[发明专利]一种新型复合蒸发器及空气‑水双热源复合热泵系统

说明书

技术领域

本发明涉及复合换热技术领域，特别是一种具备预热除霜功能的新型复合蒸发器及空气-水双热源复合热泵系统。

背景技术

大力推广太阳能、空气能等可再生能源在建筑中应用早已成为实现建筑节能的重要措施和途径之一，然而单一可再生能源本身的缺点及相关技术应用中的诸多问题使得实际节能效果不佳，制约其进一步推广应用。利用双热源复合热泵技术将太阳能、空气能等几种可再生能源利用形式结合成为联合供能系统，扬长避短、优势互补，成为可再生能源发展的方向之一。目前复合热泵技术的相关研究处于理论和试验阶段，需解决的技术问题仍较多。

复合热泵系统的核心部件之一为复合蒸发器(也称为复合型蒸发器，或复合换热器)，目前为实现热泵系统同时从空气源和水源中吸收能量，复合蒸发器侧已有的设计方案主要有三种：采用热水管道和制冷剂管道并列交替设置的复合换热器、单独的套管+翅片复合换热器、单空气侧蒸发器和单水侧蒸发器分别设置。

复合蒸发器侧的这三种设计方案存在着如下问题：

a、热水管道和制冷剂管道并列交替设置的复合换热器存在问题：单水源制热、空气-水双热源制热运行模式下，复合蒸发器水侧热量需要通过管排间的翅片和空气层传递至制冷剂，其过程中存在的热阻大，致使换热效率低，不利于复合热泵高效运行；空气-水双热源制热运行模式在低温度环境条件下运行时，低温水源侧的热量容易被流经复合蒸发器的低温气流带走到环境中，易造成低温水源侧有限热量的浪费。

b、单独的套管+翅片复合换热器作为复合蒸发器，虽然改善了a中复合蒸发器存在的问题，但单空气源制热运行模式长时间在低温环境下运行需除霜时复合热泵系统仍需采用逆循环除霜解决，逆循环除霜时蒸发器套管环隙制冷剂的工作状态由低压变为高压，对内套管有很高的强度要求，否则容易将其压扁导致内侧水流道不畅，复合蒸发器存在被破坏的隐患；除霜时热泵系统不但停止向外制热，且需要消耗部分已供的热量；同时除霜过程中蒸发器表面温度由正常制热下的低温变为较高温，除霜结束后正常制热又需转成低温，存在热容损失。

c、单空气侧蒸发器和单水侧蒸发器分别设置，存在材料浪费、造价高、系统复杂的问题。

空气-水复合热泵系统一般可实现三种制热运行模式：单空气源制热运行模式、单水源制热运行模式和空气-水双热源制热运行模式。常规的系统图见图1，该复合蒸发器10A可为b单独的套管+翅片复合换热器作为复合蒸发器或a热水管道和制冷剂管道并列交替设置的复合换热器。制热循环中复合蒸发器制冷剂侧的工作状态为低压。制热运行时制冷剂的流程如图1所示：压缩机20出口的高温高压气态制冷剂通过四通换向阀50流向冷凝器40，制冷剂在冷凝器40冷凝放热(热水带走热量，向外供热)变成低温高压液态制冷剂，通过单向阀70流经储液器80、过滤器90后经膨胀阀30后变成低温低压液态制冷剂，再经单向阀70流向复合蒸发器10A，在复合蒸发器10A中蒸发吸热变成低温低压的气态制冷剂，之后经四通换向阀50流至气液分离器60后流入压缩机20入口，再次进行循环。

制热循环中，通过控制蒸发器的风机和蒸发器侧循环水泵的启停，可实现三种制热运行模式；当蒸发器风机单独运行时为单空气源制热运行模式，当蒸发器侧循环水泵单独运行时为单水源制热运行模式，当蒸发器的风机和蒸发器侧循环水泵同时运行时实现空气-水双热源制热运行模式。当复合热泵系统在低温环境条件下长时间采用单空气源制热运行模式或空气-水双热源制热运行模式时，复合蒸发器表面会逐渐结霜，结霜到一定程度时热泵需启动除霜程序，一般采取逆循环除霜，此时热泵系统制冷剂流程如图2所示：压缩机20出口的高温高压气态制冷剂通过四通换向阀50流向复合蒸发器10A(即复合蒸发器转化为冷凝器的功能进行使用)，制冷剂在复合蒸发器10A冷凝放热(容霜吸热)变成低温高压液态制冷剂，通过单向阀70流经储液器80、过滤器90后经膨胀阀30后变成低温低压液态制冷剂，再经单向阀70流向冷凝器40，在冷凝器40中蒸发吸热(从热水侧吸热)变成低温低压的气态制冷剂，之后经四通换向阀50流至气液分离器60后流入压缩机20入口。