CN113623897A - 一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统及控制方法，该系统压缩机进气口与低温蒸发器出口相连，压缩机补气口与高温蒸发器出口相连，压缩机的排气口与冷凝器入口相连；冷凝器出口连接第一过冷器，第一过冷器的出口分为两路，一路依次经过第一电子膨胀阀、第二过冷器与高温蒸发器中吸热入口相连，另一路依次经过第二过冷器、第二电子膨胀阀与低温蒸发器入口连接。本发明中的室内排风不与室外新风直接热交换，而通过高温蒸发器回收室内排风热量，通过第一过冷器与室外新风进行热交换，增加循环制冷剂过冷度的同时提高室外新风温度。能将室外新风系统和室内排风系统分离开，实现独立控制新风量和排风量，同时还提高热泵循环系统性能，使系统稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于热泵技术领域，具体涉及一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统及控制方法。
背景技术
空气源热泵系统是能够将空气中的低品位热能转化为高品位热能，从而向商用建筑和住宅供热的节能、环保型制热技术。目前的主要应用有热泵型空调器与热泵热水器，其主要优点有：低品位热源来自于空气，来源广，可循环使用；能效较高、符合国家节能减排要求；占地面积小、安装方便，使用寿命长，设备运行稳定，由此空气源热泵系统在世界范围内得到了大面积的应用。然而空气源热泵系统的应用往往会受到气候变化的约束，随着室外环境温度的不断下降，压缩机的压比会增加，从而导致压缩机排气温度过高，压缩机不能正常运行，甚至停机。同时压缩机的吸气量会减小，系统制冷剂循环量不足，导致热泵系统的制热量减少，热泵系统的制热性能系数衰减严重。
针对空气源热泵系统在低温工况下的问题，国内外专家学者提出了多种解决方案和创新技术，包括两级压缩制热技术，复叠式压缩制热技术、压缩机中间补气制热技术、压缩机变频控制技术、加装辅助热源等。目前，在市场实际应用最广的有压缩机中间补气制热、压缩机变频以及压缩机变频加补气三种方式。
补气增焓技术采用的是在压缩机中增加一个补气口，通过补气口输入中温中压的补气来冷却主循环中的制冷剂，从而降低压缩机排气温度的方法。补气增焓系统分成两种形式，一种是带闪发器的补气增焓系统，一种是带过冷器的补气增焓系统。前者通过闪蒸汽的气液分离技术来产生中间补气，后者通过主路和辅路之间的热量交换从而产生中间补气。带过冷器的补气增焓系统相较于带闪蒸汽的补气增焓系统，系统更容易调节，而且不会产生回流，但过冷器属于换热设备，系统的效能会受到过冷器换热效率的影响。
为了保证室内空气的品质和居民的舒适度，冬季供热除了需要热泵系统，还要有一套独立的新风系统。新风系统包括室外新风系统和室内排风系统。目前的新风系统大多采用直接式热回收，即室外新风与室内排风进行直接热交换，将室内排风中的热量传递到室外新风中。同时还会安装辅助加热装置来保证室外新风的温度达标。直接式热回收新风系统需要将室外新风管道与室内排风管道布置在一起，不仅增加了安装成本，而且还需要对其进行耦合控制，增加了控制难度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术中的不足之处，提供了一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统及控制方法；其中，间接式热回收采用室外新风和室内排风同时与热泵循环系统相结合的方式：利用室外新风在过冷器中换热，室内排风在高温蒸发器中换热，从而间接地回收室内排风的热量，提高室外新风的温度，同时还能一定程度上提高循环性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，包括低温蒸发器101、压缩机102、冷凝器103、第一过冷器104、第一电子膨胀阀105、第二过冷器106、第二电子膨胀阀107和高温蒸发器108；所述压缩机102为补气型变频压缩机，具有吸气口、补气口和排气口，压缩机102从补气口处分为低压级和高压级压缩，从吸气口到补气口为压缩机102的低压级压缩，从补气口到排气口为压缩机102的高压级压缩。压缩机102的吸气口与低温蒸发器101的出口相连，补气口与高温蒸发器108的出口相连，压缩机102排气口与冷凝器103的入口相连；所述冷凝器103的出口连接有第一过冷器104，第一过冷器104的出口分为两路，一路依次经过第二过冷器106、第二电子膨胀阀107与低温蒸发器101入口相连，另一路依次经过第一电子膨胀阀105、第二过冷器106与高温蒸发器108入口相连接，形成整个热泵循环系统。
所述压缩机102为变频补气型压缩机，具有吸气口、补气口和排气口，压缩机102从补气口处分为低压级和高压级压缩，从吸气口到补气口为压缩机102的低压级压缩，从补气口到排气口为压缩机102的高压级压缩。
所述高温蒸发器108安装在室内排风管道上，进入高温蒸发器108的中温中压制冷剂与室内排风进行热量交换；在高温蒸发器108中，制冷剂回收室内排风热量，两相制冷剂吸热，干度增大，达到饱和气态或过热状态后与压缩机102低压级出口过热气态制冷剂混合进入压缩机102的高压级。
所述第一过冷器104安装在室外新风管道上，进入第一过冷器104的高温高压饱和液态制冷剂与室外新风进行热量交换；冬季室外新风温度低于第一过冷器104中液态制冷剂温度，室外新风从第一过冷器104中的制冷剂吸收热量，被加热后进入室内。
液态制冷剂在第一过冷器104中获得一定过冷度后分成两股流体，一股制冷剂流体经过第一电子膨胀阀105降温降压后进入第二过冷器106，在第二过冷器106中冷却进入第二过冷器106的另一股高压制冷剂流体后以中温中压制冷剂的状态进入高温蒸发器108；流经第二过冷器106的另一股高压制冷剂流体经第二电子膨胀阀107节流后成为低温低压制冷剂进入低温蒸发器101。
风道系统的回风管段设置有第一管道式风速传感器114；新风管段设置有第二管道式风速传感器115；排风管段设置有第三管道式风速传感器116；回风量、新风量和排风量可分别通过所测得的回风速度、新风速度、排风速度及风速传感器安装位置的管径换算获得；同时，通过变频式回风机111控制室内回风量；变频式新风机112控制室外新风量；变频式排风机113控制室内排风量；第一管道式风速传感器114、第二管道式风速传感器115、第三管道式风速传感器116、变频式回风机111、变频式新风机112和变频式排风机113连接第一控制器110；压缩机102补气口设置温度传感器和压力传感器，该温度传感器和压力传感器与第一电子膨胀阀105连接第二控制器109。
所述间接式热回收补气增焓型热泵循环系统的控制方法如下：
第一控制器110在线检测室内温度信号以及第一管道式风速传感器114、第二管道式风速传感器115和第三管道式风速传感器116的风速信号，室内温度信号输出至变频式回风机111，通过调节变频式回风机111转速来控制回风量Q回风,使得室内温度达到设定值；三个管道式风速传感器的风速信号换算成风量信号后，分别输出至变频式新风机112和变频式排风机113，通过调节变频式新风机112和变频式排风机113的转速来控制新风量Q新风和排风量Q排风；第二控制器109在线检测压缩机102补气口温度和压力来控制第一电子膨胀阀105的开度。
当Tin＜Ts时，调大变频式回风机111的转速以增大回风量,进而提高室内温度；当Tin>Ts时，调小变频式回风机111的转速以减小回风量,进而降低室内温度；当Tin＝Ts时，不再调节变频式回风机111的转速。Tin、Ts分别为室内温度、系统设定温度。
通过新风量在总风量(新风量+回风量)中的占比调节新风量，当
调大变频式新风机112的转速以增大室外新风量；当
调小变频式新风机112的转速以减小室外新风量；当
时，不再调节变频式新风机112的转速。
通过调节排风量使得室内处于微正压状态，当Q新风-Q排风＜0时，调小变频式排风机113转速以减小室内排风量；当Q新风-Q排风>ΔQ时,调大变频式排风机113转速以增大室内排风量；当0≤Q新风-Q排风≤ΔQ时,不再调节变频式排风机113转速。ΔQ取值范围取10％Q新风～20％Q新风。
通过第二控制器109监测压缩机102补气口的温度和压力，获得压缩机102补气口蒸汽过热度ΔT，当ΔT＜0时,调小第一电子膨胀阀105的开度；当
时，调大第一电子膨胀阀105的开度；当
时，不再调节第一电子膨胀阀105的开度。
的取值范围取3-5℃。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：本发明的间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，该热泵循环系统将处理室外新风与室内排风过程与补气增焓循环相结合，通过增加的高温蒸发器(辅助蒸发器)和第一过冷器，直接实现新风、排风和补气增焓循环系统中制冷剂的热量交换，既能够实现室外新风的加热升温和回收室内排风热量效果，也能将排风热量回收到补气增焓循环系统中，进一步提高热泵系统循环的效能。同时该循环系统将室外新风管路与室内排风管路分开，不同于直接式热回收新风系统中的耦合控制，在控制方法上能够实现独立控制新风量以及排风量。通过控制能使室内处于微正压状态，保证室内的空气品质，提高用户的舒适度。
附图说明
图1是本发明的间接式热回收补气增焓型热泵循环系统示意图。
图2是本发明的间接式热回收补气增焓型的热泵循环系统工作过程的压-焓图(p-h图)。
图3是本发明的控制方法中调节回风量和新风量的流程图。
图4是本发明的控制方法中调节第一电子膨胀阀的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，包括低温蒸发器101、压缩机102、冷凝器103、第一过冷器104、第一电子膨胀阀105、第二过冷器106、第二电子膨胀阀107、高温蒸发器108。所述压缩机102为补气型压缩机，具有吸气口、补气口和排气口，压缩机102从补气口处分为低压级和高压级压缩，从吸气口到补气口为压缩机102的低压级压缩，从补气口到排气口为压缩机102的高压级压缩。压缩机102的吸气口与低温蒸发器101的出口相连，补气口与高温蒸发器108的出口相连，压缩机102排气口与冷凝器103的入口相连；所述冷凝器103的出口连接有第一过冷器104，第一过冷器104的出口分为两路，一路依次经过第二过冷器106、第二电子膨胀阀107与低温蒸发器101入口相连，另一路依次经过第一电子膨胀阀105、第二过冷器106与高温蒸发器108入口相连接，形成整个热泵循环系统。
所述高温蒸发器108安装在室内排风管道上，制冷剂在高温蒸发器108中与室内排风进行热量交换；所述第一过冷器104安装在室外新风管道上，在第一过冷器104中制冷剂与室外新风进行热量交换。
如图2所示，为本发明热泵循环系统工作过程的循环压-焓图(p-h图)，其示意的热泵系统工作过程为：压缩机102低压级出口的中温中压过热气态制冷剂(图中2点处)与高温蒸发器108出口的中温中压的饱和气态制冷剂(图中9点处)混合后进入压缩机102高压级(图中3点处)，经压缩机102进一步压缩为高温高压的过热气态制冷剂(图中4点处)；高温高压的过热气态制冷剂(图中4点处)在冷凝器103中放出热量后成为高压饱和液态制冷剂(图中5点处)，冷凝器103出口的高压饱和液态制冷剂进入第一过冷器104进一步放热成为高压过冷液态制冷剂(图中6点处)；第一过冷器104出口的过冷液态制冷剂分成两路，一路高压制冷剂经第一电子膨胀阀105降温降压后(图中7点处)进入第二过冷器106吸热变为中温中压的两相制冷剂(图中8点处)，另一路高压制冷剂进入第二过冷器106放热，进一步提高过冷度，变成高压过冷液态制冷剂(图中10点处)；第二过冷器106出口的中温中压的两相制冷剂(图中8点处)进入到高温蒸发器(108)中吸收室内排风放出的热量变成中温中压饱和气态制冷剂(图中9点处)；第二过冷器106出口的高压过冷液态制冷剂(图中10点处)经第二电子膨胀阀107降温降压后变成低压两相制冷剂(图中11点处)后再进入低温蒸发器101吸热成为低压饱和气态制冷剂(图中1点处)，低压饱和气态制冷剂(图中1点处)在压缩机102中压缩成为中温中压过热气态制冷剂(图中2点处)，完成整个循环过程。
本发明的整个系统循环工作过程中存在三个不同的工作压力，从低到高依次为低温蒸发器101的蒸发压力、高温蒸发器108的蒸发压力(补气压力)、冷凝器103的冷凝压力。其中低压压缩机101的蒸发压力和冷凝器103的冷凝压力是由循环系统的工作工况所决定(即蒸发温度和冷凝温度)，这又取决于环境空气温度和制热温度要求；高温蒸发器108的蒸发压力(补气压力)为设计工况参数，根据蒸发压力和冷凝压力选取其平方根值获得。
本发明的系统中风道系统的回风管段设置有第一管道式风速传感器114；新风管段设置有第二管道式风速传感器115；排风管段设置有第三管道式风速传感器116。回风量、新风量和排风量可分别通过所测得的回风速度、新风速度、排风速度及风速传感器安装位置的管径换算获得。同时，通过变频式回风机111控制室内回风量；变频式新风机112控制室外新风量；变频式排风机113控制室内排风量；第一管道式风速传感器114、第二管道式风速传感器115、第三管道式风速传感器116、变频式回风机111、变频式新风机112和变频式排风机113连接第一控制器110；压缩机102补气口设置温度传感器和压力传感器，该温度传感器和压力传感器与第一电子膨胀阀105连接第二控制器109。
图3、图4为本发明的控制方法的流程图，其所述的控制方法如下：
第一控制器110在线检测室内温度信号以及第一管道式风速传感器114、第二管道式风速传感器115和第三管道式风速传感器116的风速信号，室内温度信号输出至变频式回风机111，通过调节变频式回风机111转速来控制回风量Q回风，使得室内温度达到设定值；三个管道式风速传感器的风速信号换算成风量信号后，分别输出至变频式新风机112和变频式排风机113，通过调节变频式新风机112和变频式排风机113的转速来控制新风量Q新风和排风量Q排风。第二控制器109在线检测压缩机102补气口温度和压力来控制第一电子膨胀阀105的开度。
当Tin＜Ts时，调大变频式回风机111的转速以增大回风量，进而提高室内温度；当Tin＞Ts时，调小变频式回风机111的转速以减小回风量，进而降低室内温度；当Tin＝Ts时，不再调节变频式回风机111的转速。Tin、Ts分别为室内温度、系统设定温度。
当
调大变频式新风机112的转速以增大室外新风量；当
调小变频式新风机112的转速以减小室外新风量；当
时，不再调节变频式新风机112的转速。
通过调节排风量使得室内处于微正压状态，当Q新风-Q排风＜0时，调小变频式排风机113转速以减小室内排风量；当Q新风-Q排风＞ΔQ时，调大变频式排风机113转速以增大室内排风量；当0≤Q新风-Q排风≤ΔQ时，不再调节变频式排风机113转速。ΔQ取值范围取10％Q新风～20％Q新风。
通过第二控制器109监测压缩机102补气口的温度和压力，获得压缩机102补气口蒸汽过热度ΔT，当ΔT＜0时，调小第一电子膨胀阀105的开度；当
时，调大第一电子膨胀阀105的开度；当
时，不再调节第一电子膨胀阀105的开度。
的取值范围取3-5℃。
Claims (9)
1.一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，其特征在于：包括低温蒸发器(101)、压缩机(102)、冷凝器(103)、第一过冷器(104)、第一电子膨胀阀(105)、第二过冷器(106)、第二电子膨胀阀(107)和高温蒸发器(108)；压缩机(102)的吸气口与低温蒸发器(101)的出口相连，补气口与高温蒸发器(108)的出口相连，压缩机(102)的排气口与冷凝器(103)的入口相连；所述冷凝器(103)的出口连接有第一过冷器(104)，第一过冷器(104)的出口分为两路，一路依次经过第二过冷器(106)、第二电子膨胀阀(107)与低温蒸发器(101)入口相连，另一路依次经过第一电子膨胀阀(105)、第二过冷器(106)与高温蒸发器(108)入口相连接，形成整个热泵循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，其特征在于：所述压缩机(102)为变频补气型压缩机，具有吸气口、补气口和排气口，压缩机(102)从补气口处分为低压级和高压级压缩，从吸气口到补气口为压缩机(102)的低压级压缩，从补气口到排气口为压缩机(102)的高压级压缩。
3.根据权利要求1所述的一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，其特征在于：所述高温蒸发器(108)安装在室内排风管道上，进入高温蒸发器(108)的中温中压制冷剂与室内排风进行热量交换；在高温蒸发器(108)中，制冷剂回收室内排风热量，两相制冷剂吸热，干度增大，达到饱和气态或过热状态后与压缩机(102)低压级出口过热气态制冷剂混合进入压缩机(102)高压级压缩。
4.根据权利要求1所述的一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，其特征在于：所述第一过冷器(104)安装在室外新风管道上，进入第一过冷器(104)的高温高压饱和液态制冷剂与室外新风进行热量交换；冬季室外新风温度低于第一过冷器(104)中液态制冷剂温度，室外新风从第一过冷器(104)中的制冷剂吸收热量，被加热到所需温度后随进入室内。
5.根据权利要求1所述的一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，其特征在于：饱和液态制冷剂在第一过冷器(104)中获得一定过冷度后分成两股流体，一股制冷剂流体经过第一电子膨胀阀(105)降温降压后进入第二过冷器(106)，在第二过冷器(106)冷却进入第二过冷器(106)的另一股高压制冷剂流体后成为中温中压制冷剂进入高温蒸发器(108)；穿过第二过冷器(106)的另一股高压制冷剂流体经第二电子膨胀阀(107)节流后成为低温低压制冷剂进入低温蒸发器(101)。
6.根据权利要求1所述的一种间接式热回收补气增焓型热泵循环系统，其特征在于：风道系统的回风管段设置有第一管道式风速传感器(114)；新风管段设置有第二管道式风速传感器(115)；排风管段设置有第三管道式风速传感器(116)；回风量、新风量和排风量分别通过所测得的回风速度、新风速度、排风速度及风速传感器安装位置的管径换算获得；同时，通过变频式回风机(111)控制室内回风量，变频式新风机(112)控制室外新风量，变频式排风机(113)控制室内排风量；第一管道式风速传感器(114)、第二管道式风速传感器(115)、第三管道式风速传感器(116)、变频式回风机(111)、变频式新风机(112)和变频式排风机(113)连接第一控制器(110)；压缩机(102)补气口设置温度传感器和压力传感器，该温度传感器和压力传感器与第一电子膨胀阀(105)连接第二控制器(109)。
7.权利要求1至6任一项所述的间接式热回收补气增焓型热泵循环系统的控制方法，其特征在于：第一控制器(110)在线检测室内温度信号以及第一管道式风速传感器(114)、第二管道式风速传感器(115)和第三管道式风速传感器(116)的风速信号，室内温度信号输出至变频式回风机(111)，通过调节变频式回风机(111)转速来控制回风量Q回风，使得室内温度达到设定值；三个管道式风速传感器的风速信号换算成风量信号后，分别输出至变频式新风机(112)和变频式排风机(113)，通过调节变频式新风机(112)和变频式排风机(113)的转速来控制新风量Q新风和排风量Q排风；第二控制器(109)在线检测压缩机(102)补气口温度和压力来控制第一电子膨胀阀(105)的开度。
8.根据权利要求7所述的间接式热回收补气增焓型热泵循环系统的控制方法，其特征在于：通过室内温度调节回风量，当Tin＜Ts时，调大变频式回风机(111)的转速以增大回风量，进而提高室内温度；当Tin＞Ts时，调小变频式回风机(111)的转速以减小回风量，进而降低室内温度；当Tin＝Ts时，不再调节变频式回风机(111)的转速；Tin、Ts分别为室内温度、系统设定温度；通过新风量在总风量中的占比调节新风量，当
调大变频式新风机(112)的转速以增大室外新风量；当
调小变频式新风机(112)的转速以减小室外新风量；当
时，不再调节变频式新风机(112)的转速；再通过调节排风量使得室内处于微正压状态，当Q新风-Q排风＜0时，调小变频式排风机(113)转速以减小室内排风量；当Q新风-Q排风＞ΔQ时，调大变频式排风机(113)转速以增大室内排风量；当0≤Q新风-Q排风≤ΔQ时，不再调节变频式排风机(113)转速；ΔQ取值范围取10％Q新风～20％Q新风。
9.根据权利要求7所述的间接式热回收补气增焓型热泵循环系统的控制方法，其特征在于：通过第二控制器(109)监测压缩机(102)补气口的温度和压力，获得压缩机(102)补气口蒸汽过热度ΔT，当ΔT＜0时，调小第一电子膨胀阀(105)的开度；当
时，调大第一电子膨胀阀(105)的开度；当
时，不再调节第一电子膨胀阀(105)的开度；
的取值范围取3-5℃。
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- 2021-07-19 CN CN202110812486.9A patent/CN113623897B/zh active Active
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