一种整体式单双级热泵系统及其控制方法与流程

本发明涉及热泵应用领域，特别是涉及一种具备采暖及制冷功能的整体式单双级热泵系统及其控制方法。

背景技术：

目前市场上类似热泵系统主要是复叠系统。现有的系统存在以下问题：1. 系统采暖时只能双级运行，不能单级，采暖能效比低；2.系统只能采暖，不能制冷，功能单一；3.系统化霜时，吸收末端的热量，影响采暖的舒适性；4.无保温房，防冻问题解决不彻底，水泵、水箱等需要占用建筑室内空间。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的不足，提供了一种能够实现高温供暖，低温制冷的整体式单双级热泵系统及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种整体式单双级热泵系统，包括第一循环回路、第二循环回路、第三循环回路、第四循环回路、空气侧蒸发器和冷凝-蒸发换热器；

所述空气侧蒸发器连接空气侧四通阀，所述空气侧四通阀分别连接空气侧压缩机和冷凝-蒸发换热器的第一通道，所述冷凝-蒸发换热器的第一通道依次连接空气侧冷凝器的第一通道、空气侧膨胀阀和空气侧蒸发器，形成第一循环回路；

所述冷凝-蒸发换热器的第二通道经水侧压缩机与水侧冷凝器的第一通道相连，所述水侧冷凝器的第一通道经水侧膨胀阀与冷凝-蒸发换热器的第二通道连接，形成第二循环回路；

所述水侧冷凝器的第二通道通过第一管道连接储能水箱，所述储能水箱通过第一阀门和第二阀门分别连接供能出水管路，所述供能出水管路用于连接用能末端；所述用能末端经第一循环泵连接供能回水管路，所述供能回水管路连接水侧冷凝器的第二通道，形成第三循环回路；

所述空气侧冷凝器的第二通道通过第二循环水泵连接储能水箱，所述储能水箱通过第二管道连接空气侧冷凝器的第二通道，形成第四循环回路。

所空气侧四通阀包括四个连通口，分别为连通口A、连通口B、连通口C 和连通口D，所述空气侧蒸发器的出口与所述连通口A连接，所述连通口D与空气侧压缩机的进口相连，所述空气侧压缩机的出口与连通口C相连，所述连通口B与冷凝-蒸发换热器的第一通道相连。

所述储能水箱为分层水箱,所述储能水箱内设有电加热器。

所述储能水箱包括壳体，所述壳体内设有外套筒，所述外套筒内设有内套筒，所述外套筒的筒壁上设有第一通孔，所述内套筒的筒壁上设有第二通孔，所述第一管道依次穿过壳体和外套筒，伸入所述内套筒内，所述第二管道沿着所述内套筒的长度方向深入所述内套筒内。

所述第一通孔沿着所述外套筒的圆周方向间隔距离设置一周，形成一排第一通孔，沿着所述外套筒的长度方向间隔距离设置多排第一通孔，所述第二通孔沿着所述内套筒的圆周方向间隔距离设置一周，形成一排第二通孔，沿着所述内套筒的长度方向间隔距离设置多排第二通孔，一排第一通孔和一排第二通孔的位置在长度方向交叉设置。

所述冷凝-蒸发换热器采用板式换热器；所述空气侧冷凝器采用管壳式换热器。

进一步，还包括保温箱体；

所述保温箱体内设有空气侧四通阀、空气侧压缩机、冷凝-蒸发换热器、空气侧膨胀阀、空气侧冷凝器、水侧压缩机、水侧冷凝器、水侧膨胀阀、储能水箱、第一循环泵、第二循环泵、第一阀门和第二阀门；

所述保温箱体外设有空气侧蒸发器。

所述第一阀门和第二阀门为电动阀；所述水侧冷凝器连接第一循环泵的管道上设有第一温度探测器；所述保温箱体内设有第二温度探测器和控制柜，所述控制柜内设有控制系统，所述保温箱体外设有第三温度探测器。

本发明还提供一种使用上述的整体式单双级热泵系统进行采暖及制冷的控制方法，包括以下步骤：

通过第一温度探测器发送第一温度信息给控制柜的控制系统，所述控制系统根据接收的第一温度信息控制第一循环回路、第二循环回路、第三循环回路和第四循环回路的启停；

通过第三温度探测器发送第三温度信息给控制柜的控制系统，所述控制系统根据设定温度和接收的第三温度信息来判断是双级运行还是单级运行，即控制第一循环回路、第二循环回路、第三循环回路和/或第四循环回路的启停；

通过第四温度探测器发送温度信息给控制柜的控制系统，所述控制系统根据接收的第四温度信息控制储能水箱内电加热器的启停。

与现有的复叠热泵技术相比，本发明可实现采暖、制冷的高效运行，采暖时，系统根据环境温度的高低智能控制热泵单级或者双级运行，当环境温度低于设定温度时，系统双级运行；当环境温度高于设定温度时，系统单级运行。可以保证热泵系统在高效节能状态下运行。热泵系统在制冷状态下，系统空气侧冷凝器直接向储能水箱提供冷源。系统储能水箱内设有套筒式温度分层装置，储能水箱的进水进入套筒内侧，利用套筒的烟囱效应，使高温水快速上升，低温水快速下降，从而快速提供供热或制冷所需热源或冷源。同时系统水箱第一、第二阀门分别作为热源出口和冷源出口，根据系统设置自动做相应切换。

附图说明

图1为本发明实施例提供的整体式单双级热泵系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的热泵系统双级运行模式的系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的热泵系统单级运行制热模式的系统结构示意图；

图4为本发明实施例提供的热泵系统化霜模式的系统结构示意图；

图5为本发明实施例提供的热泵系统制冷模式的系统结构示意图；

图6为本发明的分层套筒的结构示意图；

图7为图6的内部结构透视图。

图中：1空气侧蒸发器，2空气侧四通阀，3空气侧压缩机，4冷凝-蒸发换热器，5空气侧膨胀阀，6空气侧冷凝器,7水侧压缩机,8水侧冷凝器,9水侧膨胀阀，10储能水箱，11第一循环泵,12第二循环泵,13第一阀门,14第二阀门,15控制柜,16保温箱体，17电加热器，18第四温度传感器,19第二温度传感器，20第一温度传感器,21第三温度传感器，23.第一管道；24.第二管道；25. 壳体；26.外套筒27.内套筒；28.第一通孔29.第二通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

参见图1，一种整体式单双级热泵系统，包括第一循环回路、第二循环回路、第三循环回路、第四循环回路、空气侧蒸发器和冷凝-蒸发换热器；

所述空气侧蒸发器连接空气侧四通阀，所述空气侧四通阀分别连接空气侧压缩机和冷凝-蒸发换热器的第一通道，所述冷凝-蒸发换热器的第一通道依次连接空气侧冷凝器的第一通道、空气侧膨胀阀和空气侧蒸发器，形成第一循环回路；

所述冷凝-蒸发换热器的第二通道经水侧压缩机与水侧冷凝器的第一通道相连，所述水侧冷凝器的第一通道经水侧膨胀阀与冷凝-蒸发换热器的第二通道连接，形成第二循环回路；

所述水侧冷凝器的第二通道通过第一管道连接储能水箱，所述储能水箱通过第一阀门和第二阀门分别连接供能出水管路，所述供能出水管路用于连接用能末端；所述用能末端经第一循环泵连接供能回水管路，所述供能回水管路连接水侧冷凝器的第二通道，形成第三循环回路；

所述空气侧冷凝器的第二通道通过第二循环水泵连接储能水箱，所述储能水箱通过第二管道连接空气侧冷凝器的第二通道，形成第四循环回路。

第一循环回路中，冷凝-蒸发换热器作为系统双级运行状态下的空气侧冷凝器对外释放空气侧从空气中吸收的热量，把热量通过换热方式传输给第二循环回路，空气侧冷凝器在系统单级运行供热状态和制冷模式下发挥作用，同时在系统空气侧化霜时提供化霜所需热量。热泵系统双级模式运行时系统内的冷凝-蒸发换热器作为空气侧冷凝器释放空气侧吸收的热量的同时还作为水侧的蒸发器吸收热量并供给水侧使用。热泵系统单级模式运行时系统内的空气侧冷凝器直接释放空气侧吸收的热量传给储能水箱。

第二循环回路中，在系统双级运行供热模式下冷凝-蒸发换热器的一侧吸收空气侧释放出的热量经水侧压缩机的加压作用下提升热量密度，并经水侧冷凝器释放加热流经第三循环回路的水使其升温。

第三循环回路中，通过提取水侧释放的热量传送给用能末端实现供热或制冷的目的。

第四循环回路中，在系统单级供热模式或制冷模式时将热泵系统空气侧产生的热量或冷量传送到储能水箱备用。另外在热泵系统空气侧化霜时还将储能水箱内的热量传送给热泵空气侧作为化霜能力。避免从室内取热影响室内采暖舒适性。

本实施例在上述实施例的基础上，空气侧四通阀2包括四个连通口，分别为连通口A、连通口B、连通口C和连通口D，空气侧蒸发器1的出口与连通口 A连接，连通口D与空气侧压缩机3的进口相连，空气侧压缩机3的出口与连通口C相连，连通口B与冷凝-蒸发换热器4的第一通道相连。

本实施例在上述实施例的基础上，储能水箱10为分层水箱,储能水箱10 内设有电加热器17。

优选地，本实施例是不设置内套筒的情况，储能水箱10包括壳体25，壳体25内设有外套筒26，外套筒26的筒壁上设有第一通孔28，第一管道23穿过壳体25伸入外套筒26内，第二管道24沿外外套筒26的长度方向深入外套筒26内。

参见图1、图6和图7，储能水箱9包括壳体25，壳体内设有分层套筒，分层套筒包括外套筒26和内套筒27，壳体25内设有外套筒26，外套筒26内设有内套筒27，外套筒25的筒壁上设有第一通孔28，内套筒27的筒壁上设有第二通孔29，第一管道23依次穿过壳体25和外套筒26，伸入内套筒27内，第二管道24沿着内套筒27的长度方向深入内套筒27内。

本发明也可以只设置一个外套筒，去掉内套筒，第一管道23穿过壳体25 伸入外套筒26内，第二管道24沿着外套筒26的长度方向深入外套筒26内。

优选地，第一通孔28沿着外套筒26的圆周方向间隔距离设置一周，形成一排第一通孔，沿着外套筒26的长度方向间隔距离设置多排第一通孔，第二通孔29沿着内套筒27的圆周方向间隔距离设置一周，形成一排第二通孔，沿着内套筒27的长度方向间隔距离设置多排第二通孔，一排第一通孔和一排第二通孔的位置在长度方向交叉设置。

本发明的储能水箱为分层储能水箱。储能水箱内设分层结构，可以保证水温自下而上温度分层分布，这样有利于高温供热、低温供冷。储能水箱内还设有电加热器，可以保证空气侧化霜时有足够热量供应以保证化霜彻底。

优选地，冷凝-蒸发换热器4采用板式换热器；空气侧冷凝器6采用管壳式换热器。

进一步地，还包括保温箱体16；

保温箱体16内设有空气侧四通阀2、空气侧压缩机3、冷凝-蒸发换热器4、空气侧膨胀阀5、空气侧冷凝器6、水侧压缩机7、水侧冷凝器8、水侧膨胀阀 9、储能水箱10、第一循环泵11和第二循环泵12；

保温箱体16外设有空气侧蒸发器；

为了便于控制，第一阀门13和第二阀门14设置在保温箱体16的外面。

本发明的空气侧压缩机、冷凝-蒸发换热器、空气侧冷凝器、空气侧膨胀阀、水侧压缩机、水侧冷凝器、水侧膨胀阀以及第一、第二循环泵、储能水箱、控制系统都放在一个保温箱体内，空气侧蒸发器安装在箱体外侧形成一个整体。本发明可实现高温供暖，低温制冷，具有系统能效更高的优点。保温箱体作为系统设备间，同时还可以作为空气侧蒸发器的固定基座。

为了实现自动控制，第一阀门13和第二阀门14为电动阀；水侧冷凝器7 连接第一循环泵11的管道上设有第一温度探测器20；保温箱体16内设有第二温度探测器19和控制柜15，控制柜15内设有控制系统，保温箱体16外设有第三温度探测器21，储能水箱10内设有第四温度探测器18。

本发明的控制系统作为控制热泵系统运行的控制中心根据设定条件控制系统自动运行。控制柜根据用户选择供热或制冷模式自动切换供能管路切换阀门，保证供热状态热源水从储能水箱水温最高的上部出水，制冷状态冷源水从水温最低的水箱下部出水；控制柜根据第一温度传感器20测得供能回水温度自动启停热泵系统的供能状态，在供热模式下根据第三温度传感器21所测得环境温度自动切换热泵系统的单双级运行模式。

参见图1，本发明提供一种使用上述的整体式单双级热泵系统进行采暖及制冷的控制方法，包括以下步骤：

通过第一温度探测器20发送第一温度信息给控制柜的控制系统，所述控制系统根据接收的第一温度信息控制第一循环回路、第二循环回路、第三循环回路和第四循环回路的启停；

通过第三温度探测器21发送第三温度信息给控制柜的控制系统，所述控制系统根据设定温度和接收的第三温度信息来判断是双级运行还是单级运行，即控制第一循环回路、第二循环回路、第三循环回路和/或第四循环回路的启停；

通过第四温度探测器18发送温度信息给控制柜的控制系统，所述控制系统根据接收的第四温度信息控制储能水箱10内电加热器的启停；

通过第二温度探测器19给控制柜15的控制系统，所述控制系统根据接收的第二温度信息控制启动保温房内的电加热器，实现保温房内的温度控制。

本发明的热泵系统可以实现冬季供热和夏季供冷功能；系统供热模式下，热泵系统可以根据环境温度自动调整单双级运行模式，以达到最节能的效果。

参见图2，供热模式运行时，当第一温度传感器20检测管路温度低于设定温度时，控制系统自动启动第一循环泵11，运行第三循环回路向用能末端供热；

此时第三温度传感器21检测环境温度，当环境温度低于设定温度时，控制系统自动启动第一循环回路和第二循环回路；空气侧传热介质通过空气侧蒸发器1从空气中吸收热量进入空气侧四通阀2的连通口，再经空气侧压缩机3 加压升温后通过冷凝-蒸发换热器4把热量传递给第二循环回路，散热后的介质通过空气侧膨胀阀5重新进入空气侧蒸发器1吸收热量；水侧传热介质通过冷凝-蒸发换热器4吸收热量经水侧压缩机7加压升温后进入水侧冷凝器8并把热量传递给第三循环回路向用能末端供热，如此循环运行；此循环状态下，第一阀门13开启，第二阀门14关闭。

参见图3，当第三温度传感器21检测环境温度高于设定温度时，第二循环泵12运行，控制系统自动启动第一循环回路和第四循环回路；空气侧传热介质通过空气侧蒸发器1从空气中吸收热量空气侧四通阀2的连通口后进入空气侧压缩机3加压升温后通过空气侧冷凝器6把热量传递给第四循环回路，散热后的介质通过空气侧膨胀阀5重新进入空气侧蒸发器1吸收热量；第四循环回路的传热介质通过空气侧冷凝器6吸收热量后进入储能水箱10，散热后提供给第三循环回路向用能末端供热，如此循环运行；此循环状态下，第一阀门13 开启，第二阀门14关闭。

参见图4，当进入化霜状态时，第一循环回路和第四循环回路运行；热量从储能水箱10由传热介质传送到空气侧冷凝器6并传递给第一循环回路的传热介质后循环回到储能水箱10，并不断循环运行；通过空气侧冷凝器6的第一循环回路的传热介质按照与供热时相反的路径进入空气侧压缩机3加压升温后进入空气侧蒸发器1散热以使空气侧蒸发器1表面的霜吸热并消除；放热后的传热介质再经过空气侧膨胀阀5重新进入空气侧冷凝器6吸热，此过程不断循环至空气侧蒸发器1表面的霜全部消除；

参见图5，当进入制冷模式时，第一、第三、第四循环回路运行，第一阀门13关闭，第二阀门14开启；当第一温度传感器20检测温度高于设定温度时，第三循环回路的第一循环泵11启动，传热介质从用能末端吸收热量并传送到储能水箱10散热降温后重新进入用能末端吸热；同时启动第四循环回路的第二循环泵12，传热介质在储能水箱10与空气侧冷凝器6之间不断循环，把热量从储能水箱10带到空气侧冷凝器6并吸收冷量输送到储能水箱10；同时第一循环回路启动，第一循环回路中的传热介质从空气侧冷凝器6吸收热量后进入空气侧四通阀2的连通口后进入空气侧压缩机3经加压升温后送到空气侧蒸发器1放出热量后，再经空气侧膨胀阀5后进入空气侧冷凝器6吸收热量；如此三个循环回路不断循环，给用能末端供冷、对外散热，至第一温度传感器 20检测温度达到设定停止温度，停止系统运行。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。