可控除霜分布式空气源热泵供暖系统及其控制方法与流程

本发明涉及空气源热泵系统领域，特别是一种可控除霜分布式空气源热泵供暖系统及其控制方法。

背景技术：

热泵在生活中应用非常普遍，常见的冷暖空调是典型的热泵系统。热泵从低温区吸取热量，通过做功的形式转移到高温区放出热量，热泵系统不是简单的能量转换，而是能量转移，因而是节能的。

热泵地暖系统是在热泵空调基础上，将高温放热区域由室内环境改为热水贮存的水箱和换热器，它包含了热泵系统和水系统，其中热泵系统和空调系统类似，但换热器形式不同，水系统为封闭系统依靠水泵来维持水箱中水的流动。热泵系统有一个特点，在环境温度低于5.5℃时，蒸发器在工作一段时间后，翅片表面会结霜，影响换热，制热量会降低，当霜层过厚，影响空气流通，导致换热器无法和外界交换热量，丧失热泵制热功能，不及时除霜会导致除霜不干净，也会影响热泵制热效果。一般采用带有电磁四通阀的管路转换制冷剂流向，实现对室外机换热器的除霜。

如上所述现有的热泵系统除霜时，除霜所需的热量需要从高温区向低温区转移，显然如果从水箱中吸取热量来对换热器除霜，会使水箱温度骤然降低，影响水温，较低温度水送入室内地暖会使地暖的舒适性大幅降低。随着除霜过程进行，水箱水温降低，系统从水中提取除霜能量也在降低，影响除霜能力，现有空气源热泵系统除霜过程均存在以上问题。

除霜能量来自：压缩机耗功转化的热量、室内环境(或水箱内水)吸取热量、以及系统本身具有的一定热容量等等。除霜所需能量不仅用在霜层融化，同时在化霜的过程中散失在低温环境中。在相同系统条件下化霜能量主要取决于从室内环境吸取热量，吸取能量越大，除霜过程越短，对室内温度波动影响越小。

专利号为zl200710048397.1的发明专利，采用在主水箱和冷凝器后面设置辅助水箱和辅助蒸发器实现存储系统余热，在主水箱出口设置单向阀以及系统分支回路设置电磁阀，当系统除霜过时，通过电磁阀开关以及单向阀，使制冷剂不再流经主水箱而仅仅利用辅助水箱余热，减少对用户使用主水箱温度影响。在多路系统同样采用辅助水箱和辅助蒸发器以及相应制冷回路设置单向阀和电磁阀来实现除霜过程中减少主水箱水温影响。

然而，辅助水箱、辅助蒸发器和电磁阀等系统方案成本增加较大，其中电磁阀和单向阀应用增加系统复杂性，影响系统可靠性。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有分布式结构的具有多个回路热泵的可控除霜分布式空气源热泵供暖系统，以及该可控除霜分布式空气源热泵供暖系统的控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可控除霜分布式空气源热泵供暖系统，包括水循环装置、与水循环装置对应的水循环控制器、至少两个热泵装置和与热泵装置对应的热泵控制器；所述水循环装置包括内部添加有防冻液的水箱、进水管、水泵和出水管；所述进水管的一端与水箱连通，所述出水管的一端与水箱连通，所述进水管和出水管的另一端与室内铺设的地暖线连通并封闭，所述进水管上设有水泵；所述热泵装置由压缩机、电磁四通阀、冷凝器、节流装置、蒸发器沿制冷剂流通方向顺序连接组成；所述冷凝器设于水箱内；所述水循环控制器包括控制模块以及与该控制模块连接的通讯模块和传感器模块；所述热泵控制器包括控制模块以及与该控制模块连接的通讯模块、传感器模块和驱动模块，所述驱动模块连接压缩机。

优选地，所述压缩机可以是变频压缩机或变速压缩机，所述压缩机的形式可以是活塞式、转子式或涡旋式。

优选地，所述节流装置采用的是毛细管或节流管或电子膨胀阀。

优选地，所述热泵装置还包括与蒸发器对应的风扇，所述风扇连接风扇电机。

目前常规空气源热泵供暖系统采用单一热泵装置和水箱进行匹配(以下我们称之集中式)，如根据符合需要14400w热泵系统，常规做法就是采用14400w热泵匹配水箱实现供暖。而本发明采用分布式热泵系统(以下称分布式),即空气源热泵供暖系统采用至少两套热泵装置，且热泵装置的冷凝器置于同一个水箱中，如上述例子，可以采用7200w+7200w的2组热泵与一个含有2组冷凝器的水箱匹配。

分布式与集中式相比，分布式存在以下优势：

1、可以大量采用家用空调标准器件，成本比单一家用中央空调零部件便宜，实现制热(冷)标准化、模块化组合；

2、分布式工作变化范围更广。相同情况下一个14400w热泵没有2个7200w热泵组合适应工况能力强。

3、相同情况下分布式能效高于集中式热泵，空调(热泵)能力越大能效越低，以gb21455-2013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级规定。

表1热泵型转速可控型房间空气调节器能源效率等级指标

4、分布式热泵组合使持续供热实现可能：

4.1、多回路热泵系统工作同时除霜的可能性小；

4.2、也可以通过两套热泵系统进行通讯控制解决同时除霜的问题，显然当其中一个热泵回路除霜时，另一个热泵回路仍然加热水箱水温，使水箱水温变化小，同时也使热泵低温除霜速度加快，提高制热效果。

分布式空气源热泵供暖系统已经无法使用集中式空气源热泵供暖系统的水箱，本发明还提供一种可用于分布式空气源热泵供暖系统的水箱，所述水箱的侧围顶部设有进水口，所述进水管连接进水口，所述水箱的侧围底部设有出水口，所述出水管连接出水口；所述冷凝器呈螺旋状，所述冷凝器的进水口和出水口穿过水箱的顶部；两组冷凝器中的其中一组冷凝器的内径大于另一组冷凝器的外径，且较小的冷凝器设于较大的冷凝器的轴心处。

优选地，所述水箱水箱呈柱状。

优选地，所述冷凝器的进水口和出水口以水箱的轴心为中心均匀分布；较小的冷凝器与较大的冷凝器之间的距离为2cm-6cm。

虽然，多回路热泵系统工作同时除霜的可能性小，但是，并不代表不会出现多回路热泵系统工作同时除霜，为此，本发明提供了控制除霜的系统，其由水循环控制器和与热泵装置对应的热泵控制器组成，用于控制除霜过程，防止出现多回路热泵系统工作同时除霜的情况。

如上述可控除霜分布式空气源热泵供暖系统的控制方法，步骤如下：

a、至少两个热泵装置中的其中一个热泵控制器的传感器模块感应到该热泵达到除霜条件时，根据通讯协议发送满足除霜条件的信号至水循环控制器；

b、水循环控制器接收到其中一个热泵控制器发来的满足除霜条件的信号后，反馈允许除霜信号给该热泵控制器，并发送禁止除霜信号给另外的热泵控制器；

c、接收到允许除霜信号的热泵控制器控制与其连接的热泵装置进行除霜，完成除霜过程且恢复制热到正常频率和温度后，该热泵控制器发送除霜完成信号至水循环控制器；

d、水循环控制器接收到热泵控制器发来的完成除霜信号后，发送允许除霜信号给另外的热泵控制器中的其中一个热泵控制器，该热泵控制器接收到允许除霜信号后，控制与该热泵控制器连接的热泵装置进行除霜，避免在同一时间段内两个热泵装置同时或连续衔接除霜。

优选地，在步骤b中，水循环控制器接收到其中一个热泵控制器发来的满足除霜条件的信号后，检测发送给另一热泵控制器的是否为允许除霜信号，如是，则反馈禁止除霜信号；如否，则反馈允许除霜信号。

本发明的有益效果是：

1、用分布式结构取代现有的集中式结构，使用多个低功率热泵组成达到单个高功率热泵的效果，实现制热(冷)标准化、模块化组合，降低了生产成本和使用、维护成本；

2、当部件出现故障，如热泵出现故障时，原先需要更换一整个大功率热泵，当使用分布式结构后，只需要更换某个出现故障的小功率热泵，维修成本和维修难度均大大降低；

3、分布式结构工作变化范围更广，适应工况能力强；

4、分布式结构能源效率高，节能环保；

5、当其中一个热泵回路除霜时，另一个热泵回路仍然加热水箱水温，使水箱水温变化小，同时也使热泵低温除霜速度加快，提高制热效果；

6、减少了辅助水箱、辅助蒸发器、电磁阀和单向阀的使用，系统更简化，稳定性更高，当然成本更低；

7、带有除霜控制系统，可避免出现多回路热泵系统同时除霜导致水温变化过大。

附图说明

图1为本发明实施例中的水循环装置和热泵装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中水箱的结构示意图；

图3为本发明实施例中水循环控制器和热泵控制器的原理示意图；

附图标记：1-水箱、1a-进水口、1b-出水口、2-进水管、3-出水管、4-水泵、5a-压缩机、6a-电磁四通阀、7a-冷凝器、8a-节流装置、9a-蒸发器、10a-风扇、11a-风扇电机、5b-压缩机、6b-电磁四通阀、7b-冷凝器、8b-节流装置、9b-蒸发器、10b-风扇、11b-风扇电机、12-控制模块、12a-控制模块、12b-控制模块、13-通讯模块、13a-通讯模块、13b-通讯模块、14-传感器模块、14a-传感器模块、14b-传感器模块、15a-驱动模块、15b-驱动模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1-3所示，一种可控除霜分布式空气源热泵供暖系统，包括水循环装置、与水循环装置对应的水循环控制器、至少两个热泵装置和与热泵装置对应的热泵控制器；所述水循环装置包括内部添加有防冻液的水箱1、进水管2、水泵4和出水管3；所述进水管2的一端与水箱1连通，所述出水管3的一端与水箱1连通，所述进水管2和出水管3的另一端与室内铺设的地暖线连通并封闭，所述进水管2上设有水泵4；所述两个热泵装置分别为热泵装置a和热泵装置b，其中热泵装置a由压缩机5a、电磁四通阀6a、冷凝器7a、节流装置8a、蒸发器9a沿制冷剂流通方向顺序连接组成；热泵装置b由压缩机5b、电磁四通阀6b、冷凝器7b、节流装置8b、蒸发器9b沿制冷剂流通方向顺序连接组成；所述冷凝器7a和冷凝器7b均设于水箱1内；所述水循环控制器包括控制模块12以及与该控制模块12连接的通讯模块13和传感器模块14；热泵装置a对应的热泵控制器a包括控制模块12a以及与该控制模块12a连接的通讯模块13a、传感器模块14a和驱动模块15a，所述驱动模块15a连接压缩机5a；热泵装置b对应的热泵控制器b包括控制模块12b以及与该控制模块12b连接的通讯模块13b、传感器模块14b和驱动模块15b，所述驱动模块15b连接压缩机5b。

进水管2和水泵4用于向地暖线输送热水，出水管3用于将地暖线内的冷水输入水箱1。

本发明将现有集中式结构的热泵供暖系统改造成分布式结构，其中热泵装置a与热泵装置b具有同样的结构，热泵装置的具体连接结构以热泵装置a为例，电磁四通阀6a的其中两端连接压缩机5a的两端，另一端连接冷凝器7a的一端，剩下的一端连接蒸发器9a的一端，冷凝器7a的另一端和蒸发器9a的另一端之间连接节流装置8a。

目前常规空气源热泵供暖系统采用单一热泵装置和水箱进行匹配(以下我们称之集中式)，如根据符合需要14400w热泵系统，常规做法就是采用14400w热泵匹配水箱实现供暖。而本发明采用分布式热泵系统(以下称分布式),即空气源热泵供暖系统采用至少两套热泵装置，且热泵装置的冷凝器置于同一个水箱中，如上述例子，可以采用7200w+7200w的2组热泵与一个含有2组冷凝器的水箱匹配。

采用本发明的分布式热泵系统相比常规的集中式热泵系统，具有以下优点：

1、用分布式结构取代现有的集中式结构，使用多个低功率热泵组成达到单个高功率热泵的效果，实现制热(冷)标准化、模块化组合，降低了生产成本和使用、维护成本；

2、当部件出现故障，如热泵出现故障时，原先需要更换一整个大功率热泵，当使用分布式结构后，只需要更换某个出现故障的小功率热泵，维修成本和维修难度均大大降低；

3、分布式结构工作变化范围更广，适应工况能力强；

4、分布式结构能源效率高，节能环保；

5、当其中一个热泵回路除霜时，另一个热泵回路仍然加热水箱水温，使水箱水温变化小，同时也使热泵低温除霜速度加快，提高制热效果，当然，增加更多的回路可进一步使水箱水温变化减小，对室内温度波动影响更加小，增加供暖系统的舒适感；

6、减少了辅助水箱、辅助蒸发器、电磁阀和单向阀的使用，系统更简化，稳定性更高，当然成本更低。

分布式结构的热泵供暖系统因其各方面的优点，更具有市场推广价值。

在其中一个实施例中，以热泵装置a为例，所述压缩机5a可以是变频压缩机或变速压缩机，所述压缩机5a的形式可以是活塞式、转子式或涡旋式。

在另一个实施例中，以热泵装置a为例，所述节流装置8a采用的是毛细管或节流管或电子膨胀阀。

在另一个实施例中，以热泵装置a为例，所述热泵装置还包括与蒸发器9a对应的风扇10a，所述风扇10a连接风扇电机11a。

风扇10a可帮助蒸发器9a更高效的工作。

在另一个实施例中，所述热泵装置设置有四个。

在另一个实施例中，为适应分布式空气源热泵供暖系统，所述水箱1的侧围顶部设有进水口1a，所述进水管2连接进水口1a，所述水箱1的侧围底部设有出水口1b，所述出水管4连接出水口1b；所述冷凝器呈螺旋状，所述冷凝器的进水口和出水口穿过水箱的顶部；两组冷凝器中的其中一组冷凝器7a的内径大于另一组冷凝器7b的外径，且较小的冷凝器7b设于较大的冷凝器7a的轴心处。

在另一个实施例中，所述水箱1呈柱状。

在另一个实施例中，所述冷凝器的进水口和出水口以水箱1的轴心为中心均匀分布；较小的冷凝器7b与较大的冷凝器7a之间的距离为2cm-6cm。

本发明的水箱具有如下优点：

1、柱状的水箱在同样容积的情况下，其占地面积较小；

2、在水箱内设置两组一内一外呈螺旋状的冷凝器，特别适合分布式空气源热泵供暖系统，解决了分布式空气源热泵供暖系统的水箱问题；

3、冷凝器呈螺旋状，且一内一外设置，即保证了各冷凝器的冷凝效果，也节省水箱的空间；

4、各冷凝器的进水口和出水口以水箱主体的轴心为中心均匀分布设置在水箱的顶部，便于统一维护管理；

5、冷凝器间距合理，避免冷凝器之间的相互影响，造成除霜效果不理想，导致水箱温度波动大。

如上述实施例中可控除霜分布式空气源热泵供暖系统，其控制方法的步骤如下：

a、两个热泵控制器中的其中一个热泵控制器(假定为热泵控制器a)的传感器模块14a感应到该热泵达到除霜条件时，根据通讯协议由通讯模块13a发送满足除霜条件的信号至水循环控制器；

b、水循环控制器由通讯模块由通讯模块13接收到热泵控制器a发来的满足除霜条件的信号后，反馈允许除霜信号给热泵控制器a，并发送禁止除霜信号给热泵控制器b；

c、热泵控制器a接收到允许除霜信号后，热泵控制器a控制与其连接的热泵装置a进行除霜，水循环控制器通过通讯协议可以检测到热泵装置a完成除霜过程且恢复制热到正常频率和温度后，这标志热泵控制器a完成除霜；

d、当水循环控制器判断热泵控制器a发来的完成除霜后，发送允许除霜信号给热泵控制器b，热泵控制器b接收到允许除霜信号后，控制与该热泵控制器b连接的热泵装置b进行除霜。

通过上述控制过程可避免在同一时间段内两个热泵装置同时或连续衔接除霜。

在步骤b中，水循环控制器接收到热泵控制器a发来的满足除霜条件的信号后，检测发送给热泵控制器b的是否为允许除霜信号，如是，则反馈禁除霜信号给热泵控制器a；如否，则反馈允许除霜信号给热泵控制器a。

热泵控制器发送给水循环控制器的通讯信号可采用如下协议：每个字节数据结构是8位，可低位先发，除热泵与水控制器相关状态反馈的字节信息，在其中一个字节还包含除霜控制信息，其中一位代表是否满足除霜条件，当对应热泵满足除霜条件时，该位置1；当对应热泵处于正常制热状态时，该位置0。水循环控制器发送给热泵控制器的通讯信号可采用类似的协议：每个字节数据结构是8位，可低位先发，除热泵与水控制器相关状态反馈的字节信息，在其中一个字节还包含除霜控制信息，其中一位代表是否允许除霜，当允许除霜时，该位置1；当不允许除霜时，该位置0。

适当放大柱状水箱体积，无论是直径或长度，显然可以改造成一个水箱拖三组冷凝器或一个水箱拖四组冷凝器甚至更多。在实际应用时，较大建筑以多个分布式热泵系统作为标准模组来替代集中式大型热泵，这样方案可以起到：

1、减少水泵功率。大型集中式热泵水路流程长，需要水泵压头高，中央空调水泵的耗电量非常大，而分体式热泵可以就近安装布置，分区域控制即可，水泵耗功率低。

2、分区域温度可以分别精确控制，满足不同区域不同用户的温度需求，用户舒适度高；集中式一旦设定温度，每个区域温度调整空间不大，水路长，流经区域多，热量损失也大，对不同用户舒适度差。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。