高出水温度的总能量热泵的制作方法

1.本发明涉及空气调节和能源利用领域，尤其是指一种高出水温度的总能量热泵。


背景技术：

2.热泵是一种通过制冷循环将热源(燃料)中的热量传递出去以产生有用能量的机器。空气源热泵是可持续建筑和工业应用中最受欢迎的系统。这是一个从室外吸收热量供应生活热水和为室内热舒适提供空间供暖的系统。在炎热的气候下，室外排热的可逆操作可以提供室内空间的冷却。
3.图1说明了空气源热泵的原理，其中制冷系统中使用的基本部件有压缩机100、膨胀阀200、水源热交换器300、空气源热交换器400和鼓风机500，空气源热泵从室外冷空气中吸收热量提供暖。在寒冷的气候条件下，可用于空间供暖或家用热水供应。空气源热泵也可以反向工作。因此，在炎热的气候条件下，它还可以产生用于空间冷却的冷冻水，并将热量排出室外。空气源热泵可以产生冷却或加热，以产生冷水或热水。
4.图2说明了水源热泵的原理，制冷系统中使用的基本部件是膨胀阀200、压缩机100、一个热水用水源热交换器600，一个冷水用水源热交换器700。水源热泵系统已成为可持续发展建筑的普遍选择。水源热泵系统由于可以同时供热和供冷而受到欢迎。
5.热回收水源热泵是一种既能生产冷却用冷水又能生产加热用热水的高效节能装置。在这种情况下，热泵利用蒸发器产生冷却用冷水，冷凝器同时产生加热用热水。水源热泵的运行方式与空气源热泵相似，只是热源不是空气而是水。
6.现今社会中，很多不同的设施和大楼都对制冷和制热存有同时需求，例如室内运动馆在夏天要制冷来设置空调，同时要制热来提供淋浴间的热水。
7.与传统的供暖和制冷系统相比，热泵系统的应用是一个显著的解决方案。热泵可提供夏季降温、冬季取暖的热舒适性。在中央空调系统中，热泵为空间制冷机提供冷冻水，为水系统提供热水。
8.如图3所示，其为单独的空气源热泵制热的结构示意图。其包含在加热模式下，空气源热泵从室外吸收热量，以热空气(对于空气
‑
空气热泵)或热水(对于空气
‑
水热泵)的形式释放热量。其中，空气
‑
水热泵的空气盘管进行吸热并产生热水以供加热。
9.如图4所示，其为单独的空气源热泵制冷的结构示意图。在制冷模式下，空气源热泵将热量排到室外，并释放冷却，以提供室内热舒适性。其中，当空气
‑
水热泵产生冷却用冷冻水时，空气
‑
水热泵的空气盘管进行散热。空气源热泵可以通过产生冷冻水来实现制冷功能，提供舒适的室内环境。冷却系统的多余热量通过空气盘管排出。
10.如图5所示，其为单独的空气源热泵恒温的结构示意图。随着精密控制技术的改进，空气
‑
水热泵还可以根据特殊需要产生恒温。图5为出口温度恒定的热泵。空气
‑
水热泵的应用是对水族箱水进行精确恒温控制。水族馆的水温对鱼类的健康很重要。为了保持水族箱水温的一致性，产品可以在水温低于设定值时提供水加热，在水温高于设定值时提供水冷却。
11.如图6所示，其为单独的水源热泵的结构示意图。水源热泵是一种同时产生冷水和热水的热回收系统。冷冻水侧换热器(作为蒸发器冷却)吸收热能提供冷冻水冷却，系统热能由热水侧换热器(作为热回收冷凝器)回收，提供热水加热。尽管水源热泵具有较高的能效，但它可能不适用于许多对制冷和制热需求不平衡的空调系统。此外，供冷供热需求存在季节性波动。
12.此外，传统的系统都倾向使用蒸汽炉或电热炉直接对水或空气加热，以获取最大的热交换效能，但这种功能单一的拆件式装置不利于冷暖需求不同的环境下使用。例如在夏天，在没有热水需求下，蒸汽炉或电热炉便会闲置。
13.在过去的十年中，产生特定出水温度的能力显著提高。二十一世纪初，热泵的最大出口水温在45℃左右。由于技术的进步，目前大部分热泵可以产生60℃以上的热水。


技术实现要素：

14.本发明所解决的技术问题在于提供一种具有不同热源并可同时使用的热泵，其按照不同温度需求而调配热量，组成一种能适应四季的取暖制冷系统，同时提升热量。本发明由两套热泵系统所组成，其分别利用不同热源(空气源及水源)作为热量传播的媒介和目标，以达致可以产生90℃或以上的热水，并同一时间对空气和水进行调温的一个平衡系统。
15.本发明所采用的技术手段如下。
16.本发明提供一种高出水温度的总能量热泵，包含压缩机单元、第一换热器、风冷式换热器、第二换热器、四通阀、第一三通阀、第一膨胀阀及分流装置；
17.压缩机单元、第一换热器及风冷式换热器通过所述四通阀连接，四通阀的四个连接口分别地连接压缩机单元入口端、压缩机单元出口端、第一换热器入口端和风冷式换热器的一端；
18.分流装置分别地连接第一换热器出口端、风冷式换热器的另一端、第一三通阀的入口和第一膨胀阀出口端，第一三通阀的出口二连接第二换热器、第一三通阀的出口一连接膨胀阀入口；第二换热器出口端连接压缩机单元入口端。
19.第一换热器为用于供热的冷凝器，第二换热器为用于制冷的蒸发器，风冷式换热器在不同的工况下可作为冷凝器、蒸发器或闲置。
20.压缩机单元出口端具有连接至第一换热器(冷凝器)一端的第一支线，连接至风冷式换热器一端的第二支线及连接至气液分离器一端的第三支线，第一支线、支线及支线相互具有控制各条支线开启或关闭的开关设备，所述三支支线相互贯通；
21.所述第一换热器(冷凝器)另一端具有连接至储液器一端的第四支线及连接至第一三通阀出口一的第六支线；
22.风冷式换热器另一端具有连接至储液器一端的第五支线及连接至第一三通阀出口一的第七支线；
23.所述第六支线和第七支线朝向第一三通阀合并形成第九支线，所述第九支线上设置有第一膨胀阀；
24.所述储液器另一端具有连接至第一三通阀入口的第八支线；
25.所述第一三通阀出口二与所述第二换热器(蒸发器)一端之间具有第十支线，所述第十支线上设置有第二膨胀阀，所述第二换热器(蒸发器)另一端连接至气液分离器一端，
所述气液分离器另一端连接至所述压缩机单元入口端；
26.上述设备具有第一工况：冷媒通过压缩机单元升温，通过第一支线进入第一换热器(冷凝器)与水进行换热，再通过的第四支线进入储液器进行干燥过滤，再进入第八支线至第一三通阀入口，自第一三通阀出口一进入第七支线)，所述第一膨胀阀调节冷热需求条件，冷媒进入风冷式换热器吸收空气中的热量，再通过第二支线进入第三支线，进入气液分离器，最终回流至压缩机单元；
27.或具有第二工况：冷媒通过压缩机单元升温，通过第一支线进入风冷式换热器在空气中排放热量对空气加热，再通过第五支线进入储液器进行干燥过滤，再进入第八支线至第一三通阀入口，自第一三通阀出口二通过第二膨胀阀进入第二换热器(蒸发器)吸收其热量，对水进行降温，通过气液分离器回流至压缩机单元；
28.及/或具有第三工况：冷媒通过压缩机单元升温，通过第一支线进入第一换热器(冷凝器)与水进行换热，再通过的第四支线进入储液器进行干燥过滤，再进入第八支线至第一三通阀入口，自第一三通阀出口二通过第二膨胀阀进入第二换热器(蒸发器)吸收其热量，对水进行降温，通过气液分离器回流至压缩机单元。
29.其中，所述第一支线、第二支线及第三支线通过与压缩机单元及第一换热器(冷凝器)、风冷式换热器及气液分离器连接的四通阀来实现各条支线相互贯通，及各条支线的开启或关闭相应支线。
30.其中，在第一工况或第二工况中，所述第一换热器(冷凝器)的水换热输出温度为45
‑
90℃。
31.其中，所述第四支线及所述第五支线上均设置有朝向储液器开启的单向阀。
32.其中，所述第六支线上设置有朝向第一换热器(冷凝器)的单向阀，所述第七支线上设置有朝向风冷式换热器的单向阀。
33.其中，所述储液器入口端和出口端均设置有手动阀门。
34.其中，所述第八支线上可以设置有干燥过滤器和视液镜,且所述储液器的两端可以安装第一手动控制阀和第二手动控制阀，所述视液镜的另一端安装第三手动控制阀。
35.其中，所述第八支线上设置一经济器，所述经济器通过与第八支线并列设置的第十一支线设置，所述第十一支线上设置第一电磁阀及第三膨胀阀。
36.其中，进一步设置第十二支线，其设置于第三膨胀阀与压缩机单元之间，所述第十二支线上设置有第五单向阀及消音器。
37.其中，进一步包含储液器和压缩机单元之间的第十三支线，所述第十三支线上设置有第二电磁阀及第三膨胀阀，且最终连接至压缩机单元。
38.其中，进一步包含储液器和压缩机单元之间的第十四支线，所述第十四支线上设置有第四手动控制阀及第四膨胀阀，最终连接至压缩机单元。
39.本发明所产生的技术效果：1、高能效；2、易于维护；3、操作成本低；4、由于电力消耗较少，二氧化碳排放量较低；5、不燃烧爆炸性气体；6、无燃气管道连接；7、不需要燃料箱来储存燃料。
40.采用本发明的热泵技术，高性能热泵可以通过使用环保制冷剂(如r134a)产生热水至90℃。利用制冷循环的高温热泵可以替代蒸汽锅炉和电加热器，提供更高性能系数的热水。随着高温热泵技术的应用，提高了能源利用率。
附图说明
41.图1为现有技术空气源热泵的原理图。
42.图2为现有技术水源热泵的原理图。
43.图3为现有技术中单独的空气源热泵制热的结构示意图。
44.图4为现有技术中单独的空气源热泵制冷的结构示意图。
45.图5为现有技术中单独的空气源热泵恒温的结构示意图。
46.图6为现有技术中单独的水源热泵的结构示意图。
47.图7a为本发明中高出水温度的总能量热泵整体路线示意图。
48.图7b为本发明中高出水温度的总能量热泵第一工况路线示意图。
49.图7c为本发明中高出水温度的总能量热泵第二工况路线示意图。
50.图7d为本发明中高出水温度的总能量热泵第三工况路线示意图。
51.图8为本发明中高出水温度的总能量热泵整体结构示意图。
52.图9为本发明中高出水温度的总能量热泵提供冷却和加热两种方式的结构示意图。
53.图10为本发明中高出水温度的总能量热泵提供加热方式的结构示意图。
54.图11为本发明中高出水温度的总能量热泵提供冷却方式的结构示意图。
具体实施方式
55.下面结合附图7a
‑
7d来介绍本发明中高出水温度的总能量热泵实施方式、结构、特征及其功效。图7a为本发明整体路线示意图，图中表示了实施本发明的基础部件、部件之间的连接关系和冷媒的流向路线。
56.如图7a所示，本发明高出水温度的总能量热泵包含压缩机单元1、作为冷凝器的第一换热器2、风冷式换热器3、作为蒸发器的第二换热器5、四通阀7、三通阀8、膨胀阀9及分流装置30。其中，所述压缩机单元1、第一换热器2及风冷式换热器3通过一四通阀7连接，四通阀7的四个连接口分别地连接压缩机单元1入口、压缩机单元1出口、第一换热器2入口和风冷式换热器3的一端。所述分流装置30的四个连接口分别地连接第一换热器2出口、风冷式换热器3的另一端、三通阀8入口和膨胀阀9出口，所述三通阀8的一端出口连接第二换热器5、另一端出口则连接膨胀阀9入口。进一步地，所述第一换热器2为用于供热的冷凝器，所述第二换热器5为用于制冷的蒸发器，所述风冷式换热器3则在不同的工况下可以作为冷凝器或蒸发器。
57.本发明中的风冷式换热器3具备冷凝器和蒸发器的作用，具体而言，风冷式换热器3一端连接四通阀7另一端连接分流装置30，在四通阀7、三通阀8和分流装置30的控制下，冷媒可双向地流进风冷式换热器3。
58.本发明的重点在于提供一种新的高出水温度的总能量热泵，可同时进行供热和制冷，并能配合供热和制冷的热循环，充分利用彼此的差异，提升热能传输和转换的效率。在运作时，可按照工作环境和系统设定来决定四通阀7、三通阀8及分流装置30的开关，使冷媒流经预设的换热器，从而生成不同的工况来满足供热和制冷的需求。在第一工况中，冷媒流经第一换热器2和风冷式换热器3，风冷式换热器3作为蒸发器对空气进行降温，第二换热器5闲置；在第二工况中，冷媒流经第二换热器5和风冷式换热器3，风冷式换热器3作为冷凝器
对空气进行加热，第一换热器2闲置；第三工况为冷媒流经第一换热器2和第二换热器5，第一换热器2进行供热，第二换热器5则进行制冷，风冷式换热器3闲置。
59.针对上述第一、第二和第三工况，下面结合附图7b
‑
7d来介绍。
60.见图7b所示的第一工况：冷媒通过压缩机单元1升温进入四通阀7后，于第一换热器2(冷凝器)进行换热以排放热量，再流经分流装置30进入三通阀8，以完成供热循环。冷媒再自三通阀8出口进入所述膨胀阀9调节冷热需求条件，冷媒再次流经分流装置30后进入风冷式换热器3(蒸发器)吸收空气中的热量，再通过四通阀7回流至压缩机单元1，完成制冷循环。
61.见图7c所示的第二工况：冷媒通过压缩机单元1升温进入四通阀7后，风冷式换热器3(冷凝器)在空气中排放热量对空气加热，再流经分流装置30进入至三通阀8以完成供热循环。冷媒自三通阀8进入第二换热器5(蒸发器)吸收其热量进行降温，最终回流至压缩机单元1完成制冷循环。
62.见图7d所示的第三工况：冷媒通过压缩机单元1升温进入四通阀7后，进入第一换热器2(冷凝器)进行换热以排放热量，再流经分流装置30进入三通阀8，以完成供热循环。冷媒自三通阀8进入第二换热器5(蒸发器)吸收其热量进行降温，再回流至压缩机单元1完成制冷循环。
63.进一步地，本发明中的第一换热器2和第二换热器5可以是空气源和/或水源热交换器，具体情况视乎环境需求。例如，当应用到室内运动场的热泵系统中，第一换热器可以是对水升温的水源热交换器，以满足如淋浴设备等热水要求。同时地，第二换热器5也可以是对水降温的水源热交换器，以满足冷却饮用水的要求。风冷式换热器3则按情况可对室内运动场的空调系统进行温度的冷暖调节。
64.本发明中的分流装置30主要发挥分流作用，使本发明的总能量热泵内形成两组热泵循环，一组为供热循环另一组为制冷循环，以同时满足供热和制冷需求。尤其是在第二工况中，冷媒在制热和制冷循环中都会经过分流装置30，因此分流装置30必然要有良好的分流和分隔效果，使冷媒保持所需的热能。分流装置30可以是由支线和单向阀门组合而成，也可以是由四通阀等组成。
65.下面结合附图8来介绍本发明中高出水温度的总能量热泵的具体实施方式，其中包括各部件的具体连接方式及其所发挥的作用，在本实施例中，第一换热器为用于对水供热的水源冷凝器2，第二换热器为用于对水供热的水源蒸发器5，详细说明如下。
66.本发明高出水温度的总能量热泵包含压缩机单元1、冷凝器2、风冷式换热器3、储液器4、蒸发器5及气液分离器6等必要设备。其中，所述压缩机单元1、冷凝器2、风冷式换热器3及气液分离器6通过一四通阀7连接，所述压缩机单元1出口端(一端)连接至四通阀入口71，冷凝器2连接至四通阀出口一72，风冷式换热器3连接至四通阀出口二73，气液分离器6一端连接至四通阀出口三76，所述气液分离器6的另一端连接至所述压缩机单元1入口端(另一端)。通过上述结构，所述压缩机单元1一端与冷凝器2一端形成第一支线1
‑
2，所述压缩机单元1一端与风冷式换热器3一端形成第二支线1
‑
3，所述压缩机单元1一端与气液分离器6一端形成第三支线1
‑
6，所述第一支线1
‑
2、第二支线1
‑
3及第三支线1
‑
6通过上述四通阀71实现开启或关闭，当然，也可以考虑使用两个三通阀或其他方式形成上述各条支线。
67.进一步来讲，所述冷凝器2的另一端连接至储液器4一端，形成第四支线2
‑
4，且于
该第四支线2
‑
4上设置有朝向储液器4开启的第一单向阀11。
68.进一步来讲，所述风冷式换热器3连接至储液器4一端，形成第五支线3
‑
4，且于该第五支线3
‑
4上设置有朝向储液器4开启的第二单向阀12。
69.其中，所述蒸发器5一端(后端)连接至气液分离器6一端，所述气液分离器6另一端连接至所述压缩机单元1入口端。蒸发器5的另一端(前端)连接一第二膨胀阀10，所述第二膨胀阀10连接一第一三通阀8。所述第一三通阀8具有第一三通阀入口81、第一三通阀出口一82及第一三通阀出口二83，所述第二膨胀阀10连接至第一三通阀出口二83。
70.其中，所述第一三通阀出口一82连接一第一膨胀阀9，第一膨胀阀9的另一端形成第九支线8
‑2‑
3。所述第九支线8
‑2‑
3分为两条支线，一条为连接至冷凝器2的第六支线8
‑
2，另一条为连接至风冷式换热器3的第七支线8
‑
3，所述第六支线8
‑
2上设置有朝向冷凝器2的第三单向阀13，所述第七支线8
‑
3上设置有朝向风冷式换热器3的第四单向阀14。
71.其中，所述储液器4另一端具有连接至第一三通阀入口81的第八支线4
‑
8，所述第八支线4
‑
8上可以设置有干燥过滤器15和视液镜16。且所述储液器4的两端可以安装第一手动控制阀17和第二手动控制阀18，所述视液镜16的另一端也可以安装第三手动控制阀19。
72.此外，所述第八支线4
‑
8上还可以进一步设置一经济器22，所述经济器22通过与第八支线并列设置的第十一支线4
‑8‑
1设置，其上设置第一电磁阀20、第三膨胀阀21，系统可通过经济器22为冷媒进一步降温。再者，通过第三膨胀阀21与压缩机单元1之间形成一第十二支线4
‑8‑
2，所述第十二支线4
‑8‑
2上设置有第五单向阀23及消音器24。所述储液器4内的冷媒一路通过第八支线4
‑
8经蒸发器5、气液分离器6，最终至压缩机单元1。另一路通过第十一支线4
‑8‑
1通过单向阀、消音器，最终至压缩机单元1。还进一步包含并列设置于储液器4和压缩机单元1之间的第十三支线4
‑8‑
3及第十四支线4
‑8‑
4，所述第十三支线4
‑8‑
3上设置有第二电磁阀25及第三膨胀阀26，且最终连接至压缩机单元1。所述第十四支线4
‑8‑
4上设置有第四手动控制阀27及第四膨胀阀28，且最终连接至压缩机单元1。
73.上述设备具有第一工况：冷媒通过压缩机单元1升温，通过第一支线1
‑
2进入冷凝器2与水进行换热，再通过的第四支线2
‑
4进入储液器4进行干燥过滤，再进入第八支线4
‑
8至第一三通阀入口81，自第一三通阀出口一82进入第九支线8
‑2‑
3，再进入其连接的第七支线8
‑
3，所述第一膨胀阀9调节冷热需求条件，冷媒进入风冷式换热器3吸收空气中的热量，再通过第二支线1
‑
3进入第三支线1
‑
6，进入气液分离器6，最终回流至压缩机单元1。
74.或具有第二工况：冷媒通过压缩机单元1升温，通过第一支线1
‑
2进入风冷式换热器3在空气中排放热量对空气加热，再通过第五支线3
‑
4进入储液器4进行干燥过滤，再进入第八支线4
‑
8至第一三通阀入口81，自第一三通阀出口二83通过第二膨胀阀10进入蒸发器5吸收其热量，对水进行降温，通过气液分离器6回流至压缩机单元1。
75.及/或具有第三工况：冷媒通过压缩机单元1升温，通过第一支线1
‑
2进入冷凝器2与水进行换热，再通过的第四支线2
‑
4进入储液器4进行干燥过滤，再进入第八支线4
‑
8至第一三通阀入口81，自第一三通阀出口二83通过第二膨胀阀10进入蒸发器5吸收其热量，对水进行降温，再通过气液分离器6回流至压缩机单元1。
76.上述第一工况和第二工况不可以共存，但第一工况和第三工况，及第二工况和第三工况可以共存。本发明中的各膨胀阀均连接有温度剂等常规设置，图中未标号。
77.本发明的热泵的基本功能是供热和制冷，总能量热泵是空气源和水源热泵的组
合。如图8所示，总能量热泵能够生产冷水和热水，同时满足空调系统和热水系统的制冷和制热需求。典型的总能量热泵设计用于冷却冷却水，t＝5(从12℃的进水到7℃的出水)。根据需求要求，总能量热泵能够将热水加热至90℃。
78.总能量热泵包括各种运行模式，以满足供热和制冷需求：
79.1、热回收模式，根据加热和冷却需求同时提供热水和冷冻水。
80.2、加热模式，在无需冷却时产生热水。如图8所示，空气盘管作为蒸发器吸收环境中的热量，通过制冷剂循环传递到热水换热器。
81.3、冷却模式，在不需要加热的情况下产生冷冻水。如图9所示，空气盘管作为冷凝器止回阀，将热量排出到环境中，并通过制冷剂循环输送到冷冻水换热器。
82.总能量热泵还可以有多个电路设计，以提供各种操作，以应付波动的需求。例如，总能量热泵除了可单独使用，也可以设置为多个总能量热泵并联连接，并对共同的冷凝器或蒸发器进行热交换。在多于一个压缩机单元的情况下，各自系统中的冷媒循环都可独立地对共同的换热器进行热交换，能够大大提升效率。此外，在多于一套的冷媒循环系统下，不同的总能量热泵可各自执行不同的工况或执行相同的工况，在满足制冷制热的需求时，更可针对性地调节水和空气的冷热要求，提供更好的缓冲。另一方面，在并联连接多个总能量热泵时也可以撰择配撘不同功率的压缩机单元，其中可以设置主系统和副系统，从而同时满足基本的制冷制热需要及突发需求。
83.根据表一所示的回路运行情况，总能量热泵可满足以下要求：
84.1、加热和冷却的需求同时存在的热量回收；2、仅加热；3、仅冷却；4、高冷低热；5、高热低冷。
85.针对不同的环境和季节变化，本发明的热泵系统利用空气和水作为热源来满足对加热和制冷的需求。下表针对制热和制冷的不同需求，表示出本发明的热泵系统各种模式的变化。
86.表一：总能量热泵的电路方式
[0087][0088]
备注:
[0089]
ww＝水水换热(第三工况)；ca＝冷冻水至空气(第二工况)；ha＝热水至空气(第一工况)；
[0090]
本发明高出水温度的总能量热泵的有益效果具有：
[0091]
1、高效能；
[0092]
2、易于维护；
[0093]
3、操作成本低；
[0094]
4、由于电力消耗较少，二氧化碳排放量较低；
[0095]
5、不燃烧爆炸性气体；
[0096]
6、无燃气管道连接；
[0097]
7、不需要燃料箱来储存燃料。