CN106585324A - 一种带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统 - Google Patents

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周光辉
崔四齐
曹侃
李海军
赵登科
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Abstract

一种带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，该系统由一个顶置式热泵型空调子系统、一个客车动力系统复合式全热回收子系统和运行模式切换控制子系统组成。本发明提供的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，通过一个顶置式热泵型空调子系统、一个客车动力系统复合式全热回收子系统和运行模式切换控制子系统的组合。可显著解决热泵空调低温运行时压缩机的排气温度过高、车外换热器结霜较厚和融霜较难、系统供热能力和供热效率低、系统运行的可靠性差、系统的能源利用率低等突出问题。

Description

一种带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统
技术领域
本发明涉及一种带全热回收装置的顶置式热泵型客车冷暖空调系统。
背景技术
随着我国客车技术的发展以及国家政策的导向节能环保的新能源客车将会是未来的发展方向，开发带有热回收装置的热泵型客车空调系统已成为亟待解决的关键技术之一，其原因在于：由于缺少了内燃发动机，冬季制热受到很大的制约，特别是在室外空气温度很低时，开发的热泵型客车空调系统普遍存在供热能力不足甚至无法正常工作的现象，这些极大地影响了客车在北方城市的推广与应用。
目前常用的解决方案主要是采用PTC电加热器方式，但效率较低，严重影响新能源客车的行驶里程。
发明内容
本发明的目的正是为了提供一种带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，以解决目前客车空调系统在室外温度过低时，车外换热器结霜严重导致整个系统无法正常工作以及其动力系统能源的巨大浪费的突出问题。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统包括一个顶置式热泵型空调子系统、一个客车动力系统复合式全热回收子系统和运行模式切换控制子；其中所述顶置式热泵空调子系统包括车用空调压缩机、消声器、四通换向阀、车外换热器、车外风机、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、储液器、干燥过滤器、中间换热器、主路膨胀阀、辅路膨胀阀、混气换热器旁通阀、车内换热器、车内风机、气液分离器、第五单向阀、控制阀及其相应连接管路；所述客车动力系统复合式全热回收子系统包括辅助电加热PTC、全热回收换热器、动力系统热回收与蓄热装置、动力装置热回收循环泵、第一控制调节阀和第二控制调节阀、动力系统换热器、变频风机及其相应连接管路；所述运行模式切换控制子系统包括控制器、以及通过连接数据线与控制器相应接口电连接的第一车内风道控制阀、第二车内风道控制阀、系统调节执行器；其中组成顶置式热泵空调子系统的所述车用空调压缩机排气口与消声器入口相连接，消声器出口通过四通换向阀以及相应连接管路分别与车外换热器、车内换热器、气液分离器相应接口连接；所述气液分离器出口接入车用空调压缩机吸气口；所述车外换热器的另一接口与第一单向阀入口和第二单向阀出口相连接，第一单向阀出口与储液器入口和第三单向阀出口相连接；所述储液器出口通过干燥过滤器分别与混气换热器旁通阀入口和经济器的第一入口相连接；所述经济器的第一出口分别与辅路膨胀阀的入口、主路膨胀阀入口、混气换热器旁通阀的出口相连接；所述辅路膨胀阀的出口与经济器的第二入口相连接，经济器的第二出口通过第五单向阀、混气控制阀与压缩机补气口相连接；所述主路膨胀阀出口接第二单向阀入口和第四单向阀入口，第四单向阀出口和第三单向阀的入口与室内换热器另一接口相连接；组成所述客车动力系统复合式全热回收子系统的所述动力系统热回收与蓄热装置的出口通过动力装置热回收循环水泵分别与第一控制调节阀和第二控制调节阀的入口相连接；所述第一电动调节阀的出口与全热回收换热器的入口相连接；所述第二电动调节阀的出口与动力系统换热器的入口相连接；所述全热回收换热器的出口和动力系统换热器的出口均与动力系统热回收与蓄热装置的入口相连接；所述辅助电加热PTC安装车内换热器前侧；所述全热回收换热器安装在车内换热器后侧。
本发明中所述顶置式热泵型空调子系统由一个或多个独立热泵空调系统组成；所述的车内风机、车外风机为变频风机、定频风机或调挡风机中的任意一种形式；所述车用空调压缩机为定频压缩机、分挡压缩机或变频压缩机中的任意一种；所述辅路膨胀阀和主路膨胀阀为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀中的任意一种；所述经济器为板式换热器或套管换热器；所述循环水泵为定频水泵、变频水泵或分挡水泵的任意一种；所述的车外换热器、车内换热器、全热回收换热器、动力系统换热器为管翅式、层叠式或平行流式换热器中的任意一种；所述运行模式切换控制系统中的第一、而控制调节阀、混气控制阀、混气换热器旁通阀、车内风道控制阀为电动控制阀、电磁控制阀或手动控制阀中的任意一种。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，通过一个顶置式热泵型空调子系统、一个客车动力系统复合式全热回收子系统和运行模式切换控制子系统的组合。可显著解决热泵空调低温运行时压缩机的排气温度过高、车外换热器结霜较厚和融霜较难、系统供热能力和供热效率低、系统运行的可靠性差、系统的能源利用率低等突出问题。
本发明经初步实验研究表明：在室外温度-20℃的超低温供热工况下，客车空调能够正常运行，在室外温度-10℃的低温供热工况下可以满足其供热要求。
本发明对提高新能源客车空调的技术水平和加快电动客车的普及与应用具有重要意义，为热泵型新能源客车在北方的发展提供了空调技术支持。
附图说明
图1为本发明的结构原理。
图2为制冷工作模式流程图。
图3为制冷+补气工作模式流程图。
图4为制热工作模式流程图。
图5为制热+补气工作模式流程图。
图6 为快速融霜+车内无冷感工作模式流程图。
图7为快速融霜+补气+车内无冷感工作模式流程图。
图中：1是车用空调压缩机、2是消声器、3是四通换向阀、4-1是车外换热器、4-2是车外风机、5-1至5-4是第一、二、三、四单向阀， 6是储液器、6-1是干燥过滤器、7是中间换热器、7-1、主路膨胀阀、7-2、辅路膨胀阀、7-3是混气换热器旁通阀、8-1是车内换热器、8-2是辅助电加热PTC、8-3是车内风机、8-4是全热回收换热器、8-5、8-6是车内风道控制阀、8-8是控制器、9是气液分离器、10-1是第五单向阀、10-2是混气控制阀、11-1是动力系统热回收与蓄热装置、11-2是热回收循环水泵、11-3、11-6是第一、第二控制调节阀、11-4是动力系统换热器、11-5是变频风机。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例（附图）做进一步描述，但并不限制本发明。
如图1所示，本发明所述的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统由一个顶置式热泵型空调子系统、一个客车动力系统复合式全热回收子系统和运行模式切换控制子系统组成；所述顶置式热泵空调子系统由车用空调压缩机1、消声器2、四通换向阀3、车外换热器4-1、车外风机4-2、第一单向阀5-1、第二单向阀5-2、第三单向阀5-3、第四单向阀5-4、储液器6、干燥过滤器6-1、中间换热器7、主路膨胀阀7-1、辅路膨胀阀7-2、混气换热器旁通阀7-3、车内换热器8-1、车内风机8-3、气液分离器9、第五单向阀10-1、控制阀10-2及其连接管路组成；所述客车动力系统复合式全热回收子系统由辅助电加热PTC8-2、全热回收换热器8-4、动力系统热回收与蓄热装置11-1、动力装置热回收循环泵11-2、控制调节阀11-3和11-6、动力系统换热器11-4、变频风机11-5及其连接管路组成；所述运行模式切换控制子系统由控制器（可编程控制器）8-8、以及通过连接数据线与控制器相应接口电连接的第一车内风道控制阀（8-5）、第二车内风道控制阀（8-6）、系统调节执行器组成；其中组成所述的顶置式热泵空调子系统的所述车用空调压缩机1排气口与消声器2入口相连接，消声器2出口通过四通换向阀3以及相应连接管路分别与车外换热器4-1、车内换热器8-1、气液分离器9相应接口连接；所述气液分离器9出口接入车用空调压缩机1吸气口；所述车外换热器4-1的另一接口与第一单向阀5-1入口和第二单向阀5-2出口相连接，第一单向阀5-1出口与储液器6入口和第三单向阀5-3出口相连接；所述储液器6出口通过干燥过滤器6-1分别与混气换热器旁通阀7-3入口和经济器7的第一入口相连接；所述经济器7的第一出口分别与辅路膨胀阀7-2的入口、主路膨胀阀7-1入口、混气换热器旁通阀7-3的出口相连接；所述辅路膨胀阀7-2的出口与经济器7的第二入口相连接，经济器7的第二出口通过第五单向阀10-1、混气控制阀10-2与压缩机补气口相连接；所述主路膨胀阀7-1出口接第二单向阀5-2入口和第四单向阀5-4入口，第四单向阀5-4出口和第三单向阀5-3的入口与室内换热器8-1另一接口相连接。其中组成所述客车动力系统复合式全热回收子系统的所述动力系统热回收与蓄热装置11-1的出口通过动力装置热回收循环水泵11-2分别与第一控制调节阀11-3和第二控制调节阀11-6的入口相连接；所述电动调节阀11-3的出口与全热回收换热器8-4的入口相连接；所述电动调节阀11-6的出口与动力系统换热器11-4的入口相连接；所述全热回收换热器8-4的出口和动力系统换热器11-4的出口均与动力系统热回收与蓄热装置11-1的入口相连接；所述辅助电加热PTC8-2安装车内换热器8-1前侧；所述全热回收换热器8-4安装在车内换热器8-1后侧。
本发明中所述的顶置式热泵型空调子系统安装于客车顶部的任意位置，且所述顶置式热泵型空调子系统可由一个或多个独立热泵空调系统组成。所述的车内风机8-3、车外风机4-2为变频风机、定频风机、调挡风机中的任意一种形式。所述车用空调压缩机1为定频压缩机、分挡压缩机、变频压缩机的任意一种形式；所述辅路膨胀阀7-2和主路膨胀阀7-1为毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀的任意一种形式；所述经济器7为板式换热器、套管换热器的任意一种结构形式。所述循环水泵11-2为定频水泵、变频水泵、分挡水泵的任意一种结构形式。所述的车外换热器4-1、车内换热器8-1、全热回收换热器8-4、动力系统换热器11-4为管翅式、层叠式、平行流式换热器中的任意一种结构形式。所述运行模式切换控制系统中的控制调节阀11-3、11-6、混气控制阀10-2、混气换热器旁通阀7-3、车内风道控制阀8-5、8-6为电动控制阀、电磁控制阀、手动控制阀中的任意一种结构形式。
根据运行模式切换控制子系统的控制，本发明的可实现六种工作模式：
（1）制冷工作模式
图2为制冷工作模式流程图，当夏季车内外温度比较高时，可采用此工作模式。混气控制阀10-2、辅路膨胀阀7-2、第一控制阀11-3关闭，混气换热器旁通阀7-3、主路膨胀阀7-1、第二控制阀11-6打开。辅助电加热PTC8-2、全热回收换热器8-4关闭，车外风机4-2正向运行（抽风模式）。压缩机子系统流程：车用空调压缩机1排出的高温高压气体制冷剂经过消声器2，通过四通换向阀3切换，进入车外换热器4-1冷凝放热后变为过冷或饱和液态制冷剂，通过第一单向阀5-1，再进入储液器6、干燥器6-1，然后通过混气换热器旁通阀7-3进入主路膨胀阀7，节流变为低温低压的气液两相制冷剂后，通过第四单向阀5-4进入车内换热器8-1吸热蒸发变为过热或饱和气态制冷剂，再通过四通换向阀3切换进入气液分离器9，然后进入压缩机1的吸气口进入下一循环；动力系统热回收子系统流程：动力发动机冷却水箱11-1的水通过循环水泵11-2、经过控制阀11-6进入动力系统换热器11-4放热冷却后，再进入冷却水箱11-1进入下一循环；车内空气组合式换热器系统流程：车内回风通过第一车内空调风道控制阀调节使车内回风、车外新风或两者的混合风，通过车内风机8-3、进入热泵空调系统用车内换热器8-1放出热量降温后，最后通过第二车内空调风道控制阀的调节，进入车内消除车内热负荷。
（2）制冷+补气工作模式
图3为制冷+补气工作模式流程图，当夏季车内外温度非常高时，可采用此工作模式。其实施方式与制冷工作模式不同之处在混气控制阀10-2、辅路膨胀阀7-2打开，而混气换热器旁通控制阀7-3关闭。储液器6的液态制冷剂出口分为两路，一路制冷剂经过经济器7放出热量过冷后，再进入主路膨胀阀7-1节流；另一路制冷剂经过辅路膨胀阀7-2节流后进入经济器7吸收热量变为饱和或过热的气体制冷剂，经第五单向阀10-2进入车用空调压缩机1的补气口进入下一循环。
（3）制热工作模式
图4为制热工作模式流程图，当冬季车内外温度比较低时，可采用此工作模式。混气控制阀10-2、辅路膨胀阀7-2、第二控制阀11-6关闭，混气换热器旁通阀7-3、主路膨胀阀7-1、第一控制阀11-3打开，车外风机4-2正向运行（抽风模式）。压缩机子系统流程：车用空调压缩机1排出的高温高压气体制冷剂经过消声器2通过四通换向阀3切换，进入车内换热器8-1冷凝放热后变为过冷或饱和液态制冷剂，通过第三单向阀5-3，再进入储液器6、干燥器6-1，然后通过混气换热器旁通阀7-3进入主路膨胀阀7-1，节流变为低温低压的气液两相制冷剂后，通过第二单向阀5-2进入车外换热器4-1吸热蒸发变为过热或饱和气态制冷剂，再通过四通换向阀3切换进入气液分离器9，然后进入压缩机1的吸气口进入下一循环；动力系统复合式全热回收系统流程：动力发动机冷却水箱11-1的水通过循环水泵11-2、第一控制阀11-3进入全热回收换热器8-4放热冷却后，再进入冷却水箱11-1进入下一循环；车内换热器子系统流程：通过第一车内空调风道控制阀8-5的调节，车内回风、车外新风或两者的混合风，先后通过辅助电加热PTC8-2、热泵空调系统用车内换热器8-1、全热回收换热器8-4逐步升温后，最后通过车内风机8-3经第二车内空调风道控制阀8-6的送入车内，用于消除车内冷负荷。
（4）制热+补气工作模式
图5为制热+补气制热工作模式流程图，当冬季车内外温度非常低时，可采用此工作模式。其实施方式与制热工作模式不同之处在于混气控制阀10-2、辅路膨胀阀7-1打开，混气换热器旁通阀7-3关闭。储液器6的液态制冷剂出口分为两路，一路制冷剂经过辅路膨胀阀7-2进入经济器7放出热量过冷后，再进入主路主路膨胀阀7-1节流；另一路制冷剂经过辅路膨胀阀7-2节流后进入经济器7吸收热量变为饱和或过热的气体制冷剂，经第五单向阀10-1、混气控制阀10-2进入车用空调压缩机1的混气口进入下一循环。
（5）快速融霜+车内无冷感工作模式
图6为快速融霜+车内无冷感工作模式流程图，当冬季车外换热器4-1表面结霜较厚时，可采用此工作模式。主路膨胀阀7-1、混气换热器旁通阀7-3、第一控制阀11-3、辅助电加热PTC8-2、全热回收换热器8-4打开，辅路膨胀阀7-2、混气控制阀10-2、第二控制阀11-6关闭，第一车内空调风道控制阀8-5关闭室外新风进口、第二车内空调风道控制阀8-6关闭除霜通道。压缩机子系统流程：车用空调压缩机1排出的高温高压气体制冷剂经过消声器2通过四通换向阀3切换，进入车外换热器4-1冷凝放热后变为过冷或饱和液态制冷剂，通过第一单向阀5-1，再进入储液器6、干燥器6-1，然后通过混气换热器旁通阀7-3进入主路膨胀阀7-1，节流变为低温低压的气液两相制冷剂后，通过第四单向阀5-4进入车内换热器8-1吸热蒸发变为过热或饱和气态制冷剂，再通过四通换向阀3切换进入气液分离器9，然后进入压缩机1的吸气口进入下一循环；车外空气组合式换热器系统流程：关闭车外风机4-2，车外换热器4-1表面的霜在无风速状态下吸收制冷剂放出的热量，能快速进行融化；动力系统复合式全热回收系统流程：动力发动机冷却水箱11-1的水通过循环水泵11-2、第一控制阀11-3进入全热回收换热器8-4放热冷却后，再进入冷却水箱11-1进入下一循环；车内空气组合式换热器系统流程：通过第一车内空调风道控制阀8-5的调节使车内回风通过辅助电加热PTC8-2吸收热量后，再通过车内风机8-3进入热泵空调系统用车内换热器4放出热量、然后再通过全热回收换热器8-4吸收热量升温后，进入车内消除车内冷负荷保证车内环境的舒适度。
（6）快速融霜+补气+车内无冷感工作模式
图7为快速融霜+补气+车内无冷感工作模式流程图，当冬季车外换热器3表面结霜较快、较厚非常严重时，可采用此工作模式。其实施方式与快速融霜+车内无冷感工作模式不同之处在于辅路膨胀阀7-2、混气控制阀10-2打开，混气换热器旁通阀7-3关闭。储液器6的液态制冷剂出口分为两路，一路制冷剂经过干燥器6-1进入经济器7放出热量过冷后，再进入主路膨胀阀7-1节流；另一路制冷剂进入辅路膨胀阀7-2节流后进入经济器7吸收热量变为饱和或过热的气体制冷剂，经单向阀10-2进入车用空调压缩机1的混气口进入下一循环。

Claims (7)

1.一种带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，其特征在于：该系统包括一个顶置式热泵型空调子系统、一个客车动力系统复合式全热回收子系统和运行模式切换控制子；其中所述顶置式热泵空调子系统包括车用空调压缩机（1）、消声器（2）、四通换向阀（3）、车外换热器（4-1）、车外风机（4-2）、第一单向阀（5-1）、第二单向阀（5-2）、第三单向阀（5-3）、第四单向阀（5-4）、储液器（6）、干燥过滤器（6-1）、中间换热器（7）、主路膨胀阀（7-1）、辅路膨胀阀（7-2）、混气换热器旁通阀（7-3）、车内换热器（8-1）、车内风机（8-3）、气液分离器（9）、第五单向阀（10-1）、控制阀（10-2）及其相应连接管路；所述客车动力系统复合式全热回收子系统包括辅助电加热PTC（8-2）、全热回收换热器（8-4）、动力系统热回收与蓄热装置（11-1）、动力装置热回收循环泵（11-2）、第一控制调节阀（11-3）和第二控制调节阀（11-6）、动力系统换热器（11-4）、变频风机（11-5）及其相应连接管路；所述运行模式切换控制子系统包括控制器（8-8）、以及通过连接数据线与控制器相应接口电连接的第一车内风道控制阀（8-5）、第二车内风道控制阀（8-6）、系统调节执行器；其中组成顶置式热泵空调子系统的所述车用空调压缩机（1）排气口与消声器（2）入口相连接，消声器（2）出口通过四通换向阀（3）以及相应连接管路分别与车外换热器（4-1）、车内换热器（8-1）、气液分离器（9）相应接口连接；所述气液分离器（9）出口接入车用空调压缩机（1）吸气口；所述车外换热器（4-1）的另一接口与第一单向阀（5-1）入口和第二单向阀（5-2）出口相连接，第一单向阀（5-1）出口与储液器（6）入口和第三单向阀（5-3）出口相连接；所述储液器（6）出口通过干燥过滤器（6-1）分别与混气换热器旁通阀（7-3）入口和经济器（7）的第一入口相连接；所述经济器（7）的第一出口分别与辅路膨胀阀（7-2）的入口、主路膨胀阀（7-1）入口、混气换热器旁通阀（7-3）的出口相连接；所述辅路膨胀阀（7-2）的出口与经济器（7）的第二入口相连接，经济器（7）的第二出口通过第五单向阀（10-1）、混气控制阀（10-2）与压缩机补气口相连接；所述主路膨胀阀（7-1）出口接第二单向阀（5-2）入口和第四单向阀（5-4）入口，第四单向阀（5-4）出口和第三单向阀（5-3）的入口与室内换热器（8-1）另一接口相连接；组成所述客车动力系统复合式全热回收子系统的所述动力系统热回收与蓄热装置（11-1）的出口通过动力装置热回收循环水泵（11-2）分别与第一控制调节阀（11-3）和第二控制调节阀（11-6）的入口相连接；所述第一电动调节阀（11-3）的出口与全热回收换热器（8-4）的入口相连接；所述第二电动调节阀（11-6）的出口与动力系统换热器（11-4）的入口相连接；所述全热回收换热器（8-4）的出口和动力系统换热器（11-4）的出口均与动力系统热回收与蓄热装置（11-1）的入口相连接；所述辅助电加热PTC(8-2)安装车内换热器（8-1）前侧；所述全热回收换热器（8-4）安装在车内换热器（8-1）后侧。
2.根据权利要求1所述的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，其特征在于：所述顶置式热泵型空调子系统由一个或多个独立热泵空调系统组成。
3.根据权利要求1所述的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，其特征在于：所述的车内风机（8-3）、车外风机（4-2）为变频风机、定频风机或调挡风机中的任意一种形式。
4.根据权利要求1所述的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，其特征在于：所述车用空调压缩机（1）为定频压缩机、分挡压缩机或变频压缩机中的任意一种；所述辅路膨胀阀（7-2）和主路膨胀阀（7-1）为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀中的任意一种；所述经济器（7）为板式换热器或套管换热器。
5.根据权利要求1所述的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，其特征在于：所述循环水泵（11-2）为定频水泵、变频水泵或分挡水泵的任意一种。
6.根据权利要求1所述的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，其特征在于：所述的车外换热器（4-1）、车内换热器（8-1）、全热回收换热器（8-4）、动力系统换热器（11-4）为管翅式、层叠式或平行流式换热器中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的带全热回收装置的顶置式热泵型客车空调系统，其特征在于：所述运行模式切换控制系统中的第一、而控制调节阀（11-3、11-6）、混气控制阀（10-2）、混气换热器旁通阀（7-3）、车内风道控制阀（8-5）、（8-6）为电动控制阀、电磁控制阀或手动控制阀中的任意一种。
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