專利名稱：低溫熱源熱泵系統及其容量調節方法
技術領域：
本發明涉及一種低溫熱源熱泵系統及其容量調節方法，利用可變制冷劑成分的熱泵系統，以擴大系統容量的范圍和效率，特別涉及當環境溫度降低以后，系統加熱能力的擴大。
背景技術：
熱泵系統通常是雙向的，即它們能夠實現加熱或冷卻，或者有時同時加熱和冷卻。目前用電力驅動的住宅用和小型商用空氣熱源熱泵系統在運行和性能上存在著兩方面的局限。主要是，它們在低溫環境下，沒有充足的容量，這樣必須利用諸如電阻加熱或石油燃燒之類的補充熱源。另外，熱泵在低溫環境下工作加熱的空氣溫度低于人們感到舒適的溫度。同樣，當熱泵用于制冷目的時，室內外環境溫度的變化引起對冷量需求的變化，否則影響室內舒適度和引起系統性能的下降。
發明內容
本發明的目的是提供一種低溫熱源熱泵系統及其容量調節方法。
一種低溫熱源熱泵系統是由壓縮機排氣口連接到四通換向閥的進口端口，四通換向閥的第一出口端口通過管道依次連接室外換熱器、單向閥、高壓貯液罐，其中的一路連接低壓調節裝置、單向閥、室內換熱器、四通換向閥的第三端口，四通換向閥的第二出口端口連接管一路直接連接壓縮機的吸氣口，另一路連接分離裝置的進口，分離裝置的出口連接壓縮機的吸氣口，從高壓貯液罐出口連出的另一管路經電磁閥，減壓機構到分離裝置的氣液分離器內；制熱循環時室內換熱器是冷凝器，實際運行時它的出口通過單向閥與高壓貯液罐進口相連，在高壓貯液罐的出口是通過低壓調節裝置、單向閥與做為蒸發器的室外換熱器相連。
一種低溫熱源熱泵系統的容量調節方法是提供一與所述壓縮機、蒸發器即室外換熱器連通的分離裝置，在冬季運行時所述低壓貯液罐用于容納低溫環境時系統為提高蒸發壓力而排出的部分液態制冷劑混合物，通過加熱及加回流液兩種手段精餾所述低壓貯液罐內的制冷劑，從而使所盛裝的混合物中主要為高沸點工質組分，以增加系統低沸點制冷劑循環濃度，增加熱泵的加熱能力；當環境溫度升高時，所述低壓貯液器向所述系統提供所容納的高濃度的高沸點制冷劑，以減小系統容量，提高系統效能。
另一種低溫熱源熱泵系統的容量調節方法是提供一與所述壓縮機、蒸發器即室外換熱器連通的分離裝置，在夏季運行時當所需制冷負荷增大時，低壓調節裝置的執行閥門動作，增加流過蒸發器的制冷劑流量，當蒸發器出口制冷劑溫度在一定時間內仍不能降到設定的溫度范圍，則減壓旁通管路開啟，使得過量的液體進入分離裝置，液體工質在經過分氣液分離器時下落，同時低壓貯液罐被加熱，發生精餾過程，中的高沸點工質量增加，系統中循環工質的低沸點成分比例升高，系統制冷量增大；當所需冷負荷減小時，壓縮機吸氣壓力偏低于設定值后，低壓貯液罐中的高沸點工質被加熱進入系統循環，系統中高沸點工質比例增大，系統制冷量減少。
本發明能在很寬的環境溫度內有效地運行，在冬季運行時，這個范圍滿足建筑物加熱負載的要求，通過有效地向空間提供足夠的高溫加熱空氣，熱泵能提供舒適的室內空氣傳送溫度，不會再產生冷氣流效應，并且熱泵使用為環境所接受的安全的制冷劑。而在夏季制冷工況時，系統輸出冷量隨需要而變，空調效果好，系統啟停少，效能高。
本發明使用非共沸混合物作為循環工質實現以上的優點，它基于以下理由首先，目前常用的R22工質屬于HCFC工質，國際上已有針對它的限產、淘汰計劃，并在逐步實施。而R22的工質替代物中，少有性能更好的純質，大多為混合工質。
其次，克服純質在熱泵運用中的局限性。當室外溫度降低時，常規的純質工質由于自身熱力性質的局限，不能從環境中吸取更多的熱量來滿足房間熱量的需求。需要用輔助熱源加熱取暖。而采用混合工質變濃度調節，可以通過改變混合物中低沸點工質的組分，來改善工質的熱力性質，使其能從環境中吸取更多的熱量。
混合工質具有可匹配工質濃度穩定性能的優勢，混合工質的變濃度容量調節可以改善季節能效比。在部分負荷區采用變濃度容量調節，經合理選擇的混合工質的可匹配穩態能效比均要高于純質制冷劑R22。實驗證明，若空調系統在運行季節中工質濃度按照可匹配工質濃度曲線變化，得到的季節能效比大于開停調節系統的季節能效比。
混合工質的變濃度調節可以消除開停損失和減少室溫的波動。理想的變濃度容量調節可以通過調節出力與負荷的跟隨，以滿足室內溫度不變或比開停調節小得多的室內溫度變化。此種空調系統不會因為溫控器的頻繁動作而周期性的開停，從而消除了開停冷量損失。
附圖是一種低溫熱源熱泵系統結構示意圖。
具體實施例方式
由于本發明系統采用變容量方式，需要使用的制冷劑較常規系統更多，運行時需要貯存多余的體積。為了實現這個目的，本系統使用高壓貯液罐5和低壓貯液罐16，在低壓貯液罐16內存放相對于系統循環濃度而過量的主要是高沸點的制冷劑混合物，在高壓貯液罐5中盛放相同于系統濃度的多余的制冷劑。
根據本發明，熱泵系統使用一定量足以實現系統容量的兩(多)組分非共沸混合制冷劑，制冷劑中的一種(或多種)組分的沸點高于混合物中的其他組分；一由一精餾柱15向低壓貯液罐16供料以及從系統混合物中除去高沸點組分的分離裝置13。進一步根據本發明的這種方式，貯液罐16內的液體可被加熱使混合物中被分離出來的高沸點組分處于一很高百分比的濃度范圍。
本發明的這個方式可使用很多HFC混合物或其他為環境所接受的制冷劑進行工作。雖然具體的制冷劑成分與本發明無關，但是作為一個示例，本發明采用的制冷劑是R32/R134a含有R32和R134a。它們及其它HFC工質的多種組合也可以有效地工作，這取決于希望得到的加熱和冷卻變化范圍，同時要求混合物中的其中兩種工質其標準沸點相差一定值。
附圖示出在系統中所有的閥門、連接線路和組件。其中的低壓調節裝置采用電子膨脹閥。
本發明的熱泵系統常規部分包括室內換熱器4、室外換熱器3、壓縮機1、四通換向閥2、低壓調節裝置6及有關閥門附件。另外增加部分是為了實現變容量目的而設，包括盛放冷凝器流出的高壓液體的高壓貯液罐5、由氣液分離器14、精餾柱15、低壓貯液罐16組成的分離裝置13、并聯于低壓調節裝置6和蒸發器(制冷時為室內換熱器4，制熱時為室外換熱器3)的減壓旁通管路20、低壓調節閥門啟閉控制裝置以及數只控制流向的單向閥等。
熱泵工質流向為從壓縮機1→四通換向閥2→室內換熱器4(作為冷凝器)→單向閥8→高壓貯液罐5→低壓調節裝置6→單向閥9→室外換熱器3(作為蒸發器)→四通換向閥2→分離裝置13→壓縮機1。當熱泵系統處于冷卻模式時，流向為從壓縮機1→四通換向閥2→室外換熱器3(作為冷凝器)→單向閥7→高壓貯液罐5→低壓調節裝置6→單向閥10→室內換熱器4(作為蒸發器)→四通換向閥2→分離裝置13→壓縮機1。壓縮機可以是任何普通的活塞式、旋轉式或其他類型壓縮機。
根據本發明，低壓貯液罐16內有一電加熱器17。為了節能，也可以采用電加熱器和加熱盤管復合結構實現加熱目的。這時加熱盤管通過導管將它連接到高壓貯液罐出口電磁閥的相對側，通過控制電磁閥的通斷，可以有選擇地使得工質流過低壓貯液罐16、對其進行加熱。當打開電磁閥時，加熱盤管不在系統內。復合加熱方式的選擇條件是當室外環境溫度較高，如按計算選定某一溫度，在高于該溫度下，采用電加熱方式向低壓貯液罐16提供熱量使得其中的低沸點組分濃度低于一定范圍，而在低于這一環境溫度時，則由于高壓貯液罐制冷液體溫度大大高于精餾溫度，故可通過控制該流體工質流過低壓貯液罐以使其保持一定溫度，而不需提供額外的電能，更經濟；同時因為加熱低壓貯液罐內液體，返回的制冷劑進入低壓裝置前可充分過冷，從而提高效率。但考慮到采用復合加熱方式會使得系統不容易穩定，且運行控制變得復雜，故本專利只介紹單獨的電加熱型式。通過一普通的精餾柱15向其下部低壓貯液罐16供料，精餾柱結合一普通的液體/蒸汽氣液分離器14一起工作，它們的工作方式是這樣的，當系統穩態正常工作時，從蒸發器3流出的皆為有一定過熱范圍(如5℃)的過熱氣體，直接流回到壓縮機1，分離裝置13中的低壓貯液罐16、精餾柱15都在系統外。當室外溫度降低時，原成分比下的工質在蒸發器3中難以吸收到足夠的熱量而不能被全部蒸發，從3流出時過熱度逐漸減小直到兩相狀態，即使節流裝置自行調節，使得制冷劑流量減小，卻會造成壓縮機的吸氣壓力低于控制值(如設定為0.5Mpa)，這時與低壓調節裝置6平行的通向分離裝置13的減壓旁通管路20上的電磁閥11打開，使得有小流量的混合物工質流到13內的氣液分離器，由末端孔口噴出，其為兩相狀態，液相工質部分會順著精餾柱15留下，這同時分離裝置下部的電加熱也開啟，所加熱量要求罐內溫度處于高、低沸點工質在罐內壓力下各自對應的飽和溫度t高和t低之間，接近于t高則分餾過程時間會短些。這樣在電加熱器提供一定的加熱量下，引起混合組分蒸發，更多溶液會汽化上升，其程度與各自揮發性有關。R134a標準沸點-26.16℃，R32為-52.8℃，故該混合物是非共沸的。在精餾柱中進行熱質交換，通過上升的混合物氣體和下降的混合物液體的相互接觸，使得更多的低沸點工質R32被壓縮機抽吸回到系統中，高沸點工質R134a被留在低壓貯液罐中。這樣當系統中一定量的高沸點組分被分離而留在低壓貯液罐16后，壓縮機1吸氣壓力回升到控制值范圍，系統容量得以增加。
當外界空氣下降到低于5℃時，將有更多液體流到低壓貯液罐中。這時通過電加熱量會更大，以適應更強的加熱需求。通過精餾，系統循環工質成分比可以達到一個新的平衡，其中R134a的百分比可以下降很多，這取決于整個系統的參數。這樣，就可以輕易地得到小于某一R134a百分比的組分。當然，考慮到系統的安全性(包括混合物可燃性限制)及壓縮機是否為特制耐高壓型式，一般可以通過控制高壓最大值來控制系統循環工質中高沸點成分的最小百分比。如果系統經過特殊設計，系統可在很低的高沸點工質百分比下運行。
減壓旁通管路20上的電磁閥11通斷的控制時有一規定，即是其每次打開有一定的時間限制，即使壓縮機吸氣壓力仍然沒有回復到規定值而11關閉，這時低壓貯液罐16內的電加熱器17仍在工作，精餾過程仍在進行。一定時間后如變濃度目的還沒有達到要求，則11再次接通一定時間，提供回流液。如此反復，直到實現要求的系統濃度。減壓裝置12可以是電子膨脹閥、毛細管、節流短管、恒壓閥，旁通時的流量為主膨脹閥流量的1/3-1/5。
使得低壓貯液罐16的低沸點組分低于一定濃度范圍需要一定時間，這主要取決于加熱量、所流入的低沸點工質的數量，達到要求后停止加熱16中的液體，使其盡量不再蒸發。現在系統中的混合物含更少的R134a，因為大部分的R134a都貯存在低壓貯液罐內。
再根據本發明，當室外溫度升高而加熱要求下降、系統需要減少容量時，系統中工作的制冷混合物應恢復到包含較高濃度的R134a。這可以通過向低壓貯液罐16提供更大的熱量來實現。當壓縮機吸氣口壓力高于控制值一定范圍時，開加熱器，注意這時電磁閥11所在的減壓旁通管路20并不工作。由于16內貯存的是高濃度的高沸點工質R134a，加熱使得吸入壓縮機1吸氣口的高沸點成分比例增多，從而降低系統混合物中低沸點工質的循環濃度，吸氣壓力會下降到控制范圍，達到減容目的。
以上基本上敘述的是冬季及過渡季熱泵的運行工作情況，夏季制冷工況下循環混合物濃度的控制與冬季的基本相反。正常運行時，只要溫度偏差在允許的范圍內，系統按原濃度運行，壓縮機吸氣壓力保持一定數值范圍。當室外溫度升高時，室外換熱器3冷卻介質進口溫度升高，室內冷負荷也會增大。蒸發器4側吸熱量增加，蒸發器出口工質過熱度增加，低壓調節裝置6開度增大，使循環量增多，系統制冷量增加。倘若室內環境溫度仍然偏高即在同樣系統循環濃度下室內換熱器4冷媒出口溫度偏高到與規定值有一定偏差時，旁通電磁閥11被打開，因此會有一些液體工質在經過分離裝置13的氣液分離器14時下落，低壓貯液罐16中R32濃度升高。在減壓旁通管路打開的同時，加熱器開啟提供熱量，精餾柱15內發生精餾過程使得16中的R32重新回到系統中，而高沸點工質R134a會增多，系統中循環工質的高沸點成分R32比例升高，必會導致系統制冷量增大，滿足空調需要。當室外溫度降低時，室內冷負荷減小，室外換熱器3冷卻介質進口溫度也會降低，3內工質發生過冷，蒸發器4壓力下降，導致壓縮機1吸氣壓力下降，當其下降到偏離控制最低壓力值一定值時，系統反饋加大低壓貯液罐中的電加熱量，而減壓旁通管路20不通。則低壓貯液罐16中主要是高沸點工質進入循環，系統循環中高沸點工質比重增大，系統制冷量減少，蒸發器壓力恢復到控制的理想范圍。
前已提及，無論夏季制冷運行還是冬季制熱運行，系統循環工質濃度百分比存在一定變化范圍以防止系統冷凝壓力過高，確保安全運行。控制方式是當系統高壓達到某一范圍的低限時，停止低壓貯液罐16的加熱，停止分離過程。如果高壓繼續升高，則會加大16內電加熱量，增加系統循環工質中高沸點工質成分。一般地，通過以上措施，系統高壓會回落。萬一系統高壓繼續升高到控制范圍的高限，則高壓保護器動作，系統停機。
各電磁閥、加熱器的動作均由自動控制裝置21指揮，根據壓力傳感器和溫度傳感器的信號以及設定值，控制低壓調節裝置執行閥門的開度和低壓貯液罐內加熱器的加熱量。
熱泵系統的運行存在著回油問題。對于本系統，只有低壓貯液罐16中在積存著潤滑油后，不能被制冷劑自動帶回壓縮機中，因此需要定時回油。而當壓縮機排氣溫度高于某一設定溫度時，還需要增加回油操作頻率。回油時，電磁閥18打開，減壓電磁閥19關閉，靠壓縮機1吸氣管抽吸低壓貯液罐16所積存的潤滑油。氣液分離器14上的排氣出口做成圖1所示的結構型式兩根相同的比壓縮機吸氣總管管徑小的排氣管，其中的一根上裝有電磁閥19，以控制其通斷，平時保持常開狀態，當需要回油時，該電磁閥通電關閉，而回油管電磁閥18通電打開，壓縮機正常吸氣管路阻力增加，而低壓貯液罐的壓力就會比吸氣壓力高，從而抽吸罐內最下部積存的潤滑油。
壓縮機啟動時，為防止壓縮機的液擊情況，可設計成使得電磁閥19短時間關閉，減小吸氣量，同時由于低壓節流裝置為電子膨脹閥，系統停止運行時可以使之關閉，且也可設計成啟動初期短時間內使其緩慢打開。
在穩態加熱時，可能在蒸發器上產生霜。在這種情況下，可以倒轉四通換向閥2，定期地實現大約幾分鐘的除霜運行。系統即通過夏季制冷方式進行傳統的除霜運行。
權利要求
1.一種低溫熱源熱泵系統，其特征在于壓縮機(1)排氣口連接到四通換向閥(2)的進口端口，四通換向閥(2)的一個出口端口(2a)通過管道依次連接室外換熱器(3)、單向閥(7)、高壓貯液罐(5)，其中的一路連接低壓調節裝置(6)、單向閥(10)、室內換熱器(4)、四通換向閥(2)的端口(2c)，四通換向閥(2)的端口(2b)，出口端口(2b)連接管一路直接連接壓縮機(1)的吸氣口，另一路連接分離裝置(13)的進口，分離裝置(13)的出口連接壓縮機的吸氣口，從高壓貯液罐(5)出口連出的另一管路(20)經電磁閥(11)，減壓機構(12)到分離裝置(13)的氣液分離器(14)內；制熱循環時室內換熱器(4)是冷凝器，實際運行時它的出口通過單向閥(8)與高壓貯液罐(5)進口相連，在高壓貯液罐(5)的出口是通過低壓調節裝置(6)、單向閥9與做為蒸發器的室外換熱器(3)相連。
2.根據權利要求1所述的一種低溫熱源熱泵系統，其特征在于所說的減壓旁通管路(20)中的減壓裝置(12)是電子膨脹閥、毛細管、節流短管、恒壓閥。
3.根據權利要求1所述的一種低溫熱源熱泵系統，其特征在于所說的低壓貯液罐(16)是一個內部裝有電加熱器的容器。
4.一種低溫熱源熱泵系統的容量調節方法，其特征在于，提供一與所述壓縮機(1)、蒸發器即室外換熱器(3)連通的分離裝置(13)，在冬季運行時所述低壓貯液罐(16)用于容納低溫環境時系統為提高蒸發壓力而排出的部分液態制冷劑混合物，通過加熱及加回流液兩種手段精餾所述低壓貯液罐(16)內的制冷劑，從而使所盛裝的混合物中主要為高沸點工質組分，以增加系統低沸點制冷劑循環濃度，增加熱泵的加熱能力；當環境溫度升高時，所述低壓貯液器(16)向所述系統提供所容納的高濃度的高沸點制冷劑，以減小系統容量，提高系統效能。
5.根據權利要求4所述的一種低溫熱源熱泵系統的容量調節方法，其特征在于，所說的低壓調節裝置的開度控制制熱量。
6.一種低溫熱源熱泵系統的容量調節方法，其特征在于，提供一與所述壓縮機(1)、蒸發器即室外換熱器(3)連通的分離裝置(13)，在夏季運行時當所需制冷負荷增大時，低壓調節裝置(6)的執行閥門動作，增加流過蒸發器(4)的制冷劑流量，當蒸發器出口制冷劑溫度在一定時間內仍不能降到設定的溫度范圍，則減壓旁通管路(20)開啟，使得過量的液體進入分離裝置(13)，液體工質在經過分氣液分離器(14)時下落，同時低壓貯液罐(16)被加熱，發生精餾過程，(16)中的高沸點工質量增加，系統中循環工質的低沸點成分比例升高，系統制冷量增大；當所需冷負荷減小時，壓縮機(1)吸氣壓力偏低于設定值后，低壓貯液罐(16)中的高沸點工質被加熱進入系統循環，系統中高沸點工質比例增大，系統制冷量減少。
7.根據權利要求6所述的一種低溫熱源熱泵系統的容量調節方法，其特征在于，所說的低壓調節裝置的開度控制制冷量。
全文摘要
本發明公開了一種低溫熱源熱泵系統及其容量調節方法。采用兩種或兩種以上組分混合物制冷劑，通過分離裝置以改變系統中的循環工質濃度。作熱泵運行負荷增加時，系統將通過分離裝置分離出高沸點成分，提高循環中低沸點工質濃度，來增強低溫環境下的加熱能力。當負荷減小時，通過加熱方式系統吸取分離裝置下部低壓貯液罐中積存的高濃度的高沸點成分，以減小系統制熱量。系統作制冷運行時，同樣可進行制冷劑的變成分運行，以滿足系統負荷變化的需要。
文檔編號F25B30/00GK1514193SQ0314155
公開日2004年7月21日 申請日期2003年7月8日 優先權日2003年7月8日
發明者陳光明, 陳斌, 王勤, 洪峰 申請人:浙江大學