CN209386600U - 一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，该机组主要包括制冷压缩机、四通换向阀、室外侧换热器、冷凝器用气液分离器、过冷盘管、回热器、电子膨胀阀、室内侧换热器、蒸发器用气液分离器、吸气压力调节阀、过冷型气液分离器、单向阀、脉冲融霜调节阀、PLC控制器、温度传感器、压力传感器、以及连接管道和导线。本实用新型通过带气液分离器的室外侧换热器和室内侧换热器的巧妙结构设计、过冷型气液分离器的一级过冷和回热器的二级过冷、以及脉冲融霜调节阀的智能化控制，提高了热泵机组高温制冷和低温制热时的制冷量/制热量及能效比，在完全不影响室内的制热效果的情况下，实现了冬季室外侧换热器表面霜层的快速融解。

Description

一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组

技术领域

本实用新型涉及空调热泵技术领域，特别是指一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组。

背景技术

面对能源短缺和环境污染问题的日益突出，开发高效节能、舒适性好、安全可靠的空调热泵装置已成为空调行业可持续快速发展的关键。常规空气源热泵装置以空气作为冷热源，结构简单，安装使用方便，是一种高效、节能的空调设备。但在夏季室外气温过高时，空气源热泵装置的冷凝压力过高、压缩机压缩比过大、排气温度过高，其制冷能力和能效比急剧下降，甚至可能导致压缩机经常保护性停机；同样在冬季室外气温过低时，空气源热泵装置的蒸发温度过低、蒸发器表面结霜严重、压缩机压缩比过大、排气温度过高，其制热能力和能效比急剧下降，若采用传统的反向融霜方式时，具有融霜时间较长、效果较差、影响室内持续供热量等缺点。总之，当室外温度过高或过低时，常规空气源热泵存在的上述突出问题，严重影响了空气源热泵的推广及应用。

针对常规空气源热泵装置存在的不足，目前常用的解决方案有三种：中压补气的“准双级压缩”制冷/制热循环、双级压缩式制冷/制热循环和复叠式制冷/制热循环，这三种方案一定程度解决了空气源热泵高温工况制冷或低温工况制热时压缩机压缩比过大、排气温度过高的问题，提高了机组制冷/制热能力以及能效比，但也存在如下问题：中压补气的“准双级压缩”制冷/制热循环必需采用具有补气功能的制冷压缩机，且补气量的最优控制有待研究。而双级压缩式制冷/制热循环和复叠式制冷/制热循环采用两个制冷压缩机、两个节流膨胀阀，因此系统循环耗功量较大、效率低、成本大、控制过于复杂，一般用于冷冻冷藏机组。另外，当冬季室外换热器结霜时，中压补气的“准双级压缩”制冷/制热循环和双级压缩式制冷/制热循环常采用逆循环融霜方式，会影响到室内用户侧的持续供热，而复叠式制冷/制热循环常采用热气旁通除霜方式，但融霜速度不够快时，会使压缩机进入保护性停机状态或产生液击现象，同时，在除霜过程中，因冷凝器进气量减少，会影响到室内用户侧的供热量。

实用新型内容

本实用新型提出了一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，以解决现有空气源热泵在高温工况制冷和低温工况制热时压缩机压缩比过大、排气温度过高、蒸发器表面容易结霜且融霜效率低、系统制冷量/制热量和能效比急剧下降等突出技术问题。本实用新型的高效空气源热泵机组可以广泛应用于民用建筑、公共建筑、别墅建筑等所有可以采用空气源热泵的场所。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，包括空气源热泵子系统和自动控制子系统，所述空气源热泵子系统包括制冷压缩机、四通换向阀、室外侧换热器、冷凝器用气液分离器、室外侧风机、高压旁通电磁阀、储液器、过冷盘管、回热器、干燥过滤器、电子膨胀阀、室内侧换热器、蒸发器用气液分离器、室内侧风机、低压旁通电磁阀、吸气压力调节阀、过冷型气液分离器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、脉冲融霜调节阀以及连接管道；空气源热泵子系统的具体连接关系为：所述制冷压缩机的排气口通过四通换向阀以及相应连接管路分别与室外侧换热器、室内侧换热器、低压旁通电磁阀、吸气压力调节阀相应接口相连接，室外侧换热器的其他接口分别与冷凝器用气液分离器的气液进口和气体出口、第一单向阀的进口、第二单向阀的出口和脉冲融霜调节阀的出口相连接，室内侧换热器其他接口分别与蒸发器用气液分离器的气液进口和液体出口、第三单向阀的进口、第四单向阀的出口、脉冲融霜调节阀的进口相连接，冷凝器用气液分离器的液体出口通过高压旁通电磁阀与储液器的进口相连接，储液器的其他接口分别与第一单向阀和第三单向阀的出口、过冷盘管的进口相连接，过冷盘管安装于过冷型气液分离器内部下侧，其出口与回热器的主路进口相连接，回热器的主路出口、回路进口和回路出口分别与干燥过滤器的进口、蒸发器用气液分离器的气体出口和低压旁通电磁阀的进口相连接，干燥过滤器的出口通过电子膨胀阀分别与第二单向阀的进口、第四单向阀的进口相连接，低压旁通电磁阀的出口分别与四通换向阀其中一出口、吸气压力调节阀的进口相连接，吸气压力调节阀的出口通过过冷型气液分离器与制冷压缩机的吸气口相连接。

所述自动控制子系统包括PLC控制器、温度传感器、压力传感器、阀件和设备的执行器及连接导线。自动控制子系统具体安装连接关系为：所述PLC控制器通过导线分别温度传感器、压力传感器、阀件和设备的执行器相连接；所述温度传感器、压力传感器安装于过冷型气液分离器出口的管路上。

本实用新型所述的制冷压缩机优选为定频涡旋式压缩机、定频滚动转子式压缩机、变频涡旋式压缩机、变频滚动转子式压缩机中的任意一种形式。

优选的，所述室外侧换热器和室内侧换热器为翅片管式换热器、层叠式换热器、平行流式换热器中的任意一种结构形式。

优选的，所述室外侧换热器的中部设置有气液出口和气体进口，分别与冷凝器用气液分离器的气液进口、气体出口相连接。

优选的，所述的室内侧换热器的中部设置有气液出口和液体进口，分别与蒸发器用气液分离器的气液进口、液体出口相连接。

优选的，所述的室外侧风机和室内侧风机为变频风机、定频风机、调挡风机中的任意一种形式。

优选的，所述的回热器为板式换热器、套管换热器、管壳式换热器中的任意一种结构形式。

本实用新型提供一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其构思新颖，机组设计优化巧妙，与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

（1）通过带气液分离器的室外侧换热器和室内侧换热器的巧妙结构设计，制冷工况运行时，保证了室外侧换热器内不积存高压过冷液体，以及室内侧换热器不积存低压过热气体，提高了室外侧换热器和室内侧换热器的换热效率，降低了换热器的压降损耗，同时提高了机组的蒸发温度，降低了机组的冷凝温度，增加了系统的制冷量及能效比。

（2）通过过冷型气液分离器的一级过冷和回热器的二级过冷，降低了制冷剂经过电子膨胀阀的不可逆损失及蒸发器的入口干度，提高了热泵机组高温工况的制冷量和低温工况的制热量，保证了热泵机组在宽温区工况下高效可靠运行。

（3）冬季融霜模式运行时，通过脉冲融霜调节阀的智能化控制，保证来自于室内侧换热器的高温高压液态制冷剂间隔性进入室外侧换热器，短时间内释放大量热量而产生热冲力，实现了室外侧换热器表面霜层的快速融解，同时又完全不影响室内的制热效果。

（4）通过吸气压力调节阀的智能化节流调节，解决了热泵机组采用液体脉冲除霜时导致的压缩机吸气压力过高或产生液击的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本实用新型的结构原理图。

图2为制冷工作模式流程图。

图3为制热工作模式流程图。

图4为液体脉冲融霜工作模式流程图。

图中各部件的序号和名称如下：1-制冷压缩机、2-四通换向阀、3-室外侧换热器、4-冷凝器用气液分离器、5-室外侧风机、6-高压旁通电磁阀、7-储液器、8-过冷盘管、9-回热器、10-干燥过滤器、11-电子膨胀阀、12-室内侧换热器、13-蒸发器用气液分离器、14-室内侧风机、15-低压旁通电磁阀、16-吸气压力调节阀、17-过冷型气液分离器、18-第一单向阀、19-第二单向阀、20-第三单向阀、21-第四单向阀、22-脉冲融霜调节阀、23-PLC控制器、24-温度传感器、25-压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，包括空气源热泵子系统和自动控制子系统，空气源热泵子系统包括制冷压缩机1、四通换向阀2、室外侧换热器3、冷凝器用气液分离器4、室外侧风机5、高压旁通电磁阀6、储液器7、过冷盘管8、回热器9、干燥过滤器10、电子膨胀阀11、室内侧换热器12、蒸发器用气液分离器13、室内侧风机14、低压旁通电磁阀15、吸气压力调节阀16、过冷型气液分离器17、第一单向阀18、第二单向阀19、第三单向阀20、第四单向阀21、脉冲融霜调节阀22以及连接管道，空气源热泵子系统具体连接关系为：制冷压缩机1的排气口通过四通换向阀2以及相应连接管路分别与室外侧换热器3、室内侧换热器12、低压旁通电磁阀15、吸气压力调节阀16相应接口相连接，室外侧换热器3的其他接口分别与冷凝器用气液分离器4的气液进口和气体出口、第一单向阀18的进口、第二单向阀19的出口和脉冲融霜调节阀22的出口相连接，室内侧换热器12其他接口分别与蒸发器用气液分离器13的气液进口和液体出口、第三单向阀20的进口、第四单向阀21的出口、脉冲融霜调节阀22的进口相连接，冷凝器用气液分离器4的液体出口通过高压旁通电磁阀6与储液器7的进口相连接，储液器7的其他接口分别与第一单向阀18和第三单向阀20的出口、过冷盘管8的进口相连接，过冷盘管8安装于过冷型气液分离器17内部下侧，其出口与回热器9的主路进口相连接，回热器9的主路出口、回路进口和回路出口分别与干燥过滤器10的进口、蒸发器用气液分离器13的气体出口和低压旁通电磁阀15的进口相连接，干燥过滤器10的出口通过电子膨胀阀11分别与第二单向阀19的进口、第四单向阀21的进口相连接，低压旁通电磁阀15的出口分别与四通换向阀2其中一出口、吸气压力调节阀16的进口相连接，吸气压力调节阀16的出口通过过冷型气液分离器17与制冷压缩机1的吸气口相连接。

所述的自动控制子系统包括PLC控制器23、温度传感器24、压力传感器25、阀件和设备的执行器及连接导线，自动控制子系统具体安装连接关系为：PLC控制器23通过导线分别温度传感器24、压力传感器25、阀件和设备的执行器相连接，温度传感器24、压力传感器25安装于过冷型气液分离器17出口的管路上。

优选的，所述制冷压缩机1为定频涡旋式压缩机、定频滚动转子式压缩机、变频涡旋式压缩机、变频滚动转子式压缩机中的任意一种形式。

优选的，所述的室外侧换热器3和室内侧换热器12为翅片管式换热器、层叠式换热器、平行流式换热器中的任意一种结构形式。

优选的，所述的室外侧换热器3的中部设置有气液出口和气体进口，分别与冷凝器用气液分离器4的气液进口、气体出口相连接。

优选的，所述的室内侧换热器12的中部设置有气液出口和液体进口，分别与蒸发器用气液分离器13的气液进口、液体出口相连接。

优选的，所述的室外侧风机5和室内侧风机14为变频风机、定频风机、调挡风机中的任意一种形式。

优选的，所述的回热器9为板式换热器、套管换热器、管壳式换热器中的任意一种结构形式。

本实用新型通过带气液分离器的室外侧换热器和室内侧换热器的巧妙结构设计、过冷型气液分离器的一级过冷和回热器的二级过冷、以及脉冲融霜调节阀的智能化控制，可实现三种工作模式：

（1）制冷工作模式

图2为制冷工作模式流程图，当夏季室内温湿度比较高时，此时PLC控制器23选择制冷工作模式运行，制冷压缩机1、室外侧风机5、高压旁通电磁阀6、电子膨胀阀11、室内侧风机14、低压旁通电磁阀15、吸气压力调节阀16启动，四通换向阀2的电磁头、脉冲融霜调节阀22关闭。此模式下的工作流程：制冷压缩机1排出的高温高压过热气态制冷剂通过四通换向阀2切换进入室外侧换热器3，释放热量加热经室外侧风机5引入的室外空气，在室外侧换热器3的中部凝结为高压气液两相制冷剂，然后进入冷凝器用气液分离器4进行气液分离，分离出的高温高压气态制冷剂重新返回室外侧换热器3继续凝结，然后经第一单向阀18进入储液器7，而分离出的高温高压液态制冷剂经高压旁通电磁阀6也进入储液器7，然后储液器7下部的液态制冷剂进入过冷型气液分离器17底部的过冷盘管8放出热量加热过冷型气液分离器17分离的液态制冷剂，降温变为一级过冷液态制冷剂，再经回热器9放出热量加热经蒸发器用气液分离器13分离出的低温低压的制冷剂蒸汽，继续降温变为二级过冷液态制冷剂，然后通过干燥过滤器10进入电子膨胀阀11，节流膨胀为低温低压的气液两相制冷剂，经过第四单向阀21进入室内侧换热器12蒸发吸收经室内侧风机14引入室内空气的热量，在室内侧换热器12的中部蒸发变为低温低压气液两相制冷剂，然后进入蒸发器用气液分离器13进行气液分离，分离出的低温低压液态制冷剂重新返回室内侧换热器12继续蒸发变为过热的制冷剂蒸汽，然后通过四通换向阀2切换进入吸气压力调节阀16，而分离出的低温低压的制冷剂蒸汽经回热器9吸收来自于过冷盘管8的一级过冷液态制冷剂的热量，变为过热的制冷剂蒸汽，然后经过低压旁通电磁阀15也进入吸气压力调节阀16，二者混合后的过热的制冷剂蒸汽经吸气压力调节阀16节流调压后进入过冷型气液分离器17，分离出的气态制冷剂进入制冷压缩机1的吸气口，再经制冷压缩机1的压缩排出高温高压过热气态制冷剂，开始下一循环。制冷模式运行过程中，PLC控制器23通过过冷型气液分离器17出口管路上安装的温度传感器24、压力传感器25传递的温度和压力数据，计算出制冷压缩机1的吸气过热度，以此为控制信号调节电子膨胀阀11的开度，控制进入室内侧换热器12的制冷剂液体流量与制冷负荷相匹配，避免制冷压缩机1发生液击现象。PLC控制器23通过过冷型气液分离器17出口管路上安装的压力传感器25传递的压力数据为控制信号，调节吸气压力调节阀16的开度，控制制冷压缩机1的吸气压力，避免制冷压缩机1在高吸气压力下运行。

（2）制热工作模式

图3为制热工作模式流程图，当冬季室内温度比较低时，此时PLC控制器23选择制热工作模式运行，制冷压缩机1、四通换向阀2的电磁头、室外侧风机5、电子膨胀阀11、室内侧风机14、吸气压力调节阀16启动，高压旁通电磁阀6、低压旁通电磁阀15、脉冲融霜调节阀22关闭。此模式下的工作流程：制冷压缩机1排出的高温高压过热气态制冷剂通过四通换向阀2切换进入室内侧换热器12，释放热量加热经室内侧风机14引入的室内空气，凝结为高压液态制冷剂，然后依次经过第三单向阀20、储液器7进入过冷型气液分离器17底部的过冷盘管8，放出热量加热过冷型气液分离器17分离的液态制冷剂，降温变为过冷液态制冷剂，再依次经过回热器9、干燥过滤器10进入电子膨胀阀11，节流膨胀为低温低压的气液两相制冷剂，然后经过第二单向阀19进入室外侧换热器3蒸发吸收经室外侧风机5引入室外空气的热量，变为低温低压的过热蒸汽，通过四通换向阀2切换进入吸气压力调节阀16，节流调压后进入过冷型气液分离器17，分离出的气态制冷剂进入制冷压缩机1的吸气口，再经制冷压缩机1的压缩排出高温高压过热气态制冷剂，开始下一循环。制冷模式运行过程中，PLC控制器23通过过冷型气液分离器17出口管路上安装的温度传感器24、压力传感器25传递的温度和压力数据，计算出制冷压缩机1的吸气过热度，以此为控制信号调节电子膨胀阀11的开度，控制进入室外侧换热器3的制冷剂液体流量与制冷负荷相匹配，避免制冷压缩机1发生液击现象。PLC控制器23通过过冷型气液分离器17出口管路上安装的压力传感器25传递的压力数据为控制信号，调节吸气压力调节阀16的开度，控制制冷压缩机1的吸气压力，避免制冷压缩机1在高吸气压力下运行。

（3）液体脉冲融霜工作模式

图4为液体脉冲融霜工作模式流程图，当冬季室外空气湿度比较大、室外侧换热器3结霜比较严重时，此时PLC控制器23选择液体脉冲融霜工作模式，制冷压缩机1、四通换向阀2的电磁头、室内侧风机14、吸气压力调节阀16、脉冲融霜调节阀22启动，室外侧风机5、高压旁通电磁阀6、电子膨胀阀11、低压旁通电磁阀15关闭。此模式下的工作流程：制冷压缩机1排出的高温高压过热气态制冷剂通过四通换向阀2切换进入室内侧换热器12，释放热量加热经室内侧风机14引入的室内空气，凝结为高压液态制冷剂，然后经过脉冲融霜调节阀22间隔性进入室外侧换热器3释放热量加热换热器外表面的冰霜，冷凝为过冷的液态制冷剂，通过四通换向阀2切换进入吸气压力调节阀16，节流降压变为低温低压的气液两相制冷剂，然后进入过冷型气液分离器17进行气液分离，分离出的气态制冷剂进入制冷压缩机1的吸气口，经制冷压缩机1的压缩排出高温高压过热气态制冷剂，开始下一循环，直到室外侧换热器3表面霜层完全融解。液体脉冲融霜工作模式运行过程中，PLC控制器23通过过冷型气液分离器17出口管路上安装压力传感器25传递的压力数据为控制信号，调节脉冲融霜调节阀22的开关频率，控制进入室外侧换热器3的高温高压液体制冷剂流量，实现室外侧换热器3表面霜层的快速融解。PLC控制器23通过过冷型气液分离器17出口管路上安装的压力传感器25传递的压力数据为控制信号，调节吸气压力调节阀16的开度，控制制冷压缩机1的吸气压力，避免制冷压缩机1在高吸气压力下运行。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其特征在于：包括空气源热泵子系统和自动控制子系统，所述空气源热泵子系统包括制冷压缩机（1）、四通换向阀（2）、室外侧换热器（3）、冷凝器用气液分离器（4）、室外侧风机（5）、高压旁通电磁阀（6）、储液器（7）、过冷盘管（8）、回热器（9）、干燥过滤器（10）、电子膨胀阀（11）、室内侧换热器（12）、蒸发器用气液分离器（13）、室内侧风机（14）、低压旁通电磁阀（15）、吸气压力调节阀（16）、过冷型气液分离器（17）、第一单向阀（18）、第二单向阀（19）、第三单向阀（20）、第四单向阀（21）、脉冲融霜调节阀（22）以及连接管道，制冷压缩机（1）的排气口通过四通换向阀（2）以及相应连接管路分别与室外侧换热器（3）、室内侧换热器（12）、低压旁通电磁阀（15）、吸气压力调节阀（16）相应接口相连接，室外侧换热器（3）的其他接口分别与冷凝器用气液分离器（4）的气液进口和气体出口、第一单向阀（18）的进口、第二单向阀（19）的出口和脉冲融霜调节阀（22）的出口相连接，室内侧换热器（12）其他接口分别与蒸发器用气液分离器（13）的气液进口和液体出口、第三单向阀（20）的进口、第四单向阀（21）的出口、脉冲融霜调节阀（22）的进口相连接，冷凝器用气液分离器（4）的液体出口通过高压旁通电磁阀（6）与储液器（7）的进口相连接，储液器（7）的其他接口分别与第一单向阀（18）和第三单向阀（20）的出口、过冷盘管（8）的进口相连接，过冷盘管（8）安装于过冷型气液分离器（17）内部下侧，其出口与回热器（9）的主路进口相连接，回热器（9）的主路出口、回路进口和回路出口分别与干燥过滤器（10）的进口、蒸发器用气液分离器（13）的气体出口和低压旁通电磁阀（15）的进口相连接，干燥过滤器（10）的出口通过电子膨胀阀（11）分别与第二单向阀（19）的进口、第四单向阀（21）的进口相连接，低压旁通电磁阀（15）的出口分别与四通换向阀（2）其中一出口、吸气压力调节阀（16）的进口相连接，吸气压力调节阀（16）的出口通过过冷型气液分离器（17）与制冷压缩机（1）的吸气口相连接。

2.根据权利要求1所述的适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其特征在于：所述自动控制子系统包括PLC控制器（23）、温度传感器（24）、压力传感器（25）、阀件和设备的执行器及连接导线，PLC控制器（23）通过导线分别温度传感器（24）、压力传感器（25）、阀件和设备的执行器相连接，温度传感器（24）、压力传感器（25）安装于过冷型气液分离器（17）出口的管路上。

3.根据权利要求2所述的适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其特征在于：所述制冷压缩机（1）为定频涡旋式压缩机、定频滚动转子式压缩机、变频涡旋式压缩机、变频滚动转子式压缩机中的任意一种形式。

4.根据权利要求2所述的适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其特征在于：所述室外侧换热器（3）和室内侧换热器（12）为翅片管式换热器、层叠式换热器、平行流式换热器中的任意一种结构形式。

5.根据权利要求2所述的适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其特征在于：所述室外侧换热器（3）的中部设置有气液出口和气体进口，分别与冷凝器用气液分离器（4）的气液进口、气体出口相连接。

6.根据权利要求2所述的适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其特征在于：所述室内侧换热器（12）的中部设置有气液出口和液体进口，分别与蒸发器用气液分离器（13）的气液进口、液体出口相连接。

7.根据权利要求2所述的适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其特征在于：所述室外侧风机（5）和室内侧风机（14）为变频风机、定频风机、调挡风机中的任意一种形式。

8.根据权利要求2所述的适用于宽温区工况的高效空气源热泵机组，其特征在于：所述回热器（9）为板式换热器、套管换热器、管壳式换热器中的任意一种结构形式。