一种基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统

摘要

本发明公开了一种基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统，包括制冷剂回路、溶液回路及蒸汽压缩冷凝回路，本发明利用溶液调湿干燥蒸发器进口空气，实现空气源热泵无霜运行。利用低压压缩再生器进行溶液再生，蒸发的水蒸气经压缩机压缩后变为高温高压蒸汽在再生器中冷凝，将全部的冷凝热回收用于稀释溶液的再生，使大部分热泵系统的热量用于供热。该方法可降低溶液的再生温度，提高再生效率，在保证供暖效果的基础上大大提高了系统的能效。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统，属于制冷空调系统技术领域。

背景技术

当前，空气源热泵作为一种兼顾制冷和制热双重功能的设备，以其能源利用率较高、节能、环保以及灵活方便的优点在长江流域地区得到广泛应用，同时在北方农村地区“煤改电”工程中得到大力推广，成为解决广大南方地区供暖以及缓解北方雾霾天气的重要途径之一。但是，空气源热泵冬季制热运行存在室外换热器表面结霜问题，在相对湿度较大的长江流域及以南地区尤为严重。热泵换热器的结霜会严重影响热泵机组的正常工作，使设备性能下降乃至不能正常工作。

目前最为常用的空气源热泵除霜方法为逆循环除霜，该方法存在以下缺点：一是除霜过程需要从室内吸热，此期间造成室内热舒适性严重下降；二是逆向循环需要四通阀频繁换向，使制冷系统高低压部分切换，降低了系统的可靠性及使用寿命。此外，该方法容易产生误除霜，因此除霜控制方法也需进一步研究。

近几年，一些学者不断提出了无霜空气源热泵，该方法基于溶液调湿，通过溶液喷淋降低室外蒸发器入口处空气的湿度，实现热泵无霜运行，提升了热泵性能的同时，更提高了室内环境的热舒适性。典型的有浙江大学陈光明提出的一种无霜型空气源热泵系统(专利申请号：CN200910098008.5)，该装置利用防冻溶液作为载热介质吸收室外低温空气热量，再将溶液的热量传给室外蒸发器，从而避免了空气源热泵的结霜，但是该系统没有很好的解决溶液的再生问题，耗能较高。然而，除湿溶液在喷淋干燥外界空气的同时浓度也在不断下降，除湿性能也随之不断下降，高效的溶液再生方法是该系统可以连续运行的关键问题。

目前，最为常规的再生方法是加热溶液再生，但是该方法需消耗大量热量，同时在常压下需要提高空气温度来提升空气中的含湿量，与溶液发生热湿交换后的湿空气含有大量的再生热量，而这些热量通常被排放或者部分回收，造成大量的热量损失，使得系统效率极度下降。因此，采用合适再生方法并耦合热泵系统，完成热泵无霜运行的同时实现溶液的高效再生，提高整个热泵系统冬季运行效率显得十分重要。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中空气源热泵冬季运行时存在的严重结霜问题，以及常规的溶液调湿的无霜热泵系统再生能耗较高的问题，本发明提供一种基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统及调控方法，利用蒸汽压缩机来调节再生器压力和压缩蒸汽，一方面可以使再生溶液中的水蒸汽在低压下快速蒸发，通过压缩机提升水蒸气的温度和压力，并利用冷凝热再生除湿溶液，实现冷凝热量的全部回收，极大的提高了无霜热泵系统的效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统，包括制冷剂回路、溶液回路及蒸汽压缩冷凝回路：

制冷剂回路包括压缩机一、空气冷凝器、溶液冷凝器、电子膨胀阀、溶液蒸发器、空气蒸发器、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四及其相关连接管道，所述溶液冷凝器和溶液蒸发器同时还是溶液回路的组成部件；

制冷剂回路中，压缩机一的输出端与空气冷凝器的输入端连接，空气冷凝器的输出端同时与电磁阀一和电磁阀二的输入端连接，电磁阀一的输出端与溶液冷凝器的输入端连接，溶液冷凝器和电磁阀二的输出端与电子膨胀阀的输入端连接，电子膨胀阀的输出端与溶液蒸发器的输入端连接，溶液蒸发器的输出端分别与空气蒸发器和电磁阀三的输入端连接，空气蒸发器的输出端与电磁阀四的输入端连接，电磁阀三和电磁阀四的输出端同时和压缩机一的输入端连接；

溶液回路包括除湿器、再生器、溶液冷凝器、溶液热交换器、溶液蒸发器、溶液循环泵一、溶液循环泵二、电磁阀五、电磁阀六、电磁阀七、电磁阀八、单向阀一、单向阀二、风扇以及相应管路，所述再生器和溶液热交换器同时也是蒸汽压缩冷凝回路的组成部件；

溶液回路中，除湿器的输出端一经电磁阀五和溶液循环泵一与溶液蒸发器的输入端连接，溶液蒸发器的输出端与除湿器的输入端连接，除湿器的输出端二经电磁阀八和单向阀一与溶液热交换器的输入端一连接，溶液热交换器的输出端一经溶液循环泵二与溶液冷凝器的输入端二连接，溶液冷凝器的输出端二与再生器入口连接，再生器的输出端一经电磁阀七与溶液循环泵二入口连接，再生器的输出端二经电磁阀六和单向阀与溶液热交换器的输入端二连接，溶液热交换器的输出端二与溶液循环泵一的输入端连接；

蒸汽压缩冷凝回路包括再生器、压缩机二、储水器、电磁阀九、电磁阀十、单向阀一以及相应连接管路，再生器的输出端与压缩机二的输入端连接，压缩机二的输出端经再生器与电磁阀九的输入端连接，电磁阀九的输出端与储水器的输入端连接，储水器的输出端经电磁阀十和单向阀一与冷凝水的输出端连接；

本发明装置中，除湿器采用叉流型式，位于空气蒸发器的进风通道，干燥外界空气后进入空气蒸发器，实现无霜运行。

本发明装置中，除湿器采用的除湿溶液为溴化锂溶液。

本发明装置中，再生器中溶液中的水蒸气在低压下被压缩机二吸收并压缩，变成了高温高压的水蒸气，流入再生器中释放出冷凝热加热再生溶液。

本发明装置中，再生后溶液的浓度由再生器内压力和压缩机二排气压力共同调节决定。

本发明装置中，压缩机二为变流量压缩机，可利用压缩机流量变化调节溶液再生速度。

本发明装置中，再生器的热量补充由溶液冷凝器提供，溶液循环泵二为变频泵，通过改变溶液流量可以调节溶液冷凝器对溶液的加热量。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提出的基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统，利用溶液调湿进入蒸发器的空气保证热泵系统实现无霜运行；溶液再生过程利用再生低压再生极大提高了再生效率，同时利用压缩机将蒸发出来的水蒸气变成高温高压蒸汽在再生器中进行冷凝释放冷凝热量再生溶液，完成了热量回收，保证了热泵系统的绝大部分热量用于室内供热和系统的高效运行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中：1压缩机一、2空气冷凝器、3电磁阀一、4电磁阀二、5溶液冷凝器、6节电子膨胀阀、7溶液蒸发器、8电磁阀三、9电磁阀四、10空气蒸发器、11除湿器、12电磁阀五、13溶液循环泵一、14再生器、15压缩机二、16溶液热交换器、17电磁阀六、18电磁阀七、19溶液循环泵二、20电磁阀九、21电磁阀八、22储水器、23电磁阀十、24风扇、25单向阀一、26单向阀二、27单向阀三。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

参见图1公开了一种基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统，包括制冷剂回路、溶液回路及蒸汽压缩冷凝回路。

制冷剂回路包括压缩机一1、空气冷凝器2、溶液冷凝器5、电子膨胀阀6、溶液蒸发器7、空气蒸发器10、电磁阀一3、电磁阀二4、电磁阀三8、电磁阀四9及其相关连接管道，所述溶液冷凝器5和溶液蒸发器7同时还是溶液回路的组成部件；

制冷剂回路中，压缩机一1的输出端与空气冷凝器2的输入端连接，空气冷凝器2的输出端同时与电磁阀一3和电磁阀二4的输入端连接，电磁阀一3的输出端与溶液冷凝器5的输入端一连接，溶液冷凝器5的输出端二、电磁阀二4的输出端均与电子膨胀阀6的输入端连接，电子膨胀阀6的输出端与溶液蒸发器7的输入端连接，溶液蒸发器7的输出端分别与空气蒸发器10和电磁阀三8的输入端连接，空气蒸发器10的输出端与电磁阀四9的输入端连接，电磁阀三8和电磁阀四9的输出端同时和压缩机一1的输入端连接；

溶液回路包括除湿器11、再生器14、溶液冷凝器5、溶液热交换器16、溶液蒸发器7、溶液循环泵一13、溶液循环泵二19、电磁阀五12、电磁阀六17、电磁阀七18、电磁阀八21、单向阀一25、单向阀二26、风扇24以及相应管路，所述再生器14和溶液热交换器16同时也是蒸汽压缩冷凝回路的组成部件；

溶液回路中，除湿器11的输出端一11b经电磁阀五12和溶液循环泵一13与溶液蒸发器7的输入端连接，溶液蒸发器7的输出端与除湿器11的输入端连接，除湿器11的输出端二11a经电磁阀八21和单向阀一25与溶液热交换器16的输入端一16a连接，溶液热交换器16的输出端一16c经溶液循环泵二19与溶液冷凝器5的输入端二连接，溶液冷凝器5的输出端二与再生器14入口连接，再生器14的输出端一14a经电磁阀七18与溶液循环泵二19入口连接，再生器的输出端二14b经电磁阀六17和单向阀26与溶液热交换器16的输入端二16b连接，溶液热交换器16的输出端二16d与溶液循环泵一13的输入端连接；

蒸汽压缩冷凝回路包括再生器14、压缩机二15、储水器22、电磁阀九20、电磁阀十23、单向阀一27以及相应连接管路，所述再生器的输出端14c与压缩机二15的输入端连接，压缩机二15的输出端经再生器14与电磁阀九20的输入端连接，电磁阀九20的输出端与储水器22的输入端连接，储水器22的输出端经电磁阀十23和单向阀一27与冷凝水的输出端连接；

所述除湿器11为叉流型式，位于空气蒸发器10的进风通道。

所述除湿器11的除湿溶液为溴化锂溶液。

本发明中，低压再生器14的水蒸气被压缩机二15吸收并压缩，高温高压的水蒸气于再生器14中释放出冷凝热加热再生溶液。

本发明中，再生后溶液的浓度由再生器14压力和压缩机二15排气压力调节决定。

所述压缩机二15为变流量压缩机，可利用压缩机流量变化调节溶液再生速度。

本发明中，再生器14的热量补充由溶液冷凝器5提供，溶液循环泵二19为变频泵，通过改变溶液流量可以调节溶液冷凝器5对溶液的加热量。

一种基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统的调控方法：

当无霜空气源热泵系统冬季供暖时运行分为三种模式，(1)供热模式：在制冷剂回路中，电磁阀二4、电磁阀9开启，电磁阀一3和电磁阀8关闭，此时，制冷剂工质从压缩机一1出口进入空气冷凝器2，将全部热量释放在空气冷凝器2中用于室内供暖，冷凝成液态以后，经电磁阀二4进入电子膨胀阀6进行节流过程，节流后的制冷剂工质进入溶液蒸发器7和空气蒸发器10，完成蒸发过程从溶液和空气中吸收热量，生成的低温低压工质蒸汽经过电磁阀四9进入压缩机再次压缩，如此循环；溶液回路中，电磁阀五12、风机24和溶液循环泵一13处于开启状态，其余部件均处于关闭状态。此时，除湿器11的溶液经电磁阀五12，由溶液循环泵一13送入到溶液蒸发器7与制冷剂进行热量交换，将部分热量传递给制冷剂工质，之后进入除湿器11进行喷淋过程，与风机24送来的外界空气进行热湿交换，吸收空气中的水分，并再次循环完成除湿过程，直至浓度降低到无法完成除湿量。干燥后的空气进入空气蒸发器10，与蒸发器10换热后变成低温空气排出室外。

(2)过渡模式：此过程，除湿器11中溶液浓度降低无法实现无霜运行，电磁阀六17，电磁阀八21，溶液循环泵一13和溶液循环泵二19开启，电磁阀五12和电磁阀七18处于关闭状态。除湿器11中的稀溶液经电磁阀八21和单向阀一25进入溶液热交换器16与再生器14出来的浓溶液进行热量交换，之后由溶液循环泵二19送入溶液冷凝器5进一步吸收热量后进入再生器14.另一方面，再生器14中储存的浓溶液经电磁阀六17和单向阀26进入溶液热交换器16与稀溶液进行热量交换，滞后由溶液循环泵一13送入溶液蒸发器7中进一步冷却后进入除湿器11。

(3)再生模式：在制冷剂回路中，电磁阀一3、电磁阀9开启，电磁阀二4和电磁阀8关闭，此时，制冷剂工质从压缩机一1出口进入空气冷凝器2，将大部热量释放在空气冷凝器2中用于室内供暖，后经电磁阀一3进入溶液冷凝器5加热再生溶液以后，进入电子膨胀阀6进行节流过程，节流后的制冷剂工质进入溶液蒸发器7和空气蒸发器10，完成蒸发过程从溶液和空气中吸收热量，生成的低温低压工质蒸汽经过电磁阀四9进入压缩机再次压缩，如此循环；溶液回路中，电磁阀五12、电磁阀七18、风机24和溶液循环泵一13、溶液循环泵二19以及压缩机二15处于开启状态，电磁阀六17、电磁阀八21均处于关闭状态。此时，除湿器11的溶液经电磁阀五12，由溶液循环泵一13送入到溶液蒸发器7与制冷剂进行热量交换，将部分热量传递给制冷剂工质，之后进入除湿器11进行喷淋过程，与风机24送来的外界空气进行热湿交换，吸收空气中的水分，并再次循环完成除湿过程，直至浓度降低到无法完成除湿量。干燥后的空气进入空气蒸发器10，与蒸发器10换热后变成低温空气排出室外。再生器14中溶液的水蒸气进入压缩机二15经压缩后变成高温高压的过热蒸汽，而后进入再生器14将热量释放给低温再生溶液变成液态水后，经电磁阀九20后进入储水器22。

在供热模式中，除湿器中溶液浓度足够进行空气除湿，再生系统无需工作，全部冷凝热量用于供暖，保证系统高效运行。

在过渡模式中，主要进行浓溶液和稀溶液的热量交换，此时热泵系统不供暖，但由于时间较短，并不影响室内热舒适性。

在再生模式中，溶液再生所需的大部分热量来源于高温高压水蒸气冷凝产生的冷凝热量，少部分补充热量来源热泵系统提供的溶液冷凝热，因此，在此过程中，仍大部分热泵热量用于室内供热，保证了无霜热泵系统在再生模式中保持高效运行。

本发明提出的基于低压压缩溶液再生的无霜空气源热泵系统，利用溶液调湿进入蒸发器的空气保证热泵系统实现无霜运行；溶液再生过程利用再生低压再生极大提高了再生效率，同时利用压缩机将蒸发出来的水蒸气变成高温高压蒸汽在再生器中进行冷凝释放冷凝热量再生溶液，完成了热量回收，保证了热泵系统的绝大部分热量用于室内供热和系统的高效运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。