一种变压比耦合热泵系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及热泵系统技术领域，尤其涉及一种变压比耦合热泵系统及其控制方法。


背景技术：

2.现有的耦合热泵通常采用的技术方案是在高压级和低压级间设置中间换热器，如图1所示，在制热运行时，中间换热器在低压级作为冷凝器，中间换热器在高压级作为蒸发器，实现了热量从低压级向高压级传递。但系统在启动时运行非常不稳定，容易出现压力换报警、带液运行等问题，且系统运行波动较大，需要较长时间才参达到平稳。其次，在环温较高时，高压级压缩机和低压级压缩机均处于过压缩状态，系统制热能效较低。另外，这样的系统除霜也存在较大的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种变压比耦合热泵系统及其控制方法。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种变压比耦合热泵系统，该系统由低压级系统和高压级系统、连接系统组成，所述低压级系统设置有多个，所述连接系统包括用于蓄热的水箱、膨胀罐、水泵、单向阀，所述低压级系统、高压级系统与用户端共同连接有三通阀a和三通阀b；三通阀的a口与用户端连接，b口和低压级系统连接，c口和高压级系统连接。
5.在上述的变压比耦合热泵系统中，所述高压级系统包括a系统，所述a系统包括高压级压缩机a、高压级换热器a、高压级电子膨胀阀a、高压级换热器d。
6.在上述的变压比耦合热泵系统中，所述低压级系统包括低压级压缩机、低压级四通阀、低压级换热器、低压级电子膨胀阀、低压级风侧换热器，所述低压级风侧换热器内设置有风机。
7.一种变压比耦合热泵系统的控制方法，控制该系统在低环温下进行耦合制热时,高压级系统开启，低压级系统开启，连接系统开启，三通阀a的a1与c1口连通，b1关闭；三通阀b的a2与c2口连通，b2关闭；风机运行：所述低压级系统中的低压级压缩机排出的高温高压气态制冷剂经过低压级四通阀后进入低压级换热器，制冷剂在低压级换热器中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向流经低压级换热器中的水释放热量；过冷的液态制冷剂经低压级电子膨胀阀节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入低压级风侧换热器中蒸发，吸收大气中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，低压级四通阀后回到低压级压缩机进行压缩，并不断循环，持续向低压级换热器中的水中输出热量；高压级系统中的高压级压缩机排出的高温高压气态制冷剂进入高压级换热器，制冷剂在高压级换热器中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向流经低压级换热器中的水释放热
量；过冷的液态制冷剂经高压级电子膨胀阀节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入高压级换热器中蒸发，吸收水中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，回到高压级压缩机进行压缩，并不断循环，持续向高压级换热器中的水中输出热量；水泵处于开启状态，水流经水泵进入高压级换热器中放热，然后水流经单向阀分别进入低压级换热器中吸热，水继续流经水箱后回再进入水泵并不断循环；水流从总进水口流经三通阀b的a2与c2口后进入高压级换热器吸热后流经三通阀a的c1与a1口后从总出水排。
8.一种变压比耦合热泵系统的控制方法，控制该系统在低环温下进行制热时,高压级系统关闭，低压级系统开启，连接系统开启，三通阀a的a1与b1口连通，c1关闭；三通阀b的a2与b2口连通，c2关闭；风机、运行；所述低压级系统中的低压级压缩机排出的高温高压气态制冷剂经过低压级四通阀后进入低压级换热器，制冷剂在低压级换热器中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向流经低压级换热器中的水释放热量；过冷的液态制冷剂经低压级电子膨胀阀节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入低压级风侧换热器中蒸发，吸收大气中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，低压级四通阀后回到低压级压缩机进行压缩，并不断循环，持续向低压级换热器中的水中输出热量；水流从总进水口流经三通阀b的a2与b2口后分别进入低压级换热器，吸热后流经三通阀a的b1与a1口后从总出水排出。
9.一种变压比耦合热泵系统的控制方法，控制该系统在低环温下进行制冷时,高压级系统关闭，低压级系统开启，连接系统开启，三通阀a的a1与b1口连通，c1关闭；三通阀b的a2与b2口连通，c2关闭；风机运行；所述低压级压缩机排出的高温高压气态制冷剂经过低压级四通阀后进入低压级风侧换热器，制冷剂在低压级风侧换热器中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向空气中释放热量；过冷的液态制冷剂经低压级电子膨胀阀节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入低压级换热器中蒸发，吸收水中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，流经四通阀b后回到低压级压缩机进行压缩，并不断循环，持续带走流经低压级换热器水的热量；水流从总进水口流经三通阀b的a2与b2口后分别进入低压级换热器，放热后流经三通阀a的b1与a1口后从总出水排出。
10.一种变压比耦合热泵系统的控制方法，控制该系统在低环温下进行除霜时,高压级系统开启，低压级系统开启，连接系统开启，多个低压级系统交替除霜；三通阀a的a1与c1口连通，b1关闭；三通阀b的a2与c2口连通，b2关闭；处于除霜状态的风机停止运行，正常制热的风机运行；除霜状态的低压级系统中：低压级压缩机排出的高温高压气态制冷剂经过低压级四通阀后进入低压级风侧换热器，制冷剂在低压级风侧换热器中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向低压级风侧换热器的霜层释放热量；过冷的液态制冷剂经低压级电子膨胀阀节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入低压级换热器中蒸发，吸收水中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，流经四通阀b后回到低压级压缩机进行压缩，并不断循环，持续吸收低压级换热器水的热量用于除霜；正常制热状态的低压级系统中：低压级压缩机排出的高温高压气态制冷剂经过低
压级四通阀后进入低压级换热器，制冷剂在低压级换热器中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向流经低压级换热器中的水释放热量；过冷的液态制冷剂经低压级电子膨胀阀节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入低压级风侧换热器中蒸发，吸收大气中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，低压级四通阀后回到低压级压缩机进行压缩，并不断循环，持续向低压级换热器中的水中输出热量；高压级系统中的高压级压缩机排出的高温高压气态制冷剂进入高压级换热器，制冷剂在高压级换热器中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向流经低压级换热器中的水释放热量；过冷的液态制冷剂经高压级电子膨胀阀节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入高压级换热器中蒸发，吸收水中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，回到高压级压缩机进行压缩，并不断循环，持续向高压级换热器中的水中输出热量；水泵处于开启状态，水流经水泵进入高压级换热器中放热，然后水流经单向阀分别进入低压级换热器中吸热，水继续流经水箱后回再进入水泵并不断循环；水流从总进水口流经三通阀b的a2与c2口后进入高压级换热器吸热后流经三通阀a的c1与a1口后从总出水排出。
11.与现有的技术相比，本发明的优点在于：一、系统在高压级采用变压比压缩机，低压级采用多组系统并联，高压级通过变频调节能力输出，低压级通过压缩机启停调节能力输出，从而很好调节高压缩的压缩比，使系统运行时低压级和高压级的等熵效率均保持在较高的水平，低温制热的能效得到大幅提升。
12.二、在低压级和高压级间设置了蓄热水箱，使机组启动时，通过水箱缓冲的低、高压级间热量不平衡的问题，使机组快速进入稳定运行状态；同时蓄热水箱储存的热量可用于制热除霜，使系统水温波动小，用户舒适性也大大改善。
13.三、在高环温制热时，根据温度条件进行判断，满足条件时控制高压级停止工作，由低压级运行直接提供热量，也保持了系统运行有较高的等熵效率。避免出现高低压级同时运行，压缩机都工作在过压缩状态，导致系统等熵效率较差。
14.四、制冷运行时，制冷剂的工作压比也远小于低温制热，所以也仅有低压级运行，使制冷能效也高于其它系统。
15.五、低压级采用了并联系统设计，至少组，也可以是多组。由系统控制进行分步除霜，即每次仅一个系统除霜，低压级的其它系统仍处于制热状态，机组除霜时可持续供热。
附图说明
16.图1为现有技术中耦合热泵系统的示意图；图2为本发明提出的一种变压比耦合热泵系统的连接示意图；图3为本发明提出的一种变压比耦合热泵系统中高压级系统的示意图；图4为本发明提出的一种变压比耦合热泵系统中低压级系统的示意图；图5为本发明提出的一种变压比耦合热泵系统中耦合制热状态的系统示意图；图6为本发明提出的一种变压比耦合热泵系统中制热状态的系统；图7为本发明提出的一种变压比耦合热泵系统中制冷状态的系统；图8为本发明提出的一种变压比耦合热泵系统中除霜状态的系统。
17.图中：1高压级压缩机a、2高压级换热器a、3高压级电子膨胀阀a、4高压级换热器d、5低压级压缩机b、6低压级四通阀b、7低压级换热器b、8低压级电子膨胀阀b、9低压级风侧换热器b、10低压级压缩机c、11低压级四通阀c、12低压级换热器c、13低压级电子膨胀阀b、14低压级风侧换热器c、15低压级水箱、16低压级膨胀罐、17低压级水泵、18低压级单向阀、19三通阀a、20三通阀b、21风机b、22风机c。
具体实施方式
18.以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。
实施例
19.参照图2-4，一种变压比耦合热泵系统，该系统由低压级系统和高压级系统、连接系统组成，所述低压级系统设置有多个，所述连接系统包括用于蓄热的水箱15、膨胀罐16、水泵17、单向阀18，所述低压级系统、高压级系统与用户端共同连接有三通阀a 19和三通阀b 20；三通阀的a口与用户端连接，b口和低压级系统连接，c口和高压级连接。
20.所述高压级系统包括a系统，所述a系统包括高压级压缩机a 1、高压级换热器a 2、高压级电子膨胀阀a 3、高压级换热器d 4。
21.所述低压级系统包括低压级压缩机5、10、低压级四通阀6、11、低压级换热器7、12、低压级电子膨胀阀8、13、低压级风侧换热器9、14,所述低压级风侧换热器9、14内设置有风机21、22。
22.参考图5，由于环境温度较低（环境温度低至-20℃甚至以下时），现有技术中的耦合制热无法满足制热需求，若强行使用单级制热则可能导致压缩机负载过大而损坏，或无法达到预期制热效果；一种变压比耦合热泵系统的控制方法，控制该系统在低环温下进行耦合制热时；本技术中高压级系统开启，低压级系统开启，连接系统开启，该系统在低环温下进行耦合制热时,高压级工作循环流程是（a系统）：高压级压缩机a 1
→
高压级换热器a 2
→
高压级电子膨胀阀a 3
→
高压级换热器d 4
→
高压级压缩机a 1。
23.低压级的工作循环流程是（b系统）：低压级压缩机b 5
→
低压级四通阀b 6
→
低压级换热器b 7
→
低压级电子膨胀阀b 8
→
低压级风侧换热器b9
→
四通阀b 6
→
低压级压缩机b 5。
24.低压级的工作循环流程是（c系统）：低压级压缩机c 10
→
低压级四通阀c 11
→
低压级换热器c 12
→
低压级电子膨胀阀c 13
→
低压级风侧换热器c 14
→
低压级四通阀c 11
→
低压级压缩机c 10。
25.三通阀a 19的a1与c1口连通，b1关闭；三通阀b 20的a2与c2口连通，b2关闭；风机21、22运行：多个低压级系统工作模式相同：低压级压缩机5、10排出的高温高压气态制冷剂经过低压级四通阀6、11后进入低压级换热器7、12，制冷剂在低压级换热器7、12中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向流经低压级换热器7、12中的水释放热量；过冷的液态制冷剂经低压级电子膨胀阀8、13节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入低压级风侧换热器9、14中
蒸发，吸收大气中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，低压级四通阀6、11后回到低压级压缩机5、10进行压缩，并不断循环，持续向低压级换热器7、12中的水中输出热量；高压级系统中的高压级压缩机1排出的高温高压气态制冷剂进入高压级换热器2，制冷剂在高压级换热器2中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向流经低压级换热器7、12中的水释放热量。过冷的液态制冷剂经高压级电子膨胀阀3节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入高压级换热器4中蒸发，吸收水中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，回到高压级压缩机1进行压缩，并不断循环，持续向高压级换热器2中的水中输出热量；水泵17处于开启状态，水流经水泵17进入高压级换热器4中放热，然后水流经单向阀18分别进入低压级换热器7、12中吸热，水继续流经水箱15后回再进入水泵17并不断循环。
26.水流从总进水口流经三通阀b 20的a2与c2口后进入高压级换热器吸热后流经三通阀a 19的c1与a1口后从总出水排出。
27.一种变压比耦合热泵系统的控制方法，控制该系统在低环温下进行制热时,高压级系统关闭，低压级系统开启，连接系统开启，参考图6，由于环境温度并不过低（环境温度-10℃以上时），本技术的高压级系统关闭，三通阀a 19的a1与b1口连通，c1关闭；三通阀b 20的a2与b2口连通，c2关闭；风机21、22运行：低压级的工作循环流程是（b系统）：低压级压缩机b 5
→
低压级四通阀b 6
→
低压级换热器b 7
→
低压级电子膨胀阀b 8
→
低压级风侧换热器b 9
→
四通阀b 6
→
低压级压缩机b 5。
28.低压级的工作循环流程是（c系统）：低压级压缩机c 10
→
低压级四通阀c 11
→
低压级换热器c 12
→
低压级电子膨胀阀c 13
→
低压级风侧换热器c 14
→
低压级四通阀c 11
→
低压级压缩机c 10。
29.低压级系统工作状态与耦合制热状态相同；水流从总进水口流经三通阀b 20的a2与b2口后分别进入低压级换热器7、12，吸热后流经三通阀a 19的b1与a1口后从总出水排出。
30.一种变压比耦合热泵系统的控制方法，控制该系统在低环温下进行制冷时,高压级系统关闭，低压级系统开启，连接系统开启参考图7，本技术的系统进行制冷时,高压级系统关闭，低压级的工作循环流程是（b系统）：低压级压缩机b 5
→
低压级四通阀b 6
→
低压级风侧换热器b 9
→
低压级电子膨胀阀b 8
→
低压级换热器b 7
→
低压级四通阀b 6
→
低压级压缩机b 5。
31.低压级的工作循环流程是（c系统）：低压级压缩机c 10
→
低压级四通阀c 11
→
低压级风侧换热器c 14
→
低压级电子膨胀阀c 13
→
低压级换热器c 12
→
低压级四通阀c 11
→
低压级压缩机c 10。
32.三通阀a 19的a1与b1口连通，c1关闭；三通阀b 20的a2与b2口连通，c2关闭；风机21、22运行；低压级压缩机5、10排出的高温高压气态制冷剂经过低压级四通阀6、11后进入低压级风侧换热器9、14，制冷剂在低压级风侧换热器9、14中冷凝成过冷的液态制冷剂，并向
空气中释放热量。过冷的液态制冷剂经低压级电子膨胀阀8、13节流后转变为低温低压的气液两相制冷剂进入低压级换热器7、12中蒸发，吸收水中的热量后的制冷剂转变为低温过热气体，流经四通阀b后回到低压级压缩机5、10进行压缩，并不断循环，持续带走流经低压级换热器7、12水的热量；水流从总进水口流经三通阀b 20的a2与b2口后分别进入低压级换热器7、12，放热后流经三通阀a 19的b1与a1口后从总出水排出。
33.一种变压比耦合热泵系统的控制方法，控制该系统在低环温下进行除霜时,高压级系统开启，低压级系统开启，连接系统开启；参考图8，机组运行除霜时，高压级工作循环流程是（与耦合制热模式相同）：高压级压缩机a 1
→
高压级换热器a 2
→
高压级电子膨胀阀a 3
→
高压级换热器d 4
→
高压级压缩机a 1；低压级（b系统）运行除霜（与制冷模式相同）：低压级压缩机b 5
→
低压级四通阀b 6
→
低压级风侧换热器b 9
→
低压级电子膨胀阀b 8
→
低压级换热器b 7
→
低压级四通阀b 6
→
低压级压缩机b 5。
34.低压级（c系统）运行制热（与耦合制热模式相同）：低压级压缩机c 10
→
低压级四通阀c 11
→
低压级换热器c 12
→
低压级电子膨胀阀c 13
→
低压级风侧换热器c 14
→
低压级四通阀c 11
→
低压级压缩机c 10。
35.三通阀a 19的a1与c1口连通，b1关闭；三通阀b 20的a2与c2口连通，b2关闭；b系统中的风机b 21停止运行，c系统中的风机c 22运行。