专利名称：双源阶梯式热泵热水空调系统的制作方法
技术领域：
本实用新型专利属于建筑能源的收集、储存及供应系统设备的设计及开发。主要 涉及太阳能或者电加热及燃煤燃气锅炉等高温热源集热、热水蓄热及生活热水供应、蒸汽 压缩制冷循环、地源热泵和供热空调设备。
背景技术：
在科技高速发展的二十一世纪，社会各行各业都正在经历着日新月异的变革。这 使得整个社会在生产和生活领域里的能源消耗都产生了巨大的增长。能源已经成为本世纪 最关键的社会经济问题，能源危机正以人们意想不到的速度走进我们的生活。传统一次能 源的需求量与日俱增，可产量是有限的，因此消费成本也越来越高。人们只能从新的途径寻 找希望。太阳能和土壤源热能都是很好的新能源，但是因其品位较低也比较分散，直不能得 到很好的利用。目前太阳能光热转换技术也只能应用于生活热水方面。而在建筑能耗中， 生活热水只占非常有限的份额。真正的建筑能耗大项是采暖和空调，据统计数字显示，建筑 能耗大体占全国总能耗的30——40%，其中采暖和空调能耗占建筑总能耗的55%，但是大 部分的采暖和空调设备都是利用传统的优质化石能源或电能，但是利用效率并不高，同时 还不可避免的对环境造成污染，这一点尤其体现在建筑采暖过程中。因此应用新能源技术 替代采暖和空调这两部分低效且不环保的能源消耗才算是解决了建筑能耗的实质性问题。 但是各种新能源单独用于采暖又都有自己的弱点，出于这一点的考虑，我们必须寻求多种 能源综合利用的合理途径，在充分利用太阳能等新能源的基础上，尽可能的节约传统一次 能源(包括煤炭，石油及天然气)的消耗，在产品系统化的进程中寻求产业升级的动力。
发明内容本实用新型专利所描述的双源阶梯式热泵热水空调系统正是出于上述目的而开 发的新型能源复合式采集、储存并通过热泵对热源温度适当调整的供热水、采暖及空调一 体化系统，它可以根据不同的环境状况及建筑能耗需求的变化来调整自身的运行方式，从 而实现能源优化配置的综合节能效果。双源阶梯式热泵热水空调系统由高温热源换热循环、室内冷暖空调循环、低温热 源换热循环及双阀阶梯热泵循环组成，高温热源换热循环直接与蓄热水箱连接，室内冷暖 空调循环将空调末端设备与阶梯热泵中的用户换热器及直接连接蓄热水箱的供热端这两 个相互并联的热源换热端相连，并由空调循环泵提供循环动力；低温热源换热循环将一个 低温热源与双阀阶梯热泵循环的低温蒸发换热器相连；双阀阶梯热泵循环通过四通换向阀 和三通换向阀将循环各组件连接起来，其中四通换向阀的主进口接压缩机的出口，主出口 接压缩机的进口，另外一对可切换的进、出口分别接高温换热器的上口和三通换向阀的汇 流口，三通换向阀的两个分流口分别与用户换热器和低温蒸发换热器的上口相连，这两个 换热器的下口并联在一起与双向膨胀阀的一端相连，双向膨胀阀的另一端与高温换热器的 下口相接；这样由四通换向阀和三通换向阀连接而成的联动组合切换结构，实现了用户换热器，高温换热器和低温蒸发换热器之间的三选二工况转换。高温热源换热循环是由高温换热循环泵将蓄热水箱中的低温水经过高温回水管 路输送到高温热源换热器中被加热，经过高温热源加热的水再由高温供水管路返回蓄热水 箱；室内冷暖空调循环，由空调循环泵推动换热媒质从空调末端设备流向蓄热水箱和 用户换热器这两个相互并联的换热端，这两个并联的换热端通过各支路上设置的电磁阀， 即直接电磁阀和间接电磁阀实现通断切换；低温换热循环由低温热源循环泵推动传热媒质在低温换热盘管和低温蒸发换热 器之间往复循环；系统中的高温热源换热循环中的高温热源可以是太阳能集热器，也可以是电加热 器还可以是燃煤、燃气或燃油锅炉，而且也可以是上述热源串、并联的组合；系统中的低温热源换热循环中的低温热源既可以是土壤源，也可以是水源或者空 气源。本发明专利的有益效果是系统在冬季供热时，一方面可以通过间接供暖换热模式 充分利用蓄热水低蓄热温度下的热能，从而大大拓展了蓄热介质的蓄热温度变化范围，使 单位体积的介质的可利用蓄热容大大提高；另一方面，地源或空气源等低温热泵循环还可 以使蓄热介质吸收土壤源或空气源热能来作为太阳能集热或者电加热及燃煤燃气锅炉等 高温热源的有益的补充。在夏季空调时，系统可以切换至空调热水联动模式，不仅可以使室 内环境制冷，还可以将室内多于余的热量传导到蓄热水箱内，这部分能量会同太阳能集热 或者电加热及燃煤燃气锅炉等高温热源得到的能量一起加热生活热水。另外，当蓄热系统 温度过高，出现异常时，热泵还可以切换到低温紧急排热模式，使蓄热水箱中多余的热量通 过热泵向土壤源或空气源等低温热源排放。以上谈到的四种功能的转换枢纽就是双阀阶梯 热泵系统内部的三通换向阀和四通换向阀，此循环也充分体现了系统比较高的设备使用效 率。
[0011]图1为双源阶梯式热泵热水空调系统低温热泵蓄热模式图；[0012]图2为双源阶梯式热泵热水空调系统热泵供热模式图；[0013]图3为双源阶梯式热泵热水空调系统空调热水联动模式图；[0014]图4为双源阶梯式热泵热水空调系统紧急排热模式图。[0015]1、高温热源换热器2、高温回水管路3、高温换热循环泵[0016]4、高温供水管路5、蓄热水箱6、溢流管[0017]7、补水管8、排污管9、直接供暖供水管[0018]10、直接供暖回水管11、直接电磁阀12、间接电磁阀[0019]13、空调循环泵14、空调末端设备15、间接供暖回水,[0020]16、间接供暖供水管17、高温换热回水管18、高温换热供水,[0021]19、高温换热循环泵20、高温换热器21、热泵蒸发管路[0022]22、热泵冷凝管路23、四通换向阀24、压缩机[0023]25、膨胀阀26、三通换向阀27、用户换热器[0024]28、低温蒸发换热器 29、低温热源循环泵 30、低温换热盘管31、低温换热回水管 32、低温换热供水管
具体实施方式
为了充分体现本系统的综合节能运行效果，下面我们可以结合之后的附图来分析 一下本系统在实际应用过程中的运行实施方案。本发明专利基本设计是整个系统装置由四部分组成，主要包括高温热源换热蓄 热循环总成，供暖空调换热循环总成，双阀阶梯热泵循环总成和低温热源换热循环总成。高温热源换热蓄热循环总成主要包括高温热源换热组件、高温换热循环泵3、蓄热 水箱5及排污阀等辅助阀件，热媒输送管路配置在高温换热器20和蓄热水箱5之间。此处 所谓的高温热源是相对于与系统发生换热关系的土壤源或空气源而言的。上述两种热源的 温度与当地的土壤环境温度或大气环境温度一致，通常情况下土壤温度在10°C左右，大气 环境温度则随季节波动。而系统中与蓄热水箱5直接相连的换热能源为太阳能或者电热炉 还有各种燃煤、燃油及燃气锅炉，这些能源可以随着热量的不断释放，逐步提高蓄热水箱的 温度而不受环境温度的限制。故为区别起见，本说明书中把此类热源称为高温热源，而前面 提到的两种与受环境温度制约的热源称为低温热源。室内冷暖空调循环包括与蓄热水箱5直接相连的换热循环管路、与双阀阶梯热泵 的用户换热器相连的间接换热循环管路、直接换热和间接换热管路上的电磁阀、供暖空调 循环泵13、末端换热设备及其它的铺助阀件，循环管路配置在各个部件之间。由空调循环 泵13推动换热媒质从空调末端设备14流向蓄热水箱5和用户换热器27这两个相互并联 的换热端，这两个并联的换热端通过各支路上设置的电磁阀，即直接电磁阀11和间接电磁 阀12实现通断切换。供暖可以配置地热盘管或风机盘管为末端换热设备，夏季空调时则以 风机盘管为末端换热设备。它们要求的供热热媒工作温度在50°C上下，而空调时需要的冷 媒温度在15°C左右。双阀阶梯热泵循环总成包括压缩机、四通换向阀23、三通换向阀26、双向膨胀阀 25、高温换热器20、用户换热器27、低温蒸发换热器28。热泵冷凝管路22和热泵蒸发管路 21将各个部件连接成一个整体系统。其中三个板式换热器呈人字形排列连接。高温换热器 始终在循环内部，用户换热器27和低温蒸发换热器28相互并联并依靠三通换向阀的切换 来实现加入热泵循环或者从热泵循环中被隔离开，二者总是一通一断，不会同时参与热泵 循环的工作。双阀阶梯热泵循环由四通换向阀23和三通换向阀36连接而成的联动组合切换结 构实现用户换热器27、高温换热器20和低温蒸发换热器28之间的多种三选二工况转换，这 些工况可分别实现蓄热水箱通过高温换热器向室内供热的热泵供热模式，将室内环境制冷 同时将吸取的热量传给蓄热水箱蓄存空调热水联动模式，通过低温蒸发换热器吸取低温热 源的热量并传给蓄热水箱蓄存的低温热泵蓄热模式，将蓄热水箱内多余的热量向低温热源 排放紧急排热模式。低温热源换热循环总成包括与双阀阶梯热泵循环中的低温蒸发换热器28相连的 外部换热部件和相关辅助阀件。其主要功能是将低温环境，如土壤源或者空气源中的低品 位热能通过低温热泵蓄热循环蓄存到温度较高的蓄热水箱中，或者在必要时将蓄热水箱中多余的热能通过紧急排热循环向低温环境排放。另外热泵循环的高温换热器20与蓄热水箱5之间的换热是通过一个换热循环泵 19和相关阀件组成的水侧循环来实现的。本说明书中述及的此系统前两种工况，如图1和图2，主要是应用于冬季的建筑采 暖供热。而且系统中兼容的高温热源的最优选择是太阳能集热器。在白天太阳能充足的时 候，太阳能集热循环会自动开始温差循环状态。即太阳能循环泵的启停受太阳能集热器的 出口热媒温度和水箱内的热水温度的温差控制。当温差大于一个设定值时，太阳能循环泵 启动，充分吸收了太阳能的热水从集热器中被推进水箱，一旦温差又回落到一个比较低的 设定值时，太阳能循环泵就停止，被输送到太阳能集热器中的低温热水开始新一轮的蓄热 过程。周而复始，太阳能集热器会不断将热水输送到蓄热水箱内。因为白天的室内采暖热负 荷比较小，而且根据设计，为保证白天有效的日照时段内的集热器的热量能满足更长时间 的建筑采暖需求，集热器的集热功率要明显大于建筑物白天的瞬时采暖热负荷。这样在白 天，在系统供暖的同时，蓄热水箱内热能仍有盈余，因此水温会不断上升。当蓄热水温上升 到一定的温度时，供暖换热循环切换到直接换热循环状态，供暖热水被输送到蓄热水箱内 的直接换热盘管里，通过管壁与蓄热热水换热。考虑到太阳能的设计负荷量有可能受多种 因素制约，而达不到使用要求，也可以将其它的高温热源如电加热或燃煤锅炉等与太阳能 集热系统并联使用。在设计合理的条件下系统的整体一样可以实现综合运行节能的效果。当遇到阴雨天或傍晚时分，光照已经不足的时候，如果蓄热水箱内蓄存的太阳能 的热量仍不能满足当天夜间的供暖需求时，低温热泵蓄热模式启动，双阀阶梯热泵被切换 到如图1所示的状态，这样土壤源或空气源热能可以通过热泵循环源源不断的被输送到蓄 热热水中以补充当日不足的热负荷。热能补充到位后，热泵循环停止。在夜间没有太阳能或土壤热源补充不足的情况下，在供暖换热循环不断向室内的 采暖末端设备输送热能的过程中，蓄热水温不断下降，一旦下降到它不能保证采暖末端设 备的可接受工作水温时，采暖换热循环就切换到间接换热模式，同时双阀阶梯热泵被切换 到如图2所示的状态，这样供热热泵循环从温度较低的蓄热热水中继续吸热并通过该用户 换热器向间接供暖换热循环释放高温热能从而继续满足供暖末端设备的工作要求。直到第二天恢复日照以后，系统又开始经历一个新的采暖运行周期。随着外界环境的变化建筑采暖的热负荷也在变化。过渡季节里，采暖热负荷远远 小于系统设计的太阳能单日集热量，这样蓄热水箱内每天都会有热能盈余，可以保证全天 采暖换热循环都工作在直接供暖换热模式，同时一旦遇到短期的热能补充不足时，盈余的 热能可以延长供暖换热循环在高蓄热水温条件下的直接供暖换热工作模式。系统在夏季时，双阀阶梯热泵则可以切换到图3所示的状态，用户换热器成为热 泵循环的蒸发器并从室内吸取热量从而造成低温环境，同时高温换热器成为热泵循环的冷 凝器并将从室内吸取的热量释放到蓄热水箱中，蓄热热水再作为生活热水被使用或者通过 间接换热加热生活热水。这样双阀阶梯热泵的空调热水联动工况在为生活热水提供热量的 同时，达到为室内制冷降温的目的。当然，在生活热水长期需求不足的条件下，系统的蓄热水温会超过安全上限，这时 就可使双阀阶梯热泵切换到图4所示的紧急排热状态，使过多的热能排到室外的空气源或 土壤源环境中。
权利要求双源阶梯式热泵热水空调系统由高温热源换热循环、室内冷暖空调循环、低温热源换热循环及双阀阶梯热泵循环组成，其特征在于高温热源换热循环直接与蓄热水箱(5)连接，室内冷暖空调循环将空调末端设备(14)与阶梯热泵中的用户换热器(27)及直接连接蓄热水箱的供热端这两个相互并联的热源换热端相连，并由空调循环泵(13)提供循环动力；低温热源换热循环将一个低温热源与双阀阶梯热泵循环的低温蒸发换热器(28)相连；双阀阶梯热泵循环通过四通换向阀(23)和三通换向阀(26)将循环各组件连接起来。
2.根据权利要求1所述的双源阶梯式热泵热水空调系统，其特征在于双阀阶梯热泵循 环中四通换向阀(23)的主进口接压缩机(24)的出口，主出口接压缩机(24)的进口，另外 一对可切换的进、出口分别接高温换热器(20)的上口和三通换向阀(26)的汇流口，三通换 向阀(26)的两个分流口分别与用户换热器(27)和低温蒸发换热器(28)的上口相连，这两 个换热器的下口并联在一起与双向膨胀阀(25)的一端相连，双向膨胀阀(25)的另一端与 高温换热器(20)的下口相接，这样由四通换向阀(23)和三通换向阀(36)连接而成的联动 组合切换结构，实现了用户换热器(27)，高温换热器(20)和低温蒸发换热器(28)之间的三 选二工况转换。
3.根据权利要求1或2所述的双源阶梯式热泵热水空调系统，其特征在于高温热源换 热循环是由高温换热循环泵(3)将蓄热水箱(5)中的低温水经过高温回水管路(2)输送到 高温热源换热器⑴中被加热，经过高温热源加热的水再由高温供水管路⑷返回蓄热水 箱(5)。
4.根据权利要求3所述的双源阶梯式热泵热水空调系统，其特征在于系统中所述的室 内冷暖空调循环由空调循环泵(13)推动换热媒质从空调末端设备(14)流向蓄热水箱(5) 和用户换热器(27)这两个相互并联的换热端，这两个并联的换热端通过各支路上设置的 电磁阀，即直接电磁阀(11)和间接电磁阀(12)实现通断切换。
5.根据权利要求4所述的双源阶梯式热泵热水空调系统，其特征在于低温换热循环由 低温热源循环泵(29)推动传热媒质在低温换热盘管(30)和低温蒸发换热器(28)之间往 复循环。
6.根据权利要求5所述的双源阶梯式热泵热水空调系统，其特征在于双阀阶梯热泵循 环中的高温换热器水侧与蓄热水箱直接连接来进行换热。
7.根据权利要求6所述的双源阶梯式热泵热水空调系统，其特征在于高温热源换热循 环中的高温热源可以是太阳能集热器，也可以是电加热器还可以是燃煤、燃气或燃油锅炉， 而且也可以是上述热源串、并联的组合；
8.根据权利要求7所述的双源阶梯式热泵热水空调系统，其特征在于所述的低温热源 换热循环中的低温热源既可以是土壤源，也可以是水源或者空气源。
专利摘要本专利公开了一种优先利用太阳能集热与地源或空气源热泵联合供暖空调同时可供热水的双源阶梯式热泵热水空调系统。系统包括一个优先利用太阳能的高温热源换热循环，两个相互并联的供暖空调换热循环和一个双阀阶梯热泵循环以及一个低温换热系统。蓄热水箱是各个循环的集热换热枢纽。系统既可通过低温热泵蓄热循环吸收土壤或空气源热能，也可通过太阳能集热系统等高温热源来进一步蓄热。蓄热水箱可在高水温时直接向供暖系统供热，也可在低水温下，通过间接热泵供热循环提高热能品位后再供热。在夏季时系统可切换到空调热水联动状态，在为生活热水提供热量的同时，达到为室内制冷降温的目的。在蓄热水温超限时，系统还可以切换到紧急排热状态。
文档编号F25B41/04GK201652982SQ20102011993
公开日2010年11月24日 申请日期2010年2月26日 优先权日2009年4月22日
发明者钱伟民 申请人:钱伟民