以四通阀换向除霜的复叠式CO2热泵及复叠式CO2热泵除霜方法

摘要

本发明公开了一种以四通阀换向除霜的复叠式CO2热泵及复叠式CO2热泵除霜方法，属于热泵制热循环技术，现有CO2热泵系统无法以四通阀换向方式除霜，本发明充分利用常规冷媒系统成熟的四通阀换向除霜技术，当系统检测到空气源蒸发器达到除霜要求时，关闭第二压缩机，让CO2制热循环停止运行，同时控制常规冷媒系统的四通阀，使得常规冷媒系统从用户热水需求侧吸取热量，以除掉空气源换热器表面所结的霜。本发明可显著减少复叠式CO2系统的除霜时间和提高系统除霜效率，为热泵系统在极低环境温度下的可靠运行提供了一种技术方案。

说明书

技术领域

本发明涉及热泵制热循环技术，尤其涉及实现一种运行于极低环境温度（-15℃以下）下的以四通阀换向除霜的复叠式CO₂热泵及复叠式CO₂热泵除霜方法。

背景技术

由于CO₂是少数几种对环境几无破坏作用的天然制冷剂，因而，基于其独特的热物理性质而开展的CO₂热泵技术的研究成为制冷空调行业的热门课题。现今虽有不少CO₂热泵技术的应用案列，但受限于一些技术条件，离广泛的商业还有很长的一段距离，其中典型的技术难点就是CO₂系统除霜问题。现有的CO₂热泵系统除霜方式，如蒸汽旁通、电加热等除霜效率低下，特别是当热泵在极低环境温度运行时，这些传统的除霜方式效果极差。对于运行压差较小的常规冷媒系统，可以通过四通阀换向来化霜，但对于压差高达4Mpa数量级的CO₂系统，四通阀换向是无法实现的，一方面对四通阀的机械耐压能力要求非常高，现今几乎没有类似产品，另一方因四通阀换向而导致的蒸发器与冷凝器的角色的互换会对系统稳定运行产生影响。因此，充分利用常规冷媒系统成熟的四通阀换向除霜技术，克服了CO₂热泵系统无法以四通阀换向方式除霜以及蒸汽旁通、电加热等除霜方式效率低下的缺陷显得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有CO₂热泵系统无法以四通阀换向方式除霜以及蒸汽旁通、电加热等除霜方式效率低下的缺陷，提供一种以四通阀换向除霜的复叠式CO₂热泵及复叠式CO₂热泵除霜方法，确保CO₂热泵系统在极低环境温度下的可靠运行。

为达到上述目的，本发明的以四通阀换向除霜的复叠式CO₂热泵包括：

第一压缩机、四通阀、换热器、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀、蒸发冷凝器、第一截止阀、第二截止阀、空气源换热器、第二压缩机，所述的换热器具有常规冷媒通道、热水通道，所述的蒸发冷凝器具有常规冷媒通道、CO₂通道，所述的空气源换热器具有常规冷媒通道、CO₂通道；

所述的第二压缩机、蒸发冷凝器的CO₂通道、第二节流阀、空气源换热器的CO₂通道依次经管路连接构成低温级的CO₂循环回路；

所述的第一压缩机、四通阀、换热器的常规冷媒通道、第一节流阀、蒸发冷凝器的常规冷媒通道依次经管路连接构成高温级的常规冷媒循环回路，所述的第一截止阀配置在所述蒸发冷凝器的常规冷媒通道所在的管路上用以关闭或者开启所述蒸发冷凝器的常规冷媒通道；所述空气源换热器的常规冷媒通道的两端分别通过管路连接至所述蒸发冷凝器的常规冷媒通道与四通阀之间、所述换热器的常规冷媒通道与第一节流阀之间且连接至所述换热器的常规冷媒通道与第一节流阀之间的管路上设有第三节流阀，所述的第二截止阀配置所述空气源换热器的常规冷媒通道所在的管路上用以关闭或者开启所述空气源换热器的常规冷媒通道；

所述换热器的常规冷媒通道、空气源换热器的常规冷媒通道通过所述四通阀的换向互换作为蒸发器、冷凝器。

优选的，所述的换热器的热水通道与一热水需求侧连接，通过所述四通阀调节所述常规冷媒循环回路以制热工况运行或反向从所述热水需求侧吸取热量来为所述空气源换热器除霜。所述常规冷媒循环回路的制冷剂为R417A、R134a、R410A、R407c中的一种。

为达到上述目的，本发明的复叠式CO₂热泵除霜方法，所述的复叠式CO₂热泵包括：

第一压缩机、四通阀、换热器、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀、蒸发冷凝器、第一截止阀、第二截止阀、空气源换热器、第二压缩机，所述的换热器具有常规冷媒通道、热水通道，所述的蒸发冷凝器具有常规冷媒通道、CO₂通道，所述的空气源换热器具有常规冷媒通道、CO₂通道；

所述的第二压缩机、蒸发冷凝器的CO₂通道、第二节流阀、空气源换热器的CO₂通道依次经管路连接构成低温级的CO₂循环回路；

所述的第一压缩机、四通阀、换热器的常规冷媒通道、第一节流阀、蒸发冷凝器的常规冷媒通道依次经管路连接构成高温级的常规冷媒循环回路，所述的第一截止阀配置在所述蒸发冷凝器的常规冷媒通道所在的管路上用以关闭或者开启所述蒸发冷凝器的常规冷媒通道；所述空气源换热器的常规冷媒通道的两端分别通过管路连接至所述蒸发冷凝器的常规冷媒通道与四通阀之间、所述换热器的常规冷媒通道与第一节流阀之间且连接至所述换热器的常规冷媒通道与第一节流阀之间的管路上设有第三节流阀，所述的第二截止阀配置所述空气源换热器的常规冷媒通道所在的管路上用以关闭或者开启所述空气源换热器的常规冷媒通道；

所述换热器的常规冷媒通道、空气源换热器的常规冷媒通道通过所述四通阀的换向互换作为蒸发器、冷凝器；

其特征是：

在较低环境温度时，开启所述第一截止阀，启动第一压缩机、第二压缩机，关闭所述第二截止阀，由所述第二压缩机、蒸发冷凝器的CO₂通道、第二节流阀、空气源换热器的CO₂通道构成低温级的CO₂循环回路，由所述的第一压缩机、四通阀、换热器的常规冷媒通道、第一节流阀、蒸发冷凝器的常规冷媒通道构成高温级的常规冷媒循环回路，系统以低温级的CO₂循环回路与高温级的常规冷媒循环回路复叠的制热循环方式运行；

在较高室外温度时，关闭所述第一截止阀、第二压缩机，开启所述第二截止阀，由所述的第一压缩机、四通阀、换热器的常规冷媒通道、第三节流阀、空气源换热器的常规冷媒通道构成高温级的常规冷媒循环回路，系统仅以高温级的常规冷媒循环回路运行；

当所述空气源换热器达到除霜要求时，关闭所述第一截止阀，关闭所述第二压缩机，开启所述第二截止阀，控制所述四通阀换向，由所述第一压缩机、四通阀、空气源换热器的常规冷媒通道、第三节流阀、换热器的常规冷媒通道构成除霜制热循环回路，使得所述换热器的常规冷媒通道以蒸发器的形式运行，所述空气源换热器的常规冷媒通道以冷凝器的形式运行，从而除掉所述空气源换热器表面所结的霜。

本发明的热泵系统包括低温级的CO₂循环回路及高温级的常规冷媒循环回路，可工作于制热循环工况和除霜运行工况，根据室外环境温度的不同，系统选择以单制热循环或复叠制热循环方式运行。需除霜时控制四通阀换向使换热器以蒸发器的形式运行、空气源换热器以冷凝器的形式运行，从而除掉空气源换热器表面所结的霜。

本发明可显著减少复叠式CO₂热泵的除霜时间和提高系统除霜效率，为热泵系统在极低环境温度下的可靠运行提供了技术保证。

附图说明

图1为本发明以四通阀换向除霜的复叠式CO₂热泵的系统原理图；

图中标号说明：1-第一压缩机，2-四通阀，3-换热器，41-第一节流阀，42-第二节流阀，43-第三节流阀，5-蒸发冷凝器，61-第一截止阀，62-第二截止阀，7-空气源换热器，8- 第二压缩机，9-热水需求侧。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。

本发明的以四通阀换向除霜的复叠式CO₂热泵，如图1所示，其包括：

第一压缩机1、四通阀2、换热器3、第一节流阀41、第二节流阀42、第三节流阀43、蒸发冷凝器5、第一截止阀61、第二截止阀62、空气源换热器7、第二压缩机8，的换热器3具有常规冷媒通道、热水通道，蒸发冷凝器5具有常规冷媒通道、CO₂通道，空气源换热器7具有常规冷媒通道、CO₂通道；

第二压缩机8、蒸发冷凝器5的CO₂通道、第二节流阀42、空气源换热器7的CO₂通道依次经管路连接构成低温级的CO₂循环回路；

第一压缩机1、四通阀2、换热器3的常规冷媒通道、第一节流阀41、蒸发冷凝器5的常规冷媒通道依次经管路连接构成高温级的常规冷媒循环回路，第一截止阀61配置在蒸发冷凝器5的常规冷媒通道所在的管路上用以关闭或者开启蒸发冷凝器5的常规冷媒通道；空气源换热器7的常规冷媒通道的两端分别通过管路连接至蒸发冷凝器5的常规冷媒通道与四通阀2之间、换热器3的常规冷媒通道与第一节流阀41之间且连接至换热器3的常规冷媒通道与第一节流阀41之间的管路上设有第三节流阀43，第二截止阀62配置空气源换热器7的常规冷媒通道所在的管路上用以关闭或者开启空气源换热器7的常规冷媒通道；

换热器3的常规冷媒通道、空气源换热器7的常规冷媒通道通过四通阀2的换向互换作为蒸发器、冷凝器。

第一节流阀41用于调节制热循环工况，第三节流阀43用于调节除霜运行工况和较高室温条件下单制热循环工况，以区别系统不同运行形式下所需节流阀选型的不同。

换热器3的热水通道与一热水需求侧9连接，通过四通阀2调节常规冷媒循环回路以制热工况运行或反向从热水需求侧9吸取热量来为空气源换热器7除霜。常规冷媒循环回路的制冷剂为R417A、R134a、R410A、R407c中的一种。

基于上述本发明的以四通阀换向除霜的复叠式CO₂热泵，本发明复叠式CO₂热泵除霜方法是：

在较低环境温度时（如当控制系统检测到环境温度高于-5ºC时），开启第一截止阀61，启动第一压缩机1、第二压缩机8，关闭第二截止阀62，由第二压缩机8、蒸发冷凝器5的CO₂通道、第二节流阀42、空气源换热器7的CO₂通道构成低温级的CO₂循环回路，由第一压缩机1、四通阀2、换热器3的常规冷媒通道、第一节流阀41、蒸发冷凝器5的常规冷媒通道构成高温级的常规冷媒循环回路，系统以低温级的CO₂循环回路与高温级的常规冷媒循环回路复叠的制热循环方式运行；

在较高室外温度时（如当控制系统检测到环境温度低于-5ºC时），关闭第一截止阀61、第二压缩机8，开启第二截止阀62，由第一压缩机1、四通阀2、换热器3的常规冷媒通道、第三节流阀43、空气源换热器7的常规冷媒通道构成高温级的常规冷媒循环回路，系统仅以高温级的常规冷媒循环回路运行；

当空气源换热器7达到除霜要求时（通过控制系统检测），关闭第一截止阀61，关闭第二压缩机8，开启第二截止阀62，控制四通阀2换向，由第一压缩机1、四通阀2、空气源换热器7的常规冷媒通道、第三节流阀43、换热器3的常规冷媒通道构成除霜制热循环回路，使得换热器3的常规冷媒通道以蒸发器的形式运行，空气源换热器7的常规冷媒通道以冷凝器的形式运行，从而除掉空气源换热器7表面所结的霜。

尽管以上内容结合附图对本发明进行了描述，但本发明不仅局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而非限制性的，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对上述实施示例的技术方案进行修改，因而凡在本发明宗旨下所作的任何修改、等同变换等，都属于本发明的保护范围之内。