能量梯级利用的直热式高效空气源热泵系统的制作方法

本发明属于热泵领域，涉及一种直热式热泵。

背景技术：

热泵是利用少量驱动能源，把大量的低温能源变为高温能源的装置。根据热源介质可以分为空气能热泵、水源热泵、地源热泵。现有的空气能热泵就其运行模式可以分为循环式与直热式两种类型。直热式机组进水温度始终保持恒定，换热效率高，吸热能力强，冷凝温度、排气温度、排气压力和运行电流稳定，大大延长了压缩机的运行寿命,因此,直热式热泵在实际工程中越来越受到人们的重视。

我国北方冬季温度往往很低，一些农村常常采用燃煤锅炉进行供暖，近年来环境与能源问题越来越引起关注，国家也越来越重视环保与节能，空气能热泵得到大量的推广。常用的热泵风机盘管进出口温度低，有很好的节能效果，但是在冬季制热时吹出的干热风常使人感觉不适，室内空气不佳，人体舒适度降低。一些高温采暖末端，如暖气片、水地暖等，在供暖时采用自然对流，无吹风感又能保证供热效果，但需要大量管道铺设与改造，同时，高温采暖末端的进出口温度比较大，热泵高温热源长期处于较高的温度，会导致系统的能效系数cop下降，系统的节能效果不好。

目前，对于空气源热泵的优化主要集中在两个方面：一是对设备进行优化，例如对压缩机、蒸发器、冷凝器等的优化；二是对系统的循环方式进行优化，例如引进内部换热器，用喷射器代替节流阀等。这些技术对于提高热泵效率有一定的帮助，但是并不能完全解决问题，一些关键问题还待解决。

技术实现要素：

为了克服已有热泵的系统能效较低的不足,本发明提供了一种有效提升系统能效、效率较高的能量梯级利用的直热式高效空气源热泵系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种能量梯级利用的直热式高效空气源热泵系统，包括压缩机、四通阀、第一气冷器、第二气冷器、节流阀、蒸发器、气液分离器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀和单向阀，所述压缩机的入口与四通阀的第一接口相连，四通阀的第二接口分别与第一气冷器的第一接口和第一电磁阀的第一接口相连、四通阀的第二接口与蒸发器的第一接口相连，四通阀的第三接口与气液分离器的入口相连；第一气冷器的第二接口与第二截止阀第一接口以及第三截止阀的第一接口分别相连，第三截止阀的第二接口与第二气冷器的第一接口相连，第二截止阀的第二接口与节流阀的第一接口以及第二气冷器的第二接口分别相连，节流阀的第二接口与蒸发器的第二接口相连。

进一步，所述热泵还包括低温采暖末端、高温采暖末端、恒温水箱、水泵、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀和第七截止阀，所述第一气冷器的第三接口与恒温水箱的入口相连，恒温水箱的出口与第四截止阀的入口、第五截止阀的第一接口、第六截止阀的入口分别相连，第四截止阀的出口与高温采暖末端的入口相连，高温采暖末端的出口与低温采暖末端的入口以及第五截止阀的第二接口分别相连，低温采暖末端的出口与第七截止阀的入口相连，第七截止阀的出口与水泵的入口以及第六截止阀的出口分别相连，水泵的出口与第一气冷器的第四接口相连。

更进一步，所述热泵还包括卫生热水箱，所述自来水接口与第二气冷器的第二入口相连，第二气冷器的第二出口与卫生热水箱相连，卫生热水箱的出口即卫生热水出口。

更进一步，所述热泵还包括温度传感器、变频风机和控制装置，所述温度传感器位于蒸发器空气侧入口处，与控制装置连接；变频风机也与控制装置连接。

本发明的技术构思为：将低温采暖末端和高温采暖末端串联起来，本文以常用的风机盘管作为低温采暖末端，暖气片作为高温采暖末端为例，可以将风机盘管安装在不长时间使用的卫生间、厨房、储藏室等地方，暖气片则可以安装在需要保证舒适的卧室，以保证对住户最好的供暖舒适性。基于能量梯级利用的原理，高温的热水先通过暖气片用于加热，再加热风机盘管从而吹出热风，合理的利用了余热，减小了热泵高温热源的温度，优化热泵运行工况，降低压缩机耗功，提升系统性能系数。同时，该系统采用了逆循环除霜法，以便冬季蒸发器快速除霜。

本发明还设有第二气冷器，通过第一气冷器的中温高压气体会在第二气冷器中进一步降温，用于加热自来水从而获得卫生热水，从而进一步降低压缩机的排气温度和压力，提高系统的能效。卫生热水并不需要太高的温度(30℃-45℃),通过第二气冷器加热，既可以充分利用余热，又可以制取卫生热水，可谓是一举两得。在一些极端气候，环境温度很低，导致系统冷凝温度不高，通过高温和低温采暖末端的温度不足以加热热水，或是住户已经制备了足够的热水不需要额外制取热水时，可以通过调节截止阀，实现加热卫生热水，加热室内房间，和既加热热水又同时保证室内温暖这三个模式的交替。

本发明的有益效果主要表现在：

1.系统工作运行时，尤其在冬季低温下运行时，相比普通热泵循环，本系统的能效系数cop更高，更节能。给室内供暖相同的温度消耗的电更少，效率更高。

2.冬季蒸发器表面产生霜层时，本系统所需化霜时间很短，不会对室内供暖造成太大影响，系统的可靠性很好。

3.有效利用气冷器中放出的余热，采用二级冷却，既可以制取卫生热水以供室内使用，又可以减少节流损失，可谓是一举两得。

附图说明

图1是能量梯级利用的直热式高效空气源热泵系统的示意图，其中1：压缩机；2：第一气冷器；3：第二气冷器；4：节流阀；5：蒸发器；6：气液分离器；7：四通阀；8：第一截止阀；9：第二截止阀；10：第三截止阀；11：恒温水箱；12：高温采暖末端；13：低温采暖末端；14：第四截止阀；15：第五截止阀；16：第六截止阀；17：第七截止阀；21：水泵；22：卫生热水箱；23：变频风机；24：温度传感器；25：控制装置

图2是本系统加装次低温采暖末端的示意图，其中1：压缩机；2：第一气冷器；3：第二气冷器；4：节流阀；5：蒸发器；6：气液分离器；7：四通阀；8：第一截止阀；9：第二截止阀；10：第三截止阀；11：恒温水箱；12：高温采暖末端；13：低温采暖末端；14：次低温采暖末端；15：第四截止阀；16：第五截止阀；17：第六截止阀；18：第七截止阀；19：第八截止阀；20：第九截止阀；21：水泵；22：卫生热水箱；23：变频风机；24：温度传感器；25：控制装置

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种能量梯级利用的直热式高效空气源热泵系统，包括压缩机、四通阀、第一气冷器、第二气冷器、节流阀、蒸发器、气液分离器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀和单向阀，所述压缩机的入口与四通阀的第一接口相连，四通阀的第二接口分别与第一气冷器的第一接口和第一电磁阀的第一接口相连、四通阀的第二接口与蒸发器的第一接口相连，四通阀的第三接口与气液分离器的入口相连；第一气冷器的第二接口与第二截止阀第一接口以及第三截止阀的第一接口分别相连，第三截止阀的第二接口与第二气冷器的第一接口相连，第二截止阀的第二接口与节流阀的第一接口以及第二气冷器的第二接口分别相连，节流阀的第二接口与蒸发器的第二接口相连。

进一步，所述热泵还包括低温采暖末端、高温采暖末端、恒温水箱、水泵、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀和第七截止阀，所述第一气冷器的第三接口与恒温水箱的入口相连，恒温水箱的出口与第四截止阀的入口、第五截止阀的第一接口、第六截止阀的入口分别相连，第四截止阀的出口与高温采暖末端的入口相连，高温采暖末端的出口与低温采暖末端的入口以及第五截止阀的第二接口分别相连，低温采暖末端的出口与第七截止阀的入口相连，第七截止阀的出口与水泵的入口以及第六截止阀的出口分别相连，水泵的出口与第一气冷器的第四接口相连。

更进一步，所述热泵还包括卫生热水箱，所述自来水接口与第二气冷器的第二入口相连，第二气冷器的第二出口与卫生热水箱相连，卫生热水箱的出口即卫生热水出口。

更进一步，所述热泵还包括温度传感器、变频风机和控制装置，所述温度传感器位于蒸发器空气侧入口处，与控制装置连接；变频风机也与控制装置连接。

实施例1：正常工作模式。

如图1所示，本系统正常工作模式有两个循环，热泵循环和水循环。在正常工作模式下的水循环系统，第五截止阀16、第六截止阀17关闭，第四截止阀15、第七截止阀18打开，高温采暖末端与低温采暖末端相连并分别处于不同的房间，将二者串联起来工作，以水为载冷剂，吸收气冷器中放出的热量，再给室内供暖。低温采暖末端可以安装在不长时间使用的卫生间、厨房、储藏室等地方，高温采暖末端可以装在需要保证舒适的卧室里，以保证最好的供暖舒适性。通过将二者串联，使得高温采暖末端工作过后的余热能够被再一次利用，减少了传热所需的温差，大大减小了不可逆损失，提高了热效率。同时，第二气冷器4也在工作，不断加热自来水从而制取卫生热水储存在水箱27中，满足住户洗浴需求。本发明相比起现有市场只使用热泵暖气片作为供暖装置，有很大的节能，更不用说是能效更低的采暖炉或者电加热器了。如果住户已经制备了足够的卫生热水，可以选择打开第二截止阀9，关闭第一截止阀8和第三截止阀10，停止制取热水。

实施例2：低温采暖末端工作模式或高温采暖末端工作模式

当一些特殊的情况下，住户可能待在一间房间里所以并不需要两个供暖设备都启用。本发明在水循环系统中加装了4个截止阀控制两个供暖设备。比如只需要低温采暖末端12工作而不需要高温采暖末端13工作，即关闭第四截止阀15和第六截止阀17，打开第五截止阀16和第七截止阀18，当只需要高温采暖末端工作而不需要低温采暖末端工作时，关闭第七截止阀，打开第四、第五和第六截止阀。同时，第二气冷器4也在工作，不断加热自来水从而制取卫生热水储存在水箱27中，满足住户洗浴需求。如果住户已经制备了足够的卫生热水，可以选择打开第二截止阀9，关闭第一截止阀8和第三截止阀10，停止制取热水。

实施例3：逆循环化霜模式

如图1所示，当蒸发器5表面的温度低于空气中的露点温度时，空气中的水蒸气会逐渐凝结在蒸发器的表面形成霜层，这在北方的冬季是非常常见的现象。本发明将逆循环化霜系统用于能量梯级利用的直热式高效空气源热泵系统，当蒸发器上霜层过厚影响工作时，四通阀7会自动转向，调成制热模式，此时，原来的气冷器2会作为蒸发器，而原来的蒸发器则会作为气冷器吸收压缩机中放出的热量，从而达到融化霜层的目的。当霜层融化结束后，四通阀再次转向，恢复成正常工作模式。

实施例4：加热卫生热水模式

如图1所示，本系统还设有中间冷却器4，目的是制取卫生热水。通过第一气冷器的中温高压气体会在第二气冷器中进一步降温，用于加热自来水从而获得卫生热水。该卫生热水箱24安装在浴室，白天随着室内的供暖，会不断有热水储存在恒温热水箱中，晚上供住户使用。当住户迫切需要热水时，也可以打开第一截止阀和第三截止阀，关闭第二截止阀，压缩机中所有的热量会通过第二气冷器放出，加热自来水，达到快速制取卫生热水的目的。

实施例5：多级加热模式

如图2所示，本系统在原有系统上加装次低温采暖末端14和两个截止阀，从而进一步降低热泵热源温度，提高热泵的运行效率。以此类推，将热泵的采暖末端分成多级，在原有基础上进一步提高能效系数cop，原理上不同温度位末端的级数可以不断增加，具体级数可以根据环境温度以及经济条件进行改变，大大提高了系统的工况条件。

实施例6：夏季制取热水模式

在夏季，住户不需要采暖模式，只需要系统提供每日一定量的生活热水即可，即采用图2中的结构。因为本系统各部件工况是基于冬季零下20℃的条件下设计的，夏季蒸发温度过高会使得压缩机耗功太大而烧坏。因此，本系统在蒸发器空气侧入口处安装了一个温度传感器并与控制装置连接，控制装置的另一端连接着与蒸发器的变频风机。当空气温度超过设定值，控制装置控制变频风机转速降低，蒸发器温差增大，降低蒸发器中制冷剂温度，从而降低压缩机耗功。保证系统在合理安全的条件下运行。