一种带双层换热器的变风量空气源热泵机组及其控制方法与流程

本发明涉及可再生能源利用，具体而言，涉及一种带双层换热器的变风量空气源热泵机组及其控制方法。

背景技术：

1、空气源热泵作为一种应用最为简便的可再生能源利用方式，具有热源获取便捷、运行维护方便、无直接碳排放等优势，在我国建筑中具有广泛应用的现状与前景。

2、由于空气源热泵机组空气侧换热器的换热系数低，单位面积换热器的换热量有限，使得热泵机组的单台制热量难以做大，目前市面上主流品牌空气源热泵机组的单台制热量最大规格通常在1400kw～1600kw，此容量机组的设备尺寸达到了13.5m～18m长、2.3m左右宽、2.5m左右高，严重制约了空气源热泵机组在中、大型项目中的应用，迫切需要采取有效措施，在占用平面面积不变的情况下，提高机组的制热热力，对节约室外占地、促进空气源热泵的应用具有重要意义。

3、相较于热源塔热泵系统或水冷冷水机组系统动辄5m以上高的换热塔，空气源热泵机组2.5m的设备高度，对室外空间的高度利用远远不够，因此通过增加空气源热泵机组空气侧换热器高度，来加大热泵单位占地面积的制热量，是一种有效提高热泵单机制热能力的措施。采用增加高度来增加换热器面积通常有两种做法，一种是将两个单层换热器重叠起来，可实现在不增加宽度方向尺寸的情况下，直接将换热器面积加倍，但该方式在上下层换热器间会形成一个很窄的通道，该位置会大幅限制通过下层换热器的风量，使得虽然换热面积实现了翻倍，但换热量增加有限；另一种方式是将v形单层换热器直接向高度方向延展，该方式可实现在对换热器单位面积换热量影响较小的情况下，大幅增大换热器面积，但却会带来机组宽度方向的大幅增加。为此，研发对热泵机组换热器单位面积换热能力和设备宽度影响较小的构造形式，极为重要。

4、空气源热泵机组的运行能耗由压缩机能耗和风机能耗两部分构成，当空气源热泵机组部分负荷运行时，两部分互相制约，通过换热器的风量越大，风机能耗越大，但换热效果越好，有助于降低压缩机能耗，因此，研究基于综合能耗最低的空气源热泵机组运行控制方法对降低热泵的运行能耗有着重要意义。

5、有鉴于此，特提出本技术。

技术实现思路

1、为了解决现有的技术问题和弥补领域内技术不足，本发明目的在于提供一种带双层换热器的变风量空气源热泵机组及其控制方法，采用上下双层换热器的结构，并通过上下层换热器布置角度的优化，和适当增加排风腔沿着排风方向的宽度，避免了在上下两层换热器间出现急剧收窄的“喉口”，以确保通过下层换热器的空气风量，从而大幅提高热泵机组单位占地面积的制热量。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种带双层换热器的变风量空气源热泵机组，包括设置在下部的压缩机和水侧换热器箱和设置在上部的风侧换热器，所述风侧换热器包括沿着长度方向依次设置的多组风侧换热器组件，每组风侧换热器组件包括两个沿宽度中线所在面对称设置的风侧换热器组件；

4、所述风侧换热器组件包括上层换热器和下层换热器；

5、所述上层换热器包括设置在远离另一个风侧换热器组件一侧的上层第一换热器和靠近另一个风侧换热器组件一侧的上层第二换热器；

6、所述下层换热器包括设置在远离另一个风侧换热器组件一侧的下层第一换热器和靠近另一个风侧换热器组件一侧的下层第二换热器；

7、风侧换热器组件的上层换热器和下层换热器之间形成排风腔，同组两个风侧换热器组件的上层第二换热器和下层第二换热器之间形成进风腔；

8、在保证每组风侧换热器组件宽度不变情况下，所述排风腔的宽度从下至上逐渐增大，所述进风腔的宽度上小下大。

9、在某一具体实施方式中，所述上层第二换热器的上端朝远离上层第一换热器的方向倾斜，所述下层第一换热器的下端朝靠近下层第二换热器的方向倾斜。

10、在某一具体实施方式中，所述上层第一换热器和下层第二换热器均竖直垂直布置。

11、本发明采用上下双层换热器的结构，并通过上下层换热器布置角度的优化，和适当增加排风腔沿着排风方向的宽度，避免了在上下两层换热器间出现急剧收窄的“喉口”，以确保通过下层换热器的空气风量，大幅提高热泵机组单位占地面积的制热量。

12、具体的，上层第二换热器和下层第一换热器倾斜布置，能够增加换热面积，下层第二换热器垂直布置，可以增大进风腔的截面积，确保中间进风的风量。上层第一换热器垂直布置，能够使沿排风方向，排风腔的截面积逐渐增大，便于平衡通过上下层换热器的风量。

13、在某一具体实施方式中，还包括设置在排风腔顶部的风筒，风筒内设置有风机，每组风侧换热器组件的两个上层第二换热器的上端之间通过第一拼接板(10)连接，两个下层第二换热器的下端之间通过第二拼接板(11)连接。

14、所述风机采用永磁直驱变频结构可在30％～100％负载率下保持高效输出，克服了异步电机低负载运行时效率低、电机发热严重的问题，可以实现空气源热泵机组部分负荷工况高效宽频的变频调节；所述风筒的上端具有导流结构，能够避免排风回流导致进风短路；第一拼接板和第二拼接板的宽度，可根据长度方向拼接的风侧换热组件线性调节，以匹配合适的中间进风腔面积，以确保位于热泵机组中间的风侧换热组件的进风量。

15、在某一具体实施方式中，因为上层换热器距风机近，空气会优先经过上层换热器，使得下层换热器的过风量较低。考虑到单位面积换热器的换热能力和过风阻力，与通过换热器的风量和换热器的厚度直接相关，但风量和厚度对换热能力和过风阻力的影响强度有所差异，风量更多影响换热能力，而厚度更多影响过风阻力。基于此，本发明上层换热器的厚度比下层换热器的厚度厚20％，采用加厚上部换热器的设计，可以平衡上下层换热器的过风量和换热能力。

16、在某一具体实施方式中，压缩机和水侧换热器箱四周采用可拆卸式吸声保温板封闭，以隔绝机组运行噪音，当外部环境较高压缩机需要散热时，也可拆除吸声保温板封闭局部打开通风。

17、在某一具体实施方式中，风侧换热器组件通过机架安装在压缩机和水侧换热器箱的上方。

18、第二方面，本发明还提供一种带双层换热器的变风量空气源热泵机组的控制方法，包括如下步骤：

19、s1，基于空气源热泵机组压缩机能耗和风机能耗综合最低原则，确定通过风侧换热器的总风量，即风机的开启台数和频率；

20、s2，在冬季供热时，通过监测风侧换热器的进风温度th，通过获取机组的运行电流得到机组的运行负载率ζh，再通过下式计算风机最优运行频率vh：

21、

22、式中：v0-风机额定工况的运行频率，50hz

23、xh-供热工况，与机组运行负载率相关的拟合系数

24、yh-供热工况，与机组的运行室外条件相关的拟合系数；

25、s3，在夏季制冷时，通过监测风侧换热器的进风温度tc、获取热泵机组的运行负载率ζc，再通过下式计算风机最优运行频率vc；

26、

27、式中：xc-制冷工况，与机组运行负载率相关的拟合系数

28、yc-制冷工况，与机组的运行室外条件相关的拟合系数；

29、s4，永磁直驱变频风机的负载率低于30％后，效率衰减严重，设定风机变频下限为15hz；

30、当风机理论最优运行频率v＞50hz时，设定风机以工频50hz运行；

31、当15hz≤v≤50hz时，设定风机以最优运行频率v运行；

32、当v＜15hz时，关掉部分风机，剩余风机的运行频率接近且大于15hz；

33、s5，为避免风机频繁变频与启停，以给定时间段(例如5min或其他时间)为一个调节周期。

34、在某一具体实施方式中，步骤s1中，风机的开启台数和频率确定方法如下：选取多种典型容量规格的热泵机组，采用实验室变工况测试方法，得到不同热泵机组负荷率下，不同室外温度下，不同风机开启台数和频率对应的热泵机组压缩机能耗和风机能耗，以此为输入边界条件，利用热泵性能分析软件推演出，在热泵机组运行能耗综合最低的原则下，风机开启台数和频率与机组运行负载率和室外温度的关系式。

35、在某一具体实施方式中，步骤s4中，关闭风机台数m采用下式计算：

36、

37、式中：n-空气源热泵机组的风机总数，roundup()-向上取整函数

38、剩余风机运行频率采用下式计算：nv/(n-m)。

39、空气源热泵机组通常有多个换热用风机，大容量的热泵机组甚至有30台以上的换热用风机，通过调节风机开启台数可以方便、准确的匹配到所需的风量，因此目前市面上的空气源热泵机组所用风机基本是定频风机。但对于某一台确定的风机而言，通过风机变频来调节风量，风机的耗电量与风量呈三次方关系；而通过风机台数调节，所有风机的总耗电量与风量成正比。因此，本发明在空气源热泵机组部分负荷时，采用所有风机同步变频方式来调节换热风量，风机总耗电量会远小于采用台数调节的方式。

40、另外，本发明的控制方法通过基于热泵机组运行能耗综合最低的原则，制定风机开启台数和变频的运行控制逻辑，能够大幅降低热泵机组的运行能耗。

41、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

42、1、本发明实施例提供的一种带双层换热器的变风量空气源热泵机组，采用上下双层换热器的结构，并通过上下层换热器布置角度的优化，和适当增加排风腔沿着排风方向的宽度，避免了在上下两层换热器间出现急剧收窄的“喉口”，以确保通过下层换热器的空气风量，实现了大幅提高热泵机组单位占地面积制热量的目的；

43、2、本发明实施例提供的一种带双层换热器的变风量空气源热泵机组，采用上部换热器厚度大于下部换热器的结构，能够平衡上下层换热器的过风量和换热能力；

44、3、本发明实施例提供的一种带双层换热器的变风量空气源热泵机组的控制方法，空气源热泵机组的风机采用变频风机，并基于热泵机组运行能耗综合最低的原则，制定风机开启台数和变频的运行控制逻辑，大幅降低热泵机组的运行能耗。