CN107120831A - 一种连续制热空气源热泵热水机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种连续制热空气源热泵热水机组，包括水冷冷凝器(7)和二个压缩机(1、3)、二个风冷式蒸发器(12、14)、二节流阀组件(11、10)，还包括三个单向阀(4、5、9)、二个四通换向阀(8、13)，一压缩机、一蒸发器、一节流阀组件连锁控制成一蒸发压缩组，二蒸发压缩组通过四通换向阀的有机切换实现交替除霜，使制热过程连续平稳、运行可靠、除霜能耗低。

Description

一种连续制热空气源热泵热水机组
技术领域
本发明属于空气源热泵技术领域，特别是一种结构简单、控制简单可靠、能耗低的连续制热的空气源热泵热水机组。
背景技术
在我国长江中下游地区，空气源热泵在室外低温条件下运行时，当室外侧换热器表面温度低于周围空气露点温度且低于0℃时，会导致换热器表面结霜。蒸发器表面结霜会致使室外换热器的传热热阻增加、空气流通通道面积减小，从而导致室外换热器通风量降低，最终导致热泵机组制热量降低、制热性能下降，甚至出现低压报警及排气温度过大等故障。因此，对热泵机组室外侧换热器进行定期除霜十分重要。
目前最广泛使用的除霜方式是四通换向阀换向融霜方式，即热泵空调器除霜时按制冷循环方式运行，压缩机排气进入室外换热器，吸收霜层热量而冷凝，再经节流装置进入室内换热器，从室内吸收部分热量后返回压缩机，完成除霜循环。这种除霜方式最大的问题就是不能持续制热而导致室内温度下降，影响室内的舒适性，并且除霜时制冷剂逆向流动，运行过程中频繁高低压转换会造成设备冲击及工况切换时压缩机吸气带液的问题，同时增加热泵机组的功耗，降低机组的制热性能与运行可靠性。
近年来，旁通节流装置的逆向融霜方式，带制冷剂补偿器的逆向融霜方式等方式对传统融霜方式的改良取得了较好的效果，但是仍然无法避免除霜时从室内吸热影响舒适性的问题。几种新型的融霜方式，能很好解决舒适性的问题，比如蓄热融霜、热气旁通融霜以及回气加热融霜这几种融霜方式，均能避免除霜运行时从室内取热而使室内温度降低问题的出现。但也存在着一些问题，比如蓄热除霜所使用的相变材料需要与融霜所需的热量进行较好地匹配，而热气旁通除霜以及回气加热除霜则需要在***中设置容量较大的气液分离器，间接地增加了除霜的成本。并且这几种方式仅能保证融霜时室内侧换热器不从室内吸取热量，并不能保证融霜时冷凝器制热，并存在除霜能耗高的问题。
近年来，有专家学者提出采用两组蒸发器交替进行除霜的机组，如中国实用新型专利“一种双蒸发器空气源热泵”，(申请号：201420523171.8，公开日：2015-03-11)。该***中两蒸发器交替除霜时需要对压缩机负荷进行能量调节以适应蒸发器负荷，若缺乏可靠的能量调节手段则易导致蒸发压力过低而影响整个热泵***运行的可靠性，并且过多的电磁阀使得控制复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续制热空气源热泵热水机组,、控制简单可靠、低温除霜能耗低，且低温环境下制热过程连续平稳。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种连续制热空气源热泵热水机组，包括水冷冷凝器、第一压缩机、第二压缩机、风冷式第一蒸发器、风冷式第二蒸发器、第一节流阀组件和第二节流阀组件，还包括第三单向阀、第一四通换向阀和第二四通换向阀，所述第一压缩机排气口经第一单向阀与冷凝器入口相通，第二压缩机排气口经第二单向阀与冷凝器入口相通，所述第一四通换向阀的第一接口与第二四通换向阀的第二接口相连，第一四通换向阀的第二接口与冷凝器出口相连，第一四通换向阀的第三接口与第三单向阀进口相连，第三单向阀的出口通过第一节流阀组件与第一蒸发器入口相通，第三单向阀的出口通过第二节流阀组件与第二蒸发器入口相通，所述第二四通换向阀的第一接口与第一蒸发器出口相连，第二四通换向阀的第三接口与第二蒸发器出口相连，第一四通换向阀的第四接口与第二四通换向阀的第四接口并联后与第一压缩机、第二压缩机的吸气口相通。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、制热过程连续平稳：除霜过程中，机组同时制热，提高所加热水温的稳定性；
2、运行可靠：除霜过程中，制冷剂无需换向，提高了热泵***的可靠性；在较高环境温度下制热运行时，可通过调节其中蒸发器作为过冷器并联合调节压缩机的启停控制，可实现机组制热量的能量调节，以提高机组在全年制热运行时对高环境温度的适应性。
3、除霜能耗低：采用双压缩机并联方式，可保证压缩机在交替除霜时的有效能量调节；除霜过程因使用冷凝器出口冷凝后的高温液态制冷剂的过冷热，待除霜蒸发器作为过冷器，实现除霜过程近零能耗，提高了热泵机组的除霜效率与性能；在结霜严重时，可采用除霜旁通管旁通的过热蒸汽与过冷热相结合的方式进行除霜，加快除霜过程，提高除霜效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明连续制热空气源热泵热水机组的结构示意图，处于低温正常制热运行模式。
图2为图1所述连续制热空气源热泵热水机组处于第一风冷冷凝器除霜运行模式的工作原理图。
图3为图1所述连续制热空气源热泵热水机组处于第二风冷冷凝器除霜运行模式或高温制热模式的工作原理图。
图中，第一压缩机1，气液分离器2，第二压缩机3，第二单向阀4，第一单向阀5，热气旁通阀6，水冷冷凝器7，第一四通换向阀8，第三单向阀9，第二节流阀组件10，第一节流阀组件11，第一蒸发器12，第二四通换向阀13，第二蒸发器14，平衡罐15，均油管16。
具体实施方式
如图1所示，本发明连续制热空气源热泵热水机组，包括水冷冷凝器7、第一压缩机1、第二压缩机3、风冷式第一蒸发器12、风冷式第二蒸发器14、第一节流阀组件11 和第二节流阀组件10，还包括第三单向阀9、第一四通换向阀8和第二四通换向阀13，所述第一压缩机1排气口经第一单向阀5与冷凝器7入口相通，第二压缩机3排气口经第二单向阀4与冷凝器7入口相通，所述第一四通换向阀8的第一接口8-1与第二四通换向阀13的第二接口13-2相连，第一四通换向阀8的第二接口8-2与冷凝器7出口相连，第一四通换向阀8的第三接口8-3与第三单向阀9进口相连，第三单向阀9的出口通过第一节流阀组件11与第一蒸发器12入口相通，第三单向阀9的出口通过第二节流阀组件10与第二蒸发器14入口相通，所述第二四通换向阀13的第一接口13-1与第一蒸发器12出口相连，第二四通换向阀13的第三接口13-3与第二蒸发器14出口相连，第一四通换向阀8的第四接口8-4与第二四通换向阀13的第四接口13-4并联后与第一压缩机1、第二压缩机3的吸气口相通。
作为改进，本发明连续制热空气源热泵热水机组，还包括热气旁通阀6，其一端与冷凝器7入口相连，另一端与冷凝器7出口相连。
当仅利用高温高压过冷冷媒液体的过冷热对蒸发器进行除霜时，容易除霜缓慢，此时打开热气旁通阀6，将过冷冷媒液体与高温高压压缩机排气混合后送入需要除霜的蒸发器，加快了除霜速度。
作为另一改进，本发明连续制热空气源热泵热水机组，还包括气液分离器2，其出口分别与第一压缩机1、第二压缩机3的吸气口相通，其入口与第一四通换向阀8的第四接口8-4和第二四通换向阀13的第四接口13-4相通。
作为再一改进，本发明连续制热空气源热泵热水机组，还包括平衡罐15，其开口端与第三单向阀9的出口相通。
优选地，所述第一蒸发器12的风机与第二蒸发器14的风机分别配置，单独控制。
进一步优选地，所述第一节流阀组件11、第一压缩机1与第一蒸发器12的风机连锁控制，所述第二节流阀组件10、第二压缩机3与第二蒸发器14的风机连锁控制。
作为又一改进，还包括均油管16，其一端与第一压缩机1底部相连，另一端与第二压缩机3底部相连。防止了两蒸发器回油不均。
下面结合附图1-3详细说明本发明的工作过程。
a低温正常制热运行模式
首先启动第一压缩机1和第一蒸发器12的风机，打开第一节流阀组件11，第一压缩机1出口高温高压冷媒气体流经第一单向阀5后经过冷凝器7冷凝成高温高压液体后依次流经第一四通换向阀8、第三单向阀9、第一节流阀组件11后进入第一蒸发器12 蒸发吸热成低温低压冷媒气体后进入第二四通换向阀13，最后流入气液分离器2。或是首先启动第二压缩机3和第二蒸发器14的风机，打开第二节流阀组件10，第二压缩机 3出口高温高压冷媒气体流经第二单向阀4后经过冷凝器7冷凝成高温高压液体后依次流经第一四通换向阀8、第三单向阀9、第二节流阀组件10后进入第二蒸发器14蒸发吸热成低温低压冷媒气体后依次进入第二四通换向阀13和第一四通换向阀8，最后流入气液分离器2。如此运行一段时间后，启动另一未启动的压缩机和风机，打开关闭着的另一节流阀组件，此时第一压缩机1和第二压缩机2高温高压排气分别经过第一单向阀 5和第二单向阀4合流后进入冷凝器7放热冷凝成高温高压冷媒液体，然后流经第一四通换向阀8、第三单向阀9后分为两路，其中第一路经过第一节流阀组件11节流后进入第一蒸发器12蒸发吸热成低温低压冷媒气体，然后进入第二四通换向阀13；第二路经过第二节流阀组件10节流后进入第一蒸发器14蒸发吸热成低温低压冷媒气体，然后进入第二四通换向阀13，最后经过第一四通换向阀8后与流出第二四通换向阀13的第一路低温低压冷媒气体混合后进入气液分离器2。
b第一风冷冷凝器12除霜运行模式
此时热泵处于正常制热模式a，并且冷媒先进入第一蒸发器12蒸发吸热，当第一蒸发器12表面霜层达到一定厚度时，第一四通换向阀8换向，第一接口8-1与第二接口8-2相连，第三接口8-3与第四接口8-4相连；第二四通换向阀13也换向，第一接口13-1 与第二接口13-2相连，第三接口13-3与第四接口13-4相连。同时关闭一台压缩机进行能量调节，第一节流阀组件11全开，打开热气旁通阀6，进入冷凝器7的冷媒高温高压排气分为两路，一路经过冷凝器7冷凝为高温高压冷媒液体，另一路流经热气旁通阀6 旁通，两路冷媒混合后依次流经第一四通换向阀8、四通换向阀13后进入第一蒸发器 12放热融化表面霜层，两相冷媒冷凝成高压过冷冷媒液体。过冷冷媒液体经过全开的第一节流阀组件11后，进入第二节流阀组件10节流降压，最后进入第二蒸发器14蒸发吸热变为低温低压制冷剂气体，低温低压冷媒气体流经第二四通换向阀13后进入气液分离器2。
c第二风冷冷凝器14除霜运行模式
此时热泵处于正常制热模式a或第一风冷冷凝器12除霜运行模式b，当第二蒸发器14表面霜层达到一定厚度时，将第一四通换向阀8的第一接口8-1与第二接口8-2相连，第三接口8-3与第四接口8-4相连；第二四通换向阀13的第一接口13-1与第四接口13-4 相连，第三接口13-3与第二接口13-2相连。同时关闭一台压缩机进行能量调节，第二节流阀组件10全开，打开热气旁通阀6，进入冷凝器7的冷媒高温高压排气分为两路，一路经过冷凝器7冷凝为高温高压冷媒液体，另一路流经热气旁通阀6旁通，两路冷媒混合后依次流经第一四通换向阀8、四通换向阀13后进入第二蒸发器14放热融化表面霜层，两相冷媒冷凝成高压过冷冷媒液体。过冷冷媒液体经过全开的第二节流阀组件10 后，进入第一节流阀组件11节流降压，最后进入第一蒸发器12蒸发吸热变为低温低压制冷剂气体，低温低压冷媒气体流经第二四通换向阀13后进入气液分离器2。
d高温制热模式
当环境温度较高时，因***蒸发压力升高，机组制热量大幅增加，将导致冷凝器7换热面积不够，甚至使得压缩机1及压缩机2高压报警，此时需要切换至高温制热模式。可以将第一蒸发器12作为冷凝器使用，将第一四通换向阀的第一接口8-1与第二接口 8-2相连，第三接口8-3与第四接口8-4相连；第二四通换向阀13的第一接口13-1与第二接口13-2相连，第三接口13-3与第四接口13-4相连。第一节流阀组件11全开，进入冷凝器7的冷媒高温高压排气经过冷凝器7冷凝后流经第一四通换向阀8、四通换向阀13后进入第一蒸发器12继续冷凝为高温高压过冷冷媒液体。过冷冷媒液体经过全开的第一节流阀组件11后，进入第二节流阀组件10节流降压，最后进入第二蒸发器14 蒸发吸热变为低温低压制冷剂气体，低温低压冷媒气体流经第二四通换向阀13后进入气液分离器2。或将第二蒸发器14作为冷凝器使用，将第一四通换向阀8的第一接口 8-1与第二接口8-2相连，第三接口8-3与第四接口8-4相连；第二四通换向阀13的第一接口13-1与第四接口13-4相连，第三接口13-3与第二接口13-2相连。第二节流阀组件10全开，进入冷凝器7的冷媒高温高压排气分经过冷凝器7冷凝后依次流经第一四通换向阀8、四通换向阀13后进入第二蒸发器14继续冷凝为高温高压过冷冷媒液体。过冷冷媒液体经过全开的第二节流阀组件10后，进入第一节流阀组件11节流降压，最后进入第一蒸发器12蒸发吸热变为低温低压制冷剂气体，低温低压冷媒气体流经第二四通换向阀13后进入气液分离器2。当机组中风冷式蒸发器蒸发压力过低时，关闭其中一台压缩机进行能量调节。
本发明的连续制热空气源热泵热水机组，采用两个并联的压缩机、两组并联的风冷式蒸发器和节流阀组件、两个用于制热和除霜模式切换的四通换向阀，并对每组压缩机、节流阀组件和蒸发器风机连锁控制，以实现两组蒸发器按顺序运行并结霜。在机组进行除霜时，两蒸发器通过两个四通换向阀和两组节流阀组件的功能切换进行交替除霜，其中处于除霜状态的蒸发器功能相当于过冷器，而未处于除霜状态的蒸发器则继续充当原本的角色，并停止运行其中一台压缩机来进行能量调节，实现了机组的连续制热；当机组在较高环境温度下制热运行时，通过调节其中一蒸发器作为过冷器并联合压缩机的启停控制，可实现机组制热量的能量调节。本发明与现有技术相比，具有了除霜过程中冷媒不换向的优势，可靠性较高；同时除霜过程中制热继续进行，提高了使用舒适性；并且极大地减少了热泵机组除霜过程的耗能，大大提高了除霜效率；并提高了机组在全年制热运行时对高环境温度的适应性。

Claims (7)

1.一种连续制热空气源热泵热水机组，包括水冷冷凝器(7)、其特征在于：
包括第一压缩机(1)、第二压缩机(3)、风冷式第一蒸发器(12)、风冷式第二蒸发器(14)、第一节流阀组件(11)和第二节流阀组件(10)，还包括第三单向阀(9)、第一四通换向阀(8)和第二四通换向阀(13)，
所述第一压缩机(1)排气口经第一单向阀(5)与冷凝器(7)入口相通，第二压缩机(3)排气口经第二单向阀(4)与冷凝器(7)入口相通，
所述第一四通换向阀(8)的第一接口(8-1)与第二四通换向阀(13)的第二接口(13-2)相连，第一四通换向阀(8)的第二接口(8-2)与冷凝器(7)出口相连，第一四通换向阀(8)的第三接口(8-3)与第三单向阀(9)进口相连，
第三单向阀(9)的出口通过第一节流阀组件(11)与第一蒸发器(12)入口相通，第三单向阀(9)的出口通过第二节流阀组件(10)与第二蒸发器(14)入口相通，
所述第二四通换向阀(13)的第一接口(13-1)与第一蒸发器(12)出口相连，第二四通换向阀(13)的第三接口(13-3)与第二蒸发器(14)出口相连，
第一四通换向阀(8)的第四接口(8-4)与第二四通换向阀(13)的第四接口(13-4)并联后与第一压缩机(1)、第二压缩机(3)的吸气口相通。
2.根据权利要求1所述的空气源热泵热水机组，其特征在于：
还包括热气旁通阀(6)，其一端与冷凝器(7)入口相连，另一端与冷凝器(7)出口相连。
3.根据权利要求1或2所述的空气源热泵热水机组，其特征在于：
还包括气液分离器(2)，其出口分别与第一压缩机(1)、第二压缩机(3)的吸气口相通，其入口与第一四通换向阀(8)的第四接口(8-4)和第二四通换向阀(13)的第四接口(13-4)相通。
4.根据权利要求3所述的空气源热泵热水机组，其特征在于：
还包括平衡罐(15)，其开口端与第三单向阀(9)的出口相通。
5.根据权利要求1所述的空气源热泵热水机组，其特征在于：
所述第一蒸发器(12)的风机与第二蒸发器(14)的风机分别配置，单独控制。
6.根据权利要求5所述的空气源热泵热水机组，其特征在于：
所述第一节流阀组件(11)、第一压缩机(1)与第一蒸发器(12)的风机连锁控制，所述第二节流阀组件(10)、第二压缩机(3)与第二蒸发器(14)的风机连锁控制。
7.根据权利要求1所述的空气源热泵热水机组，其特征在于：
还包括均油管(16)，其一端与第一压缩机(1)底部相连，另一端与第二压缩机(3)底部相连。
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