[發明專利]基于開式冷水凝固換熱器的熱泵系統

有效

• 申請號: 201810014734.3
• 申請日: 2018-01-08
• 公開（公告）號: CN108387030B
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 邱國棟;趙洪運;林興偉;梁云
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: F25B30/02
• 分類號: F25B30/02;F25B41/04;F25B47/02
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林;臧廣維

本發明是一種基于開式冷水凝固換熱器的熱泵系統，它包括制冷劑循環回路、供暖循環回路、冷凝器和蒸發器，其特點是，還包括冷水管路、冷媒換熱循環回路、開式冷水凝固換熱器、除冰回路和除冰換熱器，所述冷水管路與冷媒換熱循環回路通過開式冷水凝固換熱器熱交換，冷媒換熱循環回路與制冷劑循環回路通過蒸發器熱交換，除冰回路與供暖循環回路通過除冰換熱器熱交換，升溫后的冷媒為開式冷水凝固換熱器除冰，冷凝器循環水通道的入口端同時與第一管道和除冰換熱器內的循環水通道出口端連通。其采取熱媒融冰和重力脫冰相結合的方式除冰，除冰速度快、除冰徹底功耗小，可實現連續提取冷水的凝固熱為室內供熱，同時能夠保證機組長期保持高效穩定運行。

技術領域

本發明涉及熱泵空調領域，具體涉及一種基于開式冷水凝固換熱器的熱泵系統。

背景技術

水源熱泵是采用熱泵技術從水源（如地表水、地下水、生活污水等）中獲取低品位熱量為建筑物供熱供冷的一種節能裝置，與常規的化石燃料燃燒供熱相比，不僅環保無污染，而且效率高，一般COP在4左右，具有很大的市場優勢。對于地表水源熱泵，眾所周知，地表水的溫度會隨著室外空氣溫度的下降而下降，有研究表明，當室外空氣的溫度達到-10℃時，地表水的溫度僅為4℃，顯然，這樣溫度的地表水幾乎已經沒有什么顯熱可利用，所以此種情況下，再用地表水源熱泵系統供熱顯然是不可行的；對于污水源熱泵，雖然污水的溫度相對較高（一般在20℃左右），但研究表明，即使最大量的利用污水顯熱，平均7至10棟建筑物排放的污水中所含可利用的熱能僅夠一棟建筑物采暖用，顯然，污水源熱泵同樣存在著污水源不足的問題。基于以上原因，使得水源熱泵的應用受到了極大的限制，尤其是在嚴寒地區的應用，亟需采取特殊的技術措施來解決這一難題。

已知水的凝固潛熱為335kj/kg，是1kg水降低1℃所放出熱量的80倍，若能開發出以冷水凝固熱為低溫熱源的熱泵機組，則我國大部分地區（包括嚴寒地區）就有了取之不盡、用之不竭的水源熱源，所有天然水體封凍表面以下的水全都可以成為水源熱泵的熱源。在采用城市污水作熱源時，將不再存在建筑物附近水量不足的問題。研究表明，用提取凝固熱的方法，提取約15%的污水所蘊含的潛熱，基本上可以保證每棟建筑物排放的污水熱能能夠自給自足。如果提取冷水凝固熱的技術成熟，用水源熱泵取代燃煤為建筑物供熱，將不再存在水源不足的問題。

中國專利申請號 “2006100096160”，名稱為“冷水凝固熱的采集裝置”的專利，通過在換熱管內設置蛟龍刮板將管內的冷水與管外的乙二醇進行換熱時產生的冰層除掉，該技術方案雖然刮冰的機械能耗少，但其制作所需的機械工藝復雜，加工精度要求較高，而且在刮冰過程極易損傷絞龍刮板和換熱管，導致其運行維護難度大、費用高。同時也會增加水在管內的流動阻力，增加水泵的功耗。

中國專利申請號 “2006100096175”，名稱為“利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵”的專利，該技術方案主要由一個結冰室和兩個蒸發室構成，在結冰室內利用冷水對空氣進行加熱加濕，加熱加濕后的空氣溫度接近0℃，濕度接近飽和，冷水凝固成冰，然后這部分空氣進到那個沒有正在除霜的蒸發室內和制冷劑換熱，與制冷劑換完熱后的空氣溫濕度降低，重新回到結冰室內加熱加濕。該技術方案系統復雜，占地面積大，而且結霜速度快，除霜頻率高，系統運行穩定性差，不節能。

眾所周知，提取冷水凝固熱就是利用冷水結成冰所放出的熱量，而水結冰及除冰過程與現有的制冰機原理類似，可以參考其進行研發。如中國專利申請號為“2015108645983”，名稱為“一種以水為熱源的噴淋式熱泵機組”的專利，采用半釬焊板式換熱器作為蒸發器，通過在其上方設置噴淋裝置使冷水沿著壁面下落與壁面另一側的制冷劑換熱，同時冷水在壁面結冰。該技術方案的不足之處在于除冰時需要四通閥換向（與風冷熱泵的逆循環除霜原理類似），導致熱用戶的室溫會降低（約降低5℃），室內舒適性差，而且機組頻繁切換，會導致機組運行的穩定性差，降低其使用壽命。同時噴淋裝置的存在也會增加水泵的功耗。