CN115307348A - 一种逆循环除霜空气源热泵系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆循环除霜空气源热泵系统及其控制方法，所述系统中，用户侧换热器的第一通道出口经膨胀阀、第一阀门以及A型分液器与室外侧换热器的第一通道进口相连通，室外侧换热器的第一通道出口经第三阀门与四通阀的d端口相连通；用户侧换热器的第一通道出口经膨胀阀、第四阀门与室外侧换热器的第一通道出口相连通，室外侧换热器的第一通道进口经B型分液器、第二阀门与四通阀的d端口相连通；其中，A型分液器的分液孔直径大小一致，B型分液器的分液孔直径按结霜速率设置。本发明提供的系统采用两类分液器，能够解决热泵系统运行中除霜热量损失大的技术问题。

Description

一种逆循环除霜空气源热泵系统及其控制方法

技术领域

本发明属于制冷设备技术领域，特别涉及一种逆循环除霜空气源热泵系统及其控制方法。

背景技术

空气源热泵是一种利用高品位电能使热量从低位热源流向高位热源的装置，具有兼顾供冷供热、使用效率高、无需复杂的配置和专用机房、能够逐步减少传统采暖给大气环境带来的大量污染物排放以及保证采暖功效的同时实现节能环保的特点。

室外侧换热器结霜是空气源热泵冬季工况不容忽视的运行问题，空气源热泵在结霜工况下运行，将造成室外侧换热器空气流动阻力增大，风量减小，换热器换热温差增大，压缩机吸排气温(压)差增大，制冷剂质量流量降低，从而导致机组耗功增加，供热能力显著降低；更严重的，将造成机组出现停机保护的恶性事故。基于上述分析可知，结霜问题会严重影响空气源热泵机组的运行性能，是制约其应用发展的关键问题，如何提高除霜的稳定性与效率，减少除霜能耗及对供热的影响是推进空气源热泵发展的必要条件，也是开拓空气源热泵市场的基石。

逆循环除霜是目前比较常用的除霜方式，逆循环除霜通过四通阀换向使制冷剂沿环路反向流动，将热泵从制热工况转换成制冷工况，热泵从室内吸热排到室外换热器以融化其表面结霜。研究表明，逆循环除霜简单易行，除霜效果良好；目前设计的室外侧换热器各排管制冷剂流量均匀，虽有利于制热，但与结霜规律不符，在除霜模式会造成除霜频率过大、除霜次数多以及热量损失大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逆循环除霜空气源热泵系统及其控制方法，能够解决热泵系统运行中除霜热量损失大的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种逆循环除霜空气源热泵系统，包括：压缩机、四通阀、用户侧换热器、A型分液器、B型分液器、室外侧换热器和气液分离器；

所述压缩机的出口与所述四通阀的a端口相连通，所述四通阀的b端口与所述用户侧换热器的第一通道进口相连通；

所述用户侧换热器的第一通道出口经膨胀阀、第一阀门以及A型分液器与所述室外侧换热器的第一通道进口相连通，所述室外侧换热器的第一通道出口经第三阀门与所述四通阀的d端口相连通；另外，所述用户侧换热器的第一通道出口经膨胀阀、第四阀门与所述室外侧换热器的第一通道出口相连通，所述室外侧换热器的第一通道进口经B型分液器、第二阀门与所述四通阀的d端口相连通；

所述四通阀的c端口与所述气液分离器的进口相连通，所述气液分离器的出口与所述压缩机的进口相连通；

其中，所述A型分液器和所述B型分液器均由输送管和分液头两部分组成，所述分液头设有多个分液孔，分液孔均匀分布；所述A型分液器的分液孔直径大小一致，所述B型分液器的分液孔直径按结霜速率设置。

本发明系统的进一步改进在于，所述A型分液器设置有四个直径相同的分液孔，分别与所述室外侧换热器第一排管、第二排管、第三排管和第四排管相连通。

本发明系统的进一步改进在于，所述B型分液器设置有四个直径不相同的分液孔，所述四个直径不相同的分液孔的直径比为1、0.85、0.7和0.5；

其中，所述直径比1对应的分液孔与所述室外侧换热器第一排管相连通，所述直径比0.85对应的分液孔与所述室外侧换热器第二排管相连通，所述直径比0.7对应的分液孔与所述室外侧换热器第三排管相连通，所述直径比0.5对应的分液孔与所述室外侧换热器第四排管相连通。

本发明系统的进一步改进在于，所述逆循环除霜空气源热泵系统制热运行时，所述四通阀的a端口与b端口相连通，d端口与c端口相连通；第一阀门、第三阀门打开，且第二阀门、第四阀门关闭。

本发明系统的进一步改进在于，所述逆循环除霜空气源热泵系统除霜运行时，所述四通阀的a端口与d端口相连通，b端口与c端口相连通；第一阀门、第三阀门关闭，且第二阀门、第四阀门打开。

本发明系统的进一步改进在于，所述A型分液器和所述B型分液器中，

所述输送管设置有螺纹段，用于对工质进行汽液混合；

所述分液头设置有静压腔，用于对汽液混合后的工质进行加压。

本发明提供的一种逆循环除霜空气源热泵系统的控制方法，包括以下步骤：

制热循环时，通过压缩机将制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂；气态制冷剂进入用户侧换热器换热；换热后的低温高压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压后，通过A型分液器将制冷剂均匀分流进入室外侧换热器换热，换热后的制冷剂转为气态制冷剂，进入压缩机压缩完成循环；

除霜循环时，利用四通阀切换改变制冷剂的流向；通过压缩机将制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂；气态制冷剂通过B型分液器不均匀分流后进入室外侧换热器换热，换热后的低温高压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压后，依次流经用户侧换热器、四通阀和气液分离器后，进入压缩机完成循环。

本发明控制方法的进一步改进在于，利用四通阀切换改变制冷剂的流向的步骤包括：

通过温度传感器监测室外侧换热器的翅片表面或制冷剂盘管表面温度，当监测温度下降到预设定值T1时开始记录压缩机的运行时间，记录的运行时间作为机组结霜运行时间；

机组结霜运行时间达到预设定的最小结霜运行时间t1且监测温度低于预设定值T2时，利用四通阀切换改变制冷剂的流向进入除霜；当监测温度上升到预设定值T3或达到预设定的最长除霜时间t2时，退出除霜。

本发明控制方法的进一步改进在于，制热模式时，第一阀门、第三阀门打开，且第二阀门、第四阀门关闭；所述四通阀的a端口与b端口相连通，d端口与c端口相连通。

本发明控制方法的进一步改进在于，除霜运行时，第二阀门、第四阀门打开，且第一阀门、第三阀门关闭；所述四通阀的a端口与d端口相连通，b端口与c端口相连通。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的逆循环除霜空气源热泵系统，是一种采用两类分液器的逆循环除霜空气源热泵系统，能够解决热泵系统运行中除霜热量损失大的技术问题；其中，在除霜模式下系统利用B型分液器，可改变室外侧换热器的流量分配比，通过阀门对流量进行控制，能够减少传统空气源热泵不必要的除霜能耗。

进一步具体解释的，传统空气源热泵在制热和除霜模式均使用的是均匀分流分液器，但因为在强制对流换热器中，换热器迎风面的风速和空气的湿度远远大于后面几排，从而前排翅片管的结霜速率远远大于后面几排。仿真结果表面明蒸发器前排结霜量约占整个蒸发器的35％。而且随着结霜的进行，室外侧换热器前排的结霜量变化速率要快于后排，第一排管的结霜速率约为二、三、四排管结霜速率的1.25、2、8倍，不论从静态还是动态的角度来说，蒸发器前排的性能决定蒸发器整个性能的好坏。各排管的结霜量及结霜速率不同，但除霜时各管路散热量相等，难免会造成前排管霜未除尽，后排管除霜热量损失大的情况，因此，为节约能源，对于蒸发器各排翅片管的除霜功率应该有所不同，宜采用不同制冷剂流通结构设计，改变室外侧换热器的流量分配比，并设置阀门对流量进行控制，使前排通过的制冷剂流量大于后面几排，即散热量大于后排，从而充分利用除霜功率，减少了传统空气源热泵不必要的除霜能耗；同时，该举措有利于缩短除霜时间、延长除霜周期，使系统稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例的一种逆循环除霜空气源热泵系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中，A型分液器的结构示意图；

图3是本发明实施例中，B型分液器的结构示意图；

图中，1、压缩机；2、四通阀；3、用户侧换热器；4、膨胀阀；5、A型分液器；6、B型分液器；7、室外侧换热器；8、气液分离器；9、第一阀门；10、第二阀门；11、第三阀门；12、第四阀门。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1，本发明实施例的一种采用两类分液器的逆循环除霜空气源热泵系统，包括：压缩机1、四通阀2、用户侧换热器3、膨胀阀4、A型分液器5、B型分液器6、室外侧换热器7和气液分离器8；其中，压缩机1的出口与四通阀2相连，四通阀2与用户侧换热器3的进口相连接，用户侧换热器3的出口与膨胀阀4的进口相连，膨胀阀4的出口与A型分液器5的进口相连，A型分液器5的出口连接室外侧换热器7的进口，室外侧换热器7的出口连接四通阀2，气液分离器8出口与压缩机1进口相连，四通阀2出口与室外侧换热器7进口之间还设置有B型分液器6。综上，所述的压缩机1的出口、用户侧换热器3的进口、室外侧换热器7的出口和气液分离器8的出口通过四通阀2相连接。

本发明实施例具体示例性的，四通阀2由阀体和4根连接管组成，4根接管中3根(b端口、c端口、d端口)在同一侧，中间接管c端口与气液分离器8的进口管相连，其余两个b端口、d端口分别与室内、外侧换热器相连，另外一个接管a端口在另一侧，与压缩机排气管相连接，阀体内设有半圆形滑块和两个带小孔活塞，滑块作为阀门可在阀体内左右移动，使上侧的两根连接管通过滑块覆盖住的两个阀孔而连通，另一连接管通过另一阀孔与阀体相通，活塞与滑块通过阀架连接在一起，可同步移动。

其中，当热泵制热运行时，电磁阀线圈接通电源，铁芯带动阀碗移动使毛细管e与f相通(高压)，毛细管h与g相通(低压)，因毛细管e、f与压缩机排气管相通，内充满高压气体形成高压区，而毛细管h、g与压缩机吸气管相通，形成低压区，此时活塞在压力的作用下向右侧移动，四通阀接管a与b相通，a管内的高压制冷气体经b管进入室内换热器(作为冷凝器)向室内散热，再经膨胀阀4进入室外换热器(蒸发器)，由d管进入c管，再经过气液分离器，最后回到压缩机，完成制热循环。

其中，当热泵除霜运行时，电磁阀线圈断电，铁芯带动阀碗移动使毛细管e与h相通(高压)，毛细管f与g相通(低压)，因毛细管e、h与压缩机排气管相通，内充满高压气体形成高压区，而毛细管f、g与压缩机吸气管相通，形成低压区，此时活塞在压力的作用下向左侧移动，四通阀接管a与d相通，a管内的高压制冷剂气体经d管进入室外换热器(作为冷凝器)散热并融化其表面结霜，再经毛细管进入室内换热器(蒸发器)，再由b管进入c管，再经过气液分离器，最后回到压缩机，完成除霜循环。

本发明实施例具体示例性的，所述两种类型分液器均由输送管和分液头两部分组成，分液头另一端底部设有多个分液孔，分液孔均匀分布，A型分液孔直径大小一致，B型分液孔孔径按结霜速率设置，每个分液孔各焊接了一个毛细管，A型分液器每一根配管末端至蒸发器处可通过三通与B型分液器每一根配管末端相连。膨胀阀输送的制冷剂依次进入输送管、分液头后进入室外换热器。输送管的进口段外表面可以设置一段螺纹，分液头的管连接的一端设有静压腔，螺纹管对节流后的工质进行汽液相混合，混合后的混合液体进入静压腔进行增压，增压后的液体由于压力加大在加速腔里加速冲向分液头，分液后通过分流孔流向蒸发器。

请参阅图2和图3，本发明实施例中，A型分液器5出口的四个分路管径相同，制冷剂流量均匀分流；B型分液器6出口的四个分路管径与A型分液器5出口的单个分路管径比值分别为1、0.85、0.7、0.5。

本发明实施例中，A型分液器5进口管上安装有第一阀门9，B型分液器6进口管上安装有第二阀门10。本发明实施例中，室外侧换热器7出口与四通阀2进口相连的管路上装有第三阀门11，室外侧换热器7出口与膨胀阀4相连的管路上装有第四阀门12。

本发明的核心发明点在于：在不影响制热效率的同时，在除霜模式下利用B型分液器将制冷剂按照与结霜速率相匹配的比值分流，并利用管路上的阀门调节流量，减少了传统空气源热泵系统除霜时的能耗，提高了低温环境下空气源热泵的效率和稳定性。

本发明系统运行模式有正常制热模式和除霜模式。在制热模式中，第一阀门9、第三阀门11打开，第二阀门10、第四阀门12关闭。压缩机1将制冷剂压缩为高温高压的气体；气态制冷剂进入用户侧换热器冷凝器3与水换热，释放热量加热冷水；换热后的低温高压的液态制冷剂经膨胀阀4节流降压；接着通过A型分液器5将制冷剂均匀分流进入室外侧换热器蒸发器7与空气换热，吸收热量，制冷剂转为气态；气态制冷剂进入压缩机1压缩，完成循环。

除霜循环时，利用四通换向阀2的切换改变制冷剂的流向，使蒸发器和冷凝器的作用交换。第二阀门10、第四阀门12打开，第一阀门9、第三阀门11关闭。压缩机1将制冷剂压缩为高温高压的气体；气态制冷剂通过B型分液器6不均匀分流后进入室外侧换热器冷凝器7，释放热量除去霜层；换热后的低温高压的液态制冷剂经膨胀阀4节流降压；接着依次流经用户侧换热器蒸发器3、四通阀2、气液分离器8，最后进入压缩机1，完成循环。

本发明实施例上述的逆循环除霜空气源热泵系统的控制方法，主要包括以下步骤：

制热循环时，压缩机将制冷剂压缩为高温高压的气体；气态制冷剂进入用户侧换热器冷凝器与水换热，释放热量加热冷水；换热后的低温高压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压；接着通过A型分液器将制冷剂均匀分流进入室外侧换热器蒸发器与空气换热，吸收热量，制冷剂转为气态；气态制冷剂进入压缩机压缩，完成循环。

除霜循环时，利用四通换向阀的切换改变制冷剂的流向，使蒸发器和冷凝器的作用交换。压缩机将制冷剂压缩为高温高压的气体；气态制冷剂通过B型分液器不均匀分流后进入室外侧换热器冷凝器，释放热量除去霜层；换热后的低温高压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压；接着依次流经用户侧换热器蒸发器、四通阀、气液分离器，最后进入压缩机，完成循环。

本发明实施例具体示例性的，采用温度时间除霜控制方法，该方法的控制策略为：温度传感器监测室外换热器翅片表面或制冷剂盘管表面温度变化，当翅片表面或者盘管表面温度下降到设定点T1时开始记录压缩机的运行时间，且机组结霜运行时间达到设定的最小结霜运行时间t1且翅片表面或盘管表面温度低于设定值T2时，机组进入除霜；当盘管或翅片表面温度上升到另一设定值T3或达到设定的最长除霜时间t2后机组退出除霜。

基于本发明上述实施例的控制方法，能够有效加快除霜速率，减少除霜能耗。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种逆循环除霜空气源热泵系统，其特征在于，包括：压缩机(1)、四通阀(2)、用户侧换热器(3)、A型分液器(5)、B型分液器(6)、室外侧换热器(7)和气液分离器(8)；

所述压缩机(1)的出口与所述四通阀(2)的a端口相连通，所述四通阀(2)的b端口与所述用户侧换热器(3)的第一通道进口相连通；

所述用户侧换热器(3)的第一通道出口经膨胀阀(4)、第一阀门(9)以及A型分液器(5)与所述室外侧换热器(7)的第一通道进口相连通，所述室外侧换热器(7)的第一通道出口经第三阀门(11)与所述四通阀(2)的d端口相连通；另外，所述用户侧换热器(3)的第一通道出口经膨胀阀(4)、第四阀门(12)与所述室外侧换热器(7)的第一通道出口相连通，所述室外侧换热器(7)的第一通道进口经B型分液器(6)、第二阀门(10)与所述四通阀(2)的d端口相连通；

所述四通阀(2)的c端口与所述气液分离器(8)的进口相连通，所述气液分离器(8)的出口与所述压缩机(1)的进口相连通；

其中，所述A型分液器(5)和所述B型分液器(6)均由输送管和分液头两部分组成，所述分液头设有多个分液孔，分液孔均匀分布；所述A型分液器(5)的分液孔直径大小一致，所述B型分液器(6)的分液孔直径按结霜速率设置。

2.根据权利要求1所述的一种逆循环除霜空气源热泵系统，其特征在于，所述A型分液器(5)设置有四个直径相同的分液孔，分别与所述室外侧换热器(7)的第一排管、第二排管、第三排管和第四排管相连通。

3.根据权利要求1所述的一种逆循环除霜空气源热泵系统，其特征在于，所述B型分液器(6)设置有四个直径不相同的分液孔，所述四个直径不相同的分液孔的直径比为1、0.85、0.7和0.5；

其中，所述直径比1对应的分液孔与所述室外侧换热器(7)的第一排管相连通，所述直径比0.85对应的分液孔与所述室外侧换热器(7)的第二排管相连通，所述直径比0.7对应的分液孔与所述室外侧换热器(7)的第三排管相连通，所述直径比0.5对应的分液孔与所述室外侧换热器(7)的第四排管相连通。

4.根据权利要求1所述的一种逆循环除霜空气源热泵系统，其特征在于，所述逆循环除霜空气源热泵系统制热运行时，所述四通阀(2)的a端口与b端口相连通，d端口与c端口相连通；第一阀门(9)、第三阀门(11)打开，且第二阀门(10)、第四阀门(12)关闭。

5.根据权利要求1所述的一种逆循环除霜空气源热泵系统，其特征在于，所述逆循环除霜空气源热泵系统除霜运行时，所述四通阀(2)的a端口与d端口相连通，b端口与c端口相连通；第一阀门(9)、第三阀门(11)关闭，且第二阀门(10)、第四阀门(12)打开。

6.根据权利要求1所述的一种逆循环除霜空气源热泵系统，其特征在于，所述A型分液器(5)和所述B型分液器(6)中，

所述输送管设置有螺纹段，用于对工质进行汽液混合；

所述分液头设置有静压腔，用于对汽液混合后的工质进行加压。

7.一种权利要求1所述的逆循环除霜空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

制热循环时，通过压缩机(1)将制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂；气态制冷剂进入用户侧换热器(3)换热；换热后的低温高压的液态制冷剂经膨胀阀(4)节流降压后，通过A型分液器(5)将制冷剂均匀分流进入室外侧换热器(7)换热，换热后的制冷剂转为气态制冷剂，进入压缩机(1)压缩完成循环；

除霜循环时，利用四通阀(2)切换改变制冷剂的流向；通过压缩机(1)将制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂；气态制冷剂通过B型分液器(6)不均匀分流后进入室外侧换热器(7)换热，换热后的低温高压的液态制冷剂经膨胀阀(4)节流降压后，依次流经用户侧换热器(3)、四通阀(2)和气液分离器(8)后，进入压缩机(1)完成循环。

8.根据权利要求7所述的一种逆循环除霜空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，利用四通阀(2)切换改变制冷剂的流向的步骤包括：

通过温度传感器监测室外侧换热器(7)的翅片表面或制冷剂盘管表面温度，当监测温度下降到预设定值T1时开始记录压缩机(1)的运行时间，记录的运行时间作为机组结霜运行时间；

机组结霜运行时间达到预设定的最小结霜运行时间t1且监测温度低于预设定值T2时，利用四通阀(2)切换改变制冷剂的流向进入除霜；当监测温度上升到预设定值T3或达到预设定的最长除霜时间t2时，退出除霜。

9.根据权利要求7所述的一种逆循环除霜空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，制热模式时，第一阀门(9)、第三阀门(11)打开，且第二阀门(10)、第四阀门(12)关闭；所述四通阀(2)的a端口与b端口相连通，d端口与c端口相连通。

10.根据权利要求7所述的一种逆循环除霜空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，除霜运行时，第二阀门(10)、第四阀门(12)打开，且第一阀门(9)、第三阀门(11)关闭；所述四通阀(2)的a端口与d端口相连通，b端口与c端口相连通。

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