低温环境高效运行的燃气机热泵热水系统的制作方法

1.本发明属于燃气机热泵技术领域，更具体的，涉及一种低温环境高效运行的燃气机热泵热水系统。

背景技术：

2.天然气作为一种清洁能源，逐步成为现代清洁能源体系的主体能源之一，目前天然气在一次能源消费中的占比逐年增高，天然气仍将保持快速的发展势头，且市场容量巨大。
3.近年来，包括港华、华润燃气等已开始加大在天然气高效利用技术和设备的探索与储备。为用户提供具有竞争力的能源供应方案，来逐步扩大天然气的应用面和销售量，必将成为各大城市燃气运营商的不二选择。
4.燃气机热泵（gas engine heat pump, ghp）的工作原理与电动热泵(electricity-driven heat pump，ehp)基本相同，不同是以天然气发动机取代电动机、驱动压缩机运转，同时供热模式下回收发动机缸套冷却热和烟气余热，补充采暖或提供生活用热水，也可用来除湿等。与ehp相比，ghp具有一次能源利用率高、供热温度高、供热速度快、部分负荷运行特性好的优点。但在寒冷地区，ghp系统的制热能力会随着室外温度的变化而变化，室外温度越低，供暖性能越差。一旦温度低于空气源热泵的原设定工作温度值时，就会导致整台设备系统的运行异常或作业停止。

技术实现要素：

5.针对现有燃气机热泵技术在低温环境经常运行异常或作业停止的缺陷，本发明提供了一种可应用于寒冷地区低温环境下的燃气机热泵系统，其具有灵活性高、效率高、能耗低且系统污染物排放少的优点。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：本发明提供的一种低温环境高效运行的燃气机热泵热水系统，其包括空气源热泵系统、发动机余热回收系统、发动机动力传动系统和热水系统；所述空气源热泵系统包括低压压缩机、高压压缩机、油气分离器、四通换向阀、冷凝器、第一节流阀、中间换热器、第二节流阀、蒸发器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门；其中，所述四通换向阀设有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口；所述中间换热器设有第一通路和第二通路；所述低压压缩机、所述第五阀门、所述高压压缩机、所述油气分离器连接至所述四通换向阀的第一入口，所述四通换向阀的第一出口经过所述冷凝器后分为两路，其中一路经过所述中间换热器的第一通路、所述第二节流阀、所述蒸发器连接至所述四通换向阀的第二入口，其中另一路经过所述第一阀门、所述第一节流阀、所述中间换热器的第二通路、所述第二阀门连接至所述高压压缩机；所述四通换向阀的第二出口通过所述第三阀门连接至所述高压压缩机，且所述四通换向阀的第二出口通过所述第四阀门
连接至所述低压压缩机；所述低压压缩机和所述高压压缩机均通过所述发动机动力传动系统连接至所述发动机余热回收系统；所述冷凝器连接至所述热水系统及所述发动机动力传动系统；所述蒸发器连接至所述发动机动力传动系统。
7.在其中一实施例中，优选的，在所述第一阀门、所述第二阀门、所述第四阀门、所述第五阀门打开且所述第三阀门关闭时，所述空气源热泵系统处于双级压缩运行工况，制冷剂经过低压压缩机压缩后，与经过中间换热器换热后的制冷剂混合，进入高压压缩机，经压缩后进入冷凝器加热所述热水系统的回水，高温高压制冷剂被冷凝为具有一定过冷度的液态制冷剂，液态制冷剂被分为两股，一股经过所述第一节流阀节流降温降压后，经过所述中间换热器的第二通路后与低压压缩机出口的制冷剂混合，另一股经过所述中间换热器的第一通路降温后，经第二节流阀降温降压，最后进入所述蒸发器与空气和所述发动机余热回收系统中经过热回收后的烟气进行换热，转化为低温低压的气态制冷剂，最后进入所述低压压缩机，完成热泵系统中制冷剂的循环。
8.在其中一实施例中，优选的，通过控制所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门、所述第五阀门和所述发动机动力传动系统实现所述低压压缩机的投运和切断。
9.在其中一实施例中，优选的，所述发动机动力传动系统包括燃气发动机和电磁离合器，所述燃气发动机的动力能够通过所述电磁离合器传输到所述低压压缩机和所述高压压缩机；通过控制所述电磁离合器实现所述低压压缩机和所述高压压缩机的投运和断开。
10.在其中一实施例中，优选的，所述发动机动力传动系统中所使用的传动方式为皮带传动，所述低压压缩机和所述高压压缩机通过所述电磁离合器与皮带轮进行连接。
11.在其中一实施例中，优选的，所述发动机余热回收系统包括燃气发动机、三元催化器、第一烟气换热器、冷却液换热器、内循环水泵和第二烟气换热器；其中，所述燃气发动机、所述三元催化器、所述第一烟气换热器、所述内循环水泵、所述冷却液换热器形成第一余热回收通路；在第一余热回收通路中，内循环冷却液进入所述燃气发动机缸套内，吸收所述燃气发动机运行中产生的热量后，依次经过所述三元催化器和所述第一烟气换热器吸收烟气中的热量，最后进入所述冷却液换热器加热所述热水系统的冷水产生热水，冷却后的冷却液返回所述燃气发动机的缸套中完成冷却液循环。
12.在其中一实施例中，优选的，所述燃气发动机、所述三元催化器、所述第一烟气换热器、所述第二烟气换热器、所述蒸发器形成第二余热回收通路；在第二余热回收通路中，所述燃气发动机所产生的烟气分别经过所述三元催化器、所述第一烟气换热器和所述第二烟气换热器回收热量后，最终进入所述蒸发器中与空气混合后排出。
13.在其中一实施例中，优选的，所述热水系统包含水泵、冷凝器、第二烟气换热器、冷却液换热器和储热水箱；冷水经所述水泵加压进入冷凝器吸收制冷剂冷凝所释放的热量后，进入所述第二烟气换热器进一步吸收烟气中的热量，再接入所述冷却液换热器中吸收冷却液中的热量，产生的热水进入到所述储热水箱中。
14.在其中一实施例中，优选的，所述储热水箱还设有供热水管路；所述储热水箱供应
的热水温度为45℃~80℃。
15.在其中一实施例中，优选的，所述低压压缩机、所述高压压缩机为开启式涡旋压缩机或开启式往复式压缩机。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：首先，能够根据使用环境条件，灵活的切换热泵系统的单机压缩模式和双级压缩模式，可极大提高燃气机热泵系统的环境适应能力，解决了燃气机热泵机组在低温环境中，效率低甚至无法使用的问题，提高了系统的运行效率和运行可靠性，降低了传统燃气机系统低温环境时对化石燃料的消耗量；其次，通过梯级布置的热回收系统，能够最大限度的回收燃气发动机运行所产热的热量和烟气中的余热，最后烟气通入蒸发器中进行热交换，提高了系统的运行热效率，可有效的降低热水能耗。
附图说明
17.图1为本发明的整体结构示意图。
18.附图标记：1-低压压缩机、2-高压压缩机、3-油气分离器、4-四通换向阀、5-冷凝器、6-第一节流阀、7-中间换热器、8-第二节流阀、9-蒸发器、10-第一阀门、11-第二阀门、12-第三阀门、13-第四阀门、14-第五阀门、15-第二烟气换热器、16-冷却液换热器、17-发动机、18-三元催化器、19-第一烟气换热器、20-内循环泵、21-储热水箱、22-水泵、23-电磁离合器。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图1所示，本发明提供的一种低温环境高效运行的燃气机热泵热水系统，其包括空气源热泵系统、发动机余热回收系统、发动机动力传动系统和热水系统，可应用于寒冷地区低温环境下实现高效运行。空气源热泵系统主要用于通过制冷剂的循环，吸收空气中的热能；发动机余热回收系统用于回收发动机运行过程中所产生的热量和烟气中的余热；发动机动力传动系统为空气源热泵系统中的压缩机提供动力源；热水系统是为了吸收空气源热泵系统和发动机余热系统中所产生的热量，为用户提供热水。
21.所述空气源热泵系统包括低压压缩机1、高压压缩机2、油气分离器3、四通换向阀4、冷凝器5、第一节流阀6、中间换热器7、第二节流阀8、蒸发器9、第一阀门10、第二阀门11、第三阀门12、第四阀门13、第五阀门14。
22.其中，所述四通换向阀4设有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口；所述中间换热器7设有第一通路和第二通路；所述低压压缩机1、所述第五阀门14、所述高压压缩机2、所述油气分离器3连接至所述四通换向阀4的第一入口，所述四通换向阀4的第一出口经过所述冷凝器5后分为两路，其中一路经过所述中间换热器7的第一通路、所述第二节流阀8、
所述蒸发器9连接至所述四通换向阀4的第二入口，其中另一路经过所述第一阀门10、所述第一节流阀6、所述中间换热器7的第二通路、所述第二阀门11连接至所述高压压缩机2；所述四通换向阀4的第二出口通过所述第三阀门12连接至所述高压压缩机2，且所述四通换向阀4的第二出口通过所述第四阀门13连接至所述低压压缩机1。
23.所述低压压缩机1和所述高压压缩机2均通过所述发动机动力传动系统连接至所述发动机余热回收系统；所述冷凝器5连接至所述热水系统及所述发动机动力传动系统；所述蒸发器9连接至所述发动机动力传动系统。
24.在本实施例中，在所述第一阀门10、所述第二阀门11、所述第四阀门13、所述第五阀门14打开且所述第三阀门12关闭时，所述空气源热泵系统处于双级压缩运行工况，制冷剂经过低压压缩机1压缩后，与经过中间换热器7换热后的制冷剂混合，进入高压压缩机2，经压缩后进入冷凝器5加热所述热水系统的回水，高温高压制冷剂被冷凝为具有一定过冷度的液态制冷剂，液态制冷剂被分为两股，一股经过所述第一节流阀6节流降温降压后，经过所述中间换热器7的第二通路后与低压压缩机1出口的制冷剂混合，另一股经过所述中间换热器7的第一通路降温后，经第二节流阀8降温降压，最后进入所述蒸发器9与空气和所述发动机余热回收系统中经过热回收后的烟气进行换热，转化为低温低压的气态制冷剂，最后进入所述低压压缩机1，完成热泵系统中制冷剂的循环。
25.在本实施例中，通过控制所述第一阀门10、所述第二阀门11、所述第三阀门12、所述第四阀门13、所述第五阀门14和所述发动机动力传动系统实现所述低压压缩机1的投运和切断。
26.在本实施例中，所述发动机动力传动系统包括燃气发动机17和电磁离合器23，所述燃气发动机17的动力能够通过所述电磁离合器23传输到所述低压压缩机1和所述高压压缩机2；通过控制所述电磁离合器23实现所述低压压缩机1和所述高压压缩机2的投运和断开。
27.在本实施例中，所述发动机动力传动系统中所使用的传动方式为皮带传动，所述低压压缩机1和所述高压压缩机2通过所述电磁离合器23与皮带轮进行连接。
28.在本实施例中，所述发动机余热回收系统包括燃气发动机17、三元催化器18、第一烟气换热器19、冷却液换热器16、内循环水泵20和第二烟气换热器15。
29.其中，所述燃气发动机17、所述三元催化器18、所述第一烟气换热器19、所述内循环水泵20、所述冷却液换热器16形成第一余热回收通路。
30.在第一余热回收通路中，内循环冷却液进入所述燃气发动机17缸套内，吸收所述燃气发动机17运行中产生的热量后，依次经过所述三元催化器18和所述第一烟气换热器19吸收烟气中的热量，最后进入所述冷却液换热器16加热所述热水系统的冷水产生热水，冷却后的冷却液返回所述燃气发动机17的缸套中完成冷却液循环。
31.在本实施例中，所述燃气发动机17、所述三元催化器18、所述第一烟气换热器19、所述第二烟气换热器15、所述蒸发器9形成第二余热回收通路。
32.在第二余热回收通路中，所述燃气发动机17所产生的烟气分别经过所述三元催化器18、所述第一烟气换热器19和所述第二烟气换热器15回收热量后，最终进入所述蒸发器9中与空气混合后排出。
33.在本实施例中，所述热水系统包含水泵22、冷凝器5、第二烟气换热器15、冷却液换
热器16和储热水箱21；冷水经所述水泵22加压进入冷凝器5吸收制冷剂冷凝所释放的热量后，进入所述第二烟气换热器15进一步吸收烟气中的热量，再接入所述冷却液换热器16中吸收冷却液中的热量，产生的热水进入到所述储热水箱21中，并提供给用户。
34.在本实施例中，所述储热水箱21还设有供热水管路；所述储热水箱21供应的热水温度为45℃~80℃。
35.在本实施例中，所述低压压缩机1、所述高压压缩机2为开启式涡旋压缩机或开启式往复式压缩机。
36.本发明通过双级压空气源热泵技术，解决了低温环境时，燃气机热泵制热效率低的问题，并能够根据环境温度不同，通过阀门和传动系统的配合灵活的切换燃气机热泵系统中压缩机的运行方式，实现燃气机热泵系统持续高效运行，降低系统能耗，减少二氧化碳的排放。
37.所述的热水系统串联了空气源热泵系统中的冷凝器，发动机余热回收系统中的烟气换热器和板式换热器，吸收了冷凝器中制冷剂冷凝释放的热量以及发动机的余热。所述的空气源热泵系统，包含低压压缩机、高压压缩机、设置了五个电磁阀用以实现低压压缩机的运行和旁路切换，实现机组在低温环境工况下能够高效的运行。本发明专利可灵活的切换压缩机的运行模式，实现系统在低温环境和正常环境工况下均能高效运行。
38.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：首先，能够根据使用环境条件，灵活的切换热泵系统的单机压缩模式和双级压缩模式，可极大提高燃气机热泵系统的环境适应能力，解决了燃气机热泵机组在低温环境中，效率低甚至无法使用的问题，提高了系统的运行效率和运行可靠性，降低了传统燃气机系统低温环境时对化石燃料的消耗量；其次，通过梯级布置的热回收系统，能够最大限度的回收燃气发动机运行所产热的热量和烟气中的余热，最后烟气通入蒸发器中进行热交换，提高了系统的运行热效率，可有效的降低热水能耗。
39.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
40.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种低温环境高效运行的燃气机热泵热水系统，其特征在于，包括空气源热泵系统、发动机余热回收系统、发动机动力传动系统和热水系统；所述空气源热泵系统包括低压压缩机（1）、高压压缩机（2）、油气分离器（3）、四通换向阀（4）、冷凝器（5）、第一节流阀（6）、中间换热器（7）、第二节流阀（8）、蒸发器（9）、第一阀门（10）、第二阀门（11）、第三阀门（12）、第四阀门（13）、第五阀门（14）；其中，所述四通换向阀（4）设有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口；所述中间换热器（7）设有第一通路和第二通路；所述低压压缩机（1）、所述第五阀门（14）、所述高压压缩机（2）、所述油气分离器（3）连接至所述四通换向阀（4）的第一入口，所述四通换向阀（4）的第一出口经过所述冷凝器（5）后分为两路，其中一路经过所述中间换热器（7）的第一通路、所述第二节流阀（8）、所述蒸发器（9）连接至所述四通换向阀（4）的第二入口，其中另一路经过所述第一阀门（10）、所述第一节流阀（6）、所述中间换热器（7）的第二通路、所述第二阀门（11）连接至所述高压压缩机（2）；所述四通换向阀（4）的第二出口通过所述第三阀门（12）连接至所述高压压缩机（2），且所述四通换向阀（4）的第二出口通过所述第四阀门（13）连接至所述低压压缩机（1）；所述低压压缩机（1）和所述高压压缩机（2）均通过所述发动机动力传动系统连接至所述发动机余热回收系统；所述冷凝器（5）连接至所述热水系统及所述发动机动力传动系统；所述蒸发器（9）连接至所述发动机动力传动系统。2.如权利要求1所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，在所述第一阀门（10）、所述第二阀门（11）、所述第四阀门（13）、所述第五阀门（14）打开且所述第三阀门（12）关闭时，所述空气源热泵系统处于双级压缩运行工况，制冷剂经过低压压缩机（1）压缩后，与经过中间换热器（7）换热后的制冷剂混合，进入高压压缩机（2），经压缩后进入冷凝器（5）加热所述热水系统的回水，高温高压制冷剂被冷凝为具有一定过冷度的液态制冷剂，液态制冷剂被分为两股，一股经过所述第一节流阀（6）节流降温降压后，经过所述中间换热器（7）的第二通路后与低压压缩机（1）出口的制冷剂混合，另一股经过所述中间换热器（7）的第一通路降温后，经第二节流阀（8）降温降压，最后进入所述蒸发器（9）与空气和所述发动机余热回收系统中经过热回收后的烟气进行换热，转化为低温低压的气态制冷剂，最后进入所述低压压缩机（1），完成热泵系统中制冷剂的循环。3.如权利要求1所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，通过控制所述第一阀门（10）、所述第二阀门（11）、所述第三阀门（12）、所述第四阀门（13）、所述第五阀门（14）和所述发动机动力传动系统实现所述低压压缩机（1）的投运和切断。4.如权利要求1所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，所述发动机动力传动系统包括燃气发动机（17）和电磁离合器（23），所述燃气发动机（17）的动力能够通过所述电磁离合器（23）传输到所述低压压缩机（1）和所述高压压缩机（2）；通过控制所述电磁离合器（23）实现所述低压压缩机（1）和所述高压压缩机（2）的投运和断开。5.如权利要求4所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，所述发动机动力传动系统中所使用的传动方式为皮带传动，所述低压压缩机（1）和所述高压压缩机（2）通过所述电磁离合器（23）与皮带轮进行连接。6.如权利要求1所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，所述发动机余热回收系统包括燃气发动机（17）、三元催化器（18）、第一烟气换热器（19）、冷却液换热器
（16）、内循环水泵（20）和第二烟气换热器（15）；其中，所述燃气发动机（17）、所述三元催化器（18）、所述第一烟气换热器（19）、所述内循环水泵（20）、所述冷却液换热器（16）形成第一余热回收通路；在第一余热回收通路中，内循环冷却液进入所述燃气发动机（17）缸套内，吸收所述燃气发动机（17）运行中产生的热量后，依次经过所述三元催化器（18）和所述第一烟气换热器（19）吸收烟气中的热量，最后进入所述冷却液换热器（16）加热所述热水系统的冷水产生热水，冷却后的冷却液返回所述燃气发动机（17）的缸套中完成冷却液循环。7.如权利要求6所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，所述燃气发动机（17）、所述三元催化器（18）、所述第一烟气换热器（19）、所述第二烟气换热器（15）、所述蒸发器（9）形成第二余热回收通路；在第二余热回收通路中，所述燃气发动机（17）所产生的烟气分别经过所述三元催化器（18）、所述第一烟气换热器（19）和所述第二烟气换热器（15）回收热量后，最终进入所述蒸发器（9）中与空气混合后排出。8.如权利要求1所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，所述热水系统包含水泵（22）、冷凝器（5）、第二烟气换热器（15）、冷却液换热器（16）和储热水箱（21）；冷水经所述水泵（22）加压进入冷凝器（5）吸收制冷剂冷凝所释放的热量后，进入所述第二烟气换热器（15）进一步吸收烟气中的热量，再接入所述冷却液换热器（16）中吸收冷却液中的热量，产生的热水进入到所述储热水箱（21）中。9.如权利要求8所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，所述储热水箱（21）还设有供热水管路；所述储热水箱（21）供应的热水温度为45℃~80℃。10.如权利要求1所述的低温环境高效运行的燃气机热泵系统，其特征在于，所述低压压缩机（1）、所述高压压缩机（2）为开启式涡旋压缩机或开启式往复式压缩机。

技术总结

本发明专利公开了一种低温环境高效运行的燃气机热泵热水系统，包括空气源热泵系统、发动机动力系统、发动机余热回收系统、传动系统和热水系统组成；所述的热水系统串联了空气源热泵系统中的冷凝器，发动机余热回收系统中的烟气换热器和板式换热器，吸收了冷凝器中制冷剂冷凝释放的热量以及发动机的余热。所述的空气源热泵系统，包含低压压缩机、高压压缩机、设置了五个电磁阀用以实现低压压缩机的运行和旁路切换，实现机组在低温环境工况下能够高效的运行。本发明专利可灵活的切换压缩机的运行模式，实现系统在低温环境和正常环境工况下均能高效运行。均能高效运行。均能高效运行。