一种预热型空气源热泵抑霜系统及抑霜方法转让专利
申请号 : CN202010587895.9
文献号 : CN111678278B
文献日 : 2021-11-09
发明人 : 王智伟 , 王笙 , 魏鹏 , 岳泓辰
申请人 : 西安建筑科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种预热型空气源热泵抑霜方法,其特征在于,预热型空气源热泵抑霜系统,包括显热交换器(1)、预热混合箱(2)、风管(3)、空气源热泵室外机(9)和空气源热泵室内机(10),显热交换器(1)与预热混合箱(2)通过风管(3)连通;空气源热泵室外机(9)与空气源热泵室内机(10)通过制冷剂管道(11)连通,组成空气源热泵机组;
室内空气从室内风进口(4)进入显热交换器(1),进行热交换后从室内风出口(5)被送回到室内;室外空气从室外风进口(6)通过风管(3)进入显热交换器(1)进行热交换后成为预热空气,通过风管(3)从室外风出口(7)进入预热混合箱(2),与另一部分从预热混合箱进口(8)进入的室外空气混合,然后进入空气源热泵室外机(9)进行换热;
控制系统根据温湿度传感器(12)获取室内外环境参数,对显热交换器(1)进行预热风量比调节,让室外空气与室内空气在显热交换器(1)中进行间壁式显热交换,实现抑霜系统的抑霜;
所述预热风量比为显热交换器的风量与空气源热泵室外机进风量的比值;
根据室外参数条件进行预热风量比的调节,包括以下步骤:
1)温湿度传感器监测室内空气温度tn和相对湿度 室外空气温度ta和相对湿度
2)控制系统根据温湿度传感器监测值判定室外空气参数是否处于结霜区:若ta<6℃且则进入步骤3),否则继续监测,间隔时间T后重复本步骤的判断;
3)控制系统启动显热交换器进行预热,并根据下式(1)、(2)计算空气源热泵室外机入口混合后空气温度tx和相对湿度
其中,tx为空气源热泵室外机入口混合后空气温度; 为空气源热泵室外机入口混合后空气相对湿度;θi为可调节的预热风量比,ρr为预热空气密度;hr为预热空气焓值;ρa为室外空气密度;ha为室外空气焓值;ωa为室外空气含湿量;ωbx为tx温度下饱和湿空气含湿量;
4)根据下式(3)计算当前室外参数条件下空气源热泵室外机的结霜速率:其中,vi为当前室外参数条件下预热风量比为θi时室外空气的结霜速率,k1~k5为拟合得到的系数;
5)若室外空气的结霜速率vi≤0.05mm/h,则输出此时的可调节的预热风量比θi为显热交换器风量调节值;
若vi>0.05mm/h,则i=i+1,代入θ'i=i+1重复进行步骤3)‑5);
若已计算得到θi=6=30%时室外空气的结霜速率vi=6,且vi=6>0.05mm/h,则输出θi=6=
30%为此时显热交换器预热风量比调节值;
6)间隔时间T后,重复步骤1)‑5)。
2.根据权利要求1所述的一种预热型空气源热泵抑霜方法,其特征在于,所述步骤3)中,所述室外空气含湿量ωa计算如下:其中, 为室外空气相对湿度,ωba为ta温度下饱和湿空气含湿量;
由室外空气含湿量ωa得到预热空气含湿量ωr,由室外空气温度ta和室内空气温度tn计算得到预热空气温度tr如下:
ωr=ωa;tr=η·(tn‑ta)+ta其中,η为显热交换器的温度交换效率。
3.根据权利要求1所述的一种预热型空气源热泵抑霜方法,其特征在于,所述步骤3)中,所述预热空气密度ρr计算如下:其中,tr是预热空气温度;ωr是预热空气含湿量;
所述室外空气密度ρa计算如下:
4.根据权利要求1所述的一种预热型空气源热泵抑霜方法,其特征在于,所述步骤3)中,所述预热空气焓值hr计算如下:hr=1.01tr+ωr·(2500+1.84tr)其中,tr是预热空气温度;ωr是预热空气含湿量;
所述室外空气焓值ha计算如下:
ha=1.01ta+ωa·(2500+1.84ta)。
5.根据权利要求1所述的一种预热型空气源热泵抑霜方法,其特征在于,所述步骤6)中,间隔时间T为30‑60min。
6.一种预热型空气源热泵抑霜系统,其特征在于,包括显热交换器(1)、预热混合箱(2)、风管(3)、空气源热泵室外机(9)和空气源热泵室内机(10),显热交换器(1)与预热混合箱(2)通过风管(3)连通;空气源热泵室外机(9)与空气源热泵室内机(10)通过制冷剂管道(11)连通,组成空气源热泵机组;
室内空气从室内风进口(4)进入显热交换器(1),进行热交换后从室内风出口(5)被送回到室内;室外空气从室外风进口(6)通过风管(3)进入显热交换器(1)进行热交换后成为预热空气,通过风管(3)从室外风出口(7)进入预热混合箱(2),与另一部分从预热混合箱进口(8)进入的室外空气混合,然后进入空气源热泵室外机(9)进行换热;
控制系统根据温湿度传感器(12)获取室内外环境参数,对显热交换器(1)进行预热风量比调节,让室外空气与室内空气在显热交换器(1)中进行间壁式显热交换,实现抑霜系统的抑霜;
所述预热风量比为显热交换器的风量与空气源热泵室外机进风量的比值;
并且被用于执行下列方法:
根据室外参数条件进行预热风量比的调节,包括以下步骤:
1)温湿度传感器监测室内空气温度tn和相对湿度 室外空气温度ta和相对湿度
2)控制系统根据温湿度传感器监测值判定室外空气参数是否处于结霜区:若ta<6℃且则进入步骤3),否则继续监测,间隔时间T后重复本步骤的判断;
3)控制系统启动显热交换器进行预热,并根据下式(1)、(2)计算空气源热泵室外机入口混合后空气温度tx和相对湿度
其中,tx为空气源热泵室外机入口混合后空气温度; 为空气源热泵室外机入口混合后空气相对湿度;θi为可调节的预热风量比,ρr为预热空气密度;hr为预热空气焓值;ρa为室外空气密度;ha为室外空气焓值;ωa为室外空气含湿量;ωbx为tx温度下饱和湿空气含湿量;
4)根据下式(3)计算当前室外参数条件下空气源热泵室外机的结霜速率:其中,vi为当前室外参数条件下预热风量比为θi时室外空气的结霜速率,k1~k5为拟合得到的系数;
5)若室外空气的结霜速率vi≤0.05mm/h,则输出此时的可调节的预热风量比θi为显热交换器风量调节值;
若vi>0.05mm/h,则i=i+1,代入θ'i=i+1重复进行步骤3)‑5);
若已计算得到θi=6=30%时室外空气的结霜速率vi=6,且vi=6>0.05mm/h,则输出θi=6=
30%为此时显热交换器预热风量比调节值;
6)间隔时间T后,重复步骤1)‑5)。
7.根据权利要求6所述的一种预热型空气源热泵抑霜系统,其特征在于,所述显热交换器(1)中设置有换热芯体和连接至控制系统的小型风机,换热芯体采用铝箔制成。
8.根据权利要求6所述的一种预热型空气源热泵抑霜系统,其特征在于,所述预热混合箱(2)外设保温层,将空气源热泵室外机(9)进风口全部罩住,在显热交换器(1)中换热后的室外空气与另一部分从预热混合箱进口(8)进入其中的室外空气混合。
9.根据权利要求6所述的一种预热型空气源热泵抑霜系统,其特征在于,所述空气源热泵机组为空气源热泵热风机,或是空气源热泵热水机。
说明书 :
一种预热型空气源热泵抑霜系统及抑霜方法
技术领域
背景技术
象,导致蒸发器中的制冷剂吸热不充分、制冷剂的温度降低、压缩机吸排气压力降低、机组
制热能力与COP下降等问题。若不及时除霜,不但会影响室内人员的舒适性,还会对整个系
统的运行造成损害。目前空气源热泵系统普遍采用逆循环的方式进行除霜,这种方式虽然
能快速实现除霜,但是除霜时室内停止供热甚至会出现吹冷风的现象,严重影响室内热舒
适性。另外机组除霜时系统内部会发生制冷剂温度、压力的剧烈变化,机组部件会受到冲
击,机组运行的稳定性受到破坏,因此除霜对机组部件的可靠性提出了更高的要求。为了让
机组能够准确、快速地进行除霜操作,需要设定有效的除霜控制策略。目前关于空气源热泵
除霜的控制策略主要有:温度—时间除霜控制法、空气压差除霜控制法、室内、室外双传感
器除霜控制法等等,但这些方法并不能完全做到有霜就除,因此无法避免“误除霜”现象的
出现。误除霜让机组的制热效率进一步恶化。
始终处于结霜—除霜的循环周期中,结霜的根源问题没有解决,对机组正常运行非常不利,
室内的热舒适性较差。因此如果能够改变空气源热泵室外蒸发器进口的空气状态参数,就
可以延缓甚至阻断霜的形成,有效减少机组除霜次数甚至不结霜,从而更好地保证室内的
热舒适性,保证机组长时间稳定运行。
高品位的能源,用电直接加热空气的做法是将高品位的能源转化为了低品位的能源,这种
做法显然是不节能的。同时,另有研究人员设计了一套辅助加热抑霜系统,在空气源热泵室
外蒸发器周围布置散热铜管和翅片,用锅炉加热水并将水通入散热铜管中,对空气源热泵
室外蒸发器入口的空气进行预热。这一做法同样可以获得抑霜效果,但是辅助加热抑霜系
统中采用了锅炉、保温水箱、循环水泵、加热铜管等部件,系统较为复杂,对于小型家用空气
源热泵的适用性不强。同时,用锅炉加热水、水加热铜管和翅片、铜管和翅片再加热空气,其
中要经过多次换热过程,导致换热损失增大。
种手段相比上面的做法无疑是更加节能的。对此,已有研究人员进行了一些研究:冬季工况
下,对一套热回收新风系统加空气源热泵系统的组合系统进行研究,发现经过热回收的室
内排风温度高于室外空气,因此将这部分空气送至空气源热泵蒸发器入口处,混合其他部
分空气实现对进入室外机的空气温度的提升,进而实现抑霜目的。但是冬季工况下室内空
气虽然温度较高,含湿量较室外空气也更高,所以上述做法会导致混合后的空气温度升高
的同时含湿量也增加,可能会出现结霜速率不降反增的情况,起到相反作用。并且室内排风
的风量是由室内新风量决定的,新风量在通常情况下是固定的,因此不同室外条件下抑霜
的效果不可控。
发明内容
统能够延缓甚至阻止空气源热泵室外蒸发器表面霜的形成,达到抑霜的效果,从而减少空
气源热泵机组除霜次数,保证机组长时间稳定运行。同时,通过调节预热风量,可保证在不
同室外条件下抑霜效果的最优化。
机与空气源热泵室内机通过制冷剂管道连通,组成空气源热泵机组;
管从室外风出口进入预热混合箱,与另一部分从预热混合箱进口进入的室外空气混合,然
后进入空气源热泵室外机进行换热;
抑霜效果。同时,与其他使用电加热或其他方式加热室外空气温度从而达到相同抑霜目的
的方法相比,由于本发明利用空气源热泵产生的热量,空气源热泵的制热效率高于电加热
或其他加热方式,因此达到抑霜效果的同时比上述方法更节能。另外,在某些低温高湿的结
霜工况下,通过本系统对室外空气进行预热,在达到抑霜效果的同时,也会改善空气源热泵
机组由于低温导致的COP下降的情况,提升机组的制热效率。因此在这些工况下,本系统相
比不进行预热的常规空气源热泵,在保证相同室内供热效果的同时电功率更低,系统具有
较好的节能性。
附图说明
机;11、制冷剂管道;12、温湿度传感器。
具体实施方式
道11和温湿度传感器。其中,空气源热泵室外机9和空气源热泵室内机10通过制冷剂管道11
连通,组成空气源热泵机组;空气源热泵机组为空气源热泵热风机,或是空气源热泵热水
机。
1,进行热交换后成为预热空气,从室外风出口7排入预热混合箱2,在其中与另外一部分从
预热混合箱进口8进入的室外空气混合,然后进入空气源热泵室外机9进行换热。通过混合
后的空气,相比同一时刻的室外空气,有相同的含湿量,而温度得到提升,相对湿度降低,结
霜速率下降。
对显热交换器1进行预热风量比调节,让室外空气与室内空气在显热交换器1中进行间壁式
显热交换,实现抑霜系统的抑霜。
空气温度、湿度的不同,通过对小型风机的风量进行调节,可以让系统获得最大的抑霜效
果。室内空气和室外空气在换热芯体中进行间壁式的显热交换。
由于温度较低,即使空气相对湿度较大,但是含湿量也比较低;室内空气温度较高,相对湿
度较低,但是空气的含湿量通常会大于室外空气,那么在含湿量差的作用下潜热交换的方
向就是室内向室外风传递。因此选用全热交换器不仅会提升室外空气的温度,同时也提高
了含湿量。对比使用全热交换器和显热交换器的结果,如果二者的温度交换效率相等,那么
使用显热交换器进行热交换后,室外空气的相对湿度更小,这样更有利于减小结霜速率,达
到抑霜效果。
两个风口进出空气。
一部分从预热混合箱进口8进入其中的室外空气进行混合,然后进入空气源热泵室外机换
热。
外机10表面处空气结霜速率,从而实现抑霜效果。另外,在某些低温高湿的结霜工况下,通
过本系统对室外空气进行预热,在达到抑霜效果的同时,也会改善空气源热泵机组由于低
温导致的COP下降的情况,提升机组的制热效率。因此在这些工况下,本系统相比不进行预
热的常规空气源热泵,在保证相同室内供热效果的同时电功率更低,系统具有较好的节能
性。
启动,室内空气与室外空气在风机的作用下从室内风进口4和室外风进口6风口吸入通过风
管3进入换热芯体进行热交换。预热后的室内空气从室内风出口5被送回室内,由于温度低
于室内温度,因此该风口的布置位置可考虑设置在人员不常活动的墙角处,较小对室内人
员的影响。换热后的室外空气从室外风出口7排入预热混合箱2。在预热混合箱中两股空气
进行混合,然后进入空气源热泵室外机进行换热。混合后的空气与同一时刻的室外空气相
比,温度升高,相对湿度减小,结霜速率降低,实现抑霜的效果。当室外空气状态参数随时间
发生变化,室外空气在空气源热泵蒸发器表面结霜的速率也会随之发生变化,因此预热风
量也应进行调节,以保证系统的抑霜效果。
压差控制除霜法、霜层传感器控制除霜法等等。这些因素会导致预热型空气源热泵抑霜系
统在同一预热风量下产生不同的抑霜效果。
θi=3=15%、θi=4=20%、θi=5=25%、θi=6=30%,初始计算时代入θi=1=5%;ρr为预热空气
密度;hr为预热空气焓值;ρa为室外空气密度;ha为室外空气焓值;ωa为室外空气含湿量;
ωbx为tx温度下饱和湿空气含湿量。
霜速率v1。
抑霜效果,并不能包含本系统在所有结霜室外参数条件下的抑霜效果;以下结霜速率以及
电功率的对比数据,是基于两台相同型号的空气源热泵,其中一台使用本发明的抑霜系统,
一台不使用。
由于此时室外空气温度较低,通过预热极大缓解了低温对机组制热性能的影响,导致机组
COP有了较大提升,因此空气源热泵机组的电功率相比不进行预热的常规空气源热泵下降
4.9%,整个系统的节能性较好。
实现了无霜运行,同时空气源热泵机组的电功率下降12.4%,整个系统的节能性非常好。
些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。