专利名称：北方寒冷地区冬季家用空气源热泵供暖系统及装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用空气源在低温环境下平稳运行并向室内提供所需热量及卫生热水的家用空气源热泵供暖系统及装置，属于热泵技术领域。
背景技术：
目前我国城市居民采暖形式主要是城市集中供热，同时还存在城市小区局部供热和个人采用电加热器和小型煤、油、气锅炉进行冬季取暖。供热方式的热源主要来源于锅炉用化石燃料。由于锅炉热效率不高、燃料燃烧不完全，既浪费大量能源又造成环境污染。所以燃油、燃气、电等清洁燃料正在逐渐成为采暖供热热源，但是利用高热值的燃料取暖不但是对一次能源的浪费而且运行费用较高。同时现在城市集中供热系统需要分户计费、分户改造，涉及的工程量大、成本高，仍然存在供热效果不佳、房间冷热不均等现象。因此在北方利用低位热源的热泵空调系统越来越受到重视，采用水源热泵和地源热泵系统供暖的用户逐渐增多，而空气源热泵虽然在长江以南地区获得广泛应用，但在北方寒冷地区由于气候条件的限制，现有空气源热泵系统很难大面积推广。空气是巨大的低品位热源，若对热泵装置进行改进，满足室外气温在-15℃时热泵性能系数在2.0以上，空气源热泵系统在北方寒冷地区家用供暖将获得很好的应用。
空气源热泵供暖装置具有诸多优点首先它是一种环保型取暖装置，在能源利用方面又是一种建筑节能产品。可以根据室内温度的要求自动调节，室内温度波动较小、供热品质好且应急性较强。与集中供热相比，避免了巨大的能源浪费。在供热的同时可以提供卫生热水，在非供暖期可作为单独热水器使用。
经检索发现“双级压缩低温热泵系统及装置”(申请号02100339.4)公开了一种冬季空气源热泵的空调装置。该装置只是提出利用双级压缩循环减小压缩比，改善低温热泵系统效率，但没有解决室外气温在-5℃以下室外换热装置除霜问题。该装置利用中间冷却器实现一级节流、中间不完全冷却，虽然抑制了节流过程中无效蒸气量的产生，却增加了不可逆损失。“双级换热空气源热泵机组装置”(申请号200520127628.4)公开了一种利用单台压缩机、双级换热装置、配合三通电磁阀使制出的高温热水和中温水混合，提供30～50℃卫生热水的空气源热泵装置，虽然对水温可以进行精细调节但不能满足北方寒冷地区供暖的热量与温度的需求，同时该装置也只能提供家用卫生热水。
发明内容
本实用新型解决了上述现有技术存在的未考虑室外低温高湿环境换热器的结霜工况、节流不可逆损失过大、制取的热水不能满足北方寒冷地区冬季供暖的需求等问题，其目的在于提供一种用于寒冷地区冬季家用空气源热泵供暖系统及装置。本装置在室外热交换器底部设有热气体除霜装置，实现高效除霜、提高制热效果，满足家用供暖热量需求；利用高低压两台压缩机及闪蒸器装置实现两级节流、中间不完全冷却的双级压缩循环，减少节流不可逆损失；采用分热转换器和多头螺旋式换热器合理分配制冷剂流向及流量，实现单独供暖、单独提供卫生热水和两者联合运行的目的。
本实用新型是通过以下技术方案实现的。
一种家用空气源热泵供暖系统及装置，该装置是由空气源热泵系统M和供暖及卫生热水系统N两部分组成，其特征在于所说的空气源热泵系统由管路连接低压变频压缩机、高压压缩机、闪蒸器、气液分离器、室外换热器，管路中设有热力膨胀阀、三通电磁阀、电磁阀；所说的供暖及卫生热水系统由高压压缩机引出管路连接分热转换器和多头高效螺旋换热器，多头高效螺旋换热器回水管路设有水泵并连接有供热出水管、供热回水管、卫生热水补水口、卫生热水出水口。上述系统中所述的闪蒸器组件的一个出口与低压变频压缩机排气口相连，制冷剂混合后实现中间不完全冷却，并与高压压缩机吸气口相连。
本实用新型在低温工况制热运行时，利用高低压两台压缩机及闪蒸器装置实现两级节流、中间不完全冷却的双级压缩循环，提高制热量和能效比，保持较低的压缩比和排气温度，使热泵运行稳定可靠。同时在室外换热装置底部增加除霜盘管，解决了热泵系统室外换热装置结霜问题。本实用新型在供暖和卫生热水系统中采用了分热转换器、多头高效螺旋换热器，根据不同环境温度和功用，通过分热转换器的不同工作状态，实现冬季单独供暖运行方式，冬季供暖和卫生热水联合运行方式、非供暖期间卫生热水单独运行方式之间的相互切换。保证供暖系统供热水温65℃以上、卫生热水水温40℃以上。本实用新型可在北方地区家庭居室内广泛应用。其特征在于所述系统中包括闪蒸器组件，所述的闪蒸器组件的一个出口与低压变频压缩机排气口相连，制冷剂混合后实现中间不完全冷却，并与高压压缩机吸气口相连。
本实用新型是在普通热泵装置循环回路基础上增设高压级单元和一级节流、中间不完全冷却单元构成的。高压级单元即在低压压缩机排气管路和分热转换器之间增设高压压缩机和三通电磁阀。低压压缩机排气管路与三通电磁阀相连，三通电磁阀c端直接与高压排气管路相连，b端与高压压缩机吸气管路相连。一级节流、中间不完全冷却单元即在多头高效螺旋换热器和二次热力膨胀阀之间增设闪蒸器、三通电磁阀、一次热力膨胀阀。多头高效螺旋换热器制冷剂出口与三通电磁阀相连，三通电磁阀b端与一次热力膨胀阀入口相连，一次热力膨胀阀出口与闪蒸器入口相连，闪蒸器蒸气出口与低压压缩机排气管路相连后与高压压缩机吸气口相连，闪蒸器液体端与三通电磁阀c端相连后与二次热力膨胀阀相连。本装置在非供暖期只单独提供卫生热水时，高压级单元和一级节流、中间不完全冷却单元不投入运行，按着普通热泵装置的功效运行；在供暖期热泵装置启动高压级单元和一级节流、中间不完全冷却单元，将单级压缩热泵循环转化为双级压缩热泵循环，有效的提高系统的制热能力，降低压缩比，可以完全满足在-15℃的制热需求且能效比在2.0以上。
所述闪蒸器内部由液位探测仪自动控制液位。来自一次热力膨胀阀的制冷剂在闪蒸器内闪蒸，其蒸气与低压压缩机排气混合后与高压压缩机相连，实现制冷剂中间不完全冷却。
所述室外热交换器底部设有热气体除霜装置，该装置与室外换热器构成一体。利用室外热交换器内设有的探测装置，与微电脑连接控制三通电磁阀的导通方式，当冬季室外换热器大量结霜时三通电磁阀a、b导通，实现热气体除霜。当室外换热器只有微量结霜产生凝结液滴时三通电磁阀不开启，由于底部盘管未有制冷剂流过与室外空气不发生热交换，自然排掉液滴而不影响制热效果。三通电磁阀a、c的导通，会增大室外换热器换热面积。
所述高压压缩机排气管路连接分热转换器进口，分热转换器出口与多头高效螺旋换热器中接口相连，实现单独供暖、单独提供卫生热水及其两者联合运行。根据用户的要求和蓄水箱水温探测装置，合理地对多头高效螺旋换热器进行冷剂流量的调节。在单独提供卫生热水时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器中的A、B、C、D四个接口相连，通过多头高效螺旋换热器高温高压蒸气制冷剂与卫生热水开式系统进行换热；在单独供暖时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器中的E、F、G、H四个接口相连，通过多头高效螺旋换热器，高温高压蒸气制冷剂与供暖闭式水环系统进行换热；在供暖系统和卫生热水系统联合运行时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器中的C、D、E、F四个接口相连，通过多头高效螺旋换热器，实现高温高压蒸气制冷剂同时与供暖闭式水环系统和卫生热水开式系统进行换热。当蓄水箱中探测温度装置检测水温低于35℃时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器中的C、D、E、F四个接口相连，当蓄水箱中探测温度装置检测水温高于50℃时，分热转换器出口和多头高效螺旋换热器中的E、F、G、H四个接口相连。
所述低压压缩机采用小型变频调节压缩机，高压压缩机采用小型定频压缩机，组成的双级压缩热泵系统及装置适于家庭应用。非供暖期系统只有低压变频压缩机启动，低压变频压缩机可以根据蓄水箱中的温度探测装置利用微电脑调节压缩机的能量输出，实现过渡季节节能的目的。
目前，空气源热泵系统以其节能、高效、环保的优势，逐渐被用户所接受，市场应用前景可观。普通的单级空气源热泵系统，在低温环境下室外换热盘管大面积结霜、压缩机压缩比过大、排气温度过高、输气系数剧减、以致制热量不足、制热性能系数低，甚至系统无法正常运行。低温空气源热泵供暖系统完全克服普通单级空气源热泵系统的不足，在室外-15℃的低温环境下，满足供暖系统供热水温65℃、卫生热水出水口水温在40℃。因此低温空气源热泵供暖系统是一种适合北方寒冷地区应用的供暖装置。低温空气源热泵供暖系统关键技术在于利用了高低压两台压缩机、闪蒸器、除霜盘管等装置实现在低温环境下，系统稳定、长期地可靠运行，满足用户的需求。同以前已有的技术相比，本实用新型具有实质性特点和显著的进步。
本实用新型的效果和益处是该装置采用了高低压两台压缩机和闪蒸器装置实现制冷剂两次节流、中间不完全冷却的双级压缩热泵循环。同时还设有热气体除霜盘管在-15℃的低温环境中稳定、可靠地长期运行，提供足够的制热量和最低2.0的制热性能系数，满足北方寒冷地区冬季采暖和卫生热水的要求；采用分热转换器和多头高效螺旋换热器对制冷剂流向和流量进行分配，控制供水温度，满足用户的要求；在非供暖期此系统只有低压变频压缩机启动，根据需要进行能量的输出，实现节能的目的。本实用新型可在北方地区家庭居室内广泛应用，具有很大的推广空间。
图1是本实用新型结构原理示意图。
图2是除霜盘管的立面图。
图3是分热转换器和多头高效螺旋换热器结构示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本实用新型的具体实施方式
。如图1所示，本实用新型包括低压变频压缩机1、高压压缩机3、闪蒸器7、气液分离器15、室外换热器11、室外风扇12、除霜盘管13、热力膨胀阀6、9、三通电磁阀2、5、10、电磁阀4、8、14、分热转换器16、多头高效螺旋换热器17、18、水泵19、20、蓄水箱21、22、供热出水管23、供热回水管24、卫生热水补水口25、卫生热水出水口26、制冷剂连接管、水路连接管。
冬季室外温度在-10℃以下时，低压变频压缩机1排出的制冷剂蒸气，经三通电磁阀2(a、b接通)与闪蒸器7出口的蒸气混合，实现制冷剂不完全冷却，进入高压压缩机3，从高压压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气，一部分经分热转换器16进入多头高效螺旋换热器18、19与水系统进行热交换，从多头高效螺旋换热器18、19出口流出的高温高压液体，经三通电磁阀5(a、b接通)与一次热力膨胀阀6相连，经一次热力膨胀阀6后制冷剂气液混合物进入闪蒸器7，闪蒸器7蒸气出口与低压变频压缩机1排气管路相连，闪蒸器7液体出口经电磁阀8与二次热力膨胀阀9相连，经二次节流后的低温低压液体流向室外换热盘管后进入气液分离器15；另一部分高温高压制冷剂蒸气经过电磁阀4、三通电磁阀10(a、b接通)与除霜管路13相连，除霜管路出口气液混合制冷剂经过电磁阀14进入气液分离器15。气液分离器15排气口与低压变频压缩机吸气口相连，完成制热循环。此系统除霜管路15中是高压压缩机排出的高温、高压蒸气，实现热气体除霜。保证冬季低温条件下的制热量。此系统中的闪蒸器(7)与低压变频压缩机排气口相连，实现制冷剂中间不完全冷却，提高系统装置制热量和压缩机能效比，并能保持较低的压缩比和排气温度，使空调运行稳定可靠。
冬季温度在0℃以下有微量结霜时，三通电磁阀10和电磁阀4、14不开启。即除霜管路没有液体流过。此部分管路内没有制冷剂与室外空气进行热交换，由于室外温度在0℃左右只有微量结霜，从空气中凝结出的液滴自然留下盘管底部，不会形成冰结，液滴靠自然重力排出室外。
在非供暖期，三通电磁阀2、5、10均是a、c连通，电磁阀4、8、14、一次热力膨胀阀6不开启。即此系统只有低压变频压缩机启动，低压变频压缩机可以根据蓄水箱中的温度探测装置利用微电脑调节压缩机的能量输出，实现过渡季节节能的目的。
图2是除霜盘管的立面图。冬季室外温度在-10℃以下时，三通电磁阀10(a、b接通)、电磁阀14开启，实现热气体除霜；冬季温度在0℃以下有微量结霜时，三通电磁阀10和电磁阀14不开启，实现自然重力排出液滴；在非供暖期，三通电磁阀10a、c连通，电磁阀14不开启，增大室外换热面积。
图3是分热转换器和多头高效螺旋换热器结构示意图。在供暖和卫生热水联合运行时分热转换器16与多头高效螺旋换热器18、19连通(即与E、F、G、H连通)，分别与供暖闭式水环系统和开式卫生热水系统进行热交换。同时可以根据蓄水箱22中探测温度装置检测水温来调整分热换热器16与多头高效螺旋换热器连通，当水温高于50℃时分热换热器16内部接口装置向左移动，当水温低于35℃时分热换热器16内部接口装置向右移动。保证卫生热水水温在40℃左右；单独供暖时，分热转换器16与多头高效螺旋换热器19连通(即与E、F、G、H连通)，与供暖闭式水环系统进行热交换；单独提供卫生热水时分热转换器16与多头高效螺旋换热器19连通(即与A、B、C、D连通)，与开式卫生热水系统进行热交换。
权利要求1.一种北方寒冷地区冬季家用空气源热泵供暖系统及装置，该装置是由空气源热泵系统M和供暖及卫生热水系统N两部分组成，其特征在于所说的空气源热泵系统由管路连接低压变频压缩机[1]、高压压缩机[3]、闪蒸器[7]、气液分离器[15]、室外换热器[15]，管路中设有热力膨胀阀[6、9]、三通电磁阀[2、5、10]、电磁阀[4、8、14]；所说的供暖及卫生热水系统由高压压缩机[3]引出管路连接分热转换器[16]和多头高效螺旋换热器[17、18]，多头高效螺旋换热器[17、18]回水管路设有水泵[19、20]并连接有供热出水管[23]、供热回水管[24]、卫生热水补水口[25]、卫生热水出水口[26]。
2.按照权利要求1所述的家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于所说的闪蒸器[7]组件的一个出口与低压变频压缩机[1]排气口相连，并与高压压缩机[3]吸气口相连。
3.按照权利要求1或2所述的家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于所说的低压压缩机[1]排气管路和分热转换器[16]之间设有三通电磁阀[2]和高压压缩机[3]；低压压缩机[1]排气管路与三通电磁阀[2]a端相连，三通电磁阀[2]c端直接与高压排气管路[3]相连，b端与高压压缩机[3]吸气管路相连。
4.按照权利要求1或2所述的家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于所说的在多头高效螺旋换热器[17、18]和二次热力膨胀阀[9]之间增设闪蒸器[7]、三通电磁阀[5]、一次热力膨胀阀[6]。多头高效螺旋换热器[17、18]制冷剂管路与三通电磁阀[5]a端相连，三通电磁阀[5]b端与一次热力膨胀阀[6]入口相连，一次热力膨胀阀[6]出口与闪蒸器[7]入口相连，闪蒸器[7]蒸汽出口与低压压缩机[1]排气管路相连后与高压压缩机[3]吸气口相连，闪蒸器[7]液体端与三通电磁阀[5]c端相连后与二次热力膨胀阀[9]相连。
5.按照权利要求1或2所述的家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于所说的闪蒸器[7]内部由液位探测仪自动控制液位。
6.按照权利要求1所述的季家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于所说的室外热交换器[11]底部设有热气体除霜装置[13]，该装置[13]与室外换热器[11]构成一体。
7.按照权利要求1所述的季家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于所说的室外热交换器[11]内设有的温度探测装置，与微电脑连接控制三通电磁阀[10]。
8.按照权利要求1所述的季家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于所说的高压压缩机[3]排气管路连接分热转换器[16]进口，分热转换器[16]出口和多头高效螺旋换热器[17、18]中接口相连。
9.按照权利要求1所述的季家用空气源热泵供暖系统及装置，其特征在于所说的低压压缩机[1]采用小型变频调节压缩机；高压压缩机[3]采用小型定频压缩机。
专利摘要一种家用空气源热泵供暖系统及装置，采用低压变频压缩机、高压压缩机、室外换热器、闪蒸器、气液分离器、除霜盘管、分热转换器、多头高效螺旋换热器、电磁阀、热力膨胀阀等部件管路相连接，闪蒸器组件一个出口与低压变频压缩机排气口相连，制冷剂混合后实现中间不完全冷却，并与高压压缩机吸气口相连。本装置利用高低压两台压缩机及闪蒸器装置实现两级节流、中间不完全冷却的双级压缩循环，提高制热量和能效比，保持较低的压缩比和排气温度，该装置采用除霜盘管、分热转换器、多头高效螺旋换热器，解决了室外换热装置结霜和不同环境温度与功用多种运行方式切换问题，使热泵在低温环境下平稳运行并向室内提供供暖水温65℃以上、热水水温40℃以上。
文档编号F24D3/18GK201014625SQ20072001134
公开日2008年1月30日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者王树刚, 旭 金, 初家平 申请人:大连中星科技开发有限公司