本實用新型屬于熱能轉換和利用技術領域,具體涉及一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng)。
背景技術:
現(xiàn)有技術中的空氣源熱泵在使用過程中當環(huán)境溫度較低時(例如在寒冷地區(qū)、比如我國東北等地區(qū)),無法充分地吸取環(huán)境中的熱量用于制熱、供暖或制取熱水,導致整個熱泵系統(tǒng)的能效較低,COP值較低,能耗較大,且還極大可能地會出現(xiàn)結霜等不利現(xiàn)象,導致整個系統(tǒng)的工作性能較差,無法滿足用戶正常使用(例如供暖、制熱、或制取熱水)的需求;而且制出的熱水溫度范圍要么較高、要么較低,制取熱水的溫度范圍有限,不能滿足用戶所需熱水溫度的需求和供暖需求?,F(xiàn)有技術中跨臨界CO2技術在供暖領域CO2出氣冷器溫度較高,能效比不高;氟利昂系統(tǒng)在低溫環(huán)境下熱量急劇衰減,并受自身性質影響,很難制出高溫熱水。因此急需要研制出一種新型的熱泵系統(tǒng),以改善上述的不利情況。
由于現(xiàn)有技術中的空氣源熱泵在使用過程中當環(huán)境溫度較低時存在系統(tǒng)的能效較低,COP值較低,能耗較大,以及供暖熱水和/或制取熱水溫度范圍不能滿足用戶需求等技術問題,因此本實用新型研究設計出一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng)。
技術實現(xiàn)要素:
因此,本實用新型要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術中的空氣源熱泵存在制取熱水溫度范圍受限、不能滿足用戶需求的缺陷,從而提供一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng)。
本實用新型提供一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng),其包括由第一壓縮機、第一冷凝器、第一膨脹閥、蒸發(fā)器組成的主循環(huán)回路,所述第一冷凝器用于與第一水管換熱以制取熱水或供暖,其中在所述第一冷凝器和所述第一膨脹閥之間的管路上還設置有第二冷凝器,還包括通過所述第二冷凝器與所述主循環(huán)回路復疊連接的輔助循環(huán)回路,所述輔助循環(huán)回路用于與第二水管進行換熱以制取熱水或進行供暖。
優(yōu)選地,所述輔助循環(huán)回路包括第二壓縮機、第二膨脹閥、第三冷凝器和所述第二冷凝器,所述第二冷凝器作為所述輔助循環(huán)回路的蒸發(fā)器,且所述第三冷凝器連接所述第二水管以對其進行換熱。
優(yōu)選地,在所述主循環(huán)回路中、位于所述第一冷凝器和所述第二冷凝器之間還設置有渦流管,所述渦流管的進口連至所述第一冷凝器,第一出口連至所述第二冷凝器,第二出口連接有能用于制取熱水或供暖的旁通支路。
優(yōu)選地,所述第一出口為所述渦流管的低溫出口,所述第二出口為所述渦流管的高溫出口。
優(yōu)選地,所述旁通支路上還設置有第四冷凝器,所述第四冷凝器連接有第三水管并與該第三水管進行換熱以制取熱水或供暖。
優(yōu)選地,所述旁通支路上位于所述第四冷凝器的下游端還設置有第三膨脹閥,該旁通支路的另一端連回至所述第一壓縮機的吸氣端。
優(yōu)選地,所述第一水管、所述第二水管和所述第三水管匯合后連接至輸出水管,且在所述第一水管、所述第二水管、所述第三水管中的至少一個上設置有控制水路通斷的調節(jié)閥。
優(yōu)選地,所述第三水管連接至所述第一水管,且所述第一水管和所述第二水管通過混水閥進行水路匯合,所述混水閥的輸出端連接至所述輸出水管,且所述混水閥還包括與自來水相連通的進水管。
優(yōu)選地,在所述主循環(huán)回路上、位于所述第一冷凝器的下游端或位于所述第二冷凝器的下游端還設置有回熱器,形成所述回熱器的一換熱側,所述蒸發(fā)器的下游管路貫穿所述回熱器、形成所述回熱器的另一換熱側。
優(yōu)選地,在所述主循環(huán)回路上、位于所述第一壓縮機的吸氣端處還設置有油氣液分離器,所述油氣液分離器包括氣體出口端和油出口端,所述氣體出口端連至所述第一壓縮機的吸氣端,所述油出口端連至所述第一壓縮機的油池中。
優(yōu)選地,所述主循環(huán)回路中以及旁通支路中的冷媒為CO2,所述輔助循環(huán)回路中的冷媒為R134a。
本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng)具有如下有益效果:
1.通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng),通過在原有熱泵熱水系統(tǒng)的循環(huán)回路中的冷凝器的下游端增設一低溫級的冷凝器、并且采用輔助循環(huán)回路相復疊的方式,能夠進一步地吸收從高溫級冷凝器中放完熱的冷媒中的熱量,使得能夠通過復疊輔助循環(huán)回路能夠進一步制取溫度較低的水,與第一冷凝器制取的溫度較高的水一起,能夠使得制取熱水的溫度范圍大大地擴寬,實現(xiàn)了水溫的智能化調節(jié),能夠滿足不同用戶對熱水的不同溫度的需求;
2.通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng),通過復疊系統(tǒng)的第二冷凝器換熱后使得冷媒繼續(xù)被冷卻,有效地增大了過冷度,經(jīng)過膨脹閥二次節(jié)流后比較容易使CO2冷媒膨脹至低溫工況,在超低溫工況工作能夠提高與蒸發(fā)器的換熱效率,并且結合兩次節(jié)流均有效地提升了系統(tǒng)的能效,減小了能耗,提高了系統(tǒng)的COP值;
3.通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng),通過在第一和第二冷凝器之間設置渦流管和與渦流管出口相接的旁通支路的形式,能夠旁通一部分經(jīng)過放熱冷凝的冷媒至旁通支路中進而用于放熱制取熱水或供暖,能夠提供另外一部分不同溫度區(qū)間的熱水,使得原有的熱水溫度范圍進一步地得到增大,更優(yōu)地滿足不同用戶對熱水的不同溫度的需求;
4.通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng),通過在第一和第二冷凝器之間設置渦流管和與渦流管出口相接的旁通支路的形式,并使旁通支路的另一端連回至第一壓縮機的吸氣端,能夠通過該旁通支路形成主循環(huán)回路的補氣增焓回路,能夠在室外環(huán)境溫度較低時繼續(xù)保證循環(huán)回路中的冷媒循環(huán)流動,防止蒸發(fā)器不工作而導致冷媒無法回流至壓縮機的情況的發(fā)生,并且有效地利用了渦流管熱端的熱量,提升了系統(tǒng)的能效,減小了能耗,提高COP值,且還能優(yōu)化結霜情況的出現(xiàn)。
5.通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng),通過將第一、第二、第三水管進行匯合以及在每個水管上設置閥且配合自來水管的形式,能夠根據(jù)用戶的對水溫高低的不同需要調節(jié)和混合處滿足用戶需要的水溫的熱水,從而適用性更廣,消費者滿意程度更高。
6.通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng),利用了跨臨界CO2較高能效比與出高溫熱水的優(yōu)勢,并且采用在循環(huán)回路中冷凝器下游端增設一低溫級的冷凝器、采用輔助循環(huán)回路相復疊的方式實現(xiàn)了循環(huán)水進水溫度較高(>40℃)并且CO2溫度降低到臨界點(31℃)以下,充分利用了跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢與CO2在超低溫度優(yōu)越的流動性能與換熱性能,實現(xiàn)了超低溫空氣源熱泵供暖需求。
附圖說明
圖1是本實用新型的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱熱泵系統(tǒng)的結構示意圖。
圖中附圖標記表示為:
1—第一壓縮機(或稱CO2壓縮機),2—第一冷凝器(或稱CO2氣冷器),3—回熱器,4—渦流管,5—第二冷凝器(或稱低溫氣冷器),6—第一膨脹閥(或稱第一節(jié)流閥),7—蒸發(fā)器,8—油氣液分離器,81—氣體出口端,82—油出口端,9—第二壓縮機(或稱R134a壓縮機),10—第三冷凝器(或稱R134a冷凝器),11—第二膨脹閥(或稱第二節(jié)流閥),12—第四冷凝器(或稱換熱器),13—第三膨脹閥(或稱第三節(jié)流閥),14—調節(jié)閥,15—混水閥,16—第一水管,17—第二水管,18—第三水管,19—旁通支路,20—輸出水管,21—進水管。
具體實施方式
如圖1所示,本實用新型提供一種超低溫環(huán)境下供暖供熱(可調水溫)熱泵系統(tǒng),其包括由第一壓縮機1、第一冷凝器2、第一膨脹閥6、蒸發(fā)器7組成的主循環(huán)回路,所述第一冷凝器2用于與第一水管16換熱以制取熱水或供暖,其中在所述第一冷凝器2和所述第一膨脹閥6之間的管路上還設置有第二冷凝器5,還包括通過所述第二冷凝器5與所述主循環(huán)回路復疊連接的輔助循環(huán)回路,所述輔助循環(huán)回路用于與第二水管17進行換熱以制取熱水或進行供暖。
通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱(可調水溫)熱泵系統(tǒng),通過在原有熱泵熱水系統(tǒng)的循環(huán)回路中的冷凝器的下游端增設一低溫級的冷凝器、并且采用輔助循環(huán)回路相復疊的方式,能夠進一步地吸收從高溫級冷凝器中放完熱的冷媒中的熱量,使得能夠通過復疊輔助循環(huán)回路能夠進一步制取溫度較低的水,與第一冷凝器制取的溫度較高的水一起,能夠使得制取熱水的溫度范圍大大地擴寬,能夠滿足不同用戶對熱水的不同溫度的需求。這里需要解釋一下的就是,之所以采用復疊輔助循環(huán)回路,是因為如果在第二冷凝器上相連接一水管路,由于此時冷媒的溫度較低,不一定能夠保證冷媒能對水進行放熱從而制取熱水,但是采用了復疊輔助循環(huán)回路之后,便可以通過壓縮機的功耗帶動輔助循環(huán)回路從第二冷凝器處不斷地吸取熱量、以用于制取熱水了,這是本實用新型的一大改進,不僅能夠制取不同溫度區(qū)間的熱水,還能從溫度較低的冷媒處持續(xù)不斷地制取熱水,以用于制熱或供暖。
并且本實用新型通過采用復疊系統(tǒng)的第二冷凝器換熱后使得冷媒繼續(xù)被冷卻,有效地增大了其過冷度(能優(yōu)選被冷卻至0℃左右),經(jīng)過膨脹閥二次節(jié)流后比較容易使CO2冷媒膨脹至低溫工況(能優(yōu)選達到至-40℃左右左右),在超低溫工況工作能夠提高與蒸發(fā)器的換熱效率,提高系統(tǒng)的COP值。
優(yōu)選地,所述輔助循環(huán)回路包括第二壓縮機9、第二膨脹閥11、第三冷凝器10和所述第二冷凝器5,所述第二冷凝器5作為所述輔助循環(huán)回路的蒸發(fā)器,且所述第三冷凝器10連接所述第二水管17以對其進行換熱。通過將輔助循環(huán)回路包括第二壓縮機、第二膨脹閥、第三冷凝器和第二冷凝器,能夠使其形成一制冷或熱泵循環(huán)回路,并且通過第二冷凝器與主循環(huán)回路之間進行熱交換,通過壓縮機做功,使得輔助循環(huán)回路從主循環(huán)回路上吸收熱量,再通過輔助循環(huán)回路上的第三冷凝器10對水進行加熱,從而達到制取與第一冷凝器不同溫度區(qū)間的熱水,以提高供暖熱水或制熱熱水的所需溫度范圍,滿足用戶的廣泛的要求。
優(yōu)選地,在所述主循環(huán)回路中、位于所述第一冷凝器2和所述第二冷凝器5之間還設置有渦流管4,所述渦流管4的進口連至所述第一冷凝器2,第一出口連至所述第二冷凝器5,第二出口連接有能用于制取熱水或供暖的旁通支路19。
通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱(可調水溫)熱泵系統(tǒng),通過在第一和第二冷凝器之間設置渦流管和與渦流管出口相接的旁通支路的形式,能夠旁通一部分經(jīng)過放熱冷凝的冷媒至旁通支路中進而用于放熱制取熱水或供暖,能夠提供另外一部分不同溫度區(qū)間的熱水,使得原有的熱水溫度范圍進一步地得到增大,更優(yōu)地滿足不同用戶對熱水的不同溫度的需求。
優(yōu)選地,所述第一出口為所述渦流管4的低溫出口,所述第二出口為所述渦流管4的高溫出口。通過將渦流管的第一出口選擇為其低溫出口能夠使得與第二冷凝器相連接的管路中的冷媒為中壓低溫的冷媒,將第二出口選擇為高溫出口能夠使得進入旁通支路中的冷媒為中壓高溫的冷媒,從而使得進入旁通支路中的冷媒具有熱量、進而能夠對水管中的水進行加熱,使得加熱制取熱水的過程能夠得以持續(xù)地進行。
優(yōu)選地,所述旁通支路19上還設置有第四冷凝器12,所述第四冷凝器12連接有第三水管18并與該第三水管18進行換熱以制取熱水或供暖。這是本實用新型的可調水溫的熱泵熱水系統(tǒng)的能夠進一步制取不同溫度區(qū)間的熱水的優(yōu)選實施方式,通過在旁通支路上設置第四冷凝器和第三水管,能夠通過第四冷凝器對第三水管進行換熱,從而制取第三水管中的熱水用于制熱或供暖。
優(yōu)選地,所述旁通支路19上位于所述第四冷凝器12的下游端還設置有第三膨脹閥13,該旁通支路19的另一端連回至所述第一壓縮機1的吸氣端。
通過本實用新型提供的一種超低溫環(huán)境下供暖供熱(可調水溫)熱泵系統(tǒng),通過在旁通支路上位于第三冷凝器的下游端設置第三膨脹閥的形式,并使旁通支路的另一端連回至第一壓縮機的吸氣端,能夠通過該旁通支路形成主循環(huán)回路的補氣增焓回路,能夠在室外環(huán)境溫度較低時繼續(xù)保證循環(huán)回路中的冷媒循環(huán)流動,防止蒸發(fā)器不工作而導致冷媒無法回流至壓縮機的情況的發(fā)生,有效地提升了系統(tǒng)的能效,減小了能耗,提高COP值,且還能防止結霜情況的出現(xiàn)。
優(yōu)選地,所述第一水管16、所述第二水管17和所述第三水管18匯合后連接至輸出水管20,且在所述第一水管16、所述第二水管17、所述第三水管18中的至少一個上設置有控制水路通斷的調節(jié)閥。將三個水管匯合能夠對三個不同溫度區(qū)間的熱水進行有效地混合,并且結合在三個水管中的至少一個上設置調節(jié)閥的形式,優(yōu)選三個水管上均設置調節(jié)閥,能夠根據(jù)實際需求熱水的溫度的不同,打開或關閉相應的水管,從而形成熱水的不同混合,以滿足實際熱水溫度的需求,提高了熱泵熱水系統(tǒng)的適用性能,提高消費者的滿意度。
優(yōu)選地,所述第三水管18連接至所述第一水管16,且所述第一水管16和所述第二水管17通過混水閥15進行水路匯合,所述混水閥15的輸出端連接至所述輸出水管20,且所述混水閥15還包括與自來水相連通的進水管21。通過混水閥的結構形式能夠有效地實現(xiàn)對多路以上的水管路進行混合,且通過還設置與自來水相連通的進水管的結構形式,能夠對前述三路水管再混合注入自來水(即冷水),從而能夠對前述的混合熱水進行降溫,進而進一步更加有效地調節(jié)熱水的溫度,實現(xiàn)熱水溫度大小調節(jié)的可控性和更加優(yōu)化的效果。
優(yōu)選地,在所述主循環(huán)回路上、位于所述第一冷凝器2的下游端或位于所述第二冷凝器5的下游端還設置有回熱器3,形成所述回熱器3的一換熱側,所述蒸發(fā)器7的下游管路貫穿所述回熱器3、形成所述回熱器3的另一換熱側。通過設置回熱器,第一能夠降低冷媒的冷凝溫度,即降低進入蒸發(fā)器前的溫度,從而有效地提高蒸發(fā)效果、提高整個系統(tǒng)的熱泵效率,第二還能夠有效地提高進入壓縮機吸氣端的冷媒溫度,防止進入壓縮機中的冷媒帶液從而形成液擊的現(xiàn)象的發(fā)生。
優(yōu)選地,在所述主循環(huán)回路上、位于所述第一壓縮機1的吸氣端處還設置有油氣液分離器8,所述油氣液分離器8包括氣體出口端81和油出口端82,所述氣體出口端81連至所述第一壓縮機1的吸氣端,所述油出口端82連至所述第一壓縮機1的油池中。通過在第一壓縮機吸氣端設置油氣液分離器的結構形式,能夠對進入壓縮機中的冷媒進行油氣和氣液的分離,防止進入壓縮機吸氣口中的氣體帶油和帶液,防止液擊,也防止了壓縮機其他需要潤滑的部位缺油的情況的發(fā)生。
優(yōu)選地,所述主循環(huán)回路中以及旁通支路19中的冷媒為CO2,所述輔助循環(huán)回路中的冷媒為R134a。這是本實用新型的冷媒的優(yōu)選種類,將主循環(huán)回路和旁通支路中的冷媒選擇為CO2,是因為該兩回路所工作的環(huán)境是在極寒工況下,CO2冷媒在跨臨界工況下可以制取高溫熱水并且在-40℃依然保持較低的粘度,優(yōu)越的流動性能和傳熱性能,其恰好符合要求,使用CO2能夠使得本實用新型的熱泵熱水系統(tǒng)能夠正常且良好地工作在室外低溫環(huán)境下,且維持吸熱制取熱水用以供暖或制熱;而輔助循環(huán)回路由于其屬于復疊系統(tǒng)中的類似于高溫級,其吸熱環(huán)境(即第二冷凝器)的溫度相對來說較高,因此使用常規(guī)的冷媒便可以保證其循環(huán)運轉。
利用了跨臨界CO2較高能效比與出高溫熱水的優(yōu)勢,并且采用在循環(huán)回路中冷凝器下游端增設一低溫級的冷凝器、采用輔助循環(huán)回路相復疊的方式實現(xiàn)了循環(huán)水進水溫度較高(>40℃)并且CO2溫度降低到臨界點(31℃)以下,充分利用了跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢與CO2在超低溫度優(yōu)越的流動性能與換熱性能,實現(xiàn)了超低溫空氣源熱泵供暖需求。
下面介紹一下本實用新型的工作原理和優(yōu)選實施例
本實用新型一種帶渦流管可調水溫的高效R134a/CO2(跨臨界)熱泵系統(tǒng),其包括CO2壓縮機1、CO2氣冷器2、回熱器3、渦流管4、低溫氣冷器5、第一節(jié)流閥6、蒸發(fā)器7、油液氣分離器8組成的CO2熱泵系統(tǒng),包括R134a壓縮機9、R134a冷凝器10、第二節(jié)流閥11、低溫氣冷器5組成的R134a熱泵系統(tǒng),包括渦流管4、換熱器12、第三節(jié)流閥13、油液氣分離器8組成的渦流管旁路系統(tǒng),包括CO2氣冷器2、R134a冷凝器10、換熱器12、調節(jié)閥14、混水閥15組成的水路系統(tǒng)。
所述CO2壓縮機1進口連接油液氣分離器8的氣出口,回油口連接油液氣分離器8底部油分離口,出口連接CO2氣冷器2制冷劑進口;所述CO2氣冷器2一側進口連接CO2壓縮機1,出口連接回熱器3進口,另一側進口連接自來水,出口連接混水閥15;所述回熱器3一側進口連接蒸發(fā)器7出口,出口連接油液氣分離器8進口,回熱器3另一側進口連接CO2氣冷器2,出口連接渦流管4;所述渦流管4進口為中溫的氣體,熱端出口連接換熱器12進口,冷端出口連接低溫氣冷器5一側進口;所述低溫氣冷器5一側進口連接渦流管4冷端出口,出口連接第一節(jié)流閥6,低溫氣冷器5另一側進口連接第二節(jié)流閥11出口連接R134a壓縮機9;所述第一節(jié)流閥6進口連接低溫氣冷器5,出口連接蒸發(fā)器7;所述蒸發(fā)器7一側連接環(huán)境,另一側進口連接第一節(jié)流閥6,出口連接回熱器3;所述回熱器3一側進口連接蒸發(fā)器7出口,出口連接油液氣分離器8進口,回熱器3另一側進口連接CO2氣冷器2,出口連接渦流管4;所述油液氣分離器8進氣口連接回熱器3出口與節(jié)流閥13出口,所述油液氣分離器8氣出口連接壓縮機1吸氣口,油液氣分離器8油出口連接壓縮機1回油口。
所述R134a冷凝器10一側進口連接R134a壓縮機9排氣口,出口連接第二節(jié)流閥11,另一側進口連接自來水,出口連接混水閥15。
本實用新型專利可在環(huán)境溫度-30℃運行,所述蒸發(fā)器7所處環(huán)境溫度可達-35℃;復疊高溫級的R134a冷凝器10可達到60℃進水,70℃出水;所述CO2氣冷器2可達到40℃進水,95℃出水;所述CO2熱泵系統(tǒng)為跨臨界循環(huán),所述CO2熱泵系統(tǒng)含有渦流管4與低溫氣冷器5,所述換熱器12可由渦流管4熱端出口CO2氣體與自來水換熱,使較高溫度的水進入氣冷器2的熱水主路,繼而連接混水閥15;所述CO2熱泵系統(tǒng)含有兩個氣冷器,并且低溫氣冷器與R134a復疊,所述混水閥13可由95℃進水、70℃進水與自來水進水混合,用戶可通過調節(jié)不同閥門開度達到不同的水溫。
比如在環(huán)境溫度-30℃時,所述蒸發(fā)器7蒸發(fā)溫度-35℃;復疊高溫級的R134a冷凝器10可達到40℃進水,70℃出水;所述CO2氣冷器2可達到40℃進水,95℃出水;所述CO2熱泵系統(tǒng)為跨臨界循環(huán),所述渦流管4進口為高壓,50℃的狀態(tài),熱端出口為70℃(質量流量減小)進入換熱器12與水換熱使較高溫度的水進入氣冷器2的熱水主路,繼而連接混水閥15;所述CO2熱泵系統(tǒng)含有兩個氣冷器,并且低溫氣冷器與R134a復疊,所述混水閥13可由95℃進水、70℃進水與自來水進水混合,用戶可通過調節(jié)不同閥門開度達到不同的水溫。
以上所述僅是本專利的優(yōu)選實施方式,應當指出的是,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本專利原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本專利的保護范圍,比如回熱器(3)的刪減、節(jié)流閥的替換等,低溫氣冷器復疊端并不局限于R134a,其他中高溫制冷劑也在保護范圍之內。
本領域的技術人員容易理解的是,在不沖突的前提下,上述各有利方式可以自由地組合、疊加。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已,并不用以限制本實用新型,凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本實用新型的保護范圍之內。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本實用新型技術原理的前提下,還可以做出若干改進和變型,這些改進和變型也應視為本實用新型的保護范圍。