一种级联加热的自复叠高温热泵系统及控制方法

本发明涉及高温热泵，具体涉及一种级联加热的自复叠高温热泵系统及控制方法。

背景技术：

1、热泵是一种节能供热技术，可替代电力、燃气或燃煤供热，适用于住宅或工业。水或空气等热汇的有限热容，温度滑移较大，对高效的高温热泵提出了新的挑战。目前，高温热泵主要采用亚临界蒸气压缩循环和跨临界循环，对于传统的亚临界热泵循环，采用单一制冷剂作为工质时，由于其等温相变的固有属性，对温度滑移需求较大的热汇，换热损失是巨大的。co2跨临界热泵循环由于超临界区域的温度滑移较大，对热汇的加热是有利的。然而，该热泵循环的排气压力较高增加了特定部件的成本。因此，为了在亚临界热泵循环实现对温度滑移较大的加热需求，利用混合工质之间的温度滑移特性匹配外界的热汇温度变化曲线，从而减少了换热损失，提升系统效率。

2、采用混合工质的循环包括回热循环、自复叠循环和复叠循环。相比回热循环，自复叠循环能够调节制冷剂流量和组分浓度适应不同工况变化的需求，相比复叠循环，自复叠仅采用单台压缩机，节约了系统部件成本。因此，采用自复叠循环的空气源高温热泵系统具有灵活性调控和成本较低的优势。但当需要实现15～20℃的进水温度提升到70～95℃的供热需求时，冷凝侧的换热温差较大，冷凝器的换热损失较大造成高温热泵系统的性能较低的问题仍然存在。因此，面对温度跨越较大的的加热需求，水侧和制冷剂的换热过程还需改进，降低水侧和制冷剂侧的换热温差，减少换热过程的损失，从而提升高温热泵系统的性能。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提出一种级联加热的自复叠高温热泵系统及控制方法，该自复叠高温热泵系统利用混合工质在冷凝器和内部换热器的温度滑移特性，将水侧首先引入内部的多股流换热器吸热，再经过冷凝器吸热，以级联加热形式减少水侧和制冷剂侧的换热不可逆损失。同时利用自复叠热泵系统的制冷剂流量和组分可调的特点，对于不同的供热工况和不同的空气源温度，设定相应的控制方法，保证自复叠高温热泵的高效运行。

2、为达到上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种级联加热的自复叠高温热泵系统，包括压缩机1，压缩机1出口管路与冷凝器2制冷剂侧进口相连；冷凝器2制冷剂侧出口第一管路与第一阀门16进口相连；第一阀门16与多股流换热器4热侧进口相连；冷凝器2制冷剂侧出口第二管路与第二阀门17进口相连；第二阀门17与分离器3进口相连；分离器3气相出口和第一阀门16出口混合与多股流换热器4热侧进口相连；分离器3液相出口与第一电子膨胀阀8进口相连；多股流换热器4热侧出口与回热器5热侧进口相连；回热器5热侧出口与第二电子膨胀阀9进口相连；第二电子膨胀阀9出口与蒸发器6进口相连；蒸发器6出口与回热器5冷侧进口相连；第一电子膨胀阀8出口与第一电磁阀18进口相连；第一电磁阀18出口和回热器5冷侧出口混合与多股流换热器4冷侧进口相连；多股流换热器4冷侧出口与压缩机1进口相连；压缩机1出口还与第二电磁阀13进口相连；第二电磁阀13出口与储气罐12进口相连；储气罐12出口与第三电子膨胀阀14进口相连；第三电子膨胀阀14出口与第三电磁阀15进口相连；第三电磁阀15出口与压缩机1进口相连；进水管道与水泵11进口相连；水泵11出口与多股流换热器4水侧进口相连；多股流换热器4水侧出口与冷凝器2水侧进口相连；冷凝器2水侧出口与供水口相连；控制装置10的输入端与压缩机1出口的第一压力传感器101和第一温度传感器102相连；控制装置10的输入端与蒸发器6出口的第二温度传感器103相连；控制装置10的输入端与冷凝器2出口的第三温度传感器104相连；控制装置10的输入端与冷凝器2水侧出口的第四温度传感器105相连；控制装置10的输出端与压缩机1、水泵11的控制机构相连；控制装置10的输出端与第一阀门16、第二阀门17、第一电子膨胀阀8、第二电子膨胀阀9、第三电子膨胀阀14、第一电磁阀18、第二电磁阀13、第三电磁阀15的调节机构相连；热泵系统在运行期间通过控制第一阀门16、第二阀门17、第一电子膨胀阀8、第二电子膨胀阀9，调节蒸发器6内流量和制冷剂组分浓度；通过控制水泵11转速调节进水流量满足高温供热需求。

4、所述自复叠高温热泵系统采用二元非共沸混合工质，经压缩机1压缩后的高温高压气体进入冷凝器2，之后经冷凝器2制冷剂侧出口第一管和经第一阀门16进入多股流换热器4；在多股流换热器4降温后进入回热器5继续降温，之后经第二电子膨胀阀9节流降压后进入蒸发器6吸热；从蒸发器6出口进入回热器5升温后进入多股流换热器4冷侧进口；在多股流换热器4内吸热升温后进入压缩机1；经压缩机1压缩后的高温高压气体进入冷凝器2后还经冷凝器2制冷剂侧出口第二管路和第二阀门17进入分离器3分离为气相和液相；气相在多股流换热器4降温后进入回热器5继续降温，之后经第二电子膨胀阀9节流降压后进入蒸发器6吸热；从蒸发器6出口进入回热器5升温；液相经第一电子膨胀阀8节流降压；之后与回热器5出口制冷剂混合进入多股流换热器4内吸热升温后进入压缩机1；水进入水泵11升压后，进入多股流换热器4内加热，之后再经过冷凝器2继续加热，满足供热需求。

5、优选的，所述二元非共沸混合工质采用各占50％的r290和r1233zd(e)，满足进水温度15℃加热至95℃的供热需求。

6、所述自复叠高温热泵系统在启动阶段，控制装置10接收压缩机1出口的第一压力传感器101的信号p1，通过控制第二电磁阀13的控制机构打开第二电磁阀13，将制冷剂存储于储气罐12，解决启动压力高的问题；在自复叠高温热泵系统的升温阶段，通过控制第三电子膨胀阀14和第三电磁阀15的控制机构打开第三电子膨胀阀14和第三电磁阀15，将储气罐12内制冷剂转移至压缩机1内在自复叠高温热泵系统内循环；在自复叠高温热泵系统运行阶段，控制装置10调节第一阀门16和第二阀门17的开度控制多股流换热器4热侧进口的制冷剂组分和浓度。

7、所述蒸发器6外设有变频风机7，以可变的风机转速适应不同的工况需求，节约风机的耗电量。

8、所述的一种级联加热的自复叠高温热泵系统的控制方法，所述控制装置10采集自复叠高温热泵系统内的压力传感器和温度传感器的信号与系统运行的时间信号，由控制装置10控制第一电磁阀18、第二电磁阀13、第三电磁阀15的通断，控制装置10控制第一电子膨胀阀8、第二电子膨胀阀9、第三电子膨胀阀14、第一阀门16、第二阀门17的开度，控制装置10控制压缩机1启停，保证自复叠高温热泵系统的稳定运行；压缩机出口安全压力为p10，偏差值为δ10；压缩机出口安全温度为t10，偏差值为δ11；热水出口温度设定温度为t40，偏差值为δ40；启动时间为t0；所述控制方法具体如下：

9、1)控制装置10采集自复叠高温热泵系统的运行时间t，当t<t0，自复叠高温热泵系统处于启动阶段，控制装置10接收压缩机1出口第一压力传感器101的压力信号p1；当p1>p10-δ10时，控制装置10控制第二电磁阀13的控制机构，打开第二电磁阀13，将制冷剂存储于储气罐12内，当p1<p10-δ10时，关闭第二电磁阀13；控制装置10控制第一阀门16和第二阀门17的控制机构，关闭第一阀门16，打开第二阀门17；控制装置10通过控制第一电子膨胀阀8和第二电子膨胀阀9的调节机构，调节第一电子膨胀阀8和第二电子膨胀阀9的开度，使得p1<p10-δ10；

10、2)控制装置10采集自复叠高温热泵系统的运行时间t、压缩机1出口第一压力传感器101的压力信号p1、第一温度传感器102的温度信号t1、热水管路出口第四温度传感器105的温度信号t4；当t≥t0，t4<t40+δ40时，自复叠高温热泵系统处于升温阶段，控制装置10控制第三电磁阀15的通断和第三电子膨胀阀14的开度，将储气罐12内制冷剂释放进入压缩机1内在自复叠高温热泵系统内循环，控制装置10增加第一阀门16的开度、减少第二阀门17的开度，增加自复叠高温热泵系统的制冷剂流量，增加自复叠高温热泵系统内制冷剂高沸点组分浓度；当t1>t10-δ11，控制装置10减小第一阀门16的开度、增加第二阀门17的开度，减小自复叠高温热泵系统的制冷剂流量，增加自复叠高温热泵系统内制冷剂低沸点组分浓度；保证t4>t40-δ40、t1<t10-δ11、p1<p10-δ10；

11、3)控制装置10采集热水管路出口第四温度传感器105的温度信号t4，控制装置10采集蒸发器6出口第二温度传感器103的温度信号t2；当t40-δ40≤t4≤t40+δ40时，自复叠高温热泵系统处于稳定运行阶段，压缩机1停运；当设定温度t40增加时，控制装置10控制第一阀门16、第二阀门17、第一电子膨胀阀8的调节机构，增加第一阀门16和第一电子膨胀阀8的开度，减小第二阀门17的开度，增加蒸发器6内高沸点组分浓度，提升压缩机1排气温度，满足此时的供热需求，保证压缩机1出口第一温度传感器102的温度信号t1<t10-δ11，保证t40-δ40≤t4≤t40+δ40，之后压缩机1停运；当设定温度t40降低时，控制装置10控制第一阀门16、第二阀门17、第一电子膨胀阀8的调节机构，减小第一阀门16和第一电子膨胀阀8的开度，增加第二阀门17的开度，增加蒸发器6内低沸点组分浓度，降低压缩机1排气温度，满足此时的供热需求，保证压缩机1出口第一温度传感器102的温度信号t1<t10-δ11，保证t40-δ40≤t4≤t40+δ40，之后压缩机1停运；当蒸发器6出口第二温度传感器103的温度信号t2增加时，控制装置10控制第一阀门16、第二阀门17、第一电子膨胀阀8、第二电子膨胀阀9的调节机构，增加第一阀门16、第一电子膨胀阀8、第二电子膨胀阀9的开度，减小第二阀门17的开度，增加蒸发器6内高沸点组分浓度，提升压缩机1排气温度，满足此时的供热需求，保证压缩机1出口第一温度传感器102的温度信号t1<t10-δ11，保证t40-δ40≤t4≤t40+δ40，之后压缩机1停运；当蒸发器6出口第二温度传感器103的温度信号t2降低时，控制装置10控制第一阀门16、第二阀门17、第一电子膨胀阀8的调节机构，减小第一阀门16、第一电子膨胀阀8和第二电子膨胀阀9的开度，增加第二阀门17的开度，增加蒸发器6内低沸点组分浓度，降低压缩机1排气温度，满足此时的供热需求，保证压缩机1出口第一温度传感器102的温度信号t1<t10-δ11，保证t40-δ40≤t4≤t40+δ40，之后压缩机1停运；当调节过程t4<t40-δ40时，控制装置10控制水泵11的调节机构，降低水泵11转速，减少供水侧流量，使得第四温度传感器105的温度信号t4达到目标温度t40。

12、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

13、1、考虑到热泵系统的水侧直接与冷凝器内制冷剂换热造成的较大的损失的问题，利用自复叠系统冷凝器和内部换热器均存在较大温度滑移的特性，将水侧首先引入多股流换热器与分离器出口制冷剂换热再进入冷凝器内与制冷剂换热，改善了水侧和制冷剂的换热损失，从而提升系统性能；

14、2、利用自复叠系统内制冷剂流量和组分浓度可调节的特点，在不同的供热温度和不同的空气温度时，通过调节阀门调控，改变制冷剂的流量以及系统内高/低沸点循环组分浓度，实现不同场景下高温热泵系统的高效运行。