CN111637659A - 一种高能效的热泵空调***及其控制方法 - Google Patents

一种高能效的热泵空调***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高能效的热泵空调***及其控制方法，所述热泵空调***包括冷媒主循环流路和半导体换热模块，所述冷媒主循环流路上设有室内换热器、压缩机、四通阀、室外换热器和第一节流元件所述半导体换热模块包括半导体制冷片、电源控制器、回流风道，所述电源控制器用于向所述半导体制冷片提供可变工作电压，所述半导体制冷片包括第一换热面板和第二换热面板，所述第一换热面板与所述室外换热器相对设置，所述回流风道用于将所述第二换热面板产生的热量或冷量传输至所述室内换热器。本发明的热泵空调***能将高，通过提高***能效来降低电动车的耗电量，提高车辆续航里程。

Description

一种高能效的热泵空调***及其控制方法
技术领域
本发明涉及热泵空调技术领域，尤其涉及一种高能效的热泵空调***及其控制方法，特别是基于电动车辆的热泵空调***及其控制方法。
背景技术
随着节能减排的实施，纯电动客车凭借其低碳、高效能源的优势受到政府的大力扶持和推广。但电动车上的热泵空调在寒冷和严寒地区制热衰减严重，***能效较低，不但降低了人体的舒适度，还极大影响了电动车的续航里程。传统提高空调***能效只是从空调***本身提高能效，比如通过再冷和回热、更换冷媒、改变换热器的结构、更改压缩机的类型以及管道的布置。但***的能效是由蒸发温度和冷凝温度决定的，对于空调***，蒸发温度越高，冷凝温度越低，***能效越高；反之***能效越低。在夏热冬冷地区，空调制冷时室外温度可高达40℃以上，制冷能效很低。在严寒地区，空调制热时室外温度可达零下30℃，制热能效很低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中热泵空调***能效低的问题，提供一种高能效的热泵空调***，所述热泵空调***通过提高***能效来降低电动车的耗电量，提高车辆续航里程。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高能效的热泵空调***，其包括：
冷媒主循环流路：所述冷媒主循环流路上设有室内换热器、压缩机、四通阀、室外换热器和第一节流元件，，所述压缩机通过所述四通阀与所述室内换热器和所述室外换热器相连接，所述第一节流元件串联在所述室内换热器和所述室外换热器之间；
半导体换热模块：所述半导体换热模块包括半导体制冷片、电源控制器、回流风道，所述电源控制器用于向所述半导体制冷片提供可变工作电压，所述半导体制冷片包括第一换热面板和第二换热面板，所述第一换热面板与所述室外换热器相对设置，所述回流风道用于将所述第二换热面板产生的热量或冷量传输至所述室内换热器。
进一步的，该高能效的热泵空调***还包括制热旁路，所述制热旁路包括顺次连接的三通阀、第一单向阀、辅助换热器、第二单向阀，所述三通阀接入所述第一节流元件与所述室内换热器连通的管路中，所述第二单向阀与所述压缩机连接，所述辅助换热器设有第一入流口、第二入流口、第一出流口和第二出流口，所述第一入流口用于与所述第一单向阀连通成第一制热旁路，所述第二入流口用于与所述三通阀的一个接口连通成第二制热旁路，所述第一出流口用于与所述第二单向阀连通，所述第二出流口用于与所述第一节流元件连通。
进一步的，所述第一制热旁路还包括电磁阀，所述电磁阀串联至所述第一单向阀和所述辅助换热器之间。
进一步的，所述第一制热旁路还包括第二节流元件，所述第二节流元件串联至所述第一单向阀和所述辅助换热器之间。
进一步的，所述辅热换热器为板式换热器。
进一步的，在所述冷媒主循环流路上，所述压缩机和所述室内换热器相连的流路段还设有气液分离器，所述气液分离器串联在所述压缩机和所述四通阀之间。
进一步的，该高能效的热泵空调***还包括冰层厚度传感器，所述冰层厚度传感器固定在所述室外换热器上。
进一步的，所述半导体换热模块还包括蓄电池和太阳能板，所述蓄电池和太阳能板分别与所述电源控制器电性连接。
进一步的，所述回流风道设有引风机。
进一步的，所述回流风道上还设有风阀。
本发明还提供了上述高能效的热泵空调***的控制方法，所述控制方法包括：
判断空调的运行模式，所述运行模式包括制冷模式、制热模式、除霜模式；
若所述运行模式为制冷模式，所述电源控制器向所述半导体制冷片供电以使所述第一换热面板为冷端，所述第二换热面板为热端，所述回流风道向所述室内换热器传输热量；
若所述运行模式为制热模式，所述电源控制器向所述半导体制冷片供电以使所述第一换热面板为热端，所述第二换热面板为冷端，所述回流风道向所述室内换热器传输冷量，并检测所述室外换热器的霜层厚度，当所述霜层厚度大于厚度阈值时，通过控制四通阀换向、回流风道停止向室内换热器传输冷量以进入除霜模式；
当处于除霜模式时，所述室外换热器中的冷媒放热，所述电源控制器向所述半导体制冷片供电以使所述第一换热面板为热端，直至所述霜层厚度小于所述厚度阈值。
进一步的，当处于除霜模式时，蓄电池和太阳能板均向所述电源控制器供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中电源控制器向半导体制冷片提供可变工作电压，可以使半导体制冷片的第一换热面板和第二换热面板根据需要成为冷端或者热端，当***运行制冷模式时，电源控制器向半导体制冷片供电以使第一换热面板成为冷端，降低了室外换热器周围的环境温度，从而降低室外换热器的冷凝温度；而此时，第二换热面板成为热端，产生的热量通过回流风道传输至室内换热器，提高了室内换热器周围的温度，从而提高了室内换热器的蒸发温度，提高了***的能效。反之，当***运行制热模式时，电源控制器改变了向半导体制冷片供电的电流方向，以使第一换热面板成为热端，提高了室外换热器周围的环境温度，从而提高室外换热器的蒸发温度；而此时，第二换热面板成为冷端，产生的冷量通过回流风道传输至室内换热器，降低了室内换热器周围的温度，从而降低室内换热器的冷凝温度，提高了***的能效。
本发明的***在制热模式时，会检测室外换热器的霜层厚度，当霜层厚度大于厚度阈值时进入除霜模式，先将室外换热器的霜层除去然后再进行制热模式，有效保证了室外换热器的换热能力，提升了***的能效。
附图说明
图1为本发明的热泵空调***一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通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，均属于本发明的保护范围。
请参照图1，本发明实施例的高能效的热泵空调***包括冷媒主循环流路和半导体换热模块。
所述冷媒主循环流路包括设有室内换热器10、压缩机20、四通阀30、室外换热器40和第一节流元件50。，所述压缩机20通过所述四通阀30与所述室内换热器10和所述室外换热器40相连接，所述第一节流元件50串联在所述室内换热器10和所述室外换热器40之间。室内换热器10和室外换热器40中的其中一个可以为冷凝器，另一个可以为蒸发器。冷媒可以在冷媒主循环流路内循环流通。
当***运行制冷模式时，室内换热器10可以用作蒸发器，室外换热器40可以用作冷凝器。压缩机20将冷媒压缩成高温高压的气态冷媒，由四通阀30流入室外换热器40。冷媒在室外换热器40中与室外空气进行换热，转化成中温中压的状态，再经过第一节流元件50节流降压，转化成低温低压的状态。低温低压的液态冷媒流入室内换热器10中，与室内空气进行换热，液态冷媒蒸发吸热并转化成气态，降低室内温度。气态的冷媒回流至压缩机20中，再进入再一个制冷循环。在此循环模式中，***的能效为：
Figure BDA0002540614200000051
其中，T0为室内换热器10周围空气的温度，TK为室外换热器40周围空气的温度。
当***运动制热模式时，室内换热器10可以用作冷凝器，室外换热器40可以用作蒸发器。压缩机20将冷媒压缩成高温高压的气态冷媒，进入室内换热器10中与室内空气进行换热，冷媒放热冷凝成中温中压的状态，提升室内温度。中温中压的冷媒经过第一节流元件50节流降压，转化成低温低压的状态，进入室外换热器40中。在室外换热器40内与室外空气进行换热，液态冷媒蒸发吸热并转发成气态，气态的冷媒回流到压缩机20中，再进入下一个循环。在此循环模式中，***的能效为：
Figure BDA0002540614200000061
其中，T0为室内换热器10周围空气的温度，TK为室外换热器40周围空气的温度。
所述半导体换热模块包括半导体制冷片60、电源控制器70、回流风道80。所述电源控制器70用于向所述半导体制冷片60提供可变工作电压。所述半导体制冷片60包括第一换热面板和第二换热面板，所述第一换热面板与所述室外换热器40相对设置，所述回流风道80用于将所述第二换热面板产生的热量或冷量传输至所述室内换热器10。具体地，所述回流风道80中设有引风机81和风阀，所述引风机81可以将第二换热面板产生的热量或冷量引流至室内换热器10。通过所述风阀可以停止向室内换热器10传输热量或冷量。
具体而言，所述半导体制冷片60是一个热传递的工具，是由一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成热电偶对。当电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷端和热端。当电流的流向改变调转，原来的冷端就可以成为热端，原来的热端可以成为冷端。在本实施例中，可以是所述第一换热面板为N型半导体材料端，所述二换热面板为P型半导体材料端。也可以是所述第一换热面板为P型半导体材料端，所述第二换热面板为N型半导体材料端。所述电源控制器70与所述半导体制冷片60电性连接，向半导体制冷片60提供工作电压。而且，电源控制器70可以改变供电电流的流向，即是：电源控制器70可以供电使电流从第一换热面板流向第二换热面板，也可以使电流从第二换热面板流向第一换热面板，使得第一换热面板和第二换热面板可以在冷端和热端之间切换。
由此可知，本***在制冷模式时，半导体制冷片60使得室外换热器40周围空气的温度TK降低，室内换热器10周围空气的温度T0升高，***的能效为：
Figure BDA0002540614200000062
提升了。在制热模式时，半导体制冷片60使得室外换热器40周围空气的温度TK升高，室内换热器10周围空气的温度T0降低，***的能效为：
Figure BDA0002540614200000071
提升了。
在一种可能的实施方式中，所述半导体换热模块还包括蓄电池71和太阳能板72，所述蓄电池71和太阳能板72分别与所述电源控制器70电性连接。太阳能板72获得的热能可以转化为电能储存在蓄电池71中。在需要进行除霜模式时，太阳能板72和蓄电池71同时通过电源控制器70向半导体制冷片60供电，快速高效除霜。
在一种可能的实施方式中，为了进一步提高热泵空调***的能效，所述热泵空调***还包括制热旁路，所述制热旁路包括顺次连接的三通阀91、第一单向阀92、辅助换热器95、第二单向阀96，所述三通阀91接入所述第一节流元件50与所述室内换热器10连通的管路中，所述第二单向阀96与所述压缩机20连接，所述辅助换热器95设有第一入流口、第二入流口、第一出流口和第二出流口，所述第一入流口用于与所述第一单向阀92连通成第一制热旁路，所述第二入流口用于与所述三通阀91的一个接口连通成第二制热旁路，所述第一出流口用于与所述第二单向阀96连通，所述第二出流口用于与所述第一节流元件50连通。
当***运行制热模式时，所述第一单向阀92和第二单向阀96打开，室内换热器10中的高温高压冷媒经过三能阀后分成两路，第一路经过第一单向阀92后流入辅助换热器95，在辅助换热器95中被加热成气体经过第二单向阀96后进入压缩机20，形成第一制热旁路，降低压缩机20的吸气温度，提高压缩机20的效率，进而提高制热能效；第二路直接经过辅助换热器95和第一节流元件50进入室外换热器40进行蒸发吸热，然后进入压缩机20，形成第二制热旁路。第一制热旁路的冷媒和第二制热旁路的冷媒混合，再进入下一个制热循环。
在一种可能的实施方式中，所述第一制热旁路还包括电磁阀94，所述电磁阀94串联至所述第一单向阀92和所述辅助换热器95之间。进一步的，所述第二制热旁路还包括第二节流元件93，所述第二节流元件93串联至所述第一单向阀92和所述辅助换热器95之间。在本实施方式中，所述辅热换热器优选用板式换热器。
本实施方式的热泵空调***，还包括室内风机11和室外风机41。所述室内风机11设置在临近室内换热器10处，所述室外风机41设置在室外换热器40处。
增加了制热旁路之后，***的制冷模式和制热模式的原理及过程如下：
***运行制冷模式时，室内换热器10产生的低温低压的冷媒进入压缩机20进行压缩成高温高压的冷媒，经过室外换热器40进行冷凝放热，然后进入第一节流元件50节流为低温低压的冷媒，同时电磁阀94关闭，经过三通阀91进入室内换热器10进行蒸发吸热，完成制冷过程。同时当冷媒在室外换热器40进行冷凝放热时，太阳能板72产生的电量经过电源控制器70进入到半导体制冷片60中，半导体制冷片60的第一换热面板产生冷量降低周围环境温度，半导体制冷片60的第二换热面板产生热量通过引风机81和回流风道80提高室内换热器10周围的温度。
***运行制热模式时，室内换热器10中的高温高压的冷媒经过冷凝放热提高车内温度，经过三通阀91分成两路，此时第一单向阀92、第二单向阀96和电磁阀94均打开，第一路经过第一单向阀92和第二节流元件93进入进入辅助换热器95，在辅助换热器95中被加热成气体进入压缩机20，降低压缩机20的吸气温度，提高压缩机20的效率，进而提高制热能效；第二路直接经过辅助换热器95和第一节流阀，然后进入室外换热器40进行蒸发吸热，然后进入压缩机20和第一路的冷媒进行混合后进行压缩，完成制热过程。同时冷媒在室外换热器40中进行吸热过程中，太阳能板72产生的电量经过电源控制器70进入到半导体制冷片60中，半导体制冷片60的第一换热面板产生热量提高周围环境温度，半导体制冷片60的第二换热面板产生冷量通过引风机81和风道降低室内换热器10周围的温度。
在一种可能的实施方式中在所述冷媒主循环流路上，所述压缩机20和所述室内换热器10相连的流路段还设有气液分离器21，所述气液分离器21串联在所述压缩机20和所述四通阀30之间。
在所述室外换热器40上还固定一该冰层厚度传感器，所述冰层传感器用于检测室外换热器40底部的霜层厚度，当霜层较厚时，会降低制热能效。在制热模式时，当霜层较厚时，***可以先进行除霜后再制热。
随着制热运行，室外换热器40的霜层会越来越厚，严重影响换热效果。室外换热器40结霜时底部先结霜，当底部结霜到一定程度后上方开始结霜。因此，为提高能效和人体舒适度，只需控制室外换热器40底部的霜层。当室外换热器40底部的霜层较厚时，进入除霜模式，此时四通阀30换向，第一单向阀92和第二单向阀96关闭，室外风机41停止运行，引风机81和风阀关闭，冷媒在室外换热器40中进行放热除霜，同时太阳能板72和蓄电池71共同对半导体制冷片60供电，半导体制冷片60的第一发热面板产生大量的热对室外换热器40进行除霜。当检验霜层厚度为零时，停止除霜，四通阀30换向，第一单向阀92和第二单向阀96打开，电磁阀94打开，进入制热模式，除霜模式结束。同时蓄电池71停止供电，进入蓄电模式，为下一次除霜准备。这种模式通过下方换热器霜层的厚度来进行除霜，除霜更彻底，更快速高效。
本实施方式提供的高能效的热泵空调***的控制方法，包括：
判断空调的运行模式，所述运行模式包括制冷模式、制热模式、除霜模式。
若所述运行模式为制冷模式，所述电源控制器70向所述半导体制冷片60供电以使所述第一换热面板为冷端，所述第二换热面板为热端，所述回流风道80向所述室内换热器10传输热量。
若所述运行模式为制热模式，所述电源控制器70向所述半导体制冷片60供电以使所述第一换热面板为制热端，所述第二换热面板为制冷端，所述回流风道80向所述室内换热器10传输冷量，并检测所述室外换热器40的霜层厚度，当所述霜层厚度大于厚度阈值时，通过控制四通阀30换向、回流风道80停向室内换热器10传输冷量以进入除霜模式。
当处于除霜模式时，所述室外换热器40中的冷媒放热，所述电源控制器70向所述半导体制冷片60供电以使所述第一换热面板为制热端，直至所述霜层厚度小于所述厚度阈值。
进一步的，当处于除霜模式时，蓄电池71和太阳能板72同时向所述电源控制器70供电，快速去除室外换热器40的霜层。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种高能效的热泵空调***，其特征在于，包括：
冷媒主循环流路：所述冷媒主循环流路上设有室内换热器、压缩机、四通阀、室外换热器和第一节流元件，所述压缩机通过所述四通阀与所述室内换热器和所述室外换热器相连接，所述第一节流元件串联在所述室内换热器和所述室外换热器之间；
半导体换热模块：所述半导体换热模块包括半导体制冷片、电源控制器、回流风道，所述电源控制器用于向所述半导体制冷片提供可变工作电压，所述半导体制冷片包括第一换热面板和第二换热面板，所述第一换热面板与所述室外换热器相对设置，所述回流风道用于将所述第二换热面板产生的热量或冷量传输至所述室内换热器。
2.如权利要求1所述的高能效的热泵空调***，其特征在于：还包括制热旁路，所述制热旁路包括顺次连接的三通阀、第一单向阀、辅助换热器、第二单向阀，所述三通阀接入所述第一节流元件与所述室内换热器连通的管路中，所述第二单向阀与所述压缩机连接，所述辅助换热器设有第一入流口、第二入流口、第一出流口和第二出流口，所述第一入流口用于与所述第一单向阀连通成第一制热旁路，所述第二入流口用于与所述三通阀的一个接口连通成第二制热旁路，所述第一出流口用于与所述第二单向阀连通，所述第二出流口用于与所述第一节流元件连通。
3.如权利要求2所述的高能效的热泵空调***，其特征在于：所述第一制热旁路还包括电磁阀，所述电磁阀串联至所述第一单向阀和所述辅助换热器之间。
4.如权利要求2所述的高能效的热泵空调***，其特征在于：所述第一制热旁路还包括第二节流元件，所述第二节流元件串联至所述第一单向阀和所述辅助换热器之间。
5.如权利要求1所述的高能效的热泵空调***，其特征在于：在所述冷媒主循环流路上，所述压缩机和所述室内换热器相连的流路段还设有气液分离器，所述气液分离器串联在所述压缩机和所述四通阀之间。
6.如权利要求1所述的高能效的热泵空调***，其特征在于：还包括冰层厚度传感器，所述冰层厚度传感器固定在所述室外换热器上。
7.如权利要求1所述的高能效的热泵空调***，其特征在于：所述半导体换热模块还包括蓄电池和太阳能板，所述蓄电池和太阳能板分别与所述电源控制器电性连接。
8.如权利要求1所述的高能效的热泵空调***，其特征在于：所述回流风道中还设有引风机和风阀。
9.一种高能效的热泵空调***的控制方法，其特征在于，所述高能效的热泵空调***为权利要求1至8任意一项所述的热泵空调***，所述控制方法包括：
判断空调的运行模式，所述运行模式包括制冷模式、制热模式、除霜模式；
若所述运行模式为制冷模式，所述电源控制器向所述半导体制冷片供电以使所述第一换热面板为冷端，所述第二换热面板为热端，所述回流风道向所述室内换热器传输热量；
若所述运行模式为制热模式，所述电源控制器向所述半导体制冷片供电以使所述第一换热面板为热端，所述第二换热面板为冷端，所述回流风道向所述室内换热器传输冷量，并检测所述室外换热器的霜层厚度，当所述霜层厚度大于厚度阈值时，通过控制四通阀换向、回流风道停向室内换热器传输冷量以进入除霜模式；
当处于除霜模式时，所述室外换热器中的冷媒放热，所述电源控制器向所述半导体制冷片供电以使所述第一换热面板为制热端，直至所述霜层厚度小于所述厚度阈值。
10.如权利要求9所述的高能效的热泵空调***的控制方法，其特征在于：当处于除霜模式时，蓄电池和太阳能板均向所述电源控制器供电。
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