一种双极耦合冰源热泵供能系统的制作方法

本发明属于热泵系统领域，更具体地，涉及一种双极耦合冰源热泵供能系统。

背景技术：

近些年来，化石能源的不断消耗，造成了诸如全球变暖、空气污染等环境问题，使得人们渐渐意识到必须减少化石能源的使用，转而发展清洁的新能源技术。基于这个背景，我国积极发展水源热泵技术，并建造了大量的水源热泵，也取得了一定的节能减排效果。但是，随着地下水资源的限制，以及政府对地下水的保护和监管日益加强，利用地下水的水源热泵的推广遇到了较大的阻碍。此外，利用如江水、湖水等地表水的水源热泵，其蒸发器在热泵进口水温低于4℃时，容易结冰，进而自动停机。而且，冬季存在结冰现象或流量较小的河流，一般不适合作为低温热源。

基于这些原因，提出了一种冰源热泵供能系统。比如中国专利cn110345665a公开的一种含冰率可控的冰源热泵系统，该系统包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置，该系统在工作时，通过控制超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰；该专利技术使过冷水可控结冰，利用乙二醇溶液将过冷水的相变潜热和温差显热传输给热泵主机，再通过热泵主机将热量传输给建筑末端。该技术利用超声波过冷解除装置，使过冷水实现可控结冰，实际运行时能够最大程度地利用相变潜热。但是该技术在所述过冷水热交换器和所述冰水混合物分离装置之间设置有预热器，所述预热器通过电能驱动，能耗较大，故该技术仍存在节能潜力。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双极耦合冰源热泵供能系统，其通过在现有的冰源热泵供能系统中设置空气源热泵系统，利用空气源热泵系统为过冷液态水预热，由此解决现有技术采用电能驱动的预热器能耗较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种双极耦合冰源热泵供能系统，包括构成水介质循环回路的超声波过冷解除装置、冰水混合物分离装置、空气源热泵系统和过冷水热交换器；该冰源热泵供能系统还包括热泵主机；

所述超声波过冷解除装置用于使过冷水利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物；所述过冷水包括经所述过冷水热交换器(5)完成热交换的过冷水，也包括水源处提供的过冷水；

所述冰水混合物分离装置用于对所述超声波过冷解除装置中生成的冰水混合物进行固态冰晶和液态水的分离；

所述空气源热泵系统用于对所述冰水混合物分离装置获得的液态水进行预热，获得预热的液态水；

所述过冷水热交换器用于将所述空气源热泵系统获得的预热的液态水与热泵主机的循环工质进行热交换，使得所述热泵主机从所述过冷水热交换器中获得热量；

所述热泵主机用于将从所述过冷水热交换器中获得的热量通过循环工质进一步传递给外界，实现对外界的供能。

优选地，所述空气源热泵系统包括构成循环回路的冷凝器、节流装置、蒸发器和压缩机，还包括用于为所述蒸发器提供空气源的风机；

工作时，低温低压循环工质在蒸发器中与所述风机抽取的空气进行热量交换，循环工质吸收热量后，进入压缩机，在所述压缩机中，所述循环工质变为高温高压工质，然后进入所述冷凝器中，与所述冰水混合物分离装置分离出的液态水进行热量交换，为所述液态水提供热量，循环工质温度降低后进入所述节流装置，变为低温低压状态，然后又回到所述蒸发器中。

优选地，所述过冷水热交换器与所述热泵主机连接，所述过冷水热交换器用于为所述热泵主机的循环工质提供热量；

所述热泵主机还与所述建筑末端连接，所述热泵主机用于为所述建筑末端的供暖用水提供热量。

优选地，所述建筑末端与所述空气源热泵系统连接，所述空气源热泵系统还用于为所述建筑末端的供暖用水提供热量。

优选地，所述建筑末端的出水口分别与所述空气源热泵系统的进水口以及所述热泵主机的进水口相连通；且所述空气源热泵系统的出水口与所述热泵主机的出水口相连通后与所述建筑末端的进水口相连通。

优选地，所述超声波过冷解除装置和所述过冷水热交换器之间还设置有冰晶传播阻断器，用于防止冰晶扩散倒流，导致在所述过冷水热交换器内发生冰堵。

优选地，所述冰水混合物分离装置和所述空气源热泵系统之间还设置有过滤装置，所述过滤装置用于分离冰晶和液态水。

优选地，所述热泵主机的循环工质为乙二醇的水溶液。

优选地，所述过冷水热交换器为板式换热器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提出的双极耦合冰源热泵供能系统，在冰水混合物分离装置和过冷水热交换器之间设置空气源热泵系统，利用空气源热泵系统预热从冰水混合物分离装置分离出的过冷液态水，取代现有技术电能驱动的预热器，减少了系统的电能消耗。

(2)本发明提出的双极耦合冰源热泵供能系统，空气源热泵系统一方面参与过冷水循环系统，另一方面也与建筑末端构成循环回路。空气源热泵系统一方面为液态水预热，防止其过早发生相变，堵塞过冷水换热器；另一方面，空气源热泵系统还可以为建筑末端供暖用水进行换热，提供热量，从空气源热泵系统吸收热量的建筑末端供暖用水与从热泵主机吸收热量的建筑末端供暖用水混合，确保建筑末端持续稳定供热。

(3)本发明提出的双极耦合冰源热泵系统耦合了热泵主机和空气源热泵系统，在冰源热泵系统无法运行或者运行效率偏低时，空气源热泵可以弥补冰源热泵系统的不足，继续为建筑供热，提高了整个系统的可靠性和稳定性。

(4)本发明通过调整空气源热泵系统冷凝器高温高压循环工质分别与建筑末端供暖回水以及过冷液态水的接触面积和接触时间的比例，从而调控为供暖回水以及过冷液态水提供的热量的配比，根据需要调整这一比例即可实现目标供暖回水温度和过冷液态水的预热温度。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例的双极耦合冰源热泵系统构造示意图；

图2是本发明中空气源热泵的内部构造示意图。

图3是本发明一个优选实施例的跨季节供能系统构造示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

超声波过冷解除装置-1、冰水混合物分离装置-2、过滤装置-3、空气源热泵系统-4、冷凝器-41、压缩机-42、蒸发器-43、节流装置-44、风机-45、过冷水热交换器-5、冰晶传播阻断器-6、输送泵-7、循环泵-8、建筑末端-9、热泵主机-10、第一阀门-11、过滤器-12、第二阀门-13、第三阀门-14、第四阀门-15。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种双极耦合冰源热泵供能系统，其为在专利cn110345665a公开的一种含冰率可控的冰源热泵系统的基础上的进一步改进，该双极耦合冰源热泵供能系统包括构成水介质循环回路的超声波过冷解除装置1、冰水混合物分离装置2、空气源热泵系统4和过冷水热交换器5；该冰源热泵供能系统还包括热泵主机10；

所述超声波过冷解除装置1用于使过冷水利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物；所述过冷水包括经所述过冷水热交换器完成热交换的过冷水，也包括水源处提供的过冷水。由于结晶过程导致循环回路中水损失，因此除了过冷水热交换器5完成热交换的过冷水以外，还需要从外界水源处补充过冷水，这里水源处过冷水可以为冬季地表水等过冷水资源。

所述冰水混合物分离装置2用于使所述超声波过冷解除装置1中生成的冰水混合物进行固态冰晶和液态水的分离；

所述空气源热泵系统4用于对所述冰水混合物分离装置2获得的液态水进行预热，获得预热的液态水；

所述过冷水热交换器5用于将所述空气源热泵系统4获得的预热的液态水与热泵主机10的循环工质进行热交换，使得所述热泵主机10从所述过冷水热交换器5中获得热量；

所述热泵主机10用于将从所述过冷水热交换器5中获得的热量进一步传递给建筑末端，实现对建筑末端的功能。

工作时，过冷水在所述超声波过冷解除装置1中利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物，并在所述冰水混合物分离装置2中实现固液分离，固液分离得到的液态水从所述结冰过程中获得热量，并进一步在所述空气源热泵系统4中吸收热量，吸收热量的液态水将热量传递给热泵主机10，由热泵主机10为外界比如建筑末端提供热能。

一些实施例中，所述空气源热泵系统4包括构成循环回路的冷凝器41、节流装置44、蒸发器43和压缩机42，还包括用于为所述蒸发器43提供空气源的风机45；

工作时，低温低压循环工质在蒸发器43中与所述风机45抽取的空气进行热量交换，循环工质吸收热量后，进入压缩机42，在所述压缩机42中，所述循环工质变为高温高压工质，然后进入所述冷凝器41中，与所述冰水混合物分离装置2分离出的液态水进行热量交换，为所述液态水提供热量，循环工质温度降低后进入所述节流装置44，变为低温低压状态，然后又回到所述蒸发器43中。

一些实施例中，所述过冷水热交换器5与所述热泵主机10相连接并构成热泵主机10循环工质的循环回路，所述过冷水热交换器5用于为所述热泵主机10的循环工质提供热量；

所述热泵主机10与所述建筑末端9相连接并构成供暖用水的循环回路，所述热泵主机10用于为建筑末端9供暖用水提供热量。

一些实施例中，所述建筑末端9的出水口分别与所述空气源热泵系统4的进水口以及所述热泵主机10的进水口相连通；且所述空气源热泵系统4的出水口与所述热泵主机10的出水口相连通后与所述建筑末端9的进水口相连通，经所述空气源热泵系统4和热泵主机10分别加热的水混合后进入所述建筑末端9。

一些实施例中，所述建筑末端9与所述空气源热泵系统4相连接也构成建筑末端9供暖用水的循环回路，所述空气源热泵系统4也用于为所述建筑末端9的供暖用水提供热量。所述空气源热泵系统4包含两股介质流，其中一股介质流的入口与所述冰水混合物分离装置2的出水口相连，出口与所述过冷水热交换器5相连；另一股介质流为所述建筑末端9的供暖用水，所述建筑末端9的供暖用水出口与所述空气源热泵系统4的入口相连，流经所述空气源热泵系统4的冷凝器41，获得热量后回到所述建筑末端9。

本发明一些实施例中，空气源热泵系统4工作时，空气经由管路输送至蒸发器43，与空气源热泵内低温低压循环工质进行热交换，吸收空气热量的工质，经由压缩机42压缩，由低温低压状态变为高温高压的状态，高温高压工质在冷凝器41中与过冷水和供暖用水进行热交换，使二者温度升高，一方面过冷水温度升高，防止过冷水在过冷水热交换器5中过早的发生相变而使过冷水热交换器堵塞，另一方面，供暖用水温度升高，满足了用户生活和采暖用热。

通过超声波过冷解除装置1实现可控结冰，并且根据系统循环性能系数或综合部分性能系数确定系统最佳含冰率。一些实施例中，所述超声波过冷解除装置1为竖直放置，其进口管以水平方向导入该装置的内腔，其出口管以水平方向导出内腔，且所述进口管和出口管分别位于所述内腔的上下两端，其超声波发生器的发射面正对所述内腔的中心轴。所述超声波过冷解除装置1的进口与所述过冷水热交换器5的出口相连，所述超声波过冷解除装置1的出口与所述冰水混合物分离装置2的进口相连。所述超声波过冷解除装置1出口处还设置有压力传感器和流速传感器，用于监控所述超声波过冷解除装置1出口管道内流体的压力和流速。一些实施例中，所述超声波过冷解除装置1和所述过冷水热交换器5之间还设置有冰晶传播阻断器6，用于防止冰晶扩散倒流，在所述过冷水热交换器5内发生冰堵。

一些实施例中，所述冰水混合物分离装置2和所述空气源热泵系统4之间还设置有过滤装置3，所述过滤装置3用于分离冰晶和液态水。

一些实施例中，所述热泵主机10的循环工质为乙二醇的水溶液。

本发明的双极耦合冰源热泵供能系统根据循环性能系数cop或综合部分负荷性能系数iplv确定最佳含冰率后，通过调节所述超声波过冷解除装置1，实现可控结冰。在一种优选的实施方案中，空气源热泵系统4根据过冷水热交换器5进口处的温度传感器所给的温度信号决定是否需要对过冷水预热。

一些实施例中，所述过冷水热交换器5为板式换热器。

以下为实施例：

实施例1

参见图1。

一种双极耦合冰源热泵供能系统，由超声波过冷解除装置1、冰水混合物分离装置2、过滤装置3、空气源热泵系统4、过冷水热交换器5、冰晶传播阻断器6、输送泵7、循环泵8、建筑末端9、热泵主机10组成。

其中，冰晶传播阻断器6的进口与过冷水热交换器5的出口相连，冰晶传播阻断器6的出口与超声波过冷解除装置1的进口相连，而超声波过冷解除装置1的出口与输送泵7的进口相连，输送泵7的出口与冰水混合物分离装置2的进口相连，过滤装置3的进口则与冰水混合物分离装置2的出口相连，过滤装置3的出口与空气源热泵系统4的进口相连，而空气源热泵系统4的进口不仅与过滤装置3相连，还与建筑末端9供暖用水的出水口相连，空气源热泵系统4的出口则与过冷水热交换器5的进口以及建筑末端9供水端相连。在过冷水热交换器5和热泵主机10之间设置有循环泵8，在热泵主机10和建筑末端9之间设置有循环泵8，在空气源热泵4与建筑末端9之间设置有循环泵8。

运行时，自水源处取的过冷水，在经过冰晶传播阻断器6后，输送至超声波过冷解除装置1，在超声波过冷解除装置1中，过冷水实现可控结冰，然后输送泵7将形成的冰水混合物泵送至冰水混合物分离装置2，后再经过滤装置3，将其中的冰晶过滤，接着过冷水经过空气源热泵系统4，吸收热量后温度上升到0.5℃，最后到达过冷水热交换器后，与乙二醇水溶液进行热交换，温度下降到-1℃，然后过冷水重新进入超声波过冷解除装置1，实现可控结冰，完成一个循环。而乙二醇水溶液通过冷水热交换器5，吸收热量，温度升高，进入热泵主机10后，释放热量，温度降低，而在热泵主机10另外一侧，建筑供暖用回水通过热泵主机10，吸收热量，温度升高，然后进入建筑末端9，释放热量，温度降低，于是热量就传输到建筑末端9。

此外，空气在空气源热泵系统4中被冷却，其释放出的热量，被由建筑末端9输出的供暖用回水吸收，使得供暖用水温度升高，然后供暖用回水回到建筑末端9，释放热量，达到供暖的效果。

部分建筑供暖用回水从空气源热泵系统4吸收热量至50℃左右，并与部分经热泵主机10加热至35℃左右的热水混合后，达到建筑末端9供暖所需的40℃，再次返回至建筑末端9，以实现供暖用水循环。

如图2所示，本发明所述的空气源热泵系统4，由蒸发器43、压缩机42、冷凝器41、节流装置44、风机45组成。

蒸发器43的进口与节流装置44的出口相连，蒸发器43的出口与压缩机42的进口相连，冷凝器41的进口与压缩机42的出口相连，冷凝器41的出口与节流装置44的进口相连，此外，风机45正对蒸发器43。

运行时，空气源热泵系统4内部的低温低压循环工质在蒸发器43处，与风机45抽取的空气进行热量交换，循环工质吸收热量，后进入压缩机42，在压缩机42中，由低温低压状态变为高温高压状态，然后循环工质进入冷凝器41，在冷凝器41中与低温过冷水和低温供暖用回水进行热量交换，循环工质释放热量，温度降低，接着进入节流装置44，变为低温低压状态，最后又回到蒸发器43中，完成一个循环。而过冷水和供暖用回水在冷凝器41中吸收热量，温度得到不同程度的上升。

此外，为了实现过冷水温度升高较少，供暖用回水温度升高较多的目的，需要增大和延长供暖用回水管在冷凝器中与循环工质的接触面积和接触时间，减小和缩短过冷水管与循环工质的接触面积和接触时间。常见的做法是：(1)在冷凝器中利用隔板，将水平管束分为两个管组，使过冷水流经管束少的管组，供暖用回水流经管束多的管组，而循环工质则与管组充分接触，达到不同的升温效果；(2)将三种不同直径的管子套在一起，并弯制成螺旋形，循环工质在直径最小的管中自下而上流动，供暖用回水在直径中等的管中自上而下流动，过冷水在直径最大的管中自下而上流动，进而达到不同的升温效果。

实施例2

参见图3。一个优选实施例的跨季节供能系统，由超声波过冷解除装置1、冰水混合物分离装置2、过滤装置3、空气源热泵系统4、过冷水热交换器5、冰晶传播阻断器6、输送泵7、循环泵8、建筑末端9、热泵主机10、第一阀门11、过滤器12、第二阀门13、第三阀门14、第四阀门15组成。

冰晶传播阻断器6的进口与过冷水热交换器5的出口相连，冰晶传播阻断器6的出口与超声波过冷解除器1的进口相连，而超声波过冷解除器1的出口与输送泵7的进口相连，输送泵7的出口与冰水混合物分离装置2的进口相连，过滤装置3的进口则与冰水混合物分离装置2的出口相连，过滤装置3的出口与空气源热泵系统4的进口相连，而空气源热泵系统4的进口不仅与过滤装置3相连，还与建筑末端9回水端相连，空气源热泵系统4的出口则与过冷水热交换器5的进口以及建筑末端9的供水端相连。此外，在水源处设置有过滤器12，与热泵主机10的进口相连，而热泵主机10的出口与水源相连，并通过阀门控制。

冬季工作时，第一阀门11、第二阀门13均关闭，而第三阀门14、第四阀门15均打开。在此条件下，取自水源处的过冷水，在经过冰晶传播阻断器6后，输送至超声波过冷解除装置1，在超声波过冷解除装置1中，过冷水实现可控结冰，然后输送泵7将形成的冰水混合物泵送至冰水混合物分离装置2，后再经过滤装置3，将其中的冰晶过滤，接着过冷水经过空气源热泵系统4，吸收热量后温度上升到0.5℃，最后到达过冷水热交换器后，与乙二醇水溶液进行热交换，温度下降到-1℃。而乙二醇水溶液将热量由过冷水热交换器5，传递到热泵主机10，最后再通过热泵主机，将热量传输到建筑末端9。

而空气在空气源热泵系统4中被冷却，其释放出的热量，被由建筑末端9输出的供暖用回水吸收，使得供暖用水温度升高，然后供暖用回水回到建筑末端9，释放热量，达到供暖的效果。

本发明的双极耦合冰源热泵供能系统主要用于冬季建筑末端取暖，为供热系统。因此夏季不需要供热时，即可将该系统停机。根据需要也可将热泵主机转换为制冷机。工作时，如图3所示，第三阀门14、第四阀门15均关闭，第一阀门11、第二阀门13均打开。在此条件下，循环水泵自水源处取常温水，常温水经过过滤器12过滤后，进入热泵主机10，在热泵主机10中吸收热量后，温度升高，再排入水源处，接着循环水泵再次从水源处取水进行换热，完成一个循环。而热泵主机的另一侧，制冷用回水释放热量后，温度降低，然后被泵送至建筑末端9，经过建筑末端9后，冷冻水吸收热量，温度升高，再回到热泵主机10释放热量，温度降低，之后再次被泵送至建筑末端9，完成一个循环。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。