CN101936600A - 一种自调节稳态低温热泵热水器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种稳态流自调节低温热泵热水器，包括组成封闭主回路的蒸发器，冷凝器，压缩机，控制装置，四通换向阀及中压接收器和中间换热器，四通换向阀位于蒸发器和冷凝器之间一连接通路，中压接收器和中间换热器位于蒸发器和冷凝器之间另一连接通路位于所述封闭主回路上的温度传感器，电子膨胀阀及压力传感器，其特征在于，所述稳态流自调节低温热泵热水器在压缩机和中间换热器中间设置有补气回路。本发明提出的一种稳态流自调节低温热泵热水器，其首要目的是为了防止低环境温度下制热水能力的降低。其次目的在于，使冷凝器中热负荷发生变化时也能保证制冷剂状态的稳定，确保冷凝器中实现较高的热交换性能。

Description

一种自调节稳态低温热泵热水器及其运行方法 

技术领域

本发明涉及热泵热水器，特别是，本发明涉及一种稳态流自调节低温热泵热水器及其运用方法。 

背景技术

热泵热水器是最近几年新兴的热水制造设备，它以电为动力，安装方便、施工周期短、占地面积少、无需燃料堆放场所、无排渣的运输费用及三废处理开支、无需专门值班人员，对于城市密集地区的集中供热水系统来说，压缩式热泵热水机组表现出明显的优势。 

另一方面，热泵可通过吸收环境天然能源及余热、废热，全年供热、夏季供冷，是一种利用可再生能源的高效节能无污染的使用技术。热泵热水器的制热功率达300％以上，相同的输出，热泵热水器的输入功率只有电锅炉的1/3～1/4，对供电容量的压力不大，生产热水的成本只有电锅炉的1/3～1/4。 

热泵热水器同样可以使用蓄能装置，利用夜间低谷电制取一定温度的热水，储存于保温水箱内，供用电高峰时使用，起到削峰填谷作用。近年来，随着我国节能和环保要求的提高，热泵热水器在中央供热水系统中得到广泛应用。 

空气源热泵热水器在低环境温度(例如-10℃)的工况下，系统运行蒸发温度低，吸气比重小，循环流量小，吸气过热度无法得以保证，使得制热效率低下，而随着水温的逐渐升高，排气温度上升。尤其在高水温状态下(例如60℃)，系统压缩比过大，如果压缩机在这种过大压缩比的工况下长时间运行，会使润滑油变稀甚至碳化结焦，最终导致压缩机烧毁。同时传统的热泵热水器在制热时，冷凝器中的制冷剂状态随着制热负荷的变化而变化，从而产生热交换性能不稳定的问题。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种稳态流自调节低温热泵热水器，其首要目的是为了防止低环境温度下制热水能力的降低。其次目的在于，使冷凝器中热负荷发生变化时也能保证制冷剂状态的稳定，确保冷凝器中实现较高的热交换性能。 

本发明的技术方案如下：一种稳态流自调节低温热泵热水器，包括： 

组成封闭主回路(15)的蒸发器(1)、冷凝器(2)、压缩机(3)、控制装置(13)、四通换向阀(4)、中压接收器(5)及中间换热器(9)，四通换向阀(4)位于蒸发器(1)和冷凝器(2)之间的连接通路上，中压接收器(5)和中间换热器(9)位于蒸发器(1)和冷凝器(2)之间的另一连接通路上； 

位于所述封闭主回路15上的温度传感器，电子膨胀阀及压力传感器， 

其特征在于，所述稳态流自调节低温热泵热水器在压缩机(3)和中间换热器(9)中间设置有从出中压接收器(5)的管路上引出的经第三电子膨胀阀(8)、中间换热器(9)再回到压缩机(3)中间腔的补气回路(12)。 

根据本发明所述的稳态流自调节低温热泵热水器，其特征在于，所述电子膨胀阀包括第一电子膨胀阀6，第二电子膨胀阀7及第三电子膨胀阀8；所述第一电子膨胀阀6设置于冷凝器2和中压接收器5之间连接通路上，所述第二电子膨胀阀7设置于蒸发器1和中间换热器9之间连接通路上，所述第三电子膨胀阀8设置于中压接收器5和中间换热器9的分支连接通路上。 

根据本发明所述的稳态流自调节低温热泵热水器，其特征在于，所述温度传感器包括温度传感器10-1~10-7，所述温度传感器10-1~10-7的安装位置如下：10-1安装在压缩机的吸气管上，10-2安装在压缩机的排气管上，10-3安装在冷凝器与第一电子膨胀阀之间，10-4安装在第二电子膨胀阀与蒸发器之间，10-5安装在热泵热水器外部，10-6安装在水路出水管路上，10-7安装在进水管路上，10-8安装在压缩机吸气管上，10-9安装在压缩机排气管上。 

根据本发明所述的一种稳态流自调节低温热泵热水器，其特征在于，所述压力传感器包括压力传感器11-1~11-2，所述压力传感器11-1安装在压缩机吸气管上，11-2安装在压缩机排气管上。 

根据本发明，压缩机，用于水和制冷剂进行热交换的冷凝器，第二电子膨胀阀以及用于空气和制冷剂进行热交换的蒸发器，通过充满制冷剂的封闭管路连接起来形成 热泵主回路。在冷凝器和第二电子膨胀阀之间安装有中压接收器，用于使流动在冷凝器与第二电子膨胀阀制冷剂的制冷剂和流动在蒸发器与压缩机之间制冷剂进行热交换。在中压接收器与第二电子膨胀阀直接安装有中间换热器，并从中压接收器与中间换热器直接某一位置引出一中间补气回路，通过第三电子膨胀阀将制冷剂送入中间换热器和从主回路进入中间换热器的制冷剂进行热交换，最后送入压缩机的中间腔体。通过给压缩机补气，该热水器即使在高负荷和负荷变化较大的情况下，也能够防止低环境温度制热量的下降，如图1所示。 

另一方面，为了解决前述问题，本发明提出了一种稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法，其首要目的是为了防止低环境温度下制热水能力的降低。其次目的在于，使冷凝器中热负荷发生变化时也能保证制冷剂状态的稳定，确保冷凝器中实现较高的热交换性能。 

下面对该热水器的控制部分进行详细描述：当热泵热水器接通电源，在步骤S1中，首先根据温度传感器10-6判断出水温度是否达到机组设定的出水温度，若出水温度低于设定温度，则发出制热指令，热泵热水器自动运行。 

在步骤S2中，设定压缩机的容量，第一，第二，第三电子膨胀阀的开度均为初始设定值。 

在经过步骤S3预设时间间隔之后，根据操作条件，如下控制各执行装置。 

在步骤S4中，压缩机的容量发生变化。由于出水温度取决于冷凝温度，因此，可将冷凝温度定为出水温度的设定值(通常设定出水温度为冷凝温度下偏差5℃)。对压缩机容量进行控制的基础是系统运行时的冷凝温度，压力传感器11-2检测到的冷凝压力反馈到控制主板，由主板内部程序转换成冷凝温度，与设定的冷凝温度做比较，如果检测冷凝温度比设定冷凝温度低，且差值很大(例如大于10℃)，则压缩机的频率增加(即容量增加)，使制冷剂循环流量增大以便快速调节冷凝温度，使其接近设定冷凝温度，从而增加了冷凝器的热交换能力；如果检测冷凝温度比设定冷凝温度低，且差值小(例如小于10℃)，则压缩机的频率降低(即容量减小)，使制冷剂循环流量减小，减少冷凝器中的热交换能力。 

接下来，操作过程进入步骤S5，在这一过程，将冷凝器出口处制冷剂过冷度T1(检测冷凝压力所对应的冷凝温度与温度传感器10-3检测的制冷剂温度之间的差值)与第一电子膨胀阀设定的过冷度进行比较，以确定是否改变第一电子膨胀阀的开启度。 若过冷度T1等于设定值，则第一电子膨胀阀的开启度不会改变，操作过程进入步骤S7。若比设定值偏大或偏小，则进入步骤S6。 

在步骤S6中，如果过冷度T1比设定值大，则第一电子膨胀阀的开度增加，若过冷度T1比设定值小，则第一电子膨胀阀的开度减小，该过程调整直至过冷度T1等于设定值，进入步骤S7。 

在步骤S7中，将压缩机吸气过热度T2与(温度传感器10-1与10-4所测温度之间的差值)设定过热度进行比较，以确定是否改变第二电子膨胀阀的开启度。若过热度T2等于设定值，则第二电子膨胀阀的开启度不会改变，操作过程进入步骤S9。若比设定值偏大或偏小，进入步骤S8。 

在步骤S8中，如果过热度T2比设定值大，则第二电子膨胀阀的开度增加，若过热度T2比设定值小，则第二电子膨胀阀的开度减小，该过程调整直至过热度T2等于设定值，进入步骤S9。 

在步骤S9中，需要确定系统运行是否处于补气状态，若第三电子膨胀阀有开度即处于补气状态，则操作进入步骤S11；若第三电子膨胀阀无开度即未处于补气状态，则操作进入步骤S10。 

在步骤S10中，需要确定是否满足进入补气状态的预设条件，预设条件是外界环境低于某一设定值或进水温度高于某一设定值，即当温度传感器10-5的检测温度低于某一设定值或10-7的检测温度低于某一设定值，则第三电子膨胀阀开启，操作进入步骤S11，如果不满足预设条件，操作进入步骤S3。 

在步骤S11中，将压缩机排气口的过热度T3(温度传感器10-2的检测温度与压力传感器11-2检测到的冷凝压力所对应的冷凝温度之间的差值)与设定值进行比较，以确定是否改变第三电子膨胀阀的开启度。若过热度T3等于设定值，则第三电子膨胀阀的开启度不会改变，操作过程进入步骤S13。若比设定值偏大或偏小，进入步骤S12。 

在步骤S12中，第三电子膨胀阀的开启度发生了变化，在改变时，制冷剂状态也发生了如下变化。当第三电子膨胀阀的开度增大，流入补气回路中的制冷剂流量加大，则中间换热器补气回路一侧的制冷剂焓差减小(图2中点i到点j的差值)，以降低补气部分制冷剂的焓值(图2中点k)，相应的与补气部分制冷剂相混合的制冷剂焓值也降低，结果是压缩机排气口制冷剂焓值降低(图2中点a)。于是，压缩机排气口的过热度减小。相反，当第三电子膨胀阀开度减小，压缩机排气口制冷剂焓值增加，过热 度增加。因此，当检测过热度T3高于设定值时，增大第三电子膨胀阀的开度；当检测过热度T3低于设定值时，减小第三电子膨胀阀开度。接着操作进入步骤S13。 

在步骤S13中，需要确定是否停止补气。停止补气的预设条件为外界环境温度高于某一定值，进水温度低于某一定值，即当温度传感器10-5的检测温度高于某一设定值并且10-7的检测温度低于某一设定值时补气将在S14在这一步骤终止，操作过程回到S3，当两者有任一方不满足此条件，补气不停，操作过程回到S3。 

根据本发明所述的稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法，其特征在于，所述过冷度T1为检测冷凝压力所对应的冷凝温度与温度传感器10-3检测的制冷剂温度之间的差值。 

根据本发明所述的一种稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法，其特征在于，所述过热度T2为温度传感器10-1与10-4所测温度之间的差值。 

根据本发明所述的一种稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法，其特征在于，所述过热度T3为温度传感器10-2的检测温度与基于压力传感器11-2检测到的冷凝压力所计算出的冷凝温度之间的差值。 

根据本发明，安装有补气回路的热泵热水器，在不增加压缩机排气温度和过热度的情况下，提高了冷凝温度和制冷剂循环流量。因此，即便是在低环境温度或高负荷和负荷变化较大(20℃低水温加热至60℃高水温)状态下，系统运行的各项数据指标均能稳定在预设值，尤其是对过冷度和过热度的稳定优化，保证了两器的良好热交换性能从而保证了热水器的制热效率。 

附图说明

图1为自调节稳态低温热泵热水器工作原理图， 

图2为自调节稳态低温热泵热水器系统运行制冷剂压焓图， 

图3为自调节稳态低温热泵热水器控制方法步骤示意图， 

图中1为蒸发器、1a为风机、2为冷凝管、3为控制装置、4为四通换向阀、5为中压接收器、6为第一电子膨胀阀、7为第二电子膨胀阀、8为第三电子膨胀阀，、9为中间换热器、10-1～10-7为温度传感器、11-1～11-2为压力传感器、12为中间补气回路、13为控制装置、14为水路、15为封闭主回路，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l为制冷剂压焓状态点。 

具体实施方式

实施例1 

一种稳态流自调节低温热泵热水器，包括：组成封闭主回路15的蒸发器1、冷凝器2、压缩机3、控制装置13、四通换向阀4、中压接收器5及中间换热器9，四通换向阀4位于蒸发器1和冷凝器2之间的连接通路上，中压接收器5和中间换热器9位于蒸发器1和冷凝器2之间的另一连接通路上；位于所述封闭主回路15上的温度传感器10-1~10-7，电子膨胀阀，压力传感器11-1~11-2，在压缩机3和中间换热器9中间设置有从出中压接收器5的管路上引出的经第三电子膨胀阀8、中间换热器9再回到压缩机3中间腔的补气回路12。 

电子膨胀阀包括第一电子膨胀阀6、第二电子膨胀阀7及第三电子膨胀阀8，所述第一电子膨胀阀6设置于冷凝器2和中压接收器5之间连接通路上，所述第二电子膨胀阀7设置于蒸发器1和中间换热器9之间连接通路上，所述第三电子膨胀阀8设置于中压接收器5和中间换热器9的分支连接通路上。 

温度传感器包括温度传感器10-1~10-7，所述温度传感器10-1~10-7的安装位置如下：10-1安装在压缩机的吸气管上，10-2安装在压缩机的排气管上，10-3安装在冷凝器与第一电子膨胀阀之间，10-4安装在第二电子膨胀阀与蒸发器之间，10-5安装在热泵热水器外部，10-6安装在水路出水管路上，10-7安装在进水管路上，10-8安装在压缩机吸气管上，10-9安装在压缩机排气管上。 

压力传感器包括压力传感器11-1~11-2，所述压力传感器11-1安装在压缩机吸气管上，11-2安装在压缩机排气管上 

实施例2 

结合图2所示的压焓图，对该热水器的运行状态进行详细说明：在制热水模式下，压缩机3所排放出的高温高压的制冷剂气体(状态a)通过四通换向阀流入冷凝器2，将热量释放给水路14中流动的水，水被加热，同时自身冷凝成中温高压的制冷剂液体(状态b)。从冷凝器中流出的制冷剂液体被第一电子膨胀阀6稍微节流降压，转变成气液混合制冷剂(状态c)流入中压接收器5。接着，在中压接收器5中，制冷剂与压缩机吸气口前的低温低压制冷剂(状态g)发生热交换，被冷却成液态制冷剂(状态d)从中压接收器5中流出。此时，大部分制冷剂液体进入中间换热器9；小部分制冷剂 液体进入中间补气回路12，并由第三电子膨胀阀8进行节流降压至中压状态，变成低温两相制冷剂(状态i)，进入中间换热器9。这两部分制冷剂在中间换热器9中进行热交换，中间补气回路12中的制冷剂被升温(状态j)进入压缩机中间腔。主回路15中的制冷剂被进一步冷却(状态e)，继续被第二电子膨胀阀节流降压成低温低压的两相制冷剂(状态f)，流入蒸发器1。在蒸发器1中，制冷剂从风机1a传送的外部空气中吸收热量，蒸发汽化成低温低压制冷剂气体(状态g)，再次流经四通换向阀，在中压接收器5中与状态c的高压制冷剂进行热交换，进一步加热(状态h)并被吸入至压缩机3吸气腔。该状态的制冷剂在压缩机中被压缩加热(状态l)，与中间腔的制冷剂(状态j)混合(状态k)，最后被压缩成高温高压气体(状态a)排出，从而完成一个循环。 

根据本发明的稳态流自调节低温热泵热水器，可以防止低环境温度下制热水能力的降低，同时，使冷凝器中热负荷发生变化时也能保证制冷剂状态的稳定，确保冷凝器中实现较高的热交换性能。 

Claims (8)

1.一种稳态流自调节低温热泵热水器，包括：

组成封闭主回路(15)的蒸发器(1)、冷凝器(2)、压缩机(3)、控制装置(13)、四通换向阀(4)、中压接收器(5)及中间换热器(9)，四通换向阀(4)位于蒸发器(1)和冷凝器(2)之间的连接通路上，中压接收器(5)和中间换热器(9)位于蒸发器(1)和冷凝器(2)之间的另一连接通路上；

位于所述封闭主回路15上的温度传感器(10-1)~(10-7)，电子膨胀阀及压力传感器(11-1)~(11-2)，

其特征在于，所述稳态流自调节低温热泵热水器在压缩机(3)和中间换热器(9)中间设置有从出中压接收器(5)的管路上引出的经第三电子膨胀阀(8)、中间换热器(9)再回到压缩机(3)中间腔的补气回路(12)。

2.根据权利要求1所述的稳态流自调节低温热泵热水器，其特征在于，所述电子膨胀阀包括第一电子膨胀阀(6)、第二电子膨胀阀(7)及第三电子膨胀阀(8)，所述第一电子膨胀阀(6)设置于冷凝器(2)和中压接收器(5)之间连接通路上，所述第二电子膨胀阀(7)设置于蒸发器(1)和中间换热器(9)之间连接通路上，所述第三电子膨胀阀(8)设置于中压接收器(5)和中间换热器(9)的分支连接通路上。

3.根据权利要求1所述的稳态流自调节低温热泵热水器，其特征在于，所述温度传感器包括温度传感器(10-1)~(10-7)，所述温度传感器(10-1)~(10-7)的安装位置如下：(10-1)安装在压缩机的吸气管上，(10-2)安装在压缩机的排气管上，(10-3)安装在冷凝器与第一电子膨胀阀之间，(10-4)安装在第二电子膨胀阀与蒸发器之间，(10-5)安装在热泵热水器外部，(10-6)安装在水路出水管路上，(10-7)安装在进水管路上，(10-8)安装在压缩机吸气管上，(10-9)安装在压缩机排气管上。

4.根据权利要求1所述的一种稳态流自调节低温热泵热水器，其特征在于，所述压力传感器包括压力传感器(11-1)~(11-2)，所述压力传感器(11-1)安装在压缩机吸气管上，(11-2)安装在压缩机排气管上。

5.一种权利要求1所述的稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法，其特征在于，所述稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法包括下述控制步骤：

热泵热水器接通电源；

步骤S1，首先根据温度传感器(10-6)，判断出水温度是否达到机组设定的出水温度，若出水温度低于设定温度，发出制热指令，热泵热水器自动运行；

步骤S2，设定压缩机的容量，第一，第二，第三电子膨胀阀的开度均为初始设定值；

步骤S3，预设风机和压缩机的初始启动间隔时间；

步骤S4，将冷凝温度定为出水温度的设定值，将压力传感器(11-2)检测到的冷凝压力反馈到控制主板，由主板内部程序转换成检测冷凝温度，与设定的冷凝温度做比较，如果检测冷凝温度比设定冷凝温度低，且差值大于10℃，则压缩机的频率增加，如果检测冷凝温度比设定冷凝温度低，且差值小于10℃，则压缩机的频率降低；

步骤S5，将冷凝器出口处制冷剂过冷度T1与第一电子膨胀阀设定的过冷度进行比较，若过冷度T1等于设定值，则第一电子膨胀阀的开启度不会改变，操作过程进入步骤S7，若比设定值偏大或偏小，则进入步骤S6；

步骤S6，如果过冷度T1比设定值大，则第一电子膨胀阀的开度增加，若过冷度T1比设定值小，则第一电子膨胀阀的开度减小，该过程调整直至过冷度T1等于设定值，进入步骤S7；

步骤S7：将压缩机吸气过热度T2与设定过热度进行比较，若过热度T2等于设定值，则第二电子膨胀阀的开启度不会改变，操作过程进入步骤S9，若比设定值偏大或偏小，进入步骤S8；

步骤S8，如果过热度T2比设定值大，则第二电子膨胀阀的开度增加，若过热度T2比设定值小，则第二电子膨胀阀的开度减小，该过程调整直至过热度T2等于设定值，进入步骤S9；

步骤S9，若第三电子膨胀阀有开度，则操作进入步骤S11；若第三电子膨胀阀无开度，则操作进入步骤S10；

步骤S10，当温度传感器(10-5)的检测温度低于某一设定值或温度传感器(10-7)的检测温度高于某一设定值，则第三电子膨胀阀开启，操作进入步骤S11，如果不满足预设条件，则操作进入步骤S3；

步骤S11，若过热度T3等于设定值，则第三电子膨胀阀的开启度不会改变，操作过程进入步骤S13，若比设定值偏大或偏小，进入步骤S12；

步骤S12，当检测过热度T3高于设定值时，增大第三电子膨胀阀的开度；当检测过热度T3低于设定值时，减小第三电子膨胀阀开度；

步骤S13，当温度传感器(10-5)的检测温度高于某一设定值并且(10-7)的检测温度低于某一设定值时，补气将在S14在这一步骤终止，操作过程回到S3，当两者有任一方不满足此条件，补气不停，操作过程回到S3。

6.根据权利要求5所述的稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法，其特征在于，所述过冷度T1为检测冷凝压力所对应的冷凝温度与温度传感器(10-3)检测的制冷剂温度之间的差值。

7.根据权利要求5所述的一种稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法，其特征在于，所述过热度T2为温度传感器(10-1)与(10-4)所测温度之间的差值。

8.根据权利要求5所述的一种稳态流自调节低温热泵热水器的运行方法，其特征在于，所述过热度T3为温度传感器(10-2)的检测温度与基于压力传感器(11-2)检测到的冷凝压力所计算出的冷凝温度之间的差值。

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