本发明涉及热泵制热技术领域。具体地，涉及一种吸收水的凝固潜热制热的装置和使用方便、高效节能的潜水式潜热泵。
背景技术：
热泵是一种高效、环保、节能的制热装置，水源热泵是其中一种。现有的水源热泵技术主要是利用水的低温显热作为低温热源制热。《水(地)源热泵》(gb/t19409-2013)中规定，水源热泵变工况范围为10℃～30℃。一些厂家能将热泵的最低利用温度降低到4℃，降低了水源热泵对低温热源水的温度要求，促进了水源热泵的应用。但热源水中仍然有很大部分能量不能得到利用，热泵的应用范围也因此受到限制，在很多地表水不冻结的地方，水源热源应用仍受到限制。
规范和厂家都对水源热泵的低温热源水有最低温度要求，原因有两点：其一温度下降，热泵效率下降；其二，当低温热源水温度接近0℃时，经蒸发器吸热后，温度可能小于0℃；蒸发器水侧可能冻结，损坏热泵设备。第二点最为关键。在常规的制热、制冷系统中蒸发温度必须高于0℃，并有3～5℃的安全温度裕度，以保证机组的安全、稳定运行。
水由液态转变为固态时，能释放出大量的潜热。在标准状态下，水凝固成冰时，单位质量潜热值为335kj/kg。水的显热比热为4.18kj/(kg·℃)。吸收1kg水的凝固潜热的热量相当于80kg水下降1℃所释放的热量。如果将水的凝固热作为热泵系统的低温热源、制取高温热水，则能极大的拓宽水源热泵的使用范围，解决很多地方冬季利用热泵制热采暖时，无合适的低温热源的困境。
吸收水的凝固潜热最大难点在水释放潜热、形成的冰层将固结在蒸发器的表面。冰层增大了蒸发器热阻，使换热效率下降。冰层越厚，效率下降越多。要持续、高效利用水的潜热，就需要采用便捷、可靠、高效的除冰的方法。
常用的除冰方法有两类。一类是利用热量融冰、除冰；另一类是采用机械式除冰。利用热量融冰除冰又可以分为几种。一种为电加热除冰，电加热丝缠绕在表面，当蒸发器正常工作时，电加热丝不加热，当蒸发器表面结霜超过一定厚度时，需要停止制冷系统循环，开启电加热，使冻结在蒸发器表面的冰层融化以达到融冰、除冰的目的。另外一种是采用制冷剂循环过程中自身的热量融冰。其具体实施方式也有两种。第一种为热气旁通融霜，在压缩机出口与蒸发器入口之间设置有一条热气旁通管道及阀门，在正常制热循环时，旁通管道上的阀门关闭，当蒸发器表面结霜超过一定厚度时，旁通管道上阀门打开，压缩机出口的高温热气直接通入蒸发器进行循环。蒸发器内温度上升，使冻结在蒸发器表面的冰层融化以达到融冰的目的。另一种为四通阀反向化霜，利用四通阀换向作用，原制热循环反向运行，制冷剂在蒸发器中冷凝放热，完成融冰、除冰。
采用以上几种热能融冰、除冰的方式各有弊端，采用电热融冰方式时，原来的制冷循环都须停止，还需要输入电能；不节能且可能造成过热起火。采用热气旁通和四通阀反向融冰时，冷凝器热量输出中断，还容易导致压缩机“液击”。
此外，现有技术还存在一种利用空气源换热融霜的方法和装置，在zl201410208106.0中公布了一种多空气源换热器联运的化霜方法。其融霜装置为在换热结构两端各设置两条制冷剂通路，一条制冷剂通路与蒸发器串联，一条制冷剂通路与冷凝器串联，在结霜时，采用换热结构与蒸发器的两端连接，使制冷剂从蒸发器出口流入换热结构后再流入蒸发器入口，而在需融霜时，采用换热结构与冷凝器两端连接，使制冷剂从冷凝器出口出来流入换热结构后再流入冷凝器入口。该方法的实质是利用冷凝器内制冷机的热量进入须融冰的换热器放热融冰。采用此方法，每个换热器需要4个管路分别于热泵系统的蒸发器、冷凝器进出口相连，降低了系统运行可靠性。融冰换热器切换成与冷凝器并联时，直接由低压状态并入高压状态，大量尚未放热的高温、高压气态制冷剂一同进入蒸发器，原冷凝器压力将产生波动，对稳定放热有不利的影响。更重要的是该融冰方法需要设置两种以上的与空气进行热交换的装置，增大了系统的复杂程度。
采用机械式除冰在工程中应用不多。在zl201220593126.0中公布了一种链式传动除冰的凝固换热器。该换热器利用电动机带动除冰封头内的除冰齿轮转动，从而带动在换热管内的除冰杆自传来刮除换热管内的冰结晶，同时一并达到除垢的效果。该方法可以在不中断制热循环，持续吸收凝固潜热制热。但该方法需要特制的换热器，密封和制造难度大。利用齿轮的削切作用除冰，齿轮将不可避免的磨损，运行期间需要定期维护。
在以上现有技术中，水源热泵都采用水上换热的方式。水源热泵系统中，都需要使用水泵抽取低温热源水进入机组换热器换热，换热后将回水排放回热源水中。水泵扬程须克服换热器及管路阻力，开式系统的水泵还须克服水源与换热器高度产生的静压力，增大了水泵的耗电量。
在工程实际中，热源水中多含有泥沙、微生物等，随着泥沙沉积、微生物生长水，热交换器换热能力会逐渐衰减。这些都增大了系统能耗及系统维护工作量、降低了系统运行稳定性。
技术实现要素：
本发明提供一种吸收水的凝固潜热制热装置；并提供实现所述制热装置的一种热泵，尤其是一种安装简单、可整体潜于水源内部吸收潜热制热的高效潜水式热泵以解决上述问题。
一种吸收水的潜热制热装置，包括压缩机、冷凝器和多个并联连接的蒸发器，每个蒸发器各自入口设有电磁膨胀阀，出口设有电磁阀；所述蒸发器并联后出口与压缩机入口连接，蒸发器并联后入口与冷凝器出口连接，压缩机出口与冷凝器入口相连，压缩机、冷凝器和多个并联的蒸发器通过管道连接形成封闭的热泵系统。所述热泵系统中充注有制冷剂，通过制冷剂在压缩机、冷凝器和蒸发器中的循环完成吸收潜热制热；利用蒸发器出口的电磁阀打开或关闭，实现蒸发器蒸发与融冰功能的切换；多个蒸发器轮流进行蒸发与融冰，使热泵系统中蒸发与融冰过程同时进行，热泵完成持续吸收潜热制热及除冰过程。
进一步地，所述并联蒸发器外表面与水直接换热。
本发明还提供一种吸收水的凝固潜热制热的热泵，包括上述的潜热制热装置，多个所述蒸发器彼此接合形成热泵的外表面，机组利用外表面与外界水进行换热；所述外表面与所述热泵外壳连为一体包裹热泵器件；所述热泵内部的冷凝器设有水流出入管道，与外部水流循环，完成热量输出。
进一步地，所述热泵内侧表面壳壁上设有多个凹槽，凹槽内设置有超声波子，超声波振子根据热泵的各种工作模式进行相应的震荡。
进一步地，压缩机入口处和出口处连接有四通阀，通过四通阀的切换，热泵可实现制冷功能。
进一步地，所述热泵的蒸发器内侧表面壳壁上设有电加热元件，利用电加热元件及四通阀的配合可调节各外部换热器内的制冷机的量，实现多工况下制冷。
进一步地，所述冷凝器与蒸发器内壁之间填充保温材料。
与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：
本发明装置利用潜热制热的功能，使水的潜热可以高效、便捷的作为热泵的低温热源。为热泵找到了另一种理想的低温热源，能极大的促进热泵技术在采暖、供热方面的推广、应用。
(2)本发明的热泵吸收潜热制热的功能，极大的降低了水源热泵系统对低温热源水的温度限制，热泵的该功能特征极大的拓宽了热泵在采暖及供热的应用地域范围。在水源丰富且不结冻的地区，都可以简单、便捷的使用本发明的热泵进行采暖、供热。
(3)热泵采用整体封装潜入水源中运行的方式工作，减少了水源热泵系统的低温侧热源水系统，简化了系统、节约安装空间。其系统简单、布置隐蔽的特点尤其适合用于别墅及农村建筑的采暖及空调中。这类型建筑体量小，建筑旁空地多，可在空地区域建造多个地下热源井，热源井中安装有本发明的热泵。需要供暖或用热时，热泵制热，从水中提取热量同时将冷量储存于热源井中，热源井最低温度可到0℃；需要用冷时，热泵制冷，往热源井中释放热量同时提取储存于热源井中的冷量。这样既满足供冷、供热的需求；又能利用冷热平衡节约采暖、供冷费用。
(4)热泵采用表面与水直接换热的方式，阻止悬浮物和杂质等进入机组内部，避免异物堵塞或附着在换热器等表面的可能，提高了热泵运行可靠性。
(5)本发明的热泵系统可简化水蓄冷系统。在需要水蓄冷系统的应用场所只需要建造与容量相匹配的保温水池，将本发明的热泵潜水安装于保温的水池中，当需要蓄冷时，热泵按照制热模式运行，内部换热器的换热循环水充当冷却水，在保温水池中制取冷水。制冷最低温度可达0℃。当需要用冷时，热泵按照低温制冷模式运行，内部换热器的换热循环水充当冷媒水，为外界提供冷源。
附图说明
图1为一种吸收水的潜热制热装置结构图；
图2为一种潜水式潜热泵结构图；
图3为一种潜水式潜热泵俯视图；
图4为蒸发器结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，提供一种吸收水的凝固潜热、持续制热的装置，包括两个与水源直接接触换热的蒸发器e1、e2；蒸发器e1、e2出口单独设置有电磁阀v1、v2；入口单独设置有电子膨胀阀d1、d2；还包括压缩机1，冷凝器2；压缩机1对制冷剂起压缩增压作用，冷凝器2对制冷剂起冷凝换热作用。蒸发器e1、e2出口处电磁阀v1、v2之后的管道并联，通过主管道6与压缩机1入口相联；蒸发器e1、e2入口的电子膨胀阀d1、d2前的管道并联，通过主管道7与冷凝器2的出口相联，压缩机1出口通过管道8与冷凝器2入口相联。
压缩机1为热泵型压缩机,以满足热泵宽温度范围、大压差范围稳定运行的要求。
本制热装置的蒸发器e1、e2，直接与水接触换热，制冷剂在蒸发器中以低于0℃的温度蒸发。当蒸发器e1表面冰层达到一定厚度，需要融冰时，关闭蒸发器e1出口的电磁阀v1，热泵其他部分保持不变，制冷剂在压缩机的作用下，从冷凝器2中冷凝后，经各自电子膨胀阀d1、d2进入蒸发器e1、蒸发器e2。蒸发器e1的出口v1关闭，制冷剂在蒸发器e1中集聚，压力、温度上升；当温度超过0℃时，蒸发器e1中的制冷剂再次对外放热，其表面所固结的冰层将部分融化；在水的浮升力的作用下，未融化的冰层上浮脱离蒸发器外表面，蒸发器e1完成融除冰层的工作；蒸发器e2保持蒸发状态。
当蒸发器e1完成融冰后，其出口阀门v1打开，蒸发器e1重新进入蒸发状态，继续蒸发吸收潜热。当蒸发器e2外表面冰层达到一定厚度时，可关闭e2出口电磁阀v2，蒸发器e2进入融冰状态；蒸发器e1保持蒸发状态。
如此交替，制热循环中始终保持一个蒸发器处于蒸发吸收低温潜热的制热状态，热泵可实现持续的热量输入输出。热泵完成吸收水的凝固潜热制热。
具体而言，完整的吸收潜热、不间断制热装置各部分共完成以下过程。
过程1，蒸发吸热：
在冷凝器2中放热后的液态制冷剂经过管路7经电子膨胀阀进入蒸发器中。当蒸发器的出口阀门为开启状态；在压缩机的抽吸作用下，蒸发器中的制冷剂以低于0℃进行蒸发，吸收水的凝固潜热；水释放凝固潜热后，在蒸发器表面固结形成冰层，制冷剂蒸发后形成低温低压气态制冷剂，经管路6进入压缩机1。
过程2，压缩增压：
制冷剂由管路6进入压缩机1后，由压缩机1进行压缩，制冷剂压力增大，温度升高，并经管路8进入冷凝器2。
过程3，冷凝放热：
经压缩机1后形成的高温、高压气态制冷剂，经管路8进入冷凝器2中释放高温热量，在冷凝器2中释放的热量可经循环热水管路将热量带到需要用热的各用点。制冷剂高压下冷凝放热后形成饱和液态制冷剂。
过程4，低温放热除冰：
在冷凝器中放热后的液态制冷剂经过管路7经电子膨胀阀进入蒸发器中。当蒸发器的出口阀门为关闭状态。制冷剂在蒸发器中积聚、压力及温度上升，当温度超过0℃时，再次对外释放热量；固结在蒸发器表面的冰层在界面处发生融化；当整个界面形成完整的水膜时，尚未融化的冰层在水的浮升力作用下脱离表面，该蒸发器完成除冰。
以上4个过程中、过程1与过程4在两个并联的外表面蒸发器e1、e2中交替进行，过程2、过程3分别在压缩机1及冷凝器2中持续进行。冷凝器2可持续释放热量。
通过对蒸发换热器e1、e2入口的电子膨胀阀d1、d2进行制冷剂流量控制，保持制热循环中的两个蒸发换热器e1、e2始终有一个进行吸收潜热，就能保持冷凝换热器2始终持续放热。制热装置实现持续吸收水中的潜热，持续放热的功能。
实施例2
如图2所示，提供一种热泵。该机组包括实施例1中的制热装置，具体包括压缩机1、冷凝器2、四通阀4、蒸发器e1、蒸发器e2。安装于换热单元体内层的超声波振子9、与冷凝器2相连的出水口h1及进水口h2。
2个并连的蒸发器e1、蒸发器e2相互连接并包覆机组的其他部件，形成机组的外表面，外表面与热泵壳体3相连为一体，形成热泵的外壳。机组潜入水下运行时，外表面作为换热面与水体进行换热。
为增大蒸发器与水的接触面，如图3所示，在蒸发器表面设置加强凸起条e13，增加蒸发器表面积，提高强度。
所述压缩机1出口管路8、入口管路6、冷凝器2入口管路12、蒸发器e1、蒸发器e2出口管路11之间通过四通阀4连接；冷凝器2出口与蒸发器e1、e2入口通过管路7相联。热泵制热时，四通阀使管路8与管路12联通、管路6与管路11联通。
具体地，蒸发器e1入口带有电子膨胀阀d1，出口带有电磁阀v1；蒸发器e2入口带有电子膨胀阀d2，出口带有电磁阀v2。热泵工作时整体潜入水源中进行工作，有利于提高增大外表面换热面积，提高热泵运行效率，控制热泵运行噪音。
循环出水管h1、循环进水管h2与蒸发器之间腔体填充橡塑保温材料5，以减小内部传热的热损失。所述保温材料选用聚氨酯防水保温一体化、橡塑海绵等类型材质，优选地选用橡塑保温材料，橡塑保温材料是弹性闭孔弹性材料，具有柔软，耐曲绕，耐寒，耐热，阻燃，导热系数低，减震，吸音等优良性能，能达到降低冷损和热损的效果。
热泵壳体内表面设有多个超声波振子9，超声波振子安装点设置在壳壁中部，以便超声波震荡时的，换热单元体上能均匀地感受到震荡能量。
换热单元体壳壁上还分别设有电热元件e1-14、e2-14，电热元件e1-14、e2-14与蒸发器e1、蒸发器e2的内层外表面直接接触，电热元件的发热可直接被蒸发器e1、蒸发器e2吸收。
吸收潜热制热时，蒸发器e1、蒸发器e2出口的电磁阀v1、v2根据各自表面结冰状态进行通断控制，在除冰及蒸发状态之间切换。制冷剂通路分为两个部分；通路a:制冷剂依次经过压缩机1→冷凝器2→电子膨胀阀d1→蒸发器e1→电磁阀v1→压缩机1，对应的完成压缩→冷凝→节流→蒸发→压缩过程，完成压缩制热循环。该通路蒸发器e1表面接触的水的凝固潜热被吸收制取成高温热源，放热后水在蒸发器e1表面凝固冻结成冰层；通路b:制冷剂依次经过压缩机1→冷凝器2→电子膨胀阀d2→蒸发器e2，对应的完成压缩→冷凝→节流→集聚增压后再放热过程，当该通路蒸发器e2内温度超过0℃时，蒸发器e2对外放热，固结在蒸发器e2的冰层接触层发生融化，在水的作用下冰层上浮，脱离蒸发器e2表面，换热器完成除冰。除冰后，该蒸发器e2出口的电磁阀v2开启，该蒸发器e2回复到蒸发状态。通过蒸发器入口的电子膨胀阀d1、d2的控制，保持蒸发器e1、蒸发器e2中始终有一个保持通路的状态，即可保证热泵循环保持持续，持续完成热量输出。
以上吸收潜热的循环是在热泵在外界水的温度已经接近0℃的运行模式。当外界水源温度远高于0℃时，热泵可采用吸收显热制热的模式运行。具体来说，蒸发器e1、e2出口的电磁阀全开，入口电磁阀开度保持一致。制冷剂通路为压缩机1→冷凝器2→电子膨胀阀d1、d2→蒸发器e1、e2→压缩机1，对应的完成压缩→冷凝→节流→蒸发→压缩过程。热泵持续完成热量输出。
通过四通阀4的切换，热泵可实现制冷功能。热泵制冷时，四通阀使管路8与管路11联通、管路6与管路12联通。
热泵制冷工作时，所述冷凝器和蒸发器功能互换，冷凝器4作为制冷系统的蒸发器，所述蒸发器e1、e2作为制冷系统的冷凝器。作为冷凝器的蒸发器e1、e2的两个换热单元出口的电磁阀v1、v2全开，入口电子膨胀阀d1、d2开度保持一致。制冷剂通路为压缩机1→蒸发器e1、e2→电子膨胀阀d1、d2→冷凝器2→压缩机1，对应的完成压缩→冷凝→节流→蒸发→压缩过程，完成压缩制冷循环。冷凝器2的循环水对外提供冷冻水。
热泵制冷时，外界水源相当于制冷系统的冷却水。冷却水温越低，制冷效率越高。但是当外界水温度过低，低于冷冻水的水温时，制冷剂将在蒸发器e1、e2中发生过度冷凝，制冷循环不可继续。
此时，热泵可按照低温冷凝模式运行。在此模式下，调整制冷循环中冷凝器的换热面积及调整制冷循环的制冷剂的量使制冷循能够持续。具体而言，四通阀4切换成压缩机1入口6与管路11相连、出口管路8与管路12联通，同时关闭蒸发器e1入口的电子膨胀阀d1、关闭蒸发器e2出口的电磁阀v2、开启蒸发器e1内表面的电发热元件e1-14及压缩机1，利用压缩机1的抽吸作用，使制冷剂进入冷凝器2及蒸发器e2。当蒸发器e1中压力到达限定值时，关闭蒸发器e1的入口的电子膨胀阀d1和出口电磁阀v1，四通阀4切换成压缩机1入口6与管路12相连、出口管路8与管路11联通。制冷系统中只保留蒸发器e2作为制冷系统中的冷凝器。制冷剂通路为压缩机1→蒸发器e2→电子膨胀阀d2→冷凝器2→压缩机1，对应的完成压缩→冷凝→节流→蒸发→压缩过程。此时制冷系统中冷凝器换热面积减少，制冷剂相对增加，制冷循环可持续进行。
具体地，如图4所示，所述的并联蒸发器e1、e2壳体内表面加工有凹槽，凹槽出与外壁贴合成一体，增强换热器单元的强度，形成的凹槽内装有超声波振子9，热泵内部设有超声波震荡发生装置10，配合热泵机组不同的运行模式，超声波震荡发生装置10通过超声波振子9发出采用不同的模式的超声波，实现不同的功能。
热泵吸收潜热制热运行时，超声波分区振荡。具体来说，除冰所在外部换热上的超声波振子振荡。超声波震荡可使冰层加速脱离换热器表面，从而保证了换热单元体的换热效率和稳定运行的效果。
热泵吸收显热制热运行时，超声波分时段间歇性振荡。利用超声波间歇性震荡可以保证热泵外表面的清洁，从而保证了换热单元体的换热效率和稳定运行的效果。
热泵采用常规制冷模式工作时，超声波超声波分时段间歇性振荡。利用超声波的空化和震荡作用，加速热泵适当在水中的热量的传递；同时超声波的间歇震荡可保持热泵外表面的清洁，防止外表面温度高引起水的结垢物在外表面换热器上沉积，从而保证了换热单元体的换热效率和稳定运行的效果。
热泵采用低冷却温度下制冷模式工作时。当热泵机组处于低温制冷过程中，超声波不工作；避免加速热量扩散，避免过度冷凝。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。