CN108534386A - 一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组 - Google Patents

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王继鸿
宿平
吕磊
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Abstract

本发明公布了一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，包括压缩机、四通换向阀、热水换热器、平衡换热器、三通阀、冷水换热器、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、气液分离器、第一储液器、第二储液器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第一储液器、第二储液器、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀；四通换向阀包括C、D、E和S四个端口；三通阀包括u、v、w三个端口；通过四通换向阀和三通阀的切换实现制冷、制热和冷热同供三种模式的转换。本发明采用换向四通阀和三通阀的组合方式，即高压气态冷媒只需一次流经四通阀，低压气态冷媒只需一次流经三通阀，从而降低了系统的压降，降低了压缩机功耗，提升了产品的能效3％。

Description

一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组
技术领域
本发明涉及空调领域，尤其涉及一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组。
背景技术
空调机组在制冷的同时，会产生大量废热。基于这种现状，业内已有越来越多的厂家注重废热回收：即在供冷的同时，免费回收冷凝热，用于生活热水。除了部分热回收，全热回收等节能产品，目前已存在一种四管制多功能风冷冷热水机组，专利申请号为：201420306996.4；可以实现制热时冷回收，制冷时热回收。但是该产品存在的以下缺陷：
首先：该产品的系统原理是全热回收，即采用双四通换向阀串联的方式，实现多种模式的切换。存在的问题是：高压气态冷媒要两次流经四通阀，低压气态冷媒要一次流经四通阀。由于是气态冷媒，多次流经阀件，系统压降较大，尤其是对于R134a冷媒，对压损较为敏感，此系统方案下机组的性能往往较差。
其次：冷媒充注量问题：三种运行模式下，系统对冷媒的最佳充注量均不同。因此需要设置储液器去调节冷媒充注量。但是单一储液器只能实现冷媒量的一次调整，而无法二次调整冷媒量。因此三种运行模式与冷媒量的匹配度，也是目前的全热回收产品中存在的问题之一。
因此，需要一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组。
本发明的主要技术方案为：一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，包括压缩机、四通换向阀、热水换热器、平衡换热器、三通阀、冷水换热器、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、气液分离器、第一储液器、第二储液器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第一储液器、第二储液器、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀；
所述四通换向阀包括C、D、E和S四个端口；所述三通阀包括U、V、W三个端口；
所述压缩机的出气口与四通换向阀的D端口连接；所述四通换向阀的S端口与所述三通阀的W端口连接，所述三通阀的U端口与所述气液分离器的进口连接，所述气液分离器的出口与所述压缩机的进气口连接；
所述四通换向阀的S端口与所述三通阀的端口W连接；
所述端口C与所述带有风机的平衡换热器的进口连接，所述平衡换热器的出口依次与连接与所述电子膨胀阀、电子膨胀阀和冷水换热器的进口连接，所述冷水换热器的出口与端口V连接；
所述四通换向阀的端口E与所述热水换热器的进口连接，所述热水换热器的出口依次与第一储液器、第二电磁阀、第二储液器、第三电磁阀和端口W和S的连接处连通；
所述第三单向阀设置在所述三通阀的端口W和端口U的两侧，作为端口W和端口U旁通管；
所述第一单向阀与所述第一电磁阀串联，且所述第一单向阀、第一电磁阀与所述第一电子膨胀阀并联；
所述第二单向阀的一侧与所述热水换热器和第一储液器的连接处连接；另一侧与电子膨胀阀和电子膨胀阀的连接处连接。
更进一步的，所述四通换向阀和三通阀均为电动零压差换向阀。其中由于三个端口并无压差，此处不适用压差式换向阀，本方案采用电动零压差换向阀。
更进一步的，所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第一储液器、第二储液器、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀的切换实现高压冷媒旁通技术。
以制冷模式切换至冷热同供模式为例进行说明：平衡换热器由冷凝器切换至闲置状态，内部高压液态冷媒按以下通道进行旁通：平衡换热器→四通阀C-S→旁通管单向阀→气液分离器→压缩机，冷媒旁通完成之后，根据上述系统冷媒量的调节技术进行调节。避免了将高压液态冷媒封闭在闲置换热器中，冷媒充注量可以减少30％以上。同时避免了因为冷媒充注量过多而导致的吸气带液风险。降低产品成本的同时，提升了产品的可靠性。
更进一步的，第一储液器和第二储液器实现系统冷媒量的多重调节技术。
系统冷媒量过多容易引发高压过高及吸气带液等问题，而系统冷媒量过少则容易导致冷凝器过冷度不足以及低压过低等问题。因此系统冷媒量至关重要。常规冷热水机组制冷和制热运行时，由于换热器内容积以及工况的不同，系统对冷媒的需求量一般并不相同。这时，需要采用1个储液器来平衡两种运行模式下的冷媒量。假如制热时的冷媒需求量相对较小，那么制热时需要将多余的冷媒存储在储液器内，等制冷模式下，再将这部分冷媒释放到制冷系统中。
对于本四管制产品，由于本发明有平衡换热器、冷水换热器和热水换热器共三种换热器。多种模式切换导致系统对冷媒量的需求不同。因此本方案采用了双储液器的多重冷媒量调节技术，结合高低压的切换以及各电磁阀的开闭，从而实现系统冷媒量与运行模式的最佳匹配。
更进一步的，为平衡三种模式运行下的冷媒充注量，根据三种模式下冷媒量的差值分别确定第一储液器和第二储液器的内容积。
控制逻辑如下：
制冷模式下：第一电磁阀和第三电磁阀均倒开，此时第一储液器和第二储液器连通的是系统的低压侧，内部均注满低压气态冷媒；
制热模式下：第二电磁阀关闭,第三电磁阀打开，此时储液器A(14)连通系统液态高压侧，第二储液器(15)内部注满低压气态冷媒；
冷热同供模式下：第二电磁阀打开,第三电磁阀关闭，此时第一储液器和第二储液器连通的是系统的高压侧，内部均注满高压液态冷媒。
通过以上多重冷媒量调节技术，从而实现系统冷媒量与运行模式的最佳匹配，避免压缩机吸气带液，提升产品的性能和可靠性。
同时，制冷模式与制热模式的冷媒量差值为第一储液器的内容积；制冷模式与冷热同供模式的冷媒量差值为第二储液器的内容积。
更进一步的，还包括经济器和经济器用电子膨胀阀。所述经济器的进口与所述电子膨胀阀和单向阀的连接处连接；所述经济器的一个出口与所述压缩机的进气口连接，另一个出口依次与所述经济器用电子膨胀阀、电子膨胀阀和电子膨胀阀的连接处连接。
更进一步的，所述平衡换热器上设有风机。
有益效果：
1、本发明采用换向四通阀和三通阀的组合方式，即高压气态冷媒只需一次流经四通阀，低压气态冷媒只需一次流经三通阀，从而降低了系统的压降，降低了压缩机功耗，提升了产品的能效3％。
2.模式切换时，当某一换热器从高压侧切换为闲置时，可将原高压侧的冷媒旁通至低压侧，避免了将高压液态冷媒封闭在闲置换热器中，冷媒充注量可以减少30％以上。同时避免了因为冷媒充注量过多而导致的吸气带液风险。因此降低产品成本的同时，提升了产品的可靠性。
3.系统冷媒量与模式匹配问题：
系统冷媒量过多容易引发高压过高及吸气带液等问题，而系统冷媒量过少则容易导致冷凝器过冷度不足以及低压过低等问题。因此系统冷媒量合适与否至关重要。三种运行模式下，系统对冷媒的需求量均不同。通过上述系统的两各储液器，实现冷媒量的多重调节技术，可以实现系统冷媒量与运行模式的最佳匹配，提升了产品的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组的结构示意图；
图2为本发明的一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组加入经济器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，包括压缩机1、四通换向阀2、热水换热器3、平衡换热器4、三通阀6、冷水换热器7、第一电子膨胀阀8、第二电子膨胀阀9、气液分离器10、第一储液器14、第二储液器15、第一单向阀11、第二单向阀12、第三单向阀13、第一储液器14、第二储液器15、第一电磁阀16、第二电磁阀17和第三电磁阀18；
所述四通换向阀2包括C、D、E和S四个端口；所述三通阀6包括U、V、W三个端口；
所述压缩机1的出气口与四通换向阀2的D端口连接；所述四通换向阀2的S端口与所述三通阀6的W端口连接，所述三通阀6的U端口与所述气液分离器10的进口连接，所述气液分离器10的出口与所述压缩机1的进气口连接；
所述四通换向阀2的S端口与所述三通阀6的端口W连接；
所述端口C与所述平衡换热器4的进口连接，所述平衡换热器4的出口依次与连接与所述电子膨胀阀8、电子膨胀阀9和冷水换热器7的进口连接，所述冷水换热器7的出口与端口V连接；
所述四通换向阀2的端口E与所述热水换热器3的进口连接，所述热水换热器3的出口依次与第一储液器14、第二电磁阀17、第二储液器15、第三电磁阀18和端口W和S的连接处连通；
所述第三单向阀13设置在所述三通阀6的端口W和端口U的两侧，作为端口W和端口U旁通管；
所述第一单向阀11与所述第一电磁阀16串联，且所述第一单向阀、第一电磁阀16与所述第一电子膨胀阀8并联；
所述第二单向阀12的一侧与所述热水换热器3和第一储液器14的连接处连接；另一侧与电子膨胀阀8和电子膨胀阀9的连接处连接。
更进一步的，包括制冷、制热和冷热同供三种模式。三种模式的工作状态如下：
制冷模式冷水侧提供冷水：
四通换向阀2的端口D、C导通，端口E、S导通、三通阀6切换到端口U、V导通。平衡换热器4为高压侧换热器，冷水换热器7为低压换热器，热水换热器3闲置。第一电子膨胀阀8关闭，第二电子膨胀阀9打开。第一电磁阀16、第二电磁阀17、第三电磁阀18均处于打开状态。此时第一储液器14和第二储液器15均位于冷媒循环的低压侧，内部为低压气态冷媒。此时第一储液器14和第二储液器15的外部系统的冷媒量最多。
压缩机1排出高压气态冷媒，经四通换向阀2进入到平衡换热器4，冷凝后的液态冷媒再经电磁阀16、单向阀11、流经电子膨胀阀9进行节流，节流后的低压气液混合冷媒进入冷水侧换热器7进行蒸发。具备一定过热度的低压气态冷媒经过三通阀6的导通端口V和U，再经过气液分离器10进入到压缩机1吸气口进行压缩。
制热模式热水侧提供热水，可用于采暖和加热热水：
所述换向四通阀2的端口D、E导通，端口C、S导通、三通阀6切换至端口W、U导通。热水换热器3为高压侧换热器，平衡换热器4为低压换热器，冷水换热器7闲置。第一电子膨胀阀8打开，第二电子膨胀阀9关闭。第一电磁阀16和第三电磁阀18均处于打开状态，第二电磁阀17处于关闭状态。此时第一储液器14内为低压气态冷媒，第二储液器15内为低压气态冷媒。此时所述第一储液器14和第二储液器15的外部系统的冷媒量少于制冷模式。
压缩机1排出高压气态冷媒，经四通换向阀2进入到热水换热器3，冷凝后的液态冷媒再经第二单向阀12、流经第一电子膨胀阀8进行节流，节流后的低压气液混合冷媒进入平衡换热器4进行蒸发。具备一定过热度的低压气态冷媒经过四通换向阀(2)的导通端口C、S和电动三通阀6的导通端口W、U，再经过气液分离器10进入到压缩机1吸气口进行压缩。
冷热同供模式冷水侧提供冷水，热水侧提供热水，用于采暖或加热热水：
换向四通阀2的端口D、E导通，端口C、S导通、三通阀6切换到V-U导通。热水换热器3为高压侧换热器，冷水换热器7为低压换热器，平衡换热器4闲置。第一电子膨胀阀8关闭，第二电子膨胀阀9打开。第一电磁阀16和第二电磁阀17均处于打开状态，第三电磁阀18处于关闭状态。此时第一储液器14和第二储液器15内均为高压液态冷媒。此时储液器外部系统的冷媒量少于制热模式，此模式下的冷媒需求量最少。
压缩机1排出高压气态冷媒，经四通换向阀2进入到热水换热器3，冷凝后的液态冷媒再经单向阀12、流经第二电子膨胀阀9进行节流，节流后的低压气液混合冷媒进入冷水换热器7进行蒸发。具备一定过热度的低压气态冷媒经过三通阀6的导通端口V、U6，再经过气液分离器10进入到压缩机吸气口进行压缩。
更进一步的，所述四通换向阀2和三通阀6均为电动零压差换向阀。其中由于三个端口并无压差，此处不适用压差式换向阀，本方案采用电动零压差换向阀。
更进一步的，所述第一单向阀11、第二单向阀12、第三单向阀13、第一储液器14、第二储液器15、第一电磁阀16、第二电磁阀17和第三电磁阀17的切换实现高压冷媒旁通技术。
以制冷模式切换至冷热同供模式为例进行说明：平衡换热器4由冷凝器切换至闲置状态，内部高压液态冷媒按以下通道进行旁通：平衡换热器4→四通阀C-S2→旁通管单向阀13→气液分离器10→压缩机1，冷媒旁通完成之后，根据上述系统冷媒量的调节技术进行调节。避免了将高压液态冷媒封闭在闲置换热器中，冷媒充注量可以减少30％以上。同时避免了因为冷媒充注量过多而导致的吸气带液风险。降低产品成本的同时，提升了产品的可靠性。
更进一步的，第一储液器14和第二储液器15实现系统冷媒量的多重调节技术。
系统冷媒量过多容易引发高压过高及吸气带液等问题，而系统冷媒量过少则容易导致冷凝器过冷度不足以及低压过低等问题。因此系统冷媒量至关重要。常规冷热水机组制冷和制热运行时，由于换热器内容积以及工况的不同，系统对冷媒的需求量一般并不相同。这时，需要采用1个储液器来平衡两种运行模式下的冷媒量。假如制热时的冷媒需求量相对较小，那么制热时需要将多余的冷媒存储在储液器内，等制冷模式下，再将这部分冷媒释放到制冷系统中。
对于本四管制产品，由于本发明有平衡换热器、冷水换热器和热水换热器共三种换热器。多种模式切换导致系统对冷媒量的需求不同。因此本方案采用了双储液器的多重冷媒量调节技术，结合高低压的切换以及各电磁阀的开闭，从而实现系统冷媒量与运行模式的最佳匹配。
更进一步的，记录三种模式运行下的冷媒冲注量，根据三种模式下冷媒量的差值分别确定第一储液器14和第二储液器15的内容积。
控制逻辑如下：
制冷模式下：第一电磁阀17和第三电磁阀18均倒开，此时第一储液器14和第二储液器15连通的是系统的低压侧，内部均注满低压气态冷媒；
制热模式下：第二电磁阀17关闭,第三电磁阀18打开，此时储液器A(14)连通系统液态高压侧，第二储液器(15)内部注满低压气态冷媒；
冷热同供模式下：第二电磁阀17打开,第三电磁阀18关闭，此时第一储液器14和第二储液器15连通的是系统的高压侧，内部均注满高压液态冷媒。
通过以上多重冷媒量调节技术，从而实现系统冷媒量与运行模式的最佳匹配，避免压缩机吸气带液，提升产品的性能和可靠性。
同时，制冷模式与制热模式的冷媒量差值为第一储液器14的内容积；制冷模式与冷热同供模式的冷媒量差值为第二储液器15的内容积。
更进一步的，还包括经济器19和经济器用电子膨胀阀20。所述经济器19的进口与所述电子膨胀阀9和单向阀11的连接处连接；所述经济器19的一个出口与所述压缩机1的进气口连接，另一个出口依次与所述经济器用电子膨胀阀20、电子膨胀阀8和电子膨胀阀9的连接处连接。
本发明采用四通阀+三通阀的组合方式，即高压气态冷媒只需一次流经四通阀，低压气态冷媒只需1次流经三通阀，从而降低了系统的压降，降低了压缩机功耗，提升了产品的能效。根据计算和实测，机组的能效可以提升3％左右。
2.模式切换时，当某一换热器从高压侧切换为闲置时，可将原高压侧的冷媒旁通至低压侧，避免了将高压液态冷媒封闭在闲置换热器中，冷媒充注量可以减少30％以上。同时避免了因为冷媒充注量过多而导致的吸气带液风险。因此降低产品成本的同时，提升了产品的可靠性。
3.系统冷媒量与模式匹配问题：
系统冷媒量过多容易引发高压过高及吸气带液等问题，而系统冷媒量过少则容易导致冷凝器过冷度不足以及低压过低等问题。因此系统冷媒量合适与否至关重要。三种运行模式下，系统对冷媒的需求量均不同。通过上述系统冷媒量的多重调节技术，可以实现系统冷媒量与运行模式的最佳匹配，提升了产品的可靠性。

Claims (6)

1.一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，其特征在于：包括压缩机(1)、四通换向阀(2)、热水换热器(3)、平衡换热器(4)、三通阀(6)、冷水换热器(7)、第一电子膨胀阀(8)、第二电子膨胀阀(9)、气液分离器(10)、第一储液器(14)、第二储液器(15)、第一单向阀(11)、第二单向阀(12)、第三单向阀(13)、第一储液器(14)、第二储液器(15)、第一电磁阀(16)、第二电磁阀(17)和第三电磁阀(18)；
所述四通换向阀(2)包括C、D、E和S四个端口；所述三通阀(6)包括U、V、W三个端口；通过所述四通换向阀(2)和三通阀(6)的切换实现制冷、制热和冷热同供三种模式的转换；
所述压缩机(1)的出气口与四通换向阀(2)的D端口连接；所述四通换向阀(2)的S端口与所述三通阀(6)的W端口连接，所述三通阀(6)的U端口与所述气液分离器(10)的进口连接，所述气液分离器(10)的出口与所述压缩机(1)的进气口连接；
所述四通换向阀(2)的S端口与所述三通阀(6)的端口W连接；
所述端口C与所述带有风机(5)的平衡换热器(4)的进口连接，所述平衡换热器(4)的出口依次与连接与所述电子膨胀阀(8)、电子膨胀阀(9)和冷水换热器(7)的进口连接，所述冷水换热器(7)的出口与端口V连接；
所述四通换向阀(2)的端口E与所述热水换热器(3)的进口连接，所述热水换热器(3)的出口依次与第一储液器(14)、第二电磁阀(17)、第二储液器(15)、第三电磁阀(18)和端口W和S的连接处连通；
所述第三单向阀(13)设置在所述三通阀(6)的端口W和端口U的两侧，作为端口W和端口U旁通管；
所述第一单向阀(11)与所述第一电磁阀(16)串联，且所述第一单向阀、第一电磁阀(16)与所述第一电子膨胀阀(8)并联；
所述第二单向阀(12)的一侧与所述热水换热器(3)和第一储液器(14)的连接处连接；另一侧与电子膨胀阀(8)和电子膨胀阀(9)的连接处连接。
2.根据权利要求1所述的一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，其特征在于：三通阀(6)为电动零压差换向阀。
3.根据权利要求1所述的一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，其特征在于：所述第一单向阀(11)、第二单向阀(12)、第三单向阀(13)、第一储液器(14)、第二储液器(15)、第一电磁阀(16)、第二电磁阀(17)和第三电磁阀(17)的切换实现高压冷媒旁通技术。
4.根据权利要求1所述的一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，其特征在于：第一储液器(14)和第二储液器(15)实现系统冷媒量的多重调节技术。
5.根据权利要求1所述的一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，其特征在于：根据三种模式下冷媒量的差值分别确定第一储液器(14)和第二储液器(15)的内容积。
6.根据权利要求1所述的一种四管制冷热多功能一体风冷热泵机组，其特征在于：还包括经济器(19)和经济器用电子膨胀阀(20)；所述经济器(19)的进口与所述电子膨胀阀(9)和单向阀(11)的连接处连接；所述经济器(19)的一个出口与所述压缩机(1)的进气口连接，另一个出口依次与所述经济器用电子膨胀阀(20)、电子膨胀阀(8)和电子膨胀阀(9)的连接处连接。
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