一种燃气热泵空调系统及快速制热和防液压缩控制方法与流程

1.本发明涉及热泵系统技术领域，具体涉及一种燃气热泵空调系统及快速制热和防液压缩控制方法。


背景技术：

2.燃气热泵(gas engine driven heat pump,以下简称ghp)系统是一种利用燃气(包含天然气、液化石油气、沼气等)作为高品位驱动能源，通过燃气发动机做功直接驱动开启式压缩机工作，进而完成蒸气压缩式制冷循环而达到制冷或制热目的的空调系统。燃气热泵相对比于使用电力作为高品位驱动能源的电动热泵(简称ehp)而言在热泵理论上没有差别，是使用高效率的燃气发动机代替了电动热泵的电动机，因驱动源的改变会存在大量的发动机缸套热和排烟废热可余热回收构建分布式能源系统进行能源的梯级利用，于此显著提高一次能源利用率。
3.当空调系统在冬季室外环境温度较低的条件下进行制热开机启动(通常称为冻机起动)时，此时通常虽有压缩机电加热预热操作，但仍存在制热启动过慢、压缩机建立可靠排气过热度的时间过长、压缩机运行可靠性差等问题，极大影响着用户舒适性和系统可靠性。另外，空调系统在某些工况下，如低温制冷或小冷等工况，系统冷媒容易蒸发不完全而出现压缩机湿压缩的情形，极大影响着压缩机运行可靠性。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明提供一种燃气热泵空调系统及快速制热和防液压缩控制方法，以解决空调系统制热冻机起动过慢、压缩机建立可靠的排气过热度时间过长、压缩机运行可靠性差等问题，以及在低温制冷或小冷等某些工况下，系统冷媒容易蒸发不完全而出现压缩机湿压缩的问题。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种燃气热泵空调系统，至少包括动力单元、热泵循环单元和余热回收单元，
7.所述热泵循环单元包括压缩机、油分离器、四通阀、室外机换热器、室内机换热器、第一节流装置、第二节流装置和气液分离器，其中，所述压缩机的排气口与所述油分离器的入口连通，所述油分离器的第一出口接入所述四通阀，所述油分离器的第二出口连接至所述压缩机的吸气口，所述室外机换热器的左端口接入所述四通阀，所述室外机换热器的右端口与所述室内机换热器的上端口连通且其连通的管道上依次设有所述第一节流装置和所述第二节流装置，所述室内机换热器的下端口接入所述四通阀，所述气液分离器的入口接入所述四通阀，所述气液分离器的出口连接至所述压缩机的吸气口；
8.所述动力单元包括用于驱动所述压缩机的燃气发动机；
9.所述余热回收单元包括发动机缸套、第一热回收器、烟气废热回收器，其中，所述发动机连接所述发动机缸套，冷却液经过所述发动机缸套和所述第一热回收器流出，此时，冷水经过所述第一热回收器和所述烟气废热回收器回收热量形成热水并通过多条供应支
路提供热水，所述多条供应支路中至少一条用于向用户提供热水；其中，
10.所述压缩机的排气口的出口管道上设有排气加热器，所述多条供应支路中至少一条供应支路经过所述排气加热器，所述气液分离器的入口管道上设有回气加热器，所述多条供应支路中至少一条供应支路经过所述回气加热器。
11.如上所述的燃气热泵空调系统，进一步地，经过所述排气加热器的供应支路上设有电磁阀sv1和水流量比例调节阀mv1，该供应支路经过所述排气加热器后接入用于向用户提供热水的供应支路，所述压缩机的排气口与所述油分离器的入口连通的通道上设有温度传感器t1和高压传感器hp。
12.如上所述的燃气热泵空调系统，进一步地，经过所述回气加热器的供应支路上设有电磁阀sv3和水流量比例调节阀mv2，该供应支路经过所述回气加热器后接入用于向用户提供热水的供应支路，所述气液分离器的出口与所述压缩机的吸气口连通的通道上设有温度传感器t2和低压传感器lp。
13.如上所述的燃气热泵空调系统，进一步地，所述燃气发动机的烟气经过所述烟气废热回收器回收热量并排走废热。
14.一种快速制热和防液压缩控制方法，应用于如上所述的燃气热泵空调系统，所述方法包括快速制热模式和防液压缩模式，其中，
15.所述燃气发动机驱动所述压缩机工作，所述压缩机将从其吸气口吸入的第一温压状态的气态冷媒压缩形成第三温压状态的气态冷媒并从压缩机排气口排出，第三温压状态的气态冷媒经油分离器进入冷凝器进行冷凝，其中，所述冷凝器在制冷时是室外换热器，制热时是室内换热器；冷凝后形成的第二温压状态的液态制冷剂流经电子膨胀阀进行节流降压降温，其中，所述电子膨胀阀在制冷时是室内机换热器exv2，制热时是室外换热器exv1；节流后的第一温压状态的气液两相态冷媒通过蒸发器蒸发形成第一温压状态的气态冷媒，其中，所述蒸发器在制冷时是室内换热器，制热时是室外换热器，随后第一温压状态的气态冷媒沿气液分离器回到压缩机的吸气口；
16.在所述快速制热模式下，所述排气加热器从所述余热回收单元吸收热量并传递给系统压缩机刚压缩完的排气侧冷媒，以使得油与冷媒间溶解度下降；
17.在所述防液压缩模式下，所述回气加热器从所述余热回收单元吸收热量并传递给系统中从蒸发器流回的未蒸发完全的带液冷媒，以使得带液冷媒进一步蒸发。
18.如上所述的快速制热和防液压缩控制方法，进一步地，在所述快速制热模式下，所述系统的工作流程如下：
19.接收快速制热模式的启动信号；
20.电磁阀sv1开启，水流量比例调节阀mv1开至目标初始开度m1；
21.每间隔设定时间获取一次排气过热度(dsh)数值，其中，所述dsh取值等于温度传感器t1的温度数值减去系统高压传感器hp对应的饱和温度；
22.判定过热度dsh数值是否满足大于第一设定值，若不满足，则依据设定的dsh数值与水流量比例调节阀mv1的对应关系调整水流量比例调节阀mv1至对应开度，然后返回执行每间隔设定时间获取一次dsh数值；若满足，sv1关闭，mv1关至设定待机开度m0，随后待接收快速制热模式的关闭信号。
23.如上所述的快速制热和防液压缩控制方法，进一步地，在所述防液压缩模式下，所
述系统的工作流程如下：
24.所述系统处于正常运转状态；
25.每间隔设定时间获取一次dsh数值，其中，所述dsh取值等于温度传感器t1的温度数值减去系统高压传感器hp对应的饱和温度；
26.判定dsh数值是否满足小于第二设定值，若不满足，则系统继续处于正常运转状态；若满足，电磁阀sv3开启，水流量比例调节阀mv2开至目标初始开度n1；
27.每间隔设定时间获取一次回气过热度(ssh)数值，其中，所述ssh数值取值等于温度传感器t2的温度数值减去系统低压传感器lp对应的饱和温度；
28.判定ssh数值是否满足小于第三设定值，若不满足，判定dsh数值是否满足大于第四设定值，若是，则sv3关闭，mv2关至设定待机开度m0，若否返回执行判定ssh数值是否满足小于第三设定值；若满足，依据设定的ssh数值与水流量比例调节阀mv2的对应关系调整水流量比例调节阀mv2至对应开度，并返回执行判定ssh数值是否满足小于第三设定值。
29.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明针对空调系统制热冻机起动过慢、压缩机建立可靠的排气过热度时间过长、压缩机运行可靠性差等问题，以及在低温制冷或小冷等某些工况下，系统冷媒易蒸发不完全而出现压缩机湿压缩的问题，提出了一种新的ghp空调系统及其控制方法，该系统和方法在保证系统可靠性的条件下快速制热并且可防止液压缩，极大地提高了系统的运行可靠性。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。
31.图1为本发明实施例的可快速制热且防液压缩ghp空调系统图；
32.图2为本发明实施例的燃气热泵冻机起动快速制热启动控制流程图；
33.图3为本发明实施例的燃气热泵在系统回液而防止系统液压缩控制流程图。
34.其中：1、压缩机；2、油分离器；3、室外机换热器；4、室内机换热器；5、气液分离器；6、燃气发动机；7、发动机缸套；8、第一热回收器；9、烟气废热回收器；10、排气加热器；11、回气加热器。
具体实施方式
35.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。
36.实施例：
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够在除了这里图示或描
述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
39.在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，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发明中的具体含义。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.参见图1至图3，图1为本发明实施例的可快速制热且防液压缩ghp空调系统图；图2为本发明实施例的燃气热泵冻机起动快速制热启动控制流程图；图3为本发明实施例的燃气热泵在系统回液而防止系统液压缩控制流程图。
42.参见图1，一种燃气热泵多联机空调系统，包括动力单元、热泵循环单元和余热回收单元，在某些实施例中，还包括控制器单元，为可快速制热且防液压缩ghp空调系统图，燃气(包括天然气、液化石油气、煤制气或沼气等)送入燃气发动机6(内燃机)燃烧后，释放的热能一部分转化成机械能来驱动热泵系统的压缩机1，其余的热能则以废热(包括烟气废热、气缸冷却水及机油带走的热量)的形式展现，需要添加相关余热回收系统才能对废热加以回收利用。相比于普通的ghp系统，本发明创新性的在排气侧和回气侧加有冷媒
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水换热器，排气侧冷媒
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水换热器在本发明下文中称为排气加热器10，回气侧冷媒
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水换热器在本发明下文中称为回气加热器11，图1中所示ghp系统图发动机废热回收部分只是其中一种回收方式示意，不作为对本发明的限制。
43.所述热泵循环单元包括压缩机1、油分离器2、四通阀、室外机换热器3、室内机换热器4、第一节流装置、第二节流装置和气液分离器5，其中，所述压缩机1的排气口与所述油分离器2的入口连通，所述油分离器2的第一出口接入所述四通阀，所述油分离器2的第二出口连接至所述压缩机1的吸气口，所述室外机换热器3的左端口接入所述四通阀，所述室外机换热器3的右端口与所述室内机换热器4的上端口连通且其连通的管道上依次设有所述第一节流装置和所述第二节流装置，所述室内机换热器4的下端口接入所述四通阀，所述气液分离器5的入口接入所述四通阀，所述气液分离器5的出口连接至所述压缩机1的吸气口。所述动力单元包括用于驱动所述压缩机1的燃气发动机6。所述余热回收单元包括发动机缸套
7、第一热回收器8、烟气废热回收器9，其中，所述发动机连接所述发动机缸套7，冷却液经过所述发动机缸套7和所述第一热回收器8流出，此时，冷水经过所述第一热回收器8和所述烟气废热回收器9回收热量形成热水并通过多条供应支路提供热水，所述多条供应支路中至少一条用于向用户提供热水；其中，所述压缩机1的排气口的出口管道上设有排气加热器10，所述多条供应支路中至少一条供应支路经过所述排气加热器10，所述气液分离器5的入口管道上设有回气加热器11，所述多条供应支路中至少一条供应支路经过所述回气加热器11。
44.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，经过所述排气加热器10的供应支路上设有电磁阀sv1和水流量比例调节阀mv1，该供应支路经过所述排气加热器10后接入用于向用户提供热水的供应支路，所述压缩机1的排气口与所述油分离器2的入口连通的通道上设有温度传感器t1和高压传感器hp。
45.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，经过所述回气加热器11的供应支路上设有电磁阀sv3和水流量比例调节阀mv2，该供应支路经过所述回气加热器11后接入用于向用户提供热水的供应支路，所述气液分离器5的出口与所述压缩机1的吸气口连通的通道上设有温度传感器t2和低压传感器lp。
46.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述燃气发动机6的烟气经过所述烟气废热回收器9回收热量并排走废热。
47.同时，还提供一种快速制热和防液压缩控制方法，以下结合燃气热泵空调系统进行阐述。
48.针对图1中的系统，天然气在发动机中燃烧使得燃气发动机运转，燃气发动机通过皮带传递带动压缩机运转，压缩机将从其吸气口吸入的低温低压的气态冷媒压缩形成高温高压气态冷媒从压缩机排气口排出，随后冷媒流经油分离器进入冷凝器(制冷时是室外换热器，制热时是室内换热器)进行冷凝，冷凝后的中温高压液态制冷剂流经电子膨胀阀(制冷时是室内机换热器侧exv2，制热时是室外换热器侧exv1)进行节流降压降温，节流后的低温低压气液两相态冷媒通过蒸发器(制冷时是室内换热器，制热时是室外换热器)蒸发形成低温低压气态冷媒，随后低温低压气态冷媒沿气液分离器回到压缩机吸气口再继续压缩成高温高压气态冷媒从压缩机排气口排出，从而构成完整的热泵系统循环。此时系统的余热回收系统可回收发动机缸套热及烟气废热到热量载体水中得到热水，图中热水中热量有较多使用场景，图1中sv2开启后热水可以给用户提供生活热水，可以在不需要热量利用时通过阀体切换流至放在室外机换热器侧的表冷器将热量排放。图中电磁阀sv1与sv3的开闭控制已回收过发动机废热的热水流向排气加热器和回气加热器，排气加热器处水流量通过水流量比例调节阀mv1调节，回气加热器处水流量通过水流量比例调节阀mv2调节，mv1的调节需要根据系统排气过热度dsh＝t1
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tc的取值进行确定(t1为图1中温度传感器t1的温度数值，tc为系统高压传感器hp测得压力数值对应的饱和温度)，mv2的调节需要根据系统吸气过热度ssh＝t2
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te的取值进行确定(t2为图1中温度传感器t2的温度数值，te为系统低压传感器hp测得压力数值对应的饱和温度)。
49.排气加热器的作用是在系统排气过热度dsh不足的时候发挥作用，此时的应用典型场景为冬季长时间断电停机的制热冻机启动阶段。针对通常的制热冻机启动阶段，因系统中低温冷媒与冷冻油大量混溶，此时压缩机排油率较高，并且系统压缩机内冷冻油浓度
较低，为保护压缩机此时不可将压缩机运行于高频，不然压缩机会瞬间大量缺油而损坏压缩机，如此便致使系统冷媒温度长时间无法被热泵系统加热，进而使得用户端的室内侧制热出风温度长时间达不到设定温度，极大了影响了用户舒适性。针对此情形的问题，本发明在制热冻机启动阶段通过开启电磁阀sv1并调节水流量比例调节阀mv1的开度大小将已回收的发动机废热由排气加热器传递给系统压缩机刚压缩完的排气侧冷媒，此时可将系统排气冷媒快速加热而实现油与冷媒间溶解度显著下降，从而在油分处可正常分离出溶解于冷媒中的大量冷冻油，并通过油分处的回油毛细管可实现系统正常回油，系统保证了正常回油后便可在启动后较短的时间内实现压缩机运转到高频段，由此系统实现提高高压使得室内机出风快速达到设定温度，从而实现制热冻机启动条件下的快速制热，具体控制流程图见图2。
50.图2为燃气热泵冻机起动快速制热启动控制流程图，如图2所示，当燃气热泵系统开机运行后满足制热冻机起动信号on，即处于图2中的s101阶段，则进入s102阶段，此时电磁阀sv1开启，水流量比例调节阀mv1开至目标初始开度m1，随后进入s103阶段，控制器每间隔f秒计算一次排气过热度dsh数值，随后进入s104阶段。在s104阶段将启动逻辑判定，判定dsh数值是否满足大于设定值a，若不满足则进入s105阶段，此时依据程序中已事先设定好的dsh与mv1开度大小对应值将mv1调至对应开度，然后流程再返回s103阶段继续图中流程顺序运行。若在s104阶段时判定dsh数值满足大于设定值a，则流程进入s106阶段，此时sv1关闭，mv1关至设定待机开度m0，随后流程进入s107阶段，此时制热冻机启动排气加热器作用完成，系统按照设定的控制逻辑运行，一直到冻机起动信号关闭则完成整个燃气热泵冻机起动快速制热启动控制。
51.回气加热器的作用是在系统回气过热度ssh不足的时候发挥作用，此时的应用典型场景为制冷运行模式时的低温制冷或小冷等工况，此时因系统制冷负荷小而使得冷媒在蒸发器中容易出现蒸发不完全的情况，从而会导致出现压缩机湿压缩的情形，压缩机湿压缩运转影响着压缩机运行可靠性，甚至损坏压缩机。针对此种冷媒在蒸发器中容易出现蒸发不完全的情况，本发明在正常运行过程中若检测到系统dsh小于预设值b，则说明系统冷媒在蒸发器中容易出现蒸发不完全的情况，开启电磁阀sv3并调节水流量比例调节阀mv2的开度大小将已回收的发动机废热由回气加热器传递给系统中从蒸发器流回的未蒸发完全的带液冷媒，回气加热器将带液冷媒进一步蒸发使得压缩机处于安全可靠运行状态，具体控制流程图见图3。
52.图3为燃气热泵在系统回液而防止系统液压缩控制流程图，如图3所示，燃气热泵系统在正常运转状态处于图3中的s201阶段，随后进入s202阶段，控制器每间隔g秒计算一次排气过热度dsh数值，随后进入s203阶段。在s203阶段将启动逻辑判定，判定dsh数值是否满足小于设定值b，若不满足则流程返回s201阶段，若满足则流程进入s204阶段，此时电磁阀sv3开启，水流量比例调节阀mv2开至目标初始开度n1，随后流程进入s205阶段，在s205阶段控制器每间隔h秒计算一次回气过热度ssh数值，随后进入s206阶段。在s206阶段将启动逻辑判定，判定ssh数值是否满足小于设定值c，若满足则流程进入s207阶段，此时依据程序中已事先设定好的ssh与mv2开度大小对应值将mv2调至对应开度，然后流程再返回s206阶段继续图中流程顺序运行。在s206阶段若判定ssh数值不满足小于设定值c，则流程进入s208阶段。在s208阶段将启动逻辑判定，判定dsh数值是否满足大于设定值d，若满足则流程
进入s209阶段，此时sv3关闭，mv2关至设定待机开度m0，随后流程返回s201。在s208阶段若判定dsh不满足大于设定值d，则流程再返回s206阶段继续图中流程顺序运行。
53.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
54.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。