CN109520166A - 一种适用于超低温环境的高温空气源热泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，属于超低温空气源热泵技术领域。所述适用于超低温环境的高温空气源热泵包括第一空气源***、第二空气源***、中间换热器和水箱，所述第一空气源***与第二空气源***通过管路连接中间换热器，水箱通过管路分别连接第二空气源***和中间换热器。本发明双级耦合***将制冷剂在循环中所经历的温度范围分离开，避免了制冷剂在高温和低温下出现的热物性变化问题；本发明第一空气源***采用补气增焓，有效提高空气源热泵制热量和能效，降低排气温度，解决了第一级压缩时供热量不足的问题，保障整体制热量充足，提高了空气源热泵的环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，属于超低温空气源热泵技术领域。
背景技术
建筑供暖的供水温度一般在80℃左右。由于供水温度较高，加热过程主要是通过城市集中供热或区域锅炉实现。空气源热泵在常规建筑集中供暖***中的应用还非常有限。热泵是一种通过消耗高品质能源为代价，将低温热源热能输送到高温热源的装置。空气源热泵可以将空气中的低温热能提取出来，具有能效高、结构简单、无污染、易于安装等特点。由于空气源热泵的这些优点，在供水温度为50℃左右的生活热水以及低温热水采暖等中低温热源应用领域得到了广泛的应用。在供水温度为80℃左右的常规建筑集中供暖等高温热源领域，过高的温度给空气源热泵的应用带来了新的挑战。高温热源温度过高导致空气源热泵运行时产生压比大、排气温度过高、运行性能差等问题。
当前高温热泵主要依靠工业高温余热、以及温度较高的空气作为冷源，冷源的温度较高时可以保证热源温度达到需求。但冬季时，尤其是北方的寒冷地区，空气温度很低，热泵生产高温热水存在极大的困难，过高的压比带来运行困难、能效低等问题。当前用于冬季的空气源热泵出水温度在50℃以下，可以满足日常生活热水以及低温热水采暖的需要，无法满足具有更高温度要求的常规建筑集中供暖需求。解决空气源热泵在超低温下的高温运行问题，对空气源热泵应用于城市建筑集中供暖具有重要意义。
现有技术存在的缺点包括：（1）制冷剂在空气源热泵循环运行中会经历高温和低温状态，在超低温下产生高温的热水时，压缩机的排气制冷剂温度将会非常高，而蒸发器中制冷剂温度非常低。制冷剂在高温下会产生热分解等问题，低温下会产生润滑油粘稠等问题。现有相关的技术主要包括喷气增焓热泵、复叠式热泵、双级耦合热泵、余热回收型热泵；（2）喷气增焓热泵为准二级压缩，实际上仅为单一***，出水温度有限。如果喷气增焓出水温度过高，会导致压比过大，排气温度过高，产生制冷剂物性变化及制热量无法保证等问题，在超低温环境下难以生产满足散热器需求温度的热水。复叠式热泵及双级耦合热泵由两级循环耦合组成，第一级和第二级均由普通单级压缩空气源热泵构成，在超低温下生产高温热水时压比过大，第一级热泵制热量不足，影响到供给第二级的热量，降低了总体的制热量；（3）复叠***功能单一，仅为了产生高温热水设计，不适用于复杂工况。在实际运行中，复叠***无法将第一级***与第二级***分离运行。夏季环境温度高而需求温度低时，热泵总体压比偏小，分配到复叠***单级的压比更小。会导致***建立压差困难，影响运行；（4）余热回收型热泵通过回收工业余热，将较高温度的余热作为热源，可以产生满足需求的高温水。但余热回收型热泵需要特定余热的热源，只能在工业余热等场景下使用，难以大范围推广使用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，使空气源热泵在超低温环境下能稳定生产高温热水，为建筑供暖提供一种新的供给方式。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，可避免制冷剂在高温和低温下出现的热物性变化问题，有效提高空气源热泵制热量和能效，降低排气温度，解决了第一级压缩时供热量不足的问题，保障整体制热量充足；此外，本发明低温差、高温差两种运行模式解决了空气源热泵在环境温度大幅度变化过程中运行不稳定的问题，提高了空气源热泵的环境适应性。
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是普通热泵高压比与高排气温度问题；普通复叠式热泵整体制热量不足、不适用于复杂工况问题；此外，还包括高温热泵大范围推广使用问题。
按照本发明提供的技术方案，所述适用于超低温环境的高温空气源热泵包括第一空气源***、第二空气源***、中间换热器和水箱，所述第一空气源***与第二空气源***通过管路连接中间换热器，水箱通过管路分别连接第二空气源***和中间换热器。
作为本发明的进一步改进，所述第二空气源***包括第三电磁阀、第一电磁阀、第二***压缩机、第二***四通阀、第二***冷凝器、第二***储液器、第二***干燥过滤器、第二***节流阀、第二***蒸发器、第二***气液分离器、第四电磁阀及第二电磁阀，所述中间换热器出水口通过管路连接水箱回水口，第一电磁阀通过管路分别与中间换热器和第二***蒸发器连接，所述中间换热器通过管路连接第二电磁阀，所述第二电磁阀通过管路连接水箱回水口，所述中间换热器回水口通过管路连接第四电磁阀，所述第四电磁阀通过管路分别连接第二***冷凝器与水箱出水口，第三电磁阀通过管路连接水箱出水口，所述第三电磁阀通过管路连接第二***蒸发器，所述第二***蒸发器通过管路分别.第二***节流阀与第二***四通阀，所述第二***节流阀通过管路连接第二***干燥过滤器，所述第二***干燥过滤器通过管路连接第二***储液器，所述第二***储液器通过管路与第二***冷凝器连接，所述第二***四通阀通过管路连接第二***冷凝器，所述第二***冷凝器连接水箱回水口，第二***气液分离器通过管路分别连接第二***压缩机与第二***四通阀。
作为本发明的进一步改进，所述第一空气源***包括第一***压缩机、第一***四通阀、第一***冷凝器、第一***冷凝器、第一***经济器、第一***干燥过滤器、第一***主节流阀、第一***蒸发器、第一***辅助节流阀及第一***气液分离器，中间换热器通过管路与第一***冷凝器连接，所述第一***冷凝器通过管路分别与第一***四通阀与第一***冷凝器连接，所述第一***冷凝器通过管路连接第一***辅助节流阀，所述第一***辅助节流阀通过管路连接第一***经济器，所述第一***经济器通过管路分别连接第一***干燥过滤器与第一***压缩机，所述第一***干燥过滤器通过管路连接第一***主节流阀，所述第一***主节流阀通过管路连接第一***蒸发器，所述第一***蒸发器通过管路连接第一***四通阀，所述第一***四通阀通过管路连接第一***冷凝器，所述第一***压缩机通过管路分别连接一***四通阀与第一***气液分离器，第一***气液分离器通过管路连接第一***四通阀。
作为本发明的进一步改进，所述所述水箱回水口通过管路连接水箱出水口。
作为本发明的进一步改进，所述第二***压缩机设有第一吸气口，第一吸气口与第二***蒸发器出口相连，
作为本发明的进一步改进，所述第一***压缩机设有第二吸气口，第二吸气口与第一***经济器出口相连。
作为本发明的进一步改进，所述第一***压缩机采用低温制冷剂，第二***压缩机采用高温制冷剂。
作为本发明的进一步改进，高温差运行模式为当预设水温与空气温差高于切换温差时，开启第一电磁阀和第三电磁阀，关闭第二电磁阀和第四电磁阀，开启第一空气源***和第二空气源***。
作为本发明的进一步改进，低温差运行模式为当预设水温与空气温差低于切换温差时，开启第二电磁阀和第四电磁阀，关闭第一电磁阀和第三电磁阀，开启第一空气源***。
本发明与已有技术相比具有以下优点：本发明提供了一种带喷气增焓的双级耦合空气源热泵装置，将传统空气源热泵高压比分配到两级循环中，使得单级压缩压比在合适范围内。其中，第一级压缩采用采用低温制冷剂，第二级压缩采用高温制冷剂。在第一级压缩中增加补气增焓，保障***制热量充足。在高低温热源温差偏低时使用第一级压缩生产热水，在高低温热源温差过高时使用双级压缩生产热水;使得该装置可以满足极端高温热水生产和极端低温环境运行要求。
本发明双级耦合***将制冷剂在循环中所经历的温度范围分离开，避免了制冷剂在高温和低温下出现的热物性变化问题；本发明第一***采用补气增焓，有效提高空气源热泵制热量和能效，降低排气温度，解决了第一级压缩时供热量不足的问题，保障整体制热量充足；此外，本发明低温差、高温差两种运行模式解决了空气源热泵在环境温度大幅度变化过程中运行不稳定的问题，提高了空气源热泵的环境适应性。
附图说明
图1是本发明一种适用于超低温环境的高温空气源热泵较佳具体实施例的结构示意图；
图2是本发明一种适用于超低温环境的高温空气源热泵的运行模式控制逻辑示意图；
附图说明：其中，1-第一***压缩机，2-第一***四通阀，3-第一***冷凝器，4-第一***储液器，5-第一***经济器，6-第一***干燥过滤器，7-第一***主节流阀，8-第一***蒸发器，9-第一***辅助节流阀，10-第一***气液分离器，11-中间换热器，12-第三电磁阀，13-第一电磁阀，14-第二***压缩机，15-第二***四通阀，16-第二***冷凝器，17-第二***储液器，18-第二***干燥过滤器，19-第二***节流阀，20-第二***蒸发器，21-第二***气液分离器，22-水箱，23-第四电磁阀，24-第二电磁阀，25-第一空气源***及26-第二空气源***。
具体实施方式
下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。附图中所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。
如图1所示，图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图。其中，所述空气源热泵由第一空气源***25、第二空气源***26、中间换热器11和水箱22组成，第一空气源***25与第二空气源***26通过管路连接中间换热器11，水箱22 通过管路分别连接第二空气源***26和中间换热器11。
所述第二空气源***26包括第三电磁阀12、第一电磁阀13、第二***压缩机14、第二***四通阀15、第二***冷凝器16、第二***储液器17、第二***干燥过滤器18、第二***节流阀19、第二***蒸发器20、第二***气液分离器21、第四电磁阀23及第二电磁阀24，所述中间换热器11出水口通过管路连接水箱22回水口，第一电磁阀13通过管路分别与中间换热器11和第二***蒸发器20连接，所述中间换热器11通过管路连接第二电磁阀24，所述第二电磁阀24通过管路连接水箱22回水口，所述中间换热器11回水口通过管路连接第四电磁阀23，所述第四电磁阀23通过管路分别连接第二***冷凝器16与水箱22出水口，第三电磁阀12通过管路连接水箱22出水口，所述第三电磁阀12通过管路连接第二***蒸发器20，所述第二***蒸发器20通过管路分别.第二***节流阀19与第二***四通阀15，所述第二***节流阀19通过管路连接第二***干燥过滤器18，所述第二***干燥过滤器18通过管路连接第二***储液器17，所述第二***储液器17通过管路与第二***冷凝器16连接，所述第二***四通阀15通过管路连接第二***冷凝器16，所述第二***冷凝器16连接水箱22回水口，第二***气液分离器21通过管路分别连接第二***压缩机14与第二***四通阀15。
所述第一空气源***25包括第一***压缩机1、第一***四通阀2、第一***冷凝器3、第一***冷凝器4、第一***经济器5、第一***干燥过滤器6、第一***主节流阀7、第一***蒸发器8、第一***辅助节流阀9及第一***气液分离器10，中间换热器11通过管路与第一***冷凝器3连接，所述第一***冷凝器3通过管路分别与第一***四通阀2与第一***冷凝器4连接，所述第一***冷凝器4通过管路连接第一***辅助节流阀9，所述第一***辅助节流阀9通过管路连接第一***经济器5，所述第一***经济器5通过管路分别连接第一***干燥过滤器6与第一***压缩机1，所述第一***干燥过滤器6通过管路连接第一***主节流阀7，所述第一***主节流阀7通过管路连接第一***蒸发器8，所述第一***蒸发器8通过管路连接第一***四通阀2，所述第一***四通阀2通过管路连接第一***冷凝器3，所述第一***压缩机1通过管路分别连接一***四通阀2与第一***气液分离器10，第一***气液分离器10通过管路连接第一***四通阀2。
所述水箱22回水口通过管路连接水箱出水口。所述第二***压缩机14设有第一吸气口，第一吸气口与第二***蒸发器20出口相连，
所述第一***压缩机1设有第二吸气口，第二吸气口与第一***经济器5出口相连。所述第一***压缩机1采用低温制冷剂，第二***压缩机14采用高温制冷剂。高温差运行模式为当预设水温与空气温差高于切换温差时，开启第一电磁阀13和第三电磁阀12，关闭第二电磁阀24和第四电磁阀23，开启第一空气源***25和第二空气源***26。
所述低温差运行模式为当预设水温与空气温差低于切换温差时，开启第二电磁阀24和第四电磁阀23，关闭第一电磁阀13和第三电磁阀12，开启第一空气源***25。
本发明的工作过程及工作原理
在实施例中，所述第一***压缩机1高温排气通过四通阀2进入第一***冷凝器3中冷却为高压液体进入第一***储液器4，所述第一***储液器出口高压液体分为两路，一路经过第一***辅助节流阀9节流后进入第一***经济器5，吸热后从第一***压缩机1补气口进入压缩机完成补气；另一路进入第一***经济器5，被冷却后经过第一***干燥过滤器6干燥，再经过第一***主节流阀7节流成为低温气液混合物，这部分制冷剂进入第一***蒸发器8吸取空气中的热量后进入第一***压缩机1，从而完成循环。所述第一***经济器5可以被闪发器代替。
在实施例中，所述第二***压缩机14高温排气通过第二***四通阀15进入第二***冷凝器16中，冷却为高压液体后进入第二***储液器17，所述第二***储液器17出口高压液体经过第二***干燥过滤器18干燥，再经过第二***节流阀19节流成为低温气液混合物，这部分制冷剂进入第二***蒸发器20，并吸取第一***生产的热量后进入第二***压缩机14，从而完成循环。所述第二***冷凝器16与水箱22通过换热加热水箱。
在实施例中，所述中间换热器11出水口通过第一电磁阀13连接第二空气源***26回水口，通过第二电磁阀24连接水箱22回水口。中间换热器11回水口通过第三电磁阀12连接第二空气源***26出水口，通过第四电磁阀23连接水箱22出水口。
图2是本发明的一个较佳实施例的运行模式控制逻辑示意图。本发明包含高温差运行模式和低温差运行模式两种运行模式。
当设定水箱温度与环境温度温差大于切换温差△T时，进入高温差运行模式。高温差运行模式下关闭第二电磁阀24，第四电磁阀23，切断第一空气源***25与水箱之间的换热。开启第二空气源***26，第一空气源***25与第二空气源***26同时耦合运行供热。当设定水箱温度与环境温度温差小于切换温差△T时，进入低温差运行模式。低温差运行模式下开启第二电磁阀24，第四电磁阀23，连接第一空气源***25与水箱换热。关闭第二空气源***26，由第一空气源***25直接运行供热。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，所述空气源热泵由第一空气源***(25)、第二空气源***(26)、中间换热器(11)和水箱(22)组成，第一空气源***(25)与第二空气源***(26)通过管路连接中间换热器(11)，水箱(22) 通过管路分别连接第二空气源***(26)和中间换热器(11)。
2.如权利要求1所述的一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，所述第二空气源***(26)包括第三电磁阀(12)、第一电磁阀(13)、第二***压缩机(14)、第二***四通阀(15)、第二***冷凝器(16)、第二***储液器(17)、第二***干燥过滤器(18)、第二***节流阀(19)、第二***蒸发器(20)、第二***气液分离器(21)、第四电磁阀(23)及第二电磁阀(24)，所述中间换热器(11)出水口通过管路连接水箱(22)回水口，所述第一电磁阀(13)通过管路分别与中间换热器(11)和第二***蒸发器(20)连接，所述中间换热器(11)通过管路连接第二电磁阀(24)，所述第二电磁阀(24)通过管路连接水箱(22)回水口，所述中间换热器(11)回水口通过管路连接第四电磁阀(23)，所述第四电磁阀(23)通过管路分别连接第二***冷凝器(16)与水箱(22)出水口，第三电磁阀(12)通过管路连接水箱(22)出水口，所述第三电磁阀(12)通过管路连接第二***蒸发器(20)，所述第二***蒸发器(20)通过管路分别连接第二***节流阀(19)与第二***四通阀(15)，所述第二***节流阀(19)通过管路连接第二***干燥过滤器(18)，所述第二***干燥过滤器(18)通过管路连接第二***储液器(17)，所述第二***储液器(17)通过管路与第二***冷凝器(16)连接，所述第二***四通阀(15)通过管路连接第二***冷凝器(16)，所述第二***冷凝器(16)连接水箱(22)回水口，第二***气液分离器(21)通过管路分别连接第二***压缩机(14)与第二***四通阀(15)。
3.如权利要求1所述的一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，所述第一空气源***(25)包括第一***压缩机(1)、第一***四通阀(2)、第一***冷凝器(3)、第一***冷凝器(4)、第一***经济器(5)、第一***干燥过滤器(6)、第一***主节流阀(7)、第一***蒸发器(8)、第一***辅助节流阀(9)及第一***气液分离器(10)，中间换热器(11)通过管路与第一***冷凝器(3)连接，所述第一***冷凝器(3)通过管路分别与第一***四通阀(2)与第一***冷凝器(4)连接，所述第一***冷凝器(4)通过管路连接第一***辅助节流阀(9)，所述第一***辅助节流阀(9)通过管路连接第一***经济器(5)，所述第一***经济器(5)通过管路分别连接第一***干燥过滤器(6)与第一***压缩机(1)，所述第一***干燥过滤器(6)通过管路连接第一***主节流阀(7)，所述第一***主节流阀(7)通过管路连接第一***蒸发器(8)，所述第一***蒸发器(8)通过管路连接第一***四通阀(2)，所述第一***四通阀(2)通过管路连接第一***冷凝器(3)，所述第一***压缩机(1)通过管路分别连接第一***四通阀(2)与第一***气液分离器(10)，第一***气液分离器(10)通过管路连接第一***四通阀(2)。
4.如权利要求1所述的一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，所述水箱(22)回水口通过管路连接水箱出水口。
5.如权利要求2所述的一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，所述第二***压缩机(14)设有第一吸气口，第一吸气口与第二***蒸发器(20)出口相连。
6.如权利要求3所述的一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，所述第一***压缩机(1)设有第二吸气口，第二吸气口与第一***经济器(5)出口相连。
7.如权利要求1所述的一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，所述第一***压缩机(1)采用低温制冷剂，第二***压缩机(14)采用高温制冷剂。
8.如权利要求1所述的一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，高温差运行模式为当预设水温与空气温差高于切换温差时，开启第一电磁阀(13)和第三电磁阀(12)，关闭第二电磁阀(24)和第四电磁阀(23)，开启第一空气源***(25)和第二空气源***(26)。
9.如权利要求1所述的一种适用于超低温环境的高温空气源热泵，其特征在于，所述低温差运行模式为当预设水温与空气温差低于切换温差时，开启第二电磁阀(24)和第四电磁阀(23)，关闭第一电磁阀(13)和第三电磁阀(12)，开启第一空气源***(25)。
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