一种水源热泵系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种水源热泵系统及其控制方法。


背景技术：

2.现有水源热泵主要分为干式制冷系统和满液式制冷系统两种制冷方式。一、干式水源热泵：一般干式水源热泵的蒸发器为壳管式蒸发器，管程为制冷剂，壳程为水。干式制冷系统回气过热度一般大于1k，在实际运用中过热度一般要大于5k以上。如：当蒸发器进水温度为5℃，出水温度0℃，过热度5k，蒸发温度为-5℃，此时的蒸发器列管外就会严重结冰，造成换热效率下降。如蒸发器列管间距较小，列管外结冰会造成列管冻胀损坏。当蒸发器进水温度较低接近冰点时，现有的水源热泵无法正常运行，要不断地融冰才能保障制热的效果，但融冰时又无法正常持续制热。二、满液式（湿式）水源热泵：一般满液式水源热泵的蒸发器为壳管式蒸发器，管程为水，壳程为制冷剂。湿式制冷系统回气过热度一般≥0k，在实际运用中过热度一般略大于0k。如：当蒸发器进水温度为5℃，出水温度0℃，过热度为0k，蒸发器有相应的换热面积时，蒸发温度为-3℃，此时的蒸发器列管也会结冰，造成换热效率下降。列管内结冰会造成列管冻胀损坏。当蒸发器进水温度较低接近冰点时，现有的满液式水源热泵无法正常运行，要不断地融冰才能保障制热的效果，但融冰时也无法正常持续制热。另外以往的水源热泵一般进出水温差为5℃，蒸发器主要是从进水的显热中吸收热量，由于水的液态比热容为1kcal/kg.℃，用水量较大。因此，在一些水资源不十分充足的情况下无法采用水源热泵。
3.另一方面，现有的水源热泵制冷系统一般适用于单一的工况，无法在不同工况下自动调节，从而满足各种工况，如由于环境温度造成水源温度变化时，水源热泵按固定的设定工况工作，无法使水源热泵达到最佳的工作效率。而且现有的低温水源热泵制冷系统的蒸发器除冰通常采用刮板方式，不仅构造复杂，故障率较高，维护成本也较高。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种水源热泵系统及其控制方法，第一、所述系统通过交替融冰实现持续制热功能，并且具备大幅度节水的特点；第二、所述系统的换热融冰装置具备自动融冰和排冰功能；第三、所述系统具备根据水源温度自动调节水源热泵的工况负荷输出功能。
5.本发明的技术方案如下：一种水源热泵系统，包括制冷机组和至少两台换热融冰装置，其特征在于：所述换热融冰装置包括内部安装有蒸发器的蒸发器水箱，所述蒸发器分别连接有制冷剂回管和制冷剂供管；所述蒸发器水箱分别连接有进水管和出水管；所述制冷剂供管上安装有制冷剂供自动阀，所述制冷剂回管上安装有制冷剂回自动阀；所述进水管上安装有进水调节自动阀；所述出水管与蒸发器水箱出水口之间通过出水定位管互相连接；所述出水定位管的底端连接蒸发器水箱出水口，顶端连接所述出水管；所述蒸发器水箱还开设有溢流口形式的
融冰排水口，该融冰排水口的下沿位置高于所述出水定位管的顶端位置；所述蒸发器水箱的一侧还安装有用于接收从融冰排水口溢流出的水和冰的融冰排水箱；融冰排水箱连接有融冰排水管；所述换热融冰装置还包括用于检测所述蒸发器水箱出水口水温的第一温度传感器和用于检测所述蒸发器水箱内水温的第二温度传感器；其中制冷剂回总管上安装有压力传感器；所述系统还包括安装有第三温度传感器的进水总管，所述进水总管分别连接各台换热融冰装置的水箱进水管；所述系统还包括排水总管，所述排水总管分别连接各台换热融冰装置的蒸发器水箱出水管以及融冰排水管；所述制冷机组通过制冷剂供总管和制冷剂回总管分别连接所述各台换热融冰装置的制冷剂回管和制冷剂供管。
6.优选地，所述换热融冰装置还包括出水排空管，该出水排空管的底端连接所述出水定位管的顶端，该出水排空管的顶端高于所述蒸发器水箱的顶部。
7.所述系统的控制方法，其特征在于：水源热泵运行一段时间后，如果某一换热融冰装置的蒸发器在蒸发温度小于冰点温度的持续时长达到设定值，则判断为该换热融冰装置的蒸发器需要化冰；此时，制冷剂供自动阀和制冷剂回自动阀关闭，该换热融冰装置的蒸发器停止换热，开始化冰和排冰；当该换热融冰装置的蒸发器出水温度大于或等于进水温度持续时长达到设定的融冰停止时间值时，判断为蒸发器融冰完成，此时，进水自动调节阀关闭，该换热融冰装置进入待机状态；此时若另外的换热融冰装置停止换热，则启动进入待机状态的换热融冰装置进入换热程序；按上述流程依次交替自动融冰实现系统持续制热。
8.所述系统的控制方法，其特征在于：通过第二温度传感器实时监测各个蒸发器水箱内的水温，控制进水自动调节阀调节的进水流量，使蒸发器水箱内的部分水体保持在临界冰点状态。
9.所述系统的控制方法，其特征在于：水源热泵工作时，第三温度传感器实时监测水源温度t1，并将水源温度t1与设定的温差值
∆
t比较运算生成增卸载蒸发温度控制值t0=t1
‑∆
，根据事先植入控制器内的制冷剂饱和压力温度特性曲线或函数公式将增卸载蒸发温度控制值t0转换为对应的蒸发压力控制值；通过将压力传感器（6）检测的蒸发压力值与所述蒸发压力控制值进行比较，自动调节制冷机组（3）的变量负荷输出。
10.进一步地，当所述控制值t0＞10℃时，t0按10℃运算，以防止压缩机过载。本发明的积极效果在于：一、本发明系统地换热融冰装置具备自动融冰和排冰功能：当蒸发器需融冰时，自动关闭该换热融冰装置的制冷剂供、回自动阀，通过调节进水自动阀加大进水流量，此时水箱下部临界冰点的低温水通过出水管排出水箱，水箱内水温高于冰点，蒸发器内压力上升，制冷剂温度高于冰点温度，使蒸发器上的冰快速脱离。由于冰的密度小于水的密度，脱落但未融化的冰上浮至水面。进水自动阀自动调节增加水量时，由于出水管只能满足制冷换热时的出水流量，水面将上升至融冰排水口位置，水从融冰排水口排出水箱，同时将浮在水面的冰带出水箱完成排冰。
11.二、自动交替融冰与持续制热：本发明的系统采用两套以上具备自动融冰和排冰功能的换热融冰装置。一套换热融冰装置融冰完毕后，调节其进水自动阀减小进水流量，使水位低于融冰排水口，自动打开制冷剂供、回自动阀，该换热融冰装置重新开始换热。其中一台换热融冰装置实施融冰时，其他换热融冰装置正常工作且换热量能够满足制冷机组的制冷负荷需求，当该换热融冰装置融冰完成后，再对下一组换热融冰装置进行融冰。换热融
冰装置依次交替融冰从而使水源热泵达到持续制热的目的。
12.三、减少用水量：本发明能够通过压力传感器6检测的蒸发压力值与设定的蒸发压力控制值比较，控制制冷机组输出负荷，通过实时监测蒸发器水箱的出水温度和水箱内的水温，调节蒸发器的进水流量，使蒸发器水箱内的部分水体保持在临界冰点状态。蒸发器大量吸收临界冰点的水的潜热，达到了大幅度降低蒸发器用水量的技术目标。由于本发明中换热融冰装置具备的独特结构以及控制方式（通过控制蒸发温度使水箱的部分水体处于临界冰点状态），冰点温度的水转变成冰点温度的冰释放的潜热是液态水每降低1℃释放的显热的80倍，该装置可利用临界冰点潜热50%，因此只需要以往的1/40的水量即可使水源热泵正常工作，从而满足水源不足或水温过低地区使用水源热泵的需求。
13.四、通过本发明控制方法实现机组制冷负荷变量输出，使水源热泵适用于不同工况：本发明根据实时监测水源温度的变化，自动运算生成增卸载蒸发压力控制参数，根据压力传感器检测的蒸发压力，自动调节制冷机组的变量负荷输出（变量负荷输出手段包括：压缩机的增卸载和压缩机数量的增减，变频控制压缩机的负荷输出等），满足制冷机组所需的制冷负荷，从而使水源热泵达到最佳的工作效率。
14.本发明适用于水温较低、水量不足或者不同时期水温变化较大水源热泵系统。
附图说明
15.图1是本发明水源热泵制冷系统实施例的结构及工作原理示意图；1、热水池，2、热水泵，3、制冷机组，4、制冷剂回总管，5、制冷剂供总管，6、压力传感器，7、a换热融冰装置，7-1、制冷剂回自动阀，7-2、制冷剂供自动阀，7-3、制冷剂回管，7-4、制冷剂供管，7-5、出水排空管，7-6、第一温度传感器，7-7、出水定位管，7-8、出水管，7-9、融冰排水口，7-10、进水调节自动阀，7-11、融冰排水箱，7-12、进水管，7-13、融冰排水管，7-14、蒸发器，7-15、蒸发器水箱，7-16、第二温度传感器，8、b换热融冰装置，9、c换热融冰装置，10、恒压供水源，11、排水总管，12、进水总管，13、第三温度传感器。
具体实施方式
16.下面结合实施例及其附图进一步说明本发明。
17.如图1，本发明系统的实施例包括制冷机组3和结构相同的三台换热融冰装置，三台换热融冰装分别为a换热融冰装置7、b换热融冰装置8和c换热融冰装置9。
18.以a换热融冰装置为例，所述的换热融冰装置包括内部安装有蒸发器7-14的蒸发器水箱7-15。所述蒸发器7-14分别连接有制冷剂回管7-3和制冷剂供管7-4，所述制冷剂回管7-3和制冷剂供管7-4用于连接制冷机组。所述蒸发器水箱7-15分别连接有进水管7-12和出水管7-8。
19.所述制冷剂供管7-4上安装有制冷剂供自动阀7-2，所述制冷剂回管7-3上安装有制冷剂回自动阀和7-1。所述进水管7-12上安装有进水调节自动阀7-10。所述出水管7-8与蒸发器水箱7-15出水口之间通过出水定位管7-7互相连接。所述出水定位管7-7的底端连接蒸发器水箱7-15出水口，顶端连接所述出水管7-8。所述换热融冰装置还包括出水排空管7-5，该出水排空管7-5的底端连接所述出水定位管7-7的顶端，该出水排空管7-5的顶端高于所述蒸发器水箱7-15的顶端。
20.所述蒸发器水箱7-15还开设有溢流口形式的融冰排水口7-9，该融冰排水口7-9的下沿位置高于所述出水定位管7-7的顶端位置。
21.所述蒸发器水箱7-15的一侧还安装有用于接收从融冰排水口7-9溢流出的水和冰的融冰排水箱7-11，融冰排水箱7-11连接有融冰排水管7-13。
22.本实施例还包括用于检测所述蒸发器水箱7-15出水口水温的第一温度传感器7-6。所述第一温度传感器7-6可以安装在出水定位管7-7上。
23.本实施例还包括用于检测所述蒸发器水箱7-15内水温的第二温度传感器7-16。所述第二温度传感器7-16可以安装在蒸发器水箱7-15内，且高度可调。
24.所述制冷机组3通过管道和热水泵2连接有热水池1。所述制冷机组3还通过制冷剂供总管5和制冷剂回总管4分别连接所述三台换热融冰装置的制冷剂进出管路，比如a换热融冰装置7的制冷剂供管7-4和制冷剂回管7-3。其中制冷剂回总管4上安装有压力传感器6。本实施例还包括恒压供水源10，所述恒压供水源10接有进水总管12。所述进水总管12分别连接所述三台换热融冰装置的水箱进水管，比如a换热融冰装置7的进水管7-12。所述进水总管12上安装第三温度传感器13。本实施例还包括排水总管11，所述排水总管11分别连接所述三台换热融冰装置的排水管路和排冰管路，比如a换热融冰装置7的出水管7-8和融冰排水管7-13。
25.水源热泵工作时，控制器根据第三温度传感器13实时监测水源温度t1，并将水源温度t1与设定的温差值
∆
t比较运算生成增卸载蒸发温度控制值t0=t1
‑∆
，根据事先植入控制器内的制冷剂的饱和压力温度特性曲线或函数公式将增卸载蒸发温度控制值t0转换为对应的蒸发压力控制值。通过将压力传感器6检测的蒸发压力值与蒸发压力控制值进行比较，自动调节制冷机组3的变量负荷输出。所述变量负荷输出的调节手段包括：压缩机的增卸载和压缩机数量的增减，变频控制压缩机的负荷输出等，满足制冷机组所需的制冷负荷。例如：当水源温度t1=12℃时，控制器设定的温差值
∆
t=5℃，通过运算出增卸载蒸发温度控制值t0=t1
‑∆
t=12-5=7℃，根据事先植入控制器内的制冷剂的饱和压力温度特性曲线或函数公式将增卸载蒸发温度控制值t0转换为对应的蒸发压力控制值，控制制冷机组的负荷变量输出。当该控制值t0＞10℃时，按10℃运算（防止压缩机过载）。
26.制冷机组3根据设定值自动启动，打开进水调节自动阀7-10，恒压供水源10中的水依次经进水总管12和进水管7-12流至蒸发器水箱7-15内，与蒸发器7-14内的制冷剂换热后依次通过出水定位管7-7和出水管7-8流至排水总管11；同时打开制冷剂供自动阀7-2和制冷剂回自动阀7-1，制冷机组3的制冷剂依次通过制冷剂供总管5和制冷剂供管7-4进入到蒸发器7-14内，与蒸发器水箱7-15内的水换热后依次通过制冷剂回管7-3和制冷剂回总管4回到制冷机组3。b换热融冰装置8和c换热融冰装置9工作原理同a换热融冰装置7。
27.当恒压供水源10提供的水温较低时，水源热泵运行一段时间后，如果a换热融冰装置7的蒸发器在蒸发温度（通过压力传感器6检测的蒸发压力值与控制器内植入的制冷剂的饱和压力温度特性曲线或函数公式运算转换得到蒸发温度）小于冰点温度的持续时长达到设定值（该设定值依据调试实验数据设定），则判断为a换热融冰装置7的蒸发器7-14需要化冰；此时，制冷剂供自动阀7-2和制冷剂回自动阀7-1自动关闭，蒸发器7-14停止换热。通过进水自动调节阀7-10自动调节增大进水量。临界冰点的水依次通过出水定位管7-7和出水管7-8排出蒸发器水箱7-15，然后经排水总管11出系统；蒸发器水箱7-1内水温超过冰点温
度时，蒸发器7-14内压力上升，制冷剂温度上升，当蒸发温度超过冰点温度时，冰层从蒸发器7-14快速脱落，而且由于出水管7-8的流量只能满足制冷时蒸发器较小的进水流量，因进水自动调节阀7-10自动调节增大进水量，所以蒸发器水箱7-15内水位继续上升，当上升至融冰排水口7-9位置，脱落的冰层通过融冰排水口7-9溢出到融冰排水箱7-11内，再通过较粗的融冰排水管7-13排至排水总管11并排出系统。
28.当第一温度传感器7-6检测到的水温大于或等于第三温度传感器13检测到的进水温度持续时长达到设定的融冰停止时间值时（该设定值依据调试实验数据设定），判断为蒸发器7-14融冰完成，此时，进水自动调节阀7-10关闭，a换热融冰装置7进入待机状态。
29.此时若b换热融冰装置8或c换热融冰装置9的蒸发器停止换热，则启动a换热融冰装置7进入换热程序，制冷剂供自动阀7-2和制冷剂回自动阀7-1自动打开，进水自动调节阀7-10，使进水流量恢复换热状态流量，蒸发器7-14重新换热。按上述流程依次交替自动融冰。由于每次只有一个蒸发器融冰，其他蒸发器的换热量能够满足水源热泵系统的制冷负荷要求，所以水源热泵在融冰的同时能够持续制热。
30.当恒压供水源10提供的水温度较低时，经进水总管12进入各个融冰换热装置的蒸发器水箱内的水，经过蒸发器制冷降温，临界冰点低温水处于蒸发器水箱15中下部。根据压力传感器6实时监测得到的蒸发器蒸发压力，控制制冷机组的输出负荷。通过第二温度传感器7-16实时监测各个蒸发器水箱内的水温，控制进水自动调节阀调节的进水流量，使蒸发器水箱内的部分水体保持在临界冰点状态。蒸发器大量吸收临界冰点的水的潜热，大量降低蒸发器的用水量。因水在临界冰点状态下有大量的潜热，所以只需少量低温水即可使水源热泵正常工作。
31.系统通过各换热融冰装置吸收低温水中的显热和潜热两部分热量，经制冷机组的冷凝器释放至热水池中实现了热泵的效能。
32.综上所述，本系统既能在蒸发器融冰的时候不间断制热，也实现了水源热泵在不同工况下都能正常使用的目的。