技術領域

本發(fā)明屬于制冷空調系統(tǒng)設計和制造的技術領域，涉及一種基于調濕與蒸發(fā)冷卻的無霜空氣源熱泵系統(tǒng)。

背景技術：

空氣源熱泵兼顧制冷和制熱，具有一次能源綜合利用效率高、節(jié)能、環(huán)保以及初投資低等優(yōu)點。空氣源熱泵的大力推廣對提高我國能源綜合利用效率，實現節(jié)能減排具有重要意義。空氣源熱泵冬季制熱運行存在的最大問題是室外翅片管換熱器表面結霜，隨著換熱器翅片間霜層的生長，翅片表面與空氣間的換熱熱阻不斷增大，空氣流量減小，導致系統(tǒng)工作狀況惡化，效率降低，甚至不能正常工作，同時當霜結到一定程度時需要適時除霜，除霜過程需要消耗能量且導致供熱不連續(xù)，熱舒適性較低。因此，解決空氣源熱泵的結霜問題成為迫切需求。

目前，人們大都采取結霜后除霜的方法來解決這一問題，常用的除霜方法是逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜。但是無論采用哪種除霜方式，除霜時都存在無法連續(xù)供熱，除霜效率低下等問題，如能在制熱過程中，對進入室外換熱器的空氣進行處理，降低空氣中的含濕量，使空氣源熱泵室外換熱器運行過程中不結霜，則其運行效率和供熱量將有顯著提高。同時在空氣源熱泵夏季制冷運行時，其冷凝溫度與空氣的溫度相關，如能降低空氣的入口溫度則可顯著的提高空氣源熱泵夏季的制冷效率。

技術實現要素：

技術問題：本發(fā)明的目的是為解決結霜問題給空氣源熱泵系統(tǒng)帶來的性能下降以及夏季制冷效率較低的不足，提供一種冬季通過溶液調濕實現制熱運行不結霜，夏季通過蒸發(fā)冷卻實現更低冷凝溫度運行且可提高過冷度的基于調濕與蒸發(fā)冷卻的無霜空氣源熱泵系統(tǒng)。

技術方案：本發(fā)明的基于調濕與蒸發(fā)冷卻的無霜空氣源熱泵系統(tǒng)，包括制冷劑回路、水和調濕溶液回路和空氣回路。制冷劑回路包括壓縮機、四通閥、第一換熱器、第一單向閥、第二單向閥、第三單向閥、第四單向閥、熱交換器、儲液器、干燥過濾器、電子膨脹閥、翅片管換熱器和氣液分離器，四通閥上設置有四通閥第一輸入端、四通閥第一輸出端、四通閥第二輸入端和四通閥第二輸出端，第一換熱器上設置有第一換熱器輸入端和第一換熱器輸出端，熱交換器上設置有熱交換器制冷劑輸入端、熱交換器制冷劑輸出端、熱交換器溶液輸入端和熱交換器溶液輸出端，翅片管換熱器上設置有翅片管換熱器輸入端和翅片管換熱器輸出端；熱交換器同時是水和調濕溶液回路的組成部分，翅片管換熱器同時是空氣回路的組成部分；

制冷劑回路中，壓縮機的輸出端與四通閥第一輸入端連接，四通閥第一輸出端與第一換熱器輸入端連接，第一換熱器輸出端分成兩路，一路與第一單向閥的入口連接，另一路與第三單向閥的出口連接，第一單向閥的出口分成兩路，一路與第二單向閥的出口連接，另一路與熱交換器制冷劑輸入端連接，熱交換器制冷劑輸出端與儲液器的輸入端連接，儲液器的輸出端通過干燥過濾器、電子膨脹閥同時與第四單向閥的入口和第三單向閥的入口連接，第四單向閥的出口與翅片管換熱器輸入端連接，翅片管換熱器輸入端同時還與第二單向閥的入口連接，翅片管換熱器輸出端與四通閥第二輸入端連接，四通閥第二輸出端與氣液分離器的輸入端連接，氣液分離器的輸出端與壓縮機的輸入端連接；

水和調濕溶液回路包括熱交換器、第一閥門、第二閥門、第三閥門、第四閥門、第一溶液泵、第二溶液泵、調濕器、再生裝置及流體儲存器，調濕器上設置有調濕器噴淋端和調濕器集液端，流體儲存器上設置有流體儲存器第一輸入端、流體儲存器第二輸入端、流體儲存器第三輸入端、流體儲存器輸出端，以及第一液位傳感器和第二液位傳感器；

水和調濕溶液回路中，第一閥門一端連接外部水源，另一端與流體儲存器第一輸入端連接，流體儲存器第二輸入端與調濕器集液端連接，流體儲存器輸出端與第一溶液泵入口端連接，第一溶液泵出口端分別與熱交換器溶液輸入端和第二閥門的一端連接，熱交換器溶液輸出端分別連接第三閥門的一端與第四閥門的一端，第三閥門的另一端通過再生裝置、第二溶液泵與流體儲存器第三輸入端連接，第四閥門另一端分別與第二閥門另一端和調濕器噴淋端連接；

所空氣回路包括翅片管換熱器、調濕器和風機，翅片管換熱器設置在調濕器的出風口，風機設置在翅片管換熱器出風口處。

進一步的，本發(fā)明系統(tǒng)在夏季工況運行時，第四閥門打開，第二閥門和第三閥門關閉，第一閥門視流體儲存器中液位情況開閉，若水位低于第二液位傳感器的水位，第一閥門打開，補水至第一液位傳感器的水位，第一閥門關閉，第一溶液泵開啟，此時回路中液體為水。

進一步的，本發(fā)明系統(tǒng)在冬季工況運行時，當需調濕時，第二閥門與第三閥門打開，第一閥門和第四閥門關閉，第一溶液泵和第二溶液泵開啟；若不需調濕，需要提高調濕溶液濃度，第三閥門打開，第一閥門、第二閥門和第四閥門關閉，第一溶液泵和第二溶液泵開啟；此時回路中液體為調濕溶液。

進一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，水和調濕溶液回路中調濕溶液再生的熱量來源于熱交換器中制冷劑過冷放出的熱量，無需額外增加熱源。

進一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，在夏季工況運行時，利用調濕器在對進入翅片管換熱器的空氣降溫時產生的低溫水，在熱交換器中實現制冷劑過冷。

本發(fā)明無霜空氣源熱泵系統(tǒng)在夏季制冷模式運行時，低溫低壓的制冷劑氣體從氣液分離器中被壓縮機吸入、壓縮后變成高溫高壓的過熱蒸氣排出，經過四通閥進入翅片管換熱器，在翅片管換熱器中制冷劑與空氣換熱，制冷劑放出熱量冷凝成液體后，再經過第二單向閥進入熱交換器中，制冷劑在熱交換器中與水進行換熱，制冷劑溫度進一步降低，實現過冷，過冷后的制冷劑從換交換器流出后，依次經過儲液器、干燥過濾器、電子膨脹閥和第三單向閥后，進入第一換熱器，制冷劑在第一換熱器中吸收熱量蒸發(fā)成過熱蒸氣，實現制冷，完全蒸發(fā)后的制冷劑從第一換熱器出來后經過四通閥進入氣液分離器，然后再次被吸入壓縮機，完成制冷循環(huán)?？諝饣芈分?，環(huán)境中的空氣首先進入調濕器，在調濕器中與水進行傳熱傳質，空氣的溫度降低，濕度增加，空氣從調濕器出來后進入翅片管換熱器，空氣在翅片管換熱器中與制冷換熱，吸收制冷劑熱量，溫度升高后，經過風機后排入環(huán)境。水和調濕溶液回路中，第四閥門打開，第二閥門和第三閥門關閉，第一溶液泵開啟，此時回路中液體為水，調濕器中，噴灑出的水蒸發(fā)使空氣溫度降低，同時水溫也有所降低，剩余的水在重力的作用下，流入流體儲存器，流體儲存器中的水通過第一溶液泵在熱交換器中與制冷劑進行換熱后，經過第四閥門再進入調濕器，在流體儲存器上設置有兩個液位傳感器，當流體儲存器中的水位過低時，打開第一閥門，補水至目標水位后第一閥門關閉。

無霜空氣源熱泵冬季制熱模式，當空氣中水分含量較高時進行調濕工況運行：氣液分離器中低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機吸入、壓縮后排出，經過四通閥進入第一換熱器，制冷劑在第一換熱器中冷凝成液體后，經過第一單向閥在熱交換器中與調濕溶液換熱后進入儲液器，制冷劑從儲液器出來后經過干燥過濾器和電子膨脹閥被節(jié)流成氣液兩相，經過第四單向閥進入翅片管換熱器，制冷劑在翅片管換熱器中與空氣換熱后變成過熱蒸氣，制冷劑從翅片管換熱器出來后經過四通閥進入氣液分離器，然后再次被吸入壓縮機，完成制熱循環(huán)?？諝饣芈分校h(huán)境中的空氣首先進入調濕器，在調濕器中調濕溶液吸收空氣中的水分，空氣的濕度減?。杀苊庠诔崞軗Q熱器上結霜），空氣從調濕器出來后進入翅片管換熱器，空氣在翅片管換熱器中與制冷劑換熱，放出熱量，溫度降低后，經過風機后排入環(huán)境。水和調濕溶液回路中，第二閥門與第三閥門打開，第一閥門和第四閥門關閉，第一溶液泵和第二溶液泵開啟，調濕溶液在調濕器中吸收了空氣中的水分后，在重力的作用下流入流體儲存器，通過第一溶液泵后分成兩路，一路經過第二閥門進入調濕器對空氣調濕，另一路進入熱交換器，在熱交換器與制冷劑液體換熱使調濕溶液溫度升高，再經過第三閥門進入再生裝置，調濕溶液在再生裝置中實現濃度再生，溶液濃度升高，通過第二溶液泵進入流體儲存器中，維持流體儲存器中調濕溶液的濃度；

無霜空氣源熱泵冬季制熱模式，當空氣中水分含量較少且流體儲存器中調濕溶液濃度較低時進行溶液濃度調節(jié)工況運行：制冷劑回路中制冷劑的流動方式與調濕工況相同，水和調濕溶液回路中，第三閥門打開，第一閥門、第二閥門和第四閥門關閉，第一溶液泵和第二溶液泵開啟，流體儲存器中的調濕溶液由第一溶液泵通過熱交換器與制冷劑液體換熱使調濕溶液溫度升高，再經過第三閥門進入再生裝置，使調濕溶液濃度升高，通過第二溶液泵進入流體儲存器中，實現將流體儲存器中調濕溶液濃度提高，空氣回路中，環(huán)境中的空氣首先進入調濕器，此時調濕器中無溶液噴淋，空氣不與溶液進行的傳熱傳質，空氣從調濕器出來后進入翅片管換熱器，空氣在翅片管換熱器中與制冷劑換熱，放出熱量，溫度降低后，經過風機后排入環(huán)境。

發(fā)明人在前期研究中發(fā)現空氣中水分含量越低，空氣源熱泵室外換熱器越不易結霜?；谌芤撼凉窈驼舭l(fā)冷卻等理論，提出一種冬季通過溶液調濕實現制熱運行不結霜，夏季通過蒸發(fā)冷卻實現更低冷凝溫度運行且可提高過冷度的空氣源熱泵系統(tǒng)，對提高熱泵系統(tǒng)的制冷制熱綜合運行效率和穩(wěn)定性具有重要意義。

有益效果：本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點：

第一，夏季運行時，與普通空氣源熱泵相比，空氣在調濕器中與水進行傳熱傳質，部分水蒸發(fā)進入空氣中，使得空氣的溫度降低，同時水的溫度也降低，降低溫度的空氣進入翅片管換熱器中將使得系統(tǒng)的冷凝壓力降低，從而提高熱泵系統(tǒng)的制冷效率，同時在調濕器中降低了溫度的水進入熱交換器，與制冷劑液體進行換熱，增加制冷劑液體的過冷度，提高了單位制冷劑的制冷量，從而實現熱泵系統(tǒng)夏季制冷效率大幅提高。

第二，冬季運行時，由于采用調濕溶液對空氣進行了處理，用調濕溶液吸收了空氣中部分水分，使進入翅片管換熱器中的空氣水分下降，空氣的露點溫度下降至蒸發(fā)溫度以下，從而實現在運行的過程中翅片管換熱器可避免結霜，換熱性能不衰減，使得系統(tǒng)的效率和可靠性得到大幅提高，且實現了供熱不中斷。

第三，冬季運行時，水和調濕溶液回路中制冷劑過冷放出的熱量作為調濕溶液再生的熱源，無需額外增加熱源，使得系統(tǒng)實現了高效再生的同時，設備更加簡單高效。

附圖說明

圖1是基于調濕與蒸發(fā)冷卻的無霜空氣源熱泵系統(tǒng)的示意圖。

圖中有：壓縮機1、四通閥2、四通閥第一輸入端2a、四通閥第一輸出端2b、四通閥第二輸入端2c、四通閥第二輸出端2d、第一換熱器3、第一換熱器輸入端3a、第一換熱器輸出端3b、第一單向閥4-1、第二單向閥4-2、第三單向閥4-3、第四單向閥4-4、熱交換器5、熱交換器制冷劑輸入端5a、熱交換器制冷劑輸出端5b、熱交換器溶液輸入端5c、熱交換器溶液輸出端5d、儲液器6、干燥過濾器7、電子膨脹閥8、翅片管換熱器9、翅片管換熱器輸入端9a、翅片管換熱器輸出端9b、氣液分離器10、風機11，第一閥門12-1、第二閥門12-2、第三閥門12-3、第四閥門12-4第一溶液泵13-1、第二溶液泵13-2、調濕器14、調濕器噴淋端14a、調濕器集液端14b、再生裝置15、流體儲存器16、流體儲存器第一輸入端16a、流體儲存器第二輸入端16b、流體儲存器第三輸入端16c、流體儲存器輸出端16d以及第一液位傳感器H1和第二液位傳感器H2。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

一種基于調濕與蒸發(fā)冷卻的無霜空氣源熱泵系統(tǒng)包括制冷劑回路、水和調濕溶液回路及空氣回路：

制冷劑回路中，壓縮機1的輸出端與四通閥第一輸入端2a連接，四通閥第一輸出端2b與第一換熱器輸入端3a連接，第一換熱器輸出端3b分成兩路，一路與第一單向閥4-1的入口連接，另一路與第三單向閥4-3的出口連接，第一單向閥4-1的出口分成兩路，一路與第二單向閥4-2的出口連接，另一路與熱交換器制冷劑輸入端5a連接，熱交換器制冷劑輸出端5b與儲液器6的輸入端連接，儲液器6的輸出端通過干燥過濾器7、電子膨脹閥8后，同時與第四單向閥4-4的入口和第三單向閥4-3的入口連接，第四單向閥4-4的出口與翅片管換熱器輸入端9a連接，翅片管換熱器輸入端9a同時還與第二單向閥4-2的入口連接，翅片管換熱器輸出端9b與四通閥第二輸入端2c連接，四通閥第二輸出端2d與氣液分離器10的輸入端連接，氣液分離器10的輸出端與壓縮機1的輸入端連接；

水和調濕溶液回路中，第一閥門12-1一端連接外部水源，另一端與流體儲存器第一輸入端16a連接，流體儲存器第二輸入端16b與調濕器集液端14b連接，流體儲存器輸出端16d與第一溶液泵13-1入口端連接，第一溶液泵13-1出口端分別與熱交換器溶液輸入端5c和第二閥門12-2的一端連接，熱交換器溶液輸出端5d分別連接第三閥門12-3的一端與第四閥門12-4的一端，第三閥門12-3的另一端通過再生裝置15、第二溶液泵13-2與流體儲存器第三輸入端16c連接，第四閥門12-4另一端分別與第二閥門12-2另一端和調濕器噴淋端14a連接；

空氣回路中，翅片管換熱器9設置在調濕器14的出風口處，風機11設置在翅片管換熱器9出風口處。

本發(fā)明無霜空氣源熱泵系統(tǒng)在夏季制冷模式運行時，低溫低壓的制冷劑氣體從氣液分離器10中被壓縮機1吸入、壓縮后變成高溫高壓的過熱蒸氣排出，經過四通閥2進入翅片管換熱器9，在翅片管換熱器9中制冷劑與空氣換熱，制冷劑放出熱量冷凝成液體后，再經過第二單向閥4-2進入熱交換器5中，制冷劑在熱交換器中與水進行換熱，制冷劑溫度進一步降低，實現過冷，過冷后的制冷劑從換交換器5流出后，依次經過儲液器6、干燥過濾器7、電子膨脹閥8和第三單向閥4-3后，進入第一換熱器3，制冷劑在第一換熱器3中吸收熱量蒸發(fā)成過熱蒸氣，實現制冷，完全蒸發(fā)后的制冷劑從第一換熱器3出來后經過四通閥2進入氣液分離器10，然后再次被吸入壓縮機1，完成制冷循環(huán)?？諝饣芈分?，環(huán)境中的空氣首先進入調濕器14，在調濕器14中與水進行傳熱傳質，空氣的溫度降低，濕度增加，空氣從調濕器14出來后進入翅片管換熱器9，空氣在翅片管換熱器9中與制冷換熱，吸收制冷劑熱量，溫度升高后，經過風機11后排入環(huán)境。水和調濕溶液回路中，第四閥門12-4打開，第二閥門12-2和第三閥門12-3關閉，第一溶液泵13-1開啟，此時回路中液體為水，調濕器14中，噴灑出的水蒸發(fā)使空氣溫度降低，同時水溫也有所降低，剩余的水在重力的作用下，流入流體儲存器16，流體儲存器中16的水通過第一溶液泵13-1在熱交換器5中與制冷劑進行換熱后，經過第四閥門12-4再進入調濕器14，在流體儲存器上設置兩個液位傳感器，當流體儲存器中的水位過低時，打開第一閥門，補水至目標水位。

無霜空氣源熱泵冬季制熱模式，當空氣中水分含量較高時進行調濕工況運行：氣液分離器10中低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機1吸入、壓縮后排出，經過四通閥2進入第一換熱器3，制冷劑在第一換熱器3中冷凝成液體后，經過第一單向閥4-1在熱交換器5中與調濕溶液換熱后進入儲液器6，制冷劑從儲液器6出來后經過干燥過濾器7和電子膨脹閥8被節(jié)流成氣液兩相，經過第四單向閥4-4進入翅片管換熱器9，制冷劑在翅片管換熱器9中與空氣換熱后變成過熱蒸氣，制冷劑從翅片管換熱器9出來后經過四通閥進入氣液分離器10，然后再次被吸入壓縮機1，完成制熱循環(huán)?？諝饣芈分校h(huán)境中的空氣首先進入調濕器14，在調濕器14中調濕溶液吸除空氣中的水分，空氣的濕度減小（可避免在翅片管換熱器9上結霜），空氣從調濕器14出來后進入翅片管換熱器9，空氣在翅片管換熱器9中與制冷劑換熱，放出熱量，溫度降低后，經過風機11后排入環(huán)境。水和調濕溶液回路中，調濕溶液在調濕器14中吸收了空氣中的水分后，在重力的作用下流入流體儲存器16，通過第一溶液泵13-1后分成兩路，一路經過第二閥門12-2進入調濕器14對空氣調濕，另一路進入熱交換器5，在熱交換器5與制冷劑液體換熱使調濕溶液溫度升高，再經過第三閥門12-3進入再生裝置15，調濕溶液在再生裝置15中實現濃度再生，調濕溶液濃度升高，通過第二溶液泵13-2進入流體儲存器16中，維持流體儲存器16中調濕溶液的濃度。

無霜空氣源熱泵冬季制熱模式，當空氣中水分含量較少且流體儲存器16中調濕溶液濃度較低時進行溶液濃度調節(jié)運行：制冷劑回路中制冷劑的流動方式與調濕工況相同，水和調濕溶液回路中，第三閥門12-3打開，第一閥門12-1、第二閥門12-2和第四閥門12-4關閉，第一溶液泵13-1和第二溶液泵13-2開啟，流體儲存器16中的調濕溶液由第一溶液泵13-1通過熱交換器5與制冷劑液體換熱使調濕溶液溫度升高，再經過第三閥門12-3進入再生裝置15，使調濕溶液濃度升高，通過第二溶液泵13-2進入流體儲存器16中，實現將流體儲存器16中調濕溶液濃度提高，空氣回路中，環(huán)境中的空氣首先進入調濕器14，此時調濕器14中無溶液噴淋，空氣不與溶液進行的傳熱傳質，空氣從調濕器14出來后進入翅片管換熱器9，空氣在翅片管換熱器9中與制冷劑換熱，放出熱量，溫度降低后，經過風機11后排入環(huán)境。

上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發(fā)明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。