CN109114838B - 一种空气源热泵系统、热水器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气源热泵系统、热水器及控制方法，该空气源热泵系统包括通过连通形成循环回路的压缩机、水箱、膨胀阀和换热器，还包括分离器和调节阀，制热工况下，经膨胀阀节流后的冷媒进入分离器，经分离器分离出的气体冷媒通过调节阀进入压缩机内，经分离器分离出的液体冷媒通过换热器吸热后进入压缩机内。本发明通过分离器对经过膨胀阀节流后的冷媒进行气液分离，降低了进入换热器内气体含量，进而降低了进入换热器内的冷媒的冷媒干度，改善分流效果，提高了换热器的换热效率；降低了换热器的阻力损失，提高了吸气压力，增大了冷媒的循环量。

Description

一种空气源热泵系统、热水器及控制方法

技术领域

本发明涉及热水器相关技术领域，尤其涉及一种空气源热泵系统、热水器及控制方法。

背景技术

现有的制冷或制热设备中，压缩机出来的高温高压冷媒先经过水箱换热，再经过膨胀阀节流后形成低温低压的气液混合冷媒，形成的低温低压气液混合冷媒通常是直接通入换热器内，在换热器内形成低温低压的气体冷媒，而后通入压缩机中。

由于低温低压气液混合冷媒中含有气体冷媒，造成冷媒干度偏大，如果直接通入换热器内，气体冷媒会占据较大的内部空间，以致这部分空间的换热效果不好，影响换热器的换热效率。

特别是热水器，为了能够制取更高温度的热水，现有的空气源热泵系统通常会选择使用高温冷媒的办法。例如R134A(1，1，1，2-四氟乙烷)高温冷媒，采用R134A高温冷媒最高可以制取高达80℃的热水。

随着水温的不断升高，水压随之增大，使得冷凝温度随水温线性上升，而蒸发温度由于环境温度的稳定而变化较小，导致经水箱出来的高温高压液体冷媒的温度相较于采用普通冷媒的温度有所提高，以致过冷度不足，使得经膨胀阀节流后的低温低压的气液混合冷媒的冷媒干度相对提高，即所含的干蒸汽的含量变化较大且干蒸汽的含量相比采用普通冷媒提高了，从而影响蒸发器内分流器的分流效果，并且导致换热系数下降，因此，更加降低了换热器的换热效率。

因而，如何发明一种空气源热泵系统，实现降低进入换热器内的冷媒的冷媒干度，提高换热器的换热效率，是本发明主要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空气源热泵系统、热水器及控制方法，以解决经膨胀阀节流后的低温低压的气液混合冷媒直接通入换热器内，造成换热器的换热效率低的问题。

进入换热器内的采用高温冷媒时造成的换热器的工作效率低的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种空气源热泵系统，包括通过连通形成循环回路的压缩机、水箱、膨胀阀和换热器，还包括分离器和调节阀，制热工况下，经膨胀阀节流后的冷媒进入分离器，经分离器分离出的气体冷媒通过调节阀进入压缩机内，经分离器分离出的液体冷媒通过换热器吸热后进入压缩机内。

作为优选技术方案，还包括三位四通阀，所述三位四通阀的入口连接于压缩机的出口端，所述三位四通阀的第一接口端连通于换热器，所述三位四通阀的第二接口端连通于压缩机的进口端，所述三位四通阀的第三接口端连通于水箱。

作为优选技术方案，制热工况下，膨胀阀和调节阀均处于打开状态，所述三位四通阀的入口与三位四通阀的第三接口端连通，第一接口端和第二接口端连通；

制冷工况下，膨胀阀处于打开状态，调节阀处于关闭状态，所述三位四通阀的入口与第一接口端连通，第二接口端与第三接口端连通。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种空气源热泵系统的控制方法，制热工况下，通过分离器对经膨胀阀节流后的冷媒进行气液分离，将分离出的气体冷媒通过调节阀进入压缩机，分离出的液体冷媒经过换热器吸热后进入压缩机。

作为优选技术方案，所述调节阀的开度Y＝DX+Eq；

其中，D、E为常数，X为经过膨胀阀节流后的冷媒干度，q为经过膨胀阀节流后的冷媒流量。

作为优选技术方案，经过膨胀阀节流后的冷媒干度X＝(A(Tr-To)+BTr)/CTe；

其中，A、B、C由冷媒特性确定，Tr为水箱温度，To为冷媒流出水箱时的温度，Te为环境温度。

作为优选技术方案，所述经过膨胀阀节流后的冷媒干度X的预设范围为0-0.6。

作为优选技术方案，所述膨胀阀的开度根据吸气过热度和排气温度联合控制。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种热水器，采用上述的空气源热泵系统。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种热水器，采用上述的空气源热泵系统的控制方法。

本发明的有益效果：通过在膨胀阀和换热器的连通管路上设置分离器，将分离出的气体冷媒通过调节阀进入压缩机，分离出的液体冷媒经过换热器吸热后进入压缩机。降低了进入换热器内气体含量，进而降低了进入换热器内的冷媒的冷媒干度，改善分流效果，提高了换热器的换热效率；降低了换热器的阻力损失，提高了吸气压力，增大了冷媒的循环量。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的空气源热泵系统制热工况下的结构简图；

图2是本发明实施例一所述的空气源热泵系统除霜工况下的结构简图；

图3是本发明实施例二所述的空气源热泵系统制热工况下的结构简图；

图4是图3中I处的局部放大示意图；

图5是本发明实施例二所述的空气源热泵系统除霜工况下的结构简图；

图6是图5中II处的局部放大示意图。

图中：

1、压缩机；11、出口端；12、进口端；2、三位四通阀；21、入口；22、第一接口端；23、第二接口端；24、第三接口端；3、水箱；4、膨胀阀；5、分离器；51、进口；52、液体口；53、气体口；6、调节阀；7、换热器；100、室外机；200、室内机。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种空气源热泵系统，主要应用于采用高温冷媒的热水器，该空气源热泵系统包括通过连通形成循环回路的压缩机1、水箱3、膨胀阀4和换热器7，还包括分离器5和调节阀6，制热工况下，经膨胀阀4节流后的冷媒进入分离器5，经分离器5分离出的气体冷媒通过调节阀6进入压缩机1内，经分离器5分离出的液体冷媒通过换热器7吸热后进入压缩机1内。

具体的，制热工况下，所述分离器5的进口51通过管道连通于膨胀阀4的出口，分离器5的液体口52通过管道连通于换热器7，分离器5的气体口53经过调节阀6连通于压缩机1。

由于本实施例所述空气源热泵系统主要应用于热水器，因而水箱3起到冷凝器的作用，冷媒在水箱3内放热，而换热器7起到蒸发器的作用，冷媒在换热器7内吸热。

如图1所示，制热过程中，所述膨胀阀4和调节阀6均处于打开状态。压缩机1内产生的高温高压的气体冷媒进入水箱3内，高温高压的气体冷媒经过放热后形成高温高压的液体冷媒并流出水箱3，而后经过膨胀阀4节流形成低温低压的气液混合冷媒，而后通入分离器5内进行气液分离，经分离器5分离出的气体冷媒通过调节阀6进入压缩机1内，经分离器5分离出的液体冷媒通过换热器7吸热后形成低温低压的气体冷媒进入压缩机1内。

通过在膨胀阀4和换热器7的连通管路上设置分离器5，将分离出的气体冷媒通过调节阀6通入压缩机1，分离出的液体冷媒经过换热器7吸热后通入压缩机1。降低了进入换热器7内气体含量，进而降低了进入换热器7内的冷媒的冷媒干度，改善分流效果，提高了换热器7的换热效率；降低了换热器7的阻力损失，提高了吸气压力，增大了冷媒的循环量。同时通过调节阀6调节分离器5内的压力，保证分离器5内的液体能够顺利的通入换热器7内，同时防止分离器5内液体直接进入压缩机1内，造成压缩机1出现液击现象。

寒冷的冬季，室外机100的换热器7有可能会出现结霜现象，因此在寒冷的冬季需要定期对室外机100的换热器7进行除霜。

本实施例中，对于热水器而言，水箱3作为热水器的室内机200，水箱3之外的其他部件均作为室外机100。在寒冷的冬季，室外机100的换热器7有可能会出现结霜现象，因此在寒冷的冬季需要定期对室外机100的换热器7进行除霜，即为制冷过程，水箱3起到蒸发器的作用，冷媒进行吸热，换热器7起到冷凝器的作用，冷媒进行放热。

如图2所示，除霜过程中，调节阀6处于关闭状态，膨胀阀4处于打开状态。如图2所示，具体除霜过程如下：从压缩机1出来的高温高压的气体冷媒经过进入换热器7内释放热量变为高温高压的液体冷媒，并在经过分离器5后进入膨胀阀4内节流，形成低温低压的气液混合冷媒，而后再经过水箱3吸热后变为低温低压的气体冷媒，低温低压的气体冷媒直接进入压缩机1内。通过冷媒在换热器7内释放的热量融化换热器7的外壁上凝结的霜，起到除霜的作用。

在除霜过程中，调节阀6处于关闭状态，分离器5仅仅作为一个流通管道，而关闭调节阀6能够有效防止液体冷媒经过调节阀6进入压缩机1内，避免压缩机1因液体进入其内而出现液击现象。

回收冷媒的过程也是一个制冷过程，具体参照除霜过程，在此不再赘叙。

本实施例还提供了一种上述空气源热泵系统的控制方法，包括以下步骤，制热工况下，通过分离器5对经膨胀阀4节流后的冷媒进行气液分离，将分离出的气体通过调节阀6进入压缩机1，分离出的液体经过换热器7吸热后进入压缩机1。

通过采用上述方法，可以对经过膨胀阀4节流的冷媒进行气液分离，降低了进入换热器7内气体含量，从而降低了进入换热器7内的冷媒的冷媒干度，改善分流效果，提高了换热器7的换热效率；同时通过调节阀6对分离器5内的压力进行调节，防止分离器5内的液体进入压缩机1内，有效避免压缩机1出现液击现象。

所述调节阀6的开度Y＝DX+Eq；其中，D、E为常数，X为经过膨胀阀4节流后的冷媒干度，q为经过膨胀阀4节流后的冷媒流量。通过经过膨胀阀4节流后的冷媒干度X和经过膨胀阀4节流后的冷媒流量q确定调节阀6的开度大小。通过调节调节阀6的开度调节分离器5内的压力以及经过调节阀6的气体冷媒流量，保证分离器5内的液体能够顺利的通入换热器7内，同时防止分离器5内液体直接进入压缩机1内，造成压缩机1出现液击现象。

经过膨胀阀4节流后的冷媒干度X可以采用如下公式进行粗略计算，具体的，X＝(A(Tr-To)+BTr)/CTe；其中，A、B、C由冷媒特性确定，Tr为水箱温度，To为水箱出口温度，Te为环境温度。

所述经过膨胀阀4节流后的冷媒干度X的预设范围为0-0.6。

所述膨胀阀4的开度根据吸气过热度和排气温度联合控制，具体的，包括以下步骤：

步骤1：将压缩机的排气温度划分为三个区域，分别为第一控制区域，第二控制区域和第三控制区域，其中，所述第一控制区域的排气温度满足T＜T1，第二控制区域的排气温度满足T1≤T＜T2，第三控制区域的排气温度T≥T2，其中0＜T1＜T2，T2为允许最大排气温度。

步骤2：检测压缩机的排气温度，并判断压缩机的当前排气温度所在控制区域。

若当前排气温度位于第一控制区域，采用吸气过热度调节膨胀阀的开度，计算压缩机的实际吸气过热度以及设置目标吸气过热度，根据实际吸气过热度以及目标吸气过热度调节膨胀阀4的开度。

若当前排气温度位于第二控制区域，采用排气温度进行控制，获取当前排气温度并计算目标排气温度，根据当前排气温度以及目标排气温度调节膨胀阀4开度。

若当前排气温度位于第三控制区域且持续时间为T3以上时，每隔固定时间将膨胀阀4的开度调大N步，直至当前排气温度小于T2，其中，N为正整数。

本实施例采取吸气过热度和排气温度联合控制调节膨胀阀4的开度，结合两者的优点，在排气温度较低(T＜T1)时，采用吸气过热度调节膨胀阀4的开度；在排气温度较高(T≥T2)时，切换为排气温度调节膨胀阀4的开度，这样既可以利用吸气有效过热控制系统流量，充分利用了系统容量，发挥系统最优效率，又可以将排气温度控制在安全范围以内，冷媒系统不产生波动，可以稳定运行，尤其适用于如热泵热水器加热前后温差较大的工况环境。

本实施例还提供了一种热水器，采用上述的空气源热泵系统，并采用上述的空气源热泵系统的控制方法，通过分离器5进行气液分离，降低了进入换热器7内的冷媒的冷媒干度，通过调节阀6保证了气液分流效果，最大程度了提高了换热器7的换热效率。

实施例二

如图3至6所示，本实施例在实施例一的基础上增设了三位四通阀2，对空气源热泵系统的制热工况和制冷工况(除霜过程)进行切换。具体的，所述三位四通阀2的入口21连接于压缩机1的出口端11，所述三位四通阀2的第一接口端22连通于换热器7，所述三位四通阀2的第二接口端23连通于压缩机1的进口端12，所述三位四通阀2的第三接口端24连通于水箱3。

如图3至6所示，三位四通阀2的四个接口在当前工况下的连通状态参照图中实现所示。

如图3和图4所示，制热工况下，膨胀阀4和调节阀6均处于打开状态，所述三位四通阀2的入口21与三位四通阀2的第三接口端24连通，第一接口端22和第二接口端23连通。具体的制热过程如下：高温高压的气体冷媒从压缩机1的出口端11经过入口21、第三接口端24进入水箱3内，高温高压的气体冷媒在水箱3内释放热量后变为高温高压的液体，并经过膨胀阀4节流后变为低温低压的气液混合冷媒，而后经过分离器5进行气液分离，使得液体冷媒经过分离器5的液体口52进入换热器7内吸收热量形成低温低压的气体冷媒，再经过第一接口端22、第二接口端23回到压缩机1的进口端12；同时使得气体冷媒经过分离器5的气体口53、调节阀6进入压缩机1的进口端12，即完成一个制热过程。

如图5和图6所示，制冷工况下，即除霜过程中，膨胀阀4处于打开状态，调节阀6处于关闭状态，所述三位四通阀2的入口21与第一接口端22连通，第二接口端23与第三接口端24连通。具体除霜过程如下：从压缩机1出来的高温高压气体冷媒经过三位四通阀2的入口21、第一接口端22进入换热器7内，高温高压气体冷媒在换热7内释放热量变为高温高压的液体冷媒，并在经过分离器5后进入膨胀阀4内节流，形成低温低压的气液混合冷媒，而后再经过水箱3吸热后变为低温低压的气体冷媒，低温低压的气体冷媒经过第三接口端24、第二接口端23直接进入压缩机1内。

经过分离器5分离出来的气体冷媒不经过三位四通阀2，而是通过调节阀6直接通入压缩机1的进口端12，降低了三位四通阀2的阻力损失。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空气源热泵系统的控制方法，空气源热泵系统包括通过连通形成循环回路的压缩机(1)、水箱(3)、膨胀阀(4)和换热器(7)，其特征在于，空气源热泵系统还包括分离器(5)和调节阀(6)，制热工况下，经膨胀阀(4)节流后的冷媒进入分离器(5)，经分离器(5)分离出的气体冷媒通过调节阀(6)进入压缩机(1)内，经分离器(5)分离出的液体冷媒通过换热器(7)吸热后进入压缩机(1)内；

制热工况下，通过分离器对经膨胀阀节流后的冷媒进行气液分离，将分离出的气体冷媒通过调节阀进入压缩机，分离出的液体冷媒经过换热器吸热后进入压缩机；

所述调节阀的开度Y＝DX+Eq；

其中，D、E为常数，X为经过膨胀阀节流后的冷媒干度，q为经过膨胀阀节流后的冷媒流量；

经过膨胀阀节流后的冷媒干度X＝(A(Tr-To)+BTr)/CTe；

其中，A、B、C由冷媒特性确定，Tr为水箱温度，To为冷媒流出水箱时的温度，Te为环境温度。

2.根据权利要求1所述的空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，还包括三位四通阀(2)，所述三位四通阀(2)的入口(21)连接于压缩机(1)的出口端(11)，所述三位四通阀(2)的第一接口端(22)连通于换热器(7)，所述三位四通阀(2)的第二接口端(23)连通于压缩机(1)的进口端(12)，所述三位四通阀(2)的第三接口端(24)连通于水箱(3)。

3.根据权利要求2所述的空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，制热工况下，膨胀阀(4)和调节阀(6)均处于打开状态，所述三位四通阀(2)的入口(21)与三位四通阀(2)的第三接口端(24)连通，第一接口端(22) 和第二接口端(23)连通；

制冷工况下，膨胀阀(4)处于打开状态，调节阀(6)处于关闭状态，所述三位四通阀(2)的入口(21)与第一接口端(22)连通，第二接口端(23)与第三接口端(24)连通。

4.根据权利要求1所述的空气源热泵系统的 控制方法，其特征在于，所述经过膨胀阀节流后的冷媒干度X的预设范围为0-0.6。

5.根据权利要求4所述的空气源热泵系统的 控制方法，其特征在于，所述膨胀阀的开度根据吸气过热度和排气温度联合控制。

6.一种热水器，其特征在于，采用权利要求1至5任一所述的空气源热泵系统的控制方法。

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