CN110793241A - 大型化空气源热泵无霜运行系统及控制方法 - Google Patents

大型化空气源热泵无霜运行系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了大型化空气源热泵无霜运行系统及控制方法，属于热泵系统技术领域，所述控制方法包括调整空气源侧换热状态的步骤：环境空气换热器空气换热前后的温差控制，实现环境空气换热器进出口空气低温差换热；调整防冻液介质循环侧的步骤：防冻液循环流量的流速控制，实现环境空气换热器壁面低温差换热。本发明的“双低”换热模式，从根本上抑制了结霜现象的产生。

Description

大型化空气源热泵无霜运行系统及控制方法
技术领域
本发明属于热泵系统技术领域，涉及空气源热泵系统，特别涉及大型化空气源热泵无霜运行系统及控制方法。
背景技术
目前空气源热泵系统环境空气换热器均采用制冷剂蒸发直接换热，制冷剂液—汽相变单位体积吸收的热量很大，以R22为例，液—汽相变的热焓为2.78×105KJ/m3，而空气比热仅0.78KJ/m3·K，如果空气换热温差达到10K，3.5×104m3空气的换热能力与1m3制冷剂发生液—汽相变吸收的热量相当，换热界面的介质流量差距达到4个数量级。
由于以上原因导致环境空气换热器换热前后空气温差达到10K以上，高温差空气换热使环境空气换热器出口空气的温度低于其露点，因此，空气通过环境空气换热器后极易产生凝湿现象。
同时，空气极低的换热能力要求空气(热媒介质)与环境空气换热器(制冷剂蒸发器)即平套片翅片管换热器翅片管内制冷剂(冷媒介质)有足够的温差，即制冷剂的蒸发温度很低，制冷剂在翅片管内的蒸发温度与环境空气温度相差15K以上，即翅片管的壁面温度很低，冬季取热工况基本上始终处于0℃以下，极低的翅片管壁面温度使发生凝湿的空气在壁面结霜的过饱和度很低，即进一步增大了结霜的可能。
因此，传统空气源热泵在环境端换热是处于：环境空气换热器进出口空气的高温差；环境空气与翅片管壁面温度高温差的“双高”换热模式，因此带来的结霜现象也就成为一种无法克服的现象，成为制约空气源热泵技术推广的主要制约因素。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供大型化空气源热泵无霜运行系统及控制方法，将传统空气源热泵系统由一级换热变为二级换热，即空气—防冻液换热、防冻液—制冷剂液—汽相变换热；并改变传统空气源热泵“双高”换热模式为“双低”换热模式，从而从根本上抑制结霜现象的产生。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供大型化空气源热泵无霜运行系统，包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块、在线监测系统和控制电脑，所述环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热，所述环境空气换热器模块包括环境空气换热器、防冻液膨胀水箱和工业风机，防冻液膨胀水箱与环境空气换热器连接；所述在线监测系统包括用于监测环境空气换热器进出口风温的环境温度在线测试系统和用于监测环境空气换热器进口湿度的环境湿度在线测试系统。
进一步的，所述环境温度在线测试系统和环境湿度在线测试系统均与控制电脑连接，并将实时采集的数据传输至控制电脑。
进一步的，所述热泵机组模块包括蒸发器和防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀、冷凝器和水换热循环系统，所述用户能源供给侧模块包括缓冲水箱和用户供热水泵，所述蒸发器和防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱连接，所述冷凝器和水换热循环系统与缓冲水箱连接；所述压缩机机组为多台压缩机，所述蒸发器与压缩机为一台对多台的关系，蒸发器产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器，所述冷凝器与压缩机为一台对多台的关系，冷凝器产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器。
进一步的，所述防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵，所述水换热循环系统上设有热源循环水泵。
本发明还提供大型化空气源热泵无霜运行控制方法，利用前面所述的系统进行，包括：
一、调整空气源侧换热状态的步骤：环境空气换热器空气换热前后的温差控制，实现环境空气换热器进出口空气低温差换热；
二、调整防冻液介质循环侧的步骤：防冻液循环流量的流速控制，实现环境空气换热器壁面低温差换热。
进一步的，进行步骤一时，依据环境温度在线测试系统和环境湿度在线测试系统监测的温度在线测试结果与湿度测试结果，控制电脑自动计算出空气温度与对应空气露点温度差，该温度差为环境空气换热器空气换热前后的温差控制基础；
若环境空气换热器空气换热前后的温差小于空气温度与对应空气露点温度差，则降低环境空气换热器配置风机的开启数量，或降低风机功率，降低风机能耗仍能保证环境空气换热器空气换热前后的温差值，并不导致环境空气换热器结霜现象的产生；
若环境空气换热器空气换热前后的温差大于空气温度与对应空气露点温度差，则增加环境空气换热器配置风机的开启数量，或提高风机功率，通过增加风机能耗确保环境空气换热器空气换热前后的温差值，实现抑制环境空气换热器结霜现象产生的目标。
进一步的，若环境空气换热器空气换热前后的温差与空气温度与对应空气露点温度差发生变化时，启动步骤二，防冻液循环流动的流速进行随动控制：
若环境空气换热器空气换热前后的温差小于空气温度与对应空气露点温度差，则降低防冻液循环泵的功率，降低防冻液循环流动的流速；
若环境空气换热器空气换热前后的温差大于空气温度与对应空气露点温度差，则增加防冻液循环泵的功率，提高防冻液循环流动的流速。
与现有技术相比，本发明优点在于：
将传统空气源热泵系统由一级换热变为二级换热，即空气—防冻液换热、防冻液—制冷剂液—汽相变换热；
本发明改变传统空气源热泵“双高”换热模式为“双低”换热模式，从而从根本上抑制结霜现象的产生。在要求换热量一定的条件下，高风量与空气换热器大型化可以实现进出口空气低温差换热；高防冻液循环流量与蒸发器大型化可以有效降低环境温度与防冻液平均温度的温度差，即实现空气换热器壁面低温差换热。进出口空气低温差换热是进出空气换热器的空气凝湿量降低，空气换热器壁面低温差换热使凝湿空气在空气换热器壁面结霜允许的过饱和度增加，两个因素共同作用下实现系统无霜运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统结构示意图(图中未示出在线监测系统及控制电脑)；
图2为本发明的无霜运行控制方法示意图。
图中，1.环境空气换热器；2.防冻液膨胀水箱；3.防冻液循环泵；4.蒸发器；5.压缩机；6.膨胀阀；7.冷凝器；8.热源循环水泵；9.用户供热水泵；10.缓冲水箱；11.工业风机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，大型化空气源热泵无霜运行系统，包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块、在线监测系统和控制电脑，环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热。
下面进一步的详细介绍各模块结构组成：
环境空气换热器模块，包括环境空气换热器1、防冻液膨胀水箱2和工业风机11，防冻液膨胀水箱2与环境空气换热器1连接。
热泵机组模块，包括蒸发器4、防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀6、冷凝器7和水换热循环系统，防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵3，水换热循环系统上设有热源循环水泵8。
蒸发器4和防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱2连接，冷凝器7和水换热循环系统与缓冲水箱10连接。压缩机机组为多台压缩机5，本实施例以4台压缩机5并联设置为例说明。蒸发器4与压缩机5为一台对多台的关系，蒸发器4产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器4，冷凝器7与压缩机5为一台对多台的关系，冷凝器7产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器7。
用户能源供给侧模块，包括缓冲水箱10和用户供热水泵9。
在线监测系统，包括用于监测环境空气换热器1进出口风温的环境温度在线测试系统和用于监测环境空气换热器1进口湿度的环境湿度在线测试系统。环境温度在线测试系统和环境湿度在线测试系统均与控制电脑连接，并将实时采集的数据传输至控制电脑。环境温度在线测试系统可以是在线监测环境空气换热器空气进口温度Tf1的传感器f1、监测空气换热器出口温度Tf2的传感器f2，环境湿度在线测试系统可以是在线监测环境空气换热器空气进口湿度ψ的湿度计。
在线监测系统还包括用于监测防冻液循环流量Vy的流量计y，用于监测蒸发器进出口温度Ty1、Ty2的远传温度计y1、y2。
在实际设计使用时，本系统的环境空气换热器1的换热介质为防冻液，防冻液的凝固点低于环境空气温度，环境空气换热器1为单台、或多台并联、或多台串联，本实施例及图1以单台为例说明。同时，环境空气换热器1可以根据需求与热泵机组模块自由匹配，可以一对一，或者以串联、并联方式实现一对多，或者多对一。本实施例及图1所示的环境空气换热器1与热泵机组模块以一对一方式匹配、并且热泵机组模块内的压缩机5以并联设置4台为例说明。
防冻液介质在环境空气换热器1内作为冷媒与空气进行热交换，之后在热泵机组蒸发器4内作为热媒将热量传递给氟利昂，该种换热方式为本系统的基础，整个换热系统通过控制电脑进行自动调节控制。
本发明的大型化空气源热泵无霜运行控制方法，包括两种调节方式：
一、调整空气源侧换热状态的步骤：环境空气换热器空气换热前后的温差控制，实现环境空气换热器进出口空气低温差换热。
依据环境温度在线测试系统和环境湿度在线测试系统监测的温度在线测试结果与湿度测试结果，控制电脑自动计算出空气温度与对应空气露点温度差，该温度差为环境空气换热器空气换热前后的温差控制基础；
若环境空气换热器空气换热前后的温差小于空气温度与对应空气露点温度差，则降低环境空气换热器配置风机的开启数量，或降低风机功率，降低风机能耗仍能保证环境空气换热器空气换热前后的温差值，并不导致环境空气换热器结霜现象的产生；
若环境空气换热器空气换热前后的温差大于空气温度与对应空气露点温度差，则增加环境空气换热器配置风机的开启数量，或提高风机功率，通过增加风机能耗确保环境空气换热器空气换热前后的温差值，实现抑制环境空气换热器结霜现象产生的目标。
二、调整防冻液介质循环侧的步骤：防冻液循环流量的流速控制，实现环境空气换热器壁面低温差换热。
若环境空气换热器空气换热前后的温差与空气温度与对应空气露点温度差发生变化时，启动步骤二，防冻液循环流动的流速进行随动控制：
若环境空气换热器空气换热前后的温差小于空气温度与对应空气露点温度差，则降低防冻液循环泵的功率，降低防冻液循环流动的流速；
若环境空气换热器空气换热前后的温差大于空气温度与对应空气露点温度差，则增加防冻液循环泵的功率，提高防冻液循环流动的流速。
下面结合图1、图2及上述控制方法具体说明本实施例的自动调节方法：
控制电脑根据全系统供热情况检测调节热泵机组压缩机工作数量与能力，并实时监测匹配所需供热量及空气侧换热量，进而调整空气源侧换热状态。
在防冻液介质循环侧，蒸发器进口设远传温度计y2在线监测蒸发器进口温度Ty2，蒸发器出口设远传温度计y1在线监测蒸发器出口温度Ty1，防冻液循环流量Vy。
在线监测环境空气换热器空气进出口温度Tf1、Tf2，换热器空气进口湿度ψ，控制电脑在线实时计算空气进出口温差ΔTfc，根据空气进口温度Tf1、湿度ψ，在线实时计算空气露点温度Td，在线实时计算进出口温差设定值ΔTfs。
进出口温差设定值ΔTfs＝Tf1-Td
进出口温差实测值ΔTfc＝Tf1-Tf2
若：ΔTfc>ΔTfs，则增加工业风机11的通风量，增加防冻液循环泵3的功率以增加防冻液循环流量Vy。
若：ΔTfc<ΔTfs，则降低工业风机11的通风量，降低防冻液循环泵3的功率以降低防冻液循环流量Vy。
其中：Ty1、Ty2属于随动量监控指标，Ty2为防冻液在空气换热器(空气—防冻液换热器)出口的温度，因此Ty2与Tf1(空气在空气—防冻液换热器进口的温度)保持一定的温度差，Ty2应比Tf1低1-3℃，Vy为防冻液循环流量，增加循环流量则防冻液温差降低。
在要求换热量一定的条件下，高风量与空气换热器大型化可以有效降低ΔTfc，即实现进出口空气低温差换热；高防冻液循环流量与蒸发器大型化可以有效降低环境温度与防冻液平均温度的温度差，即实现空气换热器壁面低温差换热。进出口空气低温差换热是进出空气换热器的空气凝湿量降低，空气换热器壁面低温差换热使凝湿空气在空气换热器壁面结霜允许的过饱和度增加，两个因素共同作用下实现系统无霜运行。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.大型化空气源热泵无霜运行系统，其特征在于，包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块、在线监测系统和控制电脑，所述环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热，所述环境空气换热器模块包括环境空气换热器、防冻液膨胀水箱和工业风机，防冻液膨胀水箱与环境空气换热器连接；所述在线监测系统包括用于监测环境空气换热器进出口风温的环境温度在线测试系统和用于监测环境空气换热器进口湿度的环境湿度在线测试系统。
2.根据权利要求1所述的大型化空气源热泵无霜运行系统，其特征在于：所述环境温度在线测试系统和环境湿度在线测试系统均与控制电脑连接，并将实时采集的数据传输至控制电脑。
3.根据权利要求2所述的大型化空气源热泵无霜运行系统，其特征在于：所述热泵机组模块包括蒸发器和防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀、冷凝器和水换热循环系统，所述用户能源供给侧模块包括缓冲水箱和用户供热水泵，所述蒸发器和防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱连接，所述冷凝器和水换热循环系统与缓冲水箱连接；所述压缩机机组为多台压缩机，所述蒸发器与压缩机为一台对多台的关系，蒸发器产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器，所述冷凝器与压缩机为一台对多台的关系，冷凝器产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器。
4.根据权利要求3所述的大型化空气源热泵无霜运行系统，其特征在于：所述防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵，所述水换热循环系统上设有热源循环水泵。
5.大型化空气源热泵无霜运行控制方法，其特征在于，利用权利要求4所述的系统进行，包括：
一、调整空气源侧换热状态的步骤：环境空气换热器空气换热前后的温差控制，实现环境空气换热器进出口空气低温差换热；
二、调整防冻液介质循环侧的步骤：防冻液循环流量的流速控制，实现环境空气换热器壁面低温差换热。
6.根据权利要求5所述的大型化空气源热泵无霜运行控制方法，其特征在于，进行步骤一时，依据环境温度在线测试系统和环境湿度在线测试系统监测的温度在线测试结果与湿度测试结果，控制电脑自动计算出空气温度与对应空气露点温度差，该温度差为环境空气换热器空气换热前后的温差控制基础；
若环境空气换热器空气换热前后的温差小于空气温度与对应空气露点温度差，则降低环境空气换热器配置风机的开启数量，或降低风机功率，则降低风机能耗仍能保证环境空气换热器空气换热前后的温差值，并不导致环境空气换热器结霜现象的产生；
若环境空气换热器空气换热前后的温差大于空气温度与对应空气露点温度差，则增加环境空气换热器配置风机的开启数量，或提高风机功率，通过增加风机能耗确保环境空气换热器空气换热前后的温差值，实现抑制环境空气换热器结霜现象产生的目标。
7.根据权利要求6所述的大型化空气源热泵无霜运行控制方法，其特征在于，若环境空气换热器空气换热前后的温差与空气温度与对应空气露点温度差发生变化时，启动步骤二，防冻液循环流动的流速进行随动控制：
若环境空气换热器空气换热前后的温差小于空气温度与对应空气露点温度差，则降低防冻液循环泵的功率，降低防冻液循环流动的流速；
若环境空气换热器空气换热前后的温差大于空气温度与对应空气露点温度差，则增加防冻液循环泵的功率，提高防冻液循环流动的流速。
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