一种变频复叠式空气源热泵系统的制作方法

1.本实用新型涉及空气源热泵系统技术领域，具体涉及一种变频复叠式空气源热泵系统。


背景技术：

2.如今全球经济的高速发展，高品质生活需求日益增加；能源短缺、环境污染加剧、全球气候变暖成为世界关注的问题，尤其成为全球制冷空调行业共同面对的严峻挑战。如何满足当前社会日益增加的生活热水、空调取暖、工业细分领域高温热水的需求，同时实现能源的高效利用、低碳环保、降低能耗尤为重要。其中，空气源热泵凭借其高效节能、经济环保的技术优势，作为一种可再生的制取冷冷热水的系统形式，近年来在建筑空调及生活热水领域内得到迅速发展。
3.空气源热泵系统，是以低品位空气为冷热源，以制冷剂为工作介质，由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置四大部件为主要核心部件组成，按照逆卡诺循环进行工作，制取冷热水的一种可再生能源利用系统形式。
4.然而传统的空气源热泵系统，多为单级压缩为主，其系统工作原理方式由于受到压缩比和蒸发温度的限制，传统单级空气源热泵系统无法实现将严寒空气中低品位空气源向高品位热水等能源形式的有效转化及利用，且制冷循环效率很低；同时传统空气源热泵系统又多以定频压缩机为主，系统运行的经济性差，低环温工况下实际制热能效较差，实际节能效果有限，而且无法制取更高温度的热水，因此上述技术问题有待进一步优化和解决。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有的技术问题，提供一种变频复叠式空气源热泵系统。
6.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种变频复叠式空气源热泵系统，包括一级低温循环系统、二级高温循环系统和水路循环系统；
7.所述一级低温循环系统包括低温循环压缩机、油分离器、四通换向阀组件、蒸发冷凝器、风冷换热器和气液分离器，所述低温循环压缩机的输出端通过油分离器与四通换向阀组件连接，所述四通换向阀组件与蒸发冷凝器的a端口连接，所述蒸发冷凝器的b端口与经济器组件连接，所述经济器组件与风冷换热器连接，所述风冷换热器通过四通换向阀组件与气液分离器连接，所述气液分离器与低温循环压缩机的输入端连接；
8.所述二级高温循环系统包括高温循环压缩机、高温换热器、第二平衡罐、高温循环主路电子膨胀阀和蒸发冷凝器，所述高温循环压缩机的输出端与高温换热器的a端口连接，所述高温换热器的b端口与第二平衡罐连接，所述第二平衡罐通过高温循环主路电子膨胀阀与蒸发冷凝器的d端口连接，所述蒸发冷凝器的c端口与高温循环压缩机的输入端连接；
9.所述水路循环系统包括通过管路连通的水路电动三通阀、高温换热器和换向三通阀，所述水路电动三通阀与进水口连接，所述换向三通阀与出水口连接。
10.在上述技术方案的基础上，本实用新型为了达到使用的方便以及装备的稳定性，
还可以对上述的技术方案作出如下的改进：
11.进一步，所述四通换向阀组件包括第一四通换向阀和第二四通换向阀，所述第一四通换向阀的c端口与所述风冷换热器的a端口连接，d端口与所述油分离器连接，e端口与所述第二四通换向阀的d端口连接，s端口与第一换向三通阀的a端口连接，所述第一换向三通阀的c端口与所述气液分离器的a端口连接；
12.所述第二四通换向阀的c端口与所述蒸发冷凝器的a端口连接，e端口与所述高温换热器的g端口连接，s端口与所述第一换向三通阀的b端口连接。
13.进一步，所述经济器组件包括板式经济器、辅路电磁阀、辅路电子膨胀阀和辅路单向阀，所述板式经济器的主侧二号进口与第三换向三通阀的c端口连接，所述第三换向三通阀的a端口与所述蒸发冷凝器的b端口连接；
14.所述板式经济器主侧一号出口通过视液镜、低温循环第二干燥过滤器、低温循环主路电子膨胀阀和第一干燥过滤器与风冷换热器的b端口连接；
15.所述板式经济器辅侧三号进口通过辅路电子膨胀阀、辅路电磁阀与所述板式经济器主侧一号出口连接；
16.所述板式经济器辅侧四号出口通过单向阀与所述低温循环压缩机的补气口连接。
17.进一步，所述第三换向三通阀的b端口通过第一平衡罐分别与旁通电磁阀和第三单向阀连接，所述第三单向阀与第二换向三通阀的b端口连接，所述旁通电磁阀与所述第二换向三通阀的c端口连接,所述第二换向三通阀的a端口与高温换热器的h端口连接。
18.进一步，还包括回油循环回路，所述回油循环回路包括低温循环压缩机、油分离器和回油毛细管，所述低温循环压缩机的排气口与油分离器连接，所述油分离器与回油毛细管连接，所述回油毛细管与所述低温循环压缩机的进气口连接。
19.进一步，所述低温循环压缩机为全封闭变频涡旋压缩机，所述低温循环压缩机所用制冷剂为r410a制冷工质；所述高温循环压缩机为全封闭定速涡旋压缩机，所述高温循环压缩机所用制冷剂为r134a制冷工质。
20.进一步，所述风冷换热器为翅片式风冷换热器，所述风冷换热器所用传热管的直径为7mm，所用风机为变频直流风机。
21.进一步，所述水路电动三通阀的a端口与进水口连接，b端口与所述高温换热器的f端口连接，c端口与所述高温换热器的d端口连接。
22.进一步，所述高温换热器的e端口通过水路单向阀与所述换向三通阀的a端口连接，所述高温换热器的c端口与所述换向三通阀的b端口连接,所述换向三通阀的c端口与出水口连接。
23.进一步，包括单制热模式和复叠式制热模式，当环境温度≥21℃时，所述辅路电磁阀和所述辅路电子膨胀阀关闭，所述板式经济器循环不工作；当环境温度＜21℃时，所述辅路电磁阀和所述辅路电子膨胀阀开启，所述板式经济器及循环回路正常工作，所述低温循环压缩机通过补气口补气增焓。
24.进一步，当环境温度为
‑
35℃～43℃，出水温度＞55℃时，开启复叠式制热模式。
25.本实用新型的有益效果是：
26.1.本实用新型的一级低温循环系统采用r410a制冷剂，在低蒸发温度区间内仍然可实现系统绝对正压范围运行，避免不凝性气体渗入系统内部；低温循环压缩机采用带补
气增焓的变频全封闭涡旋式压缩机，设置经济器补气增焓系统，准二级压缩可实现复叠系统低温循环侧在极限低环境温度下高效稳定运行，实现更大限度在低环境温度中提取低品位空气热源；同时采用变频技术，改善常规空气源热泵系统的低温启动特性和部分负荷工况下的综合制热性能，使得空气源热泵系统在低温下实现真正意义上的低温强热，系统更加节能高效。
27.2.本实用新型具有制冷、融霜、单级制热和复叠式制热四种工作模式，根据环境温度和出水温度选择当前模式运行；翅片式风冷换热器采用直流变频风机，转速可实现无级调节，进一步扩宽机组制冷、单级制热和复叠式制热模式下的运行范围，同时减低功耗，提高系统部分负荷下的能效。
28.3.本实用新型二级高温循环系统采用r134a制冷剂，可实现在较低的冷凝压力区间内制取高达75℃的高温热水，从而满足生活热水、空调采暖、工业用热水、油田原油加热等细分领域的应用需求。
29.4.本实用新型水系统设置水路电动三通阀，可实现各运行模式下水路循环的智能切换，各运行模式下共用一套水系统，集成度高，水系统更加简单可靠。
附图说明
30.图1为本技术变频复叠式空气源热泵系统的工作原理示意图；
31.图2为本技术制冷、融霜模式的流程图；
32.图3为本技术单级制热循环模式流程图；
33.图4为本技术复叠制热循环流模式程图；
34.图5为本申申请制冷、单级制热模式水系统循环示意图；
35.图6为本技术复叠制热模式水系统循环示意图。
36.附图标记记录如下：1、低温循环压缩机；2、油分离器；3、第一四通换向阀；4、第二四通换向阀；5、回油毛细管；6、蒸发冷凝器；7、第一换向三通阀；8、气液分离器；9、风冷换热器；10、第一干燥过滤器；11、低温循环主路电子膨胀阀；12、低温循环第二干燥过滤器；13、视液镜；14、板式经济器；15、辅路电磁阀；16、辅路电子膨胀阀；17、补气单向阀；18、第二单向阀；19、旁通电磁阀；20、高温换热器；21、第二换向三通阀；22、第三单向阀；23、第一平衡罐；24、第三换向三通阀；25、高温循环压缩机；26、第二平衡罐；27、高温循环干燥过滤器；28、高温循环主路电子膨胀阀；29、水路单向阀；30、水路电动三通阀；31、换向三通阀；32、水流量计；33、水流开关。
具体实施方式
37.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
38.参照图1，一种变频复叠式空气源热泵系统，包括一级低温循环系统、二级高温循环系统和水路循环系统；
39.所述一级低温循环系统包括低温循环压缩机1、油分离器2、四通换向阀组件、蒸发冷凝器6、风冷换热器9和气液分离器8，所述低温循环压缩机1的输出端通过油分离器2与四通换向阀组件连接，即所述油分离器2一端与低温循环压缩机1的出气口连接，另一端与四
通换向阀组件连接，所述四通换向阀组件与蒸发冷凝器6的a端口连接，所述蒸发冷凝器6的b端口与经济器组件连接，所述经济器组件与风冷换热器9连接，所述风冷换热器9通过四通换向阀组件与气液分离器8连接，所述气液分离器8与低温循环压缩机1的输入端连接；
40.所述二级高温循环系统包括高温循环压缩机25、高温换热器20、第二平衡罐26、高温循环主路电子膨胀阀28和蒸发冷凝器6，所述高温循环压缩机25的输出端与高温换热器20的a端口连接，所述高温换热器20的b端口与第二平衡罐26连接，所述第二平衡罐26通过高温循环主路电子膨胀阀28与蒸发冷凝器6的d端口连接，所述蒸发冷凝器6的c端口与高温循环压缩机25的输入端连接；
41.所述水路循环系统包括通过管路连通的水路电动三通阀30、高温换热器20和换向三通阀31，所述水路电动三通阀30与进水口连接，所述换向三通阀31与出水口连接，出水管路上依次设置有水流量计32和水流开关33。
42.所述水路电动三通阀30的a端口与进水口连接，b端口与所述高温换热器20的f端口连接，c端口与所述高温换热器20的d端口连接。
43.所述高温换热器20包括8个端口，其中a端口、b端口、g端口和h端口为氟接口，c端口、d端口、e端口和f端口为水接口；
44.所述第二平衡罐26与高温循环主路电子膨胀阀28之间连接有高温循环干燥过滤器27。
45.一级低温循环系统与二级高温循环系统通过蒸发冷凝器6耦合关联在一起，蒸发冷凝器6将低温循环提取的低品位空气源传递给高温侧热水之中，以制取高品位热水。
46.所述四通换向阀组件包括第一四通换向阀3和第二四通换向阀4，所述第一四通换向阀3的c端口与所述风冷换热器9的a端口连接，d端口与所述油分离器2连接，e端口与所述第二四通换向阀4的d端口连接，s端口与第一换向三通阀7的a端口连接，所述第一换向三通阀7的c端口与所述气液分离器8的a端口连接,所述气液分离器8的b端口与低温循环压缩机1连接；所述第二四通换向阀4的c端口与所述蒸发冷凝器6的a端口连接，e端口与所述高温换热器20的g端口连接，s端口与所述第一换向三通阀7的b端口连接。
47.所述经济器组件包括板式经济器14、辅路电磁阀15、辅路电子膨胀阀16和补气单向阀17，所述板式经济器14的主侧二号进口与第三换向三通阀24的c端口连接，所述第三换向三通阀24的a端口与所述蒸发冷凝器6的b端口连接；所述板式经济器14主侧一号出口通过视液镜13、低温循环第二干燥过滤器12、低温循环主路电子膨胀阀11和第一干燥过滤器10与风冷换热器9的b端口连接，主侧接口及其管路形成主侧过冷回路，其中管路上设有进出液温度传感器；所述板式经济器14辅侧三号进口通过辅路电子膨胀阀16、辅路电磁阀15与所述板式经济器14主侧一号出口连接；所述板式经济器14辅侧四号出口通过补气单向阀17与所述低温循环压缩机1的补气口连接，辅侧接口及其管路形成辅侧补气回路。
48.所述第三换向三通阀24的b端口通过第一平衡罐23分别与旁通电磁阀19和第三单向阀22连接，所述第三单向阀22与第二换向三通阀21的b端口连接，所述旁通电磁阀19与所述第二换向三通阀21的c端口连接,所述第二换向三通阀21的a端口与高温换热器20的h端口连接。
49.还包括回油循环回路，所述回油循环回路包括低温循环压缩机1、油分离器2和回油毛细管5，所述低温循环压缩机1的排气口与油分离器2连接，所述油分离器2与回油毛细
管5连接，所述回油毛细管5与所述低温循环压缩机1的进气口连接。
50.所述油分离器2为离心式油分离器，根据降低气流速度和改变气流方向的分油原理，高压蒸气中的油粒在重力作用下向下滴落，同时通过油循环回路上设置的回油毛细管组件的节流降压，实现低压回油，确保压缩机排出的润滑油能够及时回到压缩机的油槽，实现压缩机内部零部件的可靠润滑。
51.所述低温循环压缩机1为全封闭变频涡旋压缩机，所述低温循环压缩机1所用制冷剂为r410a制冷工质；所述高温循环压缩机25为全封闭定速涡旋压缩机，所述高温循环压缩机25所用制冷剂为r134a制冷工质。
52.所述风冷换热器9为翅片式风冷换热器，所述风冷换热器9所用传热管的直径为7mm，所用风机为变频直流风机。
53.所述高温换热器20的e端口通过水路单向阀29与所述换向三通阀31的a端口连接，所述高温换热器20的c端口与所述换向三通阀31的b端口连接,所述换向三通阀31的c端口与出水口连接。
54.包括单制热模式和复叠式制热模式，在这两种模式下，当环境温度≥21℃时，所述辅路电磁阀15和所述辅路电子膨胀阀16关闭，所述板式经济器循环不工作；当环境温度＜21℃时，所述辅路电磁阀15和所述辅路电子膨胀阀16开启，所述板式经济器14及循环回路正常工作，所述低温循环压缩机1通过补气口补气增焓。
55.当环境温度为
‑
35℃～43℃，出水温度＞55℃时，开启复叠式制热模式。
56.本实用新型包括制冷、融霜、单级制热和复叠式制热四种工作模式，其中具体工作过程如下：
57.1、制冷运行模式，参照图2所示
58.当环境温度在5℃～48℃有制冷负荷需求时，复叠热泵系统开启制冷模式，出水温度范围为5℃～20℃，进出水设计温差为5k，回水温度范围为10℃～25℃。
59.该运行模式下，低温循环压缩机1开启工作、高温循环压缩机25停止工作，第一四通换向阀3、第二四通换向阀4均处于失电状态(d和c导通)，辅路电磁阀15、辅路电子膨胀阀16均关闭，板式经济器14及经济器循环不工作，中间蒸发冷凝器6不工作，风冷换热器9作为冷凝器工作，高温换热器20作为蒸发器工作，旁通电磁阀19开启，水路电动三通阀30的a端口与b端口导通。
60.制冷模式运行时，低温、低压制冷工质经低温循环压缩机1压缩为高温高压过热状态工质，经过油分离器2和第一四通换向阀3进入风冷换热器9冷却、冷凝为高压高温的过冷态液体工质，经第一干燥过滤器10进行干燥过滤，然后由低温循环主路电子膨胀阀11节流成为低温低压的两相态冷媒，经低温循环第二干燥过滤器12进行干燥过滤，通过视液镜13、板式经济器14、第三换向三通阀24和旁通电磁阀19之后，进入高温换热器20吸热蒸发成为低温低压气态工质，经第二四通换向阀4和第一换向三通阀7进入气液分离器8，然后返回至低温循环压缩机1的吸气口，进而再次压缩成为高温高压气态工质，周而复始完成制冷循环。
61.其中，油分离器2所分离出的压缩机润换油经过回油毛细管5之后，与气液分离器8出口的低温低压冷媒工质共同返回至低温循环压缩机1。
62.2.融霜运行模式，参照图2所示
63.融霜模式与制冷循环工作模式基本相同，仅风冷换热器9上方的变频风机为关闭状态。
64.3.单级制热运行模式，参照图3所示
65.(1)当环境温度为
‑
35℃～43℃有制热负荷需求，且出水温度要求≤55℃时，复叠系统优先开启单级制热模式；当环境温度＜21℃时，经济器补气循环回路开启。
66.此时在该运行模式下，低温循环压缩机1开启工作、高温循环压缩机25停止工作，第一四通换向阀3、第二四通换向阀4均处于得电状态(d和e导通)，辅路电磁阀15、辅路电子膨胀阀16均开启，板式经济器14及经济器循环工作，中间蒸发冷凝器6不工作，风冷换热器9作为蒸发器工作，高温换热器20作为冷凝器工作，旁通电磁阀19关闭，水路电动三通阀30的a端口与b端口导通。
67.单级制热模式运行时，低温、低压制冷工质经低温循环压缩机1压缩为高温、高压过热状态工质，经过油分离器2、第一四通换向阀3和第二四通换向阀4进入高温换热器20冷却、冷凝为高压高温的过冷态液体工质，经过旁通电磁阀19和第三单向阀22，由板式经济器14的主侧二号进口进入经济器补气循环的主循环回路，与辅侧的冷媒换热实现二次过冷，由板式经济器14的主侧一号出口流出，然后分成两路：
68.其中一路为主侧循环回路，经板式经济器14实现二次过冷的高温高压液态冷媒，通过视液镜13和低温循环第二干燥过滤器12进入低温循环主路电子膨胀阀11节流成为低温、低压两相态冷媒，经过第一干燥过滤器10之后进入风冷换热器9吸热蒸发，然后经过第一四通换向阀3进入气液分离器8，与油分离器2分离出的润换油混合后共同进入低温循环压缩机1的吸气口，进而再次压缩成为高温高压过热气态工质，周而复始完成单级制热循环。
69.另一路为辅侧循环回路，由板式经济器14的主侧一号出口流出的高温、高压液态冷媒少部分进入经济器辅侧循环，经辅路电磁阀15进入辅路电子膨胀阀16，由辅路电子膨胀阀16节流成为中温、中压两相态冷媒，进入板式经济器14的辅侧三号进口后与板式经济器14的主侧冷媒进行换热，吸热蒸发后成为中温、中压的过热气态工质，经补气单向阀17沿补气管进入低温循环压缩机1补气口，实现二次补气，提升低温工况下的冷媒循环量及低温制热效果。
70.其中，在单级制热模式下，当环境温度≥21℃时，经济器补气循环不工作，辅路电磁阀15断电和辅路电子膨胀阀16关闭，其他与上述单级制热开经济器循环模式完全相同，具体实施方式不再重复详述。
71.4.复叠式制热运行模式(如图4所示)
72.当环境温度在
‑
35℃～43℃，出水温度＞55℃时，系统开启复叠式制热模式；当环境温度＜21℃时，经济器补气循环回路开启。
73.此时在该运行模式下，低温循环压缩机1和高温循环压缩机25均开启工作，第一四通换向阀3得电(d和e导通)、第二四通换向阀4失电(d和c导通)，辅路电磁阀15得电、辅路电子膨胀阀16开启，板式经济器14及经济器循环工作，蒸发冷凝器6开始工作，同时作为低温循环的冷凝器和高温循环的蒸发器，风冷换热器9作为低温循环蒸发器，高温换热器20作为二级高温循环冷凝器，旁通电磁阀19关闭，水路电动三通阀30的a端口与c端口处于导通状态。
74.复叠式制热模式运行时，低温、低压制冷工质经低温循环压缩机1压缩为高温、高压过热状态工质，经过油分离器2、第一四通换向阀3和第二四通换向阀4进入中间蒸发冷凝器6冷却、冷凝为高温、高压液态制冷剂，再经过第二单向阀18和第一平衡罐23进入板式经济器14的主侧二号进口，即进入经济器补气循环的主循环回路，并与辅侧的冷媒换热实现二次过冷，然后经板式经济器14的主侧一号出口流出，然后分成两路，具体工作循环回路与单级制热模式基本相同，此处不再重复详述。
75.复叠制热模式下高温侧循环，中温、中压状态制冷工质经高温循环压缩机25压缩为高温、高压过热气态工质，经所述高温循环压缩机25排气口排进高温换热器20进行冷凝、冷却为高温高压过冷液态工质，然后经第二平衡罐26和高温循环干燥过滤器27干燥过滤，由高温循环主路电子膨胀阀28节流降压为低温、低压气液两相态工质后进入中间的蒸发冷凝器6蒸发为过热态气相工质，然后返回至高温循环压缩机25的吸气口，进而再次压缩成为高温高压气态工质，周而复始完成高温侧制冷循环。
76.复叠式制热模式下，当环境温度≥21℃时，系统经济器补气循环不工作，此时经济器补气循环工作方式与单级低温制热模式下不开板式经济器14的工作模式相同，具体实施方式此处不再重复详述。
77.当系统处于制冷或单机制热模式时，参照图5，所述水路电动三通阀30的b端口与高温换热器20的f端口连通，所述高温换热器20的e端口与水路单向阀29连通，所述水路单向阀29与换向三通阀31的a端口连通，换向三通阀31的c端口与出水口连通，用于负荷端使用。
78.当系统处于复叠制热模式时，参照图6，所述水路电动三通阀30的c端口与高温换热器20的d端口连通，所述高温换热器20的c端口与换向三通阀31的b端口连通，换向三通阀31的c端口与出水口连通，用于负荷端使用。
79.综上所述，本实用新型将空气源热泵技术、低温补气增焓技术、变频技术和复叠制热技术有机结合在一起，通过系统改进和控制逻辑优化，有效解决了传统单级空气源热泵系统蒸发压力低及压缩比过大的技术难题，有效改善了低温空气源热泵系统低温特性和低环温下的制热性能，同时可以制取高达75℃的高温热水，来满足空调采暖、生活热水、工业用热、油田原油加热等细分领域的应用需求；实现了低温强热和制取高温热水的要求，有效提升了系统低温工况下综合制热能效及系统循环效率。
80.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。