一种冷量回收式变容量空气源热泵系统的制作方法

本实用新型涉及交替或同时运转的加热和制冷组合系统，尤其涉及一种以供热为主，同时兼顾冷量供给的热泵式冷热联供系统。

背景技术：

集约型社会建设口号的提出，促使建筑物本体内功能集成化程度更高，做到最大化能源利用已经成为当今议题。如今，商业和商务场所要求越来越高：空气侧要求控制适宜的温湿度和空气洁净度；用水侧水温度要求全年适宜。而传统的冷热源单独供给的方式在不同季节中显然造成了资源的错置，与此同时设备初投资成本亦大大提升。如图1所示的巧克力加工工艺，巧克力产品经过原料混合融化、精磨、精炼、过筛、保温、调温、浇模成型和冷却硬化最后包装成产品，不仅需要大量的热量和冷量供应，而且各个工艺环节对温度有着严格的要求。传统的温度控制一般通过电加热、蒸汽加热或是燃烧锅炉供给热量，而对不同温度要求得工艺往往是通过不同的供热方式来实现，这就增加了企业的运营成本且降低了工作效率，同时不能实现智能控制，需要大量人力投入。因此，需要对原有的耗能生产工艺流程进行改造，研发能够满足食品加工工艺要求的加热和制冷的联合系统。中国发明专利“饭店后厨热泵系统多模式运行控制方法及其控制装置”(发明专利号：201410478406.0，授权公告号：CN104197584B)公开了一种饭店后厨热泵系统多模式运行控制方法及其控制装置，涉及加热和制冷的联合系统的控制，尤其涉及一种适用于饭店后厨的热水供应、降温除湿和冷藏保鲜的热泵综合系统的控制方法及设备，控制装置通过检测和比较运行模式参数的实测值和设定值，控制多模式制冷剂循环回路切换机构改变制冷剂的循环路径，控制饭店后厨热泵系统按照预设的运行模式运行，实现自动多模式运行。

另一方面，现有具有热回收功能的热泵系统通常采用一个独立的冷凝器和一个独立热回收器连接组成制热换热器，不仅占用空间大而且成本高。中国实用新型专利“壳管换热器及空调”(实用新型专利号：201420417296.2，授权公告号：CN204084963U)公开了一种壳管换热器及包括该壳管换热器的空调，该壳管换热器包括冷凝器和热回收器，冷凝器一端设有冷却进水口与冷却出水口，另一端密封设置；热回收器一端设有热水进口与热水出口，另一端与冷凝器密封的一端固定连接：通过将冷凝器与热回收器各自的密封端固定连接，并通过连接管将热回收器与冷凝器的冷媒通道连接起来,既能保证壳管换热器正常的冷凝功能及热回收功能，还能使壳管换热器的结构紧凑，节省安装空间，降低成本。但是，该现有技术方案实质上只是把两个独立的功能部件机械上设计为一体，其各自的功能仍然是互相独立的，并不能提高换热器的整体换热效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要提供一种冷量回收式变容量空气源热泵系统，用于解决热泵冷热联供系统取代传统加热方式过程中缩减设备尺度、节约设备投入和运行成本，提高换热效率和机组能效的技术问题。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种冷量回收式变容量空气源热泵系统，包括第一压缩机和冷量回收换热器组成的第一子系统，第二压缩机和翅片式换热器组成的第二子系统，其特征在于；

所述的第一子系统和第二子系统共同使用一个双通道可变容量换热器作为水冷冷凝器；所述的双通道可变容量换热器包括换热器主体和一组由电磁阀与单向阀组成的控制阀组；换热器主体包括置于同一壳程通道的两个互相独立的制冷剂管程通道，两个制冷剂管程通道内的制冷剂同时与壳程通道中的水进行热交换；换热器主体的壳程通道通过热水循环管路和热水循环泵建立水媒供热循环；

第一子系统和第二子系统通过所述的控制阀组连接到两个制冷剂管程通道，建立动态可控的制冷剂循环回路；热泵系统通过控制双通道可变容量换热器之控制阀组的开关状态，实现热泵系统的动态多模式运行。

本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的双通道可变容量换热器包括作为换热器主体的壳管式换热器和连接到壳管换热器之制冷剂管程通道的控制阀组；所述的换热器主体内设有两个互相独立的第一制冷剂通道和第二制冷剂通道，两个制冷剂管程通道置于一个共用的壳程通道内；所述的控制阀组包括连接在制冷剂管程通道的三个电磁阀和两个单向阀；所述的电磁阀包括连接在第一制冷剂通道出口的第一电磁阀，连接在第一制冷剂通道出口和第二制冷剂通道入口之间的第二电磁阀，以及连接在第二制冷剂通道出口的第三电磁阀；所述的单向阀包括连接在第二制冷剂通道入口的第一单向阀，以及并联连接在第二制冷剂通道出口和第一电磁阀出口之间的第二单向阀；第一压缩机的排气口通过第一四通阀连接到第一制冷剂通道的入口；第一电磁阀的出口和第二单向阀的出口并联连接后，通过第一膨胀阀连接到冷量回收换热器的制冷剂通道，再通过第一四通阀连接到第一压缩机的进气口；第二压缩机的排气口通过第二四通阀连接到第一单向阀的入口；第三电磁阀的出口通过第二膨胀阀连接到翅片式换热器的制冷剂通道，再通过第二四通阀连接到第二压缩机的进气口。

本实用新型的双通道可变容量换热器的一种优选的技术方案，其特征在于所述的换热器主体采用壳程通道上下连通的立式结构，第一制冷剂通道置于壳程通道的上部，第二制冷剂通道置于壳程通道的下部；制冷剂的高温显热在第一制冷剂通道中传递给壳程通道上部的水，形成高温显热换热区；制冷剂的冷凝潜热在第二制冷剂通道中传递给壳程通道下部的水，形成冷凝潜热换热区。

本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的一种更好的技术方案，其特征在于在第一制冷剂通道与第一膨胀阀之间的连接管路上设有第一储液器，在第二制冷剂通道与第二膨胀阀之间的连接管路上设有第二储液器。

本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的一种改进的技术方案，其特征在于所述的动态多模式运行包括以下四种运行模式：

(1)第一子系统冷热均衡模式：第一压缩机启动，第二压缩机停止，第一电磁阀打开，第二电磁阀关闭，本模式的制冷剂循环路径如下：

第一压缩机-第一四通阀-第一制冷剂通道-第一电磁阀-第一储液器-第一膨胀阀-冷量回收换热器-第一四通阀-第一气液分离器-第一压缩机；

(2)第二子系统空气源热水模式：第一压缩机停止，第二压缩机启动，第二电磁阀关闭，第三电磁阀打开，本模式的制冷剂循环路径如下：

第二压缩机-第二四通阀-第一单向阀-第二制冷剂通道-第三电磁阀-第二储液器-第二膨胀阀-翅片式换热器-第二四通阀-第二气液分离器-第二压缩机；

(3)双系统定容冷热水模式：第一压缩机和第二压缩机同时启动，第一电磁阀打开，第二电磁阀关闭，第三电磁阀打开，第一子系统的制冷剂循环路径如下：

第一压缩机-第一四通阀-第一制冷剂通道-第一电磁阀-第一储液器-第一膨胀阀-冷量回收换热器-第一四通阀-第一气液分离器-第一压缩机；

第二子系统的制冷剂循环路径如下：

第二压缩机-第二四通阀-第一单向阀-第二制冷剂通道-第三电磁阀-第二储液器-第二膨胀阀-翅片式换热器-第二四通阀-第二气液分离器-第二压缩机；

(4)双通道变容运行模式：第一压缩机启动，第二压缩机停止，第一电磁阀关闭，第二电磁阀打开，第三电磁阀关闭，本模式的制冷剂循环路径如下：

第一压缩机-第一四通阀-第一制冷剂通道-第二电磁阀-第二制冷剂通道-第二单向阀-第一储液器-第一膨胀阀-冷量回收换热器-第一四通阀-第一气液分离器-第一压缩机。

本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的空气源热泵系统根据制冷回收冷量改变翅片式换热器的换热面积，在保证机组制热量的同时缩减热泵系统的整体系统尺寸：

翅片式换热器之换热面积S的变化范围为0～W₂/q，

冷量回收换热器之换热面积S₁的变化范围为0～(W₁-W₂)/q₁，

其中，机组制热量Q₁＝W₁+P_i，kw；W₁为系统制热运行时蒸发器侧的制冷量，kw；P_i为系统制热运行输入功率，kw；W₂为制冷回收冷量，kw；S＝W₂/q为翅片式换热器的换热面积，m²；q为制热工况下蒸发侧单位换热面积制冷量，kw/m²；S₁＝(W₁-W₂)/q₁为冷量回收换热器的换热面积，m²；q₁为冷量回收换热器单位换热面积制冷量，kw/m²。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统，通过双通道可变容量换热器实现双通道变容模式，能够有效利用壳管式换热器的换热面积，因而能够满足大负荷工况稳定出力的要求，机组整体运行效率大大提升，从而实现热泵系统的高能效运行。

2、本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统，利用变容量模式运行的双通道可变容量换热器和冷量回收换热器实现部分冷量回收，能够大大提升子系统中制冷剂的过冷度，从而提高系统的制冷量。

3、本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统，通过两套制冷系统共用一套水冷冷凝器实现耦合运行，利用冷量回收换热器以减小翅片式蒸发器尺寸，从而达到降低系统尺寸的目的，使冷热联供系统在不同冷热负荷下低耗稳定运行，达到高效节能运行的目的。

附图说明

图1是巧克力加工工艺流程图；

图2是本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的系统原理图；

图3是本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的装配结构示意图；

图4是本实用新型的双通道可变容量换热器的结构示意图；

图5是本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的运行模式示意图。

以上图中各部件的附图标记：1-第一子系统，10-第一压缩机，11-第一四通阀，12-第一膨胀阀，13-冷量回收换热器，14-冷水循环管路，15-第一气液分离器，16-第一感温包，17-第一储液器，18-第一除霜单向电磁阀，2-第二子系统，20-第二压缩机，21-第二四通阀，22-第二膨胀阀，23-翅片式换热器，24-风机，25-第二气液分离器，26-第二感温包，27-第二储液器，28-第二除霜单向电磁阀，3-双通道可变容量换热器，30-换热器主体，31-第一制冷剂通道，32-第二制冷剂通道，33-第一电磁阀，34-第二电磁阀，35-第三电磁阀，36-第一单向阀，37-第二单向阀，38-热水循环管路，39-热水循环泵。

具体实施方式

为了能更好地理解本实用新型的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。图2和图3是本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的一个实施例，包括第一压缩机10和冷量回收换热器13组成的第一子系统1，第二压缩机20和翅片式换热器23组成的第二子系统2，如图2所示，所述的第一子系统1和第二子系统2共同使用一个双通道可变容量换热器3作为水冷冷凝器；所述的双通道可变容量换热器3包括换热器主体30和一组由电磁阀与单向阀组成的控制阀组；换热器主体30包括置于同一壳程通道的两个互相独立的制冷剂管程通道，两个制冷剂管程通道内的制冷剂同时与壳程通道中的水进行热交换；换热器主体30的壳程通道通过热水循环管路38和热水循环泵39建立水媒供热循环；第一子系统1和第二子系统2通过所述的控制阀组连接到两个制冷剂管程通道，建立动态可控的制冷剂循环回路；热泵系统通过控制双通道可变容量换热器3之控制阀组的开关状态，实现热泵系统的动态多模式运行。以某巧克力加工产线为例，1T原料从加工至最后包装成产品的生产过程需要稳定100KW热量和50KW冷量需求。在本实施例中，第一子系统1采用套管式蒸发器作为冷量回收换热器13，回收部分冷量用于巧克力加工的浇模成型、冷却硬化和包装等工艺过程中的冷量供应；第二子系统2采用翅片式换热器23从空气源吸取热量，根据冷热量需求的差异增加热泵系统的整体制热能力。

在图4所示的实施例中，所述的双通道可变容量换热器3包括作为换热器主体30的壳管式换热器和连接到壳管换热器之制冷剂管程通道的控制阀组；所述的换热器主体30内设有两个互相独立的第一制冷剂通道31和第二制冷剂通道32，两个制冷剂管程通道31和32置于一个共用的壳程通道内；所述的控制阀组包括连接在制冷剂管程通道的三个电磁阀和两个单向阀；所述的电磁阀包括连接在第一制冷剂通道31出口的第一电磁阀33，连接在第一制冷剂通道31出口和第二制冷剂通道32入口之间的第二电磁阀34，以及连接在第二制冷剂通道32出口的第三电磁阀35；所述的单向阀包括连接在第二制冷剂通道32入口的第一单向阀36，以及并联连接在第二制冷剂通道32出口和第一电磁阀33出口之间的第二单向阀37；第一压缩机10的排气口通过第一四通阀11连接到第一制冷剂通道31的入口；第一电磁阀33的出口和第二单向阀37的出口并联连接后，通过第一膨胀阀12连接到冷量回收换热器13的制冷剂通道，再通过第一四通阀11连接到第一压缩机10的进气口；第二压缩机20的排气口通过第二四通阀21连接到第一单向阀36的入口；第三电磁阀35的出口通过第二膨胀阀22连接到翅片式换热器23的制冷剂通道，再通过第二四通阀21连接到第二压缩机20的进气口。

根据本实用新型的双通道可变容量换热器的一个实施例，所述的换热器主体30采用壳程通道上下连通的立式结构，第一制冷剂通道31置于壳程通道的上部，第二制冷剂通道32置于壳程通道的下部；制冷剂的高温显热在第一制冷剂通道31中传递给壳程通道上部的水，形成高温显热换热区；制冷剂的冷凝潜热在第二制冷剂通道32中传递给壳程通道下部的水，形成冷凝潜热换热区。

根据图2所示的本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的实施例，在第一制冷剂通道31与第一膨胀阀12之间的连接管路上设有第一储液器17，在第二制冷剂通道32与第二膨胀阀22之间的连接管路上设有第二储液器27。

根据图5所示的本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的实施例，所述的动态多模式运行包括以下四种运行模式：

(1)第一子系统冷热均衡模式：第一压缩机10启动，第二压缩机20停止，第一电磁阀33打开，第二电磁阀34关闭，本模式的制冷剂循环路径如下：

第一压缩机10-第一四通阀11-第一制冷剂通道31-第一电磁阀33-第一储液器17-第一膨胀阀12-冷量回收换热器13-第一四通阀11-第一气液分离器15-第一压缩机10；

本模式下，第一制冷剂通道31内的制冷剂与壳程通道中的水进行热交换，将第一子系统1制取冷水过程中冷量回收换热器13回收的热能，传递给换热器主体30壳程通道中制取的热水。

(2)第二子系统空气源热水模式：第一压缩机10停止，第二压缩机20启动，第二电磁阀34关闭，第三电磁阀35打开，本模式的制冷剂循环路径如下：

第二压缩机20-第二四通阀21-第一单向阀36-第二制冷剂通道32-第三电磁阀35-第二储液器27-第二膨胀阀22-翅片式换热器23-第二四通阀21-第二气液分离器25-第二压缩机20；

本模式下，第二制冷剂通道32内的制冷剂与壳程通道中的水进行热交换，将第二子系统2之翅片式换热器23从空气源吸收的热能，传递给换热器主体30壳程通道中制取的热水。

(3)双系统定容冷热水模式：第一压缩机10和第二压缩机20同时启动，第一电磁阀33打开，第二电磁阀34关闭，第三电磁阀35打开，第一子系统1的制冷剂循环路径如下：

第一压缩机10-第一四通阀11-第一制冷剂通道31-第一电磁阀33-第一储液器17-第一膨胀阀12-冷量回收换热器13-第一四通阀11-第一气液分离器15-第一压缩机10；

第二子系统2的制冷剂循环路径如下：

第二压缩机20-第二四通阀21-第一单向阀36-第二制冷剂通道32-第三电磁阀35-第二储液器27-第二膨胀阀22-翅片式换热器23-第二四通阀21-第二气液分离器25-第二压缩机20；

在双系统定容冷热水模式下，第一制冷剂通道31内的制冷剂与壳程通道中的水进行热交换，将第一子系统1冷水制取过程中冷量回收换热器13回收的热能，传递给换热器主体30壳程通道中制取的热水；同时，第二制冷剂通道32内的制冷剂与壳程通道中的水进行热交换，将第二子系统2之翅片式换热器23从空气源吸收的热能，传递给换热器主体30壳程通道中制取的热水。

(4)双通道变容模式：第一压缩机10启动，第二压缩机20停止，第一电磁阀33关闭，第二电磁阀34打开，第三电磁阀35关闭，本模式的制冷剂循环路径如下：

第一压缩机10-第一四通阀11-第一制冷剂通道31-第二电磁阀34-第二制冷剂通道32-第二单向阀37-第一储液器17-第一膨胀阀12-冷量回收换热器13-第一四通阀11-第一气液分离器15-第一压缩机10。

在双通道变容模式下，本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统之第一压缩机10排气口排出的高温高压制冷剂气体，经第一四通阀11进入双通道可变容量换热器3中，流经第一制冷剂通道31进行第一段换热后，形成制冷剂气液混合物并通过第二电磁阀34回到双通道可变容量换热器3中，在第二制冷剂通道32中再次与换热器主体30的水侧充分换热，冷凝为高压常温的制冷剂液体，流经第二单向阀37后经第一膨胀阀12的节流作用，变为低压制冷剂液体，进入作为冷量回收换热器13的套管式蒸发器，吸热蒸发为低压制冷剂气体通过第一四通阀11进入第一气液分离器15，最终进入第一压缩机10进气口，形成双通道变容模式运行的制冷剂循环路径；在本模式下，制冷剂通过第一制冷剂通道31和第二制冷剂通道32，与壳程通道中的水进行两次热交换，将第一子系统1冷水制取过程中冷量回收换热器13回收的热能，传递给换热器主体30壳程通道中制取的热水。

在双通道变容模式下，本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统之第一压缩机10排气口排出的高温高压制冷剂气体，经第一四通阀11进入双通道可变容量换热器3中，流经第一制冷剂通道31进行第一段换热后，形成制冷剂气液混合物并通过第二电磁阀34回到双通道可变容量换热器3中，在第二制冷剂通道32中再次与换热器主体30的水侧充分换热，冷凝为高压常温的制冷剂液体，流经第二单向阀37后经第一膨胀阀12的节流作用，变为低压制冷剂液体，进入作为冷量回收换热器13的套管式蒸发器，吸热蒸发为低压制冷剂气体通过第一四通阀11进入第一气液分离器15，最终进入第一压缩机10进气口，形成双通道变容模式运行的制冷剂循环路径。

本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统，利用变容量模式运行的双通道可变容量换热器3，能够大大提升第一子系统1中制冷剂的过冷度，从而提高系统的制冷量。在第二子系统2停机时，双通道变容模式能够有效利用壳管式换热器的换热面积，因而能够满足大负荷工况稳定出力的要求，机组整体运行效率大大提升，从而实现热泵系统的高能效运行。

根据本实用新型的冷量回收式变容量空气源热泵系统的一个实施例，所述的空气源热泵系统根据制冷回收冷量改变翅片式换热器的换热面积，在保证机组制热量的同时缩减热泵系统的整体系统尺寸：

翅片式换热器23之换热面积S的变化范围为0～W₂/q，

冷量回收换热器13之换热面积S₁的变化范围为0～(W₁-W₂)/q₁，

其中，机组制热量Q₁＝W₁+P_i，kw；W₁为系统制热运行时蒸发器侧的制冷量，kw；P_i为系统制热运行输入功率，kw；W₂为制冷回收冷量，kw；S＝W₂/q为翅片式换热器23的换热面积，m²；q为制热工况下蒸发侧单位换热面积制冷量，kw/m²；S₁＝(W₁-W₂)/q₁为冷量回收换热器13的换热面积，m²；q₁为冷量回收换热器13单位换热面积制冷量，kw/m²。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的技术方案，而并非用作为对本实用新型的限定，任何基于本实用新型的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本实用新型的权利要求的保护范围内。