单双级热泵采暖及制冷系统及控制方法与流程

本发明涉及热泵应用领域，具体涉及一种单双级热泵采暖及制冷系统及控制方法。

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制作成本较高的不足，提供了一种实现高温供暖，低温制冷，系统能效更高的单双级热泵采暖及制冷系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种单双级热泵采暖及制冷系统，包括第一循环回路、第二循环回路、第三循环回路、空气源热泵蒸发器和冷凝-蒸发三通道换热器。

所述空气源热泵蒸发器连接空气源热泵四通阀，所述空气源热泵四通阀分别连接空气源热泵压缩机和冷凝-蒸发三通道换热器的第一通道，所述冷凝-蒸发三通道换热器的第一通道通过空气源热泵膨胀阀连接空气源热泵蒸发器的进口端，形成第一循环回路；

所述冷凝-蒸发三通道换热器的第二通道经水源热泵压缩机与水源热泵冷凝器的第一通道的一端相连，所述水源热泵冷凝器的第一通道的另一端经水源热泵膨胀阀与冷凝-蒸发三通道换热器的第二通道连接，形成第二循环回路；

所述水源热泵冷凝器的第二通道的一端通过第一管道连接储能水箱，另一端经第一循环泵连接供能回水管路，形成第三循环回路；

所述储能水箱经第二循环泵与所述冷凝-蒸发三通道换热器的第三通道的一端连接，所述冷凝-蒸发三通道换热器的第三通道的另一端通过第二管道连接所述储能水箱；

所述的储能水箱上设有两个出口，一个出口通过第一阀门连接供能出水管路，另一个出口通过第二阀门连接供能出水管路，所述第一阀门和第二阀门的出口互相连接。

所空气源热泵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，所述述空气源热泵蒸发器的出口与所述连通口A连接，所述连通口D与空气源热泵压缩机的进口相连，所述空气源热泵压缩机的出口与连通口C相连，所述连通口B与冷凝-蒸发三通道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，所述外套筒的筒壁上设有第一通孔，所述第一管道穿过壳体伸入所述外套筒内，所述第二管道沿外套筒的长度方向深入所述外套筒内。

所述储能水箱包括壳体，所述外套筒内设有内套筒，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。

所述第一循环回路和第二循环回路的连接管道为铜管，所述铜管内的循环介质为冷媒。

进一步地,还包括保温房；

所述保温房内设有空气源热泵压缩机、空气源热泵四通阀、冷凝-蒸发三通道换热器、空气源热泵膨胀阀、水源热泵压缩机、水源热泵冷凝器、水源热泵膨胀阀、储能水箱、第一循环泵、第二循环泵

所述空气源热泵蒸发器设置在所述保温房的外侧或房顶。

所述第一阀门和第二阀门设置在所述保温房的外侧。所述第一阀门和第二阀门为电动阀；所述水源热泵冷凝器连接第一循环泵的管道上设有第一温度探测器；所述保温房内设有第三温度探测器，所述保温房外设有第二温度探测器。

本发明还提供使用上述的单双级热泵采暖及制冷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系统，第二温度探测器发送第二温度信息给控制系统，所述控制系统根据设定温度和接收的第一温度信息、第二温度信息来控制第一循环泵、第二循环泵、第一循环回路和第二循环回路的启停；

采暖时，当第一温度探测器温度低于设定温度时，启动第一循环泵，第三循环回路运行，若此时第二温度探测器低于设定温度，则第一循环回路的设备和第二循环回路的设备均启动运行，进行采暖；若此时第二温度探测器高于设定温度，则第一循环回路的设备和第二循环泵启动运行采暖；

制冷时，当第一温度探测器温度高于设定温度时，第一循环泵和第二循环泵启动，第一循环回路逆运行制冷；

通过第三温度探测器发送温度信息给控制系统，所述控制系统根据接收的第三温度信息控制保温房内防冻系统的启停；通过第四温度探测器发送温度信息给控制系统，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。

具体地，采暖时，当环境温度低于设定温度，第一循环回路产生的热量作为第二循环回路的热源给末端供热，系统化霜时，第二循环回路停止运行，储能水箱给第一循环回路提供化霜能量；

采暖制热时，空气源热泵蒸发器内的介质吸收空气中的热量，进入空气源热泵四通阀的连通口A，经四通阀的阀体，从连通口D出，进入空气源热泵压缩机，空气源热泵压缩机的出口与连通口C连接，经过四通阀的阀体，从连通口B出，进入冷凝-蒸发三通道换热器释放热量，经空气源热泵膨胀阀后回到空气源热泵蒸发器继续吸热，如此往复，为一级制热循环；

冷凝-蒸发三通道换热器中，一级循环的介质走第一通道，二级循环介质经冷凝-蒸发三通道换热器的第二通道吸收一级循环的产生的热量，经水源热泵压缩机进入水源热泵冷凝器的第一通道，经换热释放热量，经水源热泵膨胀阀，回到冷凝-蒸发三通道换热器继续吸热，如此往复，为二级制热循环；

水源热泵冷凝器放出的热量，经供能出水管路的供能出水供能，供能回水管路内的供能回水经第一循环泵从水源热泵冷凝器的第二通道内吸收热量，经储能水箱，经第一阀门，往用能点供能，如此往复；

采暖化霜时，储能水箱内的热量经第二循环泵进入凝-蒸发三通道换热器的第三通道，为一级循环化霜提供热量，此时一级循环逆运行，介质在冷凝-蒸发三通道换热器内吸收热量，进入空气源热泵四通阀的连通口B，经四通阀，从连通口D出，进入空气源热泵压缩机，空气源热泵压缩机的出口与连通口C连接，经过四通阀，从连通口A出，进入空气源热泵蒸发器，在空气源热泵蒸发器释放热量，化霜介质冷却后，经空气源热泵膨胀阀回到冷凝-蒸发器三通道换热器，如此往复，此为化霜过程；

采暖时，当环境温度高于设定温度，系统单级运行，第一循环回路产生的热量直接给用能点，系统化霜时，储能水箱给第一循环回路提供化霜能量，与双级采暖的化霜流程一致；

供能回水管路内的供能回水经第一循环泵、水源热泵冷凝器的第二通道进入储能水箱，从储能水箱内吸热，经第一阀门、经供能出水管路的供能出水供能；

储能水箱内的介质经第二循环泵，进入冷凝-蒸发三通道换热器的第三通道，经换热吸收第一循环回路产生的热量，回到储能水箱；

制冷时，系统给用能点供应冷量，供能回水管路内的供能回水经第一循环泵和水源热泵冷凝器的第二通道，从储能水箱内放热，经第二阀门，经供能出水管路供给用能点；

储能水箱内的介质经第二循环泵进入冷凝-蒸发三通道换热器的第三通道，所述冷凝-蒸发三通道换热器的第三通道通过第二管道连接储能水箱运行循环回路；

制冷时，介质在冷凝-蒸发器三通道换热器内吸收热量，进入空气源热泵四通阀的连通口B，经四通阀，从连通口D出，进入空气源热泵压缩机，空气源热泵压缩机的出口与连通口C连接，经过四通阀，从连通口A出，进入空气源热泵蒸发器，在空气源热泵蒸发器释放热量，如此往复。

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。制冷时，由第一循环管路给末端供冷。储能水箱内置分层结构，使得水箱上部温度迅速上升，通过采暖、制冷取水点的切换，可实现高温供暖，低温制冷，系统能效更高。通过分体安装方式，保温房的设置，系统实现了高度集成，极大的简化了现场安装的同时，也更好的解决了防冻问题。通过储能水箱内置辅助电加热避免机组化霜吸收末端的热量，增加采暖的舒适性，另外还可补充末端供能。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明的采暖双级运行原理图；

图3为本发明的采暖单级运行原理图；

图4为本发明的制冷运行原理图；

图5为本发明的分层套筒的结构示意图；

图6为图5的内部结构透视图。

图中：1.空气源热泵蒸发器；2.空气源热泵四通阀；3.空气源热泵压缩机；4.冷凝-蒸发三通道换热器；5、空气源热泵膨胀阀；6.水源热泵压缩机；7.水源热泵冷凝器；8.水源热泵膨胀阀；9.储能水箱；10、电加热器；11.第一循环泵；12.第二循环泵；13.第一阀门；14.第二阀门；15、保温房；16.供能出水管路；17.供能回水管路；18.分层套筒；19.第四温度探测器；20.第一温度探测器；21.第二温度探测器22.第三温度探测器；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1，一种单双级热泵采暖及制冷系统，包括第一循环回路、第二循环回路、第三循环回路、空气源热泵蒸发器1和冷凝-蒸发三通道换热器4；

空气源热泵蒸发器1连接空气源热泵四通阀2，空气源热泵四通阀2分别连接空气源热泵压缩机3和冷凝-蒸发三通道换热器4的第一通道，冷凝-蒸发三通道换热器4的第一通道通过空气源热泵膨胀阀5连接空气源热泵蒸发器1的进口端，形成第一循环回路；

冷凝-蒸发三通道换热器4的第二通道经水源热泵压缩机6与水源热泵冷凝器7的第一通道的一端相连，水源热泵冷凝器7的第一通道的另一端经水源热泵膨胀阀8与冷凝-蒸发三通道换热器4的第二通道连接，形成第二循环回路；

水源热泵冷凝器7的第二通道的一端通过第一管道23连接储能水箱9，另一端经第一循环泵11连接供能回水管路17，形成第三循环回路；

储能水箱9经第二循环泵12与冷凝-蒸发三通道换热器4的第三通道的一端连接，冷凝-蒸发三通道换热器4的第三通道的另一端通过第二管道24连接储能水箱9；

储能水箱9上设有两个出口，一个出口通过第一阀门13连接供能出水管路16，另一个出口通过第二阀门14连接供能出水管路16，第一阀门13和第二阀门14的出口互相连接。

本发明通过单、双级运行模式的切换，实现了整个系统采暖、制冷的高效运行。

本实施例在上述实施例的基础上，空气源热泵四通阀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，空气源热泵蒸发器1的出口与所述连通口A连接，所述连通口D与空气源热泵压缩机3的进口相连，空气源热泵压缩机3的出口与连通口C相连，所述连通口B与冷凝-蒸发三通道换热4器的第一通道相连。

本实施例在上述实施例的基础上，储能水箱9为分层水箱,储能水箱9内设有电加热器10。

优选地，本实施例是不设置内套筒的情况，储能水箱9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沿外套筒26的长度方向深入外套筒26内。

参见图1、图5和图6，还可以包括内套筒，壳体内设有分层套筒18，分层套筒18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。

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。

本发明通过储能水箱内置辅助电加热器避免机组化霜吸收末端系统的热量，增加采暖的舒适性，另外还可补充末端供能。通过采用分层水箱使储能水箱上部温度高，下部温度低，实现高温供暖，低温制冷的效果，具有系统启动快的优点，同时能充分利用储能水箱中的热量或者冷量。

具体地，第一循环回路和第二循环回路的连接管道为铜管，所述铜管内的循环介质为冷媒。冷媒为循环介质，第一循环回路和第二循环回路可以采用不同的循环介质，优选的，第一循环回路为一级循环介质R410A，第二循环回路为二级循环介质R134A。

本发明热泵机组内的循环回路均为铜管，本系统进行铜管连接的循环回路均为热泵机组的部件。

本实施例在上述实施例的基础上，还包括保温房15；

保温房15内设有空气源热泵压缩机3、空气源热泵四通阀2、冷凝-蒸发三通道换热器4、空气源热泵膨胀阀5、水源热泵压缩机6、水源热泵冷凝器7、水源热泵膨胀阀8、储能水箱9、第一循环泵11和第二循环泵12；

空气源热泵蒸发器1设置在保温房15的外侧或房顶。为了便于控制，第一阀门13第二阀门14设置在保温房的外面。

本发明的空气源热泵蒸发器可远离保温房设置，也可以放置在保温房的侧面，还可以设置在保温房的房顶上，即空气源热泵蒸发器与保温房成一个整体设置。

本发明的系统为分体形式，除空气源热泵蒸发器外其它部件都安装在保温房内。通过将双级热泵除空气源热泵蒸发器外的所有部件集成在保温房内实现了高度集成，极大地简化了现场的安装，同时也更好地解决了防冻的问题。

为了实现自动控制，第一阀门13和第二阀门14为电动阀；水源热泵冷凝器7连接第一循环泵11的管道上设有第一温度探测器20；保温房15内设有第三温度探测器22，保温房15外设有第二温度探测器21。

参见图1，本发明还提供一种使用上述的单双级热泵采暖及制冷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系统，第二温度探测器21发送第二温度信息给控制系统，所述控制系统根据设定温度和接收的第一温度信息、第二温度信息来控制第一循环泵、第二循环泵、第一循环回路和第二循环回路的启停；

采暖时，当第一温度探测器20温度低于设定温度时，启动第一循环泵11，第三循环回路运行，若此时第二温度探测器21低于设定温度，则系统双级运行采暖，即则第一循环回路的设备和第二循环回路的设备均启动运行，进行采暖；若此时第二温度探测器21高于设定温度，则系统单级运行采暖，即第一循环回路的设备和第二循环泵启动运行采暖；

制冷时，当第一温度探测器20温度高于设定温度时，第一循环泵和第二循环泵启动，第一循环回路逆运行制冷；

通过第三温度探测器22发送温度信息给控制系统，所述控制系统根据接收的第三温度信息控制保温房内防冻系统；通过第四温度探测器19发送温度信息给控制系统，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。

本发明的防冻系统是在保温房内设置的伴热带或者电热膜作为防冻系统。

本发明的采暖、制冷取水点的可自动切换，实现高温供暖，低温供冷。

本发明通过智能控制，可实现采暖、制冷高效运行：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。制冷时，由第一循环回路给末端供冷。

参见图2，采暖时，环境温度低于设定温度时，系统双级运行，第一循环回路产生的热量作为第二循环回路的热源给末端供热，系统化霜时，第二循环回路停止运行，储能水箱9给第一循环回路提供化霜能量。

采暖制热运行时，空气源热泵蒸发器1内的介质吸收空气中的热量，进入空气源热泵四通阀2的连通口A，经四通阀的阀体，从连通口D出，进入空气源热泵压缩机3，空气源热泵压缩机3的出口与连通口C连接，经过四通阀的阀体，从连通口B出，进入冷凝-蒸发三通道换热器4释放热量，经空气源热泵膨胀阀5后回到空气源热泵蒸发器1继续吸热，如此往复，此为一级制热循环。

冷凝-蒸发三通道换热器4是个三通道的换热器，一级循环的介质走第一通道，二级循环介质经冷凝-蒸发三通道换热器4的第二通道吸收一级循环的产生的热量，经水源热泵压缩机6进入水源热泵冷凝器7的第一通道，经换热释放热量，经水源热泵膨胀阀8，回到冷凝-蒸发三通道换热器4继续吸热，如此往复，此为二级制热循环。

水源热泵冷凝器7是个双通道的换热器，水源热泵冷凝器7放出的热量，经供能出水管路16的供能出水供能，供能回水管路17内的供能回水经第一循环泵11从水源热泵冷凝器7的第二通道内吸收热量，经储能水箱9，经第一阀门13，往用能点供能，如此往复。

系统采暖化霜时，储能水箱9内的热量经第二循环泵12进入凝-蒸发三通道换热器4的第三通道，为一级循环化霜提供热量，此时一级循环逆运行，介质在冷凝-蒸发三通道换热器4内吸收热量，进入空气源热泵四通阀2的连通口B，经四通阀，从连通口D出，进入空气源热泵压缩机3，空气源热泵压缩机3的出口与连通口C连接，经过四通阀，从连通口A出，进入空气源热泵蒸发器1，在空气源热泵蒸发器1释放热量，化霜，介质冷却后，经空气源热泵膨胀阀5回到冷凝-蒸发器三通道换热器4，如此往复，此为化霜过程。

参见图3，采暖时，环境温度高于设定温度时，系统单级运行，第一循环回路产生的热量直接给用能点，系统化霜时，储能水箱9给第一循环回路提供化霜能量，与双级采暖的化霜流程一致。

单级运行时，第一循环回路的制热过程与双级运行时相同，第一循环回路停止运行。单级运行时，机组化霜的循环过程与双级运行时相同。

供能回水管路17内的供能回水经第一循环泵11和水源热泵冷凝器7的第二通道进入储能水箱9，从储能水箱9内吸热，经第一阀门13、经供能出水管路16的供能出水供能。

储能水箱9内的介质经第二循环泵12，进入冷凝-蒸发三通道换热器4的第三通道，经换热吸收第一循环回路产生的热量，回到储能水箱9。

参见图4，制冷时，系统给用能点供应冷量，供能回水管路17内的供能回水经第一循环泵11和水源热泵冷凝器7的第二通道，从储能水箱9内放热，经第二阀门14，经供能出水管路16供给用能点。

储能水箱9内的介质经第二循环泵12进入冷凝-蒸发三通道换热器4的第三通道，冷凝-蒸发三通道换热器4的第三通道通过第二管道24连接储能水箱9的内套筒27，形成循环回路。

制冷时，机组内部循环与化霜时类似，介质在冷凝-蒸发器三通道换热器4内吸收热量，进入空气源热泵四通阀2的连通口B，经四通阀，从连通口D出，进入空气源热泵压缩机3，空气源热泵压缩机3的出口与连通口C连接，经过四通阀，从连通口A出，进入空气源热泵蒸发器1，在空气源热泵蒸发器1释放热量，如此往复。

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。