一种低能耗空气源空调系统及控制方法与流程

本发明涉及空调制冷，尤其涉及一种可全年制冷的低能耗空气源空调系统及控制方法。

背景技术：

1、全年制冷技术采用逆卡诺循环原理制取空调冷冻水或冷空气再通过循环水泵或循环风机送到各末端设备，实现使用侧温度的控制，属于特种设备，主要用于全年365天不间断供冷的场所，而不仅仅是夏季使用，如数据中心、工艺空调或特殊的建筑等，机组要具有高可靠性和环境适应性，确保在高温酷暑、极寒天气或梅雨季节等任何工况都不会停机。

2、目前常见的做法一是在室外设置环境温度传感器，当室外温度低于某一定值（如-5℃）时，空调机组将通过减少环境侧冷凝风机的数量或降低转速来保证氟系统合理的压差，当环境温度进一步降低（如-20℃）时，压缩机将停机，禁止运行，即不再制冷提供使用侧所需的冷量；二是在环境冷凝器的氟系统出口侧增加压力开关，随着环境温度的降低，室外冷凝器的氟系统出口压力也随之降低，当压力低至压力开关的限值时，减少冷凝风机的数量，或降低压缩机转速。但在室外温度不太低也不太高的季节，如机组开机，一则机组频繁启停，二则能耗高，与国家节能降耗的发展理念背离。现有技术中，中国专利申请cn115200253a公开了一种氟泵压缩制冷系统，通过四通阀和自力式压差四通阀实现压缩机模式与氟泵热管模式的切换；中国专利申请cn116951800a公开了一种双循环制冷系统的控制方法，通过氟泵出口旁通管路防止气蚀。然而，现有技术均未解决意外断电时系统安全复位的问题，尤其是机组在冬季低温环境下长期安全可靠运行的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种低能耗空气源空调系统及控制方法，通过简化氟泵空调系统的阀件结构和管路连接，设置的可拆卸的双介质蒸发模块，同时保证压缩机/氟泵双模式切换的可靠性和安全性，以实现在意外断电时系统安全复位，达到冬季低温环境下长期安全可靠运行。

2、本发明的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明公开了一种低能耗空气源空调系统，包括：环境侧模块单元，使用侧模块单元和控制单元，以及两个三通换向阀构成同步切换架构。环境侧模块单元包括压缩机、汽液分离器、第一三通阀、氟泵、第二三通阀、环境侧冷凝器、冷凝风机、储液器和环境温度tw传感器；使用侧模块单元包括干燥过滤器、电子膨胀阀和蒸发模块单元；所述蒸发模块单元为可拆卸的双介质换热芯体，当使用侧介质为水时，采用板式换热器或壳管换热器，并配置循环水泵；当使用侧介质为空气时，采用翅片换热器，并配置循环风机。

4、控制单元，以及两个三通换向阀构成的同步切换架构，所述第一三通阀和第二三通阀为两位三通电磁换向阀，在断电状态下默认连通b-c通路；所述控制单元根据环境温度tw传感器检测的环境温度tw及用户侧制冷负荷需求控制所述第一三通阀和第二三通阀同步通电换向或同步断电复位，自动选择运行“压缩机模式”和“氟泵模式，使制冷剂循环路径在压缩机模式对应的第一循环回路与氟泵模式对应的第二循环回路之间切换，环境温度tw传感器安装于环境侧模块单元。

5、进一步的，所述第一三通阀的a端连接氟泵吸入口，b端连接压缩机吸气口，c端连接汽液分离器出口；所述第二三通阀的a端连接氟泵排出口，b端连接压缩机排气口，c端连接环境侧冷凝器入口；所述汽液分离器的入口连接蒸发模块单元的出口；所述控制单元根据环境温度tw传感器检测的环境温度tw，控制所述第一三通阀和第二三通阀同步通电换向或同步断电复位，以在压缩机模式与氟泵模式之间切换；

6、进一步的，所述压缩机模式下，所述第一三通阀和第二三通阀均处于断电状态，压缩机通电启动、氟泵断电，制冷剂经压缩机、第二三通阀b-c端、环境侧冷凝器、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀、蒸发模块单元、汽液分离器、第一三通阀c-b端、压缩机形成第一循环回路；

7、进一步的，所述氟泵模式下，所述第一三通阀和第二三通阀均处于通电换向状态，压缩机停机、氟泵通电启动，制冷剂经氟泵、第二三通阀a-c端、环境侧冷凝器、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀、蒸发模块单元、汽液分离器、第一三通阀c-a端、氟泵吸入口形成第二循环回路。

8、进一步的，在氟泵模式下，所述控制单元）获取氟泵吸入口处的制冷剂过冷度，根据所述过冷度控制电子膨胀阀的开度，使进入氟泵吸入口的制冷剂保持液态；当所述过冷度低于第一过冷度阈值时，控制电子膨胀阀关小以增大过冷度；当所述过冷度高于第二过冷度阈值时，控制电子膨胀阀开大以充分利用换热面积；所述第一过冷度阈值和第二过冷度阈值均为正值，第一过冷度阈值范围2~5℃，第二过冷度阈值范围5~10℃。

9、所述过冷度的计算方法为：δtsc=tsat(p)tliquid

10、其中，δtsc为过冷度，tsat(p)为控制单元根据制冷剂压力传感器实测压力p查制冷剂物性表获得的饱和温度，tliquid为同一测量点处液态制冷剂的实测温度；当使用非共沸混合制冷剂时，tsat(p)取泡点温度。所述过冷度的测量位置包括：环境温度侧冷凝器出口与储液器入口之间的液管段，或氟泵吸入口处；在所述测量位置，制冷剂压力传感器和温度传感器安装于同一管段且间距不超过50mm，所述温度传感器采用贴壁式或插入式安装并配有保温隔热层。

11、进一步的，所述第一三通阀和第二三通阀为两位三通电磁换向阀，在断电状态下默认连通b-c通路；当系统发生意外断电时，所述第一三通阀和第二三通阀因断电自动复位至默认状态，使制冷剂循环路径自动恢复为压缩机模式对应的流路，从而确保重新上电后系统能够以压缩机模式安全启动，避免氟泵在缺少控制信号的情况下干运转。

12、进一步的，所述蒸发模块单元与使用侧模块单元之间通过可拆卸的法兰接口连接，所述法兰接口包括金属密封环和弹性密封圈构成的双重密封结构，使同一套空调系统在不更换其他部件的情况下，仅更换换热芯体即可适配水介质或空气介质的使用侧需求。

13、进一步的，所述压缩机为变频压缩机，所述氟泵为变频氟泵；在压缩机模式下，所述控制单元根据使用侧回水/回风温度th与设定温度tnset的差值，调节压缩机的运行频率和冷凝风机的转速；在氟泵模式下，所述控制单元根据th与tnset的差值，调节氟泵的运行频率和冷凝风机的转速；其中，氟泵的变频范围为额定频率的10%-100%，是基于氟泵最低稳定运行频率确定，压缩机的变频范围为额定频率的20%-100%，基于压缩机最低回油频率确定。

14、另一方面，本发明还公开了一种低能耗空调系统控制方法，所述空调系统包括第一三通阀（3）和第二三通阀（5），所述第一三通阀（3）和第二三通阀（5）为两位三通电磁换向阀，在断电状态下默认连通b-c通路，其特征在于，包括以下步骤：

15、步骤s1:获取环境温度tw和使用侧回水/回风温度th；

16、步骤s2:当tw ≥ twset1时，控制单元执行压缩机模式切换程序：先控制冷凝风机通电启动，再控制第一三通阀和第二三通阀同步断电复位，再控制压缩机通电启动，氟泵保持断电状态；twset1为压缩机模式的环境温度阈值，优选的twset1为15~20℃。

17、步骤s3:当tw

18、进一步的，氟泵模式下冷凝风机的分级控制包括：

19、1）当tw - twset2>0时，控制冷凝风机以额定转速na运行；

20、2）当twset2 - 10

21、3）当tw ≤ twset2 - 10时，引入使用侧温度判断：若th - tnset>0，控制冷凝风机以第二降速转速na/4运行，同时控制电子膨胀阀的开度随th - tnset的减小而逐步关小；若th - tnset ≤0，控制冷凝风机停止运行且电子膨胀阀关闭，系统进入待机状态；

22、其中，tnset为使用侧设定温度，na为冷凝风机额定转速。 twset2为氟泵模式下的环境温度阈值，优选的twset2为8~15℃。

23、所述冷凝风机采用多级分级控制，包括：待机模式——当系统制冷负荷低于预设的最小负荷阈值时，冷凝风机停止运行；第一级运行模式——冷凝风机以额定转速的25%～35%运行；第二级运行模式——冷凝风机以额定转速的45%～55%运行；第三级运行模式——冷凝风机以额定转速的70%～80%运行；第四级运行模式——冷凝风机以额定转速的95%～100%运行。

24、进一步的，所述第一预设稳定时间为5-30分钟，所述第二预设稳定时间为3-10分钟；所述第一预设稳定时间用于使系统压力在压缩机停机后趋于平衡，所述第二预设稳定时间用于排除氟泵吸入口管路中的气体。

25、进一步的，当控制单元检测到环境温度tw的变化率|dtw/dt|超过预设变化率阈值，且tw正在逼近twset1时，控制单元执行预切换准备程序：提前启动冷凝风机并调节至预设准备转速，同时控制氟泵以最低频率预运转，但不执行模式切换；当|dtw/dt|降至预设变化率阈值以下且tw持续低于twset1达到预设确认时间后，控制单元再执行上述氟泵模式切换程序；其中，所述预设变化率阈值为0.5～2.0℃/min，所述预设确认时间为3～10分钟。

26、与现有技术相比，本发明包括以下有益技术效果：

27、1、能耗更低。可实现全年制冷，通过两位三通电磁换向阀同步切换架构，系统可在压缩机模式（高温工况）和氟泵模式（低温工况）之间自动切换，实现365天不间断制冷运行。在环境温度低于阈值时自动进入氟泵模式，利用自然冷源制冷，无需启动压缩机，显著降低能耗。该方案适用于数据中心、工艺空调或特殊建筑等全年制冷场景。

28、2、过冷度精确控制，防止氟泵气蚀。通过在同一位置设置压力传感器和温度传感器，实时计算制冷剂过冷度，并据此闭环控制电子膨胀阀开度，确保氟泵吸入口的制冷剂始终处于过冷液态状态，有效避免氟泵因制冷剂闪蒸产生气蚀现象，延长氟泵使用寿命，同时减少节流闪蒸导致的制冷量损失，进一步提升系统能效比。

29、3、传感器布局合理，测量精度可靠。过冷度测量采用同管段近距离安装（间距≤50mm）的压力传感器和温度传感器，配合保温隔热和底部取压设计，消除管路压降和环境温度对测量结果的干扰，保证过冷度计算值的准确性和可靠性.

30、4、多源数据融合感知，工况辨识准确。通过采集室内环境、室外环境、系统运行和负荷状态四类数据，融合生成综合工况特征向量，可克服单一传感器信息片面、易受干扰的缺陷，提高工况辨识的准确性和鲁棒性。

31、5、需求预判与自适应控制，响应更主动。通过分析历史数据变化趋势预测未来制冷需求，提前调整控制参数，可避免传统反馈控制的滞后性，使系统能够更快速、更平稳地应对环境动态变化，减少温度波动和能耗浪费。

32、6、闭环修正机制，控制更精准。根据实际制冷效果与预期目标的偏差实时修正控制参数，可确保自适应策略的执行精度，即使面对模型不确定性或外部扰动，也能保证室内温度的稳定性和舒适性。