基于风门控制的双风道车载热泵空调系统及其控制方法

本发明涉及一种暖通空调，具体涉及一种基于风门控制的双风道车载热泵空调系统及其控制方法。

背景技术：

1、近些年来，我国轨道交通发展迅速，轨道交通网络覆盖面积十分广泛。为提高乘坐轨道列车的舒适性，目前的轨道列车均配备有热泵空调系统。现有配备在轨道列车上的暖通系统与家用空调系统基本一致，但实际上，由于应用场景不一样，车载热泵空调系统的结构设计和性能均与家用空调系统的结构设计和性能存在不小差别。性能方面，车载热泵空调系统的性能系数相较于家用空调系统的性能系数相差甚多，由于列车上的空间有限，列车上的热泵空调系统难以达到最佳性能设计指标，然而，对于铁路类轨道列车，里程较长，途中所经历地域气候可能各不相同，甚至可能涉及到高环境温度到低环境温度之间的转变，因此对热泵空调系统的变工况性能及可靠性提出了更高的要求。结构设计方面，与家用空调系统分体式的设计不同，由于空间限制，车载热泵空调系统一般将系统部件集中放置在一个箱体内并置于列车车厢顶部，而这种集成式的设计使得热泵空调系统换热器与环境及室内之间的相对位置关系与家用空调之间有较大的差别。因此，基于车载热泵空调系统的应用场景的独特性，对车载热泵空调系统进行设计以提高系统性能、可靠性、经济性及车厢内的舒适性，这在当下具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有车载热泵空调系统采用家用空调系统设计，其性能和结构与其应用场景匹配度不高，导致车载热泵空调系统的性能、可靠性及车厢内供冷或供热的舒适性较差的技术问题，而提供一种基于风门控制的双风道车载热泵空调系统及其控制方法。

2、本发明的技术解决方案是：

3、本发明一种基于风门控制的双风道车载热泵空调系统，其特殊之处在于：包括热泵空调模块、供冷风道和供热风道；所述供冷风道和供热风道分别用于向车体内每节车厢的不同区域通入冷风和热风；

4、所述热泵空调模块包括风门单元、固连在车顶的外壳，以及设置于外壳内的压缩节流单元、第一电磁阀、蒸发器风机、冷凝器风机和分别位于压缩节流单元两侧的冷凝器、蒸发器；

5、所述风门单元包括设置在外壳上端且分别与蒸发器风机、蒸发器、冷凝器和冷凝器风机的上端相对应的第三外风门、第一外风门、第二外风门和第四外风门，以及设置在外壳下端且分别与蒸发器风机、蒸发器、冷凝器和冷凝器风机的下端相对应的第三内风门、第一内风门、第二内风门和第四内风门；所述风门单元中的各风门均为可开关式风门；

6、所述压缩节流单元包括制冷剂压缩模块和节流模块；所述制冷剂压缩模块用于提供压缩制冷剂、接收蒸发器返回的压缩制冷剂，以及制冷和制热时，用于将压缩制冷剂送入冷凝器内；以及除霜时，用于将其中一部分压缩制冷剂送入冷凝器内，另一部分被第一电磁阀抽取；

7、所述第一电磁阀用于除霜时，抽取部分压缩制冷剂送往蒸发器；所述冷凝器用于将压缩制冷剂进行空气换热，并将换热后的压缩制冷剂通过节流模块节流后送入蒸发器内；所述蒸发器用于将压缩制冷剂进行空气换热，并将换热后的压缩制冷剂送入制冷剂压缩模块；

8、所述蒸发器风机与蒸发器对应设置，用于制冷时，通过第一内风门吸入车厢内空气经蒸发器换热，再由第三内风门向供冷风道输送冷风；以及在制热及除霜时，通过第一外风门吸入外界空气经蒸发器换热，再由第三外风门向外排出；

9、所述冷凝器风机与冷凝器对应设置，用于制冷时，通过第二外风门吸入外界空气经冷凝器换热，再由第四外风门向外排出；以及在制热及除霜时，通过第二内风门吸入车厢内空气经冷凝器换热，由第四内风门向供热风道输送热风。

10、进一步地，所述制冷剂压缩模块包括储液器、压缩机；所述节流模块包括第一节流元件；所述储液器的出口与压缩机的进口连通，储液器的入口与蒸发器的出口连通；所述储液器内储存有制冷剂；所述压缩机的出口分为两路，一路与冷凝器的入口连通，另一路与第一电磁阀的进口连通；所述第一节流元件的进口与冷凝器的出口连通；所述第一节流元件的出口和第一电磁阀的出口均与蒸发器的进口连通。

11、进一步地，所述制冷剂压缩模块包括储液器、压缩机；所述节流模块包括第一节流元件、闪发器、第二电磁阀和第二节流元件；所述储液器的出口与压缩机的进口连通，储液器的入口与蒸发器的出口连通；所述储液器内储存有制冷剂；所述压缩机的出口分为两路，一路与冷凝器的入口连通，另一路与第一电磁阀的进口连通；所述第一电磁阀的出口与蒸发器的进口连通；所述闪发器上下端分别设置有气体出口和液体出口，侧壁设置有进口；所述压缩机的侧壁设置有补气孔口；所述冷凝器的出口通过第二节流元件与闪发器的进口连通；所述闪发器的液体出口通过第一节流元件与蒸发器的进口连通，闪发器的气体出口通过第二电磁阀与压缩机的补气孔口连通；所述第二节流元件为电子膨胀阀。

12、进一步地，所述制冷剂压缩模块包括储液器、压缩机；所述节流模块包括第一节流元件、经济器和第三节流元件；所述储液器的出口与压缩机的进口连通，储液器的入口与蒸发器的出口连通；所述储液器内储存有制冷剂；所述压缩机的出口分为两路，一路与冷凝器的入口连通，另一路与第一电磁阀的进口连通；所述压缩机的侧壁设置有补气孔口；所述经济器上分别设置有制冷剂主路进口、补气支路进口和主路出口；所述冷凝器的出口分为两路，其中一路通过第三节流元件与经济器的补气支路进口连通，另一路与经济器的制冷剂主路进口连通；所述经济器的主路出口分别与压缩机的补气孔口和第一节流元件的入口连通；所述第一节流元件的出口和第一电磁阀的出口均与蒸发器的进口连通；所述第三节流元件为电子膨胀阀。

13、进一步地，各部件之间采用铜管连通。

14、进一步地，所述供冷风道和供热风道分别沿车体长度方向设置在车体顶部和车体底部；所述供冷风道的底部沿车体长度方向均匀设置有多个供冷出风口；供冷风道通过多个供冷出风口向车体内每节车厢的不同区域通入冷风；所述供热风道的顶部沿车体长度方向均匀设置有多个供热出风口；供热风道通过多个供热出风口向车体内每节车厢的不同区域通入热风。

15、进一步地，所述压缩机为高背压滚动转子压缩机或者高背压涡旋压缩机；所述第一节流元件为电磁膨胀阀、热力膨胀阀和毛细管中的一种；所述蒸发器风机和冷凝器风机均为双出口离心风机。

16、同时，本发明还提供了一种基于风门控制的双风道车载热泵空调系统的控制方法，采用上述的空调系统，其特殊之处在于：

17、当需制冷时，将蒸发器风机和冷凝器风机开机运行，打开第一内风门、第三内风门、第二外风门和第四外风门，关闭第三外风门、第一外风门、第四内风门和第二内风门，调节节流模块以满足系统负荷需求；通过第一内风门吸入车厢内空气经蒸发器换热，再由第三内风门向供冷风道输送冷风；通过第二外风门吸入外界空气经冷凝器换热，再由第四外风门向外排出；

18、当需制热时，将蒸发器风机和冷凝器风机开机运行，打开第三外风门、第一外风门、第四内风门和第二内风门，关闭第一内风门、第三内风门、第二外风门和第四外风门，根据需求调节节流模块以满足系统负荷需求；

19、当需除霜时，打开第三外风门、第一外风门、第四内风门和第二内风门，关闭第一内风门、第三内风门、第二外风门和第四外风门，根据需求调节节流模块以满足系统负荷需求；

20、制热和除霜时，风道流向为：通过第一外风门吸入外界空气经蒸发器换热，再由第三外风门向外排出；通过第二内风门吸入车厢内空气经冷凝器换热，由第四内风门向供热风道输送热风。

21、进一步地，当需制热时，还包括调节节流模块以实现补气增焓功能。

22、本发明的有益效果：

23、1、本发明基于风门控制的双风道车载热泵空调系统，采用可开关式风门的风门单元，实现对制冷、制热时空气流道的控制，使得蒸发器与冷凝器之间无需转变，不再需要四通换向阀来实现制冷、制热工况的转换。一方面简化了系统结构，降低了系统成本；另一方面消除了四通换向阀的换热损失，同时提高了蒸发器、冷凝器的换热效率，大大提高了热泵空调系统的性能，此外该设计能够实现制冷与制热时在车厢不同的出风口出风，大大提高车厢内乘客的舒适感。

24、2、本发明基于风门控制的双风道车载热泵空调系统，由于无需四通换向阀，蒸发器出口与储液器入口间的连接段结构大大简化，只需用铜管连接，这对于压缩机的回油特性十分有利，提高了热泵空调系统的可靠性。一方面，简化了蒸发器与储液器之间的管路，可参见图1中蒸发器与储液器间管路；另一方面本发明中制热与制冷时，制冷剂流动方向始终保持一致。二者均有利于压缩机的可靠回油，有利于系统的可靠运行。同时，消除了四通换向阀中冷热流体管路之间的换热损失，进一步提高了系统性能。

25、3、本发明基于风门控制的双风道车载热泵空调系统，通过采用新型风道设计，设计的车厢出风口为供冷出风口在车厢上方，供热出风口在车厢下方。由于冷空气密度较大，热空气密度较小，该设计有利于冷气的沉降与暖气的上升，就车厢内乘客的感受而言是更佳的，有利于提升车厢乘坐的舒适性。

26、4、本发明基于风门控制的双风道车载热泵空调系统，适用范围广，可用于包括高铁、地铁、城际列车等一切常见的轨道交通列车。

27、5、本发明基于风门控制的双风道车载热泵空调系统的控制方法，采用可开关式风门的风门单元，通过对协调各风门的开关，实现对制冷、制热时空气流道的控制，使得蒸发器与冷凝器之间无需转变，不再需要四通换向阀来实现制冷、制热工况的转换。

28、6、本发明基于风门控制的双风道车载热泵空调系统的控制方法，采用热气旁通技术除霜,除霜过程中冷凝器风机无需停机，系统仍具有一定的制热能力，能够提供部分供热需求，提高了除霜过程中车厢内的舒适性。