结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种空调系统，特别涉及一种结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统及其控制方法。

背景技术：

随着我国国民经济的持续增长，人均生活水平不断提高，人们对生活的质量、居住的环境、室内热舒适性程度、空气品质等的要求越来越高。而传统的家用分体式空调或窗式空调则由于热舒适性较差、室内空气品质很难得到保证、北方冬季室外结霜不能正常运行、空调系统余热浪费等多种因素已渐渐成为一种季节性商品越来越难以适应环境要求。因此，结合空气源热泵热水的VRF变制冷剂流量系统的设计理念越来越广泛地在高级公寓、高级住宅、别墅等场所并作为一种整体化空调系统形式被接纳和采用，它的出现符合了现代人的需求；同时创造一套将传统变制冷剂流量系统（VRF）的室外冷凝盘管与空气源热泵制热水系统的室外蒸发盘管相结合的集制冷、制热、除霜、制热水功能于一体的户式多联空气系统，对降低空调总能耗和保障室内环境温度的稳定和舒适有着重要的意义。

多联机空调系统：以制冷剂为输送介质，室外主机由室外侧换热器、压缩机和其他制冷附件组成，末端装置由直接蒸发式换热器和风机组成的室内机。一台风冷热泵型室外机通过管路向着若干台室内机输送制冷剂。该户式空调系统对冷凝热量进行回收，减少了空调负荷并降低了运行费用；且室外机的输出可根据室内负荷的大小自动调节，在部分负荷时能效比相当高；另外，当系统仅一台室内机开启时，室外压缩机能相应调节转速或者卸载，合理输出室内机所需的能量，从而避免了传统空调“一开全开”的不必要的能源浪费，因此是当前空调家用中央空调领域，尤其是高档住宅中的使用最佳空调方式之一。但是多联机空调系统冬夏季对房间直接露点送风以除去房间负荷，露点出风的温度往往在16℃左右，低温送风影响人体舒适感和室内环境温度的稳定性。除此之外，夏季空调室外机的冷凝热量往往直接排放到室外环境中，未能很好进行利用，造成热量的浪费。

空气源热泵系统方案：空气作为低温位热源，可以取之不尽，用之不竭，而且是随时随地无偿地获取。空气源热泵系统是以空气作为低温热源。分体式热泵空调机、VRF热泵空调系统、大型风冷热泵机组等，均属于空气源热泵。 这种空气源热泵的安装和使用都非常方便，虽然被人们广泛应用了很多年，但目前仍存在一些缺点。

由于空气的状态参数随地区和季节的不同而不同，这对空气源热泵的容量和制热性能系数影响很大，空气温度偏高或偏低时，热泵的制冷性能系数就会变得很低。尤其在冬季，当空气温度很低时，这时需求的供热量就很大，势必造成热泵供热量与建筑物耗热量之间的供需矛盾。

冬季空气温度很低时，空调换热器中的工质蒸发温度也很低。当安装在窒外空调换热器表面温度低于 0 ℃，并且低于空气露点温度时，空气中的水分在换热器表面就会凝结成霜，导致蒸发器的吸热量减少，热泵不能正常供热。 空气源热泵在我国典型的应用范围是长江流域以南地区。而在北方地区，冬季平均气温低于0℃，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且存在结霜问题，效率较低，因此空气源热泵用于北方地区时，必须慎重考虑。 所以热泵装置的设计要考虑防止空调换热器的结霜。

目前为止，能够对室内空气环境实现制冷、制热、能量回收的中央空调系统在市场上已经较为成熟，但是同时解决夏季室内露点送风造成的不适吹风感、冬季室外机结霜无需通过空调系统自身四通换向阀的切换进行除霜、满足对全年生活热水需求的户式多联空调系统还没有相应的设计发明创造。

技术实现要素：

本发明是针对现在对空调系统要求越来越高的问题，提出了一种结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统及其控制方法，将传统VRF空调夏季冷凝热量进行有效回收利用以制取生活热水，制取得到的生活热水一部分用于生活用水，一部分用于对室内空调送风进行再热，这样则克服了多联机空调系统露点送风对室内环境温度和人体舒适感的影响；另外，在冬季较低温度下VRF（变制冷剂流量）室外机结霜后，本发明利用空气源热泵热水系统进行除霜，传统方式则是通过VRF切换其四通换向阀反向运转来除霜（冬季空调系统反向运转会导致室内环境温度的波动）；本发明系统还可满足用户全年对生活热水的需求。

本发明的技术方案为：一种结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统，室内侧包括n台变制冷剂流量系统室内机、n台再热盘管、n台循环风机、n+1个电子膨胀阀、一个蓄热水箱、一台循环水泵、一个Y型过滤器、生活热水用水设备；室外侧为一台具有叉流换热功能的变制冷剂流量系统室外机，机内包含有一台变制冷剂流量系统室外换热器、两台变频压缩机、两个四通换向阀和两个制冷剂流量分歧器；组成变制冷剂流量系统和空气源热泵热水系统，共用一台变制冷剂流量系统室外换热器，变制冷剂流量系统室外换热器由两边两排冷凝盘管R1、R3与中间一排蒸发盘管R2逆流交叉排列组成，根据夏季空调冷负荷和冬季生活热水热负荷的比例将变制冷剂流量系统的室外冷凝盘管与空气源热泵制热水系统的室外蒸发盘管面积之比设计为n：1；室外冷凝盘管R1、R3与空气源热泵制热水系统室外蒸发盘管R2是两套独立的管道，室外冷凝盘管R1、R3内流动的是变制冷剂流量系统制冷剂，室外蒸发盘盘管R2内流动的是空气源热泵制热水系统制冷剂。

所述结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统，变制冷剂流量系统制冷时制冷剂运行方式：第一变频压缩机→第一四通换向阀的2a端→第一四通换向阀的2d端→变制冷剂流量系统室外换热器的P3端→冷凝盘管R1、R3→变制冷剂流量系统室外换热器的P4端→截止阀V1→第一分歧器→电子膨胀阀EV1～EVn→变制冷剂流量系统室内机1#～n#→第二分歧器→截止阀V2→第一四通换向阀的2c端→第一四通换向阀的2b端→第一变频压缩机；

变制冷剂流量系统制热时制冷剂运行方式：第一变频压缩机→第一四通换向阀的2a端→第一四通换向阀的2c端→截止阀V2→第二分歧器→变制冷剂流量系统室内机1#～n#→电子膨胀阀EV1～EVn→第一分歧器→截止阀V1→变制冷剂流量系统室外换热器的P4端→蒸发盘管R1、R3→变制冷剂流量系统室外换热器的P3端→第一四通换向阀的2d端→第一四通换向阀的2b端→第一变频压缩机；

空气源热泵热水系统制冷剂侧运行方式：第二变频压缩机→第二四通换向阀的9a端→第二四通换向阀的9c端→截止阀V3→蓄热水箱的11a端→换热管→蓄热水箱的11b端→截止阀V4→电子膨胀阀EV0→变制冷剂流量系统室外换热器的P1端→蒸发盘管R2→变制冷剂流量系统室外换热器的P2端→第二四通换向阀的9d端→第二四通换向阀的9b端→第二变频压缩机；

空气源热泵热水系统水侧运行方式：由蓄热水箱的11c端经三通阀V5分成两路，一部分经截止阀V6后用于生活用水设备，一部分经过供水管再分流分别经过截止阀V1-1～V1-n与对应的室内再热盘管相连接，后经过各个室内再热盘管出水管汇总到回水管，经过截止阀V0、Y型过滤器、排气阀、循环水泵接回至蓄热水箱的11d端；

补水系统连接：补水管经单向阀Vn+1接至蓄热水箱的11e端，而后进入蓄热水箱。

所述系统有4种控制运行模式，分别是制冷+制热水模式、制热+制热水模式、除霜模式、制热水模式。

所述除霜模式：关闭变制冷剂流量系统，空气源热泵热水系统运行方式：第二变频压缩机→第二四通换向阀的9a端→第二四通换向阀的9d端→变制冷剂流量系统室外换热器的P2端→冷凝盘管R2→变制冷剂流量系统室外换热器的P1端→电子膨胀阀EV0→截止阀V4→蓄热水箱的11b端→换热管→蓄热水箱的11a端→截止阀V3→第二四通换向阀的9c端→第二四通换向阀的9b端→第二变频压缩机。

所述结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统的控制方法，蓄热水箱内生活热水的温度根据用户需求自主设定，温度传感器TE103实时检测蓄热水箱内水的实际温度值并反馈给温控器TC-2，空气源热泵制热水系统的第二变频压缩机将根据温控器TC-2传输动作信号自动调节运转频率；

冬季，温度传感器TE101实时监测室外环境干球温度T1，温度传感器TE102实时监测变制冷剂流量系统蒸发盘管出口的制冷剂温度T2，温度传感器TE101和温度传感器TE102将实时监测到的温度反馈给温控器TC-1，当监测得到的T2的数值大于等于T1的数值时，此为控制条件1，或用户设定的除霜时间间隔到后此为控制条件2，满足控制条件1或控制条件2中之一，则温控器TC-1传输指令给空气源热泵制热水系统的四通换向阀使四通换向阀内的滑块进行移动，此时由冬季制热+制热水模式切换为除霜模式进行化霜。

本发明的有益效果在于：本发明结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统及其控制方法，通过自主设计的多功能VRF室外换热器，该系统可实现夏季以制冷+制热水模式运行；冬季以制热+制热水模式运行，VRF室外机结霜时以除霜模式运行；过渡季节以制热水模式进行。用户可根据需求自行切换运行模式，充分利用冷凝热量，本发明具有控制灵活、选择多样、运行节能、室内环境温度波动小、舒适性强等优点。

附图说明

图1为本发明结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统示意图；

图2为本发明VRF室外换热器部分剖面图；

图3为本发明VRF室外换热器左视图；

图4为本发明VRF室外换热器右视图。

具体实施方式

如图1所示结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统示意图，室内侧主要包括n台VRF室内机5、n台再热盘管13、n台循环风机7、n+1个电子膨胀阀（EV0~EVn）、一个蓄热水箱11、一台循环水泵17、一个Y型过滤器15、生活热水用水设备18；室外侧为一台具有叉流换热功能的VRF（变制冷剂流量）室外机，机内包含有一台多功能VRF室外换热器3、VRF室外换热器循环风机22、两台变频压缩机（1、8）、两个四通换向阀（2、9）、两个制冷剂流量分歧器（4、6）；控制传输线路包括两台温控器（20、21）、三个温度传感器（TE101~TE103）。

如图2、3、4所示VRF室外换热器，一种结合空气源热泵热水的VRF变制冷剂流量系统将传统VRF变制冷剂流量系统的室外冷凝盘管与空气源热泵制热水系统的室外蒸发盘管相结合，按照逆流叉排布置设计并共用换热肋片，且根据夏季空调冷负荷和冬季生活热水热负荷的比例将VRF系统的室外冷凝盘管（夏季）与空气源热泵制热水系统的室外蒸发盘管（夏季）面积之比设计为n：1，本发明中设置为2：1，即两边两排冷凝盘管R1、R3与中间一排蒸发盘管R2逆流交叉排列，共用换热肋片使得换热面积增大，提高了换热效率。多功能VRF室外换热器中的VRF变制冷剂流量系统室外冷凝盘管R1、R3（夏季）与空气源热泵制热水系统室外蒸发盘管R2（夏季）是两套独立的管道，盘管R1、R3内流动的是同一种制冷剂，盘管R2内流动的是另外一种制冷剂。VRF系统的室外冷凝盘管（夏季）、空气源热泵制热水系统的室外蒸发盘管（夏季）以及与室外空气三者之间通过VRF室外循环风机22进行强制对流换热，提高系统制冷制热效率。

VRF冷剂侧连接顺序：第一变频压缩机1接第一四通换向阀2的2a端，第一四通换向阀2的2a端与其2d端相连通，而后制冷剂经多功能VRF室外换热3的P3接口进入室外盘管R1、R3，并从多功能VRF室外换热器3的P4接口流出，经截止阀V1后通往第一分歧器4和电子膨胀阀EV1～EVn，接至各个房间VRF室内机(1#～n#)5，之后经第二分歧器6、截止阀V2连接至第一四通换向阀2的2c端，第一四通换向阀2的2c端与四通换向阀2的2b端连通，最后回到第一变频压缩机1。

空气源热泵热水系统制冷剂侧连接顺序：第二变频压缩机8接四通换向阀9的9a端，第二四通换向阀9的9a端与其9c端连通，而后与蓄热水箱11的11a端连接，进入换热管10与水进行热交换，蓄热水箱11的11b端通过截止阀V4、电子膨胀阀EV0与多功能VRF室外换热3的P1接口相连接，进入室外盘管R2，并从多功能VRF室外换热器3的P2接口流出，接至第二四通换向阀9的9d端，第二四通换向阀9的9d端与第二四通换向阀9的9b端相连通，最后回到第二变频压缩机9。

空气源热泵热水器水侧连接顺序：由蓄热水箱11的11c端经三通阀V5分成两路，一部分经截止阀V6后用于生活用水设备18，一部分经过供水管12再分流分别经过截止阀V1-1～V1-n与对应的室内再热盘管13相连接，后经过各个室内再热盘管出水管汇总到回水管14，经过截止阀V0、Y型过滤器15、排气阀16、循环水泵17接回至蓄热水箱11的11d端。

补水系统连接顺序：补水管19经单向阀Vn+1接至蓄热水箱11的11e端，而后进入蓄热水箱11。

本发明系统有4种控制运行模式，分别是制冷+制热水模式、制热+制热水模式、除霜模式、制热水模式。

A）夏季制冷+制热水模式运行时：

空气源热泵制热水系统的蒸发盘管R2回收利用VRF变制冷剂流量系统室外冷凝盘管R2、R3排放的冷凝热量制取生活热水并储存于蓄热水箱内，制取得到的热水一部分直接供给用户侧使用，另一部分通入室内再热盘管，对室内空气再热，避免露点送风，降低低温送风对室内环境产生的温度波动，从而缓解人体不适感。

VRF制冷时制冷剂运行方式：第一变频压缩机1→第一四通换向阀2的2a端→第一四通换向阀2的2d端→多功能VRF室外换热器3的P3端→冷凝盘管R1、R3→多功能VRF室外换热器3的P4端→截止阀V1→第一分歧器4→电子膨胀阀EV1～EVn→VRF室内机(1#～n#)5→第二分歧器6→截止阀V2→第一四通换向阀2的2c端→第一四通换向阀2的2b端→第一变频压缩机1。

空气源热泵热水系统制冷剂侧运行方式：第二变频压缩机8→第二四通换向阀9的9a端→第二四通换向阀9的9c端→截止阀V3→蓄热水箱11的11a端→换热管10→蓄热水箱11的11b端→截止阀V4→电子膨胀阀EV0→多功能VRF室外换热器3的P1端→蒸发盘管R2→多功能VRF室外换热器3的P2端→第二四通换向阀9的9d端→第二四通换向阀9的9b端→第二变频压缩机8。

空气源热泵热水系统水侧运行方式：蓄热水箱11的11c端→三通阀V5→供水管12→截止阀V1-1～V1-n（截止阀V6）→室内再热盘管13（用户侧生活用水设备18）→回水管14→截止阀V0→Y型过滤器15→排气阀16→循环水泵17→蓄热水箱11的11d端。

B）冬季制热+制热水模式运行时：

冬季，采用制热+制热水运行模式，两个系统室外盘管均作蒸发器，从室外环境空气中吸收热量，同时向空调房间供暖及供应生活热水。

VRF制热时制冷剂运行方式：第一变频压缩机1→第一四通换向阀2的2a端→第一四通换向阀2的2c端→截止阀V2→第二分歧器6→VRF室内机(1#～n#)5→电子膨胀阀EV1～EVn→第一分歧器4→截止阀V1→多功能VRF室外换热器3的P4端→蒸发盘管R1、R3→多功能VRF室外换热器3的P3端→第一四通换向阀2的2d端→第一四通换向阀2的2b端→第一变频压缩机1。

空气源热泵热水系统制冷剂侧运行方式：第二变频压缩机8→第二四通换向阀9的9a端→第二四通换向阀9的9c端→截止阀V3→蓄热水箱11的11a端→换热管10→蓄热水箱11的11b端→截止阀V4→电子膨胀阀EV0→多功能VRF室外换热器3的P1端→蒸发盘管R2→多功能VRF室外换热器3的P2端→第二四通换向阀9的9d端→第二四通换向阀9的9b端→第二变频压缩机8。

空气源热泵热水系统水侧运行方式： 蓄热水箱11的11c端→三通阀V5→供水管12→截止阀V1-1～V1-n（截止阀V6）→室内再热盘管13（用户侧生活用水设备18）→回水管14→截止阀V0→Y型过滤器15→排气阀16→循环水泵17→蓄热水箱11的11d端。

C）冬季除霜模式运行时：

当室外环境温度过低造成VRF室外机结霜时，温控器TC-1根据温度传感器的温度信号做出响应并反馈给空气源热泵制热水系统的四通换向阀进行动作，此时空气源热泵制热水系统的除霜模式开启，热泵模式关闭，制冷剂流量流向切换，制冷剂以蓄热水箱中的水作为热源，向多功能VRF室外换热器释放热量进行除霜，在这一过程中，盘管R2作为冷凝盘管，VRF暂停运行，空气源热泵制热水系统处于除霜模式。相较与传统VRF变制冷剂流量系统在冬天通过切换四通换向阀进行除霜的方法，本发明所提出的除霜模式更有利于保证室内环境的舒适性。

空气源热泵热水系统制冷剂运行方式：第二变频压缩机8→第二四通换向阀9的9a端→第二四通换向阀9的9d端→多功能VRF室外换热器3的P2端→冷凝盘管R2→多功能VRF室外换热器3的P1端→电子膨胀阀EV0→截止阀V4→蓄热水箱11的11b端→换热管10→蓄热水箱11的11a端→截止阀V3→第二四通换向阀9的9c端→第二四通换向阀9的9b端→第二变频压缩机8。

D) 热泵单独制热水模式运行时：

过渡季节只开启热泵模式，为用户侧提供生活热水。

空气源热泵热水系统制冷剂侧运行方式：第二变频压缩机8→第二四通换向阀9的9a端→第二四通换向阀9的9c端→截止阀V3→蓄热水箱11的11a端→换热管10→蓄热水箱11的11b端→截止阀V4→电子膨胀阀EV0→多功能VRF室外换热器3的P1端→蒸发盘管R2→多功能VRF室外换热器3的P2端→第二四通换向阀9的9d端→第二四通换向阀9的9b端→第二变频压缩机8。

空气源热泵热水系统水侧运行方式：蓄热水箱11的11c端→三通阀V5→供水管12→截止阀V1-1～V1-n（截止阀V6）→室内再热盘管13（用户侧生活用水设备18）→回水管14→截止阀V0→Y型过滤器15→排气阀16→循环水泵17→蓄热水箱11的11d端。

四种运行模式下，由补水管19经截止阀V9、蓄热水箱11的11e端进行补水。

一种结合空气源热泵热水的变制冷剂流量系统的控制方法如下：

蓄热水箱内生活热水的温度可根据用户需求自主设定，温度传感器TE103会实时检测蓄热水箱内水的实际温度值并反馈给温控器TC-2，空气源热泵制热水系统的压缩机将根据温控器TC-2传输动作信号自动调节运转频率。

冬季，温度传感器TE101实时监测室外环境干球温度T1，温度传感器TE102实时监测VRF变制冷剂流量系统蒸发盘管出口的制冷剂温度T2，温度传感器TE101和温度传感器TE102将实时监测到的温度反馈给温控器TC-1，当监测得到的T2的数值大于等于T1的数值时（此为控制条件1），或用户设定的除霜时间间隔到后（此为控制条件2），满足控制条件1或控制条件2中之一，则温控器TC-1传输指令给空气源热泵制热水系统的四通换向阀使四通换向阀内的滑块进行移动，此时本发明系统由冬季制热+制热水模式切换为除霜模式进行化霜。

本发明系统形式简单，设备易于安装，集制冷、制热、制热水、室内空气再热、热泵除霜及冷凝热回收功能于一体，用途广泛，绿色健康，具有控制灵活、选择多样、运行节能、室内环境温度波动小、舒适性强等优点。

本发明与现有的户式多联机空调系统相比有如下优点：

1）多功能VRF室外换热器将传统VRF变制冷剂流量系统的室外冷凝盘管（夏季）与空气源热泵制热水系统的室外蒸发盘管（夏季）相结合，按照逆流叉排布置设计并共用换热肋片，且根据夏季空调冷负荷和冬季生活热水热负荷的比例将VRF系统的室外冷凝盘管（夏季）与空气源热泵制热水系统的室外蒸发盘管（夏季）面积之比设计为n：1，本发明中设置为2：1，即两排冷凝盘管R1、R3与一排蒸发盘管R2逆流交叉排列，共用换热肋片使得换热面积增大，提高了换热效率。

2）多功能VRF室外换热器内的盘管R1、R3和R2可根据不同季节和用处切换用作各自系统的蒸发器或者冷凝器，使得系统的运行模式更为多样，调节更加灵活。

3）夏季空气源热泵热水系统利用VRF变制冷剂流量系统室外冷凝盘管放出的冷凝热量加热蓄热水箱内的水，除一部分热水用于生活用水设备外，另一部分热水则通往再热盘管，对室内空气进行再热，避免露点送风，减小低温送风对室内环境温度产生的影响，提高人体的舒适感。

在冬季较低温度下VRF（变制冷剂流量）室外机结霜后，传统方式是通过VRF变制冷剂流量系统四通换向阀切换反向运转来除霜，而冬季空调系统反向运转（除霜模式下，VRF室内机相当于蒸发器）会导致室内环境温度下降，影响舒适性，而本发明利用空气源热泵热水系统进行除霜，则避免上述现象。