CN113883660A - 热泵式空调系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热泵式空调系统及其控制方法。该热泵式空调系统包括：室外换热器，该室外换热器包括多个发卡管、连接相邻的发卡管的弯头、和将液体冷媒分配到预定的发卡管中的分液管；加热装置，其布置在下述位置的至少一个上：一个或多个发卡管上，一个或多个所述弯头上，或者所述分液管的管端上；以及太阳能装置，其配置成给加热装置提供能量。通过在室外换热器的特定位置上布置加热装置，可在制热时有效地延缓室外换热器的结霜过程，降低除霜频率和/或持续时间，从而降低除霜对空调系统性能的不利影响，并提高用户舒适度。本发明还提供对该热泵式空调系统的控制方法，通过适当地控制太阳能装置的开启和关闭，来延缓室外换热器的结霜。

Description

热泵式空调系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及空调系统，具体地涉及热泵式空调系统及其控制方法。

背景技术

如果空调系统既可在制冷模式下运行，也可在制热模式下运行，这样的空调系统可称为“热泵式空调系统”。在室外环境温度比较高的时候，例如夏季，热泵式空调系统通常进行制冷运行。制冷时，热泵式空调系统的室外换热器充当冷凝器，利用室外环境空气冷却循环通过冷凝器内的流路的冷媒；而热泵式空调系统的室内换热器充当蒸发器，利用循环通过蒸发器内的流路的冷媒冷却室内空气，从而达到制冷的目的。相反，在室外环境温度比较低的时候，例如冬季，热泵式空调系统一般在制热模式下运行。制热时，热泵式空调系统的室外换热器充当蒸发器，该蒸发器内的冷媒通过吸收室外环境空气的热量而被蒸发成气体；而热泵式空调系统的室内换热器充当冷凝器，循环通过该冷凝器的冷媒通过加热室内空气而被冷凝，从而达到制热的目的。

在制热运转时，由于室外蒸发器内的冷媒蒸发温度很低，例如-5℃，往往低于室外环境空气的水蒸气露点温度。因此，当热泵式空调系统在制热模式下运行一段时间后，在室外换热器的外表面上容易出现结霜现象。所产生的霜层会堵塞室外换热器的空气流道，例如翅片流道，进而严重影响室外换热器的换热性能。为了及时地除去室外换热器外表面上的霜层，热泵式空调系统需要定期地通过切换其运行模式来进行除霜，例如逆向除霜以临时地将热的气体冷媒引入室外换热器，融化掉其外表面上的霜层。这种除霜过程不但会降低空调系统的能效，还会极大地影响用户舒适度。这是因为在除霜期间，室内换热器一般无法有效地加热室内空气。如果室外换热器的结霜过程能被延缓，则可降低除霜的频率，进而可降低结化霜对空调系统运行的不利影响。

相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决延缓热泵式空调系统的室外换热器结霜的技术问题，本发明提供一种热泵式空调系统，包括：室外换热器，所述室外换热器包括多个发卡管、连接相邻的所述发卡管的弯头、和将液体冷媒分配到预定的所述发卡管中的分液管；加热装置，所述加热装置布置在下述位置的至少一个上：一个或多个发卡管上，一个或多个所述弯头上，或者所述分液管的管端上；以及太阳能装置，所述太阳能装置配置成给所述加热装置提供能量。

在上述热泵式空调系统的优选技术方案中，所述加热装置布置在可最先产生结霜的所述发卡管上和/或连接可最先产生结霜的所述发卡管的所述弯头上。

在上述热泵式空调系统的优选技术方案中，所述太阳能装置包括：太阳能接受装置；和能量转换装置，所述能量转换装置配置成可将来自所述太阳能接受装置的太阳能转换为供应所述加热装置的能量。

在上述热泵式空调系统的优选技术方案中，所述太阳能接受装置形成在容纳所述室外换热器的壳体的顶部上并且具有太阳能选择性吸收涂层。

在上述热泵式空调系统的优选技术方案中，所述太阳能接受装置由所述壳体的顶盖构成，在所述顶盖上涂有所述太阳能选择性吸收涂层。

在上述热泵式空调系统的优选技术方案中，所述顶盖由钣金件构成。

在上述热泵式空调系统的优选技术方案中，所述能量转换装置包括超声波换能器或压电陶瓷装置。

在上述热泵式空调系统的优选技术方案中，所述加热装置包括微波加热装置。

本领域技术人员能够理解的是，为了在热泵式空调系统制热时延缓其室外换热器的结霜过程，本发明热泵式空调系统在其室外换热器的发卡管上、弯头上和/或室外换热器的分液管的管端上布置加热装置，并且利用太阳能装置为该加热装置供能。在结霜过程中，室外换热器的不同流路出现结霜现象的时间并不是同时的，而是会出现先后的结霜顺序。这种现象主要是有两种因素导致的：第一、冷媒在分流到室外换热器的不同发卡管(也可称为“U形管”)中时出现不均；第二、室外风机在室外换热器上产生的风场分配不均。因此，将加热装置布置在一个或多个发卡管上、连接这些发卡管的弯头上和/或布置在将液体冷媒分配到不同发卡管中的分液管的管端上，通过加热装置在这些位置上的加热，不仅可除霜，而且可最大限度地延缓室外换热器的结霜过程。同时，通过利用太阳能为加热装置供能，也达到节省能源的目的。

优选地，太阳能接受装置形成在容纳室外换热器的壳体的顶部上并且具有太阳能选择性吸收涂层，例如由壳体的具有太阳能选择性吸收涂层的顶盖构成。将室外机壳体的顶盖改造成具有太阳能选择性吸收涂层的太阳能接受装置，可节省很大的安装空间和降低成本。

优选地，加热装置布置在可最先产生结霜的发卡管上，和/或布置在连接该可最先产生结霜的发卡管的弯头上，可进一步延缓结霜的发生。在制热时，室外换热器的某个或某些发卡管会最先产生结霜，然后从第一个开始结霜的发卡管开始，室外换热器的结霜将加速进行。因此，将加热装置布置在可最先产生结霜的发卡管和/或连接其的弯头上，可延长其开始结霜的时间，进而延长整个室外换热器结霜的时间。

本发明还提供热泵式空调系统的控制方法，基于上述任一种热泵式空调系统，所述控制方法包括如下步骤：测量所述室外换热器的发卡管温度和室外环境温度；比较所述发卡管温度和所述室外环境温度；当所述发卡管温度与所述室外环境温度之差小于预定温度值时，开启所述太阳能装置以使所述加热装置加热所述室外换热器；并且当所述发卡管温度与所述室外环境温度之差大于或等于所述预定温度值时，关闭所述太阳能装置。

在上述热泵式空调系统的控制方法的优选技术方案中，当室外太阳光相对于所述太阳能接受装置的照射角度小于预定值时，关闭所述太阳能装置。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是本发明热泵式空调系统的实施例的示意图；

图2是本发明热泵式空调系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

为了解决热泵式空调系统在制热时延缓室外换热器结霜的技术问题，本发明提供一种热泵式空调系统1。该热泵式空调系统1包括：室外换热器11，室外换热器11包括多个发卡管111a、111b、111c、111d、连接相邻的发卡管的弯头112、和将液体冷媒分配到预定的发卡管中的分液管(图中未示出)；加热装置20，加热装置20布置在下述位置的至少一个上：一个或多个发卡管上，一个或多个弯头112上，或者分液管的管端上；以及太阳能装置12，太阳能装置12配置成给加热装置20提供能量。

图1是本发明热泵式空调系统的实施例的示意图。如图1所示，该热泵式空调系统1形成冷媒(图中未示出)可在其中循环流动的回路。如图1所示，在一种或多种实施例中，热泵式空调系统1在其回路中主要包括压缩机13、油分离器14、四通阀15、室内换热器16、过冷器17、室外节流结构18、室外换热器11、和气液分离器19。这些部件通过管线相互连接并一起形成可允许冷媒在其中循环流动的回路。另外，该热泵式空调系统1还包括加热装置20和给加热装置20提供能量的太阳能装置12。

如图1所示，压缩机13可以是任何合适的压缩机，包括但不限于离心压缩机、涡旋压缩机、或螺杆压缩机。这些压缩机根据需要可以是变频压缩机，也可以是定频压缩机。压缩机13具有排气端131和吸气端132。压缩机的排气端131通过排气管路21连接到四通阀15的d端口，而压缩机13的吸气端132可通过吸气管路22连接到四通阀15的s端口。在一种或多种实施例中，油分离器14布置在排气管路21上。冷媒在压缩机13中被压缩成高温高压的冷媒后从排气端131排出，并且先经过油分离器14以便从该冷媒中分离出其所携带的压缩机润滑油。分离出来的压缩机润滑油通过回油管路141返回到压缩机的吸气端132。为了气化压缩机润滑油和其中的冷媒，在回油管路141上还可设置节流毛细管(图中未标识)。离开油分离器14的高温高压的气体冷媒流向四通阀15。替代地，根据实际需求，在排气管路21中还可设置允许气体冷媒从压缩机13流向四通阀15的单向阀。在一种或多种实施例中，气液分离器19布置在吸气管路22上，并且压缩机13的吸气端132连接到气液分离器19上的气体管路连接端，以避免压缩机13吸入液体冷媒而产生液击现象。

如图1所示，可选地，在排气管路21与吸气管路22之间设有高低压平衡管路26。在高低压平衡管路26上设有高低压平衡阀261，以在必要的时候调节空调系统的高压侧与低压侧之间的压力。

如图1所示，四通阀15具有四个端口，除了上述提及的d端口和s端口，还具有e端口和c端口。四通阀15的e端口通过第一气体管路23连接到室内换热器16的一侧。室内换热器16包括但不限于翅片管式换热器或板式换热器，并且可包括一个或多个换热器单元。可选地，在第一气体管路23上设有气体截止阀231。当空调系统1运行时，该气体截止阀231处于常开状态。根据实际需要，例如当空调系统1长时间不运行时或需要维修时，该气体截止阀231可被关闭。如图1所示，四通阀15的c端口通过第二气体管路25连接到室外换热器11。

如图1所示，在一种或多种实施例中，室内换热器16通过液体管路24连接到节流机构18，而节流机构18又通过管路连接到室外换热器18。节流机构18例如可以是热力膨胀阀、电子膨胀阀、或其它合适的节流装置。在液体管路24上还设有液体截止阀241。当空调系统1运行时，该液体截止阀241也处于常开状态。该液体截止阀241可与气体截止阀231相互配合以方便对热泵式空调系统1进行维护。可选地，在液体管路24上还设有过滤器242。该过滤器242被置于液体截止阀241与节流机构18之间。在一种或多种实施例中，过冷器17也布置在液体管路24上，并且位于过滤器242与节流机构18之间。过冷器17可利用自身小部分冷媒节流冷却其余冷媒，该小部分冷媒冷却主流路冷媒后获得热量并经由吸气支路221进入气液分离器19。例如，在制冷模式下，来自液体管路24的主流路冷媒可被分流出小部分冷媒，并且该小部分冷媒流入过冷支路243并且通过膨胀阀244节流后用来冷却主流路冷媒，经过该小部分冷媒冷却后过冷的主流路冷媒通过液体管路24经由室内节流机构(图中未示出)节流后流向室内换热器16。

如图1所示，在一种或多种实施例中，太阳能装置12可包括太阳能接受装置121和能量转换装置122。能量转换装置122配置成可将来自太阳能接受装置121的太阳能转换为其它可用的能量形式，例如机械能、热能或电能等。在一种或多种实施例中，太阳能接受装置121形成在容纳室外换热器11的壳体(图中未示出)的顶部上并且具有太阳能选择性吸收涂层。例如，太阳能接受装置121由壳体的顶盖(图中未示出)构成。顶盖例如可以是钣金件。在该顶盖的朝向太阳光照射的一侧上涂有太阳能选择性吸收涂层。太阳能选择形吸收涂层可以是具有高太阳光吸收率和低辐射损失的任何合适涂层，例如依次包括材料钼-氧化铈-钼-氧化镁或者硅-氮化硅-硅-银的四层涂层结构的太阳能选择性吸收涂层。替代地，太阳能接受装置121也可设置在便于接受太阳光的其它合适位置，并且由独立于室外换热器的壳体的装置构成。能量转换装置122配置成可将来自太阳能接受装置121的太阳能转换为机械能、热能或电能等能量形式。例如，能量转换装置122可包括超声波换能装置或压电陶瓷装置。对应地，加热装置20配置成适合利用来自能量装置装置122的能量的结构。例如，当能量转换装置122为超声波换能装置或压电陶瓷装置时，加热装置20可配置为微波加热装置。替代地，当能量转换装置122为可提供电能的装置时，加热装置20可配置为电加热丝等合适形式。替代地，当能量装置122为可提供以流体(例如水)为介质的热能的装置时，加热装置20可配置为加热管结构等合适形式。

如图1所示，在一种或多种实施例中，室外换热器11包括第一发卡管111a、第二发卡管111b、第三发卡管111c、和第四发卡管111d。这些发卡管通过弯头112连接在一起形成可允许冷媒在其中流动的多个流路。可选地，室外换热器11为翅片管式换热器。第一发卡管111a、第二发卡管111b、第三发卡管111c、和第四发卡管111d一起延伸穿过多个翅片113。在一种或多种实施例中，加热装置20为两个，并且分别布置在连接第三发卡管111c和第四发卡管111d的弯头20上。针对预定的热泵式空调系统，通过实验确定在制热过程中第三发卡管111c和第四发卡管111d最先出现结霜。因此，将加热装置20分别布置在连接第三发卡管111c和第四发卡管111d的弯头20上，可最大限度地延缓这些发卡管开始结霜的时间，进而降低整个空调系统的除霜频率。除霜次数减少和除霜过程持续时间的缩短均可降低除霜对空调系统的性能的不利影响，并且提高用户舒适度。替代地，加热装置20也可布置在第三发卡管111c和/或第四发卡管111d上，或者布置在第一发卡管111a、第二发卡管111b、第三发卡管111c、或第四发卡管111d中的一个或多个的任意组合的发卡管上或连接该发卡管的弯头上。替代地，加热装置20也可布置在室外换热器11的分液管(图中未示出)的管端上。分液管用于将经过节流机构18节流的低温低压的液体冷媒分配到室外换热器11内的不同流路的发卡管中。由此可知，在分液管的管端处的冷媒温度通常要低于室外换热器11内其它位置的冷媒温度，因此分液管的管端处也最容易先产生结霜。将加热装置20布置在该位置上，可更有利于延缓室外换热器的结霜。

上述的热泵式空调系统1通过对四通阀15的控制，可实现制冷、制热、和逆向向除霜等不同的功能。

当热泵式空调系统1在制冷模式下运行时，压缩机13将从吸气端132吸入的低温低压的气体冷媒压缩成高温高压的气体冷媒并从排气端131排出。高温高压的气体冷媒沿着排气管路21在流过油分离器14后进入四通阀15。从d端口进入四通阀15的高温高压的气体冷媒从c端口离开并沿着第二气体管路25流向室外换热器11。在制冷模式下，室外换热器11充当冷凝器。因此，高温高压的气体冷媒在室外换热器器11内通过将热量传递给流过室外换热器11外表面的环境空气而被冷却成高温高压的液体冷媒。离开室外换热器11的高温高压的液体冷媒沿着液体管路24在流过节流机构18(其在制冷模式下不起节流作用)后进入过冷器17。在过冷器17中提高了过冷度的液体冷媒然后继续沿着液体管路24流动，并且依次流过过滤器242和液体截止阀241。然后，高温高压的液体冷媒在经过室内节流结构(图中未示出)节流后变成低温低压的液体冷媒并且流入室内换热器16。在制冷模式下，室内换热器16充当蒸发器。低温低压的液体冷媒在室内换热器16中通过吸收室内空气的热量而蒸发成低温低压的气体冷媒，而室内空气因此得到冷却。低温低压的气体冷媒然后沿着第一气体管路23经由气体截止阀231流向四通阀15的e端口。由于在制冷模式下e端口与s端口连通，因此低温低压的气体冷媒又从s端口进入吸气管路22。该低温低压的气体冷媒在通过气液分离器19后通过吸气端132被吸入压缩机13，经过压缩机13压缩后可开始新的循环。

在制热模式下，冷媒在空调系统1中的流向与制冷循环时的流向正好相反。当制热循环开始时，压缩机13也是将从吸气端132吸入的低温低压的气体冷媒压缩成高温高压的气体冷媒并从排气端131排出。高温高压的气体冷媒沿着排气管路21在流过油分离器14后从d端口进入四通阀15。该高温高压的气体冷媒从四通阀15的e端口离开后沿着第一气体管路23流过气体截止阀231并进入室内换热器16。在制热模式下，室内换热器16充当冷凝器。高温高压的气体冷媒在室内换热器16中通过向室内空气传递热量而被冷却成高温高压的液体冷媒，室内空气因此被加热。高温高压的液体冷媒然后沿着液体管路24依次流过液体截止阀241和过滤器242。然后，该高温高压的液体冷媒在过冷器17中经受过冷后又被节流机构18节流成低温低压的液体冷媒。该低温低压的液体冷媒流入室外换热器11。在制热模式下，室外换热器11充当蒸发器。该低温低压的液体冷媒在室外换热器11中通过吸收室外环境空气的热量而被蒸发成低温低压的气体冷媒。该低温低压的气体冷媒沿着第二气体管路25流向四通阀15的c端口，并且从四通阀15的s端口离开进入吸气管路22。经过气液分离器19分离后，气体冷媒经由吸气端132被吸入压缩机13，并且经过压缩机13压缩后开始新的循环。

在制热循环期间，由于室外换热器11内的冷媒蒸发温度通常比室外环境空气中的水蒸气露点温度要低，因此室外换热器11的外表面上容易出现结霜现象，需要定期地进行除霜。除霜过程不仅不利地影响空调系统的性能，而且影响空调系统的用户舒适度。通过延缓室外换热器的结霜过程，可有效地降低除霜的上述不利影响。因此，为了延缓上述热泵式空调系统的室外换热器的结霜过程，本发明还提供了热泵式空调系统的控制方法。

图2是本发明热泵式空调系统的控制方法的流程图。如图2所示，本发明热泵式空调系统的控制方法包括四个步骤：S1、S2、S3、和S4。除非有相反的明确说明，这些步骤的执行顺序包括但不限于依次执行的顺序。在步骤S1中，测量室外换热器的发卡管温度和室外环境温度。发卡管温度可以是不同发卡管上的温度的最小值或平均值。在步骤S2中，比较发卡管温度和室外环境温度。基于发卡管温度与室外环境温度的相对关系确定太阳能装置是打开还是关闭。因此，在步骤S3中，当发卡管温度与室外环境温度之差小于预定温度值时，开启太阳能装置12以使加热装置20加热室外换热器11。相反地，在步骤S4中，当发卡管温度与室外环境温度之差大于或等于预定温度值时，关闭太阳能装置12。

在一种或多种实施例中，室外环境温度可被划分为不同的温度范围。针对不同的温度范围，预定温度值可设置为不同的温度值。例外，室外环境温度Ta0可被划分为三个温度范围：Ta0≥0℃，-15℃≤Ta0<0℃，和Ta0<-15℃。针对这三个温度范围的每一个，可通过实验确定对应的预定温度值。

在一种或多种实施例中，当室外太阳光相对于太阳能接受装置121的照射角度小于预定值时，关闭太阳能接受装置121。这是因为如果太阳光的照射角度太小，太阳能接受装置121很可能难以获得足够的太阳能。例如，当太阳能接受装置121由室外换热器11的外壳的顶盖构成时，如果太阳光相对于该顶盖的照射角度小于20°或其它合适的角度时，就可以关闭太阳能装置12。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热泵式空调系统，其特征在于，包括：

室外换热器，所述室外换热器包括多个发卡管、连接相邻的所述发卡管的弯头、和将液体冷媒分配到预定的所述发卡管中的分液管；

加热装置，所述加热装置布置在下述位置的至少一个上：一个或多个发卡管上，一个或多个所述弯头上，或者所述分液管的管端上；以及

太阳能装置，所述太阳能装置配置成给所述加热装置提供能量。

2.根据权利要求1所述的热泵式空调系统，其特征在于，所述加热装置布置在可最先产生结霜的所述发卡管上和/或连接可最先产生结霜的所述发卡管的所述弯头上。

3.根据权利要求1所述的热泵式空调系统，其特征在于，所述太阳能装置包括：

太阳能接受装置；和

能量转换装置，所述能量转换装置配置成可将来自所述太阳能接受装置的太阳能转换为供应所述加热装置的能量。

4.根据权利要求3所述的热泵式空调系统，其特征在于，所述太阳能接受装置形成在容纳所述室外换热器的壳体的顶部上并且具有太阳能选择性吸收涂层。

5.根据权利要求4所述的热泵式空调系统，其特征在于，所述太阳能接受装置由所述壳体的顶盖构成，在所述顶盖上涂有所述太阳能选择性吸收涂层。

6.根据权利要求5所述的热泵式空调系统，其特征在于，所述顶盖由钣金件构成。

7.根据权利要求3-6任一项所述的热泵式空调系统，其特征在于，所述能量转换装置包括超声波换能器或压电陶瓷装置。

8.根据权利要求7所述的热泵式空调系统，其特征在于，所述加热装置包括微波加热装置。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的热泵式空调系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

测量所述室外换热器的发卡管温度和室外环境温度；

比较所述发卡管温度和所述室外环境温度；

当所述发卡管温度与所述室外环境温度之差小于预定温度值时，开启所述太阳能装置以使所述加热装置加热所述室外换热器；并且

当所述发卡管温度与所述室外环境温度之差大于或等于所述预定温度值时，关闭所述太阳能装置。

10.根据权利要求9所述的热泵式空调系统的控制方法，其特征在于，当室外太阳光相对于所述太阳能接受装置的照射角度小于预定值时，关闭所述太阳能装置。

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