CN113063237A - 一种超宽环温空气源热泵系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超宽环温空气源热泵系统,涉及空气源热泵机组技术领域,包括制冷循环系统和制热循环系统,制冷循环系统包括与压缩机排气口连接的四通换向阀D端口,四通换向阀C端口依次连通翅片式换热器、过滤器一、制冷剂自平衡器和桥式单向阀组的第一端,桥式单向阀组的第四端依次连通回热节能器、经济器、过滤器二、主路电子膨胀阀和桥式单向阀组的第二端,之后通过桥式单向阀组的第三端、壳管式换热器连通四通换向阀E端口,之后通过四通换向阀S端口依次连通回热节能器、气液分离器和压缩机吸气口形成循环回路。该系统可实现超低环温下高出水温制热,高环温下低出水温制冷,且系统为单机单级压缩制冷剂系统,造价低,符合材料节约。
Description
技术领域
本发明涉及空气源热泵机组技术领域,尤其是涉及一种超宽环温空气源热泵系统及控制方法。
背景技术
现有空气源热泵冷(热)水机组系统,多为单机单级压缩制冷剂系统,虽然冷/热可以兼供,但受限于使用地区环境温度条件;在环境温度条件偏高或偏低时,机组能力衰减较大,能效低,系统存在压缩机回气量不足,排气温度高、压缩比过大,压缩机回气带液、回油效果差等问题,导致机组不能正常工作。特别是在低环境温度-25℃以下制热时,机组甚至不能工作,适用地域范围上受到明显限制。有些空气源热泵系统,在系统、结构设计上偏重于制热,虽然满足了在较低环温下(-30℃)的制热应用,但牺牲了很大的制冷能力,甚至不能制冷运行。空气源热泵热水机组系统,只提供热水,可应用于冬季供热,但不能提供供冷服务,无法满足冷/热皆需的使用领域,且适用地域范围同样受限。还有双机双级压缩制冷剂系统和复叠式制冷剂系统,虽然可以满足低环温运行,但成本很高,材料节约性差。
基于以上情况,发明了一种超宽环温单机单级补气增焓压缩空气源热泵系统及控制方法,可以实现52℃高环境温度下制冷运行,-35℃超低环境温度下制热运行,并确保系统能在宽环温区内自动调节,高效、稳定运行。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种超宽环温空气源热泵系统及控制方法,可实现超低环温下高出水温制热,高环温下低出水温制冷,且系统为单机单级压缩制冷剂系统,造价低,符合材料节约。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种超宽环温空气源热泵系统,包括制冷循环系统和制热循环系统,所述制冷循环系统包括与压缩机排气口连接的四通换向阀D端口,四通换向阀C 端口依次连通翅片式换热器、过滤器一、制冷剂自平衡器和桥式单向阀组的第一端,所述桥式单向阀组的第四端依次连通回热节能器、经济器、过滤器二、主路电子膨胀阀和桥式单向阀组的第二端,之后通过桥式单向阀组的第三端、壳管式换热器连通四通换向阀E端口,之后通过四通换向阀S端口依次连通回热节能器、气液分离器和压缩机吸气口形成循环回路;
所述制热循环系统包括与压缩机排气口连通的四通换向阀D端口,四通换向阀E端口依次连接壳管式换热器、桥式单向阀的第三端口,之后从桥式单向阀的第四端口依次连通回热节能器、经济器、过滤器二、主路电子膨胀阀以及桥式单向阀的第二端口,从桥式单向阀的第一端口连通制冷剂自平衡器、过滤器一、翅片式换热器和四通换向阀C端口,之后通过四通换向阀S端口依次连通回热节能器、气液分离器和压缩机吸气口形成循环回路。
进一步的,所述制冷剂自平衡器包括容腔,所述容腔内填充制冷剂,容腔的顶端设置与之连通的平衡管,容腔中部穿设流通管,所述流通管的两端分别连接过滤器一和桥式单向阀组的第一端,所述平衡管连接在主路电子膨胀阀进口和过滤器二出口处。
进一步的,所述回热节能器包括钢制外壳和换热盘管,所述换热盘管和钢制外壳之间形成容腔,所述四通换向阀S端口和气液分离器分别连接容腔进口端和出口端,所述桥式单向阀组的第四端口和经济器分别连接换热盘管进口端和出口端。
进一步的,所述压缩机内设置曲轴加热器。
进一步的,该系统还包括连接在回热节能器和经济器之间的电磁阀,电磁阀依次串联辅路电子膨胀阀、经济器最终连接压缩机补气口。
进一步的,所述辅路电子膨胀阀在排气温度>起调点时开启,排气温度<起调点-辅路回差值时关闭;
所述T环温就是实时环境温度,所述T出水就是实时的空调出水温度,所述起调点为初始排气温度值,设定为85℃,所述辅路回差设定为15℃。
一种超宽环温空气源热泵系统的控制方法,根据系统的吸气过热度目标值调节所述主路电子膨胀阀的开度。
进一步的,还包括以下步骤:
当检测的过热度>设定值+回差时,将所述主路电子膨胀阀的开度开大;
当检测的过热度<设定值-回差时,将所述主路电子膨胀阀的开度关小;
当设定值-回差≤过热度≤设定值+回差时,所述电子膨胀阀的开度开度不变。
制冷循环系统运行时过热度=压机吸气温度-蒸发温度,制热循环系统运行时过热度=压机吸气温度-计算翅片温度,所述设定值和回差均是系统设定的值。
进一步的,所述控制方法中还有除霜方法,在所述除霜方法中增加另外的判断条件,当具备以下三个条件时,控制单元控制空气源热泵机组也会进入自动除霜模式:
条件1):达到计霜计时条件后稳定运行20min,记录D值;
条件2):满足除霜时间间隔后记录D2值;
条件3):能力衰减率D2值/D值小于0.6。
本发明的有益效果是:
1、本发明公开一种超宽环温空气源热泵系统,可实现超低环温下高出水温制热,即超低环境温度下-35℃时,出水温度达55℃;高环温下低出水温制冷,即环境温度下52℃时,出水温度达5℃,且系统为单机单级压缩制冷剂系统,造价低,符合材料节约。
2、本发明系统中增加制冷剂自平衡器,不论是在制热模式还是制冷模式下,随着系统工况的变化,都会引起制冷剂自平衡器容腔内外压差的变化,从而使制冷剂不断地进出平衡器,自动调节系统运行时所需制冷剂流量,避免工况变化时,过多的制冷剂储存在蒸发器、冷凝器等系统部件或管路中,始终保持系统运行的制冷剂循环流量处于动态调节、平衡之中,保证系统在不同工况下的高效稳定运行。
3、系统增加回热节能器,加大膨胀阀前制冷剂液体的过冷度和压缩机吸入的制冷剂气体的过热度,提高系统的换热能力和能效,同时避免液态制冷剂进入到压缩机,保护压缩机的安全高效运行。
4、采用曲轴加热器对压缩机润滑油池进行加热,压缩机停机状态时对润滑油预热,避免压缩机再启动时因润滑不良而损坏;室外环境温度/蒸发温度越低,压缩机湿压缩和润滑不良的情况越容易发生、越严重,因此在低环境温度下,无论压缩机是否运行,根据预设环境温度/蒸发温度条件,曲轴加热器自行开启,保证润滑油的润滑性能和压缩机的润滑效果,避免压缩机损坏。同时,曲轴加热器与回热节能器、气液分离器共同作用,提高系统的制热能力和能效,完全避免压缩机产生湿压缩的可能,保证系统在低环境温度下安全、稳定、高效运行。
5、本申请中还设置有辅路电子控制阀,当达到开启点时,电磁阀和辅路电子膨胀阀打开,从主路引出的制冷剂,经过经济器换热后进入压缩机的增焓补气口,能控制喷入压缩机补气口的制冷剂量,实现压缩机的排气温度始终在合理的运行范围内,提高制冷/制热量,提高能效比。
6、本申请的除霜控制,自动判断进入和退出融霜运行,达到有霜则除、无霜不除、多霜多除、少霜少除;同时自动调节融霜周期,提高系统融霜运行能效。
附图说明
图1为本发明超宽环温空气源热泵系统的结构示意图;
图2为图1中制冷剂自平衡器的结构示意图;
图3为除霜控制方法的原理图。
图中:1-压缩机,2-四通换向阀,3-翅片式换热器、4-过滤器一、5-制冷剂自平衡器,6-桥式单向阀组,7-回热节能器,8-经济器,9-过滤器二,10-主路电子膨胀阀,11-壳管式换热器,12-气液分离器,13-容腔,14-平衡管,15- 流通管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种超宽环温空气源热泵系统,包括制冷循环系统和制热循环系统,其中制冷循环系统是指制冷模式下制冷剂循环系统,同理制热循环系统是指制热模式下制冷剂循环系统;如图1所示,其中制冷循环系统包括与压缩机1排气口连接的四通换向阀2的D端口,四通换向阀2的C端口依次连通翅片式换热器3、过滤器一4、制冷剂自平衡器5和桥式单向阀组6的第一端,所述桥式单向阀组6的第四端依次连通回热节能器7、经济器8、过滤器二9、主路电子膨胀阀10和桥式单向阀组6的第二端,之后通过桥式单向阀组6的第三端、壳管式换热器11连通四通换向阀2的E端口,之后通过四通换向阀2的S端口依次连通回热节能器7、气液分离器12和压缩机1吸气口形成循环回路。
制冷模式下系统制冷剂循环路径(图1中实线箭头走向)为:压缩机(排气口)—>四通换向阀(D—>C口)—>翅片式换热器(与源侧空气换热)—>过滤器一—>制冷剂自平衡器—>桥式单向阀组—>回热节能器—>经济器—>过滤器二—>主路电子膨胀阀—>桥式单向阀组—>壳管式换热器(与用侧循环水换热)—>四通换向阀(E—>S口)—>回热节能器—>气液分离器—>压缩机(吸气口)。
制热循环系统包括与压缩机1排气口连通的四通换向阀2的D端口,四通换向阀2的E端口依次连接壳管式换热器11、桥式单向阀6的第三端口,之后从桥式单向阀6的第四端口依次连通回热节能器7、经济器8、过滤器二 9、主路电子膨胀阀10以及桥式单向阀6的第二端口,从桥式单向阀6的第一端口连通制冷剂自平衡器5、过滤器一4、翅片式换热器3和四通换向阀2的 C端口,之后通过四通换向阀2的S端口依次连通回热节能器7、气液分离器 12和压缩机1吸气口形成循环回路。
制热模式下系统制冷剂循环路径为(图2中虚线箭头走向):压缩机(排气口)—>四通换向阀(D—>E口)—>壳管式换热器(与用侧循环水换热)—> 桥式单向阀组—>回热节能器—>经济器—>过滤器二—>主路电子膨胀阀—> 桥式单向阀组—>制冷剂自平衡器—>过滤器一—>翅片式换热器(与源侧空气换热)—>四通换向阀(C—>S口)—>回热节能器—>气液分离器—>压缩机(吸气口)。
本申请的超宽环温空气源热泵系统中采用的制冷剂自平衡器结构如图2 所示,包括容腔13,其中容腔13内填充制冷剂,容腔13的顶端设置与之连通的平衡管14,容腔13中部穿设流通管15,流通管15的两端分别连接过滤器一4和桥式单向阀组6的第一端,平衡管14连接在主路电子膨胀阀10和过滤器二9之间的管道上。
系统运行时,系统工作的环境温度和进出水温度工况跨度比较大(环境温度-35~15℃,进出水温度15~60℃),系统的能力和制冷剂的工作压力及温度有所不同,且处于动态变化中,而该制冷剂自平衡器能够自行调节、平衡系统中制冷剂流量,其具体的运行原理为:
1)制热模式下,翅片式换热器3为蒸发器,制冷剂自平衡器的流通管15 接于翅片换热器3(蒸发器)制冷剂进口端,即膨胀阀的出口端,为低温低压端;当管内流经低温低压的制冷剂流体时,与制冷剂自平衡器的容腔13内的制冷剂液体发生热交换,使容腔13内的制冷剂液体温度降低、比容减小,进而压力降低;平衡管14接于主路电子膨胀阀10的进口端,即高温高压端。由于制热循环时系统需要的制冷剂流量较制冷循环偏小,系统中多余的制冷剂在压差的作用下,就会通过平衡管14进入到容腔13内,从而调节、平衡系统循环的制冷剂流量。
2)而在制冷模式下,翅片式换热器3为冷凝器,制冷剂自平衡器5的流通管15接于翅片换热器3(冷凝器)制冷剂出口端,管内流经的为高温高压的制冷剂液体;当流通管15内流经高温高压的制冷剂流体时,与制冷剂自平衡器5的容腔13内的制冷剂液体发生热交换,使容腔13内的制冷剂液体温度升高、比容增大,进而压力升高;平衡管14接于膨胀阀的进口端。由于制冷循环时系统需要的制冷剂流量较制热循环偏大,自平衡器容腔13内储存的制冷剂就会在压差的作用下,通过平衡管14进入到系统内,增大参与系统循环的制冷剂流量,起到调节、平衡系统制冷剂循环流量的作用。
另外,本申请中的回热节能器包括钢制外壳和内部的换热盘管,换热盘管和钢制外壳之间形成容腔,四通换向阀S端口和气液分离器分别连接容腔进口端和出口端,桥式单向阀组的第四端口和经济器分别连接换热盘管进口端和出口端,其中换热盘管的材质为铜管,制冷剂液体走换热盘管内(管程),制冷剂气体走换热盘管外、钢制外壳内(壳程),两种状态的制冷剂流体不发生混合(不直接接触),只进行热量交换。通过热交换,使制冷剂液体的过冷度增加,制冷剂气体的过热度增大,一方面提高系统的整体能力和能效,另一方面保证压缩机吸入制冷剂蒸气,防止湿压缩,保证压缩机在安全、高效状态下运行,具体运行原理为:
1)制冷模式下,随环境温度升高,翅片式换热器的换热效率和能力发生衰减,系统冷凝温度升高,翅片式换热器出口的制冷剂液体过冷度降低,系统制冷能力减小,系统能效降低。通过回热节能器,提高系统制冷剂液体的过冷度,增大蒸发器中制冷剂单位质量流量的焓差,从而提高系统的制冷能力和能效;同时,随着系统制冷剂液体过冷度的增大,减少了系统制冷剂液体循环过程中闪发蒸汽的产生,有助于系统运行的稳定性和能力、能效的提高;减小系统在高环境温度、低出水温度工况下制冷能力的衰减,实现系统的稳定、可靠、高效运行。
2)制热模式下,随环境温度降低,翅片式换热器的换热效率和能力发生衰减,而使系统蒸发温度降低、压缩机吸气量减小、压缩比增大、耗功增加等,进而使得系统制冷量减小导致系统制热能力和能效降低;因系统中的润滑油是靠压缩机吸气带回的,由于压缩机吸气量的减小会使回油效果变差,导致压缩机因润滑不良而损坏。通过回热节能器的作用,一方面,可以加大系统制冷剂循环量,在提高低环温下系统蒸发温度、增大压缩机吸气量、降低压缩比的同时,避免压缩机因吸气带液产生湿压缩,提高系统低环温下制热能力和能效,改善压缩机润滑状况;另一方面,提高系统制冷剂液体的过冷度,维持系统在低环温下的运行稳定性和高效性。同时,在低环境温度下,由于工况条件的波动,会有未完全蒸发的液态制冷剂被压缩机吸入,使压缩机产生湿压缩,回热节能器的作用可以避免或减少此种情况的发生(与曲轴加热器共同作用可完全避免此种情况发生),保持系统安全、稳定、高效运行。
另外本申请还采用曲轴加热器对压缩机润滑油池进行加热,压缩机停机状态时对润滑油预热,避免压缩机再启动时因润滑不良而损坏,同时,曲轴加热器与回热节能器、气液分离器共同作用,提高系统的制热能力和能效,完全避免压缩机产生湿压缩的可能,保证系统在低环境温度下安全、稳定、高效运行。
本申请系统还包括连接在回热节能器和经济器之间的电磁阀,电磁阀依次串联辅路电子膨胀阀、经济器最终连接压缩机补气口。具体的控制开启方法是:当辅路电子膨胀阀在排气温度大于起调点(设定为85℃)时开启,排气温度小于起调点-辅路回差(辅路回差设定为15℃)时关闭;
其中T环温就是实时环境温度,所述T出水就是实时的空调出水温度,起调点为初始排气温度值,设定为85℃,辅路回差设定为15℃。
即当辅路电子膨胀阀达到开启点时,电磁阀和辅路电子膨胀阀打开,从主路引出的制冷剂,经过经济器换热后进入压缩机的增焓补气口,实现压缩机的排气温度始终在合理的运行范围内,提高制冷/制热量,提高能效比。
本申请超宽环温空气源热泵系统的控制方法,是根据系统的吸气过热度目标值调节所述电子膨胀阀的开度。
当检测的过热度>设定值+回差时,将电子膨胀阀的开度开大;
当检测的过热度<设定值-回差时,将电子膨胀阀的开度关小:
当设定值-回差≤过热度≤设定值+回差时,所述电子膨胀阀的开度开度不变。
其中制冷循环系统运行时过热度=压机吸气温度-蒸发温度,制热循环系统运行时过热度=压机吸气温度-计算翅片温度,所述设定值和回差均是系统设定的值,回差设定为1K,而设定值(过热度设定值)随着环境温度和出水温度变化而变化。
制冷循环状态下,环境温度环温≥43℃时,过热度设定值为2;43℃>环境温度环温≥30℃时,过热度设定值为3,环境温度<30℃时,过热度设定值为4。
制热循环状态下,环境温度≥20℃时,过热度设定值为2;20℃>环境温度环温≥5℃时,过热度设定值为3;5℃>环境温度环温≥-7℃时,过热度设定值为4;-7℃>环境温度环温≥-20℃时,过热度设定值为5;-20℃>环境温度环温≥-30℃时,过热度设定值为6;环境温度<-30℃时,过热度设定值为7。
本申请的超宽环温空气源热泵系统,能够根据室外环境温度、翅片温度和除霜间隔,来判断空气源热泵机组是否进入除霜,其除霜控制方法是在专利文献2017112004789的基础上进行改进,在该专利步骤三1-4的四个条件下,增加另一种选择,即在满足该专利步骤三中1-4的条件下,或者满足本申请增加的三个条件时,控制单元控制空气源热泵机组也会进入自动除霜模式:
条件1):达到计霜计时条件后稳定运行20min,记录D值;
条件2):满足除霜时间间隔后记录D2值,
条件3):能力衰减率D2值/D值小于0.6;
如机组在设定的时间内无法达到设定的翅温变化率时,判断机组能力在衰减。机组在达到积霜计时条件后稳定运行20分钟,记录一组当前的制热能力 D值(为目标值),D值=当前水温差/运行压机数量,即单位压机温差。
在满足除霜时间间隔后,取D2值,D2=当前水温差/运行压机数量,压机数量有变化时,延时5分钟判断。
当D2值/D值(能力衰减率)<0.6时,表明机组能力很低,可进入自动除霜模式。在记录衰减率过程中翅温变化率达到,优先判断变化率进入除霜,衰减率记忆清零,等待下一循环重新记忆。
由于翅片换热器结上霜,就会使翅片换热器的换热能力下降,导致机组的制热能力下降,因此本申请增加的自动除霜的另一个选项,能够更有效的清除空气源热泵有霜不除的缺陷。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种超宽环温空气源热泵系统,其特征在于:包括制冷循环系统和制热循环系统,所述制冷循环系统包括与压缩机排气口连接的四通换向阀D端口,四通换向阀C端口依次连通翅片式换热器、过滤器一、制冷剂自平衡器和桥式单向阀组的第一端,所述桥式单向阀组的第四端依次连通回热节能器、经济器、过滤器二、主路电子膨胀阀和桥式单向阀组的第二端,之后通过桥式单向阀组的第三端、壳管式换热器连通四通换向阀E端口,之后通过四通换向阀S端口依次连通回热节能器、气液分离器和压缩机吸气口形成循环回路;
所述制热循环系统包括与压缩机排气口连通的四通换向阀D端口,四通换向阀E端口依次连接壳管式换热器、桥式单向阀的第三端口,之后从桥式单向阀的第四端口依次连通回热节能器、经济器、过滤器二、主路电子膨胀阀以及桥式单向阀的第二端口,从桥式单向阀的第一端口连通制冷剂自平衡器、过滤器一、翅片式换热器和四通换向阀C端口,之后通过四通换向阀S端口依次连通回热节能器、气液分离器和压缩机吸气口形成循环回路。
2.根据权利要求1所述的一种超宽环温空气源热泵系统,其特征在于:所述制冷剂自平衡器包括容腔,所述容腔内填充制冷剂,容腔的顶端设置与之连通的平衡管,容腔中部穿设流通管,所述流通管的两端分别连接过滤器一和桥式单向阀组的第一端,所述平衡管连接在主路电子膨胀阀进口和过滤器二出口处。
3.根据权利要求1所述的一种超宽环温空气源热泵系统,其特征在于:所述回热节能器包括钢制外壳和换热盘管,所述换热盘管和钢制外壳之间形成容腔,所述四通换向阀S端口和气液分离器分别连接容腔进口端和出口端,所述桥式单向阀组的第四端口和经济器分别连接换热盘管进口端和出口端。
4.根据权利要求1所述的一种超宽环温空气源热泵系统,其特征在于:所述压缩机内设置曲轴加热器。
5.根据权利要求1所述的一种超宽环温空气源热泵系统,其特征在于:该系统还包括连接在回热节能器和经济器之间的电磁阀,电磁阀依次串联辅路电子膨胀阀、经济器最终连接压缩机补气口。
7.一种权利要求1所述的超宽环温空气源热泵系统的控制方法,其特征在于:根据系统的吸气过热度目标值调节所述主路电子膨胀阀的开度。
8.根据权利要求7所述的控制方法,其特征在于:还包括以下步骤:
当检测的过热度>设定值+回差时,将所述主路电子膨胀阀的开度开大;
当检测的过热度<设定值-回差时,将所述主路电子膨胀阀的开度关小;
当设定值-回差≤过热度≤设定值+回差时,所述电子膨胀阀的开度开度不变。
制冷循环系统运行时过热度=压机吸气温度-蒸发温度,制热循环系统运行时过热度=压机吸气温度-计算翅片温度,所述设定值和回差均是系统设定的值。
9.根据权利要求7所述的控制方法,其特征在于:所述控制方法中还有除霜方法,在所述除霜方法中增加另外的判断条件,当具备以下三个条件时,控制单元控制空气源热泵机组也会进入自动除霜模式:
条件1):达到计霜计时条件后稳定运行20min,记录D值;
条件2):满足除霜时间间隔后记录D2值;
条件3):能力衰减率D2值/D值小于0.6。
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