一种替代小型锅炉的楼宇式集中供暖热泵系统.pdf

一种替代小型锅炉的楼宇式集中供暖热泵系统，包括压缩机、排气管路、吸气管路、补气管路、供油管路、油分离器、水冷冷凝器、贮液过冷器、二级节流元件、风冷蒸发器、气液分离器、排液桶、工质泵、一级节流元件和贮油器等。每台压缩机均带有补气口和供油口，压缩机和风冷蒸发器均为多台并联连接，每台风冷蒸发器均配置相应的电磁阀和节流元件；风冷蒸发器出口经电磁阀、排液桶、工质泵和节流元件与风冷蒸发器进口相连接；贮液过冷器顶部的出气口通过节流元件与补气管路相接；油分离器底部的出油口通过贮油器与供油管路相接。投入工作的压缩机和蒸发器台数根据大气温度的变化实时调整，同时可用工质液体来实现蒸发器轮流交替的除霜作业。

权利要求书
1.  一种替代小型锅炉的楼宇式集中供暖热泵系统，包括压缩机(1)、 排气管路(2)、吸气管路(3)、补气管路(4)、供油管路(5)、油分离器 (6)、水冷冷凝器(7)、贮液过冷器(8)、电磁阀A(9)、电磁阀B(10)、 二级节流元件(11)、风冷蒸发器(12)、电磁阀C(13)、电磁阀D(14)、 气液分离器(15)、排液桶(16)、工质泵(17)、一级节流元件(18)和贮 油器(19)；
其特征是：每台压缩机(1)均带有补气口和供油口，多台压缩机(1) 排气口与排气管路(2)相连接、吸气口与吸气管路(3)相连接、补气口 与补气管路(4)相连接、供油口与供油管路(5)相连接；风冷蒸发器(12) 为多台并联连接，每台风冷蒸发器(12)均配置电磁阀A(9)、电磁阀B(10)、 二级节流元件(11)、电磁阀C(13)、和电磁阀D(14)；排气管路(2)与 油分离器(6)进口相接，油分离器(6)出口与水冷冷凝器(7)工质进口 相接，冷凝器(7)工质出口与贮液过冷器(8)进口相接，贮液过冷器(8) 出液口与电磁阀A(9)和电磁阀B(10)的进口相接，电磁阀B(10)后接 二级节流元件(11)，二级节流元件(11)和电磁阀A(9)的出口与风冷蒸 发器(12)进口相接，风冷蒸发器(12)出口与电磁阀C(13)和电磁阀D (14)的进口相接；电磁阀C(13)的出口通过气液分离器(15)与吸气管 路(3)相接；电磁阀D(14)的出口通过排液桶(16)与工质泵(17)进 口相接，工质泵(17)出口接到电磁阀B(10)和二级节流元件(11)之间 的管路上；贮液过冷器(8)顶部的出气口通过一级节流元件(18)与补气 管路(4)相接；油分离器(6)底部的出油口与贮油器(19)进口相接， 贮油器(19)出口与供油管路(5)相接；各部件按照上述连接次序构成封 闭的工作循环回路，工质在封闭的工作回路流动，在风冷蒸发器(12)中 吸收大气中的低品位热能，提升温度后在水冷冷凝器(7)中释放给供暖热 水；该热泵系统的压缩机和蒸发器投入工作的台数根据大气温度的变化实 时调整，使热泵制热量和供暖需热量达到动态匹配；电磁阀D、排液桶和工 质泵构成的回路，可用工质液体来实现蒸发器轮流交替的除霜作业。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征是，通过增添四通换向阀(20) 和三通阀E(21)、三级节流元件(22)、三通阀F(23)和三通阀G(24)， 实现工质流向改变；四通换向阀连接方式如下：进口(201)与油分离器(6) 出口相接，出口(203)与气液分离器(15)入口相接，第一接口(202) 与风冷蒸发器(12)出口相接，第二接口(204)与水冷冷凝器(7)入口 相接。

3.  根据权利要求2所述的系统，其特征是，用若干个三通阀或二通阀， 来替代四通换向阀，实现工质流向改变。

4.  根据权利要求1所述的系统，其特征是，一级节流元件(18)的安 装位置从贮液过冷器(8)的出气管移至其进液管上。

5.  根据权利要求1所述的系统，其特征是，增添换热器(28)，用工 质在换热器中的间壁换热来替代贮液过冷器(8)内气液分相换热；换热器 (28)的连接方式如下：冷凝后的工质液体分为主、辅二路分别进入换热 器(28)，一级节流元件(18)接到进入换热器(28)前的辅路上，换热器 主、辅路出口分别与贮液过冷器(8)补气管路(4)相接。

6.  根据权利要求1所述的系统，其特征是，工质泵(17)出口变为与 电磁阀A(9)和电磁阀B(10)的进口相接。

7.  根据权利要求1所述的系统，其特征是，用一个三通阀替代二个相 邻且开关次序相反的电磁阀或二通阀。

8.  根据权利要求1所述的系统，压缩机为螺杆式、离心式、活塞式或 涡旋式。

9.  根据权利要求1所述的系统，其特征是，一级节流元件，二级节流 元件和三级节流元件，是节流管、节流孔或节流阀。

说明书一种替代小型锅炉的楼宇式集中供暖热泵系统
技术领域
本发明涉及楼宇集中供暖技术领域，特别是替代小型锅炉的楼宇式集中 供暖热泵系统。
背景技术
用电驱动的热泵系统作为建筑物的供暖手段，来代替传统的小型燃煤/ 燃油锅炉供暖，可以大幅度提高冬季采暖的能量利用效率，并能够有效减少 或杜绝向大气排放污染物，特别是在气候比较寒冷地区的中心城市，使用电 动热泵带来的这种效果尤其明显。要使电驱动的热泵系统能在寒冷气候条件 下稳定高效运行，就要求热泵在产生较大温升时，它的发热量衰减较小、压 缩机的排气温度稳定且比较低、能量利用效率较高。然而，传统的单级压缩 热泵系统是无法满足上述要求的。
为了克服传统热泵系统存在的不足，中国发明专利200510063463.3 提出了一种带喷射器和贮液过冷器的热泵或制冷系统，该热泵系统采用带补 气功能的压缩机和贮液过冷器，用喷射器将它们之间连接起来，构成热泵系 统的工作辅路，即补气回路。而压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器则构成其 工作主路，即为传统热泵系统。用过冷贮液器上部的高压制冷剂蒸汽作为喷 射器的工作流体，引射蒸发器出口的低压制冷剂蒸汽，在喷射器出口形成中 压制冷剂蒸汽，并通过压缩机补气口直接喷入压缩腔或中间腔内，也即该热 泵系统按照准二级压缩-喷射复合循环工作，能有效增大热泵的低温工况制 热量和能效比。因此，该系统能够在寒冷地区高效、稳定地全年运行，可以 作为传统采暖区清洁、高效、便利的采暖技术手段。
上述技术方案从技术原理上解决了热泵系统在寒冷气候区高效稳定运 行的问题，但是它直接应用于工程实际中，还存在明显的不足之处。首先， 它没有考虑热泵实际运行中的能量调节问题。建筑物供暖的需热量是随环境 温度降低而增加，而热泵系统的制热量是随环境温度降低而降低，只有二者 匹配良好时，热泵运行的经济性和节能效果才会有保证。其次，它没有考虑 热泵在低温环境中运行的除霜问题。热泵冬季低温环境中运行，蒸发器结霜 比较严重，直接影响到热泵运行的可靠性；其三，它没有考虑热泵实际运行 中制热和制冷工作模式的转换问题。一般建筑物除了冬季供暖需求外，还会 有夏季供冷的需求，如果增加制热/制冷工作模式转换的机构，可以在成本 少许增加的情况下，扩大热泵的功用，提高设备的利用率。如果上述问题得 不到合理解决，就会影响到专利2005 1 0063463.3的推广应用和效益发挥。
发明内容
本发明的目的，是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种结构简单， 便于能量调节和工作模式转换，除霜效果好，加工安装方便，能量利用效率 高，可行性高，运行工况宽广的替代小型锅炉的楼宇式集中供暖热泵系统。
为了实现上述的发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：一种替 代小型锅炉的楼宇式集中供暖热泵系统，主要包括压缩机1、排气管路2、 吸气管路3、补气管路4、供油管路5、油分离器6、水冷冷凝器7、贮液过 冷器8、电磁阀A9、电磁阀B10、二级节流元件11、风冷蒸发器12、电磁阀 C13、电磁阀D14、气液分离器15、排液桶16、工质泵17、一级节流元件18 和贮油器19等。其特征是：每台压缩机1均带有补气口和供油口，多台压 缩机1排气口与排气管路2相连接、吸气口与吸气管路3相连接、补气口与 补气管路4相连接、供油口与供油管路5相连接；风冷蒸发器12为多台并 联连接，每台风冷蒸发器12均配置相应的电磁阀A9、电磁阀B10、二级节 流元件11、电磁阀C13、和电磁阀D14；排气管路2与油分离器6进口相接， 油分离器6出口与水冷冷凝器7工质进口相接，冷凝器7工质出口与贮液过 冷器8进口相接，贮液过冷器8出液口与电磁阀A9和电磁阀B10的进口相 接，电磁阀B10后接二级节流元件11，二级节流元件11和电磁阀A9的出口 与风冷蒸发器12进口相接，风冷蒸发器12出口与电磁阀C13和电磁阀D14 的进口相接；电磁阀C13的出口通过气液分离器15与吸气管路3相接；电 磁阀D14的出口通过排液桶16与工质泵17进口相接，工质泵17出口接到 电磁阀B10和二级节流元件11之间的管路上；贮液过冷器8顶部的出气口 通过一级节流元件18与补气管路4相接；油分离器6底部的出油口与贮油 器19进口相接，贮油器19出口与供油管路5相接，贮油器19顶部与吸气 管路3相通。
所述的楼宇式集中供暖热泵系统，可以通过增添四通换向阀20和相应 的三通阀E21、三级节流元件22、三通阀F23和三通阀G24等若干个阀件， 实现工质流向改变。四通换向阀连接方式如下：进口201与油分离器6出口 相接，出口203与气液分离器15入口相接，接口202与风冷蒸发器12出口 相接，接口204与水冷冷凝器7入口相接。
所述的的楼宇式集中供暖热泵系统，其特征是，可以用若干个三通阀或 二通阀，来替代四通换向阀，实现工质流向改变。
所述的楼宇式集中供暖热泵系统，一级节流元件18的安装位置可以从 贮液过冷器8的出气管移至其进液管上。
所述的楼宇式集中供暖热泵系统，可以增添换热器28，用工质在换热器 中的间壁换热来替代贮液过冷器8内气液分相换热。换热器28得连接方式 如下：冷凝后的工质液体分为主、辅二路分别进入换热器28，一级节流元件 18接到进入换热器28前的辅路上，换热器主、辅路出口分别与贮液过冷器 8补气管路4相接。
所述的楼宇式集中供暖热泵系统，其特征是，工质泵17出口也可以与 电磁阀A9和电磁阀B10的进口相接。
所述的楼宇式集中供暖热泵系统，其特征是，可以用一个三通阀替代二 个相邻且开关次序相反的电磁阀或二通阀。
所述的压缩机，其特征是，螺杆式、离心式、活塞式或涡旋式。
所述的楼宇式集中供暖热泵系统，其特征是，一级节流元件，二级节流 元件和三级节流元件，可是节流管、节流孔或节流阀。
本发明采用并联方式的多台压缩机和多台风冷蒸发器，以及工质泵液体 除霜系统，各部件按照上述连接次序构成封闭的工作循环回路，工质在封闭 的工作回路流动，在风冷蒸发器中吸收大气中的低品位热能，提升温度后在 水冷冷凝器中释放给供暖热水，也可以为建筑物提供空调冷水。更重要的是， 该热泵系统可以根据大气温度的变化实时调整的压缩机和蒸发器投入工作 的台数，使热泵制热量和供暖需热量达到动态匹配，取得良好的运行经济性 和节能效果。电磁阀D、排液桶和工质泵构成的回路，可用工质液体来实现 蒸发器轮流交替的除霜作业，不仅简化了除霜系统，而且使除霜过程对热泵 系统的冲击和造成的供暖水温度波动都很小。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构连接图。
图2是本发明实施例二的结构连接图。
图3是本发明实施例三的结构连接图。
图中标号说明：
1—压缩机，2—排气管路，3—吸气管路，4—补气管路，5—供油管路， 6—油分离器，7—水冷冷凝器，8—贮液过冷器，9—电磁阀A，10—电磁阀 B，11—二级节流元件，12—风冷蒸发器，13—电磁阀C，14—电磁阀D，15 —气液分离器，16—排液桶，17—工质泵，18一级节流元件，19—贮油器， 20—四通换向阀，21—三通阀E，22—三级节流元件，23—三通阀F，24— 三通阀G，25—三通阀H，26—三通阀I，27—截止阀，28—换热器，29—三 通阀J，30—三通阀K，29—三通阀L，30—三通阀M
具体实施方式
实施例一
1.该实施例的集中供暖热泵系统主要用于建筑面积在500M2～50,000M2之间一栋楼宇或若干栋紧邻楼宇的供暖或热水，主要由三台带有补气口和供 油口的螺杆压缩机1、排气管路2、吸气管路3、补气管路4、供油管路5、 油分离器6、水冷冷凝器7、贮液过冷器8、电磁阀A9、电磁阀B10、二级节 流元件11、四台风冷蒸发器12、电磁阀C13、电磁阀D14、气液分离器15、 排液桶16、工质泵17、一级节流元件18和贮油器19等组成。三台压缩机1 并联连接，即其排气口、吸气口、补气口、供油口分别与排气管路2、吸气 管路3、补气管路4、与供油管路5相连接。风冷蒸发器12为四台并联连接， 每台风冷蒸发器12均配置相应的电磁阀A9、电磁阀B10、二级节流元件11、 电磁阀C13、和电磁阀D14。该系统的连接方式如下：排气管路2与油分离 器6进口相接，油分离器6出口与水冷冷凝器7工质进口相接，冷凝器7工 质出口与贮液过冷器8进液口相接，贮液过冷器8出液口与电磁阀A9和电 磁阀B10的进口相接，电磁阀B10后接二级节流元件11，二级节流元件11 和电磁阀A9的出口与风冷蒸发器12进口相接，风冷蒸发器12出口与电磁 阀C13和电磁阀D14的进口相接；电磁阀C13的出口通过气液分离器15与 吸气管路3相接；电磁阀D14的出口通过排液桶16与工质泵17进口相接， 工质泵17出口接到电磁阀B10和二级节流元件11之间的管路上；贮液过冷 器8顶部的出气口通过一级节流元件18与补气管路4相接；油分离器6底 部的出油口与贮油器19进口相接，贮油器19出口与供油管路5相接。各部 件按照上述连接次序构成封闭的工作循环回路，该回路内置工质和润滑油， 压缩机工作时，排出的高温高压工质气体经油分离器6使工质与润滑油分离， 分离出的润滑油收集到贮油器19备用，工质气体进入水冷冷凝器7并释热 给供暖热水，工质冷凝变为液体后进入贮液过冷器8，工质在贮液过冷器8 中产生气、液分相，即气相存在贮液过冷器8的上部空间、而其下部空间积 存液相工质。贮液过冷器8顶部的工质气体经一级节流元件18节流降压后 流入补气管路4，之后被压缩机的补气口吸入。本系统的四台风冷蒸发器12 并联配置，传感器监测蒸发器的结霜状况，并判定蒸发器是否需要进入除霜 模式。当蒸发器进行除霜时，该蒸发器的电磁阀A9和电磁阀D14开启、而 电磁阀B10和电磁阀C13断开；从贮液过冷器8来的较高温度工质液体经电 磁阀A9进入蒸发器融霜，从蒸发器出来的工质液体汇集到排液桶16，由工 质泵17输送到二级节流元件11的进口，节流后进入处于正常工作状态的蒸 发器；处于除霜模式的蒸发器，其二级节流元件11后是高压工质液体，因 此工质泵17输送过来的液体无法通过二级节流元件11向后继续流动。这样， 一台或若干台蒸发器用二级节流前的工质液体进行除霜时，而其余蒸发器还 能照常工作，这种蒸发器轮流交替的除霜方式对系统的冲击和造成的供暖水 温度波动都很小。每台压缩机均配置油位控制器，当油位高于上限值时，供 油管路被切断，停止供油；当油位低于下限值时，供油管路被打开，向压缩 机供油。这样，根据每台压缩机的油量需求，贮油器19可以通过供油管路5 及时向每台压缩机补油。本热泵系统的调节方式如下：用温度传感器分别实 时监测当前大气温度t和吸气管路中气体工质温度te，并传送到机组的控制 器，假设t1,t2,t3分别表示不同的气温值，例如t1为10℃,t2为0℃,t3 为-10℃，但不局限于此设置。且t1>t2>t3。当t>t1时，通过控制器仅开启 一台压缩机；当t1>t>t2时，通过控制器仅开启二台压缩机；当t<t3时， 通过控制器仅开启三台压缩机。假设a1,a2,a3,a4分别表示不同的数值，且 a1<a2<a3<a4，例如t1为10℃,t2为0℃,t3为-10℃，但不局限于此设置。 例如a1为2℃,a2为3℃,a3为4℃，a4为5℃但不局限于此设置。Dt＝t-te。 当a2>Dt>a1时，通过控制器开启一台蒸发器；当a3>Dt>a2时，通过控制器 开启二台蒸发器；当a4>Dt>a3时，通过控制器开启三台蒸发器；当Dt>a4 时，通过控制器开启四台压缩机；除霜期间，所有的蒸发器均应处于工作状 态。通过上述控制方案，本系统可以根据供暖的实际需求，实时调整实际运 行的压缩机和蒸发器的台数，使系统的制热量和供暖需热量匹配，保证其运 行经济性和节能效果最佳化。
实施例二
参考图2，实施例二的热泵系统，与实施例一的热泵系统类似，所不同 的是增添了四通换向阀20和相应的三通阀E21、三级节流元件22、三通阀 F23和三通阀G24；一级节流元件18，从贮液过冷器8出气管移至其进液管 上；工质泵17出口直接与电磁阀A9和电磁阀B10的进口相接。四通换向阀 连接方式：进口201与油分离器6出口相接，出口203与气液分离器15入 口相接，接口202与风冷蒸发器12出口相接，接口204与水冷冷凝器7入 口相接。这样，该热泵系统可以实现工质流向的改变，不仅能向建筑物提供 供暖热水，也可以提供空调冷水。制热运行时，四通换向阀的201口与204 口相通，203口与202口相通，同时，三通阀E的212口通、213口断，三 通阀F的232口通、233口断，三通阀G的242口通、243口断，这时水冷 冷凝器提供热水；制冷运行时，四通换向阀的201口与202口相通，203口 与204口相通，同时，三通阀E的212口断、213口通，三通阀F的232口 断、233口通，三通阀G的242口断、243口通，这时水冷冷凝器提供冷水。 这样，该热泵系统就可以实现冬季供暖、夏季供冷的目的，扩展了其功用。
参考图3，实施例三的热泵系统，与实施例二的热泵系统类似，所不同 的是用三通阀H25替代电磁阀A9和电磁阀B10，用三通阀I26替代电磁阀 C13和电磁阀D14，增添截止阀27；用三通阀J29、三通阀K30、三通阀L31 和三通阀M31替代四通换向阀20；增添换热器28，冷凝后的工质液体在进 入换热器28前分为主、辅二路，一级节流元件18移至换热器28的辅路进 口，主、辅路工质在换热器中的间壁换热，替代贮液过冷器8内气液分相换 热，其工作过程为：辅路液体经一级节流元件18节流降压后，进入换热器 28，吸收主路液体的热量后变为气体，并流入补气管路4，而主流液体经换 热器过冷后进入贮液过冷器8。其它部分与实施例二的相同。这样，补气回 路的工质与进入蒸发器的工质在换热器中间壁换热，有利于提高该系统运行 的稳定性。