一种基于三器冷媒压缩循环的气体处理方法和系统

摘要

本发明提供了一种基于三器冷媒循环的气体处理方法及系统，系统包括第一气体换热器，第二气体换热器，室外空气换热器，压缩机，节流机构，四通阀等。气体处理包括制热、制冷和除湿，制热时气体依次经过第一气体换热器、第二气体换热器被冷媒加热实现制热，制热时的冷媒循环包括第一制热循环和第二制热循环，四通阀切换可以在制热的同时实现蒸发器融霜。制冷时气体依次经过第一气体换热器、第二气体换热器被冷媒冷却实现制冷。除湿时气体先被第一气体换热器制冷除湿，再被第二气体换热器升温降低相对湿度。本发明可以提高系统能效，保证制热效果且系统不间断供热等，可用于各类空调热泵除湿系统，包括商用、民用及工业等各种不同场合。

权利要求

1.一种基于三器冷媒循环的气体处理方法，其特征在于，所述三器为第一气体换热器，第二气体换热器和室外空气换热器，所述气体处理方法包括制热、制冷和除湿，制热时的冷媒循环包括第一制热循环和第二制热循环，其中，第一制热循环为，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、第一气体换热器、节流机构、室外空气换热器，然后通过四通阀回到压缩机，室外空气经过室外空气换热器被冷媒冷却，被处理气体依次经过第一气体换热器、第二气体换热器被冷媒连续加热实现制热；第二制热循环为，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内；其中冷媒对室外空气换热器进行在线融霜；被处理气体依次经过第一气体换热器、第二气体换热器被冷媒加热实现制热；第一制热循环和第二制热循环通过四通阀进行切换；

制冷时的冷媒循环为：冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器的冷媒通道旁路或第二气体换热器的冷媒通道旁路和第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内；室外空气经过室外空气换热器被冷媒加热，被处理气体先经过第一气体换热器被冷却实现制冷，再经过第二气体换热器温度不变或被微再热，避免送风饱和；

除湿时的冷媒循环为：冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机；室外空气经过室外空气换热器被冷媒加热，被处理的气体先被第一气体换热器制冷除湿，再被第二气体换热器升温降低相对湿度。

2.根据权利要求1所述的气体处理方法，其特征在于，除湿时的冷媒循环中，通过调节经过第二气体换热器和第二气体换热器冷媒通道旁路的冷媒流量，调节被处理气体的温度和相对湿度。

3.根据权利要求1所述的气体处理方法，其特征在于，第二制热循环时的通入的被处理气体流量小于第一制热循环。

4.根据权利要求1所述的气体处理方法，其特征在于，所述四通阀由多个阀门组合替换。

5.根据权利要求1所述的气体处理方法，其特征在于，所述被处理气体为室外新风，或者室内空气与室外新风的混合空气。

6.一种基于三器冷媒循环的气体处理系统，其特征在于，系统含有第一气体换热器，第二气体换热器，室外空气换热器，压缩机，节流机构，四通阀；第一气体换热器和室外空气换热器的冷媒通道接口一端分别与四通阀的一接口相连，第一气体换热器和室外空气换热器的冷媒通道接口的另一端分别与节流机构的两端相连，压缩机进口、第二气体换热器的冷媒通道出口分别与四通阀的另两接口相连，压缩机出口与第二气体换热器的冷媒通道进口相连；第一气体换热器置于第二气体换热器的上游，被处理的气体先通入第一气体换热器的气体通道，再通入第二气体换热器的气体通道，室外空气通入室外空气换热器的气体通道；所述系统具有制热，除湿及在线融霜制热功能，通过四通阀切换实现功能转换；制热时，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、第一气体换热器、节流机构、室外空气换热器，然后通过四通阀回到压缩机；被处理的气体被加热；

在线融霜制热时，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内；对室外空气换热器进行在线融霜；

除湿时，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机；被处理的气体先被第一气体换热器制冷除湿，再被第二气体换热器升温降低相对湿度。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还设有第二气体换热器冷媒通道旁路及旁通阀，旁通阀两端分别与第二换热器的冷媒通道进出口相连；系统具有制热，制冷，除湿及在线融霜制热功能，通过四通阀切换和旁通阀调节实现功能转换；制热时，旁通阀完全关闭，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、第一气体换热器、节流机构、室外空气换热器，然后通过四通阀回到压缩机；被处理的气体被加热；

在线融霜制热时，旁通阀完全关闭，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内；冷媒对室外空气换热器进行在线融霜；

制冷时，旁通阀打开，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器冷媒通道旁路、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内；

除湿时，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机；被处理的气体先被第一气体换热器制冷除湿，再被第二气体换热器升温降低相对湿度；还可以通过旁通阀调节经过第二气体换热和第二气体换热器的旁通的冷媒流量，调节被处理气体的温度和相对湿度。

8.根据权利要求6‑7任一项所述的系统，其特征在于，所述四通阀由多个阀门组合替换。

9.根据权利要求6‑7任一项所述的系统，其特征在于，系统还含有用于输送被处理气体的第一风机，和用于输送室外空气的第二风机。

10.根据权利要求6‑7任一项所述的系统，其特征在于，所述的气体为室外新风，或者室内空气与室外新风的混合空气。

说明书

一种基于三器冷媒压缩循环的气体处理方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用三个换热器的冷媒压缩循环实现气体制热、制冷及除湿等功能的系统。

背景技术

[0002] 常规的冷媒压缩循环只含有两器，即蒸发器和冷凝器，和四个过程，蒸发、压缩、冷凝及膨胀过程。

[0003] 蒸发至压缩的过程，是合理的，蒸发产生的低温气体很适合直接进入压缩机被压缩，因为低温的冷气体比高温气体的压缩功耗低，而从冷凝至膨胀的过程却是不合理。因为
经过冷凝后的冷媒热液体还含有大量的显热，对于制冷而言，热流体直接膨胀降压，会抵消
蒸发器的冷量。

[0004] 对于制热而言，由于被加热的空气温度大大低于冷媒热流体的温度，冷媒热流体的显热其实可以被直接利用，同时，冷媒热流体的显热被吸收后，又可以增加蒸发器的制冷
量，即蒸发器从环境取热的能力，获得双倍的效果。

[0005] 对于制热而言，由于目前没有很好的融霜方式。结霜往往导致制热的恶化和中断。

[0006] 目前的空调器主要为温度的调节，湿度的处理功能较弱，尤其不能同时利用蒸发器冷却除湿降低绝对含湿量，利用冷凝升高温度降低相对湿度。

[0007] 对于舒适空调而言，湿度控制是更基本的人工环境要求，制冷降温及制热升温全年需要的时间短，而保持合适的相对湿度则是全年需要的，以保证人的健康卫生环境及建
筑设备的寿命。

[0008] 如南方地区梅雨季节的除湿就是一个突出的问题。

[0009] 对于制冷而言，目前经过空调蒸发器冷却后的送风温度均是饱和的空气，极易产生凝露，而部分精密空调采用了再热控制送风相对湿度，但往往采用电热方式，能耗大。

发明内容

[0010] 本发明提出了一种基于三器新型冷媒压缩循环的气体处理方法和系统可以有效的解决上述问题。

[0011] 一种基于三器冷媒循环的气体处理方法，所述三器为第一处理气体换热器，第二气体处理换热器和室外空气换热器，所述气体处理方法包括制热、制冷和除湿，制热时的冷
媒循环包括第一制热循环和第二制热循环，其中，第一制热循环为，冷媒依次经过压缩机、
第二气体换热器、四通阀、第一气体换热器、节流机构、室外空气换热器，然后通过四通阀回
到压缩机，室外空气经过室外空气换热器被冷媒冷却，被处理气体依次经过第一气体换热
器、第二气体换热器被冷媒连续加热实现制热。第二制热循环为，冷媒依次经过压缩机、第
二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到
压缩机内。其中冷媒对室外空气换热器进行在线融霜。被处理气体依次经过第一气体换热
器、第二气体换热器被冷媒加热实现制热。第一制热循环和第二制热循环通过四通阀进行
切换。

[0012] 制冷时的冷媒循环为：冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器的冷媒通道旁路或第二气体换热器的冷媒通道旁路和第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、
第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内。室外空气经过室外空气换热器被冷媒加
热，被处理气体先经过第一气体换热器被冷却实现制冷，再经过第二气体换热器温度不变
或被微再热，避免送风饱和。

[0013] 除湿时的冷媒循环为：冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机。室外空气经过室外空气
换热器被冷媒加热，被处理的气体先被第一气体换热器制冷除湿，再被第二气体换热器升
温降低相对湿度。

[0014] 进一步地，除湿时的冷媒循环中，通过调节经过第二气体换热器和第二气体换热器冷媒通道旁路的冷媒流量，调节被处理气体的温度和相对湿度。

[0015] 进一步地，第二制热循环时的通入的被处理气体流量小于第一制热循环。

[0016] 进一步地，所述四通阀由多个阀门组合替换。

[0017] 进一步地，所述被处理气体为室外新风，或者室内空气与室外新风的混合空气。

[0018] 本发明提供了一种基于三器冷媒循环的气体处理系统，系统含有第一气体换热器，第二气体换热器，室外空气换热器，压缩机，节流机构，四通阀。第一气体换热器和室外
空气换热器的冷媒通道接口一端分别与四通阀的一接口相连，第一气体换热器和室外空气
换热器的冷媒通道接口的另一端分别与节流机构的两端相连，压缩机进口、第二气体换热
器的冷媒通道出口分别与四通阀的另两接口相连，压缩机出口与第二气体换热器的冷媒通
道进口相连。第一气体换热器置于第二气体换热器的上游，被处理的气体先通入第一气体
换热器的气体通道，再通入第二气体换热器的气体通道，室外空气通入室外空气换热器的
气体通道。所述系统具有制热，除湿及在线融霜制热功能，通过四通阀切换实现功能转换。
制热时，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、第一气体换热器、节流机构、室外
空气换热器，然后通过四通阀回到压缩机。被处理的气体被加热。

[0019] 在线融霜制热时，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内。对室外空气换热器进行在
线融霜。

[0020] 除湿时，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机。被处理的气体先被第一气体换热器制冷
除湿，再被第二气体换热器升温降低相对湿度。

[0021] 进一步地，所述系统还设有第二气体换热器冷媒通道旁路及旁通阀，旁通阀两端分别与第二换热器的冷媒通道进出口相连。系统具有制热，制冷，除湿及在线融霜制热功
能，通过四通阀切换和旁通阀调节实现功能转换。制热时，旁通阀完全关闭，冷媒依次经过
压缩机、第二气体换热器、四通阀、第一气体换热器、节流机构、室外空气换热器，然后通过
四通阀回到压缩机。被处理的气体被加热。

[0022] 在线融霜制热时，旁通阀完全关闭，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内。冷媒对室
外空气换热器进行在线融霜。此时可通室外空气也可停止。

[0023] 制冷时，旁通阀打开，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器冷媒通道旁路、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机内。

[0024] 除湿时，冷媒依次经过压缩机、第二气体换热器、四通阀、室外空气换热器、节流机构、第一气体换热器，然后通过四通阀回到压缩机。被处理的气体先被第一气体换热器制冷
除湿，再被第二气体换热器升温降低相对湿度。

[0025] 进一步地，还可以通过旁通阀调节经过第二气体换热和第二气体换热器的旁通的冷媒流量，调节被处理气体的温度和相对湿度。

[0026] 进一步地，所述四通阀由多个阀门组合替换。

[0027] 进一步地，系统还含有用于输送被处理气体的第一风机，和用于输送室外空气的第二风机。

[0028] 进一步地，所述的气体为室外新风，或者室内空气与室外新风的混合空气。

[0029] 本发明基于三器冷媒循环的气体处理方法和系统，具有如下优势：

[0030] 1、提高系统能效，尤其是制热能效；

[0031] 2、完善系统功能，包括空调系统的独立除湿功能、改善空气品质；

[0032] 3、避免制冷时饱和送风；

[0033] 4、保证制热效果，系统不间断供热等；

[0034] 5简单可靠，成本低优势。

[0035] 本发明可用于各类空调热泵除湿系统，包括商用、民用及工业等各种不同场合。

附图说明

[0036] 图1为本发明的制冷/制热/除湿系统；

[0037] 图2为图1系统的制热循环一；

[0038] 图3为图1系统的制热循环二；

[0039] 图4为图1系统的制冷循环；

[0040] 图5为图1系统的除湿循环；

[0041] 图6为本发明的制热/除湿循环系统；

[0042] 图7为图6系统的制热循环一；

[0043] 图8为图6系统的制热循环二；

[0044] 图9为图6系统的除湿循环；

[0045] 图10为制热实例一的系统；

[0046] 图11为图10的对比系统；

[0047] 图12为制热实例二的系统；

[0048] 图13为图12的对比系统。

具体实施方式

[0049] 如图1所示，系统100具有制热，制冷，除湿及在线融霜制热功能，系统含有第一气体换热器102，第二气体换热器101，室外空气换热器107，压缩机104，节流机构108，四通阀
105，冷媒管道106，第二气体换热器101冷媒通道旁路及其旁通阀103和壳体109。第一气体
换热器102和室外空气换热器107的冷媒通道接口一端分别通过冷媒管道与四通阀的一接
口相连，第一气体换热器102和室外空气换热器107的冷媒通道接口的另一端通过冷媒管道
分别与节流机构108的两端相连，压缩机104进口、第二气体换热器101的冷媒通道出口分别
与四通阀的另两接口相连，压缩机104出口与第二气体换热器101的冷媒通道进口相连，旁
通阀103两端分别与第二换热器101的冷媒通道进出口相连。壳体109设有气体进出口，第一
气体换热器102，第二气体换热器101均置于壳体109内，且第一气体换热器102置于第二气
体换热器101的上游，被处理的气体先经过第一气体换热器102，再经过第二气体换热器
101，室外空气经过室外空气换热器107。

[0050] 制热时，关闭旁通阀103，包含两个制热循环，可交替进行，具体为：第一制热循环100A如图2所示，冷媒依次经过压缩机104、第二气体换热器101(功能为冷凝器)、四通阀
105、第一气体换热器102(功能为过冷器)、节流机构108、室外空气换热器107(功能为蒸发
器)，然后通过四通阀105回到压缩机104，被处理气体依次经过第一气体换热器102(功能为
过冷器)、第二气体换热器101(功能为冷凝器)，气体依次被冷媒加热，冷媒冷凝释放热量，
室外空气经过室外空气换热器107(功能为蒸发器)，室外空气被冷媒冷却，冷媒蒸发吸收热
量。当室外空气换热器107(功能为蒸发器)产霜后，可通过四通阀切换为第二制热循环，对
室外空气换热器融霜：第二制热循环100B，如图3所示，冷媒依次经过压缩机104、第二气体
换热器101(功能为冷凝器)、四通阀105、室外空气换热器107(功能为过冷器)、节流机构
108、第一气体换热器102(功能为蒸发器)，然后通过四通阀105回到压缩机104内，此时，室
外空气换热器107停止通入室外空气，室外空气换热器107冷媒侧通入高压热流体进行融
霜，室外空气换热器107转换为过冷器，第一空气换热器102转换为过冷器。气体依次经过第
一气体换热器102(功能为蒸发器)和第二气体换热器101(功能为冷凝器)，气体被冷媒加
热。

[0051] 第二制热循环时，气体依次经过蒸发器和冷凝器，蒸发器冷却气体，冷凝器加热气体，净制热效果为压缩机电耗产生的热量，所以制热量小于第一制热循环，可减低风量，保
证送风温度。

[0052] 如上所述，由于第二制热循环制热量小于第一制热循环，制热以第一制热循环为主循环，第二制热循环为辅循环。当第二制热循环完成室外空气换热器107融霜后，切换为
第一制热循环，继续制热。

[0053] 制冷循环100C，如图4所示，冷媒依次经过压缩机104、第二气体换热器101冷媒通道旁路、四通阀105、室外空气换热器107(功能为冷凝器)、节流机构108、第一气体换热器
102(功能为蒸发器)，然后通过四通阀105回到压缩机104内；此时，室外空气经过室外空气
换热器107被冷媒加热，室外空气换热器107的功能为冷凝器。第二气体换热器101被旁通
掉，即第二气体换热器旁通阀103开启，冷媒经过旁通阀103，气体经过第一气体换热器102
即蒸发器被冷媒冷却。特殊情况下可以考虑在第二气体换热器101的冷媒通道进出口加阀
(图中未显示)，杜绝少量热的冷媒进入第二气体换热器101，对冷却后的空气加热。大部分
情况下，少量热的冷媒通过第二气体换热器101，可以对蒸发器后的饱和冷空气微再热，避
免送风饱和，有利于空气的品质。

[0054] 除湿循环100D如图5所示，冷媒依次经过压缩机104、第二气体换热器101(功能为冷凝器)、四通阀105、室外空气换热器107(功能为过冷器)、节流机构108、第一气体换热器
102(功能为蒸发器)，然后通过四通阀105回到压缩机104，此时，室外空气通过室外空气换
热器107被加热，气体经过第一气体换热器102即蒸发器被冷媒冷却除湿，再经过第二气体
换热器101即冷凝器被加热，可以通过第二气体换热器101旁通阀调节经过第二气体换热器
101和第二气体换热器101的旁路冷媒流量，调节送风空气的温度和相对湿度。

[0055] 图6系统200为制热/除湿系统，与系统100不同，未设置第二气体换热器101旁通和旁通阀，因而没有制冷功能，同时由于没有旁通阀调节，也不能在除湿时通过旁通阀调节送
风的温度。其余与系统100相同。

[0056] 图7为系统200的第一制热循环200A,冷媒依次经过压缩机104、第二气体换热器101(功能为冷凝器)、四通阀105、第一气体换热器102(功能为过冷器)、节流机构108、室外
空气换热器107(功能为蒸发器)，然后通过四通阀105回到压缩机104，完成循环。

[0057] 图8为第二制热循环200B，冷媒依次经过压缩机104、第二气体换热器101(功能为冷凝器)、四通阀105、室外空气换热器107(功能为过冷器)、节流机构108、第一气体换热器
102(功能为蒸发器)，然后通过四通阀105回到压缩机104内，完成循环。

[0058] 图9为除湿循环200C，冷媒依次经过压缩机104、第二气体换热器101(功能为冷凝器)、四通阀105、室外空气换热器107(功能为过冷器)、节流机构108、第一气体换热器102
(功能为蒸发器)，然后通过四通阀105回到压缩机104完成循环。

[0059] 下面针对具体实施例对本发明作进一步说明。

[0060] 实施例一

[0061] 当室外温度0℃,室内空气温度为20℃,采用本发明100系统(如图10所示)加热室内空气时(其中压缩机为Danfoss VZH035CJ,R410A，蒸发器的蒸发温度为‑10℃、冷凝器的
冷凝温度为45℃)，系统整体性能如下：

[0062] 1.系统总制热,19.8kW(10+5+2.4+2.4),

[0063] 2.常规系统制热15kW(10+5)，其中，制冷10kW，耗电5kW

[0064] 3.过冷增加2.4kW制冷

[0065] 4.过冷增加2.4kW制热

[0066] 5.电耗,5kW

[0067] 6.COP,3.96

[0068] 采用常规系统(如图11所示)，加热室内空气时(其中压缩机为压缩机,Danfoss VZH044CJ,R410A，蒸发器的蒸发温度为‑10℃、冷凝器的冷凝温度为45℃)，系统整体性能如
下：

[0069] 1.制热,20kW

[0070] 2.电耗,6.51kW

[0071] 3.COP,3.07

[0072] 可见，本发明系统相比于常规系统，

[0073] a)额定制热量相同

[0074] b)实际制热量增大，无停机融霜

[0075] c)蒸发器换热面积增大

[0076] d)冷凝器换热面积减小

[0077] e)压缩机减小

[0078] f)增加过冷器

[0079] g)成本降低

[0080] h)COP增加，29％＝(3.96‑3.07)/3.07。

[0081] 实施例二

[0082] 当室外空气为‑10℃,采用本发明100系统(如图10所示)新风加热时(其中压缩机为Danfoss VZH028CH,R410A，蒸发器的蒸发温度为‑20℃、冷凝器的冷凝温度为45℃)，系统
整体性能如下：

[0083] 1.制热,14.8kW(5+3.8+3+3),

[0084] 2.常规系统制热8.8kW(5+3.8)，制冷5kW，耗电3.8kW

[0085] 3.过冷增加3kW制冷

[0086] 4.过冷增加3kW制热

[0087] 5.电耗,3.8kW

[0088] 6.COP,3.9

[0089] 采用常规系统(如图13所示)，加热室内空气时(其中压缩机为Danfoss DCJ106T2,R410A，蒸发器的蒸发温度为‑20℃、冷凝器的冷凝温度为45℃)，系统整体性能如下：

[0090] 1.制热,15.43kW

[0091] 2.电耗,6.6kW

[0092] 3.COP,2.33

[0093] 可见，本发明系统相比于常规系统，

[0094] a)额定制热量相同

[0095] b)实际制热量增大，无停机融霜

[0096] c)蒸发器换热面积增加

[0097] d)冷凝器换热面积减小

[0098] e)压缩机减小

[0099] f)增加过冷器

[0100] g)成本降低

[0101] h)COP增加，67％＝(3.9‑2.33)/2.33。