一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置.pdf

利用人工液体采集能量的热泵一体化装置，包括压缩机(1)、节流元件(5)、液体泵、冷凝器、集液体槽、风机系统、空气-液体换热器、液体-工质换热器、喷淋器、连接管道，液体-工质换热器的进口通过管道与节流元件(5)出口连接，出口与压缩机(1)进口端通过管道连接，液体泵的进口与集液体槽连接，出口通过管道与喷淋器连接，喷淋器的出液体进入液体-工质换热器的液体侧进口，液体-工质换热器的液体侧出口连接空气-液体换热器的液体侧进口，空气-液体换热器的液体侧出口连接集液体槽；液体-工质换热器的液体侧出口连接空气-液体换热器的液体侧进口，空气-液体换热器的液体侧出口连接集液体槽，形成人工液体的循环单元。

1.  一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，包括压缩机(1)、节流元件(5)、水泵(64)、冷凝器(31)、集水槽(52)、风机系统(63)、空气—水换热器(42)、水—工质换热器(21)、喷淋器(53)、连接管道(71、11、12、13、14)；其特征在于，水—工质换热器(21)的进口通过管道(12)与节流元件(5)出口连接，出口与压缩机(1)进口端通过管道(11)连接，压缩机(1)出口与冷凝器(31)进口通过管道(14)连接，冷凝器(31)出口与节流元件(5)进口通过管道(13)连接；水泵(64)的进口与集水槽(52)连接，出口通过管道(71)与喷淋器(53)连接，喷淋器(53)的出水进入水—工质换热器(21)的水侧进口，水—工质换热器(21)的水侧出口连接空气—水换热器(42)的水侧进口，空气—水换热器(42)的水侧出口连接集水槽(52)；空气—水换热器(42)的空气侧出口与风机系统(63)连接。

2.  根据权利要求1所述的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，其特征在于，水循环单元和空气循环单元构成一体化装置，对于热泵循环装置，装置集成热泵循环装置的水—工质换热器(21)的工质侧和热泵装置管路(11)、(12)；或水—工质换热器(21)的工质侧、压缩机(1)、节流元件(5)和热泵装置管路(11)、(12)、(13)、(14)；或者水—工质换热器(21)的工质侧、压缩机(1)、节流元件(5)、冷凝器(31)和热泵装置管路(11)、(12)、(13)、(14)。

3.  根据权利要求1所述的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，其特征在于，风机系统(63)对空气的驱动，采用吸风式或吹风式，既风机系统放置在空气循环单元的终点或者起点，或放置在空气循环单元中间的某一位置。

4.  根据权利要求1所述的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，其特征在于，水—工质换热器(21)中水与工质的换热采用喷淋器(53)喷淋的开放方式换热，也可以采用套管式、管壳式、蛇管式换热器等多种常用换热器结构形式进行换热。

5.  根据权利要求1所述的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，其特征在于，所述人工水体为水或低冰点液体。

6.  根据权利要求1所述的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，其特征在于，空气—水换热器(42)可以采用逆流、顺流、错流等多种换热方式；换热器采用水在空气流中直接喷淋接触，或采用填料塔、泡罩塔、筛板塔等传热传质设备来强化传热、传质，换热器采用间壁换热的方式来交换热量。

7.  根据权利要求1所述的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，其特征在于，水—工质换热器(21)与空气—水换热器(42)可连接为一体或者分开。

8.  一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，包括压缩机(1)、节流元件(5)、水泵(64)、冷凝器(31)、集水槽(52)、风机系统(63)、空气—水换热器(42)、水—工质换热器(21)、喷淋器(53)、连接管道(71、11、12、13、14)；其特征在于，水—工质换热器(21)的进口通过管道(12)与节流元件(5)出口连接，出口与压缩机(1)进口端通过管道(11)连接，压缩机(1)出口与冷凝器(31)进口通过管道(14)连接，冷凝器(31)出口与节流元件(5)进口通过管道(13)连接；水泵(64)的进口与集水槽(52)连接，出口通过管道(71)与喷淋器(53)连接，喷淋器(53)的出水进入空气—水换热器(42)的水侧进口，空气—水换热器(42)的水侧出口连接水—工质换热器(21)的水侧进口，水—工质换热器(21)的水侧出口连接集水槽(52)；空气—水换热器(42)的空气侧出口与风机系统(63)连接。

一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置
技术领域
本发明涉及一种蒸发热量来自于人工水体的热泵集成装置，特别涉及一种间接采集空气能来恢复循环水温的人工水体热泵装置，尤其利用新能源的高度集成高效的热泵装置。
背景技术
热泵是一种消耗少部分高级能量(电能、燃料燃烧能等)来做功，从低温热源吸取大量能量，然后向高温热源释放热量的装置。目前常用的蒸气压缩式热泵的制热是通过使用热泵工质的蒸发冷凝来实现的：液态低压工质通过蒸发器与外界环境换热，吸收环境中的热量后蒸发，然后经过压缩机被压缩，工质温度升高，再经过冷凝器时放热给高温热源，热泵工质被液化，然后经过节流元件节流膨胀，温度和压力降低，再回流到蒸发器进入下一循环。在现有的热泵装置中，可以利用水源、地源、空气源等多种能量来源。但是，应用水、地源热泵需要有合适的水体资源，开展水中抛管、地下埋管施工，因而水、地源热泵受到使用场所地表、地下自然条件的限制。使用空气源受空气温、湿度影响比较大，在冬季湿度较高的地区运行时，蒸发器结霜严重，从而导致热泵不能长时间高效工作，严重时使热泵机组停止运行。除霜环节中，除霜耗能导致整个热泵系统效率的降低。随着社会的发展及技术的进步，人们更加需要一种更节能、高效的热泵能量采集装置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种采热效率更高、更加节能的、使用更方便的间接采集空气能的人工水体热泵一体化装置，该热泵系统在低温高湿的冬季能够稳定运行，可靠性高，无结霜困扰，省去了除霜环节。本发明将人工水体能量采集装置与热泵部件(压缩机、节流阀和蒸发器等)一体化集成，无需顾虑使用环境的地表、地下自然条件，应用方便。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种间接采集空气能的人工水体热泵一体化装置，包括人工水体能量采集装置和热泵循环装置，其中人工水体能量采集装置包括水循环单元和空气循环单元。人工水体能量采集装置的水循环单元包括水—工质换热器(水侧)、空气—水换热器(水侧)、集水槽、水泵、管路等；空气循环单元包括空气—水换热器(空气侧)和风机系统等。热泵循环装置根据一体化装置的集成程度，包括水—工质换热器的工质侧(热泵循环装置的蒸发器工质侧)、压缩机、节流元件、冷凝器中的部分或者全部部件，冷凝器向高温热源释放热量。
水循环单元中，水泵的进口与集水槽连接，出口通过管道进入水—工质换热器的水侧进口，水—工质换热器的水侧出口连接空气—水换热器的水侧进口，空气—水换热器的水侧出口连接集水槽。
空气循环单元中，在风机系统的驱动下，环境中的空气经空气流道后进入空气—水换热器的空气侧进口，再从空气—水换热器的空气侧出口排放至环境中，形成空气循环。水循环单元和空气循环单元通过空气—水换热器进行热交换。
热泵循环装置中，水—工质换热器的工质侧进口与节流元件出口连接，出口与压缩机进口连接，压缩机的出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与节流元件进口连接，热泵工质在装置中循环。热泵循环装置和水循环单元通过水—工质换热器进行热交换。
水循环单元的工作过程：本发明使用的水(或其它液体介质)，进入水—工质换热器的水侧，释放热量降温(工质侧吸热蒸发)，低温水从水—工质换热器出来后，进入空气—水换热器水侧，和空气进行换热，吸热升温，然后高温水进入集水槽，再被水泵泵入水—工质换热器完成水循环。
空气循环装置的工作过程：环境中的空气在风机系统的推动下，进入空气—水换热器空气侧，释放热量(若空气与水发生直接接触，将还伴随有空气中水蒸汽的传质)，然后空气排入环境，完成空气的循环。
热泵循环装置的工作过程：液态热泵工质通过节流元件后温度、压力均降低，然后进入水—工质换热器的工质侧，吸收水侧的热量后蒸发，气态的工质经压缩机压缩，压力和温度都升高，高温气态工质通过冷凝器进行冷凝放热，将热量传递给高温热源，形成的液态工质重新回到节流元件的进口，完成热泵工质的循环。
本发明的热泵工质在水—工质换热器的工质侧中和循环水进行热量的交换，这部分循环水类似于人工的水体。区别与自然环境中的水体和环境(空气、水体底固体岩土)在自然状态下的换热，这部分人工水体采用强制换热的方式和自然环境中的空气进行换热，构成了本发明的人工水体热泵的能量来源。由于空气—水换热器可以采用混合的方式进行传热传质；水—工质换热器内循环的人工水体可以为低冰点温度的液体介质，水—工质换热器可以实现液体间的间壁换热，换热途径突破了常规空气源热泵风冷蒸发器的空气—工质换热的相态模式，因此，形成结霜的基础因素发生了变化。而空气和水的混合换热，以及水在间壁换热时较高的对流换热系数，也使工质蒸发环节的总传换热效率具有了提高的潜力，由此既可以避免热泵在低温高湿气候下使用的结霜问题，又获得稳定高效的工作性能。
本发明与现有的产品相比，具有耐冷湿气候、稳定节能的特点。
附图说明
图1为本发明提供的人工水体热泵一体化装置的原理图，其空气—水换热器的水侧采用喷淋方式和空气进行开放式的自由接触，发生传热传质。
图2为本发明提供的人工水体热泵一体化装置，其空气—水换热器和水—工质换热器的水侧均采用喷淋方式，并和空气进行开放式的自由接触，发生传热传质。
图3为本发明提供的人工水体热泵一体化装置，其空气—水换热器采用间壁换热的方式传热。
图4为本发明提供的人工水体热泵一体化装置，其水循环单元的循环水从空气—水换热器出来后再进入水—工质换热器。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例1参见图1，本发明的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，包括压缩机1、节流元件5、水泵64、冷凝器31、集水槽52、风机系统63、空气—水换热器42、水—工质换热器21、喷淋器53、连接管道11、12、13、14、71。水—工质换热器21工质侧的进口通过管道12与节流元件5出口连接，出口与压缩机1进口通过管道11连接，压缩机1出口与冷凝器31进口通过管道14连接，冷凝器31出口与节流元件5进口通过管道13连接，形成热泵循环装置。水泵64的进口与集水槽52连接，出口通过管道71与喷淋器53连接，喷淋器53的出水进入水—工质换热器21的水侧进口，水—工质换热器21的水侧出口连接空气—水换热器42的水侧进口，空气—水换热器42的水侧出口连接集水槽52，形成人工水体的循环单元。环境中的空气，进入空气—水换热器42，空气—水换热器42的空气侧出口连接风机系统63，风机系统排气进入环境，形成空气的开式循环单元。
热泵中液态工质通过节流元件5后温度、压力均降低，然后进入水—工质换热器21的工质侧，吸收水侧的热量后蒸发，气态的工质经压缩机1压缩，压力和温度都升高，高温气态工质流入冷凝器31进行冷凝放热，形成的液态工质重新回到节流元件5，完成热泵工质的循环。
水循环单元的人工水体(或其它液体介质)，经过喷淋器53，进入水—工质换热器21的水侧，放热降温，低温水从水—工质换热器21出来后，进入空气—水换热器42的水侧，和空气进行换热，吸热升温，然后进入集水槽52，再被水泵64泵入喷淋器53，完成人工水体的循环。
环境中的空气在风机系统的推动下，从空气—水换热器42的空气侧入口，进入空气—水换热器42与水进行热交换，释放热量，温度降低，低温空气排入环境，完成空气的循环。
实施例2参见图2，水—工质换热器21工质侧的进口通过管道12与节流元件5出口连接，出口与压缩机1进口端通过管道11连接，压缩机1出口与冷凝器31进口通过管道14连接，冷凝器31出口与节流元件5进口通过管道13连接，形成热泵循环装置。水泵64的进口与集水槽52连接，出口通过管道71与喷淋器53连接，喷淋器53的出水进入水—工质换热器21的水侧进口，水—工质换热器21的水侧出口连接空气—水换热器42的水侧进口，空气—水换热器42的水侧出口连接集水槽52，形成人工水体的循环单元。环境中的空气进入空气—水换热器42的空气侧进口，空气—水换热器42的空气侧出口连接风机系统63，在风机系统后排入环境，形成空气循环。同时，由于水—工质换热器21的水侧采用喷淋方式进水，开放于环境，一部分环境中的空气会进入水—工质换热器21的水侧并同水一起流出，发生空气和水间的传热传质现象，这部分空气在风机系统的驱动下最后也排入环境，形成空气循环单元。
环境中的空气在风机系统的推动下，一部分进入空气—水换热器42的空气侧，另一部分进入水—工质换热器21的水侧，经过水—工质换热器21然后进入空气—水换热器42的空气侧，释放热量，低温空气排入环境。
实施例3参见图3，本发明的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，包括压缩机1、节流元件5、水泵64、冷凝器31、集水槽52、风机系统63、空气—水换热器42、水—工质换热器21、连接管道71、11、12、13、14、73、72。水—工质换热器21(蒸发器)的进口通过管道12与节流元件5出口连接，出口与压缩机1进口通过管道11连接，压缩机1出口与冷凝器31进口通过管道14连接，冷凝器31出口与节流元件5进口通过管道13连接，形成热泵循环装置。水泵64的进口与集水槽52连接，出口通过管道71与水—工质换热器21连接，水—工质换热器21的出口通过管道72与空气—水换热器42的水侧进口连接，空气—水换热器42的水侧出口与集水槽52通过管道73连接，形成人工水体的循环单元。空气—水换热器42的空气侧进口与大气连通，出口连接风机系统63，风机系统63出口连接环境，形成空气循环单元。
集水槽52的水(或其它液体介质)，经泵64后沿管道71直接进入水—工质换热器21的水侧，放热降温，低温水从水—工质换热器21出口沿管道72流进空气—水换热器42水侧，与空气进行换热，吸热升温，然后沿管道73进入集水槽52。
实施例4参见图4，本发明的一种利用人工水体采集能量的热泵一体化装置，包括压缩机1、节流元件5、水泵64、冷凝器31、集水槽52、水—工质换热器21、风机系统63、空气—水换热器42、喷淋器53、连接管道71、11、12、13、14。水—工质换热器21工质侧的进口通过管道12与节流元件5出口连接，出口与压缩机1进口通过管道11连接，压缩机1出口与冷凝器31进口通过管道14连接，冷凝器31出口与节流元件5进口通过管道13连接，形成热泵循环装置。水泵64的进口与集水槽52连接，出口通过管道71与喷淋器53连接，喷淋器53的出水进入空气—水换热器42的水侧进口，从空气—水换热器42的水侧出口与水—工质换热器21水侧进口连接，水—工质换热器21水侧出口连接集水槽52，形成人工水体的循环单元。环境中的空气，进入空气—水换热器42，空气—水换热器42的空气侧出口连接风机系统63，风机系统排气进入环境，形成空气的开式循环单元。
水循环单元的人工水体(或其它液体介质)，经过喷淋器53，进入空气—水换热器42的水侧，和空气进行换热，吸热升温，然后进入水—工质换热器21放热降温，低温水从水—工质换热器21出来，进入集水槽52，然后再被水泵64泵入喷淋器53。
所述人工水体为水或低冰点液体。如乙二醇或丙三醇的水溶液、对金属等有所保护的乙二醇水溶液、丙三醇二甘醇单烷基醚溶液或二缩三丙二醇单烷基醚、硼酸酯为原料复配制得的溶液以及盐溶液。