一种复叠式超低温空气源热泵机组及其控制方法与流程

本发明涉及热泵技术领域，更具体的说，它涉及一种复叠式超低温空气源热泵机组及其控制方法。

背景技术

空气能热泵就是利用空气中的能量来产生热能，能全天24小时大水量、高水压、恒温提供全家不同热水需求，同时又能消耗最少的能源完成上述要求的热水器。

在家高效制取生活热水的同时，能够像空调一样释放冷气，满足厨房的制冷需求，并且可以在阳台、储物间、车库等局部空间达到除湿的作用防止物品发霉变质或者快速晾干衣物。

现有技术中，可参考的授权公告号为cn203824156u的中国专利，一种多功能空气源热泵机组，属于空调系统技术领域。它解决了现有的空气源热泵机组无法实现地板取暖和提供生活热水的问题。本多功能空气源热泵机组，包括压缩机、气液分离器、四通阀、热源侧换热器、空调侧换热器、空调水泵以及风盘表冷器、热源侧风机、风盘风机，空调侧换热器与空调水泵以及风盘表冷器串联形成空调换热器侧水路系统，空调换热器侧水路系统还包括风盘截止阀、地板截止阀以及地板盘管，压缩机与四通阀第一接口之间连接有热水侧换热器，热水侧换热器上串联有热水水泵和热水水箱，热源侧换热器与空调侧换热器之间连接有单向阀组件，单向阀组件上连接有储液罐。。

目前冬季采暖用的空气源热泵机组，虽然能够在实现地板曲面和生活热水的提供，但是极低的环境温度下其制热效率会急剧下降，制热效果十分低劣，同时在寒冷冬季使用空气源热泵会出现压缩比过高、空气侧换热器结霜等问题，这也限制了冬季空气源热泵在寒冷地区的使用。

现有技术中，还可参考的申请公开号为cn106282829a的专利文件，一种复叠式超低温空气源热泵及其制热方法，复叠式超低温空气源热泵，包括太阳能集热器、贮热水箱、换热器、表冷器、冷凝器、压缩机及供暖末端，太阳能集热器、贮热水箱及换热器通过管道依此串联；表冷器与换热器并联连接，两者的进出端分别连接在冷凝器上，且出水端串联有压缩机；冷凝器连接在供暖末端上；复叠式超低温空气源热泵的制热方法，包括太阳能集热器制热系统与空气源热泵制热系统复叠制热工艺、太阳能集热器制热系统直接制热供暖工艺及空气源热泵直接制热供暖工艺。

该对比文件中，虽然能够达到在—20℃的超低温环境下工作，并且能够制取45℃的热水，但是如果在更低的温度下，其制热效率就会明显下降，而不能在一些更严苛的环境下进行工作，并且其运行模式单一，不能满足夏季对制冷的需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种复叠式超低温空气源热泵机组，第一级热泵回路来实现冬天的制冷和夏天的制热，并通过第一级热泵回路与第二级热泵回路配合来实现更低温度环境下的制冷，以满足各种情况下的使用需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种复叠式超低温空气源热泵机组，包括水侧换热器、第一级热泵回路和第二级热泵回路；第一级热泵回路包括低温级压缩机、低温级四通换向阀、空气侧换热器、低温级膨胀阀、低温级气压分离器、电磁阀、蒸发冷凝器、单向阀和双向电磁阀；低温级压缩机的输出端与低温级四通换向阀的二号端口相连，低温级四通换向阀的一号端口与空气侧换热器的一端相连，空气侧换热器的另一端与低温级膨胀阀的一端相连，低温级膨胀阀的另一端与水侧换热器的六号管口相连，水侧换热器的三号管脚与双向电磁阀的一端相连，双向电磁阀的另一端与低温级四通换向阀的四号端口相连，低温级四通换向阀的三号端口与低温级气液分离器的输入端相连，低温级气液分离器的输出端与低温级压缩机的输入端相连；电磁阀的一端连接于低温级四通换向阀与双向电磁阀的端口之间，电磁阀的另一端与冷凝蒸发器的一号端口相连，冷凝蒸发器的三号端口与单向阀的正极相连，单向阀的负极与低温级膨胀阀和水侧换热器的端口之间，第二级热泵回路包括高温级压缩机、高温级膨胀阀和高温级气液分离器；高温级气液分离器的输入端与冷凝蒸发器的二号端口相连，高温级气液分离器的输出端与高温级压缩机的输入端相连，高温级压缩机的输出端与水侧换热器的一号端口相连，高温级膨胀阀的一端与冷凝蒸发器的四号端口相连，其另一端与水侧换热器的四号端口相连；双向电磁阀与低温级四通换向阀之间的管路上连接有压力传感器，压力传感器同样设于电磁阀与低温级四通换向阀之间。

通过采用上述技术方案，通过低温级四通换向阀的两种工作状态，以及电磁阀和双向电磁阀的开启与关断，可在一个设备内实现单级制冷、单级制热运行时用户侧循环水与低温级制冷剂换热，以及在双级复叠制热运行时用户侧循环水与高温级制冷剂换热，从而简化水路，使系统结构紧凑、设备利用率高，大大降低了设备成本。

本发明进一步设置为：所述低温级压缩机与高温级压缩机均可采用定频压缩机或变频压缩机。

通过采用上述技术方案，该低温压缩机和高温压缩机即可用定频压缩机来实现其功能，也可用变频压缩机来实现其功能，适用范围更广。

本发明进一步设置为：所述低温级压缩机所用制冷剂为包括但不限于r410a，高温级压缩机所用制冷剂包括但不限于r131a。

通过采用上述技术方案，通过r410a来作为第一级热泵回路进行制冷，并通过r131a来作为第二级热泵回路的制冷器来达到最优的制冷效果，用一些其他的制冷器来能够取得不错的制冷效果。

本发明进一步设置为：所述低温级膨胀阀与高温级膨胀阀均可采用热力膨胀阀或电子膨胀阀。

通过采用上述技术方案，通过热力膨胀阀或电子膨胀阀均能实现低温级膨胀阀或者高温级膨胀阀的效果，适用范围更加广泛。

本发明进一步设置为：当室外环境温度低于切换温度时，为保证制热效果，通过第一级热泵回路与第二级热泵回路以在双级复叠制热模式下运行，当室外环境温度高于切换温度时，以第一级热泵回路模式运行。

通过采用上述技术方案，根据外界环境温度来调整制热的效果，保证制热的效率和质量。

本发明进一步设置为：所述第一级热泵回路与第二级热泵回路的切换温度调整区间为-15℃~5℃。

通过采用上述技术方案，能够在调整区间为-15℃~5℃的切换温度内进行温度的调整，这样在南方北方的很多环境下均能够进行正常的温度切换，适用范围更广。

本发明进一步设置为：双级复叠运行时，根据压力传感器检测的低温级系统高压压力，启动时先启动低温级，低温级高压压力大于15bar（10~25bar可设）时，启动高温级；停机时先停高温级，低温级高压压力大于20bar（10~25bar可设）时，停低温级。

通过采用上述技术方案，这样实现了第一级热泵回路与第二级热泵回路开启和关断的有序控制，减少了故障的发生。

本发明进一步设置为：这样当系统在夏季供冷模式运行时，高温级压缩机停机，高温级循环系统不运行，低温级四通换向阀失电，其一号端口与二号端口连通、三号端口与四号端口连通，双向电磁阀得电打开，电磁阀失电关闭，低温级压缩机的高温高压气态制冷剂通过低温级四通换向阀进入空气侧换热器冷凝为高压液态，然后通过低温级膨胀阀节流为低温低压气液两相制冷剂从实测换热器的六号端口进入，进入水侧换热器的低温低压气液两相制冷剂与用户侧循环水换热蒸发为低压气态制冷剂，然后流经双向电磁阀、低温级四通换向阀、低温级气液分离器返回低温级压缩机，完成单级制冷循环；用户侧循环水通过水泵送入水侧换热器与低温级制冷剂换热，放热降温后进入空调系统的末端设备，实现空调制冷；冬季供热运行时，当室外环境温度高于切换温度时，机组按单级制热模式运行，此时高温级压缩机停机，高温级循环系统不运行，低温级四通换向阀得电，其一号端口与三号端口连通，二号端口与四号端口连通，双向电磁阀得电打开，电磁阀失电关闭，低温级压缩机的高温高压气态制冷剂通过低温级四通换向阀、双向电磁阀并从三号端口进入到水侧换热器，进入到水侧换热器内的高压气态制冷剂与用户侧循环水换热冷凝为高压液态制冷剂，后经低温级膨胀阀节流为低温低压气液两相制冷剂进入空气侧换热器从环境空气中吸热气化为低温低压气态制冷剂，然后通过低温级四通换向阀、低温级气液分离器返回低温级压缩机，完成单级制热循环；用户侧循环水通过水泵送入水侧换热器与低温级制冷剂换热，吸热升温后进入空调系统的末端设备，实现空调供热；在冬季制热运行工况下，当室外环境温度低于切换温度时，机组按双级复叠制热模式运行，此时低温级四通换向阀得电，双向电磁阀失电关闭，电磁阀得电打开，低温级压缩机的高温高压气态制冷剂通过低温级四通换向阀，此时低温级四通换向阀一号端口与三号端口连通，二号端口与四号端口连通，电磁阀打开，高温高压气态制冷剂从一号端口进入冷凝蒸发器内冷凝散热，而后其热量被第二级热泵回路的制冷剂蒸发过程中吸收，从冷凝蒸发器三号端口流出的低温级高压液态制冷剂通过单向阀，流经低温级膨胀阀节流为低温低压气液两相制冷剂进入空气侧换热器从环境空气中吸热气化为低温低压气态制冷剂，然后通过低温级四通换向阀、低温级气液分离器返回低温级压缩机，完成低温级热泵制热循环；高温级压缩机的高温高压气态制冷剂进入从一号端口进入到水侧换热器内，高温高压气态制冷剂与用户侧循环水换热冷凝为高压液态制冷剂，而后高压液态制冷剂经高温级膨胀阀节流为低温低压气液两相制冷剂从四号端口进入冷凝蒸发器，在冷凝蒸发器内与低温级制冷剂换热气化为低温低压气态制冷剂，然后经高温级气液分离器返回高温级压缩机，实现双级复叠热泵循环；用户侧循环水通过水泵送入水侧换热器与高温级制冷剂换热，吸热升温后进入空调系统的末端设备，实现空调供热。

通过采用上述技术方案，通过第一级热泵回路的正反向运转来实现对夏天的制冷和冬天的制热，当需要在极低的温度下进行制热时，将双向电磁阀关断并将电磁阀开启来实现低温环境下的高效制热。

本发明进一步设置为：机组进入融霜状态时，风机停机，高温级压缩机停机，高温级循环系统不运行，低温级四通换向阀失电，双向电磁阀得电打开，电磁阀失电关闭，低温级按制冷循环运行。

通过采用上述技术方案，通过这种制冷器的逆循环流动来实现除霜，融霜高效彻底，并且更加简单高效。

综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：本发明通过设置第一级热泵回路来实现冬天的制冷和夏天的制热，并通过第一级热泵回路与第二级热泵回路配合来实现更低温度环境下的制冷，以满足各种情况下的使用需求。

附图说明

图1为实施例中夏天制冷运行模式图；

图2为实施例中冬天单级运行模式图；

图3为实施例中冬季双级复叠制热运行模式图；

图4为实施例中主控电路示意图；

图5为实施例中低温控制电路与第一切断电路示意图；

图6为实施例中第二切断电路示意图。

图中：1、水侧换热器；2、第一级热泵回路；21、低温级压缩机；22、低温级四通换向阀；23、空气侧换热器；24、低温级膨胀阀；25、低温级气液分离器；26、双向电磁阀；27、电磁阀；28、冷凝蒸发器；29、单向阀；3、第二级热泵回路；31、高温级压缩机；32、高温级膨胀阀；33、高温级气液分离器；34、压力传感器；4、主控电路；k1、第一按钮；ka1、第一线圈；ka2、第二线圈；k2、第二按钮；ka3、第三线圈；41、低温控制电路；ka1、第一常开触点；ka4、第四常闭触点；42、第一切断电路；t1、第一比较器；ka3、第三常开触点；ka4、第四电磁线圈；43、第二切断电路；t2、第二比较器；ka2、第二常开触点；q2、第一三极管；ka3、第三常闭触点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例：一种复叠式超低温空气源热泵机组及其控制方法,如图1所示，包括水侧换热器1、第一级热泵回路2、第二级热泵回路3和主控电路4（参考图4）。

第一级热泵回路2包括低温级压缩机21、低温级四通换向阀22、空气侧换热器23、低温级膨胀阀24、低温级气压分离器25、电磁阀27、冷凝蒸发器28、单向阀29和双向电磁阀26，低温级压缩机21的输出端与低温级四通换向阀22的二号端口相连，低温级四通换向阀22的一号端口与空气侧换热器23的一端相连，空气侧换热器23的另一端与低温级膨胀阀24的一端相连，低温级膨胀阀24的另一端与水侧换热器1的六号管口相连，水侧换热器1的三号管脚与双向电磁阀26的一端相连，双向电磁阀26的另一端与低温级四通换向阀22的四号端口相连，低温级四通换向阀22的三号端口与低温级气液分离器25的输入端相连，低温级气液分离器25的输出端与低温级压缩机21的输入端相连，电磁阀27的一端连接于低温级四通换向阀22与双向电磁阀26的端口之间，电磁阀27的另一端与冷凝蒸发器28的一号端口相连，冷凝蒸发器28的三号端口与单向阀29的正极相连，单向阀29的负极与低温级膨胀阀24和水侧换热器1的端口之间。

第二级热泵回路3包括高温级压缩机31、高温级膨胀阀32和高温级气液分离器33。高温级气液分离器33的输入端与冷凝蒸发器28的二号端口相连，高温级气液分离器33的输出端与高温级压缩机31的输入端相连，高温级压缩机31的输出端与水侧换热器1的一号端口相连，高温级膨胀阀32的一端与冷凝蒸发器28的四号端口相连，其另一端与水侧换热器1的四号端口相连。水侧换热器1的五号端口连接入水管，入水管上连接有用户水泵，水侧换热器1的二号端口连接出水管。双向电磁阀26与低温级四通换向阀22之间的管路上连接有压力传感器34，压力传感器34同样设于电磁阀27与低温级四通换向阀22之间。

低温级压缩机21与高温级压缩机31均可采用定频压缩机或变频压缩机。

低温级压缩机21所用制冷剂为r410a或其他低温制冷剂，高温级压缩机31所用制冷剂为r131a或其他中高温制冷剂。

低温级膨胀阀24与高温级膨胀阀32均可采用热力膨胀阀或电子膨胀阀。

当室外环境温度低于切换温度时，为保证制热效果，机组在双级复叠制热模式下运行，当室外环境温度高于切换温度时，以单级制热模式运行，其性能系数更高。

根据环境温度和用户需要，超低温复叠式空气源热泵机组可在多种运行模式之间切换，单双级运行的切换温度可根据机组检测的环境温度和用户需求在-15℃~5℃之间调整。

如图3所示，主控电路4包括第一按钮k1、第一电磁继电器、第二电磁继电器、第二按钮k2和第三电磁继电器。第一电磁继电器包括第一电磁线圈和第一常开触点ka1，第二电磁继电器包括第二电磁线圈和第二常开触点ka2，第三电磁继电器包括第三电磁线圈、第三常开触点ka3ka3和第三常闭触点。第一按钮k1的一端耦接电源vcc，第一电磁线圈与第一按钮k1串联耦接，第二电磁线圈与第一电磁线圈串联耦接，第而电磁线圈的一端接地设置。

第二按钮k2的一端耦接电源vcc，第三电磁线圈与第二按钮k2串联耦接，第三电磁线圈的一端接地设置。

如图4和图5所示，主控电路4（参考图3）上电连接有与低温级压缩机21（参考图1）相连的低温控制电路41、与压力传感器34（参考图1）相连的第一切断电路42和与高温级压缩机31（参考图1）相连的第二切断电路43。低温控制电路41包括第一常开触点ka1。第一常开触点ka1与低温级压缩机21串联耦接，第一常开触点ka1的一端连接电源vcc，低温级压缩机21的另一端接地设置。第一按钮k1为开启按钮，这样当按压第一按钮k1时，第一电磁线圈得电进而控制第一常开触点ka1闭合，低温级压缩机21立即开始工作。

第一切断电路42包括第一比较器t1、第四电磁继电器和第三常开触点ka3。第四电磁继电器包括第四电磁线圈ka4和第四常闭触点ka4。第一比较器t1的型号为lm284，第一比较器t1的正向输入端设置有预设值vref2，其预设值为20bar（10~25bar可设），其负向输入端耦接有压力传感器34，第三常开触点ka3的一端与第一比较器t1的输出端相连，第四电磁线圈ka4与第三常开触点ka3串联耦接，第四电磁线圈ka4的另一端接地设置。第二按钮k2为关断按钮，当按下第二按钮k2时，第三电磁线圈得电进而控制第三常开触点ka3闭合，此时压力传感器34测得的压力值大于15bar时，第一比较器t1输出电信号进而控制第四电磁线圈ka4得电，而后控制第四常闭按钮断开，低温级压缩机21停止工作。

第二切断电路43包括第二比较器t2、第二常开触点ka2、第一三极管q2和第三常开触点ka3。第二比较器t2的型号为lm284，第一三极管q2为npn三极管，第二比较器t2的正向输入端耦接有压力传感器34，其负向输入端设置有预设值vref1，其预设值为15bar（10~25bar可设），第一三极管q2的集电极耦接电源vcc，其基极与第二比较器t2的输出端耦接并且其发射极与高温级压缩机31耦接，第三常开触点ka3与高温级压缩机31串联耦接，其另一端接地设置，这样按下第一按钮k1时，第二常开触点ka2闭合，当压力传感器34感应到的压力值大于15bar时，高温级压缩机31得电并开始工作，当按下第二按钮k2时，第三常开触点ka3断开，直接将高温压缩机停止。这样实现了第一级热泵回路2与第二级热泵回路3的有序控制，减少了故障的发生。

如图1所示，这样当系统在夏季供冷模式运行时，高温级压缩机31停机，高温级循环系统不运行，低温级四通换向阀22失电，其一号端口与二号端口连通、三号端口与四号端口连通，双向电磁阀26得电打开，电磁阀27失电关闭，低温级压缩机21的高温高压气态制冷剂通过低温级四通换向阀22进入空气侧换热器23冷凝为高压液态，然后通过低温级膨胀阀24节流为低温低压气液两相制冷剂从实测换热器的六号端口进入，进入水侧换热器1的低温低压气液两相制冷剂与用户侧循环水换热蒸发为低压气态制冷剂，然后流经双向电磁阀26、低温级四通换向阀22、低温级气液分离器25返回低温级压缩机21，完成单级制冷循环。用户侧循环水通过水泵送入水侧换热器1与低温级制冷剂换热，放热降温后进入空调系统的末端设备，实现空调制冷。

如图2所示，冬季供热运行时，当室外环境温度高于切换温度时，机组按单级制热模式运行，此时高温级压缩机31停机，高温级循环系统不运行，低温级四通换向阀22得电，其一号端口与三号端口连通，二号端口与四号端口连通，双向电磁阀26得电打开，电磁阀27失电关闭，低温级压缩机21的高温高压气态制冷剂通过低温级四通换向阀22、双向电磁阀26并从三号端口进入到水侧换热器1，进入到水侧换热器1内的高压气态制冷剂与用户侧循环水换热冷凝为高压液态制冷剂，后经低温级膨胀阀24节流为低温低压气液两相制冷剂进入空气侧换热器23从环境空气中吸热气化为低温低压气态制冷剂，然后通过低温级四通换向阀22、低温级气液分离器25返回低温级压缩机21，完成单级制热循环。用户侧循环水通过水泵送入水侧换热器1与低温级制冷剂换热，吸热升温后进入空调系统的末端设备，实现空调供热。

如图3所示，在冬季制热运行工况下，当室外环境温度低于切换温度时，机组按双级复叠制热模式运行，此时低温级四通换向阀22得电，双向电磁阀26失电关闭，电磁阀27得电打开，低温级压缩机21的高温高压气态制冷剂通过低温级四通换向阀22，此时低温级四通换向阀22一号端口与三号端口连通，二号端口与四号端口连通，电磁阀27打开，高温高压气态制冷剂从一号端口进入冷凝蒸发器28内冷凝散热，而后其热量被第二级热泵回路3的制冷剂蒸发过程中吸收，从冷凝蒸发器28三号端口流出的低温级高压液态制冷剂通过单向阀29，流经低温级膨胀阀24节流为低温低压气液两相制冷剂进入空气侧换热器23从环境空气中吸热气化为低温低压气态制冷剂，然后通过低温级四通换向阀22、低温级气液分离器25返回低温级压缩机21，完成低温级热泵制热循环。高温级压缩机31的高温高压气态制冷剂进入从一号端口进入到水侧换热器1内，高温高压气态制冷剂与用户侧循环水换热冷凝为高压液态制冷剂，而后高压液态制冷剂经高温级膨胀阀32节流为低温低压气液两相制冷剂从四号端口进入冷凝蒸发器28，在冷凝蒸发器28内与低温级制冷剂换热气化为低温低压气态制冷剂，然后经高温级气液分离器33返回高温级压缩机31，实现双级复叠热泵循环。用户侧循环水通过水泵送入水侧换热器1与高温级制冷剂换热，吸热升温后进入空调系统的末端设备，实现空调供热。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。