CN111678224A - 一种空气源热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气源热泵，换热回路上串联有性能辅助管路，性能辅助管路并联有旁通管路。性能辅助管路的一端与室内换热器连接，另一端与室外换热器连接，性能辅助管路设于室外换热器的底部。旁通管路上设有控制阀。制热时，控制阀开启，从室内换热器流出的换热介质一部分流经性能辅助管路，另一部分流经旁通管路，两路换热介质合流后再一起流向室外换热器。制冷时，控制阀关闭，从室外换热器流出的换热介质全部经性能辅助管路流向室内换热器。性能辅助管路和旁通管路的设置，在制冷时可提高过冷度，提高空气源热泵的制冷能力；制热时，能够防止室外换热器底部结霜和冻结，同时减少热量浪费，提高空气源热泵的制热能力以及能效。

Description

一种空气源热泵
技术领域
本发明涉及空调设备技术领域，尤其涉及一种空气源热泵。
背景技术
空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置。空气源热泵是热泵的一种形式，顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能（如空气、土壤、水中所含的热量）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。
应用空气源热泵时，当环境的温度和湿度达到一定的条件，室外换热器空气侧会结霜。然而，室外换热器表面风场分布不均，风速在垂直方向自上而下逐渐降低。结霜工况时，下部换热器风速小、换热效果差，因而下部换热器先结霜、且结霜量多。同时，由于下部换热器需求的冷媒流量小、匹配的分流毛细管较长，导致除霜时分配的冷媒流量小，除霜速度缓慢。此外，室外换热器上部的化霜水易积存在换热器下部，在下个制热周期开始后快速结霜甚至结冰，导致换热器换热能力降低、压缩机液击等问题发生。现有技术中一般采用添加电加热元件来实现换热器底部的防冻效果。
除此之外，在联机配管较长的多联机***中，室外换热器出口处冷媒若没有足够的过冷度，会由于管路压降损失产生一定的蒸发，导致冷媒在室内节流元件前是两相状态，一方面影响节流元件的可靠性，另一方面增大了室内机换热器进口的冷媒干度，导致***制冷性能降低。
发明内容
本申请一些实施例中，提供了一种空气源热泵，包括：换热回路，所述换热回路包括压缩机、室内换热器、室外换热器以及节流元件；所述空气源热泵还包括：性能辅助管路，其串联于所述换热回路上，所述性能辅助管路的一端与所述室内换热器连接，另一端与所述室外换热器连接，所述性能辅助管路设于所述室外换热器的底部；旁通管路，其与所述性能辅助管路并联，所述旁通管路上设有控制阀；制热时，所述控制阀开启，从所述室内换热器流出的换热介质一部分流经所述性能辅助管路，另一部分流经所述旁通管路，从所述性能辅助管路和所述旁通管路流出的换热介质合流后再一起流向所述室外换热器；制冷时，所述控制阀关闭，从所述室外换热器流出的换热介质全部经所述性能辅助管路流向所述室内换热器。
制热时，通过控制性能辅助管路中冷媒的蒸发温度，当性能辅助管路内的冷媒蒸发温度高于室外环境的湿球温度时，可以保证换热器底部不会结霜，实现防冻结的效果。
同时，旁通管路的设置使得只有一部分冷媒流入性能辅助管路内冷凝放热以防止换热器底部结霜和防冻结，而另一部分冷媒则直接从旁通管路流向室外换热器，以减少冷媒通过性能辅助管路散发到外部环境中的热量，达到减少热量浪费的目的。
制冷时，中温高压的液态冷媒由主换热管路（管路数较多）汇合流入性能辅助管路（管路数较少），流路减少从而使冷媒流速增大，换热效率增加，冷媒在性能辅助管路进一步冷却，过冷度得到提升，增大制冷能力。
本申请一些实施例中，所述性能辅助管路具有多根，多根所述性能辅助管路并联，多根所述性能辅助管路设于所述室外换热器的迎风侧的底部。
本申请一些实施例中，本申请一些实施例中，所述性能辅助管路具有多根，多根所述性能辅助管路串联，多根所述性能辅助管路设于所述室外换热器的迎风侧的底部。
本申请一些实施例中，所述性能辅助管路的数量为非零的偶数。
本实施例中，所述性能辅助管路具有4根。
本申请一些实施例中，所述节流元件包括室内节流元件和室外节流元件；所述室内节流元件设于所述室内换热器和所述性能辅助管路之间，所述室内节流元件同时与所述旁通管路串联；所述室外节流元件设于所述室外换热器和所述性能辅助管路之间，所述室外节流元件同时与所述旁通管路串联。
本申请一些实施例中，所述室外换热器与所述室外节流元件之间设有分流器，所述室外换热器与所述压缩机之间设有分流毛细管。
本申请一些实施例中，所述性能辅助管路靠近所述室外节流元件的一端设有温度传感器。
本申请一些实施例中，所述控制阀为单向阀/电磁阀/电子膨胀阀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为根据实施例的空气源热泵制热时的运行原理示意图；
图2为根据实施例的空气源热泵制冷时的运行原理示意图；
图3为根据实施例的性能辅助管路的设置结构示意图；
图4为根据另一实施例的性能辅助管路的设置结构示意图；
图5为根据实施例的空气源热泵制热时的控制流程图。
附图标记：
01-压缩机，02-四通换向阀，03-分流毛细管，04-室外换热器主换热管路，05-分流器，06-室外节流元件，07-性能辅助管路，08-液侧截止阀，09-室内节流元件，10-室内换热器，11-气侧截止阀，12-气液分离器，13-控制阀，14-旁通管路，15-温度传感器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语 “前”、“后”、 “顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
[空气源热泵的运行原理]
空气源热泵的换热回路主要包括压缩机01、气液分离器12、室内换热器10、室外换热器、节流元件等部分，其中节流元件包括室内节流元件09和室外节流元件06。
当空气源热泵处于制热模式时，参照图1，压缩机01开启，高温高压的冷媒蒸气由压缩机01的排出口排出，经过气液分离器12后通过四通换向阀02进入室内换热器10中进行热交换，放出热量后变成中温高压的冷媒液体，经过室内节流元件09降压后变成低温低压的气液两相混合物，再进入室外换热器主换热管路04中蒸发吸热变成低温低压的冷媒蒸汽，然后通过四通换向阀02进入气液分离器12，并流回压缩机01的吸气端，从而完成制热模式下的冷媒循环。
当空气源热泵处于制冷模式时，参照图2，冷媒循环的流向与制热模式时正好相反，不再赘述。
[性能辅助管路、旁通管路]
换热回路上串联有性能辅助管路07，性能辅助管路07的一端与室内换热器10连接，另一端与室外换热器连接，性能辅助管路设于室外换热器的底部。
换热回路上还设有旁通管路14，其与性能辅助管路07并联，旁通管路14上设有控制阀13。
参照图1，制热时，控制阀13开启，从室内换热器10流出的换热介质（冷媒）一部分流经性能辅助管路07，另一部分流经旁通管路14，从性能辅助管路07和旁通管路14流出的冷媒合流后再一起流向室外换热器主换热管路04。
具体而言，四通换向阀02为ON，空气源热泵进行制热循环，冷媒的流向依次是：a）压缩机01排出的高温高压的气态冷媒通过四通换向阀02、气侧截止阀11进入室内换热器10冷凝成中温高压的液态冷媒；b）液态冷媒从室内节流元件09流出经过液侧截止阀08，在性能辅助管路07前分流；c）一部分冷媒进入性能辅助管路07放出热量进一步冷凝，保持室外换热器底部的高温，一部分冷媒通过旁通管路14；d）两路冷媒在室外节流元件06前合流，进入室外换热器主换热管路04中蒸发为低压气态冷媒；e）低压气态冷媒通过四通换向阀02流入气液分离器12，被吸入压缩机01的吸气端，完成整个制热循环。
旁通管路14的设置使得只有一部分冷媒流入性能辅助管路07内冷凝放热以防止室外换热器底部结霜和防冻结，而另一部分冷媒则直接从旁通管路14流向室外换热器，以减少冷媒通过性能辅助管路07散发到外部环境中的热量，达到减少热量浪费的目的。
参照图2，制冷时，控制阀13关闭，从室外换热器流出的冷媒全部经性能辅助管路07流向室内换热器10。
具体而言，四通换向阀02为OFF，空气源热泵进行制冷循环，冷媒的流向依次是：a）压缩机01排出的高温高压的气态冷媒通过四通换向阀02进入室外换热器主换热管路04中；b）冷媒在室外换热器主管管路04中放出热量冷却并冷凝为中温高压的液态冷媒；c）各管路的液态冷媒汇合从室外节流元件06流出，由于旁通控制阀13的阻挡，冷媒无法通过旁通管路14，全部进入性能辅助管路07；d）冷媒在性能辅助管路07中进一步放热冷凝后进入室内单元；e）中温高压的液态冷媒进入室内换热器10蒸发成低温低压的气态冷媒；f）低温低压气态冷媒经气侧截止阀11、四通换向阀02流入气液分离器12，被吸入压缩机01的吸气端，完成整个制冷循环。
制冷时，中温高压的液态冷媒由室外换热器主换热管路04（管路数较多）汇合流入性能辅助管路07（管路数较少），流路减少从而使冷媒流速增大，换热效率增加，冷媒在性能辅助管路07进一步冷却，过冷度得到提升，增大制冷能力。
除霜时冷媒的走向与制冷工况相同，不再赘述。
除霜运行时产生的化霜水通过接水盘（未图示）流出，但是当室外环境温度较低（＜0℃）时，水还未完全流出便发生结冰，并且随着除霜次数的增加冰层逐渐增厚，这造成室外换热器翅片发生堵塞，影响换热器正常换热，***能力降低，甚至会发生***故障。性能辅助管路07的设置可以防止除霜时上部霜层融化产生的水在下部冻结，进而防止随着除霜次数的增加而造成的冰层累积。
本申请中性能辅助管路07和旁通管路14的设置，在制冷时可提高过冷度，提高空气源热泵的制冷能力；制热时，能够防止室外换热器底部结霜和冻结，同时减少热量浪费，提高空气源热泵的制热能力以及能效。
本申请中的性能辅助管路07具有两种设置方式。
方式一，参照图3，性能辅助管路07具有多根，多根性能辅助管路07并联，多根性能辅助管路07设于室外换热器的迎风侧R1排的底部。
方式二，参照图4，性能辅助管路07具有多根，多根性能辅助管路07串联，多根性能辅助管路07设于室外换热器的迎风侧R1排的底部。
当空气源热泵制热时，室外空气经过性能辅助管路07后被加热，空气温度升高增大了性能辅助管路07的后排（即R2、R3排）主换热管路04中冷媒与空气的换热温差，冷媒蒸发吸热将一部分热量回收，进一步减少了部分热量损失。
将性能辅助管路07设置在迎风侧的底部可最大限度地减少热量浪费还能实现最佳的防冻防结霜效果。
（1）制热时我们希望室外换热器从空气侧吸收热量，而性能辅助管路07是在制热时释放热量（为了防结霜防冻），所以会有热量浪费。若将性能辅助管路07放在最外侧，空气经过性能辅助管路07时会被性能辅助管路07放出的热量加热，然后被加热的空气经过性能辅助管路07的内侧的主换热管路（即R2、R3排）时会被吸收一部分热量回去，相当于可以热量回收，减少热量的浪费，也就减少了压缩机的做功；
（2）将性能辅助管路07放在最外侧加热空气之后，空气的温度升高、相对湿度变低，这样性能辅助管路07的内侧的主换热管路（即R2、R3排）也不会结霜，若将性能辅助管路放在R2或R3排则无法保证外侧的换热管路不结霜。性能辅助管路07的数量需要综合考虑制冷时冷媒在性能辅助管路07中产生的压损与制热时的散热损失。本实施例中性能辅助管路07的数量为非零的偶数根，本实施例中设置为4根，，图3和图4中以4根为例进行图示。
继续参照图1，节流元件包括室内节流元件09和室外节流元件06。
室内节流元件09设于室内换热器10和性能辅助管路07之间，室内节流元件09同时与旁通管路14串联。室外节流元件06设于室外换热器主换热管路04和性能辅助管路07之间，室外节流元件同时与旁通管路14串联。
制热时，从室内换热器10流出的中温高压的液态冷媒经室内节流元件09流向液侧截止阀08，从性能辅助管路07和旁通管路14流出的两路冷媒在室外节流元件06前合流，经过室外节流元件06节流至低压两相状态，而后再进入到室外换热器主换热管路04。
来自室内侧的冷媒先经过性能辅助管路07再经过室外节流元件06蒸发，性能辅助管路07中的冷媒为中温高压状态，在性能辅助管路07中进一步释放热量，使性能辅助管路07一直保持较高的温度（＞0℃），可以在室外环境温度低于0℃的环境中制热运行时保证换热器底部不会结霜。
制冷时，从室外换热器流出的冷媒经室外节流元件06流向性能辅助管路07，从性能辅助管路07流出的中温高压的液体冷媒经室内节流元件09节流后进入室内换热器10。
继续参照图1，室外换热器主换热管路04与室外节流元件06之间设有分流器05，室外换热器主换热管路04与压缩机01之间设有分流毛细管03。
本申请一些实施例中，性能辅助管路07靠近室外节流元件06的一端设有温度传感器15，实时监测制热工况时性能辅助管路07出口处的温度Tx，控制制热工况下性能辅助管路07的出口冷媒温度Tx保持在设定温度范围（a，b）内，以保证室外换热器底部不会结霜或冻结。
本申请一些实施例中，控制阀13为单向阀/电磁阀/电子膨胀阀，图1和图2中所示的控制阀13为电子膨胀阀。
控制阀13采用电子膨胀阀时，通过控制电子膨胀阀的开度，针对不同的工况环境精确调节通过旁通管路14的冷媒流量，保证室外换热器底部不会结霜的同时，可以降低制热工况时冷媒在性能辅助管路07的散热损失，减少热量浪费，提高空气源热泵的制热能力。
以下对空气源热泵制热时的控制方法进行详述，参照图5，控制阀13采用电子膨胀阀。
（1）***制热运行开始后，旁通管路14上的电子膨胀阀（即控制阀13）EVS设置初始开度；
（2）周期性检测过性能辅助管路07出口冷媒温度Tx；
（3）判断是否Tx≥b℃，若是，则执行（4）；若否，则执行（7）；
（4）判断是否EVS(n)+△EVS＜EVSmax，其中，EVS(n) 表示膨胀阀当前的开度，△EVS表示膨胀阀开度的单位变化量，EVSmax表示膨胀阀开度的最大值；
若是，则执行（5）；若否，则执行（6）；
（5）控制膨胀阀的开度至：EVS(n+1)=EVS(n)+△EVS，然后在下个周期后重新执行（2）；
（6）控制膨胀阀的开度至：EVS(n+1)=EVSmax，然后在下个周期后重新执行（2）；
（7）判断是否Tx≤a℃，若是，则执行（8）；若否，则在下个周期后重新执行（2）；
（8）判断是否EVS(n)-△EVS＞EVSmin，其中，EVSmin表示膨胀阀开度的最小值，具体可以是关闭状态即开度为零；
若是，则执行（9）；若否，则执行（10）；
（9）控制膨胀阀的开度至：EVS(n+1)=EVS(n)-△EVS，然后在下个周期后重新执行（2）；
（10）控制膨胀阀的开度至：EVS(n+1)=EVSmin，然后在下个周期后重新执行（2）。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种空气源热泵，包括：
换热回路，所述换热回路包括压缩机、室内换热器、室外换热器以及节流元件；
其特征在于，所述空气源热泵还包括：
性能辅助管路，其串联于所述换热回路上，所述性能辅助管路的一端与所述室内换热器连接，另一端与所述室外换热器连接，所述性能辅助管路设于所述室外换热器的底部；
旁通管路，其与所述性能辅助管路并联，所述旁通管路上设有控制阀；
制热时，所述控制阀开启，从所述室内换热器流出的换热介质一部分流经所述性能辅助管路，另一部分流经所述旁通管路，从所述性能辅助管路和所述旁通管路流出的换热介质合流后再一起流向所述室外换热器；
制冷时，所述控制阀关闭，从所述室外换热器流出的换热介质全部经所述性能辅助管路流向所述室内换热器。
2.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于,
所述性能辅助管路具有多根，多根所述性能辅助管路并联，多根所述性能辅助管路设于所述室外换热器的迎风侧的底部。
3.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于,
所述性能辅助管路具有多根，多根所述性能辅助管路串联，多根所述性能辅助管路设于所述室外换热器的迎风侧的底部。
4.根据权利要求2或3所述的空气源热泵，其特征在于,
所述性能辅助管路的数量为非零的偶数。
5.根据权利要求4所述的空气源热泵，其特征在于,
所述性能辅助管路的数量为4根。
6.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于,
所述节流元件包括室内节流元件和室外节流元件；
所述室内节流元件设于所述室内换热器和所述性能辅助管路之间，所述室内节流元件同时与所述旁通管路串联；
所述室外节流元件设于所述室外换热器和所述性能辅助管路之间，所述室外节流元件同时与所述旁通管路串联。
7.根据权利要求6所述的空气源热泵，其特征在于,
所述室外换热器与所述室外节流元件之间设有分流器，所述室外换热器与所述压缩机之间设有分流毛细管。
8.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于,
所述性能辅助管路靠近所述室外节流元件的一端设有温度传感器。
9.根据权利要求1所述的空气源热泵，其特征在于,
所述控制阀为单向阀/电磁阀/电子膨胀阀。
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