基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵及其控制方法，在热泵循环系统冷凝器后串联加装一个相变储能式换热器，具体包括依次连接的风冷翅片式蒸发器，四通阀、压缩机、冷凝器、相变储能式换热器和节流阀；还包括循环水泵、外风机和控制单元，控制单元包括控制器、第一感温探头、第二感温探头和第三感温探头，控制器通过导线分别与第一感温探头、第二感温探头、第三感温探头、循环水泵和外风机电性连接。通过上述方式，本发明相变储能式换热器除霜的空气源热泵及其控制方法采用制冷剂系统相变储能除霜技术，由于相变温度点稳定、蓄热量大，可以解决空气源热泵除霜所带来的供热不稳定及效率下降等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及相变储能和空气源技术领域，特别是涉及一种基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵及其控制方法。

背景技术

空气源热泵制热由于其高能效比、安装使用方便等特点，是最具普适性的一种供热节能技术，受到了广泛应用。

但空气源热泵制热效率受环境气温的影响很大，当环境温度较低时，空气源热泵制热量和制热效率会下降；尤其是当室外管翅式蒸发器翅片表面温度低于0℃时，翅片表面结霜，使得空气源热泵制热性能急剧下降，这大大限制了空气源热泵的使用。

目前，空气源热泵都采用热气冲霜，目前被证明最可靠的空气源热泵除霜技术为采用四通阀切换，将制热工况转换为制冷工况，原冷凝器切换为蒸发器，室外管翅式蒸发器切换为冷凝器，制冷剂工质在室外管翅式蒸发器（冷凝器）中冷凝放热除霜。

即通过四通换向阀改变制冷剂的流向进入制冷工况，让压缩机排出的热蒸汽直接进入管翅式换热器以除去翅片表面霜层。但在除霜过程中需消耗原制取的热量及增加压缩机做功，带来的后果是：制热过程不稳定，制热能效比急剧下降。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵及其控制方法，采用制冷剂系统相变储能除霜技术，由于相变温度点稳定、蓄热量大，可以解决空气源热泵除霜所带来的供热不稳定及效率下降等问题，具有应用意义，并具有广阔的市场前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵，包括：风冷翅片式蒸发器，四通阀、压缩机、冷凝器、相变储能式换热器和节流阀，

风冷翅片式蒸发器的输出端连接四通阀的第一输入端，四通阀的第一输出端连接压缩机的输入端，压缩机的输出端连接四通阀的第二输入端，四通阀的第二输出端连接冷凝器的输入端，冷凝器的输出端连接相变储能式换热器的输入端，相变储能式换热器的输出端连接节流阀的输入端，节流阀的输出端连接风冷翅片式蒸发器的输入端。

在本发明一个较佳实施例中，所述相变储能式换热器为相变储能板式热交换器或单换热介质相变储能管翅式热交换器。

在本发明一个较佳实施例中，所述相变储能板式热交换器包括相变储能材料仓、制冷剂通道、相变储能材料、制冷剂、相变储能材料集管、制冷剂分管和制冷剂集管，所述相变储能材料仓和制冷剂通道一一间隔布置，所述相变储能材料仓上方设有相变储能材料集管，众多相变储能材料仓通过相变储能材料集管连通，所述制冷剂走制冷剂通道，所述制冷剂和相变储能材料仓通过换热板隔离。

在本发明一个较佳实施例中，所述制冷剂分管和制冷剂集管的布置方向与制冷剂通道的布置方向相互垂直，多个制冷剂通道通过制冷剂分管和制冷剂集管连通。

在本发明一个较佳实施例中，所述制冷剂通过制冷剂分管走制冷剂通道，当制冷剂温度大于相变储能材料相变温度时，相变储能材料融化吸热；当制冷剂温度小于相变储能材料相变温度时，相变储能材料结晶放热。

在本发明一个较佳实施例中，所述单换热介质相变储能管翅式热交换器包括保温箱体、制冷剂通道、相变储能材料、制冷剂、换热翅片、相变储能材料罐装口、制冷剂分管和制冷剂集管，所述变储能材料通过相变储能材料罐装口液态罐装填充到保温箱体内，所述制冷剂走制冷剂通道，制冷剂通道制成蛇形管方式，并加装换热翅片强化传热，众多制冷剂通道通过制冷剂分管和制冷剂集管连通。

在本发明一个较佳实施例中，所述换热翅片间隙中填充满相变储能材料，当制冷剂通道所走制冷剂温度大于相变储能材料相变温度时，相变储能材料融化吸热；当制冷剂温度小于相变储能材料相变温度时，相变储能材料结晶放热。

在本发明一个较佳实施例中，所述相变储能材料为有机相变储能材料、无机相变储能材料和金属及合金相变储能材料，有机相变储能材料包括石蜡和非石蜡有机相变储能材料，无机相变储能材料包括水合盐、共晶盐和熔盐。

在本发明一个较佳实施例中，还包括循环水泵、外风机和控制单元，控制单元包括控制器、第一感温探头、第二感温探头和第三感温探头，

第一感温探头放置在室外，第二感温探头连接在风冷翅片式蒸发器的翅片上，第三感温探头连接在冷凝器的水路出口上，控制器通过导线分别与第一感温探头、第二感温探头、第三感温探头、循环水泵和外风机电性连接。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵控制方法，包括所述的基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵，包括如下运行模式：制热模式和除霜模式：

一、制热模式：

当T

当T

二、除霜模式：

当T

当T

本发明的有益效果是：本发明基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵及其控制方法由于相变温度恒定带来蒸发温度稳定，除霜工况稳定，除霜快、效果好；由于除霜过程中不用抽取原冷凝器供热介质中热量，供热质量明显改善；相变储能换热器储能过程冷却输出冷凝器高温高压制冷剂液体，提高了经节流阀节流后制冷剂汽液两相中液相比重，改善热泵循环效率；在除霜工况转化为正常制热工况后，相变储能换热器的存在，增加冷凝器冷凝换热面积，能快速吸收高蒸发温度所带来的额外制热量，使得热泵制热循环快速趋于稳定；将相变储能换热器串联在冷凝器后面，在正常制热工况，制冷剂液体经过相变储能换热器，增加流动阻力有限，对热泵效率影响可以忽略不计。

附图说明

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它的附图，其中：

图1是本发明的基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵一较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵中相变储能板式热交换器一较佳实施例的结构示意图；

图3是图2的侧视图；

图4是本发明的基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵中单换热介质相变储能管翅式热交换器一较佳实施例的结构示意图；

图5是图4的侧视图；

图6是本发明的基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵控制原理一较佳实施例的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、风冷翅片式蒸发器，2、四通阀，3、压缩机，4、冷凝器，5、相变储能式换热器，6、节流阀，7、循环水泵，8、外风机，9、控制器，

1-51、相变储能材料仓，1-52、制冷剂通道，1-53、相变储能材料，1-54、制冷剂，1-55、相变储能材料集管，1-56、制冷剂分管，1-57、制冷剂集管，

2-51、保温箱体，2-52、制冷剂通道，2-53、相变储能材料，2-54、制冷剂，2-55、换热翅片，2-56、相变储能材料罐装口，2-57、制冷剂分管，2-58、制冷剂集管。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6，本发明实施例包括：

实施例一

一种基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵，在热泵循环系统冷凝器后串联加装一个相变储能式换热器，具体包括：风冷翅片式蒸发器1，四通阀2、压缩机3、冷凝器4、相变储能式换热器5和节流阀6，

风冷翅片式蒸发器1的输出端连接四通阀2的第一输入端，四通阀2的第一输出端连接压缩机3的输入端，压缩机3的输出端连接四通阀2的第二输入端，四通阀2的第二输出端连接冷凝器4的输入端，冷凝器4的输出端连接相变储能式换热器5的输入端，相变储能式换热器5的输出端连接节流阀6的输入端，节流阀6的输出端连接风冷翅片式蒸发器1的输入端。

所述风冷翅片式蒸发器1、四通阀2、压缩机3、冷凝器4、相变储能式换热器5和节流阀6组成空气源热泵循环：

其制热工作流程为：热泵循环制冷剂工质（以下简称制冷剂）在风冷翅片式蒸发器1中蒸发吸热形成低温低压制冷剂蒸汽，经过四通阀2，进入压缩机3压缩形成高温高压制冷剂蒸汽，然后进入冷凝器4冷凝放热形成高温高压制冷剂液体，经过相变储能式换热器5冷却蓄热，再经节流阀6节流形成低温低压的制冷剂汽液两相流，再次进入风冷翅片式蒸发器1中蒸发完成一个热泵制热循环。

其除霜工况工作流程为：四通阀2通电换向，制冷剂流向翻转，热泵蒸发器和冷凝器互换；此时，风冷翅片式蒸发器1变为冷凝器，相变储能式换热器5变为蒸发器，冷凝器4变为过流换热器：

制冷剂在相变储能式换热器5中蒸发吸收储存在相变储能材料中热量形成中温中压制冷剂蒸汽，经过冷凝器4，经过四通阀2（四通阀已通电换向），进入压缩机3压缩形成高温高压制冷剂蒸汽，进入风冷翅片式蒸发器1（冷凝器）冷凝放热除霜，形成高温高压制冷剂液体，经过节流阀6节流形成低温低压的制冷剂汽液两相流，再次进入相变储能式换热器5中蒸发完成一个热泵除霜循环。

其中，所述相变储能式换热器5为相变储能板式热交换器或单换热介质相变储能管翅式热交换器。

进一步地，所述相变储能板式热交换器包括相变储能材料仓1-51、制冷剂通道1-52、相变储能材料1-53、制冷剂1-54、相变储能材料集管1-55、制冷剂分管1-56和制冷剂集管1-57，相变储能材料1-53封装在相变储能材料仓1-51中，所述制冷剂1-54走制冷剂通道1-52。

所述相变储能材料仓1-51和制冷剂通道1-52一一间隔布置，所述相变储能材料仓1-51上方设有相变储能材料集管1-55，众多相变储能材料仓1-51通过相变储能材料集管1-55连通。

所述相变储能材料1-53通过相变储能材料集管1-55液态罐装填充到相变储能材料隔仓1-51，在相变储能材料1-53罐装过程中预留相变材料固液相变体积变化膨胀空间，一般为相变材料所装空间的5%-12%。

所述相变储能材料仓1-51是板式热交换器换热通道中的一种，所述制冷剂1-54和相变储能材料仓1-51通过换热板隔离。

所述制冷剂分管1-56和制冷剂集管1-57的布置方向与制冷剂通道1-52的布置方向相互垂直，多个制冷剂通道1-52通过制冷剂分管1-56和制冷剂集管1-57连通。

所述相变储能材料1-53为特定相变点的有机相变储能材料、无机相变储能材料和金属及合金相变储能材料。有机相变储能材料包括石蜡和非石蜡有机相变储能材料，无机相变储能材料包括水合盐、共晶盐和熔盐。所述相变储能材料1-53相变温度点范围为25℃-40℃。

所述制冷剂1-54通过制冷剂分管1-56走制冷剂通道1-52，当制冷剂1-54温度大于相变储能材料1-53相变温度时，相变储能材料1-53融化吸热；当制冷剂1-54温度小于相变储能材料1-53相变温度时，相变储能材料53结晶放热。

进一步地，所述单换热介质相变储能管翅式热交换器包括保温箱体2-51、制冷剂通道2-52、相变储能材料2-53、制冷剂2-54、换热翅片2-55、相变储能材料罐装口2-56、制冷剂分管2-57和制冷剂集管2-58，

所述相变储能材料2-53通过相变储能材料罐装口液2-56态罐装填充到保温箱体2-51内，在相变储能材料2-53罐装过程中预留相变材料固液相变体积变化膨胀空间，一般为相变材料所装空间的5%-12%。

所述制冷剂2-54走制冷剂通道2-52，制冷剂通道2-52制成蛇形管方式，并加装换热翅片2-55强化传热，众多制冷剂通道2-52通过制冷剂分管2-57和制冷剂集管2-58连通。

所述相变储能材料2-53为特定相变点的有机相变储能材料、无机相变储能材料和金属及合金相变储能材料。有机相变储能材料包括石蜡和非石蜡有机相变储能材料，无机相变储能材料包括水合盐、共晶盐和熔盐。所述相变储能材料2-53相变温度点范围为25℃-40℃。

所述换热翅片2-55间隙中填充满相变储能材料2-53，当制冷剂通道2-52所走制冷剂2-54温度大于相变储能材料2-53相变温度时，相变储能材料2-53融化吸热；当制冷剂2-54温度小于相变储能材料2-53相变温度时，相变储能材料2-53结晶放热。

综上，在原热泵制热循环中增加相变储能换热器以后，不仅改善除霜工况，而且供热稳定，使得热泵效率大幅度提高。

实施例二

一种基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵控制方法，采用实施例一所述的基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵，

该基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵还包括循环水泵7、外风机8和控制单元，控制单元包括控制器9、第一感温探头T1、第二感温探头T2和第三感温探头T3。

第一感温探头T1放置在室外，测量室外温度T

控制器9通过导线分别与第一感温探头T1、第二感温探头T2、第三感温探头T3、循环水泵7和外风机8电性连接。在实际使用过程中，如果冷凝器4为风冷管翅式冷凝器，则循环水泵7改为内风机。

该控制方法包括如下运行模式：制热模式和除霜模式：

一、制热模式：

当T

当T

二、除霜模式：

当T

当T

热泵设定的除霜温差ΔT

本发明基于相变储能式换热器除霜的空气源热泵及其控制方法的有益效果是：

1、由于相变温度恒定带来蒸发温度稳定，除霜工况稳定，除霜快、效果好；

2、由于除霜过程中不用抽取原冷凝器供热介质中热量，供热质量明显改善；

3、相变储能换热器储能过程冷却输出冷凝器高温高压制冷剂液体，提高了经节流阀节流后制冷剂汽液两相中液相比重，改善热泵循环效率；

4、在除霜工况转化为正常制热工况后，相变储能换热器的存在，增加冷凝器冷凝换热面积，能快速吸收高蒸发温度所带来的额外制热量，使得热泵制热循环快速趋于稳定；

5、将相变储能换热器串联在冷凝器后面，在正常制热工况，制冷剂液体经过相变储能换热器，增加流动阻力有限，对热泵效率影响可以忽略不计。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。