CN102767921B - 一种双路预冷的高效热泵装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种双路预冷的高效热泵装置及其控制方法。高效热泵装置包括有集热蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、主控制阀、预冷器、冷水进水控制阀、运行控制装置，集热蒸发器的出口与主控制阀的入口相连，主控制阀的两个出口并联有两条回路，该两条回路的末端会合后与压缩机的进口相连；压缩机的出口端依次连接冷凝器及膨胀阀，膨胀阀与集热蒸发器的进口连接；集热蒸发器的出口和压缩机的出口装设有制冷工质压力/温度传感器，传感器的信号输出端与运行控制装置的信号输入端连接，运行控制装置的控制信号输出端与主控制阀和冷水进水控制阀电连接。本发明能在炎热季节或高温环境中可靠、长期的运行，能提高热泵装置效益，尤其适用于运行工况多变的热泵系统。

Description

一种双路预冷的高效热泵装置及其控制方法

技术领域

本发明是一种双路预冷的高效热泵装置及其控制方法，特别涉及一种工作条件在大范围内变化，如全年冬夏气温变化和太阳辐射强度变化，或外界高温环境条件变化的双路预冷热泵装置及其控制方法，属于热泵装置及其控制方法的创新技术。

背景技术

近年来，随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，家庭和商业用能源消耗中，热水所占的比重日益增加。太阳能热泵热水系统能以较低的能量消耗满足生产生活对热水的需求，因其节能、环保的显著特点而越来越受到广泛关注。但是太阳辐射强度有季节变化，按照春秋季节工况设计的热泵系统普遍存在着夏季蒸发热量过裕的问题，带来热泵系统夏季排气温度过高，引起高温保护，频繁启停，效率下降，寿命降低等问题，甚至无法正常工作。因此普通热泵系统无法满足夏季工况的高效运行的功能。高温下工作的热泵系统也有同样问题。

压缩机在恶劣工况下运行时普遍存在运行不稳定，寿命降低等缺陷，一般会采用高温保护和高压保护装置，使压缩机在排气温度或排气压力到达一定参数后停止运行，保障其不受危害。需要满足全年运行要求的热泵热水系统，在炎热季节工作时会极大地偏离设计工况，容易导致停机保护，从而浪费相对优质的高温热源，导致运行效率降低。为使热泵能在强太阳辐射或高温环境中高效、稳定、可靠地运行，国内外进行了许多技术研发和改进。变容量压缩机技术是最直观，应用面最广的技术，也在高温热泵领域取得了众多成果。利用多台压缩机的串并联,是实现变工况下的系统稳定运行的有效解决方法。清华大学发明的一种多级串联大温差压缩式热泵机组,中国发明专利号200710099607.X，采用多级冷凝器,蒸发器,压缩机及相应的截流装置的串联系统,实现性能系数的高水平,提高综合能效;中国科学院广州能源所的实用新型专利“高温热泵制冷机组”, 中国专利号02226245.8,采用多台热泵制冷机组组合而成机组,循环系统独立但共用水系统,不论制热运行或制冷运行都能输出高温热水,能满足不同的需要,清华大学的实用新型专利“高温热泵热水器”, 中国专利号200420064269.8,采用多重毛细管或电子膨胀阀实现节流,由CPU模糊控制单元和电器组成的控制单元以及强化传热的选换水泵,实现不同大气温度下的优化控制,具有出水温度高、节能及压缩机排气压力低等优点。总的来说，这些技术都能很好的解决变工况条件下系统的稳定运行问题，但是多个压缩机串并联在经济性与维护方面对装置提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种降低装置成本，提高系统效率和可靠性的双路预冷的高效热泵装置。本发明设计合理，方便实用。

本发明的另一目的在于提供一种控制简单，操作方便的双路预冷的高效热泵装置的控制方法。

本发明的技术方案是：本发明的双路预冷的高效热泵装置，包括有集热蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、主控制阀、冷水进口、热水出口、预冷器、冷水进水控制阀、制冷工质压力/温度传感器、运行控制装置，集热蒸发器的出口与主控制阀的入口相连，主控制阀的两个出口并联有两条回路，该两条回路分别是旁通回路及装有预冷器的回路，该两条回路的末端会合后与压缩机的进口相连；压缩机的出口端依次连接冷凝器及膨胀阀，膨胀阀与集热蒸发器的进口连接；冷水进口与冷水进水控制阀的入口相连，冷水进水控制阀的两个出口分别与冷凝器的进水口连接及与预冷器的进水口连接，预冷器的出水口与冷凝器的进水口连接；集热蒸发器的出口和压缩机的出口装设有制冷工质压力/温度传感器，制冷工质压力/温度传感器的信号输出端与运行控制装置的信号输入端连接，运行控制装置的控制信号输出端与主控制阀和冷水进水控制阀电连接。

上述膨胀阀是电子膨胀阀。

上述集热蒸发器是直膨式太阳能-空气源双源一体式高效集热蒸发器,或者是平板式太阳能集热器，或者是承压间壁式换热器。

上述预冷器和冷凝器是板式换热器，或者是承压间壁式换热器。

上述主控制阀和冷水进水控制阀是三通阀，或分别用两个二通阀组合。

本发明双路预冷的高效热泵装置的控制方法，根据两种工况进行控制，具体控制方法如下：：

1）普通工况：当系统的进气压力没有达到压缩机高温保护值，由集热蒸发器、压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、主控制阀、冷水进口、热水出口完成制热工作，此时运行控制装置同时控制二个阀门的工作：主控制阀中的ac通路开启，b关闭；冷水进水控制阀阀中的ac通路开启，b关闭，制冷剂在集热蒸发器中吸收来自太阳辐射或空气热源或其它热源的热量后变成低温低压的气态，经主控制阀中的ac通路进入压缩机，被压缩成高温高压的气态制冷剂，再进入冷凝器与冷水进口流入的待加热水进行换热，被冷凝成过冷高压液体后进入膨胀阀节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，再次进入集热蒸发器，完成制热循环；待加热水经冷水进口在冷凝器中被加热后通过热水出口流出；

2）高温工况：当系统的进气压力接近压缩机高温保护值，由集热蒸发器、主阀、压缩机、冷凝器、膨胀阀、冷水进口、热水出口和 预冷器完成制热工作。此时运行控制装置同时控制二个阀门的动作：主控制阀中的ab通路开启，c关闭，冷水进水控制阀中的ab通路开启，c关闭；来自集热蒸发器的气态工质流经预冷器，与来自冷水入口的待加热水初次换热，将高温蒸气的过裕热量吸收后，再进入压缩机，被压缩成高温高压的气态制冷剂，然后进入冷凝器与来自预冷器的初次加热水再次换热，冷凝成过冷高压液体后进入膨胀阀节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，并再次进入集热蒸发器，完成制热循环；待加热水经冷水进口先进入预冷器初步换热，再在冷凝器中继续吸热后通过热水出口流出。

本发明从弱化压缩机吸气温度与蒸发器出口温度的关联入手，联系热泵热水系统的结构特点与温度分布特点，不仅具有普通热泵装置在全年工况的性能和功用，而且能在炎热季节中稳定、可靠地运行，能大幅减少高温带来的停机保护，同时保护热泵装置安全和寿命，在高温工况下运行具有更高的性能系数和制热能力，提高热泵装置效益。本发明的热泵系统为热泵压缩机吸气温度控制系统，不仅能够满足全年工况下的性能和使用，而且能在炎热季节或高温环境中可靠、长期的运行，并且具有更高的性能系数。本发明提出一种在炎热季节强太阳辐射或外界高温环境条件下利用双路预冷保持高效运行的热泵装置及其控制方法。该高效热泵装置增加热泵装置制冷循环的回路数量，增设控制单元和预冷器，进行压缩机吸气温度的合理控制，减少压缩机在高温工况下的反复停机，实现系统高温工况的调节和效率的大幅度提高，增加热泵装置运行稳定性和使用寿命。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的双路预冷的高效热泵装置及其控制方法。

附图说明

图1为普通直膨式热泵热水系统的示意图。

   图2是本发明双路预冷的高效热泵装置系统的示意图。

   图中：

   1.集热蒸发器；2. 压缩机；3.冷凝器；4.膨胀阀；5.主控制阀；6.冷水进口；7.热水出口；8.预冷器；9. 冷水进水控制阀；10.制冷工质压力/温度传感器；11.运行控制装置。

具体实施方式：

 本发明的双路预冷的高效热泵装置，包括有集热蒸发器1、压缩机2、冷凝器3、膨胀阀4、主控制阀5、冷水进口6、热水出口7、预冷器8、冷水进水控制阀 9、制冷工质压力/温度传感器10、运行控制装置11，集热蒸发器1的出口与主控制阀5的入口相连，主控制阀5的两个出口并联有两条回路，该两条回路分别是旁通回路及装有预冷器8的回路，该两条回路的末端会合后与压缩机2的进口相连；压缩机2的出口端依次连接冷凝器3及膨胀阀4，膨胀阀4与集热蒸发器1的进口连接；冷水进口6与冷水进水控制阀9的入口相连，冷水进水控制阀9的两个出口分别与冷凝器3的进水口连接及与预冷器8的进水口连接，预冷器8的出水口与冷凝器3的进水口连接；集热蒸发器1的出口和压缩机2的出口装设有制冷工质压力/温度传感器10，制冷工质压力/温度传感器10的信号输出端与运行控制装置11的信号输入端连接，运行控制装置11的控制信号输出端与主控制阀5和冷水进水控制阀9电连接。

上述膨胀阀4是电子膨胀阀。

上述集热蒸发器1是直膨式太阳能-空气源双源一体式高效集热蒸发器,或者是平板式太阳能集热器，或者是其他承压间壁式换热器。

上述预冷器8和冷凝器3是板式换热器，或者是其他承压间壁式换热器。

上述主控制阀5和冷水进水控制阀9是三通阀，或分别用两个二通阀组合。

本发明双路预冷的高效热泵装置的控制方法，根据两种工况进行控制，具体控制方法如下：

1）在普通季节的工况：当系统的进气压力没有达到压缩机高温保护值，由集热蒸发器1、压缩机2、冷凝器3、电子膨胀阀4、主控制阀5、冷水进口6、热水出口7完成制热工作，此时运行控制装置11同时控制二个阀门的工作：主控制阀5中的ac通路开启，b关闭；冷水进水控制阀阀9中的ac通路开启，b关闭，制冷剂在集热蒸发器1中吸收来自太阳辐射或空气热源或其它热源的热量后变成低温低压的气态，经主控制阀5中的ac通路进入压缩机2，被压缩成高温高压的气态制冷剂，再进入冷凝器3与冷水进口6流入的待加热水进行换热，被冷凝成过冷高压液体后进入膨胀阀4节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，再次进入集热蒸发器1，完成制热循环；待加热水经冷水进口6在冷凝器3中被加热后通过热水出口7流出，实现在冷凝器3中完成制取热水的目的。

2）高温工况：当系统的进气压力接近压缩机高温保护值，由集热蒸发器1、主阀2、压缩机2、冷凝器3、膨胀阀4、冷水进口6、热水出口7和预冷器8完成制热工作，此时运行控制装置11同时控制二个阀门的动作：主控制阀5中的ab通路开启，c关闭，冷水进水控制阀9中的ab通路开启，c关闭；来自集热蒸发器1的气态工质流经预冷器8，与来自冷水入口6的待加热水初次换热，将高温蒸气的过裕热量吸收后，再进入压缩机2，被压缩成高温高压的气态制冷剂，然后进入冷凝器3与来自预冷器8的初次加热水再次换热，冷凝成过冷高压液体后进入膨胀阀4，再节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，并再次进入集热蒸发器1，在此混合态制冷剂吸收来自太阳辐射或空气热源的热量变成高温低压的气态制冷剂，完成制热循环。待加热水经冷水进口6先进入预冷器8初步换热，再在冷凝器3中继续吸热后通过热水出口7流出，完成制取热水的目的。

本热泵装置在非炎热季节工况下，预冷器不投入运行，按普通热泵装置的环路运行，具有普通热泵装置的性能和功用；当室外太阳辐射强烈或者环境温度高，热泵系统运行不稳定，系统性能下降时，热泵装置则启动预冷器，将普通热泵工质制热循环转化为热泵压缩机吸气温度控制的制热循环，弱化压缩机吸气温度与蒸发器出口工质温度之间的关系，降低压缩机吸气温度，使其维持在合理范围内，有效增大了系统在高温场合的运行稳定性和制热效率，降低压缩机排气温度，保障系统稳定运行。

   本发明所提出的双路预冷的高效热泵装置中，预冷器利用冷水进水吸收蒸发器出口工质的有害过热，维持压缩机吸气温度稳定在理想范围的同时，将过裕热量传递给冷凝器中的吸热水，合理改良系统，降低装置成本，提高系统效率和可靠性。

 本发明所提出的双路预冷的高效热泵装置，可以使用主控制阀调节参与中间换热的制冷工质的流量所占份额，以实现高于标准工况以上温度范围对压缩机吸气温度的调节，使具有该压缩机吸气温度控制系统的热泵热水装置的性能系数和制热量得到进一步改善。本发明的双路预冷的热泵装置，用于工作条件变化范围宽广的太阳能热泵，或太阳能—空气能热泵，或在高温环境下工作的空气源或水源热泵。

  本发明所提出的工质的主管流量与旁通管流量，由主阀和旁通阀的开度进行调节来实现，控制过程由自动控制装置实现。

本发明的热泵系统弱化了压缩机吸气温度与蒸发器出口温度的关联，形成热泵压缩机吸气温度控制系统，使得热泵能保持在设计工况附近运行，大幅减少高温带来的停机保护，不仅具有普通热泵装置在全年工况的性能和功用，能够满足全年工况下的使用要求，而且能在炎热季节或高温环境中可靠、长期的运行，并具有更高的性能系数，提高热泵装置效益，因而尤其适用于运行工况多变的热泵系统，如太阳能热泵，全年运行的热泵等情况。

Claims (6)

1.一种双路预冷的高效热泵装置，其特征在于包括有集热蒸发器(1)、压缩机(2)、冷凝器(3)、膨胀阀(4)、主控制阀(5)、冷水进口(6)、热水出口(7)、预冷器(8)、冷水进水控制阀 (9)、制冷工质压力/温度传感器（10）、运行控制装置(11)，集热蒸发器(1)的出口与主控制阀（5）的入口相连，主控制阀（5）的两个出口并联有两条回路，该两条回路分别是旁通回路及装有预冷器(8)的回路，该两条回路的末端会合后与压缩机(2)的进口相连；压缩机(2)的出口端依次连接冷凝器(3)及膨胀阀(4)，膨胀阀(4)与集热蒸发器(1)的进口连接；冷水进口(6)与冷水进水控制阀(9)的入口相连，冷水进水控制阀(9)的两个出口分别与冷凝器（3）的进水口连接及与预冷器(8)的进水口连接，预冷器(8)的出水口与冷凝器(3)的进水口连接；集热蒸发器（1）的出口和压缩机(2)的出口装设有制冷工质压力/温度传感器（10），制冷工质压力/温度传感器（10）的信号输出端与运行控制装置(11)的信号输入端连接，运行控制装置(11)的控制信号输出端与主控制阀(5)和冷水进水控制阀(9)电连接。

2.根据权利要求1所述的双路预冷的高效热泵装置，其特征在于上述膨胀阀(4)是电子膨胀阀。

3.根据权利要求1所述的双路预冷的高效热泵装置，其特征在于上述集热蒸发器(1)是直膨式太阳能-空气源双源一体式高效集热蒸发器,或者是平板式太阳能集热器，或者是承压间壁式换热器。

4.根据权利要求1所述的双路预冷的高效热泵装置，其特征在于上述预冷器(8)和冷凝器(3)是板式换热器，或者是承压间壁式换热器。

5.根据权利要求1所述的双路预冷的高效热泵装置，其特征在于上述主控制阀(5)和冷水进水控制阀(9)是三通阀，或分别用两个二通阀组合。

6.一种双路预冷的高效热泵装置的控制方法，其特征在于根据两种工况进行控制，具体控制方法如下：

1）普通工况：当系统的进气压力没有达到压缩机高温保护值，由集热蒸发器(1)、压缩机(2) 、冷凝器(3)、电子膨胀阀(4)、主控制阀(5)、冷水进口(6)、热水出口(7)完成制热工作，此时运行控制装置(11)同时控制二个阀门的工作：主控制阀(5)中的ac通路开启，b关闭；冷水进水控制阀(9)中的ac通路开启，b关闭，制冷剂在集热蒸发器(1) 中吸收来自太阳辐射或空气热源或其它热源的热量后变成低温低压的气态，经主控制阀(5)中的ac通路进入压缩机(2)，被压缩成高温高压的气态制冷剂，再进入冷凝器(3)与冷水进口(6)流入的待加热水进行换热，被冷凝成过冷高压液体后进入膨胀阀(4)节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，再次进入集热蒸发器(1)，完成制热循环；待加热水经冷水进口(6)在冷凝器(3)中被加热后通过热水出口(7)流出；

2）高温工况：当系统的进气压力接近压缩机高温保护值，由集热蒸发器(1)、主控制阀(5)、压缩机(2)、冷凝器(3)、膨胀阀(4)、冷水进口(6)、热水出口(7)和预冷器(8)完成制热工作，此时运行控制装置(11)同时控制二个阀门的动作：主控制阀(5)中的ab通路开启，c关闭，冷水进水控制阀(9)中的ab通路开启，c关闭；来自集热蒸发器(1)的气态工质流经预冷器(8)，与来自冷水入口（6）的待加热水初次换热，将高温蒸气的过裕热量吸收后，再进入压缩机(2)，被压缩成高温高压的气态制冷剂，然后进入冷凝器(3)与来自预冷器(8)的初次加热水再次换热，冷凝成过冷高压液体后进入膨胀阀(4)节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，并再次进入集热蒸发器(1)，完成制热循环；待加热水经冷水进口(6)先进入预冷器(8)初步换热，再在冷凝器(3)中继续吸热后通过热水出口(7)流出。