一种空气循环热泵空调系统及使用方法

技术领域

本发明属于空调系统领域，尤其是一种基于空气循环的空调系统。

背景技术

现阶段，随着生活水平的提高，人们对室内环境的要求越来越高，空调的使用越来越普遍。现有的空调系统(包括家用空调、商用空调)多采用传统的蒸汽压缩式制冷(热泵)循环，随着全球越来越关注全球气候变暖以及环境保护的问题，面临着制冷剂选择的难题。目前新型制冷剂替代研究进展并不乐观，在热力学范围内筛选能用于空调用途且满足零ODP、低GWP的制冷剂屈指可数，仅包含一些易燃的碳氢化合物、有毒的氨、二氧化碳以及价格昂贵的HFO类等。此外，对于传统的蒸汽压缩式热泵，存在制热量与建筑热负荷变化不一致的问题，当室外环境温度下降，建筑热负荷增加，但传统蒸汽压缩热泵系统的制热量反而大幅下降，效率非常低。最后，针对应用普遍的空气源热泵，其无法避免的结霜、融霜问题，降低了其效率和运行的可靠性。

空气循环热泵独特的供热特点和节能潜力，为当前蒸汽压缩循环热泵面临的问题提供了一个很好的解决途径。空气循环最初用于机舱空调的温湿度调节，在低温制冷领域有较多优势，并应用于运输空调、食物冷冻冷藏、飞机环境控制系统、干燥、矿井降温等多个领域。尽管针对不同用途的结构有差异，空气循环一般包含1个或几个压缩机、涡轮机(膨胀机)、换热器以及相连的风管道。以典型回热式空气循环热泵系统为例，整个循环过程中向高温侧提供的热量等于从低温侧获取的热量加上系统输入的净功率。与传统的蒸汽压缩热泵系统相比，典型回热式空气循环热泵具有如下显著优点：

(1)使用天然空气，不存在制冷剂泄露风险，无臭氧层破坏和全球变暖效应；

(2)低温侧不设置换热器，不存在蒸汽压缩空气源热泵中很难避免的结霜、融霜问题，无传热损失和风机功率消耗；

(3)制热量随环境温度的变化规律与热负荷一致，且制热COP的变化幅度不大，这种特性为解决传统蒸汽压缩热泵系统制热量与热负荷不匹配的问题提供了一条新的途径；

(4)制热COP在大温差工况下具有优势，比如在低环境温度下的制热COP要优于跨临界CO2热泵机组。

(5)结构简单，因此运行可靠、安装及维护费用低。

近几年研究者提出将空气循环用于电动汽车空调及热水制备用途，理论计算结果表现出诱人的节能潜力及实用价值。然而，目前尚缺乏空气循环在建筑空调领域应用、同时满足夏季空调和冬季供暖需求的报道。此外，从已有的研究看来，系统中的关键部件——涡轮压气部件，在变工况下涡轮部件中空气流量难以与压气部件中空气流量始终匹配，受制于能量回收方式，两者转速不能进行有效调整，能量处于低效率传递，甚至部分工况无法正常运行。

发明内容

为了克服现有空调系统使用的制冷剂少有满足零ODP、低GWP的功能，传统蒸气压缩式热泵存在制热量与建筑热负荷变化不一致，针对应用普遍的空气源热泵无法避免结霜、融霜的不足，本发明提供一种空气循环热泵空调系统及使用方法，系统采用双空气压缩机(空气压缩机与涡轮压气部件串联后与另一台空气压缩机并联)结构，设置四通换向阀用于冬夏季工况的切换，可实现冬季供暖和夏季空调。其中，冬季工况冷端与大气相通，可以利用空气循环热泵不结霜的优势；夏季工况下，冷端直接与室内空气相通，可有效减少换热温差引起的热损失。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：一种空气循环热泵空调系统，分为室内回风循环部分及室外新风循环部分，室外空气经空气管路分成两路进入空调系统，一路通过室内回风循环部分，另一路通过室外新风循环部分，其中室内回风循环部分连接方式为：建筑回风口、第一四通换向阀、第一换热器、第二四通换向阀及空调送风口依次连接构成建筑送风循环管路，室内回风循环部分的空气管路上依次设置第一四通换向阀、第二换热器、空气压缩机、涡轮压气部件、第一换热器，第一换热器出口管路与第二换热器、涡轮压气部件顺次连接，管路出口端连接第二四通换向阀；室外新风循环部分连接方式为：室外新风循环部分的空气管路上设置第三四通换向阀，其下游管路上依次设有空气压缩机、涡轮压气部件、第四四通换向阀和换热器，经管路进入空调新风入口，建筑室内排风口与第三换热器通过空气管路连接，在建筑室内排风口处设有风机。

进一步的，所述第一四通换向阀、第二四通换向阀、第三四通换向阀、第四四通换向阀的a口与其b口、c口切换连接，d口与其b口、c口切换连接。

进一步的，室内回风循环部分连接方式为：建筑室内回风与第一四通换向阀的d口相连，建筑室内送风装置与第二四通换向阀的c口相连，通向室外的空气管路分别与第一四通换向阀的a口、第二四通换向阀的b口相连；室外进风口连接的空气管路与第一四通换向阀的a口相连，第一四通换向阀的b口与第二换热器相连，第一四通换向阀c口与第一风机入口相连，第一风机排气口与第一换热器入口相连，第一换热器出口与第二四通换向阀d口相连，建筑室内排风与第二风机相连，第二风机与第三换热器相连。第二换热器的出口空气管路分成2路，其中一路进入第一空气压缩机的进气端，由排气端排出后进入第一涡轮压气部件的压气部件，经压气部件由排气端排出，另一路进入第二空气压缩机的进气端，经第二空气压缩机由排气端排出，两空气管路中的空气混合后一起进入第一换热器，通过第一换热器进入第二换热器，在第二换热器进入涡轮压气部件的涡轮部件，通过涡轮部件进入第二四通换向阀的a口。

进一步的，室外新风循环部分连接方式为：室外进风口连接的空气管路与第三四通换向阀的c口相连。与第三四通换向阀的a口相连的空气管路分成2路，其中一路进入第三空气压缩机的进气端，经第三空气压缩机压缩升温后由排气端排出后进入第二涡轮压气部件的压气部件，经压气部件压缩升温升压后由排气端排出，另一路进入第四空气压缩机的进气端，经第四空气压缩机压缩升温升压后由排气端排出，两路空气混合后的空气管路与第四四通换向阀的b口相连。第四四通换向阀的d口与第四换热器的入口相连，第四换热器的出口与第三换热器的入口相连，第三换热器的出口与第三四通换向阀的b口相连。第三四通换向阀的d口与第二涡轮压气部件的涡轮机入口相连，第二涡轮压气部件的涡轮机出口与第四四通换向阀的c口相连。

所述空调系统的使用方法分为加温模式及降温模式。

加温模式：第一四通换向阀、第二四通换向阀、第三四通换向阀、第四四通换向阀的a口和b口相通、c口和d口相通，在室内回风循环部分室外空气在第二换热器内被预热，预热后的室外空气一部分通过第一空气压缩机压缩升温后再通过第一涡轮压气部件经压气部件压缩升温升压，另一部分经第二空气压缩机压缩升温升压，两部分空气混合后进入第一换热器将热量置换给建筑送风循环管路完成空气加温，置换后的空气通过第二换热器进一步将热量释放，而后经过第一涡轮压气部件经涡轮部件降温降压后排出室外；室外新风循环部分室外空气通过第二涡轮压气部件中涡轮部件进一步降温降压，然后依次进入第四换热器吸收室外热量、进入第三换热器吸收建筑排风的热量，而后经空气管路分为两部分，一部分经第三空气压缩机加压，再经第二涡轮压气部件中压气部件加温加压完成加温，另一部分经第四空气压缩机加压完成加温，两部分空气混合后成为空调新风排入空调建筑。

降温模式：第一四通换向阀、第二四通换向阀、第三四通换向阀、第四四通换向阀的a口和c口相通、b口和d口相通，在室内回风循环部分建筑回风一部分通过建筑回风口经第一空气压缩机加压，再经第一涡轮压气部件的压气部件进行升温加压，另一部分经第二空气压缩机加压，两部分空气混合通过第一换热器将热量传输给室外空气，传输后的空气再经过第一涡轮压气部件的涡轮部件进行降温减压，然后通入空调送风口；在室外新风循环部分室外空气一部分经第三空气压缩机加压，再经第二涡轮压气部件的压气部件升温加压，、另一部分经第四空气压缩机加压，两部分空气混合后通过第四换热器将热量传输至室外，然后经过第三换热器将热量置换至建筑排风，再经第二涡轮压气部件的涡轮部件进一步降温减压后成为空调新风排入空调建筑。

进一步的，所述第一空气压缩机、第二空气压缩机、第三空气压缩机、第四空气压缩机均为变频压缩机。

进一步的，所述风机为变频风机。

进一步的，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器均为间壁式空气—空气换热器，第四换热器为风机驱动强制对流换热的翅片管式换热器。

本发明的有益效果是：

1.设置四通换向阀用于冬夏季工况的切换，可同时满足冬季空调和夏季空调温度和新风量的需求。对室内回风进行处理以满足送风温度的要求，冬季工况冷端与大气相通，可以利用空气循环热泵不结霜的优势；夏季工况下，冷端直接与室内空气相通，可有效减少换热温差引起的热损失。对室外空气进行处理以满足空调新风的要求，可有效回收建筑室内排风的冷热量，提高节能的效果。

2.采用空气压缩机替代电动热泵中的制冷压缩机，使用空气作为制冷剂，无臭氧层破坏和臭氧效应，对环境友好。

3.采用双空气压缩机(第一空气压缩机与涡轮压气部件串联后与第二空气压缩机并联)结构。通过调节第二空气压缩机的运行频率来调节涡轮压气部件中涡轮部件和压气部件的空气流量比例，从而保证涡轮压气部件正常运行(进而保证整个系统正常运行)，并进一步实现变工况运行条件下所述涡轮压气部件始终以较高效率运行，从而节省运行费用，实测得知该系统形式可提高系统制热性能15％以上。通过调节第一空气压缩机的运行频率可以适应建筑冷热负荷、新风量需求的变化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明空调系统结构示意图；

图2为本发明空调系统涡轮压气部件结构示意图；

图中1.第一空气压缩机，2.第二空气压缩机，3.第三空气压缩机，4.第四空气压缩机，5.第一风机，6.第二风机，7.第一涡轮压气部件，8.第二涡轮压气部件，9.第一换热器，10.第二换热器，11.第三换热器，12.第四换热器，13.第一四通换向阀，14.第二四通换向阀，15.第三四通换向阀，16.第四四通换向阀，17.空气管路，18.室外进风口，19.室外出风口A，191.室外出风口B，20.空调建筑，21.建筑送风循环管路，201.建筑回风口，202.空调送风口，203.建筑室内排风口，204.空调新风口，401.压气部件，402.涡轮部件，403.连接轴。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。

实施例一

冬季空调模式下，大气环境中的冷空气经室外进风口18进入后分成2路：

第一路空气经由第一四通换向阀13的a口和b口进入第二换热器10中，被预热后分成2路。其中一路进入第一空气压缩机1的进气端，经第一空气压缩机1压缩升温后由排气端排出并进入第一涡轮压气部件7的压气部件401，经压气部件401压缩升温升压后由排气端排出；另一路进入第二空气压缩机2进气端，经第二空气压缩机2压缩升温升压后由排气端排出，两路空气混合后一起进入第一换热器9；高温高压空气在第一换热器9内释放热量，将流经第一换热器9的建筑室内空气进行加热，温度降低后的空气进入第二换热器10，在第二换热器10内进一步释放热量，将经第一四通换向阀13进入第二换热器10的冷空气进行预热，最后空气进入第一涡轮压气部件7的涡轮部件402，在涡轮部件402内做功后变为低温低压的空气，依次经由第二四通换向阀14的a口和b口及室外出风口A19排入大气环境。

第二路空气进入第三四通换向阀15的c口，从d排出后进入第二涡轮压气部件8的涡轮部件402，在涡轮部件402内做功后变为更低温低压的空气，进入第四四通换向阀16的c口，从d口排出后进入第四换热器12，在第四换热器12内吸收室外空气热量后进入第三换热器11，吸收来自建筑排风的热量后，进入第三四通换向阀15的b口，经a口排出后分成2路，其中一路进入第三空气压缩机3的进气端，经第三空气压缩机3压缩升温后由排气端排出后进入第二涡轮压气部件8的压气部件401，经压气部件401压缩升温升压后由排气端排出，另一路进入第四空气压缩机4的进气端，经第四空气压缩机4压缩升温升压后由排气端排出，两路高温空气混合后进入第四四通换向阀16的b口，由a口排出后依次通过空气管路17、空调新风口204进入空调建筑20。

建筑侧室内回风依次经由第一四通换向阀的d口和c口进入第一风机5的入口，经由第一风机5排出，进入第一换热器9，在第一换热器9内被加热，然后经由第二四通换向阀14的d口和c口接入室内送风装置，完成对室内回风的处理。根据建筑空间大小不同，可设置不同的建筑室内送风装置。比如当建筑层高不高而建筑面积较大时，可设置送风管加散流器的送风系统；当建筑层高较高时，可设置送风管加喷口的送风系统。当建筑室内送风管道阻力过大时，可另设风机加压。

建筑侧室内排风经由第二风机6连接的管道后进入第三换热器11，在第三换热器11内部放热后通过室外出风口B191排入大气环境。

实施例二

夏季空调模式下，大气环境中的热空气经室外进风口18进入后分成2路：

第一路经由第一四通换向阀13的a口和c口进入第一风机5的入口，经第一风机5排出后进入第一换热器9中，在第一换热器9中被加热后，经由第二四通换向阀14的d口和b口及室外出风口A19后排入室外大气环境。

第二路经由第三四通换向阀15的c口和a口后又分成2路，其中一路进入第三空气压缩机3的进气端，经第三空气压缩机3压缩升温后由排气端排出后进入第二涡轮压气部件8的压气部件401，经压气部件401压缩升温升压后由排气端排出，另一路进入第四空气压缩机4的进气端，经第四空气压缩机4压缩升温升压后由排气端排出，两路空气混合后的空气管路17进入第四四通换向阀16的b口，由d口排出后进入第四换热器12，在第四换热器12内放热后进入第三换热器11，在第三换热器11内被建筑排出的冷风冷却后进入第三四通换向阀15的b口和d口，然后进入第二涡轮压气部件8的涡轮部件402，在涡轮部件402内部做功变成低温的空气后进入第四四通换向阀16的c口，由a口排出后依次通过空气管路17、空调新风口204进入空调建筑20。

建筑侧室内回风经由第一四通换向阀13的d口和b口进入第一换热器10中，被预热后分成2路。其中一路进入第一空气压缩机1的进气端，经第一空气压缩机1压缩升温后由排气端排出，进入第一涡轮压气部件7的压气部件401，经压气部件401压缩升温升压后由排气端排出；另一路进入第二空气压缩机2进气端，经第二空气压缩机2压缩升温升压后由排气端排出，两路空气混合后一起进入第一换热器9；高温高压空气在第一换热器9内释放热量，温度降低后的空气进入第二换热器10，在第二换热器10内进一步释放热量，温度再次降低后进入第一涡轮压气部件7的涡轮部件402，在涡轮部件402内做功后变为低温低压的空气，最后经第二四通换向阀14的a口和c口及空调送风口202进入室内送风，完成对室内回风的处理。

建筑侧室内排风经由第二风机6连接的管道后进入第三换热器11，在第三换热器11内部吸热后通过室外出风口B191排入大气环境。

本发明提出的基于空气循环热泵的空调系统可最大限度利用回热式空气循环的优点，满足建筑夏季空调和冬季空调的温度需求和新风量需求。其中，为了实现空气循环在空调领域的应用，设置四通换向阀用于冬夏季工况的切换，冬季工况冷端与大气相通，可以利用空气循环热泵不结霜的优势，夏季工况冷端直接与室内空气相通，可有效减少换热温差引起的热损失；采用双空气压缩机结构，第一空气压缩机与涡轮压气部件的压气部件串联后与第二空气压缩机并联，通过调节第二空气压缩机的运行频率来调节涡轮压气部件中涡轮部件和压气部件的空气流量比例，从而保证涡轮压气部件正常运行，通过实验实测得知并联风机形式的空气循环比串联单风机系统制热性能可提高15％以上。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。