集成式热交换系统的制作方法

专利名称：集成式热交换系统的制作方法
技术领域：
本实用新型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. 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FrederickJ. 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。美国专利号2007/0028634公布了将泳池热泵与建筑物空调结合在一起的方法。 泳池热泵蒸发器冷却的冷空气提供了比周围环境更好的冷源，而同时空调产生的热气为池 热泵提供了更好的热源。这种方法的一个缺陷是屋内控制气流的静压箱和分流箱导致风扇 系统的压头增加。当空调温度降低到设定值后，由于风扇压头增大，风扇负荷增大，泳池热 泵并不能得到更多的热源，反而是风扇马达耗电增加。反之一样。Daikin企业和一些其他公司为居民建筑设计了一个不用风道的热泵系统来提供 冷热调节。它有一个室外机和数个在不同房间的室内风机盘管。室内风机盘管在冷媒回路 中平行设置，独立控制。不工作的室内风机盘管则由电磁阀旁通。这样一个系统可以只对所 需要制冷或者制热的房间提供冷热。它通常需要变频压缩机来调整整机输出冷量或热量。 但是，这样的系统不适用于房间过多。在这样系统中，需要用铜质的制冷管道和室外机连接 起来。管道较长，且压力损失较高，因此冷媒的充液量较大，冷媒泄漏的可能性就比一般的 要高。加上铜材质贵，整个系统成本提高。同样由于旁通带来的参与循环的冷媒在不同的 运行工况下不一样，难以控制。
发明内容本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种集成式热交换系统，能可靠有 效地集成建筑物内的冷热系统，提供高能效的空间制冷、制热、水加热和其他有关制冷和制 热需求的制冷制热系统，从而使得每个功能和每个子体系独立或者同时完成工作。为此，本实用新型采用的技术方案是这样的集成式热交换系统，包括压缩机、热交换器、膨胀阀，通过管道互相连接组成回路， 冷媒在回路中循环流动，其特征在于A)系统中包括至少三个热交换器；B)系统中包括一组可切换阀门组合，用于控制冷媒在回路中的流向，该可切换阀 门组合包括至少四个端口，其中从压缩机排气口出发顺着冷媒流动方向最近流程的阀门组合入口为流入端，从压缩机吸气口出发逆着冷媒流动方向最近流程的阀门组合入口为流出 端，其余端口为分流端，各分流端之间以管道相连；流出端和流入端之间且经过压缩机的管 道为外部回路，流入端和流出端之间且未经过压缩机的管道为内部回路；冷媒从压缩机出 发后，经外部回路，从流入端进入内部回路，再从流出端离开内部回路，再经外部回路回到 压缩机；C)所述的热交换器中，至少一个位于内部回路上；D)压缩机、所有热交换器及膨胀阀始终处于冷媒流动的回路上，流经上述各部件 的冷媒流量是相同的。所述的可切换阀门组合，可以有多种实现的方式，如采用独立通断电磁阀，则应至 少包括作四边形排列的四个独立通断电磁阀；也可以直接采用一个电磁四通阀来实现；或 采用两个电磁三通阀；以及一个电磁三通阀和两个独立通断电磁阀的组合。需要说明的是， 上述的实现方式，是为保证有四个端口，完成发明目的所需的最低数量，也可采用更多的阀 门组合来得到同样或更好的效果。上述C组技术特征，可以有两种更具体的形式，其一是所述的热交换器中，至少 一个位于内部回路上，至少一个位于外部回路上；其二是在可切换阀门组合至少包括八 个端口的情况下，所述的热交换器也可以全部位于内部回路上。进一步地，所述的压缩机、所有热交换器及膨胀阀在任何运行模式下始终处于冷 媒流动的回路上，在不计阀门泄漏的情形下，流经上述部件的冷媒流量在所有运行模式下 是相同的。所述各热交换器中的一个或多个带有热量储存装置。所述系统可以实现独立制冷，制热，同时制冷制热的功能。作为更佳的技术方案，该系统还包括一基于微处理器的控制装置，系统内设有多 处温度和/或压力传感器，微处理器收到各温度和/或压力信号后，根据预先设定的模式控 制压缩机、电磁四通阀、热交换器等工作。本实用新型对回路的控制，主要是以“可切换阀门组合”来完成的，这是本实用新 型提出的一个概念。业已商品化的电磁四通阀，又名四通换向阀，就是一种典型的可切换阀 门组合，它具有四个abed端口，通过电信号控制abdc或adbc的路径导通，并可在两种方式 间切换，具体可见实施例部分描述。在这种情况下，a、c成为流入端和流出端，b、d可称为 分流端，bd间以管道相连，构成内部回路，这是最基本、最简单的实现方式。如不采用现成的电磁四通阀，也可将四个独立的通断电磁阀作四边形排列，通过 电信号同步控制各阀门从而实现导通方式的切换，这种方式实际上是将现成的电磁四通阀 解体，分散到了各处，同样的功能也可以由三通阀或者三通阀和独立的通断电磁阀共同组 成。本实用新型还提出了内部回路和外部回路的概念，从前文可见，发明人是将可切 换阀门组合及其控制范围内的管道视作一个整体，称为内部回路；其余部分称为外部回路。在可切换阀门组合仅有四个电磁阀或者一个四通电磁阀组成，即仅有四个端口的 情况下，其仅有两个分流端及之间的管道构成相对简单的内部回路；在可切换阀门组合比 较复杂的情况下，由于分流端增多，相互间的管道亦增多，内部回路会较为复杂。前述可知，在外部回路上，冷媒的流动方向是固定的，即从压缩机排气口到流入端，从流出端到压缩机吸气口。如将一个热交换器置于压缩机放气口到流入端之间，则该热 交换器必然为热力循环中的放热换热器，起放热作用；如将一个热交换器置于流出端到压 缩机吸气口之间，则该热交换器必然为热力循环中的吸热换热器，起吸热作用；如在上述两 处各放置一个热交换器，则该两个热交换器必然分别为放热换热器和吸热换热器，起到不 同的作用。可见，在外部回路上，热交换器所起的作用是固定的，由其所处的位置决定。而在内部回路上，冷媒的流动方向可以是不固定的，可正逆向切换。如将一个热交 换器置于这样的内部回路上，则该热交换器所起的作用取决于电磁阀的切换模式，以及由 此带来的冷媒的流动方向以及该换热器和膨胀阀的上下游关系，令其可在吸热和放热之间 切换。在可切换阀门组合足够复杂，至少具有八个端口的情况下，通过合理的管路设计， 可令其内部回路中的至少一条管道始终具有固定的流动方向，而不论电磁阀如何切换。在 此情况下，即使将所有热交换器都置于内部回路中，也能有一个或多个热交换器起到固定 的放热或吸热作用。可见，本实用新型的系统中，一部分热交换器在热交换体系中的作用是固定的，另 一部分则是可变的，如果系统用三个换热器，一个固定起放热作用用来制热，一个固定起吸 热作用用来制冷，在冷热负荷均没有满足的情况下，能同时制冷和制热；在冷负荷中已被满 足的情况下，相应的吸热换热器循环水泵或者风机停止运行，另外一个可切换的换热器可 以切换到吸热运行模式取代固定的吸热热交换器，让固定放热的热交换器继续产热，从而 实现单独制热的功能，直到热负荷满足为止；在热负荷中已被满足的情况下，相应的放热换 热器循环水泵或者风机停止运行，另外一个可切换的换热器可以切换到放热运行模式取代 固定的放热热交换器，让固定吸热的热交换器继续吸热，从而实现单独制冷的功能，直到冷 负荷满足为止。同时制冷和制热的模式实际是将建筑物内的冷热负荷需求先加以平衡，单 独的制冷或者制热模式就是对其中负荷差额的部分进行补偿。本实用新型的这种设计，不论可切换阀门组合的模式如何改变，系统中的冷媒的 流动始终是依次流动，没有分流和旁通的回路，制冷剂100%地在管路中循环，不存在旁路、 分支的问题。使用带微处理器的控制装置来控制整个系统的运行，可方便地设定多种运行模 式，并令系统在这些模式间切换，提供更好的集成效果。

[0035]图1是现有技术中基本的热交换系统的示意图。[0036]图2是电磁四通阀的示意图。[0037]图3是本实用新型实施例一的 f路示意图。[0038]图4是本实用新型实施例一的结构示意图。[0039]图5是本实用新型实施例二的 f路示意图。[0040]图6是本实用新型实施例三的 f路示意图。[0041]图7是本实用新型实施例四的 f路示意图。[0042]图8是本实用新型实施例五的 f路示意图。[0043]图9是本实用新型实施例五的结构示意图。
6[0044]图10是本实用新型实施例六的管路示意图。图11是本实用新型实施例七的管路示意图。图12是本实用新型实施例八的管路示意图。图13是本实用新型实施例九的管路示意图。图14是本实用新型实施例十的管路示意图。
具体实施方式
参见图1。常规的热交换系统10包括一个压缩机26为做功输入设备；两个热交 换器，即冷凝机14和蒸发机22，冷凝机14作为吸热换热器，蒸发机22作为放热换热器；一 个膨胀阀18起施加压力和控制流体的作用；上述组件通过管路12，16，20和24连接成为制 冷回路。冷媒在回路中循环流动，从而完成蒸汽压缩循环的热力过程。当10工作时，冷媒连续流动，依次通过压缩机26，管路12，冷凝机14，管路16，膨 胀阀18，管路20，蒸发机22，管路24，然后回到压缩机26完成整个循环。热量通过冷凝机 14消散到第二种热传导媒介，比如空气或者水，以及从第二种热传导媒介，比如空气或者水 吸收到热量后，通过蒸发机22吸收到系统中。参见图2。电磁四通阀50包括一个导阀34和一个主阀44。导阀34受电磁线圈 36的控制，主阀通过导阀34和主阀44之间的小管46，48，38和40跟随导阀34行动。它包 括四个端口 42、28、30、32，当电磁线圈36通电时，端口 42 (以下称上端口 )与端口 28(以下 称左端口)导通，端口 30 (以下称中端口)与端口 32 (以下称右端口)导通，而这两条流动 通道互不影响；当电磁线圈36的电源供应切断时，端口 42与端口 32导通，端口 30与端口 28导通，而这两条流动通道互不影响。以下本实用新型的各实施例中，相同的部件在不同实施例中的附图标号基本相 同，即首位数字有可能改变，但后几位数字保持不变。如在不同的附图中，162、262、362、462 等均表示一风冷式的热交换器；158、258、358、458等均表示一可切换阀门组合。如某一附 图标号未在文字说明中指出，可据此规则参见其他实施例的描述。实施例一参见图3、图4，本实施例为本实用新型最基本的实施方式。热交换系统180包括 一个压缩机152，三个热交换器156、162、188，一个膨胀阀168和一个电磁四通阀158，其中 电磁四通阀158具有四个端口 abcd，以上部件均通过管道连为回路。具体回路如下压缩机 152的排气口通过管道154a与热交换器156相连；热交换器156进一步与电磁四通阀158 的上端口 158a相连；电磁四通阀158的左端口 158b通过管道170、160b、160a先后与膨胀 阀168、热交换器162、右端口 158d相连；电磁四通阀158的下端口 158c通过管道172a与 热交换器188相连，并通过管道172b与压缩机152的吸气口相连从而完成循环。通过以上 描述可知，本实施例的可切换阀门组合为电磁四通阀158，其上端口 158a为流入端，下端口 158c为流出端，与压缩机152，热交换器156、188组成外部回路；端口 158b、158d为分流端， 与膨胀阀168、热交换器162组成内部回路。本实施例运行时，冷媒从压缩机152出发，流经热交换器156，从158a进入 内部回路，在内部回路中有两种选择，路径分别为158a-158b-168-162-158d-158c，或 158a-158d-162-168-158b-158c，然后从158c回到外部回路，流经热交换器188后回到压缩机152，完成循环。该运行过程中，热交换器156始终为放热换热器，188始终为吸热换热 器，它们的作用是不变的；热交换器162根据不同的路径选择可以成为放热换热器，也可以 成为吸热换热器。故，本实施例可在这两种模式间切换。热交换器156带有一热水箱(图中未示出)作为热量储存装置，热交换器188带 有一冷水箱(图中未示出)作为热量储存装置。泵178在热交换器156和其热水箱之间制 造与冷媒流动方向相反的水循环；泵190在热交换器188和其冷水箱之间制造与冷媒流动 方向相反的水循环。热交换器162靠风扇马达186通过气流进行循环。另，本实施例中的热交换器162也可以放置在管道170上。本实施例通过一基于微处理器的控制装置来控制其运行，微处理器对来自冷水箱 的制冷需求信号，热水箱的制热需求信号，热交换器162的除霜信号进行反馈。两个恒温器 设置在热水箱和冷水箱上进行温度控制。温度传感器设置在热交换器162上来发出除霜信 号。本实施例还设有如冷媒高压开关、高温热水开关，防结冰温度开关，水流速开关等安全 开关。由于冷水温度设置在冰点以上，当冷水箱发出制冷需求信号后，控制系统对热交换器 162发出的除霜信号不进行反应。表1列出了本实施例所可能出现的各种模式。表 权利要求集成式热交换系统，包括压缩机、热交换器、膨胀阀，通过管道互相连接组成回路，冷媒在回路中循环流动，其特征在于A)系统中包括至少三个热交换器；B)系统中包括一组可切换阀门组合，用于控制冷媒在回路中的流向，该可切换阀门组合包括至少四个端口，其中从压缩机排气口出发顺着冷媒流动方向最近流程的阀门组合入口为流入端，从压缩机吸气口出发逆着冷媒流动方向最近流程的阀门组合入口为流出端，其余端口为分流端，各分流端之间以管道相连；流出端和流入端之间且经过压缩机的管道为外部回路，流入端和流出端之间且未经过压缩机的管道为内部回路；冷媒从压缩机出发后，经外部回路，从流入端进入内部回路，再从流出端离开内部回路，再经外部回路回到压缩机；C)所述的热交换器中，至少一个位于内部回路上；D)压缩机、所有热交换器及膨胀阀始终处于冷媒流动的回路上，流经上述各部件的冷媒流量是相同的。
2.如权利要求1所述的集成式热交换系统，其特征在于所述的可切换阀门组合，至少 包括作四边形排列的四个独立通断电磁阀。
3.如权利要求1所述的集成式热交换系统，其特征在于所述的可切换阀门组合，至少 包括一个电磁四通阀。
4.如权利要求1所述的集成式热交换系统，其特征在于所述的可切换阀门组合，至少 包括两个电磁三通阀。
5.如权利要求1所述的集成式热交换系统，其特征在于所述的可切换阀门组合，至少 包括一个电磁三通阀和两个独立通断电磁阀。
6.如权利要求1-5任一项所述的集成式热交换系统，其特征在于所述的热交换器中， 至少一个位于外部回路上。
7.如权利要求1-5任一项所述的集成式热交换系统，其特征在于所述的可切换阀门 组合包括至少八个端口 ；所述的热交换器全部位于内部回路上。
8.如权利要求1-5任一项所述的集成式热交换系统，其特征在于所述各热交换器中 的一个或多个带有热量储存装置。
9.如权利要求3所述的集成式热交换系统，其特征在于该系统还包括一基于微处理 器的控制装置，系统内设有多处温度和/或压力传感器，微处理器收到各温度和/或压力信 号后，根据预先设定的模式控制压缩机、电磁四通阀、热交换器工作。
专利摘要本实用新型公开了一种集成式热交换系统，包括压缩机、热交换器、膨胀阀，通过管道互相连接组成回路，冷媒在回路中循环流动，它包括至少三个热交换器和一组可切换阀门组合，压缩机、所有热交换器及膨胀阀始终处于冷媒流动的回路上，流经上述各部件的冷媒流量是相同的。本实用新型一部分热交换器在热交换体系中的作用是固定的，另一部分则是可变的，可将建筑物内的冷热负荷需求先加以平衡，再对其中负荷差额的部分进行补偿；且制冷剂100％地在管路中循环，不存在旁路、分支的问题。
文档编号F25B13/00GK201748703SQ20102010074
公开日2011年2月16日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者李港 申请人:李港