一种多级压缩多级循环的热泵机组制热蓄热装置的制作方法

本实用新型涉及相变储能和空气(水)源热泵技术领域，具体为一种多级压缩多级循环的热泵机组制热蓄热装置。

背景技术：

空气源热泵蓄能装置最大的优点就是节能环保，将空气中的低温热能通过压缩机转化为高温热能。以相同的热水制造量为基准，其与电加热器装置相比能最大化节约电能，使用成本只有电加热装置的1/4左右；而与燃气装置相比，其不用耗用任何的燃气燃料，使用成本只是燃气蓄能装置的1/3左右。空气源热泵技术的应用不仅可以节约人们的使用成本，更是顺应了世界环保的主体，这就是空气源热泵装置最大的亮点之一。

目前的空气源热泵技术存在一大的问题就是容易受周围空气环境的影响，特别是在天寒冷、环境温度很低时影响很大甚至无法使用。通常在蒸汽压缩式制热循环中制冷剂选定后，其蒸发压力均由冷凝温度和蒸发温度决定，冷凝温度受环境介质(水或空气温度)的限制，而蒸发温度是由空气源热泵的用途确定的。当冷凝温度升高或蒸发温度降低时，压缩机的压力比将增大，由于压缩机预隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，极限的压缩机压缩比和极限的高排气温度，会导致润滑油稀化、碳化引起润滑不良和增加润滑油的消耗；压缩比过大也同时会导致容积效率下降，使其制热能力和能效比大大下降，亦无法稳定保障蒸发温度到达预期要求，且装置运行不正常，甚至会导致机件损坏。

目前市面上的空气源热泵储热供热技术，特别是大型的用热场合比如采用空气源热泵供暖系统，由于直接采用换热器给水加热供暖，水的显热较低，储热系统无法实现间歇式运行，亦无法实现避峰就谷的电力能源合理利用。另外，即使有采用相变材料蓄热的同类技术装备，由于没有充分考虑压缩机压缩比过高问题，实际效果将无法得到稳定的高温度来满足相变材料完全相变储热。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种多级压缩多级循环的热泵机组制热蓄热装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种多级压缩多级循环的热泵机组制热蓄热装置，包括箱体外壳、保温层、内箱体、蓄热仓、导热介质、复合相变材料、进出水管、次级冷凝器、控制器、次级温度传感器、末级冷凝器入口、末级冷凝器出口、首级冷媒进口、首级冷媒出口、中间缓冲换热器、首级冷凝器、次级蒸发器、介质加装口、介质排放口、首级蒸发器、首级压缩机、首级节流器、首级冷媒罐、次级节流器、次级冷媒罐、首级三通阀、次级冷媒进口、次级冷媒出口、风机、首级冷媒管、次级冷媒管、首级常开阀、次级常开阀、首级常闭阀、次级常闭阀、次级三通阀、次级压缩机、首级温度传感器、次级冷凝器入口、次级冷凝器出口、单级循环冷媒入口、单级循环冷媒出口、单级循环冷媒管和和末端换热器，所述箱体外壳的内壁设置有内箱体，且箱体外壳与内箱体之间设置有保温层，所述内箱体内设置有蓄热仓，且蓄热仓内设置有与其仓体吻合的复合相变材料，所述蓄热仓及其内部复合相变材料的一侧设置有次级温度传感器，且蓄热仓的底部、中间或侧面设置有末端换热器，所述蓄热仓还连接有进出水管，且进出水管的进水口和出水口设置在箱体外壳的一侧、所述蓄热仓还连接有单级循环冷媒管和次级冷媒管，且单级循环冷媒管和次级冷媒管与末端换热器的连接处分别设置有单级循环冷媒入口和单级循环冷媒出口及次级冷凝器入口和次级冷凝器出口，所述蓄热仓通过单级循环冷媒管和次级冷媒管与中间缓冲换热器连接，且中间缓冲换热器位于内箱体顶部，所述中间缓冲换热器为首级冷凝器和次级蒸发器置于一密闭箱体内，且箱体内还设置有导热介质和首级温度传感器，所述首级冷凝器和次级蒸发器分别与首级冷媒管和次级冷媒管连通，所述首级冷媒管与密闭箱体的连接处设置有首级冷媒进口和首级冷媒出口，且次级冷媒管与密闭箱体的连接处设置有次级冷媒进口和次级冷媒出口，所述首级冷媒管上靠近首级冷媒进口和首级冷媒出口的一边分别安装有首级常开阀和次级常开阀，且首级常开阀和次级常开阀的外侧的首级冷媒管上分别安装有首级三通阀和次级三通阀连接，所述首级三通阀和次级三通阀还与单级循环冷媒管的首尾端连接，且靠近连接处的单级循环冷媒管上分别安装有首级常闭阀和次级常闭阀，所述首级冷媒管的两端分别与首级三通阀和次级三通阀连通，且首级冷媒管上依次串联连接有首级压缩机、首级蒸发器、首级节流器和首级冷媒罐，所述首级蒸发器顶端还设置有风机，所述次级冷媒管上靠近次级冷媒进口和次级冷媒出口的一边分别安装有次级节流器和次级压缩机，且次级冷媒管上靠近次级冷凝器出口的一边安装有次级冷媒罐，所述箱体外壳的外部一侧安装有控制器，且控制器分别与次级冷凝器、次级温度传感器、中间缓冲换热器、首级冷凝器、次级蒸发器、首级蒸发器、首级压缩机、首级节流器、首级冷媒罐、次级节流器、次级冷媒罐、首级三通阀、风机、首级常开阀、次级常开阀、首级常闭阀、次级常闭阀、次级三通阀、次级压缩机和首级温度传感器电性连接。

进一步的，所述保温层设置在箱体外壳的内壁或包覆在内箱体是外侧，且保温层选取聚氨酯发泡、聚乙烯泡沫或岩棉。

进一步的，所述导热介质为水。

进一步的，所述复合相变材料为一种有形蓄热内核的高储能密度纳米复合相变材料，且复合相变材料的相变温度在20-118℃范围内。

进一步的，所述进出水管上还开设有进水口和出水口。

进一步的，所述中间缓冲换热器为翅片冷凝换热器、列管冷凝换热器的一种或者其组合，且中间缓冲换热器上还设置有介质加装口和介质排放口。

进一步的，所述末端换热器为翅片冷凝换热器、列管冷凝换热器的一种或者其组合且分别通过单级循环冷媒管联通首级冷媒管与首级换热器连接和通过次级冷媒管与中间缓冲换热器连接。

进一步的，所述蓄热仓内的末端换热器内单级循环冷媒管系增设的一路冷媒管路，工况条件允许时常开阀关闭，常闭阀打开，可由多级压缩多级循环的空气(水)能热泵机组转换为单级压缩单级循环的空气能热泵系统运行。

进一步的，该蓄能装置中的高储能密度、高导热性复合相变材料优先选用由较高相变潜热，导热性能优于有机类相变材料的无机相变材料与高导热性的支撑结构材料在特定温度和压力条件下制成。蓄能装置用无机类相变蓄热材料以水合盐类相变材料为主，由于无机类相变材料在相变储热-放热过程中会出现过冷及相分离现象，对此，我们采用添加增稠剂和成核剂办法制成复合相变材料。所选用的无机相变材料主要是以下一种或一种以上的组合：十水合硫酸钠na2so4·10h2o、八水合氢氧化钡ba(oh)2·8h2o、四水合硝酸铬cd(no3)2·4h2o、铵明矾nh4al(so4)2·12h2o、十二水合硫酸铝钾kal(so4)2·12h2o、十水合碳酸钠na2co3·10h2o、四硼酸钠na2b4o7·10h2o、七水合磷酸钾k3po4·7h2o、三水合醋酸钠ch3coona·3h2o、十水合磷酸氢钠na2hpo4·10h2o、十八水合硫酸铝ai(so4)3·18h2o、十水合磷酸氢二钠na2hpo4·10h2o、六水合氯化钙cacl2·6h2o、六水合硝酸镁mg(no3)2·6h2o等。用焦磷酸钠na4p2o7·10h2o或碳酸钡baco3为成核剂，用羧甲基纤维素钠c6h7o2(oh)2ch2coona为增稠剂在一定工况条件下制成复合相变材料。该相变温度在20-118℃范围内。

进一步的，该蓄能装置中的高储能密度、高导热性纳米相变材料也可由有机相变材料与高导热性的支撑结构材料在特定温度和压力条件下制成。该有机相变材料是以下一种或几种材料的组合，醇类的聚乙二醇、赤丁四醇，脂肪酸类的棕榈酸、葵酸、月桂酸及烷烃类石蜡。其与吸附性和导热性良好的膨胀石墨(eg)或活性炭颗粒(acg)支撑材料，采用物理吸附加熔融共混的方法制备出不同分子量的高储能密度的复合定型相变材料。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：该多级压缩多级循环的热泵机组制热蓄热装置，解决了环境温度较低时或由于采用单级压缩的空气源热泵或由于采用相变材料储能而造成的提供高度热水困难、压缩机运行不稳定的问题。当室外温度较低，生活生产所需热水温度与室外空气温差过大时，常常造成压缩机工作的压力差过大，当压力差＞12～14，压力比＞8～10时，单级压缩机会发生因压缩机的压力差超过允许值而导致润滑油稀化、碳化等引起的润滑不良、机件损坏，压力比过大也会导致容积效率和热效率大大下降。为了达到较低蒸发温差，采用两级或多级压缩机的热泵循环系统是解决现产品和技术存在问题的有效之举措；采用相变储能材料储热技术解决了市场上现有水箱式储能存在的储能(显热)少、储热效率低的问题；解决了谷电等具有间断性特点的非化石能源高效利用问题，以应对全球气候变化和环境污染治理，减少一次性化石能源使用量，是实现低碳发展，解决了其他产品和技术在实际应用中的受限问题，同时多级压缩多级循环的空气源热泵系统解决了单级压缩多级循环的空气源热泵给相变储热困难的问题。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的整体平面结构示意图；

图2是本实用新型的整体内部结构示意图；

图中：1、箱体外壳；2、保温层；3、内箱体；4、蓄热仓；5、导热介质；6、复合相变材料；7、进出水管；8、次级冷凝器；9、控制器；10、次级温度传感器；11、进水口；12、出水口；13、首级冷媒进口；14、首级冷媒出口；15、中间缓冲换热器；16、首级冷凝器；17、次级蒸发器；18、介质加装口；19、介质排放口；20、首级蒸发器；21、首级压缩机；22、首级节流器；23、首级冷媒罐；24、次级节流器；25、次级冷媒罐；26、首级三通阀；27、次级冷媒进口；28、次级冷媒出口；29、风机；30、首级冷媒管；31、次级冷媒管；32、首级常开阀；33、次级常开阀；34、首级常闭阀；35、次级常闭阀；36、次级三通阀；37、次级压缩机；38、首级温度传感器；39、次级冷凝器入口；40、次级冷凝器出口；41、单级循环冷媒入口；42、单级循环冷媒出口；43、单级循环冷媒管；44、末端换热器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2，本实用新型提供一种技术方案：一种多级压缩多级循环的热泵机组制热蓄热装置，包括箱体外壳1、保温层2、内箱体3、蓄热仓4、导热介质5、复合相变材料6、进出水管7、次级冷凝器8、控制器9、次级温度传感器10、进水口11、出水口12、首级冷媒进口13、首级冷媒出口14、中间缓冲换热器15、首级冷凝器16、次级蒸发器17、介质加装口18、介质排放口19、首级蒸发器20、首级压缩机21、首级节流器22、首级冷媒罐23、次级节流器24、次级冷媒罐25、首级三通阀26、次级冷媒进口27、次级冷媒出口28、风机29、首级冷媒管30、次级冷媒管31、首级常开阀32、次级常开阀33、首级常闭阀34、次级常闭阀35、次级三通阀36、次级压缩机37、首级温度传感器38、次级冷凝器入口39，次级冷凝器出口40，单级循环冷媒入口(41)、单级循环冷媒出口(42)、单级循环冷媒管(43)和末端换热器(44)，箱体外壳1的内壁设置有内箱体3，且箱体外壳1与内箱体3之间设置有保温层2，保温层2设置在箱体外壳1的内壁或包覆在内箱体3是外侧，且保温层2选取聚氨酯发泡、聚乙烯泡沫或岩棉，内箱体3内设置有蓄热仓4，且蓄热仓4内设置有与其仓体吻合的复合相变材料6，复合相变材料6为一种有形蓄热内核的高储能密度纳米复合相变材料，且复合相变材料6的相变温度在20-118℃范围内，蓄热仓4及其内部复合相变材料6的一侧设置有次级温度传感器10，且蓄热仓4的底部、中部或侧面设置有末端换热器44，蓄热仓4还连接有进出水管7、单级循环冷媒管43和次级冷媒管31，且单级循环冷媒管43和次级冷媒管31与末端换热器44所在箱体的连接处分别设置有单级循环冷媒入口41和单级循环冷媒出口42与次级冷凝器入口39和次级冷凝器出口40，进出水管7上还开设有进水口11和出水口12，蓄热仓4通过单级循环冷媒管43和次级冷媒管31与中间缓冲换热器15连接，且中间缓冲换热器15位于内箱体3顶部，中间缓冲换热器15为首级冷凝器16和次级蒸发器17置于一密闭箱体内，且箱体内还设置有导热介质5和首级温度传感器38，中间缓冲换热器15为翅片冷凝换热器、列管冷凝换热器的一种或者其组合，且中间缓冲换热器15上还设置有介质加装口18和介质排放口19，导热介质5为水，首级冷凝器16和次级蒸发器17分别与首级冷媒管30和次级冷媒管31连通，首级冷媒管30与密闭箱体的连接处设置有首级冷媒进口13和首级冷媒出口14，且次级冷媒管31与密闭箱体的连接处设置有次级冷媒进口27和次级冷媒出口28，首级冷媒管30上靠近首级冷媒进口13和首级冷媒出口14的一边分别安装有首级常开阀32和次级常开阀33，且首级常开阀32和次级常开阀33的外侧的首级冷媒管30上分别安装有首级三通阀26和次级三通阀36连接，首级三通阀26和次级三通阀36还与单级循环冷媒管43的首尾端连接，且靠近连接处的单级循环冷媒管43上分别安装有首级常闭阀34和次级常闭阀35，首级冷媒管30的两端分别与首级三通阀26和次级三通阀36连通，且首级冷媒管30上依次串联连接有首级压缩机21、首级蒸发器20、首级节流器22和首级冷媒罐23，首级蒸发器20顶端还设置有风机29，次级冷媒管31上靠近次级冷媒进口27和次级冷媒出口28的一边分别安装有次级节流器24和次级压缩机37，且次级冷媒管31上靠近次级冷凝器出口40的一边安装有次级冷媒罐25，箱体外壳1的外部一侧安装有控制器9，且控制器9分别与次级冷凝器8、次级温度传感器10、中间缓冲换热器15、首级冷凝器16、次级蒸发器17、首级蒸发器20、首级压缩机21、首级节流器22、首级冷媒罐23、次级节流器24、次级冷媒罐25、首级三通阀26、风机29、首级常开阀32、次级常开阀33、首级常闭阀34、次级常闭阀35、次级三通阀36、次级压缩机37和首级温度传感器38电性连接；在低温环境下给本装置蓄热或需系统连续工作时，接通主电源，通过控制器9开机，系统自动进入巡检，系统巡检正常，风机29工作、首级压缩机21工作，在风机29的作用下，空气从进风侧经由首级蒸发器20吸收空气中的低温热能，加热首级冷媒管30内的低沸点冷媒并使其蒸发，首级冷媒管30内的冷媒蒸汽经由首级压缩机21压缩成高温高压气体，经首级三通阀26、首级常开阀32、首级冷媒进口13进入中间缓冲换热器15经首级冷凝器16换热将热量释放给导热介质5，首级冷媒管30内的冷媒降温后经首级冷媒出口14进入首级冷媒罐23，再经首级节流器22节流降压降温再经首级蒸发器20换热回到首级压缩机21，进入下一个循环；

同时，首级温度传感器38将温度信号传递给控制器9，在符合逻辑关系的控制条件下，次级循环系统启动，中间缓冲换热器15中的次级蒸发器17吸收中温热量，中温的次级冷媒管31中的冷媒从次级蒸发器出口17经由次级压缩机37压缩成高温高压气体，使次级冷媒管31中的冷媒在次级冷凝器8放热，高温热能释放给蓄热仓4进而给复合相变材料6升温蓄热；次级冷媒管31中的冷媒降温后经次级冷凝器出口40进入次级冷媒罐25，经次级节流器24节流降压降温经次级蒸发器17的进口回到中间缓冲换热器15，再经次级蒸发器17吸热、次级压缩机37压缩进入下一个循环；在该系统装置工作中，当高储能密度复合相变材料6温度超过相变温度或达到或超过设定温度时，通过次级温度传感器10将信号传至控制器9，按照数据库的逻辑关系自动控制次级压缩机37或首级压缩机21间歇工作；

在另一工况条件下，当满足单级压缩单级循环条件时，系统会自动或手动转换为单级压缩单级循环模式。单级循环模式时，首级常开阀32、次级常开阀33自动(手动)关闭，同时首级常闭阀34、次级常闭阀35自动(手动)开启，进入第三循环模式，此模式是第一循环的首级冷凝器16停止工作由第二循环的次级冷凝器8进入冷凝循环，同时第二循环的次级压缩机37等停止工作；

当使用热水时，冷水经进水口11进入储放热内箱体3中吸收高储能密度复合相变材料6的热量，随着热能的不断吸收，将冷水升温至高温热水，高温热水经出水口12流出；高储能密度高导热纳米复合相变材料6持续放热，当温度降至相变温度以下或在系统设定的补温温度范围内，次级温度传感器10将信号传至控制器9，按照指令由控制器9开启相应压缩机工作并进一步给蓄热系统补热，且同时满足正常热水的供应；通过次级温度传感器10的防过热温度感应探头感应温度，经控制器9控制，在保证复合相变材料6充分相变完毕的合理温度区间内系统按照符合逻辑关系的控制主体，自动切换相应被控设备、器件完成自动控制，以防止复合相变材料6过热失能或降低使用寿命，为到达避峰就谷的目的，也可通过控制器9设定空气(水)源热泵机组系统的自动启停时间。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。