蒸发冷却式空气源热泵装置.pdf

本发明提供了一种蒸发冷却式空气源热泵装置，其夏季制冷的工作原理是：低温制冷压缩机组不工作，由中高温制冷压缩机组成的高温制冷系统，通过装置设置的电气控制系统控制相关阀门自动切换到制冷模式运行。其冬季制热的工作原理是：当环境温度较高、湿度较小时，低温制冷压缩机组不工作，由中高温制冷压缩机组成的高温制冷系统工作，通过装置设置的电气控制系统控制相关阀门自动切换到冬季制热模式运行；当环境温度较低，或者湿度较大时，中高温制冷压缩机组不工作，由低温制冷压缩机组成的低温制冷系统工作，通过装置设置的电气控制系统控制相关阀门自动切换到使之投入工作，从环境大气中连续不断地采集热量，满足寒冷、高湿条件下采暖的需要。

权利要求书
1.  蒸发冷却式空气源热泵装置，包括：维护架构箱体（30）、设置在维护架构箱体内的蒸发冷却式空气源热泵系统（10）、低温制冷制热压缩机组（20）、电气控制系统，其特征在于：
所述的蒸发冷却式空气源热泵系统至少包含一台中高温制冷压缩机（101），一台蒸发式冷凝器（102）、一台蒸发器（103）、一个节流阀（104）、一台高压贮液器（105）、一台干燥过滤器（106）、一台气液分离器（107）、一台油冷却器（118），其中：
中高温制冷压缩机（101）通过第一单向阀（109）和三位四通阀（108）与蒸发式冷凝器（102）相连；
蒸发式冷凝器（102）通过第二单向阀（110）与高压贮液器（105）相连；
高压贮液器（105）与干燥过滤器（106）相连；
干燥过滤器（106）通过第五电磁阀（113）与节流阀（104）相连；
节流阀（104）通过第五单向阀（114）与蒸发器（103）相连；
蒸发器（103）通过三位四通阀（108）与气液分离器（107）相连；
气液分离器（107）与中高温制冷压缩机（101））相连；
节流阀（104）还通过第四单向阀（116）与蒸发式冷凝器（102）相连；
蒸发器（103）还通过第三单向阀（115）高压贮液器（105）相连；
所述的低温制热制冷压缩机组包含至少一台低温制冷制热压缩机（201），低温制冷压缩机（201）与气液分离器（107）相连并通过第六单向阀（202）与蒸发器（103）相连。

2.  根据权利要求1所述的蒸发冷却式空气源热泵装置，其特征在于：所述低温制冷压缩机（201）与中高温制冷压缩机（101）共用油冷却器（118），中高温制冷压缩机（101）通过第一电磁阀（119）、第二电磁阀（120）与油冷却器（118）相连，低温制冷压缩机（201）通过第三电磁阀（203）、第四电磁阀（204）与油冷却器（118）相连。

3.  根据权利要求1所述的蒸发冷却式空气源热泵装置，其特征在于：蒸发式冷凝器（102）通过第二单向阀（110）和第一截止阀（111）与高压贮液器（105）相连；高压贮液器（105）通过第二截止阀（112）与干燥过滤器（106）相连；蒸发器（103）通过第三单向阀（115）和第一截止阀（111）高压贮液器（105）相连。

4.  根据权利要求1所述的蒸发冷却式空气源热泵装置，其特征在于：所述电气控制系统由电控箱（40）、压力传感器、温度传感器、压力开关、温度开关及电线、电缆组成，其中电控箱包括电控箱体及其中的继电器、接触器。

5.  根据权利要求1所述的蒸发冷却式空气源热泵装置，其特征在于：所述的蒸发式冷凝器采用片距大于3mm宽翅片式换热器。

6.  根据权利要求1所述的蒸发冷却式空气源热泵装置，其特征在于：所述的蒸发式冷凝器采用变片距式翅片式换热器，其进风侧采用宽片距的翅片式换热器，出风侧采用窄片距的翅片式换热器。

7.  根据权利要求1所述的蒸发冷却式空气源热泵装置，其特征在于：所述的蒸发式冷凝器加装水滴分离装置。

说明书蒸发冷却式空气源热泵装置
技术领域
本发明涉及通过制冷系统转换的制冷、制热技术，特别是涉及一种蒸发冷却式空气源供热泵装置，该装置在夏季为空调场所提供冷量时，较空气源热泵装置至少节能40%以上，在冬季能够在-35℃至17℃的环境温度下，为人们冬季采暖从环境大气中获取充足的热量。
技术背景
空气源热泵机组由于安装简单，且作为清洁能源应用于冬季采暖具有很高的性能系数，已经被人们广泛地应用于各种空调场所，但是，由于受夏季环境温度、太阳辐射热和冷凝换热方式的影响，空气源热泵机组夏季制冷工作时冷凝温度至少在50℃以上，性能系数很低，能耗很高。
据统计空调设备的能耗占楼宇总耗电量的60%以上，而冷凝温度每降低1℃，压缩机的能耗将降低2.54~2.89%，因此，如果能够改变空气源热泵机组夏季制冷时的冷凝换热方式，降低其冷凝温度对于降低空调设备的能耗，减少排放，对于应对气候变暖，具有非常重要的意义。
传统的空气源热泵机组在冬季制热运行时，由于受压缩机极限工况的限制，以及结霜后融霜时间长、霜层难于脱落等问题的影响，这种空气源热泵机组，不仅在北方寒冷地区无法使用，即使在长江流域冬季环境温度在-10℃左右，湿度较大的地区，通过补气增焓的方式维持制冷系统运行，供热量明显不足，且压缩机故障率很高。
正是由于设计的缺陷，导致传统空气源热泵机组在冬季采暖运行时，应用范围变窄，无法在我国北方寒冷地区，乃至于长江流域不能采用空气源这种清洁能源满足人们冬季采暖的需要，因此，如果能够在寒冷地区，从空气源中提取充足的热量，并使之该装置稳定安全稳定运行，就完全可以取代燃煤、天然气、电加热等等能效比很低的传统采暖方式，这对于应对日趋严重的雾霾环境具有十分重要的意义。
综上所述，确实亟待一种能够彻底解决上述技术问题的新技术，从根本上解决空气源热泵机组的技术问题，以打破空气源热泵装置应用的局限性，造福人类。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蒸发冷却式空气源热泵装置，该装置采用两台制冷压缩机，公用一台蒸发式冷凝器、一台蒸发器及节流阀等设备、部件组成的冷热两用制冷系统，在夏季制冷状态下工作时，较空气源热泵机组至少节能40%，在冬季能够连续不断地从环境大气中提取足够的热量，且不受低温、高湿环境条件的限制。
为了解决上述发明目的，本发明提供了一种蒸发冷却式空气源热泵装置，包括：维护架构箱体30、设置在维护架构箱体内的蒸发冷却式空气源热泵系统10、低温制冷制热压缩机组20、电气控制系统，与现有技术不同的是：
所述的蒸发冷却式空气源热泵系统至少包含一台中高温制冷压缩机101，一台蒸发式冷凝器102、一台蒸发器103、一个节流阀104、一台高压贮液器105、一台干燥过滤器106、一台气液分离器107、一台油冷却器118，其中：
中高温制冷压缩机101通过第一单向阀109和三位四通阀108与蒸发式冷凝器102相连；
蒸发式冷凝器102通过第二单向阀110与高压贮液器105相连；
高压贮液器105与干燥过滤器106相连；
干燥过滤器106通过第五电磁阀113与节流阀104相连；
节流阀104通过第五单向阀114与蒸发器103相连；
蒸发器103通过三位四通阀108与气液分离器107相连；
气液分离器107与中高温制冷压缩机101相连；
节流阀104还通过第四单向阀116与蒸发式冷凝器102相连；
蒸发器103还通过第三单向阀115高压贮液器105相连；
所述的低温制热制冷压缩机组包含至少一台低温制冷制热压缩机201，低温制冷压缩机201与气液分离器107相连并通过第六单向阀202与蒸发器103相连。
本发明的技术方案中，通过夏季制冷与冬季制热的转换采用制冷系统切换，其夏季制冷的工作原理是：低温制冷压缩机组不工作，由中高温制冷压缩机组成的高温制冷系统，通过装置设置的电气控制系统控制相关阀门自动切换到制冷模式运行。其冬季制热的工作原理是：当环境温度较高、湿度较小时，低温制冷压缩机组不工作，由中高温制冷压缩机组成的高温制冷系统工作，通过装置设置的电气控制系统控制相关阀门自动切换到冬季制热模式运行；当环境温度较低，或者湿度较大时，中高温制冷压缩机组不工作，由低温制冷压缩机组成的低温制冷系统工作，通过装置设置的电气控制系统控制相关阀门自动切换到使之投入工作，从环境大气中连续不断地采集热量，满足寒冷、高湿条件下采暖的需要。
本发明的技术方案中，低温制冷制热压缩机与高温制冷压缩机共用一台蒸发式冷凝器，以及用于制冷系统自动调节、控制的电气控制系统的相关元件。在夏季通过冷却水蒸发冷却的原理，使之冷凝温度低于35℃，达到最大限度地节能的目的，在冬季不同环境温度下，使用不同的制冷压缩机，使制冷压缩机始终在允许的极限工作范围内运行，且完全不存在补气增焓而导致的压缩机的能量损耗问题，从而确保该装置在较低的环境温度下仍然能够安全、稳定运行，并为采暖系统提供充足的热量。
进一步地，所述低温制冷压缩机201与中高温制冷压缩机101共用油冷却器118，中高温制冷压缩机101通过第一电磁阀119、第二电磁阀120与油冷却器118相连，低温制冷压缩机201通过第三电磁阀203、第四电磁阀204与油冷却器118相连。采用该技术方案，低温制冷制热压缩机与高温制冷压缩机共用一台油冷却器，简化了结构，降低成本。
进一步地，蒸发式冷凝器102通过第二单向阀110和第一截止阀111与高压贮液器105相连；高压贮液器105通过第二截止阀112与干燥过滤器106相连；蒸发器103通过第三单向阀115和第一截止阀111高压贮液器105相连。采用该技术方案，便于设备的维护和维修。
进一步地，所述电气控制系统由电控箱40、压力传感器、温度传感器、压力开关、温度开关及电线、电缆组成，其中电控箱包括电控箱体及其中的继电器、接触器。
进一步地，蒸发式冷凝器采用片距大于3mm宽翅片式换热器，有利于冬季融霜时霜层脱落。
进一步地，蒸发式冷凝器进风侧采用宽片距的翅片式换热器，出风侧采用窄片距的翅片式换热器，即所谓的变片距式翅片式换热器，既有利于冬季融霜时霜层脱落，也有利于降低制造成本。
进一步地，蒸发式冷凝器加装高效水滴分离装置，通过水蒸气冷却压缩机排出的过热制冷剂气体，能够有效地解决蒸发式冷凝器的结垢问题和水雾排放问题，以及由于结构和水雾排放问题所引起的换热效率逐步降低、病菌传播等一些列问题，可以达到可持续性节能的目的。
本发明的其它方面和特征及其优点，将在下面结合附图中的具体实施例通过举例的方式在说明书中进行更为详细的介绍。
附图说明
图1为本发明具体实施例的工作原理示意图。
图2为本发明具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，以举例说明而非对于发明思想所要求的保护范围的限制的方式，详细地描述本发明的较佳实施方式及其有所改变的实例。
图1是作为本发明的第一种具体实施例的蒸发冷却式空气源热泵装置的工作原理示意图，本发明的叠加式空气源热泵装置主要包括：蒸发冷却式空气源热泵系统10、低温制热制冷压缩机组20。
图2是作为本发明具体实施例的蒸发冷却式空气源热泵装置的外形示意图，包含维护架构箱体30，蒸发冷却式空气源热泵系统10、低温制热压缩机组20、电气控制系统置于维护架构箱体30内。
图1中所示的蒸发冷却式空气源热泵系统10主要包括：中高温制冷压缩机101、蒸发式冷凝器102、蒸发器103、节流阀104、高压贮液器105、过滤干燥器106、气液分离器107、三位四通阀108、第一电磁阀119、第二电磁阀120、第五电磁阀113、，以及第一单向阀109、第二单向阀110、第五单向阀114、第三单向阀115、第四单向阀116、121，第一截止阀111、第二截止阀112，油冷却器118等组成。
图1中所示的低温制热制冷压缩机组20主要包括：低温制冷压缩机201、第六单向阀202、第三电磁阀203、第四电磁阀203等组成。
图1中蒸发冷却式空气源热泵系统10主要用于夏季制冷和冬季环境温度较高时制热使用，蒸发式冷凝器102在夏季制冷时采用蒸发冷却的原理用于冷却压缩机101排出的高压制冷剂气体，冬季制热时蒸发式冷凝器作为蒸发器使用，则采取干式运行的方式，蒸发式冷凝器的冷却水泵及冷却水系统不工作；蒸发器103在夏季制冷时作为蒸发器使用，通过制冷剂液体蒸发吸热达到降温的目的，在冬季蒸发器103作为冷凝器使用，压缩机排出的高压制冷剂气体将热量释放给蒸发器103，从而满足冬季采暖的需要；油冷却器118主要蒸发冷却式空气源热泵装置冬季采暖运行时冷却润滑油，以免润滑油温度过高引起压缩机损坏；高压贮液器105的主要作用是贮存制冷制热转换所多余的制冷剂液体；三位四通阀108则用于制冷、制热时制冷剂流向的切换。
图1中低温制热制冷压缩机组20主要在冬季低温环境温度下，或者环境温度较低、湿度较大时使用，为采暖系统提供充足的热量。
下面我们将参照上述蒸发冷却式空气源热泵装置的实施例，具体说明应用上述蒸发冷却式空气源热泵装置的工作原理。
夏季制冷时，低温制热制冷压缩机组20不工作，三位四通阀108通过电气控制系统切换到制冷模式，第一电磁阀119、第二电磁阀120、断电关闭，其工作原理是：中高温制冷压缩机101排出的高压制冷剂气体通过三位四通阀108进入蒸发式冷凝器102的换热管内，由于蒸发式冷凝器102换热管外表面被蒸发式冷凝器冷却水系统喷洒的冷却水，并形成水膜，这时环境空气在蒸发式冷凝器102的风机带动下使其掠过蒸发式冷凝器102换热管外表面，使水膜蒸发通过蒸发式冷凝器102换热管吸收管内的高压制冷剂气体的热量，将其冷却成高压制冷剂液体，经过第二单向阀110、第一截止阀111进入高压贮液器105，通过第二截止阀112进入过滤干燥器106除去制冷剂中的水分及杂质，经过第五电磁阀113进入节流阀104节流降压，将高压制冷剂液体节流成低压制冷剂液体，经过第五单向阀114进入蒸发器103，低压的制冷剂液体进入蒸发器103后，吸收蒸发器103内的热量蒸发成低压的制冷剂气体，经过三位四通阀108进入气液分离器107，将随回气没有蒸发的低压制冷剂液体分离下来，气体则被压缩机101吸入，如此不断地连续循环，从而达到连续制冷的目的。
冬季制热，当环境温度较高时，即中高温制冷压缩机在允许的工作范围内工作，在这种情况下，低温制冷压缩机201停止工作，中高温制冷压缩机101投入工作，第一电磁阀119、第二电磁阀120受压缩机101油温控制器控制其开停，即当压缩机101油温达到压缩机允许的油温上限时，第一电磁阀119、第二电磁阀120通电打开，油冷却器118投入工作，当压缩机101油温达到压缩机允许的油温下限时，第一电磁阀119、第二电磁阀120断电关闭，油冷却器118不工作，三位四通阀108则在电气控制系统的控制下自动转入冬季制热模式运行，其工作原理是：中高温制冷压缩机101排出的高压制冷剂气体通过三位四通阀108进入蒸发器103，高压制冷剂气体通过蒸发器103将热量释放给环境大气或者水后，冷凝成高压制冷剂液体，经过第三单向阀115、第一截止阀111进入高压贮液器105，通过第二截止阀112进入过滤干燥器106除去制冷剂中的水分及杂质，经过第五电磁阀113进入节流阀104节流降压，将高压制冷剂液体节流成低压制冷剂液体，经过第四单向阀116入蒸发式冷凝器102，由于蒸发式冷凝器102在冬季制热模式运行时，其水泵不工作，在这种条件下，蒸发式冷凝器102就是一台空气强制对流的蒸发器，因此，低压制冷剂液体进入蒸发式冷凝器102后，吸收通过风机带动掠过蒸发式冷凝器102换热管表面空气的热量，蒸发成低压的制冷剂气体，经过第三截止阀123、三位四通阀108进入气液分离器107，将随回气没有蒸发的低压制冷剂液体分离下来，气体则被压缩机101吸入，如此不断地连续循环，从而达到在较高环境温度下为冬季采暖系统连续不断地提供热量。
在低温环境下，或者当环境温度较低、湿度较大时，即当制冷系统工作工况已经接近或者达到中高温制冷压缩机在允许的工作范围时，在这种情况下，中高温制冷压缩机101停止工作，第一电磁阀119、第二电磁阀120断电关闭，第三电磁阀203、第四电磁阀203受压缩机201油温控制器控制其开停，即当压缩机201油温达到压缩机允许的油温上限时，第三电磁阀203、第四电磁阀203通电打开，油冷却器118投入工作，当压缩机201油温达到压缩机允许的油温下限时，第三电磁阀203、第四电磁阀203断电关闭，油冷却器118不工作，三位四通阀108则在电气控制系统的控制下自动转入冬季制热模式运行，其工作原理是：低温制冷压缩机201排出的高压制冷剂气体经过第六单向阀202进入蒸发器103，高压制冷剂气体通过蒸发器103将热量释放给环境大气或者水后，冷凝成高压制冷剂液体，经过第三单向阀115、第一截止阀111进入高压贮液器105，通过第二截止阀112进入过滤干燥器106除去制冷剂中的水分及杂质，经过第五电磁阀113进入节流阀104节流降压，将高压制冷剂液体节流成低压制冷剂液体，经过第四单向阀116入蒸发式冷凝器102，由于蒸发式冷凝器102在冬季制热模式运行时，其水泵不工作，在这种条件下，蒸发式冷凝器102就是一台空气强制对流的蒸发器，因此，低压制冷剂液体进入蒸发式冷凝器102后，吸收通过风机带动掠过蒸发式冷凝器102换热管表面空气的热量，蒸发成低压的制冷剂气体，经过第三截止阀123、三位四通阀108进入气液分离器107，将随回气没有蒸发的低压制冷剂液体分离下来，气体则被压缩机101吸入，如此不断地连续循环，从而达到在低温环境下，或者当环境温度较低、湿度较大环境条件下为冬季采暖系统连续不断地提供热量，从而将蒸发冷却式热泵空调装置拓展到低温环境条件下，或者当环境温度较低、湿度较大环境条件仍然能够安全、可靠地运行，并满足冬季采暖的热量需求。
在综上所述，根据本发明提供的蒸发冷却式空气源热泵装置具有如下显著优势：
1)节能。该装置在夏季环境干球温度35℃，采用传统的蒸发式冷凝器冷凝温度可以达到40℃，较风冷热泵机组冷凝温度50℃，压缩机能耗降低25.4%以上，事实上，当环境干球温度30℃，受太阳辐射热的影响，屋顶、地表温度至少在55℃，也就是说在这种条件下，风冷热泵机组进风温度至少在40℃以上，其冷凝温度≥55℃，以此计算本发明蒸发冷却式空气源热泵装置较风冷热泵机组在环境温度≥30℃条件下，至少节能38.1%，此其一；其二，如果将蒸发式冷凝器改成不结垢、无水雾排放型蒸发式冷凝器，通过水蒸气冷却压缩机排出的高压制冷剂气体，则在环境温度35℃，其冷凝温度可以控制在30~32.5℃，如此一来，本发明蒸发冷却式空气源热泵装置夏季制冷条件下运行，较风冷热泵机组至少节能57.15~63.5%。
 2)应用范围广。本发明蒸发冷却式空气源热泵装置在低温条件下制热运行的低温压缩机，其最低极限蒸发温度可以达到-50℃，考虑到冷凝器在冬季做蒸发器使用时，换热器表面结霜的影响，本发明提供的蒸发冷却式空气源热泵装置，至少可以在环境温度-35℃以上地区可以安全、可靠运行，就是说，该装置完全可以应用于我国辽宁省以南地区。
 3)环保。空气源作为一种清洁、可再生能源，对环境不会产生任何污染。
 4)高效、运行费用低。本发明提供的蒸发冷却式空气源热泵装置在冬季采暖过程中，即使在环境温度为--35℃，其性能系数仍然可以达到1.7，远高于燃煤的性能系数，单位制热量的耗电量仅为0.6Kwh，运行费用远低于电加热及天然气制热的采暖费用。
因此，采用本发明提供的蒸发冷却式热泵装置，应用于夏季制冷、冬季采暖系统，对于节能减排、缓解雾霾具有非常重要的意义。