一种空调设备热泵系统及空调设备的制作方法

[0001]
本实用新型涉及空调设备技术领域，尤其涉及一种空调设备热泵系统及空调设备。


背景技术：

[0002]
空调设备在冬季进行制热运行的过程中，室外侧空气换热器作为蒸发器，由于环境温度较低，室外侧空气换热器的表面温度也随之下降，当室外侧空气换热器的表面温度低于周围空气的露点温度且低于0℃时，当室外空气流经室外侧换热器时，被冷却空气中的水分就会析出，于是在室外侧空气换热器上形成霜层。由于霜层的存在，一则空气换热器表面的换热系数降低，二则铜管间隙减小风阻增大，均导致空气换热器传热效果降低，空调设备不得不启动化霜模式。尤其是在湿度较高的南方地区，冬季供暖室外机结霜频繁，由于化霜机制设计缺陷，化霜时间长，导致系统总体无法满足供暖需求。目前市场上的空调器通常采用四通阀将空调模式切换为制冷模式进行除霜，室外侧空气换热器作为冷凝器，室内侧停止制热，并从室内侧吸取热量，除霜周期一般为7-10min，使得室内温度产生较大波动，室内的舒适性大大降低；同时由于高压侧完全处于结霜空气换热器的低温域中，无法形成有效的高压，因此冷媒循环流量极低，产生的热量极小，化霜时间被大大拉长。
[0003]
因此，本领域亟需一种空调设备热泵系统及空调设备。
[0004]
有鉴于此，提出本实用新型。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型的目的在于提供一种空调设备热泵系统及空调设备，以解决上述至少一个技术问题。
[0006]
具体的，本实用新型提供了一种空调设备热泵系统，包括主换热器，所述主换热器的一侧设置有通水管和出水管，所述通水管上设置有水循环泵，所述空调设备热泵系统还包括有储液器、吸气总管和至少两组换热单元，所述换热单元包括电子膨胀阀、空气换热器、电磁三通阀、工作压缩机、工作单向阀和制热电磁阀，所述主换热器的另一侧通过管路顺序连接有储液器、电子膨胀阀、空气换热器、电磁三通阀、吸气总管、工作压缩机、工作单向阀、制热电磁阀，形成制热回路，所述电子膨胀阀并联设置有化霜单向阀，所述电磁三通阀的第三端与工作单向阀、制热电磁阀之间的管路连通，所述吸气总管、工作压缩机、工作单向阀、电磁三通阀、空气换热器、化霜单向阀、储液器通过管路连接，形成化霜支路。
[0007]
其中，使用制热回路时，所述电子膨胀阀、制热电磁阀、工作压缩机开启，所述电磁三通阀连通所述空气换热器与所述吸气总管；使用化霜支路时，所述电子膨胀阀、制热电磁阀关闭，所述化霜支路中，所述工作压缩机抽取所述吸气总管的气态冷媒，经过所述空气换热器冷凝液化流入所述储液器。
[0008]
采用上述方案，所述制热回路中，所述工作压缩机推动管路中的冷媒的流动，在所述空气换热器液态冷媒蒸发吸热，在所述主换热器气态冷媒冷凝放热，与另一侧的水流逆
向换热，将热量传递到出水管的水中，所述出水管与通水管之间可以连接其他换热器，利用其他换热器实现室内供暖；所述化霜支路抽取吸气总管的气态冷媒，使其在所述空气换热器放热冷凝，从而实现化霜，所述换热单元至少两组，可以在开启化霜支路的同时也保证有制热回路正在运行，以便在不间断制热的情况下，利用室外吸收的热量对室外结霜的空气换热器进行化霜，利用精确控温算法pid，通过电子膨胀阀与工作压缩机的配合，实现工作压缩机的最佳能效，使系统长期运行在非全载工况，除了可以将吸气压力提高到极致，使工作压缩机的能效最大化外，还能保证多个空气换热器的蒸发面积，实现空气换热器的最小空气换热温差，即使所述空气换热器的表面温度保持较高水平，有效降低结霜速量，减少化霜次数，甚至于当表面温度高于环境露点温度时，避免结霜现象的出现；所述吸气总管汇集气态冷媒，所述化霜支路抽取吸气总管的热量，而非用户水循环系统的热量，对用户侧控温没有显著影响，保证正常制热工作；经至少一个制热回路的工作压缩机抽取吸取吸气总管的冷媒并压缩，其中一个工作压缩机出故障时也能正常运行，保证冷媒通过所有的空气换热器中，保证最大蒸发面积，保证效能比，提高容错率；所述工作单向阀防止气态冷媒反向流入工作压缩机，对工作压缩机造成损害。
[0009]
优选地，所述主换热器是板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器。
[0010]
进一步地，所述工作压缩机至少一个为变容量压缩机。
[0011]
优选地，所述工作压缩机至少一个为数码涡旋压缩机。
[0012]
采用上述方案，所述变容量压缩机可以采用变频技术、多级控制系统、数码涡旋技术等，实现对总体制热/冷量的精确调节。
[0013]
进一步地，所述吸气总管与所述主换热器之间还连接有辅助压缩机和辅助单向阀，所述辅助压缩机为变容量压缩机。
[0014]
采用上述方案，所述辅助单向阀防止气态冷媒回流到所述辅助压缩机中，所述辅助压缩机利用变容量技术调节总制热量调节。
[0015]
优选地，所述换热单元设置为四组。
[0016]
采用上述方案，选择一个化霜支路进行化霜时，其余三组制热回路能保证较好的制热效果，压缩机有较好的效能。
[0017]
进一步地，所述主换热器与所述储液器之间的管路中连接有制冷膨胀阀，所述储液器与所述主换热器的另一端通过管路连接，并且管路中设置有制冷单向阀，所述制冷单向阀与所述主换热器的管路之间形成支路，所述支路与所述吸气总管连通，所述支路上设置有制冷电磁阀。
[0018]
其中，当所述制冷电磁阀、电磁三通阀开启，所述制热电磁阀、电子膨胀阀关闭，所述主换热器、制冷电磁阀、吸气总管、工作压缩机、工作单向阀、电磁三通阀、空气换热器、化霜单向阀、储液器、制冷膨胀阀顺序连接，形成制冷回路，使冷媒反向流动，在所述主换热器蒸发吸热；所述制冷单向阀用于防止冷媒回流到所述主换热器，所述电磁三通阀连通所述工作单向阀和所述空气换热器，所述制冷膨胀阀与工作压缩机配合调节制冷量。
[0019]
采用上述方案，所述空调设备热泵系统通过对所述电磁三通阀、制热电磁阀、电子膨胀阀、制冷膨胀阀、制冷电磁阀的开关控制，改变冷媒的流向，在可以运行制热工况的同时也能进行制冷，实现冷暖双重功效。
[0020]
进一步地，所述空气换热器相对设置有换热风扇。
[0021]
采用上述方案，所述换热风扇加快所述空气换热器表面空气流动，提高换热速率。
[0022]
进一步地，所述空调设备热泵系统还包括控制系统，所述控制系统包括主控制器及与其电性连接的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第一压力传感器，所述第一温度传感器用于测量通水管温度t01，所述第二温度传感器用于测量所述空气换热器管路出口温度t21，所述第三温度传感器用于测量空气换热器表面出风侧温度ts，所述第一压力传感器用于测量吸气总管压力p10。
[0023]
采用上述方案，获取在制热回路与化霜回路中需要的温度与压力的参数，便于在制热回路中进行化霜控制。
[0024]
进一步地，所述主控制器还电性连接有第四温度传感器，所述第四温度传感器用于测量主换热器的出口管路温度t20。
[0025]
采用上述技术方案，便于测量回路中的温度数据，便于制冷控制。
[0026]
进一步地，所述主控制器还电性连接有第五温度传感器和第六温度传感器，所述第五温度传感器用于测量室外空气温度t0，所述第六温度传感器用于测量出水管温度。
[0027]
采用上述方案，便于获取用户侧获取的制冷量或制热量，以便更精准进行温度调节，及时发现故障。
[0028]
进一步地，所述主控制器还电性连接有第七温度传感器、第二压力传感器、第三压力传感器，所述第七温度传感器用于测量吸气总管的温度，所述第二压力传感器用于测量工作压缩机的排气压力，所述第三压力传感器用于测量辅助压缩机的排气压力。
[0029]
采用上述方案，便于获取各项数据，以便对压缩机的性能进行更好地评测和控制。
[0030]
本实用新型另一方面提供了一种空调设备，所述空调设备包括如上所述的空调设备热泵系统，由于所述空调设备热泵系统具有上述技术效果，空调设备也应具有相应的技术效果。
[0031]
综上所述，本实用新型具有以下有益效果：
[0032]
1、所述化霜支路抽取吸气总管的气态冷媒，使其在所述空气换热器放热冷凝，从而实现化霜，所述换热单元至少两组，可以在开启化霜支路的同时也保证有制热回路正在运行，以便在不间断制热的情况下，利用室外吸收的热量对室外结霜的空气换热器进行化霜；
[0033]
2、利用精确控温算法pid，通过电子膨胀阀与工作压缩机的配合，实现工作压缩机的最佳能效，使系统长期运行在非全载工况；
[0034]
3、所述空调设备热泵系统除了可以将吸气压力提高到极致，使工作压缩机的能效最大化外，还能保证多个空气换热器的蒸发面积，实现空气换热器的最小空气换热温差，使所述空气换热器的表面温度保持较高水平，有效降低结霜速量，减少化霜次数，甚至于当表面温度高于环境露点温度时，避免结霜现象的出现；
[0035]
4、所述吸气总管汇集气态冷媒，所述化霜支路抽取吸气总管的热量，而非用户水循环系统的热量，对用户侧控温没有显著影响，保证正常制热工作；经至少一个制热回路的工作压缩机抽取吸取吸气总管的冷媒并压缩，其中一个工作压缩机出故障时也能正常运行，除正在被化霜的空气换热器外，所有的空气换热器参与蒸发吸热，保证最大蒸发面积，保证效能比，提高容错率，同时最大限度从环境空气中吸取热能，保证了化霜的快速进行。
29，所述主换热器11的另一侧通过管路顺序连接有储液器21、电子膨胀阀23、空气换热器 24、电磁三通阀25、吸气总管26、工作压缩机27、工作单向阀28、制热电磁阀29，形成制热回路，所述电子膨胀阀23并联设置有化霜单向阀22，所述电磁三通阀25的第三端与工作单向阀28、制热电磁阀29之间的管路连通，所述吸气总管26、工作压缩机27、工作单向阀28、电磁三通阀25、空气换热器24、化霜单向阀22、储液器21通过管路连接，形成化霜支路。
[0054]
其中，使用制热回路时，所述电子膨胀阀23、制热电磁阀29、工作压缩机27开启，所述电磁三通阀25连通所述空气换热器24与所述吸气总管26；使用化霜支路时，所述电子膨胀阀23、制热电磁阀29关闭，所述化霜支路中，所述工作压缩机27抽取所述吸气总管 26的气态冷媒，经过所述空气换热器24冷凝液化流入所述储液器21。
[0055]
采用上述方案，如图2所示，所述换热单元至少两组，所述空调设备热泵系统可以包括两个换热单元，即所述化霜单向阀22包括第一单向阀221、第二单向阀222，所述电子膨胀阀23包括第一膨胀阀231、第二膨胀阀232，所述空气换热器24包括第一换热器241、第二换热器242，所述电磁三通阀25包括第一三通阀251、第二三通阀252，所述制热电磁阀 29包括第一电磁阀291、第二电磁阀292；所述制热回路中，所述工作压缩机27推动管路中的冷媒的流动，在所述空气换热器24液态冷媒蒸发吸热，在所述主换热器11气态冷媒冷凝放热，与另一侧的水流逆向换热，将热量传递到出水管14的水中，所述出水管14与通水管13之间可以连接水箱、其他换热器，利用其他换热器实现室内供暖。
[0056]
如图3所示，当对第一换热器241进行化霜时，所述第一换热器241使用化霜支路，即所述第一膨胀阀231、第一电磁阀291关闭，所述第一三通阀251连通工作单向阀28与第一换热器241，所述化霜支路中工作压缩机27抽取吸气总管26的气态冷媒，经所述第一换热器241冷凝液化放热流入所述储液器21；此时，第二换热器242处于制热回路，即所述第二膨胀阀232、第二电磁阀292、工作压缩机27开启，所述第二三通阀252连通所述第二换热器242与所述吸气总管26，所述工作压缩机27抽取所述吸气总管26的气态冷媒，经主换热器11冷凝液化放热，液态冷媒流入储液器21，再经过所述第二换热器242蒸发汽化吸热后，流入所述吸气总管26，可以在开启化霜支路的同时也保证有制热回路正在运行，以便在不间断制热的情况下，利用室外吸收的热量对室外结霜的空气换热器24进行化霜。
[0057]
本实用新型利用精确控温算法pid，通过电子膨胀阀23开度与工作压缩机27开启数量的配合，实现工作压缩机27的最佳能效，使系统长期运行在非全载工况，除了可以将吸气压力提高到极致，使工作压缩机27的能效最大化外，还能保证多个空气换热器24的蒸发面积，实现空气换热器24的最小空气换热温差，即所述空气换热器的表面温度保持较高水平，有效降低结霜速度，减少化霜次数，甚至于当表面温度高于环境露点温度时，避免结霜现象的出现；所述吸气总管26汇集气态冷媒，所述化霜支路抽取吸气总管26的热量，而非用户水循环系统的热量，对用户侧控温没有显著影响，保证正常制热工作；经至少一个制热回路的工作压缩机27抽取吸取吸气总管26的冷媒并压缩，其中一个工作压缩机27出故障时也能正常运行，保证冷媒通过所有的空气换热器24中，保证最大蒸发面积，保证效能比，提高容错率；所述工作单向阀28防止气态冷媒反向流入工作压缩机27，对工作压缩机27造成损害。
[0058]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述主换热器11可以是板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器。
[0059]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述工作压缩机27至少一个为变容量压缩机。
[0060]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述工作压缩机27至少一个为数码涡旋压缩机。
[0061]
采用上述方案，所述变容量压缩机可以采用变频技术、多级控制系统、数码涡旋技术等，实现对总体制热/冷量的精确调节。
[0062]
参考图4，在本实用新型的一个优选实施方式中，所述吸气总管26与所述主换热器11 之间还连接有辅助压缩机31和辅助单向阀32，所述辅助压缩机31为变容量压缩机。
[0063]
采用上述方案，所述辅助单向阀32防止气态冷媒回流到所述辅助压缩机31中，所述辅助压缩机31利用变容量技术调节总制热量。
[0064]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述换热单元设置为四组。
[0065]
采用上述方案，选择一个化霜支路进行化霜时，其余三组制热回路能保证较好的制热效果，压缩机有较好的效能。
[0066]
参考图5，在本实用新型的一个优选实施方式中，所述主换热器11与所述储液器21之间的管路中连接有制冷膨胀阀42，所述储液器21与所述主换热器11的另一端通过管路连接，并且管路中设置有制冷单向阀41，所述制冷单向阀41与所述主换热器11的管路之间形成支路，所述支路与所述吸气总管26连通，所述支路上设置有制冷电磁阀43。
[0067]
其中，当所述制冷电磁阀43、电磁三通阀25开启，所述制热电磁阀29、电子膨胀阀 23关闭，所述主换热器11、制冷电磁阀43、吸气总管26、工作压缩机27、工作单向阀28、电磁三通阀25、空气换热器24、化霜单向阀22、储液器21、制冷膨胀阀42顺序连接，形成制冷回路，使冷媒反向流动，在所述主换热器11蒸发吸热；所述制冷单向阀41用于防止冷媒回流到所述主换热器11，所述电磁三通阀25连通所述工作单向阀28和所述空气换热器24，所述制冷膨胀阀42与工作压缩机27配合调节制冷量。
[0068]
采用上述方案，所述空调设备热泵系统通过对所述电磁三通阀25、制热电磁阀29、电子膨胀阀23、制冷膨胀阀42、制热电磁阀29的开关控制，改变冷媒的流向，在提供制热功能的同时也能进行制冷，实现冷暖双重功效。
[0069]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述空气换热器24相对设置有换热风扇。
[0070]
采用上述方案，所述换热风扇加快所述空气换热器24表面空气流动，提高换热速率。
[0071]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述空调设备热泵系统还包括控制系统，所述控制系统包括主控制器及与其电性连接的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第一压力传感器，所述第一温度传感器用于测量通水管13温度t01，所述第二温度传感器用于测量所述空气换热器24管路出口温度t21，所述第三温度传感器用于测量空气换热器24表面出风侧温度ts，所述第一压力传感器用于测量吸气总管26压力p10，其中，ts 指所述空气换热器24出风温度，t21指所述空气换热器24冷媒出口方向管路内的冷媒温度。
[0072]
采用上述方案，获取在制热回路与化霜回路中需要的温度与压力的参数，便于在制热回路中进行化霜控制。
[0073]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述主控制器还电性连接有第四温度传感
p10对应的饱和温度；
[0090]
判断蒸发过热度sh1超过预设值，则增大调节电子膨胀阀23开度v21，若sh1低于预设值，则减小调节电子膨胀阀23开度v21。
[0091]
在具体实施过程中，te1可通过查表法得到，sh1的预设值通常在5℃左右，电子膨胀阀23开度v21＝v*(1+dv1)，其中v是当前压缩机的实际加载量，dv1是设置的调整量，初始值为0，可在
±
50％范围内变化，当sh1偏高时，适度增大dv1，当sh1偏小时，适度减小dv1，判断周期可设置在3～5秒左右，dv1单次调整量可设置在2％左右。
[0092]
参考图7，本实用新型提供了一种制冷控制方法，包括以下步骤：
[0093]
s201.连通所述制冷回路，关闭其他通路；
[0094]
s202.接收通水管温度t01和用户设定温度tset，计算温差dt＝t01-tset，利用pid算法计算输出量mv＝pid(dt)；
[0095]
s203.根据输出量mv换算压缩机需要开启的数量和/或加载比例；
[0096]
s204.通过控制所述制冷膨胀阀42的开度控制所述主换热器11的蒸发过热度在预设值。
[0097]
在具体实施过程中，所述主换热器11的蒸发过热度sh20＝t20
–
te1，其中t20为主换热器11的出口管路温度，te1是吸气总管(26)压力p10对应的饱和温度，调节所述制冷膨胀阀42开度的方法与调节所述电子膨胀阀23开度的方法相似。
[0098]
参考图8，本实用新型还提供了一种除霜控制方法，包括以下步骤：
[0099]
s310.根据空气换热器24综合换热效果判定空气换热器24是否结霜；
[0100]
s320.根据电子膨胀阀23开度和/或空气换热器24表面出风侧温度ts判别出结霜的空气换热器24；
[0101]
s330.选择不超过半数且判别为结霜的空气换热器24所在制热回路切换为化霜支路；
[0102]
s340.该空气换热器24化霜结束切换为制热回路。
[0103]
采用上述方案，可以根据空气换热器综合换热性能判断是否结霜，可以根据电子阀开度反应空气换热器换热性能的原理及表面出风侧温度ts，进行判定哪个换热器结霜，利用上述空调设备热泵系统进行制热和化霜，根据条件进行转换。
[0104]
参考图9，在本实用新型的一个优选实施方式中，所述s310.根据空气换热器24综合换热效果判定空气换热器24是否结霜包括以下步骤：
[0105]
s311.接收所述空气换热器24外部的空气温度t0，吸气总管26压力p10；
[0106]
s312.计算所述空气换热器24的总体综合换热系数k，k＝v*p10/(t0
–
te1)，其中，v是当前压缩机的实际加载量，te1是吸气总管26压力p10对应的饱和温度；例如当 pid算法得出需要整改压缩机系统提供的输出量mv为70％，而实际情况为四个相同的定容量的压缩机只开启3个，则实际加载量v为75％。
[0107]
s313.判断k是否低于阈值kset，若是，s314.判断空气换热器24结霜。
[0108]
在具体实施过程中，te1可通过查表法得到，p10为吸气总管26压力，即压缩机吸气压力，总换热量q与v*p1成正比，在一个特定的环境温度t0条件下，干净的换热器表面可以获得最高的k值。随着换热器表面被霜覆盖，换热能力变差，由于冷媒蒸发量减少，压缩机吸气压力p10下降，对应的饱和蒸发温度te1也下降，共同推动k值下降。
[0109]
采用上述方案，利用k值量化空气换热器24的换热性能，及时发现空气换热器24的结霜情况，利用气态冷媒的热量对其进行化霜。
[0110]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述阈值kset＝kp*km，其中，kp为设定结霜程度门限比例，km为该所述空气换热器24的k的最大值。
[0111]
采用上述方案，所述km可采用动态统计记录不同室外温度t0下的最大k值，人为设定 kp，如当kp为70％时，认为当该空气换热器24换热效果降为70％以下时，空气换热器24 结霜，该结霜影响到正常制热，需要进行化霜。在本实用新型的一个优选实施方式中，所述 s320.根据电子膨胀阀23开度和/或空气换热器24表面出风侧温度ts判别出结霜的空气换热器24包括以下步骤：
[0112]
s321.接收各空气换热器24表面出风侧温度ts；
[0113]
s322.判断ts是否低于0℃，若是，s323.判断该空气换热器24结霜。
[0114]
采用上述方案，根据出风侧温度，准确判断所述空气换热器24是否结霜。
[0115]
参考图10，在本实用新型的一个优选实施方式中，所述s320.根据电子膨胀阀23开度和/或空气换热器24表面出风侧温度ts判别出结霜的空气换热器24包括以下步骤：
[0116]
s324.判断某个电子膨胀阀23的开度与其他电子膨胀阀23的开度的差值是否低于阈值，若是，s325.判别与该电子膨胀阀23串联的空气换热器24结霜。例如，某个电子膨胀阀23 开度为50％，其他电子膨胀阀23的开度为58％，65％，63％，预设阈值为-10％，则只要有一个差值50％-65％＝-15％，超过-10％，则认为与其串联的空气换热器24结霜严重，结霜严重程度按开度从小到大排序。
[0117]
在具体实施过程中，可以将空气换热器24表面出风侧温度ts与电子膨胀阀23开度同时进行判断，判断某个空气换热器24的表面出风侧温度ts是否低于0℃且与其串联的电子膨胀阀23的开度与其他电子膨胀阀23的开度的差值是否低于阈值，若是，判断该空气换热器24结霜。
[0118]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述除霜控制方法，包括以下步骤：
[0119]
s331.在判断结霜的所述空气换热器24中，选择结霜最严重的空气换热器24进行除霜，所述结霜最严重为相应电子膨胀阀23开度最小或表面出风侧温度ts最低。
[0120]
采用上述方案，只选择一个结霜最严重的进行化霜，最小限度地降低对整体制热的影响，确定优先次序，更快恢复整体制热效率。在每个空气换热器过热度控制目标相同(5℃左右) 的前提下，相应电子膨胀阀23开度最小的空气换热器结霜最严重，空气换热器24表面出风侧温度ts越低的结霜最严重。
[0121]
在本实用新型的一个优选实施方式中，所述除霜控制方法，包括以下步骤：
[0122]
在化霜过程中，判断环境空气温度t0及空气换热器表面温度ts是否均超过0℃，若是，启动换热风扇，若否，关闭换热风扇。
[0123]
采用上述方案，关闭换热风扇，便于化霜过程中将温度集中用于化霜，开启换热风扇，便于化霜过程中将空气换热器表面融水吹除。
[0124]
应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

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