热回收式空气源热泵热水器循环系统及工作方法与流程

本发明属于空气源热泵与空调技术领域，涉及一种蒸气压缩式热泵热水器循环系统，具体涉及一种利用风冷过冷器实现热回收的空气源热泵热水器循环系统及工作方法。

背景技术：

蒸气压缩式热泵循环系统广泛应用于空气源(水源、地源)热泵热水器、太阳能直接膨胀式热泵热水器及相应的热泵空调器等领域。它具有系统结构简单、紧凑并且高效节能等特点。近年来随着能源需求迅速增长，环境气候问题日益突出以及低碳经济的发展，空气源热泵技术作为一种节能、环保的制热技术在提高能源的利用效率、减少温室气体的排放及为人类生活与工作创造更舒适的环境等方面更显现出它突出的技术优点。因此，空气源热泵的发展十分迅速，尤其是空气源热泵热水器的市场占有率不断提高，热泵技术的相关研究也在应用的导向下不断创新。

目前，影响空气源热泵热水器技术发展的最主要问题是空气源热泵热水器制热量和制热性能系数随着环境空气温度的降低而降低，以及随着储水箱水温的不断升高而降低；因此空气源热泵热水器的使用受到环境温度的限制以及自身循环特性的影响，它的低温环境适应性和连续制热性能已成为实际应用中的技术屏障，改善循环系统性能系数和提高制热量也就成为这一技术领域中重要的研究发展方向。

常规蒸气压缩式空气源热泵热水器循环系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀机构和蒸发器组成。在常规的蒸气压缩式空气源热泵热水器循环系统中，随着蒸发温度的降低(即环境空气温度降低)，压缩机的吸气压力下降，压缩机的吸气比容增大，压比也将升高，从而使得循环系统的单位容积制热量下降，压缩机耗功增加，会导致热泵制热能力和制热性能系数显著降低。空气源热泵热水器所处的环境空气温度通常是地域性的、季节性的、不可控的，相比之下，空气源热泵热水器冷凝温度的升高(随着储水箱内水温的升高)是普遍的、周期性的和可以预期的。随着冷凝温度的不断升高，压缩机的排气温度和压力升高，压比不断增大，压缩机耗功增加，会导致热泵制热能力和制热性能系数显著降低。

为解决上述工况下热泵性能降低问题，有研究者提出了两级压缩和复叠循环形式，可以有效解决大温差制热时压比过大问题，但双压缩机系统无疑大大增加了系统的复杂程度和故障率，因此多用于高温热泵领域。在此基础上，有研究者提出了几种单压缩机准二级压缩循环形式，包括带闪发器和带经济器(过冷器)的两种喷气增焓循环系统，以及带喷射器的中间补气循环系统。这几种准二级压缩循环形式相比于双压缩机系统大有简化，然而，都需要采用带辅助进气口的压缩机，有一定的加工和设计难度，不适用于普通涡旋压缩机或未带辅助进气口的压缩机。

除了上述技术外，还有一种可以有效提高热泵循环系统效率的方法，就是对冷凝过后的高温制冷剂液体进行过冷，与上述几种循环类似，同样可以减小制冷剂节流后的干度，防止蒸发器的性能因进口制冷剂干度较大而恶化。针对这一特性，有学者提出了多种不同的过冷循环，包括机械过冷循环(需要另附一套蒸气压缩制冷系统)，引射过冷循环(压缩机后布置喷射器，用来引射过冷回路)，水冷过冷循环(用进冷凝器之前的低温水进行过冷)，风冷过冷循环(用空气进行过冷，但没有热回收)，凝水蒸发过冷循环(收集蒸发器外部产生的凝水用于过冷器表面蒸发吸热)，内部回热过冷循环(冷凝器出来的高温制冷剂液体与蒸发器出来的低温制冷剂气体进行内部回热)等形式。这些过冷形式都可以将冷凝器出来的制冷剂液体进一步冷却，有些也可以将制冷剂液体过冷时释放的热量重新回收到系统中去，只是需要对基本热泵循环系统进行不同程度的改造。大部分过冷循环相对于二级压缩和准二级压缩来说对系统的改动较小，但是缺点在于并没有对循环系统的压比和制热效率方面带来改进。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，简化过冷系统的复杂程度，本发明提出了一种带风冷过冷器的热回收式空气源热泵热水器循环系统及工作方法，利用进蒸发器前的空气对冷凝器出来的制冷剂液体进行过冷，降低了进入蒸发器的制冷剂干度，同时由于制冷剂液体在过冷器中将热量传递给了进蒸发器前的空气，可以提高蒸发温度，从而提高系统循环效率。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

热回收式空气源热泵热水器循环系统，制冷剂侧，压缩机101的出口与冷凝器102的入口相连接；冷凝器102的出口与过冷器103的入口相连接；过冷器103的出口与膨胀机构104的入口相连；膨胀机构104的出口与蒸发器105的入口连接；蒸发器105的出口与压缩机101的入口相连接；空气侧，过冷器103和蒸发器105具有相同的迎风面积，均安装在风道107内；水侧：冷凝器102紧贴在储水箱108的内壁上，储水箱108储存冷凝器102产生的热水。

从冷凝器102出来的制冷剂液体，先进入过冷器103进行过冷，再进入膨胀机构104进行节流膨胀。

所述过冷器103为强制对流风冷翅片管式换热器，与蒸发器105共用一个风机106和风道107，风机106为空气循环提供动力，空气先进入过冷器103再进入蒸发器105。

过冷器103同时实现了节流前制冷剂过冷度的增大和蒸发器105入口空气温度的提升。

所述的热回收式空气源热泵热水器循环系统的工作方法，低压制冷剂气体进入压缩机101，通过输入机械能被压缩为高压蒸气进入冷凝器102，放出热量凝结为饱和或过冷液体，同时实现制热目的；从冷凝器102中出来的制冷剂液体进入过冷器103，在其中放出热量获得温度更低的过冷制冷剂液体；过冷器103出来的制冷剂液体进入膨胀机构104进行节流降压，然后进入蒸发器105吸收热量蒸发为过热蒸气，从蒸发器105出来的制冷剂蒸汽再进入压缩机101，完成一个循环过程；首先，因过冷器103的过冷作用，增大了循环的过冷度，降低了进入蒸发器105的制冷剂干度，提高了制冷剂液体与蒸发器管内壁接触的机会，提高了循环系统蒸发器105的换热效率；其次，由于过冷器103释放出的热量被蒸发器105再次吸收回系统中，实现了热量的回收利用；最后，采用过冷器103对进入蒸发器105前的空气进行预热，提高蒸发温度，从而提高循环系统的制热性能系数。

相比于现有的空气源热泵热水器循环，本发明具有如下优点：

1、通过过冷器将冷凝器出来的制冷剂液体进行进一步冷却，降低了蒸发器入口制冷剂的干度，增大了蒸发器管壁与制冷剂液体接触的机会，提高了蒸发器的换热效率。

2、通过将过冷器布置在蒸发器进风口前，不但可以回收过冷器向外散出的热量，而且提高了蒸发器入口空气的温度，提高了整个热泵系统的蒸发温度，从而减小了压缩机压比，获得更高的制热效率。

本发明系统是一种有效、可行的改善方案，能有效降低蒸发器入口制冷剂的干度，并提高蒸发器入口空气的温度，从而提高空气源热泵热水器的整体性能，促进热泵热水器产品节能技术的发展。

附图说明

图1是本发明新型热回收式空气源热泵热水器循环系统示意图。

图2是本发明新型热回收式空气源热泵热水器循环系统工作过程的循环压-焓图(p-h图)。

具体实施方式

如图1所示，本发明的新型热回收式空气源热泵热水器循环系统，包括制冷剂管路上连接的压缩机101、冷凝器102、过冷器103、膨胀机构104和蒸发器105；以及附属的风机106、风道107和储水箱108。制冷剂侧：所述的压缩机101的出口与冷凝器102的入口相连接；冷凝器102的出口与过冷器103的入口相连接；过冷器103的出口与膨胀机构104的入口相连；膨胀机构104的出口与蒸发器105的入口连接；蒸发器105的出口与压缩机101的入口相连接。空气侧：过冷器103和蒸发器105具有相同的迎风面积，均安装在风道107内，风机106为空气循环提供动力，空气先进入过冷器103再进入蒸发器105。水侧：冷凝器102紧贴在储水箱108的内壁上，储水箱108储存冷凝器102产生的热水。通过以上连接，构成完整的新型热回收式空气源热泵热水器循环系统。

其工作过程是：如图2所示，低压制冷剂气体(在1点处)进入压缩机101，通过输入机械能被压缩为高压蒸气进入冷凝器102(在2点处)，放出热量凝结为饱和或过冷液体(在3点处)，同时实现制热目的；从冷凝器102中出来的制冷剂液体进入过冷器103，在其中放出热量获得温度更低的过冷制冷剂液体(在4点处)；过冷器103出来的制冷剂液体进入膨胀机构104进行节流降压(在5点处)，然后进入蒸发器105吸收热量蒸发为过热蒸气(如图2中所示5到1的过程)，从蒸发器105出来的制冷剂蒸汽再进入压缩机101(在1点处)，完成一个循环过程。

相比于常规蒸气压缩式热泵循环系统(如图2虚线所示循环)，在同样的循环工况条件(环境空气温度与冷凝温度)下，特别是当冷凝温度随着储水箱水温升高而升高时，在本发明实施例的热泵循环中，因过冷器103的过冷作用，增大了循环的过冷度，降低了进入蒸发器105的制冷剂干度，提高了制冷剂液体与蒸发器管内壁接触的机会，提高了循环系统蒸发器105的换热效率；另一方面，由于过冷器103释放出的热量被蒸发器105再次吸收回系统中，实现了热量的回收利用；最后，采用过冷器103对进入蒸发器105前的空气进行预热，可以提高蒸发温度，从而提高循环系统的制热性能系数。

与背景技术中提到的其他几种单压缩机过冷热泵循环系统相比，本发明实施例的过冷回热形式，不仅对系统改动较小，而且在实现过冷和回热的同时，还可以提高蒸发温度。从以上分析可以看出，新型热回收式空气源热泵热水器循环系统在改善空气源热泵制热性能方面具有明显的优势，可以应用于空气源热泵热水器系统，也可应用于热泵型空调器和热水机组中。