[发明专利]集成式热交换系统

说明书

技术领域

本发明属于热泵系统技术领域，尤其是涉及一种适合建筑物使用的集成式热交换系统。

背景技术

据美国能源部公布的2006年建筑能源数据书称，美国能源消耗量有38.6％来自居民和商业建筑(其中21.1％来自居民消耗，17.4％来自商业)，其次为工业消耗33％和运输消耗28％(见书1.13)。书中称美国建筑现在使用了71％的电力，占总电力消耗量的79％。建筑也消耗了总天然气的55％，占天然气总消耗量的62％(见书1.16，1.17)。在建筑能源消耗总量里，空间加热，空间制冷，水加热，通风和制冷设施占总用量的54％(商业占42％，居民占63％)，上述这些占总使用消耗量的54％(数据摘要表格7)。因此，美国建筑占美国碳排量的38％，而全球平均数为9.8％(书3.1.2)，二氧化碳的排放是造成全球变暖的原因之一。如果加上居民、商业和工业设施建筑，上述所有数据将会更高。

一般来说，居民和商业建筑中的HVAC(加热，通风和空调系统)，冰箱，热水和泳池/按摩浴缸加热的系统均为独立运行。比如说，一个典型的建筑里，空调和暖气炉用于制冷和制热，天然气加热或者电加热用于热水系统，天然气加热或者热泵用于池/桑拿加热，冰箱制冷用于食物和饮料储存。上述体系总的热效率很低，原因在于不同系统之间缺少协作。在需要制冷的季节里，我们依然需要加热来得到热水。在冬天，冰箱依然需要制冷。有时，系统之间彼此还会产生互相对立的负面效应。比如，冰箱的运行产生出的热量超过了它从冰箱里抽走的热量，其产生的热量给房间空调增加了制冷的负荷。大多数居民和商业建筑的HVAC系统是分区域控制的，一个区域里中的不使用的房间也会因其他房间需要而降低或者升高温度，从而使得成本增加。

此前，已经有研究者试图有限地将制冷和制热功能联合起来，比如将空调和池加热或者热水加热系统联合起来。

美国专利5495723，公布日为1996年3月5日，发明人Kenneth MacDonald发表了一种空调系统，它是在一般的空气源空调系统里加入一个水冷换热器，气冷和水冷换热器均通过一个三通阀连接，如果系统是水加热模式，还有两个止回阀。此种方法的问题第一是，当室内温度降低到理想状态后，尽管需要水加热，这时水加热功能无效，将停止工作。第二个问题是其中一个被旁通的换热器内没有参加循环的冷媒，在不同的工况和初始启动条件下均有不同，从而可能会造成压缩机机油回流以及不同的运行环境下系统冷媒充液量会有大的波动。当过多充液量被限制在被旁通的热交换器时，运行充液量可能会过低从而不能达到最佳工作状态，而且与的冷媒混合一起的压缩机润滑油也因为有一部分不能回到压缩机，从而可能会使得压缩机不能得到有效润滑。在其他一些情况下，被旁通的热交换器处没有多少冷媒时，系统运行时冷媒充液量就会太多，从可能而导致压缩机吸入口内出现回液的现象。这个系统也局限于室内制冷功能和水加热功能。

1996年10月1日公布的美国专利号为5560216，发明人为RobertL.Holmes，公开了如上的同样功能的专利，不同之处在于其使用了两个电磁阀和两个止回阀来实现旁路功能。同样，该专利存在着上述专利的缺点。也是仅局限于室内制冷和水加热功能。

1999年5月25日公布的美国专利号为5906104，发明人为Jay H.Schwartz等，公开了如MacDonald的专利同样的功能。除了增加了一些辅助部件，比如油分离器，压缩机吸气口和冷凝器出口之间的热交换器和储液罐等。Schwartz也是使用了一个三通阀和两个止回阀将一个水源热交换器与一个热泵结合起来。水在空间加热模式时不能被加热。与MacDonald专利相同，在空气调节模式时，该专利也存在相同的旁路缺陷。

1975年12月16日公布的专利号为3926008发明人为Robert C.Webber引进一个水冷系统，与上述专利旁路道理相同，直接用于游泳池，空气调节器。因此存在着相同的缺陷。但是该专利用同样的旁通思路加入一个空气源蒸发器来解决当室内温度降低时水加热功能失效的问题。两个旁通换热器的出现使得上述其他专利面临的旁路问题更加突出。

1980年11月11日公布的专利号为4232529发明人为Frederick J.Babbitt等，介绍了一种水源热交换器的热泵系统.该系统使用了三个止回阀和一个三通阀来实现冷却剂在水源热交换器和空气源热交换器之间旁通流动功能。它局限于室内温度热冷转换和水加热。同理存在上述专利的缺陷。