego łączy się poprzez port przelotowy drugiego zaworu trójdrogowego ze stroną ssawną sprężarki, połączoną po stronie tłocznej ze skraplaczem, którego króciec odpływowy łączy się poprzez by-pass trzeciego zaworu trójdrogowego z wlotem parownika drugiego, gdzie wylot z parownika drugiego połączony jest poprzez by-pass czwartego zaworu trójdrogowego z zaworem rozprężnym i poprzez port przelotowy pierwszego zaworu trójdrogowego łączy się z wlotem parownika pierwszego. Króciec wylotowy parownika drugiego łączy się poprzez by-pass drugiego zaworu trójdrogowego ze stroną ssawną sprężarki, połączoną po stronie tłocznej ze skraplaczem, którego króciec odpływowy łączy się poprzez port przelotowy trzeciego zaworu trójdrogowego z wlotem parownika pierwszego, gdzie wylot z parownika pierwszego połączony poprzez port przelotowy czwartego zaworu trójdrogowego z zaworem rozprężnym i poprzez by-pass pierwszego zaworu trójdrogowego łączy się z wlotem parownika drugiego. Wspomniana rotacyjna przesłona ukształtowana jest na zespole dolnego źródła ciepła, do osłaniania zaszronionego parownika przechodzącego w tryb odtajania.The air-water heat pump system according to the invention includes a lower heat source unit and an upper heat source unit connected in a thermodynamic cycle, where the lower heat source unit is supplied with external air, and the lower heat source has at least two alternately working evaporators shaped as semi-circles forming the lower a heat source with a cylindrical shape of the unit with a fan mounted axially in relation to the unit in its upper part, equipped with a defrost unit. This assembly is characterized by the fact that at least two alternately operating evaporators are connected to a valve assembly consisting of two pairs of automatic three-way valves, respectively for each evaporator of the lower heat source assembly equipped with a rotary shutter. Evaporators are connected in series in a closed system with a condenser. The discharge port of the first evaporator connects through the port of the second 3-way valve to the suction side of the compressor, connected on the discharge side to the condenser, the discharge port of which connects via the by-pass of the third 3-way valve to the inlet of the second evaporator, where the outlet of the second evaporator is connected by -pass of the fourth 3-way valve to the expansion valve and through the port of the first 3-way valve connects to the inlet of the first evaporator. The outlet port of the second evaporator is connected through the by-pass of the second three-way valve with the suction side of the compressor, connected on the discharge side with the condenser, the discharge port of which is connected through the port of the third three-way valve with the inlet of the first evaporator, where the outlet of the first evaporator is connected through the port the fourth three-way valve with the expansion valve and through the by-pass of the first three-way valve connects to the inlet of the second evaporator. Said rotary shutter is formed on the brine unit to shield the frosted evaporator going into defrost mode.

Korzystnie wspomniany zespół zaworowy jest wyposażony w siłowniki podłączone do sterownika do automatycznej zmiany kierunku obiegu czynnika chłodniczego i zmiany funkcji parowników.Preferably, said valve assembly is provided with actuators connected to the controller for automatically reversing the circulation of the refrigerant and changing the function of the evaporators.

Korzystnie rotacyjna przesłona jest podłączona do sterownika do automatycznego skierowania przesłony na pozycję osłonięcia odtajanego parownika.Preferably, the rotary shutter is connected to a controller to automatically direct the shutter to the evaporator defrost shield position.

Korzystnie parowniki tworzące dolne źródło ciepła są wymiennikami giętymi ożebrowanymi.Preferably, the evaporators forming the lower heat source are bent, ribbed exchangers.

Korzystnie rotacyjna przesłona ma postać współśrodkowych półokręgów zamontowanych po obu stronach parownika, współosiowo względem wentylatora zespołu dolnego źródła ciepła.Preferably, the rotary shutter is in the form of concentric semicircles mounted on both sides of the evaporator, coaxially with respect to the fan of the heat source unit.

Korzystnie rotacyjna przesłona składa się z dwóch pełnych części wewnętrznej i zewnętrznej, które są izolowane termicznie.Preferably, the rotary shutter consists of two full inner and outer parts, which are thermally insulated.

Korzystnie obydwie części rotacyjnej przesłony wyposażone są w element szczotkowy rozmieszczony wzdłuż jej wysokości, zapobiegający infiltracji powietrza zewnętrznego do przestrzeni między parownikiem odtajanym a przesłoną, przy zachowaniu swobodnego ruchu przesłony.Preferably, both parts of the rotating shutter are equipped with a brush element located along its height, preventing the infiltration of outside air into the space between the defrosting evaporator and the shutter, while maintaining free movement of the shutter.

Korzystnie obieg pompy ciepła ogrzewa w górnym źródle wodę lub roztwór glikolu.Preferably, the heat pump circuit heats the water or glycol solution in the upper source.

Sposób optymalizacji pracy pompy ciepła powietrze-woda, w którym wykorzystuje się naprzemienną pracę co najmniej dwóch parowników charakteryzuje się tym, że proces odtajania parownika drugiego przeprowadza się poprzez skierowanie czynnika chłodniczego z parownika pierwszego poprzez port przelotowy drugiego zaworu trójdrogowego na sprężarkę, następnie czynnik kieruje się do skraplacza, następnie skroplony czynnik jest kierowany poprzez by-pass trzeciego zaworu trójdrogowego do parownika, następnie dochłodzony czynnik kieruje się poprzez by-pass czwartego zaworu trójdrogowego do zaworu rozprężnego, następnie rozprężony czynnik kierowany jest poprzez port przelotowy pierwszego zaworu trójdrogowego do parownika pierwszego, jednocześnie rotacyjna przesłona zostaje skierowana na pozycję osłonięcia parownika drugiego. Proces odtajania parownika pierwszego przeprowadza się poprzez skierowanie czynnika chłodniczego z parownika drugiego poprzez by-pass drugiego zaworu trójdrogowego na sprężarkę, następnie czynnik kieruje się do skraplacza, następnie skroplony czynnik jest kierowany poprzez port przelotowy trzeciego zaworu trójdrogowego do parownika pierwszego, następnie dochłodzony czynnik kieruje się poprzez port przelotowy czwartego zaworu trójdrogowego do zaworu rozprężnego, następnie rozprężony czynnik kierowany jest poprzez by-pass pierwszego zaworu trójdrogowego do parownika drugiego, jednocześnie rotacyjna przesłona zostaje skierowana na pozycję osłonięcia parownika pierwszego do ograniczenia wymiany ciepła pomiędzy powietrzem zewnętrznym a osłoniętym parownikiem pierwszym. Wentylator pracujący w sposób ciągły wymusza przepływ powietrza zewnętrznego opływającego nieosłonięty parownik. Proces odtajania jednego ze wspomnianych parowników, prowadzi się aż do momentu zakończenia cyklu odtajania wymiennika, gdzie poprzez sterownik przełączając tryb pracy zaworów trójdrogowych generuje się ponowną zmianę kierunku obiegu czynnika a tym samym zmianę funkcji parowników oraz zmianę pozycji rotacyjnej przesłony, na pozycję osłonięcia odtajanego parownika.The method of optimizing the operation of the air-to-water heat pump, which uses alternating operation of at least two evaporators, is characterized by the fact that the defrosting process of the second evaporator is carried out by directing the refrigerant from the first evaporator through the port of the second three-way valve to the compressor, then the refrigerant is directed to the condenser, then the condensed refrigerant is directed through the by-pass of the third three-way valve to the evaporator, then the subcooled refrigerant is directed through the by-pass of the fourth three-way valve to the expansion valve, then the expanded refrigerant is directed through the port of the first three-way valve to the first evaporator, simultaneously the rotating shutter is directed to the second evaporator shielding position. The defrost process of the first evaporator is carried out by directing the refrigerant from the second evaporator through the by-pass of the second three-way valve to the compressor, then the refrigerant is directed to the condenser, then the condensed refrigerant is directed through the port of the third three-way valve to the first evaporator, then the subcooled refrigerant is directed through the port of the fourth three-way valve to the expansion valve, then the expanded medium is directed through the by-pass of the first three-way valve to the second evaporator, at the same time the rotating shutter is directed to the position of shielding the first evaporator to limit the heat exchange between the external air and the shielded first evaporator. The fan operating continuously forces the flow of external air flowing around the bare evaporator. The process of defrosting one of the mentioned evaporators is carried out until the end of the exchanger defrosting cycle, where the controller, by switching the three-way valves operation mode, generates a new change in the direction of the refrigerant circulation, and thus a change in the function of the evaporators and a change in the position of the rotary shutter to the position of protecting the defrosted evaporator.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku możliwa jest realizacja procesu odtajania parownika powietrznej pompy ciepła, przy zachowaniu wysokiej efektywności energetycznej układu.Thanks to the solution according to the invention, it is possible to perform the process of defrosting the air heat pump evaporator, while maintaining high energy efficiency of the system.

Obniżenie zużycia energii elektrycznej do realizacji procesu odtajania wynika ze wzajemnego współdziałania elementów układu i optymalizacji jego pracy. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia realizowanie procesu odtajania przy całkowitym osuszeniu powierzchni wymiany ciepła parownika. Zastosowanie rotacyjnej przesłony zapewnia realizację procesu sublimacji lub roztopienia lodu, podgrzania kondensatu i późniejszego jego odparowania. Dzięki rozwiązaniu według wynalazku ilość cykli odtajania zostaje zredukowana a czas pomiędzy nimi wydłużony. Nieosuszona powierzchnia wymiennika ciepła ulega ponownemu oszronieniu w krótszym czasie ze względu na występowanie jąder krystalizacji w postaci kropel wilgoci i zawieszonych w niej zanieczyszczeń. Rozwiązanie według wynalazku zapewnia osuszenie powierzchni wymiany ciepła, co zwłaszcza w warunkach ujemnej temperatury, jest niezwykle istotne dla wydłużenia czasu aktywności wymiennika.The reduction of electricity consumption for the defrosting process results from the mutual interaction of system elements and optimization of its operation. The solution according to the invention enables the defrosting process to be carried out with complete drying of the heat exchange surface of the evaporator. The use of a rotating diaphragm ensures the process of sublimation or ice melting, heating of the condensate and its subsequent evaporation. Thanks to the solution according to the invention, the number of defrost cycles is reduced and the time between them is extended. The non-dried surface of the heat exchanger becomes frosted again in a shorter time due to the presence of crystallization nuclei in the form of moisture droplets and impurities suspended in it. The solution according to the invention ensures drying of the heat exchange surface, which, especially in conditions of sub-zero temperatures, is extremely important for extending the time of the exchanger's activity.

Proponowane rozwiązanie pozwala na ciągłą pracę pompy ciepła w warunkach zewnętrznych, w których występuje zjawisko formowania warstwy lodu na powierzchni wymiennika. Naprzemienna praca wymienników dolnego źródła ciepła, zapewniana przez automatycznie sterowany zespół zaworów i przesłony według wynalazku, gwarantuje jednostajną pracę układu pompy ciepła i stałe zasilenie energią cieplną górnego źródła. Wysoka stabilność i niezawodność układu pozwala na dotrzymanie wyjściowych parametrów temperaturowych wymaganych przez układ odbiorczy. Do przeprowadzenia odtajania parownika nie jest wymagane dostarczanie dodatkowej energii elektrycznej. Zespół odtajania w rozwiązaniu według wynalazku pozwala na odzyskanie energii z procesu odtajania wymiennika do dochłodzenia ciekłego czynnika.The proposed solution allows for continuous operation of the heat pump in outdoor conditions with the formation of an ice layer on the surface of the heat exchanger. The alternating operation of the lower heat source exchangers, provided by the automatically controlled set of valves and shutters according to the invention, guarantees uniform operation of the heat pump system and constant supply of heat energy to the upper source. The high stability and reliability of the system allows to keep the output temperature parameters required by the receiving system. No additional electrical power is required to defrost the evaporator. The defrosting unit in the solution according to the invention allows for recovery of energy from the exchanger defrosting process to subcool the liquid medium.

Efektem, powyżej wspomnianego zespołu cech technicznych wynalazku jest wysoki bilans całoroczny mocy cieplnej oddawanej przez skraplacz, przy jednoczesnym mniejszym zużyciu energii elektrycznej a zatem wysoka efektywność energetyczna układu.The effect of the above-mentioned set of technical features of the invention is a high year-round balance of thermal power given off by the condenser, with simultaneous lower consumption of electricity, and thus high energy efficiency of the system.

Zaproponowany wynalazek zawiera zoptymalizowany zespół odtajania dolnego źródła ciepła o uproszczonej konstrukcji. W rozwiązaniu według wynalazku zastosowanie rotacyjnej przesłony zapewnia ograniczenie liczby wentylatorów, a zatem układ dolnego źródła ciepła zawiera jeden wspólny wentylator do obsługi dwóch wymienników ciepła. Dodatkowo, do realizacji procesu odtajania według wynalazku nie stosuje się dodatkowych zaworów rozprężnych czy obiegów grzewczych. Cylindryczne ukształtowanie układu dolnego źródła według wynalazku umożliwia skalowanie jego wielkości poprzez zwiększanie średnicy cylindra utworzonego z zespołu parowników oraz wentylatora, pozwalając na proporcjonalne dopasowanie komponentów układu do uzyskania pożądanej wydajności przy zachowaniu optymalizacji jego konstrukcji.The proposed invention includes an optimized brine defrost unit with a simplified design. In the solution according to the invention, the use of a rotating shutter reduces the number of fans, and therefore the heat source system includes one common fan for servicing two heat exchangers. In addition, no additional expansion valves or heating circuits are used to implement the defrost process according to the invention. The cylindrical shape of the heat source system according to the invention makes it possible to scale its size by increasing the diameter of the cylinder made of the set of evaporators and the fan, allowing for proportional adjustment of the system components to achieve the desired efficiency while maintaining the optimization of its construction.

Przedmiot wynalazku został zaprezentowany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym na fig. 1 przedstawiono schemat ideowy układu pompy ciepła dla konfiguracji, w której parownik 2 jest odtajany, a parownik 1 jest aktywny; na fig. 2 przedstawiono uproszczony widok z góry układu pompy ciepła; na fig. 3 przedstawiono na wykresie w układzie temperatura-entropia obieg chłodniczy realizowany przez pompę ciepła, dla korzystnego wariantu realizacji układu i sposobu zgodnie z przykładem 2; na fig. 4 przedstawiono realizowany przez pompę ciepła przebieg zmiany temperatury ciekłego czynnika w procesie odtajania, temperatury powierzchni wymiany ciepła oraz ilości wymienionego ciepła w zależności od temperatury i czasu, dla korzystnego wariantu realizacji układu i sposobu zgodnie z przykładem 2; na fig 5 przedstawiono wykres mocy grzewczej urządzenia w czasie 1 godziny dla układu odpowiednio naprzemiennego bez przesłony, układu rewersyjnego oraz układu z przesłoną według wynalazku.The subject of the invention is presented in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic diagram of the heat pump system for the configuration in which the evaporator 2 is defrosted and the evaporator 1 is active; Fig. 2 shows a simplified plan view of the heat pump system; Fig. 3 shows a temperature-entropy diagram of a refrigeration circuit implemented by a heat pump for a preferred embodiment of the system and method in accordance with example 2; Fig. 4 shows the course of changes in the temperature of the liquid medium in the defrosting process, the temperature of the heat exchange surface and the amount of exchanged heat, carried out by the heat pump, depending on the temperature and time, for the preferred embodiment of the system and method in accordance with example 2; Fig. 5 shows a diagram of the heating power of the device over 1 hour for the alternating system without a shutter, the reverse system and the system with a shutter according to the invention, respectively.

Przykład 1Example 1

Układ pompy ciepła powietrze-woda według wynalazku, zawiera połączone w obiegu termodynamicznym zespół dolnego źródła ciepła i zespół górnego źródła ciepła, gdzie zespół dolnego źródła ciepła zasilany jest powietrzem zewnętrznym, a dolne źródło ciepła ma co najmniej dwa pracujące naprzemiennie parowniki 1, 2 ukształtowane jako półokręgi tworzące dolne źródło ciepła o cylindrycznym kształcie jednostki z wentylatorem 10 zamontowanym osiowo względem zespołu dolnego źródła ciepła w jego górnej części, wyposażony w zespół odtajania. Działające naprzemiennie parowniki 1, 2 połączone są z zespołem zaworowym złożonym z dwóch par automatycznych zaworów trójdrogowych 3, 4 i 5, 6 przypadających odpowiednio na każdy parownik 1 i 2 zespołu dolnego źródła ciepła wyposażonego w rotacyjną przesłonę 11. Parowniki 1, 2 połączone są szeregowo w układzie zamkniętym ze skraplaczem 9. Króciec wylotowy parownika pierwszego 1 aktywnego łączy się poprzez port przelotowy drugiego zaworu trójdrogowego 4 ze stroną ssawną sprężarki 8, połączoną po stronie tłocznej ze skraplaczem 9, którego króciec odpływowy łączy się poprzez by-pass trzeciego zaworu trójdrogowego 5 z wlotem parownika drugiego 2 odtajanego, gdzie wylot z parownika drugiego 2 odtajanego połączony jest poprzez by-pass zaworu czwartego trójdrogowego 6 z zaworem rozprężnym 7 i poprzez port przelotowy pierwszego zaworu trójdrogowego 3 łączy się z wlotem parownika pierwszego 1 aktywnego. Króciec wylotowy parownika drugiego 2 aktywnego łączy się poprzez by-pass drugiego zaworu trójdrogowego 4 ze stroną ssawną sprężarki 8, połączoną po stronie tłocznej ze skraplaczem 9, którego króciec odpływowy łączy się poprzez port przelotowy trzeciego zaworu trójdrogowego 5 z wlotem parownika pierwszego 1 odtajanego, gdzie wylot z parownika pierwszego 1 odtajanego połączony poprzez port przelotowy czwartego zaworu trójdrogowego 6 z zaworem rozprężnym 7 i poprzez by-pass pierwszego zaworu trójdrogowego 3 łączy się z wlotem parownika drugiego 2 aktywnego. Rotacyjna przesłona 11 ukształtowana jest na zespole dolnego źródła ciepła, do osłaniania zaszronionego parownika 1 lub 2 przechodzącego w tryb odtajania. Zespół zaworowy jest wyposażony w siłowniki podłączone do sterownika 12 do automatycznej zmiany kierunku obiegu czynnika chłodniczego i zmiany funkcji parowników 1 i 2. Rotacyjna przesłona 11 jest podłączona do sterownika 12 do automatycznego skierowania przesłony na pozycję osłonięcia odtajanego parownika 1 lub 2. Parowniki 1 i 2 tworzące dolne źródło ciepła są wymiennikami giętymi ożebrowanymi. Rotacyjna przesłona 11 ma postać współśrodkowych półokręgów zamontowanych po obu stronach parownika, współosiowo względem wentylatora 10 zespołu dolnego źródła ciepła. Rotacyjna przesłona 11 składa się z dwóch pełnych części wewnętrznej i zewnętrznej, które są izolowane termicznie. Obydwie części rotacyjnej przesłony 11 wyposażone są w element szczotkowy 13 rozmieszczony wzdłuż jego wysokości, zapobiegający infiltracji powietrza zewnętrznego do przestrzeni między parownikiem odtajanym a przesłoną, przy zachowaniu swobodnego ruchu przesłony 11. Obieg pompy ciepła ogrzewa w górnym źródle wodę lub roztwór glikolu.The air-water heat pump system according to the invention includes a lower heat source unit and an upper heat source unit connected in a thermodynamic cycle, where the lower heat source unit is supplied with external air, and the lower heat source has at least two alternating evaporators 1, 2 shaped as semicircles forming a bottom heat source with a cylindrical shape of the unit with a fan 10 mounted axially in relation to the heat source unit in its upper part, equipped with a defrost unit. Alternately operating evaporators 1, 2 are connected to a valve assembly consisting of two pairs of automatic three-way valves 3, 4 and 5, 6 for each evaporator 1 and 2 of the lower heat source unit equipped with a rotating shutter 11, respectively. Evaporators 1, 2 are connected in series in a closed system with a condenser 9. The outlet port of the first 1 active evaporator is connected through the port of the second three-way valve 4 with the suction side of the compressor 8, connected on the discharge side with the condenser 9, whose outlet port is connected through the by-pass of the third three-way valve 5 with the inlet of the second 2-defrost evaporator, where the outlet of the second 2-defrost evaporator is connected through the by-pass of the fourth three-way valve 6 to the expansion valve 7 and through the port of the first three-way valve 3 connects to the inlet of the first active evaporator. The outlet port of the second active evaporator 2 is connected through the by-pass of the second three-way valve 4 with the suction side of the compressor 8, connected on the discharge side with the condenser 9, whose outlet port is connected through the port of the third three-way valve 5 with the inlet of the first defrosted evaporator, where the outlet from the first 1 defrost evaporator connected through the port of the fourth three-way valve 6 to the expansion valve 7 and through the by-pass of the first three-way valve 3 connects to the inlet of the second active evaporator. A rotating shutter 11 is formed on the brine unit to shield frosted evaporator 1 or 2 going into defrost mode. The valve assembly is equipped with actuators connected to the controller 12 to automatically reverse the refrigerant circuit and change the function of evaporators 1 and 2. Rotating shutter 11 is connected to the controller 12 to automatically move the shutter to the defrosting position of evaporator 1 or 2. Evaporators 1 and 2 forming the lower heat source are bent and ribbed heat exchangers. The rotary shutter 11 is in the form of concentric semi-circles mounted on both sides of the evaporator coaxially with the fan 10 of the brine unit. The rotating shutter 11 consists of two solid inner and outer parts which are thermally insulated. Both parts of the rotating shutter 11 are equipped with a brush element 13 located along its height, preventing the infiltration of outside air into the space between the defrosting evaporator and the shutter, while maintaining the free movement of the shutter 11. The heat pump circuit heats water or glycol solution in the upper source.

Sposób optymalizacji pracy pompy ciepła powietrze-woda, w którym wykorzystuje się naprzemienną pracę co najmniej dwóch parowników i proces odtajania parownika drugiego 2 przeprowadza się poprzez skierowanie czynnika chłodniczego z parownika pierwszego 1 aktywnego poprzez port przelotowy drugiego zaworu trójdrogowego 4 na sprężarkę 8, następnie czynnik kieruje się do skraplacza 9, następnie skroplony czynnik jest kierowany poprzez by-pass trzeciego zaworu trójdrogowego 5 do parownika drugiego 2 odtajanego, następnie dochłodzony czynnik kieruje się poprzez by-pass czwartego zaworu trójdrogowego 6 do zaworu rozprężnego 7, następnie rozprężony czynnik kierowany jest poprzez port przelotowy pierwszego zaworu trójdrogowego 3 do parownika pierwszego 1 aktywnego, jednocześnie rotacyjna przesłona 11 zostaje skierowana na pozycję osłonięcia parownika drugiego 2 odtajanego. Proces odtajania parownika pierwszego 1 przeprowadza się poprzez skierowanie czynnika chłodniczego z parownika drugiego 2 aktywnego poprzez by-pass drugiego zaworu trójdrogowego 4 na sprężarkę 8, następnie czynnik kieruje się do skraplacza 9, następnie skroplony czynnik jest kierowany poprzez port przelotowy trzeciego zaworu trójdrogowego 5 do parownika pierwszego 1 odtajanego, następnie dochłodzony czynnik kieruje się poprzez port przelotowy czwartego zaworu trójdrogowego 6 do zaworu rozprężnego 7, następnie rozprężony czynnik kierowany jest poprzez by-pass pierwszego zaworu trójdrogowego 3 do parownika drugiego 2 aktywnego, jednocześnie rotacyjna przesłona 11 zostaje skierowana na pozycję osłonięcia parownika pierwszego 1 odtajanego do ograniczenia wymiany ciepła pomiędzy powietrzem zewnętrznym a osłoniętym parownikiem pierwszym 1 odtajanym. Wentylator 10 pracujący w sposób ciągły wymusza przepływ powietrza zewnętrznego opływającego nieosłonięty aktywny parownik 1 lub 2. Proces odtajania parownika 1 lub 2, prowadzi się aż do momentu zakończenia cyklu odtajania wymiennika, gdzie poprzez sterownik 12 przełączając tryb pracy zaworów trójdrogowych generuje się ponowną zmianę kierunku obiegu czynnika a tym samym zmianę funkcji parowników 1,2 oraz zmianę pozycji rotacyjnej przesłony 11, na pozycję osłonięcia odtajanego parownika 1 lub 2. Przykład 2The method of optimizing the operation of the air-water heat pump, which uses alternating operation of at least two evaporators and the process of defrosting the second evaporator 2, is carried out by directing the refrigerant from the first evaporator 1 active through the passage port of the second three-way valve 4 to the compressor 8, then the refrigerant is directed to the condenser 9, then the condensed refrigerant is directed through the by-pass of the third three-way valve 5 to the second thawed evaporator 2, then the subcooled refrigerant is directed through the by-pass of the fourth three-way valve 6 to the expansion valve 7, then the depressurized refrigerant is directed through the port the first three-way valve 3 to the first active evaporator 1, at the same time the rotating shutter 11 is directed to the position of the cover of the second evaporator 2 being defrosted. The defrost process of the first evaporator 1 is carried out by directing the refrigerant from the second evaporator 2 active through the by-pass of the second shunt 4 to the compressor 8, then the refrigerant is directed to the condenser 9, then the condensed refrigerant is directed through the port of the third shunt 5 to the evaporator first 1 defrosted, then the subcooled refrigerant is directed through the port of the fourth 3-way valve 6 to the expansion valve 7, then the decompressed refrigerant is directed through the by-pass of the first 3-way valve 3 to the second 2 active evaporator, at the same time the rotating diaphragm 11 is directed to the evaporator shielding position 1st 1st defrost to reduce heat transfer between the outdoor air and the shrouded 1st 1st defrost evaporator. The fan 10 operating continuously forces the flow of external air flowing around the unprotected active evaporator 1 or 2. The process of defrosting the evaporator 1 or 2 is carried out until the end of the exchanger defrosting cycle, where the controller 12, by switching the operation mode of the three-way valves, generates a new change in the circulation direction refrigerant and thus changing the function of evaporators 1, 2 and changing the position of the rotary shutter 11 to the position of covering the defrosted evaporator 1 or 2. Example 2

Układ pompy ciepła, oraz sposób optymalizacji pracy pompy ciepła powietrze-woda jak w przykładzie 1 z tym, że:The heat pump system and the method of optimizing the operation of the air-water heat pump as in example 1, with the following:

Obieg pompy ciepła wykorzystuje naturalny czynnik chłodniczy propan R290, przy czym przyjęto, że parownik 2 jest odtajany, a parownik 1 jest aktywny. Sprężarka 8 tłoczy czynnik roboczy (proces 1-2 na fig. 3) w ilości 300 kg/h który w skraplaczu 9 stanowiącym górne źródło ciepła oddaje do systemu grzewczego moc równą 37,9 kW (proces 2-3 na fig. 3). Skroplony czynnik roboczy o temperaturze 47°C, kierowany jest do parownika 2 odtajanego, gdzie zostaje dochłodzony do temperatury 5°C (proces 3-4), co zwiększa właściwą wydajność chłodniczą o 115 kJ/kg, doprowadzając jednocześnie moc grzewczą 9,5 kW do odtajanego parownika 2, co zapewnia sublimację warstwy lodu. Po dochłodzeniu czynnik jest dławiony w zaworze rozprężnym (proces 4-5), a następnie kierowany do parownika w którym odparowuje pobierając ciepło z otoczenia (proces 5-1). W korzystnym przykładzie wykonania, do parownika 2 osłoniętego przesłoną 11 kierowany jest ciekły czynnik chłodniczy o temperaturze 47°C. Ze względu na brak wymiany ciepła z otoczeniem, co zostaje osiągnięte dzięki zastosowaniu wspomnianej przesłony 11, ciepło dochładzania czynnika, zostaje stopniowo przekazane do parownika odtajanego 2, a następnie do roztopienia warstwy lodu. W warunkach niskiej temperatury zewnętrznej, równej 0°C, i przy wysokiej wilgotności względnej powietrza, równej 100%, w ciągu 1 godziny na powierzchni jednego z parowników 1,2 osadza się warstwa szronu równa 17,2 kg. W korzystnym wariancie wykonania, wspomniany parownik 1, 2 układu według wynalazku ma masę części ożebrowanej równą 48 kg, z czego miedź stanowi 22 kg, a aluminium 26 kg. Zgodnie z powyższymi obliczeniami oraz ze względu na fakt, że ciepło właściwe miedzi wynosi 0,38 kJ/(kg*K), a aluminium odpowiednio 0,9 kJ/(kg/*K), ilość ciepła potrzebna do ogrzania wymiennika ciepła do temperatury końca odtajania, równej 5°C, wynosi 290 kJ. Jednocześnie ilość ciepła potrzebna do roztopienia całej warstwy szronu, przy uwzględnieniu ciepła topnienia na poziomie 333 kJ/kg, wyniesie 5700 kJ. Masa roztopionego szronu, równa 57% spływa z powierzchni wymiennika ciepła i odpływa z układu. Pozostała, stanowiąca 43%, masa roztopionego szronu w postaci warstwy wilgoci o grubości rzędu 100 μm pozostaje na powierzchni parownika 1,2. Ciśnienie cząstkowe pary wodnej nasyconej przy temperaturze 0°C, a zatem temperaturze roztapiania szronu, wynosi 612 Pa. Wymiana wilgoci zachodzi według różnicy ciśnienia cząstkowego pomiędzy warstwą wody zwilżającą powierzchnię wymiany ciepła a powietrzem otaczającym. Skuteczne osuszenie powierzchni wymiany ciepła, wymaga uzyskania ciśnienia cząstkowego pary wodnej na powierzchni wymiennika ciepła wyższego od ciśnienia pary wodnej w powietrzu otaczającym. W związku z tym powierzchnia parownika 2 odtajanego zostaje ogrzana do temperatury co najmniej 5°C, przy której ciśnienie pary wodnej na powierzchni wspomnianego wymiennika wynosi 873 Pa. Uzyskana różnica ciśnienia cząstkowego wynosząca co najmniej 260 Pa pozwala na osuszenie powierzchni parownika 2, poprzez odparowanie pozostającej na jego powierzchni wilgoci. Przebieg zmiany temperatury ciekłego czynnika w procesie odtajania parownika 2, zgodnie z fig. 4, jest następujący: Ciekły czynnik roboczy o temperaturze 47°C odpływający ze skraplacza 9 ogrzewa wymiennik ciepła, przekazując w czasie 115 s ilość ciepła równą 130 kJ, co powoduje ogrzanie wymiennika z temperatury -4°C, do temperatury 0°C, co pozwala rozpocząć proces roztapiania warstwy szronu, jednocześnie obniżając temperaturę czynnika roboczego do 42°C. Proces roztapiania warstwy szronu kończy się po 780 s po przekazaniu przez czynnik roboczy 5700 kJ ciepła, co powoduje że temperatura czynnika zostaje obniżona do 34°C. Część roztopionego szronu spływa w postaci kondensatu, natomiast pozostałość, równa 57% zwilża powierzchnie wymiennika ciepła. Warstwa ta zostaje odparowana dzięki dostarczeniu kolejnych 18070 kJ ciepła w czasie 2470 s, co jednocześnie powoduje obniżenie temperatury ciekłego czynnika do 10°C. Cykl odtajania kończy się po dostarczeniu przez czynnik kolejnych 160 kJ ciepła, w czasie 230 s, co skutkuje podgrzaniem powierzchni wymiany ciepła do 5°C, zapewniającej osuszenie powierzchni wymiennika ciepła i jednocześnie zapobiegającej wtórnemu osadzaniu się wilgoci. Łączny czas odtajania wynosi 3600 s. Na fig. 3 przedstawiono korzystny skutek wynalazku w postaci zwiększenia mocy grzewczej pompy ciepła. Strumień ciepła przekazywanego przez urządzenie do systemu grzewczego w odniesieniu do jednostki czasu równy jest polu powierzchni pod wykresem oznaczonemu ukośnym kreskowaniem tj. obszarowi wyznaczonemu przez punkty 2-3-a-5-b-d. Pole to jest znacząco większe od pola oznaczonego kreskowaniem pionowym, wyznaczonego poprzez punkty 2-3-a-3*-c-d, będącego graficzną reprezentacją mocy grzewczej pomp ciepła bez odtajania na rzecz dochładzania czynnika ciekłego, tj. pomp ciepła z układem odtajania znanych z obecnego stanu techniki. Należy podkreślić, że zwiększenie mocy grzewczej pompy ciepła według wynalazku osiągane dzięki zastosowaniu przesłony, odbywa się bez zwiększenia pracy wymaganej do realizacji obiegu, a opisanej jako pole powierzchni wyznaczone punktami 1-2-3-a. Na fig. 5 przedstawiono kolejny korzystny skutek wynalazku. Jak pokazano na wykresie pompa ciepła według wynalazku przekazuje do układu odbiorczego stałą moc grzewczą. Inaczej niż w układzie rewersyjnym oraz układzie bez przesłony, w których występuje okresowe obniżenie lub nawet ujemny strumień ciepła przekazywanego do układu grzewczego.The heat pump circuit uses the natural refrigerant propane R290, assuming that evaporator 2 is defrosting and evaporator 1 is active. The compressor 8 pumps the working medium (process 1-2 in fig. 3) in the amount of 300 kg/h, which in the condenser 9 being the upper heat source gives power to the heating system equal to 37.9 kW (process 2-3 in fig. 3). The condensed working medium at a temperature of 47°C is directed to the thawed evaporator 2, where it is subcooled to a temperature of 5°C (process 3-4), which increases the specific cooling capacity by 115 kJ/kg, while providing a heating power of 9.5 kW to the thawing evaporator 2, which ensures the sublimation of the ice layer. After subcooling, the refrigerant is throttled in the expansion valve (process 4-5) and then directed to the evaporator where it evaporates by taking heat from the environment (process 5-1). In a preferred embodiment, a liquid refrigerant at a temperature of 47°C is directed to the evaporator 2, which is covered with a diaphragm 11. Due to the lack of heat exchange with the environment, which is achieved thanks to the use of the said diaphragm 11, the heat of subcooling the medium is gradually transferred to the defrosting evaporator 2, and then to the melting of the ice layer. At a low external temperature of 0°C and a high relative humidity of 100%, a layer of frost of 17.2 kg is deposited on the surface of one of the evaporators 1.2 within 1 hour. In a preferred embodiment, said evaporator 1, 2 of the system according to the invention has a mass of the finned part equal to 48 kg, of which copper constitutes 22 kg and aluminum 26 kg. According to the calculations above, and due to the fact that the specific heat of copper is 0.38 kJ/(kg*K) and that of aluminum is 0.9 kJ/(kg/*K), the amount of heat needed to heat the heat exchanger to end of defrost, equal to 5°C, is 290 kJ. At the same time, the amount of heat needed to melt the entire layer of frost, taking into account the heat of fusion at the level of 333 kJ/kg, will be 5700 kJ. The mass of melted frost, equal to 57%, flows from the surface of the heat exchanger and flows out of the system. The remaining 43% of the mass of melted frost in the form of a 100 μm thick layer of moisture remains on the surface of the evaporator 1,2. The partial pressure of saturated water vapor at 0°C, i.e. the frost melting temperature, is 612 Pa. Moisture exchange takes place according to the partial pressure difference between the layer of water wetting the heat exchange surface and the surrounding air. Effective drying of the heat exchange surface requires the partial pressure of water vapor on the surface of the heat exchanger to be higher than the water vapor pressure in the surrounding air. Accordingly, the surface of the defrosting evaporator 2 is heated to a temperature of at least 5°C, at which the water vapor pressure on the surface of said exchanger is 873 Pa. The resulting partial pressure difference of at least 260 Pa allows the surface of the evaporator 2 to be dried by evaporating the moisture remaining on its surface. The process of changing the temperature of the liquid medium in the process of defrosting the evaporator 2, according to Fig. 4, is as follows: The liquid working medium with a temperature of 47°C flowing from the condenser 9 heats the heat exchanger, transferring the amount of heat equal to 130 kJ in 115 s, which results in heating exchanger from -4°C to 0°C, which allows to start the process of melting the frost layer, while reducing the temperature of the working medium to 42°C. The process of melting the frost layer ends after 780 s after the working medium transfers 5700 kJ of heat, which causes the temperature of the medium to be lowered to 34°C. Part of the melted frost flows down as condensate, while the remainder, equal to 57%, wets the heat exchanger surfaces. This layer is evaporated due to the supply of another 18070 kJ of heat in 2470 s, which at the same time reduces the temperature of the liquid medium to 10°C. The defrost cycle ends after the refrigerant delivers another 160 kJ of heat in 230 seconds, which results in heating the heat exchange surface to 5°C, ensuring drying of the heat exchanger surface and preventing secondary deposition of moisture. The total defrost time is 3600 seconds. Fig. 3 shows the beneficial effect of the invention in terms of increasing the heat pump's heat output. The heat flux transferred by the device to the heating system in relation to a unit of time is equal to the area under the graph marked with diagonal hatching, i.e. the area designated by points 2-3-a-5-b-d. This area is significantly larger than the area marked with a vertical hatch, determined by points 2-3-a-3*-c-d, which is a graphical representation of the heating power of heat pumps without defrosting in favor of subcooling the liquid medium, i.e. heat pumps with a defrost system known from the current state of the art. It should be emphasized that the increase in the heating power of the heat pump according to the invention achieved by using the shutter does not increase the work required for the circulation, described as the surface area determined by points 1-2-3-a. Fig. 5 illustrates another advantageous effect of the invention. As shown in the diagram, the heat pump according to the invention transmits a constant heating power to the receiving system. Unlike the reverse system and the system without a cover, in which there is a periodic reduction or even a negative heat flux transferred to the heating system.

Z analizy parametrów technicznych przykładowego wariantu 2 wynika, że układ pompy ciepła powietrze-woda według wynalazku z rotacyjnym zespołem umożliwia efektywną energetycznie realizację procesu odtajania. Rotacyjna przesłona według wynalazku potęguje efekt odtajania, obniżając ilość energii i czasu wymaganych do realizacji procesu. Zastosowanie przesłony według wynalazku pozwala na bezwzględne osuszenie odtajanego wymiennika dzięki utrzymaniu wyższej temperatury powierzchni wymiennika, a zatem zapewnia dłuższy czas jego pracy trybie aktywnym.The analysis of the technical parameters of the exemplary variant 2 shows that the air-to-water heat pump system according to the invention with a rotary unit enables energy-efficient implementation of the defrosting process. The rotary shutter according to the invention enhances the defrosting effect, reducing the amount of energy and time required for the process. The use of the diaphragm according to the invention allows for absolute drying of the defrosted exchanger by maintaining a higher temperature of the exchanger surface, and thus ensures a longer time of its operation in the active mode.

Lista odnośników pierwszy parownik drugi parownik pierwszy zawór trójdrogowy drugi zawór trójdrogowy trzeci zawór trójdrogowy czwarty zawór trójdrogowy zawór rozprężny sprężarka skraplacz wentylator rotacyjna przesłona sterownik element szczotkowyReference list first evaporator second evaporator first 3-way valve 2nd 3-way valve third 3-way valve fourth 3-way valve expansion valve compressor condenser rotary fan shutter driver brush element

Claims

1. An air-to-water heat pump system containing a lower heat source unit and an upper heat source unit connected in a thermodynamic cycle, where the lower heat source unit is supplied with external air, and the lower heat source has at least two alternating evaporators (1, 2) shaped as semicircles forming a bottom heat source with a cylindrical shape of the unit with a fan mounted axially in relation to the heat source unit in its upper part, equipped with a defrost unit, characterized in that at least two alternately operating evaporators (1, 2) are connected to a valve unit consisting of two pairs of automatic three-way valves (3, 4) and (5, 6), respectively for each evaporator (1) and (2) of the heat source unit equipped with a rotating shutter (11), where evaporators (1, 2) they are connected in series in a closed system with the condenser (9);

the outlet port of the first evaporator (1) is connected through the port of the second three-way valve (4) with the suction side of the compressor (8), connected on the discharge side with the condenser (9), the outlet port of which is connected through the by-pass of the third three-way valve (5) with the inlet of the second evaporator (2), where the outlet of the second evaporator (2) is connected through the by-pass of the fourth three-way valve (6) with the expansion valve (7) and through the port of the first three-way valve (3) it is connected to the inlet a first evaporator (1);

the outlet port of the second evaporator (2) is connected through the by-pass of the second three-way valve (4) with the suction side of the compressor (8), connected on the discharge side with the condenser (9), the outlet port of which is connected through the port of the third three-way valve (5) with the inlet of the first evaporator (1), where the outlet from the first evaporator (1) connected through the port of the fourth three-way valve (6) with the expansion valve (7) and through the by-pass of the first three-way valve (3) connects to the inlet a second evaporator (2);

the rotary shutter (11) being formed on the brine unit to shield the frosted evaporator (1,2) going into defrost mode.

2. A heat pump system according to claim The valve assembly as claimed in claim 1, characterized in that said valve unit is equipped with actuators connected to the controller (12) for automatic reversing of the refrigerant circulation direction and changing the function of the evaporators (1) and (2).

3. A heat pump system according to claim Characterized in that the rotating shutter (11) is connected to a controller (12) for automatically directing the shutter to the defrosting evaporator (1) or (2) position.

4. A heat pump system according to claim 1, characterized in that the evaporators (1) and (2) forming the lower heat source are bent, ribbed exchangers.

5. A heat pump system according to claim 1, characterized in that the rotating shutter (11) is in the form of concentric semi-circles mounted on both sides of the evaporator, coaxially with respect to the fan (10) of the heat source unit.

6. A heat pump system as claimed in claim 1, characterized in that the rotating shutter (11) consists of two complete inner and outer parts, which are thermally insulated.

7. A heat pump system as claimed in claim 1, characterized in that both parts of the rotating shutter (11) are equipped with a brush element (13) located along its height, preventing the infiltration of external air into the space between the defrosting evaporator and the shutter, while maintaining free movement of the shutter (11).

8. A heat pump system as claimed in claim 1, characterized in that the heat pump circuit heats the water or glycol solution in the upper source.

9. A method of optimizing the operation of an air-to-water heat pump, in which alternating operation of at least two evaporators is used, characterized in that the defrosting process of the second evaporator (2) is carried out by directing the refrigerant from the first evaporator (1) through the passage port of the second valve three-way valve (4) to the compressor (8), then the refrigerant is directed to the condenser (9), then the condensed refrigerant is directed through the by-pass of the third three-way valve (5) to the second evaporator (2), then the subcooled refrigerant is directed through the by-pass pass of the fourth three-way valve (6) to the expansion valve (7), then the decompressed medium is directed through the port of the first three-way valve (3) to the first evaporator (1), at the same time the rotating diaphragm (11) is directed to the position of protecting the second evaporator (2 );

the process of defrosting the first evaporator (1) is carried out by directing the refrigerant from the second evaporator (2) through the by-pass of the second three-way valve (4) to the compressor (8), then the refrigerant is directed to the condenser (9), then condensed the refrigerant is directed through the through port of the third three-way valve (5) to the first evaporator (1), then the subcooled refrigerant is directed through the through port of the fourth three-way valve (6) to the expansion valve (7), then the decompressed refrigerant is directed through the by-pass of the first three-way valve (3) to the second evaporator (2), at the same time the rotating shutter (11) is directed to the position of the first evaporator (1) cover to limit the heat exchange between the outside air and the first evaporator (1) which is covered;

wherein the fan (10) operating continuously circulates outside air flowing over the bare evaporator (1) or (2);

the process of defrosting the evaporator (1) or (2) is carried out until the end of the defrosting cycle of the exchanger, where the controller (12) by switching the three-way valves operation mode generates a new change in the medium circulation direction and thus a change in the function of the evaporators (1 , 2) and changing the position of the rotary shutter (11) to the position of covering the defrosting evaporator (1) or (2).