专利名称：低温空气热源热泵系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低温空气热源热泵系统。尤其涉及一种在低温环境条件下能够平稳运行并维持比较充足的制冷剂流量、向室内提供充足的热量的低温空气热源热泵系统。
空气热源热泵系统将环境温度作为低温热源，向被调节对象提供热量(以下简称制热量)。空气热源热泵系统向被调节对象提供的热量随室外空气环境参数的改变而变化。由于操作、管理及维修比较方便，具有制冷制热的双重功能，系统的散热又不需要冷却塔，空气热源热泵系统得到了越来越广泛的应用。但是，空气热源热泵系统在实际应用中，不可避免地要遇到两方面的问题一是随着室外气温的降低而减少，压缩机吸排气压差增大，压缩机吸入的制冷剂的密度减小，热泵系统内部制冷剂的循环流量减小，导致热泵系统向室内提供的热量减少的问题；二是当室外气温较低时，空气热源热泵系统的室外换热器翅片表面会结霜，需要采取除霜措施的问题。
反向循环是目前常用的除霜方法。采用这种方法，除霜损失约占热泵总能耗损失的10.2％。其中，由于，大约27％的除霜动作是在翅片表面结霜没有严重到需要除霜的情况下进入除霜循环的，由此造成不必要的能源浪费，增加了用户的能源消耗费和设备维护费用。采用热气旁通的方式，将压缩机排出的制冷剂或从室内换热器中的制冷剂的一部分分流，并将被分流的这部分制冷剂引入到室外换热器进行除霜。这种除霜方式避免了反向循环除霜方式造成的除霜的同时不能向室内供热问题。例如CN2506941Y、CN87202133、美国专利US5275008和日本专利JP特开平9-170837公开了这种除霜方法。为弥补在低温环境条件下运行时空气热源热泵系统制热量的不足，常采用增设辅助加热器的办法，即在室内换热器出风口处设加热器。这种方法不仅热效率低，而且安全性能差。
现有技术中还公开了一种采用制冷剂分流加热器的系统，用来解决空气热源热泵系统除霜过程中室内温度下降较大这一问题。参见美国专利US5275008和日本专利JP特开平9-170837。这种方法是把室内侧换热器分前后两部分，在中间增加一个制冷剂分流辅助加热器，除霜运行时，压缩机排出的高温制冷剂气体进入室内换热器前部分时已有部分气体被冷凝成液体。此时经过制冷剂分流加热器加热，使该部分液体再次蒸发成气体，然后再进入室内换热器的后半部分。这样，依靠整个室内换热器，将室外换热器吸收的热量，连同制冷剂分流加热器所产生的热量一并传给室内，以补足空气热源热泵系统供热量之不足。但是这种方法，不能调节压缩机吸入的制冷剂的压力，因而，采用这种方法后，当环境温度进一步降低时，空气热源热泵系统仍然不能有效供热。
为了使空气热源热泵系统在室外环境温度较低的情况下运行时，能够向室内提供比较充足的热量，本发明提供一种空气热源热泵系统，在低温环境条件下该低温空气热源热泵系统能够平稳运行并维持比较充足的制冷剂流量，能够向室内提供充足的热量。并且避免压缩机吸入并压缩夹含液体制冷剂现象的发生。
本发明的一个目的、特点和优点是解决现有空气热源热泵系统在室外环境温度较低的情况下，由于系统不能向室内提供充足的热量，而使用辅助电加热，即在室内换热器或室外换热器上布置电加热装置，由此带来的安全性部好的问题。
本发明的一个特点和优点是解决现有空气热源热泵系统在室外换热器需要除霜的情况下不能向室内提供热量的问题。
本发明的一个特点和优点是解决现有空气热源热泵系统在室外换热器需要除霜的情况下不能向室内提供充足的热量的问题。
本发明提供一种低温空气热源热泵系统。该系统包括压缩机、四通换向阀、室内换热器、室外换热器、第一膨胀阀、第二膨胀阀、气液分离器，其特征在于在压缩机排气管路上的四通换向阀与室内换热器之间连接一个分流阀，将该热泵系统分为一个主循环回路和一个分流循环回路。
在需要向室内提供冷量的时候，控制分流阀，使得制冷剂分流循环回路不工作，制冷剂主循环回路工作。制冷剂主循环回路由管道将下列部件依次连接而成压缩机、四通换向阀、室外换热器、第一膨胀阀、第二三通换向阀和第一三通换向阀、室内换热器、分流阀、四通换向阀、单向阀、气液分离器、压缩机。
在室外空气环境温度不低于-5℃的条件下作制热运行，而且空气热源热泵系统的室外换热器不需要进行除霜动作时候，控制分流阀(6)，使制冷剂分流循环回路不工作，制冷剂主循环回路工作。制冷剂主循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室内换热器(2)、第一三通换向阀(11)、第二三通换向阀(10)、第一膨胀阀(3)、室外换热器(4)、四通换向阀(8)、单向阀(7)气液分离器(5)、压缩机(1)。
在室外空气环境温度低于-5℃的条件下作制热运行时，控制分流阀(6)，使得制冷剂分流循环回路与制冷剂主循环回路同时工作。制冷剂分流循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室外换热器(4)、第二膨胀阀(9)、气液分离器(5)、回压缩机(1)；制冷剂主循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室内换热器(2)、第一三通换向阀(11)、气液分离器(5)、第二三通换向阀(10)、第一膨胀阀(3)、室外换热器(4)、四通换向阀(8)、单向阀(7)气液分离器(5)、回压缩机(1)。
在室外空气环境温度低于-5℃的条件下作制热运行时，制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的流量之比最小为0.02，最大为0.20，最佳流量比值与室外环境条件、制冷剂性质及热泵系统的室外换热器与室内换热器之间的匹配关系有关。最佳流量比值一般约为0.13。
在室外空气环境温度不低于-5℃的条件下作制热运行，但是空气热源热泵系统的室外换热器需要进行除霜动作时候，控制分流阀(6)，使得制冷剂分流循环回路与制冷剂主循环回路同时工作。制冷剂分流循环回路，由管道将下列部件依次连接而成经压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室外换热器(4)、第二膨胀阀(9)、气液分离器(5)、回压缩机(1)；制冷剂主循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室内换热器(2)、第一三通换向阀(11)、第二三通换向阀(10)、第一膨胀阀(3)、室外换热器(4)、四通换向阀(8)、单向阀(7)气液分离器(5)、压缩机(1)。
在室外空气环境温度不低于-5℃的条件下作制热运行，但是空气热源热泵系统的室外换热器需要进行除霜动作时候，制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的流量之比最小为0.02，最大为0.20，最佳流量比值与室外环境条件、制冷剂性质及热泵系统的室外换热器与室内换热器之间的匹配关系有关。最佳流量比值一般约为0.11。
图2是本发明的低温空气热源热泵系统在制冷运行时的流程示意图。
图3是本发明的低温空气热源热泵系统在室外空气环境温度不低于-5℃下无除霜动作时的制热循环流程示意图。
图4是本发明的低温空气热源热泵系统在室外空气环境温度不低于-5℃下进行除霜时的制热循环流程示意图。
图5是本发明的低温空气热源热泵系统在室外空气环境温度低于-5℃下的制热循环流程示意图。
为了避免气液分离器5中的制冷剂，通过主循环回路回流室外换热器4，在室外换热器4与气液分离器5之间的主循环回路上增设单向阀7。单向阀7的作用是，只能允许主循环回路内的制冷剂从室外换热器4向气液分离器之间的单向流动。
当环境温度低到一定程度，空气热源热泵系统中的分流阀6动作，系统内的制冷剂的一部分分流，在室内换热器2与第一膨胀阀3之间的连接管路上增设的第二三通换向阀10将主循环回路中的制冷剂的流动路线进行切换，使之离开室内换热器2后，首先与气液分离器5内的制冷剂进行热量交换，然后再经过第一膨胀阀3减压膨胀后，进入室外换热器4。
主循环回路中的制冷剂与分流循环回路中的制冷剂在室外换热器4中，只进行热量交换，不进行混合。主循环回路中的制冷剂经第一三通换向阀11经过气液分离器5至第二三通换向阀10段与分流循环回路中的制冷剂在气液分离器5中，只进行热量交换，不进行混合。
用于本发明低温空气热源热泵系统的室外换热器4内的制冷剂流程要求重新进行结构工艺布置。同时，为了有效防止压缩机吸入的制冷剂含有液体，本发明提供的新型低温空气热源热泵系统流中的气液分离器5内的制冷剂流程需要重新进行结构工艺布置。
图2是本发明的低温空气热源热泵系统，在制冷运行时的流程示意图。此时，制冷剂分流循环回路不工作，制冷剂主循环回路工作。其中，制冷剂主循环回路的流程是压缩机1排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀8然后进入室外换热器4，在室外换热器4中，制冷剂通过室外换热器4向室外环境释放热量，凝结成高压液体后，离开室外换热器4，然后进入第一膨胀阀3进行膨胀，然后依次通过打开的第二三通换向阀10和第一三通换向阀11进入室内换热器2，在室内换热器2中，制冷剂通过室内换热器2向室内提供冷量，蒸发成气体后再依次流经分流阀6、四通换向阀8、单向阀7进入气液分离器5，最后被压缩机1吸入。
图3是本发明的低温空气热源热泵系统在室外空气环境温度不低于-5℃下无除霜动作时的制热循环流程示意图。此时，制冷剂分流循环回路不工作，制冷剂主循环回路工作。其中，制冷剂主循环回路的流程是压缩机1排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀8然后，流经分流阀6进入室内换热器2，在室内换热器2中，制冷剂通过室内换热器2向室内提供热量后，凝结成高压液体后，离开室内换热器2，然后依次流经第一三通换向阀11和第二三通换向阀10，进入第一膨胀阀3进行膨胀，然后进入室外换热器4，在室外换热器4中，制冷剂通过室外换热器4从室外环境中吸收热量，蒸发成气体后再依次流经四通换向阀8、单向阀7进入气液分离器5，最后被压缩机1吸入。
图4是本发明的低温空气热源热泵系统在室外空气环境温度不低于-5℃下进行除霜时的制热循环流程示意图。此时，制冷剂主循环回路与制冷剂分流循环回路同时工作。制冷剂主循环回路的流程是压缩机1排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀8然后，流经分流阀6进入室内换热器2，在室内换热器2中，制冷剂通过室内换热器2向室内提供热量后，凝结成高压液体后，离开室内换热器2，然后依次流经第一三通换向阀11和第二三通换向阀10，进入第一膨胀阀3进行膨胀，然后进入室外换热器4，在室外换热器4中，制冷剂通过室外换热器4从室外环境中吸收热量，蒸发成气体后再依次流经四通换向阀8、单向阀7进入气液分离器5，最后被压缩机1吸入；制冷剂分流循环回路的流程是压缩机1排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀8然后，流经分流阀6、进入室外换热器4，在室外换热器4中，分流循环回路中的制冷剂对室外换换热器4进行除霜并向主循环回路中的制冷剂释放热量，然后离开后室外换热器4，然后进入第二膨胀阀9进行膨胀减压后进入气液分离器5，在气液分离器5中，两个循环回路中的制冷剂进行混合调压，最后离开气液分离器5，被压缩机吸入。
制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的最佳流量之比与室外环境温度、室外环境的相对湿度及热泵系统所使用的制冷剂的种类有关。
图5是本发明的低温空气热源热泵系统在室外空气环境温度低于-5℃下的制热循环流程示意图。此时，制冷剂主循环回路与制冷剂分流循环回路同时工作。制冷剂主循环回路的流程是压缩机1排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀8然后，流经分流阀6进入室内换热器2，在室内换热器2中，制冷剂通过室内换热器2向室内提供热量后，凝结成高压液体后，离开室内换热器2，通过第一三通换向阀11，将制冷剂导向气液分离器5，通过气液分离器5对气液分离器5中的制冷剂进行适度加热，然后流经第二三通换向阀10进入第一膨胀阀3，进行膨胀后进入室外换热器4，在室外换热器4中，制冷剂通过室外换热器4从室外环境中吸收热量，蒸发成气体后再依次流经四通换向阀8、单向阀7进入气液分离器5，最后被压缩机1吸入；制冷剂分流循环回路的流程是压缩机1排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀8然后，流经分流阀6、进入室外换热器4，在室外换热器4中，分流循环回路中的制冷剂向主循环回路中的制冷剂释放热量，然后离开后室外换热器4，然后进入第二膨胀阀9进行膨胀减压后进入气液分离器5，在气液分离器5中，两个循环回路中的制冷剂进行混合调压，最后离开气液分离器5，被压缩机吸入。
制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的流量之比最小为0.02，最大为0.20，最好为0.11。制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的最佳流量之比与室外环境温度、室外环境的相对湿度及热泵系统所使用的制冷剂的种类有关。例如，使用丙烷作制冷剂，室外环境温度为-12℃至-18℃，相对湿度为65％左右的条件下，制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的最佳流量之比为0.08至0.16，最好为0.12；使用R407C作制冷剂，室外环境温度为-10℃至-15℃，相对湿度为60％左右的条件下，制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的最佳流量之比为0.10至0.20最好为0.13；使用R410A作制冷剂，室外环境温度为-7℃至-18℃，相对湿度为55％左右的条件下，制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的最佳流量之比为0.07至0.19，最好为0.15。
采用本发明低温空气热源热泵系统的空气热源热泵系统，使用丙烷作制冷剂，选用输气量为22.6cm3的转子式压缩机。控制空气热源热泵系统的冷凝温度在50±1.2℃，控制室外换热器所在环境的相对湿度为65％的条件下，通过测试得到的该装置在不同室外环境温度下的制热量、输入功率及性能系数见表一。
表一
采用本发明低温空气热源热泵系统的空气热源热泵系统，使用R410a作制冷剂，选用输气量为22.6cm3的转子式压缩机。控制空气热源热泵系统的冷凝温度在50±1.2℃，控制室外换热器所在环境的相对湿度为65％的条件下，通过测试得到的该装置在不同室外环境温度下的制热量、输入功率及性能系数见表二。
表二
采用本发明低温空气热源热泵系统的空气热源热泵装置，使用R410a作制冷剂，选用输气量为64cm3的涡旋式压缩机。控制空气热源热泵装置的冷凝温度在50±1.2℃，控制室外换热器所在环境的相对湿度为65％的条件下，通过测试得到的该装置在不同室外环境温度下的制热量、输入功率及性能系数见表三。
表三
权利要求
1.一种低温空气热源热泵系统，包括压缩机(1)、四通换向阀(8)、室内换热器(2)、室外换热器(4)、第一膨胀阀(3)、第二膨胀阀(9)、气液分离器(5)，其特征在于在压缩机(1)排气管路上的四通换向阀(8)与室内换热器(2)之间连接一个分流阀(6)，将该热泵系统分为一个主循环回路和一个分流循环回路。
2.根据权利要求1所述的低温空气热源热泵系统，其中在需要向室内提供冷量的时候，控制分流阀(6)，使得制冷剂分流循环回路不工作，制冷剂主循环回路工作。
3.根据权利要求2所述的低温空气热源热泵系统的制冷剂主循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、室外换热器(4)、第一膨胀阀(3)、第二三通换向阀(10)和第一三通换向阀(11)、室内换热器(2)、分流阀(6)、四通换向阀(8)、单向阀(7)、气液分离器(5)、压缩机(1)。
4.根据权利要求1所述的低温空气热源热泵系统，其中在室外空气环境温度不低于-5℃的条件下作制热运行，而且空气热源热泵系统的室外换热器不需要进行除霜动作时候，控制分流阀(6)，使制冷剂分流循环回路不工作，制冷剂主循环回路工作。
5.根据权利要求4所述的低温空气热源热泵系统的制冷剂主循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室内换热器(2)、第一三通换向阀(11)、第二三通换向阀(10)、第一膨胀阀(3)、室外换热器(4)、四通换向阀(8)、单向阀(7)气液分离器(5)、压缩机(1)。
6.根据权利要求1所述的低温空气热源热泵系统，其中在室外空气环境温度低于-5℃的条件下作制热运行时，控制分流阀(6)，使得制冷剂分流循环回路与制冷剂主循环回路同时工作。
7.根据权利要求6所述的低温空气热源热泵系统的制冷剂分流循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室外换热器(4)、第二膨胀阀(9)、气液分离器(5)、回压缩机(1)。
8.根据权利要求6所述的低温空气热源热泵系统的制冷剂主循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室内换热器(2)、第一三通换向阀(11)、气液分离器(5)、第二三通换向阀(10)、第一膨胀阀(3)、室外换热器(4)、四通换向阀(8)、单向阀(7)气液分离器(5)、回压缩机(1)。
9.根据权利要求1所述的低温空气热源热泵系统，其中在室外空气环境温度不低于-5℃的条件下作制热运行，但是空气热源热泵系统的室外换热器需要进行除霜动作时候，控制分流阀(6)，使得制冷剂分流循环回路与制冷剂主循环回路同时工作。
10.根据权利要求9所述的低温空气热源热泵系统的制冷剂分流循环回路，由管道将下列部件依次连接而成经压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室外换热器(4)、第二膨胀阀(9)、气液分离器(5)、回压缩机(1)。
11.根据权利要求9所述的低温空气热源热泵系统的制冷剂主循环回路，由管道将下列部件依次连接而成压缩机(1)、四通换向阀(8)、分流阀(6)、室内换热器(2)、第一三通换向阀(11)、第二三通换向阀(10)、第一膨胀阀(3)、室外换热器(4)、四通换向阀(8)、单向阀(7)气液分离器(5)、压缩机(1)。
12.根据权利要求6所述的低温空气热源热泵系统，其中制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的流量之比最小为0.02，最大为0.20，最佳值约为0.13。
13.根据权利要求9所述的制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的流量之比最小为0.02，最大为0.20，最佳值约为0.11。
全文摘要
本发明公开一种低温空气热源热泵系统，包括压缩机(1)、四通换向阀(8)、室内换热器(2)、室外换热器(4)、第一膨胀阀(3)、第二膨胀阀(9)、气液分离器(5)，其特征在于在压缩机(1)排气管路的四通换向阀(8)与室外换热器(4)之间连接一个分流阀(6)，将该热泵系统分为一个主循环回路和一个分流循环回路。当环境温度较低时，分流循环回路中的制冷剂能够调节压缩机吸入的制冷剂的状态，使得压缩机能够吸入密度较大的气态制冷剂。在低温环境条件下，所述低温空气热源热泵系统，能够向室内提供充足的热量。
文档编号F25B30/02GK1474124SQ0313672
公开日2004年2月11日 申请日期2003年5月21日 优先权日2003年5月21日
发明者王瑞祥, 解国珍, 王金玲, 李红旗, 李俊明, 李德英, 黄新伟 申请人:北京建筑工程学院