CN116499043B - 一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法 - Google Patents

一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法

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Abstract

本发明提供了一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法，控制方法为协同制热水模式，耦合系统包括空调机组、热泵热水器、换热模块，空调机组设置换热管线，换热管线设置换热装置，热泵热水器包括水箱，换热模块分别与换热装置、水箱连接；空调机组包括第一冷媒管路、换热管线，第一冷媒管路中依次设置第一电磁阀、第二电磁阀、电子膨胀阀A，换热管线与第一冷媒管路中的第一电磁阀、第二电磁阀并联设置，换热管线中依次设置第三电磁阀、第一膨胀阀、换热装置、第四电磁阀；换热管线与第一冷媒管路之间设置桥路，桥路中设置第五电磁阀；本发明能够利用空调制冷时的废热来对水箱中的水进行辅助加热，提高了能源利用的效率。

Description

一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法
本申请是申请日为2022年1月21日、申请号为“2022100708804”、名称为“一种空调与热泵热水器的耦合系统及其控制方法”的发明申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及热泵系统技术领域，特别涉及一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法。
背景技术
空调是人们日常生活中不可或缺的电器设备，具有多种多样的结构形式。随着工业设计水平的不断提高，以及新工艺、新材料和新造型在空调上的运用，开发出了各式各样的空调。然而，目前市场上的空调机组外机的翅片管式换热器，在低温高湿的环境下容易结霜，结霜后的翅片管式蒸发器传热性能减弱，空气流动阻力增加，风机性能衰减、输入电流增大，进而导致系制热量及系统制热系数(COP)降低。为维持空调机组稳定工作，需要对空气源热泵的室外机进行周期性的除霜。
除霜可以有很多方法实现:停机除霜、电加热除霜、热气旁通除霜、逆循环除霜等。其中,逆循环除霜、电加热除霜是目前常用的除霜方式，但存在以下问题：
(1)逆向除霜能量主要来自于储存在室内金属盘管的能量和对压缩机输入的功，对于快速、干净除霜是不足的。除霜能力不足会延长除霜时间，造成系统总效率降低，甚至出现除霜不干净，导致频繁进入除霜，恶性循环后导致机组故障。
(2)电加热除霜低效，一份功转换一份热,但系统又不能完全吸收，使得电加热能效比小于1。
同时，在人们日常生活中，生活热水和空气调节两项需求在能耗中占据着较大的比例，往往会同时安装并使用常规的空调、热泵热水器；这在整体系统方案设计层面，空调与热泵热水器同样作为热泵式设备，二者之间往往相互独立运行，缺乏有效的耦合，使得能源利用不够高效，造成较大的能源浪费。虽然现有技术中存在将空调与热泵热水器结合使用的方案，但其结合后的系统结构较为复杂，运行过程中的调控精度较差，难以对热泵设备的除霜等工况进行较为精准、高效及时地调控。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法，以解决现有技术中热泵式设备缺乏有效的耦合，能源利用效率偏低的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法，所述控制方法为协同制热水模式，所述耦合系统包括空调机组、热泵热水器、换热模块，所述空调机组设置换热管线，所述换热管线设置换热装置，所述热泵热水器包括水箱，所述换热模块分别与换热装置、水箱连接，使得水箱中的水能够流经换热装置与空调冷媒换热，并循环回水箱中；所述空调机组包括第一冷媒管路、换热管线，所述第一冷媒管路中依次设置第一电磁阀、第二电磁阀、电子膨胀阀A，所述换热管线与第一冷媒管路中的第一电磁阀、第二电磁阀并联设置，所述换热管线中依次设置第三电磁阀、第一膨胀阀、换热装置、第四电磁阀；所述换热管线与第一冷媒管路之间设置桥路，所述桥路中设置第五电磁阀；所述桥路的一端与第一冷媒管路连接，连接点位于第一电磁阀、第二电磁阀之间；所述桥路的另一端与换热管线连接，连接点位于第一膨胀阀、换热装置之间。从而在本申请中，空调机组、热泵热水器之间为相互独立的热泵设备，在能够各自独立运行的基础上，仅通过设置换热管线、换热模块，使得热水器中水的能量、空调中冷媒的能量之间能够根据需要进行相互交换，不仅结构简单，便于家装或家庭改造，能够有效地降低用户家庭电器联用改造的难度、成本；而且有效地将相互独立的空调机组、热泵热水器进行耦合使用，有利于提高能源利用的效率；同时在协同制热水模式下，能够利用空调制冷时的废热来对水箱中的水进行辅助加热，一方面能够实现空调制冷时的废热回收，另一方面有利于提高热水的加热效率，减少热泵热水器的功耗。
进一步的，所述换热模块包括循环管线，所述循环管线分别与换热装置、水箱连接，并在换热装置、水箱之间形成循环回路，所述循环管线中设置循环水泵，使得水箱中的水能够流经换热装置与空调冷媒换热，并循环回水箱中。
进一步的，所述协同制热水模式包括：
B1、耦合系统控制空调机组运行制冷模式，并检测水箱内水温T1；
B2、耦合系统判断是否满足T1＜第三预设温度，和/或是否满足T1-T2＜第四预设温度；若是，则进行步骤B3；若否，则进行步骤B4；
B3、耦合系统关闭第三电磁阀、第一膨胀阀、第二电磁阀、第六电磁阀，打开第一电磁阀、第五电磁阀、第四电磁阀、电子膨胀阀A，启动循环水泵，关闭室外换热器A的室外风机；
B4、耦合系统控制空调机组维持正常的制冷模式。从而在协同制热水模式下，能够利用空调制冷时的废热来对水箱中的水进行辅助加热，一方面能够实现空调制冷时的废热回收，另一方面有利于提高热水的加热效率，减少热泵热水器的功耗。
进一步的，所述空调机组包括冷媒支路，所述冷媒支路与第一冷媒管路的电子膨胀阀A并联设置，所述冷媒支路中设置第六电磁阀。从而通过桥路、冷媒支路的设置，可以根据实际需要来停止使用第一膨胀阀或电子膨胀阀A，避免空调机组在同一压力侧的两个膨胀阀之间产生干涉。
进一步的，所述控制方法包括水箱自换热模式，所述水箱自换热模式包括：耦合系统实时检测水箱温度T1，判断是否满足T1＞第五预设温度；若是，则开启循环水泵。从而在水箱中水温过高时，无论空调处于何种运行状态，均直接开启循环水泵，防止水箱内部水温出现分层现象，避免冷凝温度偏高，系统能效降低的情况发生，有利于提高热泵热水器的系统能效，同时也能够强化水箱内部的自换热效果。
相对于现有技术，本发明所述的一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法具有以下优势：
本发明所述的一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法，针对相互独立的空调机组、热泵热水器，在其能够各自独立运行的基础上，仅通过设置换热管线、换热模块，使得热水器中水的能量、空调中冷媒的能量之间能够根据需要进行相互交换，不仅结构简单，便于家装或家庭改造，能够有效地降低用户家庭电器联用改造的难度、成本；而且有效地将相互独立的空调机组、热泵热水器进行耦合使用，有利于提高能源利用的效率；同时在协同制热水模式下，能够利用空调制冷时的废热来对水箱中的水进行辅助加热，一方面能够实现空调制冷时的废热回收，另一方面有利于提高热水的加热效率，减少热泵热水器的功耗。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种空调与热泵热水器的耦合系统在空调除霜状态下的系统运行示意图；
图2为本发明实施例所述的一种空调与热泵热水器的耦合系统在热水器除霜状态下的系统运行示意图；
图3为本发明实施例所述的一种空调与热泵热水器的耦合系统在空调制冷、热水器制热水的状态下的系统运行示意图；
图4为本发明实施例所述的一种空调与热泵热水器的耦合系统在热水器制热水状态下的系统运行示意图。
附图标记说明：
1、第一冷媒管路；11、第一电磁阀；12、第二电磁阀；2、换热管线；21、第三电磁阀；22、第一膨胀阀；23、换热装置；24、第四电磁阀；3、桥路；31、第五电磁阀；4、冷媒支路；41、第六电磁阀；5、第二冷媒管路。
具体实施方式
下文将使用本领域技术人员向本领域的其它技术人员传达他们工作的实质所通常使用的术语来描述本公开的发明概念。然而，这些发明概念可体现为许多不同的形式，因而不应视为限于本文中所述的实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本申请中，由于空调、热泵热水器均属于热泵设备，其内部存在相同名称的零部件，为了便于说明，对于相同名称的零部件，在其名称后增加字母后缀以示区别，在空调机组中以A为后缀，热泵热水器中以B为后缀。
同时，在本申请附图中，箭头表示管线中相关介质(冷媒、水等)的流动方向，虚线表示相关管线处于关闭不通的状态。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在现有技术中，人们往往会同时安装并使用常规的空调、热泵热水器；而二者均属于热泵式设备，均会面临除霜这一难题；同时在现有技术中二者之间往往相互独立运行，缺乏有效的耦合，使得能源利用不够高效，造成较大的能源浪费。
为了解决现有技术中热泵式设备缺乏有效的耦合，能源利用效率偏低以及其除霜的问题，本实施例提出一种空调与热泵热水器的耦合系统，如附图1-4所示，所述耦合系统包括空调机组、热泵热水器、换热模块，所述空调机组设置换热管线2，所述换热管线2设置换热装置23，所述热泵热水器包括水箱，所述换热模块分别与换热装置23、水箱连接，使得水箱中的水能够流经换热装置23与空调冷媒换热，并循环回水箱中。
从而在本申请中，空调机组、热泵热水器之间为相互独立的热泵设备，在能够各自独立运行的基础上，仅通过设置换热管线2、换热模块，使得热水器中水的能量、空调中冷媒的能量之间能够根据需要进行相互交换，不仅结构简单，便于家装或家庭改造，而且有效地将相互独立的空调机组、热泵热水器进行耦合使用，有利于提高能源利用的效率；同时在其中任一个设备除霜时，另一个设备均能够提供有效的热量补给，使得两台热泵式设备之间均能够实现高能效、高效率除霜。
同时，对于人们家庭安装并使用的常规的空调、热泵热水器而言，可以直接在原设备上进行管线改造，无需对整个设备进行更换，能够有效地降低用户家庭电器联用改造的难度、成本。
在本申请中，对于空调机组而言，包括室内换热器、室外换热器A，室内换热器的一端通过第二冷媒管路5与室外换热器A的一端连接，且第二冷媒管路5中设置四通阀A、压缩机A、高压传感器等，室内换热器的另一端通过第一冷媒管路1与室外换热器A的另一端连接，且第一冷媒管路1中至少设置电子膨胀阀A，这与常规的空调结构相同，在此不进行赘述。
与常规空调所不同的是，在本申请中，所述第一冷媒管路1中依次设置第一电磁阀11、第二电磁阀12、电子膨胀阀A，所述空调机组额外设置换热管线2，所述换热管线2与第一冷媒管路1并联设置，具体是指，换热管线2与第一电磁阀11、第二电磁阀12并联。所述换热管线2中依次设置第三电磁阀21、第一膨胀阀22、换热装置23、第四电磁阀24。所述换热管线2与第一冷媒管路1之间设置桥路3，具体的，所述桥路3的一端与第一冷媒管路1连接，连接点位于第一电磁阀11、第二电磁阀12之间，所述桥路3的另一端与换热管线2连接，连接点位于第一膨胀阀22、换热装置23之间；所述桥路3中设置第五电磁阀31。从而通过设置换热管线2、桥路3以及相应的电磁阀结构，使得空调机组在能够独立运行的基础上，还能够根据实际需要来调控冷媒流经换热装置23的情况，从而能够便于对换热装置23与水箱中的水之间的换热情况进行及时、有效地调控。
其中，换热装置23优选为板式换热器，使得空调中的冷媒介质与水箱的水介质之间能够充分换热；第一膨胀阀22优选为常规的电子膨胀阀。
此外，考虑到空调机组中设置的电子膨胀阀A与第一膨胀阀22之间可能会存在干涉，本申请还额外设置冷媒支路4，所述冷媒支路4与第一冷媒管路1的电子膨胀阀A并联设置，所述冷媒支路4中设置第六电磁阀41；从而通过桥路3、冷媒支路4的设置，可以根据实际需要来停止使用第一膨胀阀22或电子膨胀阀A，避免空调机组在同一压力侧的两个膨胀阀之间产生干涉。
对于热泵热水器而言，包括冷媒管线、水箱、电子膨胀阀B、室外换热器B、压缩机B、四通阀B等部件，水箱具有进水管、出水管，分别用于加水、供给热水，水箱内部设置与冷媒管线连通的水箱换热器，用于对水进行传热；所述水箱还设置感温探头，用于对水温进行实时监测；这与常规的热泵热水器结构相同，在此不进行赘述。
对于换热模块而言，包括循环管线，所述循环管线分别与换热装置23、水箱连接，并在换热装置23、水箱之间形成循环回路，所述循环管线中设置循环水泵，用于为水介质的循环流动、换热提供动力，使得水箱中的水能够流经换热装置23与空调冷媒换热，并循环回水箱中。
所述耦合系统还包括中央处理器、外环温度检测装置、数据存储装置等，中央处理器能够与各个电控部件连接，如电控阀、四通阀、风机、检测器等部件，使得耦合系统能够通过中央处理器来调控空调机组、热泵热水器的正常运行、以及相关运行数据的获取、分析处理等；所述外环温度检测装置用于对室外环境温度进行实时检测，所述数据存储装置用于存储耦合系统运行所述的相关数据。
在所述耦合系统的基础上，本申请还提出所述耦合系统的控制方法，所述控制方法包括协同除霜模式、协同制热水模式。其中，协同除霜模式包括空调除霜模式、热水器除霜模式。
如附图1的系统运行状态所示，所述空调除霜模式包括：所述耦合系统控制空调机组进入化霜工况，并关闭第一电磁阀11、第五电磁阀31、第二电磁阀12、电子膨胀阀A，打开第三电磁阀21、第一膨胀阀22、第四电磁阀24、第六电磁阀41；所述耦合系统启动循环水泵，并保持热泵热水器正常运行。
从而在空调除霜模式下，换热装置23作为蒸发侧，通过循环管线与水箱内的高温水进行热量交换，保持热泵热水器正常运行，使得空调机组有了稳定热源，可以提高冷媒流量与温度，以此提高化霜效率，且在-7℃至7℃的(易结霜工况)环境温度下，COP为2-3，这比电加热除霜更加高效。
如附图2的系统运行状态所示，所述热水器除霜模式包括：
S1、耦合系统控制热泵热水器进入化霜工况，检测空调在制热模式下的运行频率；
S2、耦合系统判断空调的运行频率是否为最大运行频率；若否，则进行步骤S3；
其中，热泵设备需要化霜时往往为冬季，在热水器除霜模式，首先判断空调的制热模式是否在最大运行频率状态，若非最大频率运行，压缩机已经降频运行，说明室内负荷小，具备空调协同热水器除霜的实施条件。
S3、耦合系统检测水箱内水温T1、室外环境温度T2；
S4、耦合系统判断是否满足T1＜第一预设温度，和/或是否满足T1-T2＜第二预设温度；若是，则关闭第一电磁阀11、第五电磁阀31、第二电磁阀12、电子膨胀阀A，打开第三电磁阀21、第一膨胀阀22、第四电磁阀24、第六电磁阀41，启动循环水泵。
其中，对于T1＜第一预设温度这一判断条件的设置，能够在热水器除霜模式下，在确保用户正常使用空调制热的基础上，有效防止水温偏高，冷凝温度升高，导致空调机组的性能下降的情况发生，避免影响用户对空调制热的使用感受；对于T1-T2＜第二预设温度这一判断条件的设置，使得在水箱中热水温度足够高，即热泵热水器在自身足够化霜的情况下，能够最大程度上减少空调协助化霜的频率，确保用户正常使用空调制热。所述第一预设温度、第二预设温度均为设备生产厂商在空调数据存储装置中预设的数据，本申请中的第一预设温度为38℃-45℃，第二预设温度为3℃-7℃；优选的，第一预设温度为41℃，第二预设温度为5℃。
从而在热水器除霜模式下，能够利用空调机组中冷媒的部分热量对水箱中的水进行加热升温，为热水器的除霜过程提供热量补给，可以提高热泵热水器中冷媒的流量与温度，以此提高其化霜效率。同时，通过对空调运行状态、水箱水温、环境温度等参数的检测分析处理，一方面有利于提高耦合系统在协同除霜模式下的调控精度，能够对除霜过程进行较为精准、高效及时地调控，另一方面也有利于提高耦合系统运行的智能化、自动化程度。
如附图3的系统运行状态所示，所述协同制热水模式包括：
B1、耦合系统控制空调机组运行制冷模式，并检测水箱内水温T1；
B2、耦合系统判断是否满足T1＜第三预设温度，和/或是否满足T1-T2＜第四预设温度；若是，则进行步骤B3；若否，则进行步骤B4；
其中，对于T1＜第三预设温度这一判断条件的设置，能够在协同制热水模式下，在确保用户正常使用空调制冷的基础上，有效防止水温偏高，导致空调机组的性能下降的情况发生，避免影响用户对空调制冷的使用感受；对于T1-T2＜第四预设温度这一判断条件的设置，使得在水箱中热水温度足够高，能够最大程度上减少空调协助加热的频率，确保用户正常使用空调制冷。所述第三预设温度、第四预设温度均为设备生产厂商在空调数据存储装置中预设的数据，本申请中的第三预设温度为38℃-45℃，第四预设温度为3℃-7℃；优选的，第三预设温度为41℃，第四预设温度为5℃。
B3、耦合系统关闭第三电磁阀21、第一膨胀阀22、第二电磁阀12、第六电磁阀41，打开第一电磁阀11、第五电磁阀31、第四电磁阀24、电子膨胀阀A，启动循环水泵，关闭室外换热器A的室外风机；
其中，B3步骤为需要启动空调协同制热水的过程；利用空调中的高温冷媒进入换热装置23中，通过换热模块，对水箱中的水进行辅助加热，一方面能够实现空调制冷时的废热回收，另一方面有利于提高热水的加热效率，减少热泵热水器的功耗。
B4、耦合系统关闭第三电磁阀21、第一膨胀阀22、第四电磁阀24、第五电磁阀31、第六电磁阀41，打开第一电磁阀11、第二电磁阀12、电子膨胀阀A，并控制空调机组维持正常的制冷模式。
其中，B4步骤为空调维持常规制冷模式，且热泵热水器正常运行的状态，空调制冷时的热量仍通过室外风机进行风冷；即这与空调独立运行、热水器独立运行基本相同，且循环水泵也无需运行。
从而在协同制热水模式下，能够利用空调制冷时的废热来对水箱中的水进行辅助加热，一方面能够实现空调制冷时的废热回收，另一方面有利于提高热水的加热效率，减少热泵热水器的功耗。
此外，如附图4的系统运行状态所示，所述控制方法还包括水箱自换热模式，具体为：
耦合系统实时检测水箱温度T1，判断是否满足T1＞第五预设温度；若是，则无论空调处于何种运行状态，均开启循环水泵。
其中，在水箱中水温过高时，直接开启循环水泵，防止水箱内部水温出现分层现象(即水箱上部远高于水箱下部的情况)，避免冷凝温度偏高，系统能效降低的情况发生，有利于提高热泵热水器的系统能效，同时也能够强化水箱内部的自换热效果。所述第五预设温度为设备生产厂商在空调数据存储装置中预设的数据，本申请中的第五预设温度为40℃-45℃，优选的，第五预设温度为41℃。
在本发明中，对于空调机组、热泵热水器而言，除了本申请所涉及的内容外，还包括其他常规结构，如壳体组件等，鉴于可以参考现有技术，在此不进行赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法为协同制热水模式，所述耦合系统包括空调机组、热泵热水器、换热模块，所述空调机组设置换热管线(2)，所述换热管线(2)设置换热装置(23)，所述热泵热水器包括水箱，所述换热模块分别与换热装置(23)、水箱连接，使得水箱中的水能够流经换热装置(23)与空调冷媒换热，并循环回水箱中；所述空调机组包括第一冷媒管路(1)、换热管线(2)和室外换热器A，所述第一冷媒管路(1)中依次设置第一电磁阀(11)、第二电磁阀(12)、电子膨胀阀A，所述换热管线(2)与第一冷媒管路(1)中的第一电磁阀(11)、第二电磁阀(12)并联设置，所述换热管线(2)中依次设置第三电磁阀(21)、第一膨胀阀(22)、换热装置(23)、第四电磁阀(24)；所述换热管线(2)与第一冷媒管路(1)之间设置桥路(3)，所述桥路(3)中设置第五电磁阀(31)；所述桥路(3)的一端与第一冷媒管路(1)连接，连接点位于第一电磁阀(11)、第二电磁阀(12)之间；所述桥路(3)的另一端与换热管线(2)连接，连接点位于第一膨胀阀(22)、换热装置(23)之间；所述空调机组包括冷媒支路(4)，所述冷媒支路(4)与第一冷媒管路(1)的电子膨胀阀A并联设置，所述冷媒支路(4)中设置第六电磁阀(41)；
所述换热模块包括循环管线，所述循环管线分别与换热装置(23)、水箱连接，并在换热装置(23)、水箱之间形成循环回路，所述循环管线中设置循环水泵；
所述协同制热水模式包括：
B1、耦合系统控制空调机组运行制冷模式，并检测水箱内水温T1；
B2、耦合系统判断是否满足T1＜第三预设温度，和/或是否满足T1-T2＜第四预设温度；若是，则进行步骤B3；若否，则进行步骤B4；
B3、耦合系统关闭第三电磁阀(21)、第一膨胀阀(22)、第二电磁阀(12)、第六电磁阀(41)，打开第一电磁阀(11)、第五电磁阀(31)、第四电磁阀(24)、电子膨胀阀A，启动循环水泵，关闭室外换热器A的室外风机；
B4、耦合系统控制空调机组维持正常的制冷模式。
2.根据权利要求1所述的一种空调与热泵热水器的耦合系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括水箱自换热模式，所述水箱自换热模式包括：耦合系统实时检测水箱内水温T1，判断是否满足T1＞第五预设温度；若是，则开启循环水泵。
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