CN113310234B - 一种综合型变频复叠式空气源热泵系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种综合型变频复叠式空气源热泵系统及运行方法，运行方法包括：监测系统运行时蒸发侧的Ta‑in和Ta‑out，末端的Tg和Th；根据Ta‑in和Tg判定优先运行模式，若Ta‑in＜‑7oC且Tg＞50oC，按照低蒸发‑高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式运行；若Ta‑in＞‑7oC且Tg＜50oC，按照高蒸发‑低冷凝单级空气源热泵系统模式运行；若Ta‑in＞‑7oC且Tg＞50oC，按照高蒸发‑高冷凝单级空气源热泵系统模式运行；根据当前模式下的运行系统，计算Te和Tcon，确定P，若P＞11，切换至低蒸发‑高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式运行；若P＜11，继续按照当前模式运行。

Description

一种综合型变频复叠式空气源热泵系统及运行方法
技术领域
本发明涉及空调设备技术领域，尤其涉及一种综合型变频复叠式空气源热泵系统机及运行方法。
背景技术
由于我国地域气候差异较大，热泵使用环境温度变化跨度大，当空气源热泵面临相对低环境温度下使用相对高水温，将会导致空气源热泵机组压比过大，降低机组运行性能，严重时会导致机组报警停机，甚至压缩机损坏。
为了解决上述问题，部分热泵系统会采用双级冷凝复叠式系统，替代传统的单级冷凝热泵系统，提高机组的稳定性和能效。然而，当环境温度升高时，蒸发温度升高，低压比降低，此时，双级的复叠式空气源热泵系统存在功耗过高的问题，不利于节能减排目标的实现。当单级的空气源热泵面临不同温度供水需求时（例如：高供水温度时），将导致热泵机组压比增大，降低机组运行性能且影响运行稳定性，部分热泵系统会采用双级冷凝复叠式系统解决该问题。而当供水温度降低时（即：低压比时），双级的复叠式空气源热泵系统存在功耗过高的问题且影响运行稳定性，不利于节能减排目标的实现。
由此可见，在不同的环境温度和供水温度需求时，尤其是在极低环境温度/高环境温度、高供水温度/低供水温度等复杂情况下，单级的空气源热泵和双级的复叠式空气源热泵系统均不能很好的匹配运行需求。
因此，针对环境温度和供水温度波动幅度较大的条件下，有必要开发一种综合型变频复叠式空气源热泵系统及运行方法以解决上述问题，助力热泵企业产品升级，推动空气源热泵技术在不同地区的高效应用。
发明内容
本发明提供一种可根据环境变化、供热需求，实现低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式，高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式以及高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式三种运行模式来回自动切换，满足不同环境温度下的不同供水需求，灵活性高，实用性强，有效提高能源利用率，且系统稳定性好的综合型变频复叠式空气源热泵系统及运行方法。
本发明采用的技术方案为：一种综合型变频复叠式空气源热泵系统，包括：低温级变频压缩机，第一气液分离器，第一室外翅片换热器，第一节流装置，第一储液器，油分离器，第一制冷剂-水冷凝器，制冷剂-制冷剂冷凝器，第二室外翅片换热器，第二气液分离器，高温级变频压缩机，第二储液器，第二节流装置，第二制冷剂-水冷凝器，变频水泵，第一电磁阀，第二电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀，第五电磁阀以及第六电磁阀；
低温级变频压缩机连接油分离器和第一气液分离器，油分离器连接第一制冷剂-水冷凝器和制冷剂-制冷剂冷凝器，第一气液分离器连接油分离器和第一室外翅片换热器；第一室外翅片换热器连接第一储液器，第一储液器连接第一制冷剂-水冷凝器和制冷剂-制冷剂冷凝器，第一室外翅片换热器连接第一储液器的一端还连接在油分离器和制冷剂-制冷剂冷凝器之间；
第一制冷剂-水冷凝器连接变频水泵和第二制冷剂-水冷凝器；制冷剂-制冷剂冷凝器连接第二储液器和第二气液分离器，第二室外翅片换热器的一端连接在制冷剂-制冷剂冷凝器和第二气液分离器之间，另一端连接在制冷剂-制冷剂冷凝器和第二储液器之间；第二储液器连接第二制冷剂-水冷凝器，第二气液分离器连接高温级变频压缩机，高温级变频压缩机连接第二制冷剂-水冷凝器；
第一电磁阀设置在制冷剂-水冷凝器和变频水泵之间，第二电磁阀设置在第二制冷剂-水冷凝器和变频水泵之间，第三电磁阀连接在油分离器和制冷剂-制冷剂冷凝器之间，第四电磁阀连接在制冷剂-制冷剂冷凝器和第二节流装置之间；第五电磁阀连接在第二室外翅片换热器和第二节流装置之间，第六电磁阀连接在油分离器和第一制冷剂-水冷凝器之间；第一室外翅片换热器和第二室外翅片换热器均设置有进风温度传感器和出风温度传感器，第一制冷剂-水冷凝器和第二制冷剂-水冷凝器上均设置有进水温度传感器和出水温度传感器。
进一步地，第一节流装置设置在第一室外翅片换热器和第一储液器之间，第二节流装置的一端连接第二储液器，另一端连接制冷剂-制冷剂冷凝器和第二室外翅片换热器。
进一步地，所述综合型变频复叠式空气源热泵系统包括低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式、高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式以及高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式。
进一步地，所述低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式包括低温级变频压缩机，第一气液分离器，第一室外翅片换热器，第一节流装置，第一储液器，油分离器，制冷剂-制冷剂冷凝器，第二气液分离器，高温级变频压缩机，第二储液器，第二节流装置，第二制冷剂-水冷凝器以及变频水泵；当系统运行低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式时，第二电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀打开，第一电磁阀，第五电磁阀以及第六电磁阀关闭。
进一步地，所述高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式包括低温级变频压缩机，第一气液分离器，第一室外翅片换热器，第一节流装置，第一储液器，油分离器，第一制冷剂-水冷凝器以及变频水泵；当系统运行高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式时，第一电磁阀和第六电磁阀打开，第二电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀和第五电磁阀关闭。
进一步地，所述高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式包括外翅片换热器，第二气液分离器，高温级变频压缩机，第二储液器，第二节流装置，第二制冷剂-水冷凝器以及变频水泵；当系统运行高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式时，第二电磁阀和第五电磁阀打开，第一电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀以及第六电磁阀关闭。
本发明还提供如下技术方案：一种所述的综合型变频复叠式空气源热泵系统的运行方法，包括以下步骤：
步骤一：监测系统运行时第一室外翅片换热器和第二室外翅片换热器上的进风温度传感器和出风温度传感器，得出蒸发侧的进入空气温度Ta-in和排出空气温度Ta-out，同时监测末端制冷剂-水冷凝器的进水温度传感器和出水温度传感器，得出供水温度Tg和回水温度Th；
步骤二：根据Ta-in和Tg判定优先运行模式，若Ta-in＜ -7oC且Tg＞50oC，则第二电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀打开，第一电磁阀，第五电磁阀以及第六电磁阀关闭，按照低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式运行；若Ta-in＞ -7oC且Tg＜50oC，则第一电磁阀和第六电磁阀打开，第二电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀和第五电磁阀关闭，按照高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式运行；若Ta-in＞ -7oC且Tg＞50oC，则第二电磁阀和第五电磁阀打开，第一电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀以及第六电磁阀关闭，按照高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式运行；
步骤三：根据当前模式下的运行系统，计算蒸发温度Te和冷凝温度Tcon，并结合R410a制冷剂压焓图，确定吸排气压比P，若P＞11则切换至低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式运行；若P＜11，则继续按照当前模式运行。
进一步地，还包括以下步骤：
步骤四：根据用户需求设定供水温度Tg-set，待系统运行稳定后继续监测Tg，当∣Tg-Tg-set∣/Tg-set＞0.05，调整当前模式下的压缩机的转速nc和变频水泵的运行频率np，直至∣Tg-Tg-set∣/Tg-set＜0.05。
相较于现有技术，本发明的综合型变频复叠式空气源热泵系统及运行方法可根据环境变化、供热需求，实现低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式、高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统以及高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统三种运行模式的自动切换，满足不同环境温度下的不同供水需求，灵活性高，且实用性强。此外，在高环境温-高供水温度时，优先运行高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式，在或高环境温-低供水温度时，优先运行高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式，从而有效避免了双级复叠式系统存在功耗过高的问题，提高了能源利用率，且系统稳定性更好。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但不应构成对本发明的限制。在附图中，
图1：本发明综合型变频复叠式空气源热泵系统的示意图；
图2：本发明综合型变频复叠式空气源热泵系统运行方法的逻辑示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明的综合型变频复叠式空气源热泵系统包括低温级变频压缩机1，第一气液分离器2，第一室外翅片换热器3，第一节流装置4，第一储液器5，油分离器6，第一制冷剂-水冷凝器7，制冷剂-制冷剂冷凝器8，第二室外翅片换热器9，第二气液分离器10，高温级变频压缩机11，第二储液器12，第二节流装置13，第二制冷剂-水冷凝器14，变频水泵15，第一电磁阀16，第二电磁阀17，第三电磁阀18，第四电磁阀19，第五电磁阀20以及第六电磁阀21。
其中，低温级变频压缩机1连接油分离器6和第一气液分离器2，油分离器6连接第一制冷剂-水冷凝器7和制冷剂-制冷剂冷凝器8，第一气液分离器2连接油分离器6和第一室外翅片换热器3。第一室外翅片换热器3连接第一储液器5，第一储液器5连接第一制冷剂-水冷凝器7和制冷剂-制冷剂冷凝器8，第一室外翅片换热器3连接第一储液器5的一端还连接在油分离器6和制冷剂-制冷剂冷凝器8之间。
第一制冷剂-水冷凝器7连接变频水泵15和第二制冷剂-水冷凝器14；制冷剂-制冷剂冷凝器8连接第二储液器12和第二气液分离器10，第二室外翅片换热器9的一端连接在制冷剂-制冷剂冷凝器8和第二气液分离器10之间，另一端连接在制冷剂-制冷剂冷凝器8和第二储液器12之间。第二储液器12连接第二制冷剂-水冷凝器14，第二气液分离器10连接高温级变频压缩机11，高温级变频压缩机11连接第二制冷剂-水冷凝器14。
第一节流装置4设置在第一室外翅片换热器3和第一储液器5之间，第二节流装置13的一端连接第二储液器12，另一端连接制冷剂-制冷剂冷凝器8和第二室外翅片换热器9。第一电磁阀16设置在第一制冷剂-水冷凝器7和变频水泵15之间，第二电磁阀17设置在第二制冷剂-水冷凝器14和变频水泵15之间，第三电磁阀18连接在油分离器6和制冷剂-制冷剂冷凝器8之间，第四电磁阀19连接在制冷剂-制冷剂冷凝器8和第二节流装置13之间。第五电磁阀20连接在第二室外翅片换热器9和第二节流装置13之间，第六电磁阀21连接在油分离器6和第一制冷剂-水冷凝器7之间。
进一步，第一室外翅片换热器3和第二室外翅片换热器9均设置有进风温度传感器和出风温度传感器，第一制冷剂-水冷凝器7和第二制冷剂-水冷凝器14上均设置有进水温度传感器和出水温度传感器。
此外，综合型变频复叠式空气源热泵系统包括低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式、高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式以及高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式。
其中，低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式包括低温级变频压缩机1，第一气液分离器2，第一室外翅片换热器3，第一节流装置4，第一储液器5，油分离器6，制冷剂-制冷剂冷凝器8，第二气液分离器10，高温级变频压缩机11，第二储液器12，第二节流装置13，第二制冷剂-水冷凝器14以及变频水泵15；当系统运行低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式时，第二电磁阀17，第三电磁阀18，第四电磁阀19打开，第一电磁阀16，第五电磁阀20以及第六电磁阀21关闭。
高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式包括低温级变频压缩机1，第一气液分离器2，第一室外翅片换热器3，第一节流装置4，第一储液器5，油分离器6，第一制冷剂-水冷凝器7以及变频水泵15；当系统运行高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式时，第一电磁阀16和第六电磁阀21打开，第二电磁阀17，第三电磁阀18，第四电磁阀19和第五电磁阀20关闭。
高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式包括外翅片换热器9，第二气液分离器10，高温级变频压缩机11，第二储液器12，第二节流装置13，第二制冷剂-水冷凝器14以及变频水泵15；当系统运行高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式时，第二电磁阀17和第五电磁阀20打开，第一电磁阀16，第三电磁阀18，第四电磁阀19以及第六电磁阀21关闭。
如图1和图2所示，本发明还提供一种综合型变频复叠式空气源热泵系统的运行方法，包括以下步骤：
步骤一：监测系统运行时第一室外翅片换热器3和第二室外翅片换热器9上的进风温度传感器和出风温度传感器，得出蒸发侧的进入空气温度Ta-in和排出空气温度Ta-out，同时监测末端第二制冷剂-水冷凝器14的进水温度传感器和出水温度传感器，得出供水温度Tg和回水温度Th。
步骤二：根据Ta-in和Tg判定优先运行模式，若Ta-in＜ -7oC且Tg＞50oC，则第二电磁阀17，第三电磁阀18，第四电磁阀19打开，第一电磁阀16，第五电磁阀20以及第六电磁阀21关闭，按照低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式运行；若Ta-in＞ -7oC且Tg＜50oC，则第一电磁阀16和第六电磁阀21打开，第二电磁阀17，第三电磁阀18，第四电磁阀19和第五电磁阀20关闭，按照高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式运行；若Ta-in＞ -7oC且Tg＞50oC，则第二电磁阀17和第五电磁阀20打开，第一电磁阀16，第三电磁阀18，第四电磁阀19以及第六电磁阀21关闭，按照高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式运行。
在该步骤中，-7oC和50oC均根据R410a制冷剂设定得出。
步骤三：根据当前模式下的运行系统，计算蒸发温度Te和冷凝温度Tcon，并结合R410a制冷剂压焓图，确定吸排气压比P，若P＞11则切换至低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式运行；若P＜11，则继续按照当前模式运行。
在该步骤中，P=P排/P吸，其中，P排为排气压力，P吸为吸气压力；11是根据R410a制冷剂设定得出。
步骤四：根据用户需求设定供水温度Tg-set，待系统运行稳定后继续监测Tg，当∣Tg-Tg-set∣/Tg-set＞0.05（即：供水温度偏离供水温度设定值Tg-set，偏差较大），调整当前模式下的压缩机的转速nc和变频水泵15的运行频率np，直至∣Tg-Tg-set∣/Tg-set＜0.05。
综上，本发明的综合型变频复叠式空气源热泵系统及运行方法具有以下优点：
（1）可根据环境变化、供热需求，实现低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式、高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统以及高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统三种运行模式的自动切换，满足不同环境温度下的不同供水需求，灵活性高，且实用性强。
（2）在高环境温-高供水温度时，优先运行高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式，在或高环境温-低供水温度时，优先运行高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式，从而有效避免了双级复叠式系统存在功耗过高的问题，提高了能源利用率，且系统稳定性更好。
只要不违背本发明创造的思想，对本发明的各种不同实施例进行任意组合，均应当视为本发明公开的内容；在本发明的技术构思范围内，对技术方案进行多种简单的变型及不同实施例进行的不违背本发明创造的思想的任意组合，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种综合型变频复叠式空气源热泵系统的运行方法，所述的综合型变频复叠式空气源热泵系统包括低温级变频压缩机（1），第一气液分离器（2），第一室外翅片换热器（3），第一储液器（5），油分离器（6），第一制冷剂-水冷凝器（7），制冷剂-制冷剂冷凝器（8），第二室外翅片换热器（9），第二气液分离器（10），高温级变频压缩机（11），第二储液器（12），第二制冷剂-水冷凝器（14），变频水泵（15），第一电磁阀（16），第二电磁阀（17），第三电磁阀（18），第四电磁阀（19），第五电磁阀（20）以及第六电磁阀（21）；
低温级变频压缩机（1）连接油分离器（6）和第一气液分离器（2），油分离器（6）连接第一制冷剂-水冷凝器（7）和制冷剂-制冷剂冷凝器（8），第一气液分离器（2）连接油分离器（6）和第一室外翅片换热器（3）；第一室外翅片换热器（3）连接第一储液器（5），第一储液器（5）连接第一制冷剂-水冷凝器（7）和制冷剂-制冷剂冷凝器（8），第一室外翅片换热器（3）连接第一储液器（5）的一端还连接在油分离器（6）和制冷剂-制冷剂冷凝器（8）之间；
第一制冷剂-水冷凝器（7）连接变频水泵（15）和第二制冷剂-水冷凝器（14）；制冷剂-制冷剂冷凝器（8）连接第二储液器（12）和第二气液分离器（10），第二室外翅片换热器（9）的一端连接在制冷剂-制冷剂冷凝器（8）和第二气液分离器（10）之间，另一端连接在制冷剂-制冷剂冷凝器（8）和第二储液器（12）之间；第二储液器（12）连接第二制冷剂-水冷凝器（14），第二气液分离器（10）连接高温级变频压缩机（11），高温级变频压缩机（11）连接第二制冷剂-水冷凝器（14）；
第一电磁阀（16）设置在第一制冷剂-水冷凝器（7）和变频水泵（15）之间，第二电磁阀（17）设置在第二制冷剂-水冷凝器（14）和变频水泵（15）之间，第三电磁阀（18）连接在油分离器（6）和制冷剂-制冷剂冷凝器（8）之间，第四电磁阀（19）连接在制冷剂-制冷剂冷凝器（8）和第二储液器（12）之间；第五电磁阀（20）连接在第二室外翅片换热器（9）和第二储液器（12）之间，第六电磁阀（21）连接在油分离器（6）和第一制冷剂-水冷凝器（7）之间；第一室外翅片换热器（3）和第二室外翅片换热器（9）均设置有进风温度传感器和出风温度传感器，第一制冷剂-水冷凝器（7）和第二制冷剂-水冷凝器（14）上均设置有进水温度传感器和出水温度传感器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：监测系统运行时第一室外翅片换热器（3）和第二室外翅片换热器（9）上的进风温度传感器和出风温度传感器，得出蒸发侧的进入空气温度Ta-in和排出空气温度Ta-out，同时监测末端第二制冷剂-水冷凝器（14）的进水温度传感器和出水温度传感器，得出供水温度Tg和回水温度Th；
步骤二：根据Ta-in和Tg判定优先运行模式，若Ta-in＜ -7oC且Tg＞50oC，则第二电磁阀（17），第三电磁阀（18），第四电磁阀（19）打开，第一电磁阀（16），第五电磁阀（20）以及第六电磁阀（21）关闭，按照低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式运行；若Ta-in＞ -7oC且Tg＜50oC，则第一电磁阀（16）和第六电磁阀（21）打开，第二电磁阀（17），第三电磁阀（18），第四电磁阀（19）和第五电磁阀（20）关闭，按照高蒸发-低冷凝单级空气源热泵系统模式运行；若Ta-in＞ -7oC且Tg＞50oC，则第二电磁阀（17）和第五电磁阀（20）打开，第一电磁阀（16），第三电磁阀（18），第四电磁阀（19）以及第六电磁阀（21）关闭，按照高蒸发-高冷凝单级空气源热泵系统模式运行；
步骤三：根据当前模式下的运行系统，计算蒸发温度Te和冷凝温度Tcon，并结合R410a制冷剂压焓图，确定吸排气压比P，若P＞11则切换至低蒸发-高冷凝双级复叠式空气源热泵系统模式运行；若P＜11，则继续按照当前模式运行；
步骤四：根据用户需求设定供水温度Tg-set，待系统运行稳定后继续监测Tg，当∣Tg-Tg-set∣/Tg-set＞0.05，调整当前模式下的压缩机的转速nc和变频水泵（15）的运行频率np，直至∣Tg-Tg-set∣/Tg-set＜0.05。
2.如权利要求1所述的综合型变频复叠式空气源热泵系统的运行方法，其特征在于：第一室外翅片换热器（3）和第一储液器（5）之间设置有第一节流装置（4）。
3.如权利要求1所述的综合型变频复叠式空气源热泵系统的运行方法，其特征在于：所述的综合型变频复叠式空气源热泵系统还包括第二节流装置（13），第二节流装置（13）的一端连接第二储液器（12），另一端连接制冷剂-制冷剂冷凝器（8）和第二室外翅片换热器（9）；第四电磁阀（19）连接在制冷剂-制冷剂冷凝器（8）和第二节流装置（13）之间，第五电磁阀（20）连接在第二室外翅片换热器（9）和第二节流装置（13）之间。
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