CN105258392A - 热泵制热系统、控制方法及热泵热水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热泵制热系统、控制方法及热泵热水器，热泵制热系统包括主回路(1)、补气增焓支路(2)和喷液支路(3)，主回路(1)包括沿着制冷剂流动方向依次连接的压缩机(11)、冷凝器(12)、第一节流部件(13)和蒸发器(14)，补气增焓支路(2)和喷液支路(3)的一端均连接在冷凝器(12)与第一节流部件(13)之间的主回路(1)上，补气增焓支路(2)和喷液支路(3)的另一端均与压缩机(11)的补气口连接，用于向压缩机(11)补充气液两相制冷剂。本发明的热泵制热系统能够提升系统在低温运行时的可靠性。

Description

热泵制热系统、控制方法及热泵热水器

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，尤其涉及一种热泵制热系统、控制方法及热泵热水器。

背景技术

热泵热水器是一种通过吸收低温热源中的热量，并对其进行压缩做功转换为高温热能，从而对用户端的水进行加热的设备。如图1所示，一般的热泵热水器的主循环回路包括压缩机1a、冷凝器2a、第一膨胀阀5a和蒸发器6a，冷凝器2a与用户端连接，蒸发器6a与外界低温热源连接，制冷剂在主循环回路中流通。在工作时，流经蒸发器6a的液相制冷剂通过内外温差与外界进行换热，液相制冷剂在蒸发的过程中吸热，并转化为低温低压的气相制冷剂，再经过压缩机1a压缩后，转化为高温高压的气相制冷剂流经冷凝器2a，并在冷凝器2a中与储存在热水器中的水进行换热，在此过程中水的温度得到升高，同时气相制冷剂转化为液相制冷剂，经过第一膨胀阀5a降压后进一步提供给蒸发器6a。

这种常规的热泵热水器在一般工况下可以满足用户的使用要求，但是如果冬天外界环境温度较低时，蒸发器6a侧的换热量会减少，使得制冷剂的循环量减少，从而导致压缩机的制热能力急剧下降。因而现有技术中出现了如图1所示的补气增焓式热泵热水器，其原理是经冷凝器2a产生的液相制冷剂分为两个支路，其中一路经过第二膨胀阀3a后进入换热器4a的第一入口，与另一路通过第二入口直接进入换热器4a的液相制冷剂进行换热，然后将从换热器4a出口流出的气相制冷剂补入压缩机1a中，进一步冷却的液相制冷剂经过第一膨胀阀5a降压后进一步提供给蒸发器6a。

此种带有补气增焓支路的热泵热水器可以有效提高机组在低温工况下的制热能力和能效，但是当补气增焓支路未建立起稳定的运行状态时，整个系统的工作可靠性较差。

发明内容

本发明的目的是提出一种热泵制热系统、控制方法及热泵热水器，能够提升热泵制热系统在低温运行时的可靠性。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种热泵制热系统，包括：主回路、补气增焓支路和喷液支路，所述主回路包括沿着制冷剂流动方向依次连接的压缩机、冷凝器、第一节流部件和蒸发器，所述补气增焓支路和所述喷液支路的一端均连接在所述冷凝器与所述第一节流部件之间的所述主回路上，所述补气增焓支路和所述喷液支路的另一端均与所述压缩机的补气口连接，用于向所述压缩机补充气液两相制冷剂。

进一步地，所述补气增焓支路和所述喷液支路共用一个补气口。

进一步地，所述喷液支路中设有用于通断所述喷液支路的喷液电磁阀和用于调整补充制冷剂量的第三节流部件。

进一步地，所述第三节流部件为膨胀阀或毛细管。

进一步地，还包括经济器，以实现所述主回路和所述补气增焓支路在其中热交换，所述补气增焓支路设有用于通断所述补气增焓支路的补气电磁阀和用于调整补充制冷剂量的第二节流部件，所述补气电磁阀和第二节流部件位于所述经济器的上游。

进一步地，所述经济器为板式换热器，所述经济器的第一入口A通过所述第二节流部件和所述补气电磁阀与所述冷凝器的出口连接，所述经济器的第二入口B直接与所述冷凝器的出口连接，所述经济器的第一出口C与所述压缩机的补气口连接，所述经济器的第二出口D与所述第一节流部件的入口连接。

进一步地，所述喷液支路的一端连接在所述第一节流部件与所述经济器的第二出口D之间，另一端与所述压缩机的补气口连接。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种热泵热水器，包括上述实施例所述的热泵制热系统。

为实现上述目的，本发明第三方面提供了一种热泵制热系统的控制方法，包括：

当环境温度低于设定温度时，同时接通所述补气增焓支路和所述喷液支路，用于向所述压缩机补充气液两相制冷剂。

进一步地，还包括：

当所述补气增焓支路的温升值或所述压缩机的排气温度低于设定值时，关断所述喷液支路。

基于上述技术方案，本发明实施例的热泵制热系统，通过在系统中同时设置补气增焓支路和喷液支路，能够使得系统在低温工况下工作时，当补气增焓支路未建立起稳定的运行状态时提高系统工作可靠性，即当低温工况使得制冷剂在系统中的循环量较低，压缩机排气量较低，导致排气温度较高时，喷液支路给压缩机提供适量的气液两相制冷剂，制冷剂在汽化的过程中可以吸收热量，从而将压缩机排气端的温度降低到安全范围内，进而提高系统在低温高压缩比工况下的可靠性，并在一定程度上还可以与补气增焓支路一起增加制冷剂的循环量，从而提高制热能力和能效，最终实现系统在低温工况下能够高效稳定地运转。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中补气增焓热泵制热系统的原理示意图；

图2为本发明热泵制热系统的一个实施例的原理示意图；

图3为本发明热泵制热系统的另一个实施例的原理示意图。

附图标记说明

1a－压缩机；2a－冷凝器；3a－第二膨胀阀；4a－热交换器；5a－第一膨胀阀；6a－蒸发器；

1－主回路；2－补气增焓支路；3－喷液支路；11－压缩机；12－冷凝器；13－第一节流部件；14－蒸发器；21－补气电磁阀；22－第二节流部件；23－板式换热器；23A－第一入口；23B－第二入口；23C－第一出口；24D－第二出口；31－喷液电磁阀；32－第三节流部件。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

本发明首先提出了一种热泵制热系统，热泵制热系统能够通过吸收低温热源中的热量，并对其进行压缩做功转换为高温热能，以供用户端使用。如图2和图3所示，此种热泵制热系统包括：主回路1、补气增焓支路2和喷液支路3，主回路1包括沿着制冷剂流动方向(箭头所指方向)依次连接的压缩机11、冷凝器12、第一节流部件13和蒸发器14，补气增焓支路2和喷液支路3的一端均连接在冷凝器12与第一节流部件13之间的主回路1上，补气增焓支路2和喷液支路3的另一端均与压缩机11的补气口连接，用于向压缩机11补充气液两相制冷剂。

本发明实施例的热泵制热系统，通过在系统中同时设置补气增焓支路和喷液支路，能够使得系统在低温工况下工作时，当补气增焓支路未建立起稳定的运行状态时提高系统工作可靠性，即当低温工况使得制冷剂在系统中的循环量较低，压缩机排气量较低，导致排气温度较高时，喷液支路给压缩机提供适量的气液两相制冷剂，制冷剂在汽化的过程中可以吸收热量，从而将压缩机排气端的温度降低到安全范围内，进而提高系统在低温高压缩比工况下的可靠性，并在一定程度上还可以与补气增焓支路一起增加制冷剂的循环量，从而提高制热能力和能效，最终实现系统在低温工况下能够高效稳定地运转。

上面实施例中设置的补气增焓支路2和喷液支路3可以共用一个补气口。这种设置形式使得本发明的热泵制热系统只需对回路结构进行改进，而无需改变压缩机11的结构，只要在压缩机11中压腔对应的位置开设一个补气口即可；而且这种设置形式也能简化回路结构，从而节约管路。

下面将结合图2和图3所示的实施例，对本发明热泵制热系统的结构进行详细说明。该系统包括三个主要组成部分：主回路1、补气增焓支路2和喷液支路3，这里将对每个支路的具体组成及各支路之间的连接关系进行阐述。

在主回路1中，压缩机11、冷凝器12、第一节流部件13和蒸发器14沿着制冷剂流动方向依次连接，压缩机11的进气口与蒸发器14连接，排气口与冷凝器12连接，制冷剂在主回路1中按照箭头指示的方向循环流动。另外，在主回路1中还可以根据需要设置电磁阀或者过滤器等辅助器件。

补气增焓支路2的一端连接在冷凝器12与第一节流部件13之间，另一端与压缩机11的补气口连接，用于向压缩机11补充制冷剂，这里补充的制冷剂一般为气相制冷剂，其中也可能混有少量的液相制冷剂。更进一步地，热泵制热系统还包括经济器，以实现主回路1和补气增焓支路2在其中热交换，补气增焓支路2设有用于通断补气增焓支路2的补气电磁阀21和用于调整补充制冷剂量的第二节流部件22，补气电磁阀21和第二节流部件22位于经济器的上游，这里提到的上游是参考制冷剂的流动方向来定义的。优选地，将第二节流部件22靠近经济器设置。

在一个实施例中，经济器为板式换热器23，经济器的第一入口23A通过第二节流部件22和补气电磁阀21与冷凝器12的出口连接，经济器的第二入口23B直接与冷凝器12的出口连接，经济器的第一出口23C与压缩机11的补气口连接，经济器的第二出口23D与第一节流部件13的入口连接。这种采用板式换热器23形式的经济器的工作原理是一路制冷剂通过自身节流吸收热量从而使另一路制冷剂进一步冷却，这样吸收热量后的一路制冷剂形成气相制冷剂，并通过压缩机11的补气口为主回路1提供更多的制冷剂进行循环，进一步冷却后的一路制冷剂经过第一节流部件13降压后继续提供给蒸发器14。

在另一个实施例中，经济器为闪蒸器，经济器的第一入口依次通过第二节流部件和补气电磁阀与冷凝器的出口连接，经济器的第一出口与压缩机的补气口连接，经济器的第二出口与第一节流部件的入口连接。闪蒸器可以实现气液分离，它的工作原理是通过压力的突然减小来降低液相制冷剂的沸点，这样部分液相制冷剂就变为气相制冷剂蒸发出来。

对于上述两种类型的经济器，总体工作目标是一致的，由于采用板式换热器23形式的经济器可以对从冷凝器12流出的液态制冷剂进一步冷却，因而在流经蒸发器14时，可以进一步增加液态制冷剂与外界空气的温差，以使液态制冷剂在蒸发的过程中从外界空气吸收更多额外的热量，从而在冷凝器12对水加热的过程中使用，由此可以看出，板式换热器23形式的经济器在性能上会达到更优的效果。

喷液支路3的一端连接在第一节流部件13与经济器的第二出口23D之间，另一端与压缩机11的补气口连接。而且喷液支路3中设有用于通断喷液支路3的喷液电磁阀31和用于调整补充气液两相制冷剂量的第三节流部件32。在这种连接方式中，喷液支路3中的气液两相制冷剂取自被经济器进一步冷却后的液相制冷剂，目的在于温度较低的液相制冷剂被喷入压缩机11的中压腔后，可以对压缩机11的排气端起到更好的降温冷却效果。另外，本领域技术人员在设计喷液支路3时，也可以从冷凝器12的出口未经过经济器的位置获取液相制冷剂。

在该热泵制热系统中所采用的第一节流部件13、第二节流部件22或第三节流部件32可以选择毛细管，参见图2，也可以选择膨胀阀，参见图3。一般来讲，液相制冷剂经过节流后压力会突然降低，并且形成气液两相制冷剂。

在了解了本发明热泵制热系统的结构之后，需进一步对其工作原理进行描述，在描述的过程中会同时对各部件所能达到的技术效果深入地进行剖析，图2和图3中标注的箭头用来表示回路中制冷剂的流动方向。

当热泵制热系统开始工作时，从压缩机11的排气口排出的高温高压的气相制冷剂经过冷凝器12后，通过与待加热的水换热后，温度降低，转化为液相制冷剂。

液相制冷剂从冷凝器12的出口流出后，分为①和②两个流路，流路①的液相制冷剂通过补气电磁阀21后，在第二节流部件22处受到节流作用，形成温度被进一步降低的气液两相制冷剂，接着从经济器的第一入口23A进入，吸收来自流路②的液相制冷剂的热量；

流路②的液相制冷剂直接从经济器的第二入口23B进入，释放热量，进一步过冷，离开经济器后，该路液相制冷剂又分为③和④两个流路；

流路③经过第一节流部件13节流后进入蒸发器14，吸收外界空气的热量进行蒸发，形成低温低压的气相制冷剂进入压缩机11的进气口，完成主回路1的循环；

流路④经过喷液电磁阀31后，由第三节流部件32进行节流降温，形成气液两相制冷剂，其与流路①形成的气相制冷剂汇合后，从压缩机11的补气口进入。其中，通过流路①补充制冷剂的实质是补气增焓过程，通过流路④补充制冷剂的实质是喷液过程。

当热泵制热系统处于低温工况时，蒸发器14侧与外界空气的换热量会减少，使得通过蒸发形成的气相制冷剂的量减少，相应地主回路1中的制冷剂循环量减少，由于此时压缩机11的压缩做功并没有减少，使得压缩机11做功产生的热量一部分传导给了少量的制冷剂，剩余部分会转变为热量使压缩机11排气端的温度升高，从而导致压缩机11的制热能力急剧下降，而且排气温度持续过高容易超过压缩机11的极限排气温度，破坏了润滑油的稳定工作状态，从而对压缩机11的结构造成损坏。

为了提升热泵制热系统的制热能力，在主回路1中增设的补气增焓支路2，用于向压缩机11的中压腔补入更多的气态制冷剂，这样就增加了主回路1中制冷剂的循环量，从而使得压缩机11在同样的做功情况下产生的热量就被分担了，进而降低排气温度；而且经济器可以使从冷凝器12流出的液态制冷剂进一步冷却，从而在流经蒸发器14时，可以进一步增加液态制冷剂与外界空气的温差，以使液态制冷剂在蒸发的过程中从外界空气吸收更多额外的热量，因而补气增焓支路2可以提升热泵制热系统的低温性能，它在运行稳定后才能基本维持系统的可靠性。在热泵制热系统工作的过程中，增加补气量可以进一步降低压缩机11排气端的温度，并改善系统制热能力，而且环境温度越低，补气增焓支路2越能够降低压缩机11的排气温度，相应地制热量和能效的提高也更加明显，也就是说，冷凝温度一定时，蒸发温度越低，设置补气增焓支路2对系统的性能改善越明显。

而当补气增焓支路2刚开始工作未建立平稳状态的过程中，在实际中可以通过经济器前后的过冷温差、补气增焓支路2的温升值以及排气温度值中的一项或几项来判断与设定的阈值进行比较，以判断补气增焓支路2是否处于非稳定状态，例如出现无法补气或不能达到预定的补气量，导致排气温度过高(例如达到110℃以上)或者保护的情况下，就需要接通喷液支路3，喷液支路3是将节流后的气液两相制冷剂直接喷向压缩机11的中压腔，可以起到两方面的作用：其一是在压缩机11内部喷入适量的气液两相制冷剂，液相制冷剂在气化的过程中，可以吸收热量，从而将压缩机11的排气温度降低到安全范围之内，稳定排气；其二是可在一定程度上增加制冷剂的循环量，保证压缩机11可靠运转，使热泵制热系统的总体性能得到提升。

其次，本发明还提供了一种热泵热水器，包括上述实施例所述的热泵制热系统。在前述内容中已经阐述了该热泵制热系统的优点，因而采用了该热泵制热系统的热水器也具有相应的优点，该热泵热水器可以控制机组在低温工况时的排气温度，提高压缩机以高压缩比运行时的可靠性，同时提高制热能力和能效，整体性能的提高能够最终实现热泵热水器在低温工况下高效稳定地运转。

本发明另外还提供了一种上述实施例的热泵制热系统的控制方法，包括：

当环境温度低于设定温度时，也就是说热泵制热系统处于低温工况时，同时接通补气增焓支路2和喷液支路3，用于向压缩机11补充气液两相制冷剂。

对于图2和图3所示的热泵制热系统，可以通过打开补气电磁阀21来接通补气增焓支路2，通过打开喷液电磁阀31来接通喷液支路3。由于补气量的增加会对热泵制热系统的制热能力和能效起到改善作用，因而在热泵制热系统工作的过程中，可以根据情况来调节补气量。

在上述步骤中，如果欲增加补气增焓支路2对压缩机11的补气量，就可以通过增加第二节流部件22的开度，与此同时减小第一节流部件13的开度以减少进入蒸发器14的制冷剂的量；反之，就可以对第一节流部件13和第二节流部件22执行相反的操作。

当环境温度高于设定值，也就是蒸发温度较高时，制冷剂在蒸发过程中就可以吸收较多的热量，能够形成较多的制冷剂在主回路1中循环，因而就不需要补气增焓支路2进行补气。在实际操作中，可以通过关闭补气电磁阀21来关断补气增焓支路2。

另外，在补气增焓支路2的补气量一定的情况下，如果欲增加喷液支路3对压缩机11补充的气液两相制冷剂的量，就可以增加第三节流部件32的开度，与此同时减小第一节流部件13的开度以减少进入蒸发器14的制冷剂的量；反之，就可以对第一节流部件13和第三节流部件32执行相反的操作。

进一步地，热泵制热系统的控制方法还包括：当补气增焓支路2的温升值或压缩机11的排气温度低于设定温度时，关断喷液支路3。另外，对于采用经济器的热泵制热系统，还可以通过经济器前后的过冷温差来判断，当经济器前后的过冷温差低于设定温度时，关断喷液支路3。当增焓系统稳定建立后，就能够独立提升热泵制热系统的制热性能，并维持系统的可靠性，因而就无需喷液支路3辅助维持制热过程，此时关断喷液支路3可以降低系统的能量消耗。在实际操作中，可以通过关闭喷液磁阀31来关断喷液支路3。

以上对本发明所提供的一种热泵制热系统、控制方法及热泵热水器进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热泵制热系统，其特征在于，包括：主回路(1)、补气增焓支路(2)和喷液支路(3)，所述主回路(1)包括沿着制冷剂流动方向依次连接的压缩机(11)、冷凝器(12)、第一节流部件(13)和蒸发器(14)，所述补气增焓支路(2)和所述喷液支路(3)的一端均连接在所述冷凝器(12)与所述第一节流部件(13)之间的所述主回路(1)上，所述补气增焓支路(2)和所述喷液支路(3)的另一端均与所述压缩机(11)的补气口连接，用于向所述压缩机(11)补充气液两相制冷剂。

2.根据权利要求1所述的热泵制热系统，其特征在于，所述补气增焓支路(2)和所述喷液支路(3)共用一个补气口。

3.根据权利要求1所述的热泵制热系统，其特征在于，所述喷液支路(3)中设有用于通断所述喷液支路(3)的喷液电磁阀(31)和用于调整补充制冷剂量的第三节流部件(32)。

4.根据权利要求3所述的热泵制热系统，其特征在于，所述第三节流部件(32)为膨胀阀或毛细管。

5.根据权利要求1～4任一所述的热泵制热系统，其特征在于，还包括经济器，以实现所述主回路(1)和所述补气增焓支路(2)在其中热交换，所述补气增焓支路(2)设有用于通断所述补气增焓支路(2)的补气电磁阀(21)和用于调整补充制冷剂量的第二节流部件(22)，所述补气电磁阀(21)和第二节流部件(22)位于所述经济器的上游。

6.根据权利要求5所述的热泵制热系统，其特征在于，所述经济器为板式换热器(23)，所述经济器的第一入口(23A)通过所述第二节流部件(22)和所述补气电磁阀(21)与所述冷凝器(12)的出口连接，所述经济器的第二入口(23B)直接与所述冷凝器(12)的出口连接，所述经济器的第一出口(23C)与所述压缩机(11)的补气口连接，所述经济器的第二出口(23D)与所述第一节流部件(13)的入口连接。

7.根据权利要求6所述的热泵制热系统，其特征在于，所述喷液支路(3)的一端连接在所述第一节流部件(13)与所述经济器的第二出口(23D)之间，另一端与所述压缩机(11)的补气口连接。

8.一种热泵热水器，其特征在于，包括权利要求1～7任一所述的热泵制热系统。

9.一种权利要求1～7任一所述的热泵制热系统的控制方法，包括：

当环境温度低于设定温度时，同时接通所述补气增焓支路(2)和所述喷液支路(3)，用于向所述压缩机(11)补充气液两相制冷剂。

10.根据权利要求9所述的热泵制热系统的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述补气增焓支路(2)的温升值或所述压缩机(11)的排气温度低于设定值时，关断所述喷液支路(3)。