一种耦合双除霜方式的热泵系统及其运行方法

本发明涉及热泵系统的，尤其涉及一种耦合双除霜方式的热泵系统及其运行方法。

背景技术：

1、空气源热泵以其节能、高效的性能被广泛推广使用，空气源热泵系统是利用逆卡诺循环原理吸取低温空气中的能量加热空气或热水的系统，是当今时代供暖的趋势。热泵系统每从空气中吸收 2~6kw的热量只需要消耗1kw的电能，制备相同的热水时空气源热泵系统效率是传统锅炉的2-3倍。但空气源热泵在低温高湿环境中运行时，结霜是不可避免的问题，结霜使得空气源室外侧换热器的换热效果逐渐恶劣，严重降低空气源热泵的能效。传统的逆循环除霜能有效的解决结霜对空气源热泵的不利影响，但同时，它也带来了弊端：如系统压力波动大、会降低室外的热舒适性、不能持续制热等。另外，传统空气源热泵在不利环境中工作时，存在工作效率低，制热能力差的问题，很难持续制取超过55℃的较高温热水，不能满足人们的用热需求。而在寒冷及严寒地区供暖季节需要大量的高温热水用于供暖，传统的空气源热泵无法满足制热需求，若采用电加热制热，其耗能较大、实用性较差；燃煤或燃气采暖会能源浪费、污染环境。于是，多功能热泵成了人们迫切的需求，人们需要一款热泵可以克服传统热泵的缺点，能持续制冷、制热，并且可以在任何环境下制取高温热水，在低温高湿环境中制热时，也不会受到除霜的影响。

2、目前针对人们不同的生活需求，多功能空气源热泵系统得到了进一步的发展：

3、蒋孝勇，蒋其云，刘卫，陈敏，周俊，周立波.。一种多功能空气源热泵热水器[p]。（湖南省：cn111365803a，2020-07-03。）该发明公开了一种多功能空气源热泵热水器，主要用于提供家用热水、采暖用热水，且可回收夏季制取热水所产生的冷风。但由于没有相应的除霜功能，故只在南方地区适用，不利于大规模推广。

4、杨永安，杜启含，朱轶群，黄成军。一种多功能热泵模块及其组成的空气源热泵系统[p]（天津市：cn111306834a，2020-06-19）提供了一种能够根据使用需要切换为不同工作模式的热泵模块及其组成的热泵系统。该发明在冬季运行采用复叠式循环系统，一部分多功能热泵模块作为高温级供暖循环，另一部分多功能热泵模块作为低温级供暖循环，作为低温级供暖循环的多功能热泵模块中的第二换热器作为冷凝器向第一蓄热器中放热，作为高温级供暖循环的多功能热泵模块中的第二换热器作为蒸发器从第一蓄热器中吸热。该发明的热泵系统可根据室外工况的不同，通过控制复叠式热泵系统的低温级和高温级的数量组合实现冬季供暖和夏季供热的需求，适用地区范围较广；该发明的空气源热泵系统中无冷凝蒸发器进行高温级和低温级的换热，而采用蓄热装置换热，可根据调节高温级和低温级的数量实现灵活控制所达到的热负荷，但与传统空气源热泵相比，引进蓄热装置就增加了一定的初投资，且该空气源系统体积较大。

5、陈永昌，侯玲钧，吴玉庭，杜春旭，雷标。一种不停机除霜空气源热泵供暖系统[p]（北京市：cn113375207b，2022-10-18）。该发明公开了一种不停机除霜空气源热泵。该发明在制热模式下，制冷剂可以从翅片换热器吸热的同时，也能从太阳能蓄热水箱中吸热，极大提高综合能源的利用。该发明在除霜模式下，采用补气增焓技术，使得空气源热泵系统依然可以制热，克服了低温下空气源热泵停机不工作的缺点，可以实现供暖除霜同时进行，实现不停机除霜。但太阳能光伏光热系统易受到天气环境的影响，特别是在北方地区的冬天，日照强度不足，时常有恶劣天气，严重影响该空气源热泵系统运行和稳定。

6、杨亚朋，李朝珍，严宁，万胜冬，蒋鑫涛，施远，沈良洪，章小盱。一种低环境温度制取高温热水的空调热泵系统[p]。（江苏省：cn114754430a，2022-07-15）该发明公开了一种低温环境制取高温热水的空调热泵系统，包括三个循环，第一循环为低压级压缩机驱动制冷剂制冷循环，第二循环为高压级压缩机驱动制冷剂制冷循环，低压级压缩机和高压级压缩机之间通过蒸发冷凝器进行热交换；第三循环为水泵驱动热水循环和高压级冷凝器中制冷剂换热。该双级压缩制冷循环系统可有效提高低环境温度制热量，可以在低于-40℃环境温度下制取超过65℃的高温热水，提高热泵空调运行经济性对低环境温度制热水有明显改善作用。该系统可以在一些特定的环境中使用，但不适合普遍推广，且使用在运行一定的时间后，仍会面临室外侧换热器结霜的问题。

7、以上空气源热泵系统在一定程度上对传统空气源热泵进行改良，但功能还是比较单一，且地域适应性较差，易受环境的影响，目前多功能空气源热泵研究和应用还比较少。

8、本发明旨在发明一种耦合双除霜方式的热泵系统，此系统的特征是在单个制冷剂回路下，配合电控技术实现各种热泵的功能，所述的系适应性强，可以实现日常制热和制冷，且可在辅助排热制取高温热水，在低温恶劣环境下，系统可采用逆循环除霜方式，也可以采用室外蒸发盘管轮换除霜持续制取热；本发明的耦合双除霜方式的单回路热泵系统采用多套并联式室外蒸发盘管【本文以3套并联式室外蒸发盘管为例进行描述，3套以上或更多套的并联也可以根据本技术原理调整】、1个冷热四通阀、2个电子膨胀阀、9个单向截止阀、3个切换阀，从而实现多功能空气源热泵系统制冷剂流向及流量控制。切换阀由三个阀口和阀芯组成，通过电信号对阀芯的控制而改变不同阀口的接通，当切换阀处于通电状态时：阀芯处于下部，切换阀的第一阀口与第二阀口接通；当切换阀处于断电状态时：阀芯处于上部，切换阀的第二阀口与第三阀口接通；通过3个切换阀控制3套室外蒸发盘管中的制冷剂流向，实现不同的功能：制热工况：3个切换阀均处于断电状态，3套并联室外蒸发盘管均为蒸发器；制冷工况：3个切换阀均处于通电状态，3套并联室外蒸发盘管均为冷凝器；逆循环除霜工况：3个切换阀均处于断电状态，3套并联室外蒸发盘管均为蒸发器；辅助排热制取高温热水：3个切换阀至少有一个处于通电状态，即3套并联室外蒸发盘管中至少有一套室外蒸发盘管为冷凝器，其他两套室外蒸发盘管为蒸发器；轮换除霜持续制热：3个切换阀只少有一个处于断电状态，即3套并联室外蒸发盘管中至少有一套室外蒸发盘管为蒸发器，其他两套室外蒸发盘管为冷凝器，该室外蒸发盘管除霜结束后，切换另外的切换阀进行相同的操作即可实现轮换除霜持续制热。另外，本发明的耦合双除霜方式的单回路热泵系统部件构成皆为传统的基本构件，通过恰当的管路连接和部件切换实现合理的运行方法，没有引进额外的装置。因此，该多功能空气源热泵系统初投资低，且系统功能强大，安装便利，安全性高，能效高，适于推广。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的第一个发明目的：提供一种能够控制灵活、能够实现多种功能的耦合双除霜方式的单回路热泵系统，并且根据需求可以实现多种功能，包括：制冷、制热、辅助排热制高温热水、逆循环除霜、轮换除霜持续制热，其控制较为灵活。

2、本发明的第二个发明目的是提供第一种耦合双除霜方式的单回路热泵系统的运行方法，该方法可以单独制冷。

3、本发明的第三个发明目的是提供第二种耦合双除霜方式的单回路热泵系统的运行方法，该方法可以单独制热

4、本发明的第四个发明目的是提供第三种耦合双除霜方式的单回路热泵系统的运行方法，该方法可以辅助排热制取高温热水。

5、本发明的第五个发明目的是提供第四种耦合双除霜方式的单回路热泵系统的运行方法，该方法可以在室外环境温度为-10℃以下时，采用逆循环除霜。

6、本发明的第六个发明目的是提供第四种分布多套式蒸发热泵系统的运行方法，该方法可以在室外环境温度为-10℃以上时（包含-10℃），采用轮换除霜持续制热。

7、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

8、一种耦合双除霜方式的单回路热泵系统及其运行方法，包括压缩机、冷热四通阀、冷凝器（高效罐），储液器、电子膨胀阀、气液分离器、单向截止阀，切换阀，三套室外蒸发盘管；切换阀由三个阀口和阀芯组成，通过电信号对阀芯的控制而改变不同阀口的接通，当切换阀处于通电状态时：阀芯处于下部，切换阀的第一阀口与第二阀口接通；当切换阀处于断电状态时：阀芯处于上部，切换阀的第二阀口与第三阀口接通；压缩机出口与冷热四通阀第一阀口相连，冷热四通阀第三阀口与冷凝器入口相连，冷热四通阀第二阀口与气液分离器入口相连，冷热四通阀第四阀口与储存器相连，冷凝器（高效罐）出口与储液器入口相连；第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀的第一阀口相连，且与冷热四通阀的第四阀口相连；第一切换阀的第一阀口与冷热四通阀第四阀口相连，第一切换阀的第二阀口与第一室外换热器相连，第一切换阀的第三阀口与气液分离器入口相连；第二切换阀、第二阀口与第二室外换热器相连，第三切换阀的第二阀口与第三室外换热器相连；第二切换阀的第三阀口与气液分离器入口相连，第三切换阀的第三阀口与气液分离器入口相连。三个切换阀分别与相应的室外蒸发盘管处于串联关系，三套室外蒸发盘管处于并联关系，通过控制单个切换阀可实现对相应室外蒸发盘管的单独控制，也可同时控制多个切换阀对三套并联室外蒸发盘管进行联合控制。

9、进一步的是：冷热四通阀第三阀口与气液分离器入口相连，冷热四通阀的第四阀口、储液器第一分管与第一切换阀的第一阀口相连，储液器第二分管与室外换热器第一分管汇合管相连，储液器第二分管与室外换热器第二分管汇合管相连，室外换热器第一分管汇合管与室外换热器第二分管汇合管相连接。

10、进一步的是：冷热四通阀的第四阀口设有单向截止阀，储液器第一分管、第三分管上设有单向截止阀，储液器第二分管上设有电子膨胀阀a，室外换热器第一分管、室外换热器第二分管都设有单向截止阀，室外换热器第二分管汇合管设有电子膨胀阀b。

11、使得在机组内的制冷剂的流向变得更加可控，控制制冷剂的流通方向唯一。

12、冷热四通阀有两种工作状态：a工作状态：冷热四通阀第一阀口与第二阀口相接通，第三阀口与第四阀口相接通；b工作状态：冷热四通阀第一阀口与第四阀口相接通，第二阀口与第三阀口相接通。

13、切换阀由三个阀口和阀芯组成，通过电信号对阀芯的控制而改变不同阀口的接通，切换阀通电状态：第一阀口与第二阀口接通；切换阀断电状态：第二阀口与第三阀口接通。

14、第一种耦合双除霜方式的单回路热泵系统及其运行方法，包括以下单独制冷的运行方法：冷热四通第一阀口与第四阀口接通，第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀均处于通电状态，单向截止阀11（1）、11（2）、11（3）、12、14处于接通状态，单向截止阀13、10（1）、10（2）、10（3）处于断开状态，电子膨胀阀a、b均处于打开状态。实现多功能热泵系统的单独制冷。

15、第二种耦合双除霜方式的单回路热泵系统及其运行方法，包括以下单独制热的运行方法：冷热四通阀第一阀口与第二阀口接通，单向截止阀11（1）、11（2）、11（3）、12、13、14处于断开状态，单向截止阀10（1）、10（2）、10（3）处于接通状态，第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀均处于断电状态，电子膨胀阀a打开，电子膨胀b关闭。实现耦合双除霜方式的单回路热泵系统的单独制热。

16、第三种耦合双除霜方式的单回路热泵系统及其运行方法，包括以下辅助排热制取高温热水的运行方法：

17、至少设置三个室外换热器，至少将一个室外换热器的切换阀处于通电状态，至少将两个室外换热的切换阀处于断电状态，本发明以室外换热器a作为冷凝器进行说明，实际可根据具体情况和需求进行安排:冷热四通阀第一阀口与第二阀口相通，第一切换阀处于通电状态，第二切换阀、第三切换阀处于断电状态，单向截止阀12、11（1）、10（2）、10（3）、18处于接通状态，单向截止阀13、14、10（1）、11（2）、11（3）处于断开状态，电子膨胀阀a、b均处于打开状态。实现耦合双除霜方式的单回路热泵系统的辅助排热制取热水。

18、第四种耦合双除霜方式的单回路热泵系统及其运行方法，包括环境温度为-10℃以下逆除霜的运行方法：冷热四通第一阀口与第四阀口接通，第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀均处于通电状态，单向截止阀11（1）、11（2）、11（3）、12、14处于接通状态，单向截止阀13、10（1）、10（2）、10（3）处于断开状态，电子膨胀阀a、b均处于打开状态。实现耦合双除霜方式的单回路热泵系统的逆循环除霜。

19、第五种耦合双除霜方式的单回路热泵系统及其运行方法，包括环境温度为-10℃以上进行轮换除霜持续制热的运行方法：

20、至少设置三个室外换热器，至少将一个室外换热器的切换阀处于通电状态，至少将两个室外换热的切换阀处于断电状态，对第一室外换热器进行除霜持续制热的运行方式为：冷热四通阀第一阀口与第二阀口相通，第一切换阀处于通电状态，第二切换阀、第三切换阀处于断电状态，单向截止阀12、11（1）、10（2）、10（3）、18处于接通状态，单向截止阀13、14、10（1）、11（2）、11（3）处于断开状态，电子膨胀阀a、b均处于打开状态。实现耦合双除霜方式的单回路热泵系统的轮换除霜持续制热。

21、对第二室外换热器进行除霜持续制热的运行方法为：冷热四通阀第一阀口与第二阀口相通，第一切换阀、第三切换阀处于断电状态，第二切换阀处于通电状态，单向截止阀12、10（1）、11（2）、、10（3）处于接通状态，单向截止阀13、14、10（2）11（1）、11（3）处于断开状态，电子膨胀阀a、b均处于打开状态。实现耦合双除霜方式的单回路热泵系统的轮换除霜持续制热。

22、对第三室外换热器进行除霜持续制热的运行方法为：冷热四通阀第一阀口与第二阀口相通，第一切换阀、第二切换阀处于断电状态，第三切换阀处于通电状态，单向截止阀12、10（1）、10（2）、11（3）处于接通状态，单向截止阀13、14、11（1）、11（2）处于断开状态，电子膨胀阀a、b均处于打开状态。实现耦合双除霜方式的单回路热泵系统的轮换除霜持续制热。

23、总的来说，本发明具有如下优点：

24、耦合双除霜方式的单回路热泵系统可以通过冷热四通阀、第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀、单向截止阀、电子膨胀阀a、电子膨胀阀b的启闭来改变制冷剂的循环路径来实现不同运行模式。该系统能够实现单独制热模式、单独制冷模式、辅助排热制取高温热水模式、逆循环除霜模式、轮换除霜持续制热模式。

25、本发明具有传统热泵的单独制热、单独制冷的功能，但由于传统热泵有诸多限制，如：结霜使得传统热泵不得不停止制热而去除霜；系统在不利环境中无法持续制取高温热水等。本发明为了克服传统热泵存在的不足，设置3套并联室外蒸发盘管，它们可单独或联合发挥排热、排冷的作用，并与其他部件通过合理的连接，实现不同的功能。例如：当系统处于高温环境中时，持续制热使得排气压力逐渐升高，这时将一个室外侧换热器当冷凝器用于辅助排热，使得系统排气压力降低，运行工况稳定，实现制取高温热水；当系统处于低温环境中时，结霜使得系统制热能效逐渐下降，切换室外换热器对应的切换阀即可进行轮换除霜，此时其他室外侧换热器正常蒸发吸热，实现系统轮换除霜持续制热。本发明可以根据需求灵活系统制冷剂的流向，实现室外蒸发盘管的不同作用，实现全气候的生活制热、制冷的需求。同时也解决了传统空气源热泵除霜时不能持续制热，而影响制热的问题。