复叠式变频空气源热泵热水系统及运行控制方法

摘要

本发明涉及一种复叠式变频空气源热泵热水系统及运行控制方法，特点是复叠式变频空气源热泵热水系统包括低压级压缩机、储热换热器、第一三通阀、蒸发‑冷凝器、高压级气液分离器、高压级压缩机、三管换热器、三通比例调节阀、循环水回水温度传感器、循环水出水温度传感器、高压级电子膨胀阀、低压级电子膨胀阀、旁路电子膨胀阀、室外环境温度传感器、室外机风机、室外机换热器、室外机换热器管温传感器、第二三通阀、低压级气液分离器。其实现了复叠式热泵低压级系统在化霜运行时仍按正向制热运行且能继续为用热端提供热量，供热稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复叠式变频空气源热泵热水系统及运行控制方法。

背景技术

复叠式空气源热泵热水系统相比单级压缩式空气源热泵，它可以在更低的室外环境温度下使用，也可以提供更高的热水温度，但同样存在一个重要问题是，在室外环境温度较低时，室外机换热器表面会结霜，随着霜层的加厚，热泵系统性能会逐渐下降，因此必须对室外机换热器进行化霜。

目前，复叠式热泵最常用的化霜方法是低压级热泵系统反向运行，高压级热泵系统停止运行，低压级热泵系统从原来用热端中获取热量。这种化霜方式存在的主要问题是化霜过程中不仅不能为用热端提供热量，反而需要从其中吸取热量。此外，当化霜结束后，低压级热泵系统压缩机需要停机一会才能切换成制热运行，然后再次启动，这样才能保证热泵系统可靠运行。在化霜运行与制热运行切换过程中，不仅对热泵系统运行稳定性有影响，同时也会影响到系统能耗、制热量等性能，这在复叠式热泵系统中影响更为明显。要解决上述问题，首先是解决低压级热泵系统化霜时热量来源问题，二是解决低压级热泵系统如何始终正向制热运行问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种复叠式变频空气源热泵热水系统及运行控制方法，实现复叠式热泵低压级系统在化霜运行时仍按正向制热运行且能继续为用热端提供热量，供热稳定。

为了达到上述目的，本发明的复叠式变频空气源热泵热水系统的技术方案是这样实现的，其特征在于包括低压级压缩机、储热换热器、第一三通阀、蒸发-冷凝器、高压级气液分离器、高压级压缩机、三管换热器、三通比例调节阀、循环水回水温度传感器、循环水出水温度传感器、高压级电子膨胀阀、低压级电子膨胀阀、旁路电子膨胀阀、室外环境温度传感器、室外机风机、室外机换热器、室外机换热器管温传感器、第二三通阀、低压级气液分离器；

所述低压级压缩机的排气出口与储热换热器的放热换热管入口连通，储热换热器中的放热换热管出口与第一三通阀的A管连通，所述三管换热器的低压制冷剂管路入口与第一三通阀的B管连通，三管换热器的低压制冷剂管路出口与低压级电子膨胀阀的入口连通，低压级电子膨胀阀的出口与室外机换热器入口连通，室外机换热器的出口与第二三通阀的A管连通，所述低压级气液分离器的入口分别与第二三通阀的B管及储热换热器的吸热换热管出口连通，低压级气液分离器的出口与低压级压缩机的回气口连通，所述第二三通阀的C管与旁路电子膨胀阀的入口连通，旁路电子膨胀阀的出口与储热换热器的吸热换热管入口连通，所述蒸发-冷凝器的冷凝管路入口与第一三通阀的C管连通，蒸发-冷凝器的冷凝管路出口与低压级电子膨胀阀的入口连通，蒸发-冷凝器的蒸发管路入口与高压级电子膨胀阀的出口连通，蒸发-冷凝器的蒸发管路出口与高压级气液分离器的入口连通，所述高压级压缩机的回气口与高压级气液分离器的出口连通，高压级气液分离器的排气口与三管换热器的高压制冷剂管路入口连通，三管换热器的高压制冷剂管路出口与高压级电子膨胀阀的入口连通，所述三通比例调节阀的E管与循环水回水管连通，三通比例调节阀的F管与三管换热器的水管路入口连通，三通比例调节阀的G管分别与循环水出水管及三管换热器的水管路出口连通；所述循环水回水温度传感器所感应的循环水回水温度为T1，循环水出水温度传感器所感应的循环水出水温度为T2，室外环境温度传感器所感应的室外环境温度为T3，室外机换热器管温度传感器所感应的室外机换热器管温温度为T4。

为了达到上述目的，本发明的复叠式变频空气源热泵热水系统的运行控制方法的技术方案是这样实现的，其特征在于：

①在热泵系统正常制热运行时，所述第一三通阀的A管与C管连通，此时第一三通阀的A管与B管是不连通的，所述低压级压缩机排气到储热换热器的放热换热管，经储热换热器的放热换热管与储热换热器中的储热材料进行热交换，放出部分热量，从第一三通阀的A管流入从第一三通阀的C管流到蒸发-冷凝器的冷凝管路，蒸发-冷凝器的冷凝管路中的制冷剂与蒸发-冷凝器的蒸发管路中的制冷剂进行热交换，放出热量并冷凝成制冷剂液体，液态制冷剂经低压级电子膨胀阀节流后进入室外机换热器进行蒸发并从外部环境吸热，气态制冷剂从第二三通阀的A管流入从第二三通阀的B管回到低压级气液分离器，然后回到低压级压缩机；所述高压级压缩机排气排到三管换热器的高压制冷剂管路与循环水进行热交换，放出热量并冷凝成制冷剂液体，液态制冷剂经高压级电子膨胀阀节流后进入蒸发-冷凝器的蒸发管路中进行吸热蒸发，气态制冷剂经高压级气液分离器后回到高压级压缩机；

②当热泵系统化霜运行时，所述第一三通阀的A管与C管连通，第二三通阀的A管与C管连通，低压级压缩机排气经储热换热器的放热换热管放出部分热量，再经蒸发-冷凝器的冷凝管路放出部分热量给蒸发-冷凝器的蒸发管路，此时制冷剂变成高干度饱和湿蒸气，经低压级电子膨胀阀的进行一次降压节流，制冷剂压力和温度降低，然后进入室外机换热器继续放热，高干度饱和湿蒸气全部冷凝成制冷剂液体，室外机换热器表面霜层吸热化霜，制冷剂液体从第二三通阀的A管流入从第二三通阀的C管到旁路电子膨胀阀进行二次节流，节流后的制冷剂进入到储热换热器的吸热换热管，通过储热换热器的吸热换热管从储热材料中吸热并变成制冷剂蒸气，气态制冷剂经低压级气液分离器回到低压级压缩机；此时，所述高压级热泵系统仍按上述热泵系统正常制热运行时运行；化霜过程中，通过高压级热泵系统仍继续为循环水系统提供一定的热量；

③化霜结束后，所述第二三通阀的A管与B管连通，热泵系统转入到正常制热运行，在化霜—制热转换过程中低压级压缩机和高压级压缩机均不停机；

④热泵系统化霜运行过程中需对低压级压缩机的频率、高压级压缩机的频率、三通比例调节阀的比例、高压级电子膨胀阀的开度、低压级电子膨胀阀的开度和旁路电子膨胀阀的开度进行控制，控制方式如下：

（a）低压级压缩机提高运行频率以提高热泵系统制热量，化霜运行频率范围为80～120 Hz，如化霜前低压级压缩机的运行频率已大于100 Hz，则保持原来运行频率；根据低压级压缩机的频率，确定化霜运行时对应的高压级压缩机的频率，该频率范围为20～60Hz；

（b）根据化霜运行时低压级压缩机的频率、高压级压缩机的频率、循环水回水温度T1，通过实验方法得到三通比例调节阀的比例及低压级电子膨胀阀、高压级电子膨胀阀、旁路电子膨胀阀的开度的预设数值；

（c）根据循环水进出水温差ΔT =T2-T1对高压级压缩机的频率进行二次调节；当3℃≤ΔT≤7 ℃时，高压级压缩机的频率保持不变；当ΔT＜3 ℃时，高压级压缩机的频率增加以增加对循环水系统供热；当ΔT＞7 ℃时，高压级压缩机的频率减小以增加对室外机换热器的化霜供热；

（二）当热泵运行工况范围窄，也就是供热水温度与室外环境温度温差较小，系统仅需采用低压级热泵系统单级运行时，控制方法流程如下：

①在热泵系统正常制热运行时，所述第一三通阀的A管与B管连通，此时第一三通阀的A管与C管是不连通的，所述低压级压缩机排气到储热换热器的放热换热管，经储热换热器的放热换热管与储热换热器中的储热材料进行热交换，放出部分热量，再从第一三通阀的A管流入从第一三通阀的B管流到三管换热器的低压制冷剂管路与循环水进行热交换，放出热量并冷凝成制冷剂液体，液态制冷剂经低压级电子膨胀阀节流后进入室外机换热器进行蒸发并从外部环境吸热，气态制冷剂从第二三通阀的A管流入从第二三通阀的B管回到低压级气液分离器，然后回到低压级压缩机；此时，所述高压级压缩机不运转；

②当热泵系统化霜运行时，所述第一三通阀的A管与B管连通，第二三通阀的A管与C管连通，低压级压缩机排气经储热换热器的放热换热管放出部分热量，再从第一三通阀的A管流入从第一三通阀的B管流出到三管换热器的低压制冷剂管路与循环水进行热交换，放出部分热量，此时制冷剂变成高干度饱和湿蒸气，经低压级电子膨胀阀进行一次降压节流，制冷剂压力和温度降低，然后进入室外机换热器继续放热，高干度饱和湿蒸气全部冷凝成制冷剂液体，室外机换热器表面霜层吸热化霜，制冷剂液体从第二三通阀的A管流入从第二三通阀的C管到旁路电子膨胀阀进行二次节流，节流后的制冷剂进入到储热换热器的吸热换热管，通过吸热换热管从储热材料中吸热并变成制冷剂蒸气，气态制冷剂经低压级气液分离器回到低压级压缩机；此时，所述高压级压缩机不运转；化霜过程中，通过低压级热泵系统仍继续为循环水系统提供一定的热量；

③化霜结束后，所述第二三通阀的A管与B管连通，热泵系统转入到正常制热运行，在化霜—制热转换过程中低压级压缩机不停机；

④热泵系统化霜运行过程中需对低压级压缩机的频率、三通比例调节阀的比例、低压级电子膨胀阀的开度和旁路电子膨胀阀的开度进行控制，控制方式如下：

（a）低压级压缩机提高运行频率以提高热泵系统制热量，化霜运行频率范围为80～120 Hz，如化霜前低压级压缩机的运行频率已大于100 Hz，则保持原来运行频率；

（b）根据化霜运行时低压级压缩机的频率、循环水回水温度T1，通过实验方法得到三通比例调节阀的比例及低压级电子膨胀阀、旁路电子膨胀阀（13）的开度的预设数值；

（c）根据循环水进出水温差ΔT =T2-T1对低压级电子膨胀阀的开度进行二次调节；当3 ℃≤ΔT≤7 ℃时，低压级电子膨胀阀的开度保持不变；当ΔT＜3 ℃时，低压级电子膨胀阀的开度减小以增加对循环水系统供热；当ΔT＞7 ℃时，低压级电子膨胀阀的开度加大以增加对室外机换热器的化霜供热；

在本技术方案中，所述低压级压缩机化霜运行特别优选频率为100 Hz。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）在化霜运行时能够为循环水系统继续提供部分热量，减小循环水系统水温的波动，更是避免了从循环水系统中取热引起的弊端；

（2）在化霜运行时，热泵系统制冷剂仍正向流动，在制热—化霜—制热切换过程中，低压级压缩机不用停机后再启动，降低了压缩机能耗，改善了压缩机运行状况，提高了热泵系统总产热量；

（3）热泵整体系统简化，更加适用需要复叠式运行和单级运行切换的复叠式热泵系统。

附图说明

图1是本发明实施的原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，其是一种复叠式变频空气源热泵热水系统，其包括低压级压缩机1、储热换热器2、第一三通阀3、蒸发-冷凝器4、高压级气液分离器5、高压级压缩机6、三管换热器7、三通比例调节阀8、循环水回水温度传感器9、循环水出水温度传感器10、高压级电子膨胀阀11、低压级电子膨胀阀12、旁路电子膨胀阀13、室外环境温度传感器14、室外机风机15、室外机换热器16、室外机换热器管温传感器17、第二三通阀18、低压级气液分离器19；

所述低压级压缩机1的排气出口与储热换热器2中的放热换热管入口连通，储热换热器2中的放热换热管出口与第一三通阀3的A口连通，所述三管换热器7的低压制冷剂管路入口与第一三通阀3的B口连通，三管换热器7的低压制冷剂管路的出口与低压级电子膨胀阀12的入口连通，低压级电子膨胀阀12的出口与室外机换热器16入口连通，室外机换热器16的出口与第二三通阀18的A管连通，所述低压级气液分离器19的入口分别与第二三通阀18的B管及储热换热器2中的吸热换热管出口连通，低压级气液分离器19的出口与低压级压缩机1的回气口连通，所述第二三通阀18的C管与旁路电子膨胀阀13的入口连通，旁路电子膨胀阀13的出口与储热换热器2中的吸热换热管入口连通，所述蒸发-冷凝器4的冷凝管路入口与第一三通阀3的C管连通，蒸发-冷凝器4的冷凝管路出口与低压级电子膨胀阀12的入口连通，蒸发-冷凝器4的蒸发管路入口与高压级电子膨胀阀11的出口连通，蒸发-冷凝器4的蒸发管路出口与高压级气液分离器5的入口连通，所述高压级压缩机6的回气口与高压级气液分离器5的出口连通，高压级压缩机6的排气口与三管换热器7的高压制冷剂管路入口连通，三管换热器7的高压制冷剂管路出口与高压级电子膨胀阀11的入口连通，所述三通比例调节阀8的E管与循环水回水管连通，三通比例调节阀8的F管与三管换热器7的水管路入口连通，三通比例调节阀8的G管分别与循环水出水管及三管换热器7的水管路出口连通；

所述循环水回水温度传感器9所感应的循环水回水温度为T1，循环水出水温度传感器10所感应的循环水出水温度为T2，室外环境温度传感器14所感应的室外环境温度为T3，室外机换热器管温度传感器17所感应的室外机换热器管温温度为T4。

本实施例中，复叠式变频空气源热泵热水系统的运行控制流程如下：

（一）当热泵运行工况范围宽即供热水温度与室外环境温度温差较大，系统采用复叠式运行时，控制方法流程如下：

（1）在热泵系统正常制热运行时，所述第一三通阀3的A管与C管连通，此时第一三通阀3的A管与B管是不连通的，所述低压级压缩机1排气到储热换热器2的放热换热管，经放热换热管与储热换热器2中的储热材料进行热交换，放出部分热量，从第一三通阀3的A管流入从第一三通阀3的C管流到蒸发-冷凝器4的冷凝管路，蒸发-冷凝器4的冷凝管路与蒸发-冷凝器4的蒸发管路进行热交换，放出热量并冷凝成制冷剂液体，液态制冷剂经低压级电子膨胀阀12节流后进入室外机换热器16进行蒸发并从外部环境吸热，气态制冷剂从第二三通阀18的A管流入从第二三通阀18的B管回到低压级气液分离器19，然后回到低压级压缩机1；所述高压级压缩机6排气排到三管换热器7的高压制冷剂管路与循环水进行热交换，放出热量并冷凝成制冷剂液体，液态制冷剂经高压级电子膨胀阀11节流后进入蒸发-冷凝器4的蒸发管路进行吸热蒸发，气态制冷剂经高压级气液分离器5后回到高压级压缩机6；

（2）当热泵系统化霜运行时，所述第一三通阀3的A管与C管连通，第二三通阀18的A管与C管连通，低压级压缩机1排气经储热换热器2的放热换热管放出部分热量，再经蒸发-冷凝器4的冷凝管路放出部分热量给蒸发-冷凝器4的蒸发管路，此时制冷剂变成高干度饱和湿蒸气，经低压级电子膨胀阀12进行一次降压节流，制冷剂压力和温度降低，然后进入室外机换热器16继续放热，高干度饱和湿蒸气全部冷凝成制冷剂液体，室外机换热器16表面霜层吸热化霜，制冷剂液体从第二三通阀18的A管流入从第二三通阀18的C管到旁路电子膨胀阀13进行二次节流，节流后的制冷剂进入到储热换热器2的吸热换热管，通过吸热换热管从储热材料中吸热并变成制冷剂蒸气，气态制冷剂经低压级气液分离器19回到低压级压缩机1；此时所述高压级热泵系统仍按上述热泵系统正常制热运行时运行流程进行运行；化霜过程中，通过高压级热泵系统仍继续为循环水系统提供一定的热量；

（3）化霜结束后，所述第二三通阀18的A管与B管连通，热泵系统转入到正常制热运行，在化霜—制热转换过程中低压级压缩机1和高压级压缩机6均不停机；

（4）热泵系统化霜运行过程中需对低压级压缩机1的频率、高压级压缩机6的频率、三通比例调节阀8的比例、高压级电子膨胀阀11的开度、低压级电子膨胀阀12的开度和旁路电子膨胀阀13的开度进行控制，控制方式如下：

（a）低压级压缩机1提高运行频率以提高热泵系统制热量，化霜运行频率范围为80～120 Hz，例如化霜运行频率为80 Hz、90 Hz、100 Hz 、110 Hz 及120 Hz等，但如化霜前低压级压缩机1的运行频率已大于100 Hz，则保持原来运行频率；根据低压级压缩机1的频率，确定化霜运行时对应的高压级压缩机6的频率，该频率范围为20～60 Hz，例如20 Hz、30Hz、40 Hz、50 Hz 及60 Hz等；

（b）根据化霜运行时低压级压缩机1的频率、高压级压缩机6的频率、循环水回水温度T1，通过实验方法得到三通比例调节阀8的比例及低压级电子膨胀阀12、高压级电子膨胀阀11、旁路电子膨胀阀13的开度的预设数值；

（c）根据循环水进出水温差ΔT=T2-T1对高压级压缩机6的频率二次调节；当3 ℃≤ΔT≤7 ℃时，高压级压缩机6的频率保持不变；当ΔT＜3 ℃时，高压级压缩机6的频率增加以增加对循环水系统供热；当ΔT＞7 ℃时，高压级压缩机6的频率减小以增加对室外机换热器16的化霜供热。

（二）当热泵运行工况范围窄即供热水温度与室外环境温度温差较小，系统仅需采用低压级热泵系统单级运行时，控制方法流程如下：

（1）在热泵系统正常制热运行时，所述第一三通阀3的A管与B管连通，此时第一三通阀3的A管与C管是不连通的，所述低压级压缩机1排气到储热换热器2的放热换热管，经放热换热管与储热换热器2中的储热材料进行热交换，放出部分热量，再从第一三通阀3的A管流入从第一三通阀3的B管流到三管换热器7的低压制冷剂管路与循环水进行热交换，放出热量并冷凝成制冷剂液体，液态制冷剂经低压级电子膨胀阀12节流后进入室外机换热器16进行蒸发并从外部环境吸热，气态制冷剂从第二三通阀18的A管流入从第二三通阀18的B管回到低压级气液分离器19，然后回到低压级压缩机1。所述高压级压缩机6不运转；

（2）当热泵系统化霜运行时，所述第一三通阀3的A管与B管连通，第二三通阀18的A管与C管连通，低压级压缩机1排气经储热换热器2的放热换热管放出部分热量，再从第一三通阀3的A管流入从第一三通阀3的B管流出到三管换热器7的低压制冷剂管路与循环水进行热交换，放出部分热量，此时制冷剂变成高干度饱和湿蒸气，经低压级电子膨胀阀12进行一次降压节流，制冷剂压力和温度降低，然后进入室外机换热器16继续放热，高干度饱和湿蒸气全部冷凝成制冷剂液体，室外机换热器16表面霜层吸热化霜，制冷剂液体从第二三通阀18的A管流入从第二三通阀18的C管到旁路电子膨胀阀13进行二次节流，节流后的制冷剂进入到储热换热器2的吸热换热管，通过吸热换热管从储热材料中吸热并变成制冷剂蒸气，气态制冷剂经低压级气液分离器19回到低压级压缩机1；此时，所述高压级压缩机6不运转；化霜过程中，通过低压级热泵系统仍继续为循环水系统提供一定的热量；

（3）化霜结束后，所述第二三通阀18的A管与B管连通，热泵系统转入到正常制热运行，在化霜—制热转换过程中低压级压缩机1不停机；

（4）热泵系统化霜运行过程中需对低压级压缩机1的频率、三通比例调节阀8的比例、低压级电子膨胀阀12的开度和旁路电子膨胀阀13的开度进行控制，控制方式如下：

（a）低压级压缩机1提高运行频率以提高热泵系统制热量，化霜运行频率范围为80～120 Hz，例如化霜运行频率为80 Hz、90 Hz、100 Hz、110 Hz 及120 Hz等，但如化霜前低压级压缩机1的运行频率已大于100 Hz，则保持原来运行频率；

（b）根据化霜运行时低压级压缩机1的频率、循环水回水温度T1，通过实验方法得到三通比例调节阀8的比例及低压级电子膨胀阀12、旁路电子膨胀阀13的开度的预设数值；

（c）根据循环水进出水温差ΔT=T2-T1对低压级电子膨胀阀12的开度进行二次调节；当3 ℃≤ΔT≤7 ℃时，低压级电子膨胀阀12的开度保持不变；当ΔT＜3 ℃时，低压级电子膨胀阀12的开度减小以增加对循环水系统供热；当ΔT＞7 ℃时，低压级电子膨胀阀12的开度加大以增加对室外机换热器16的化霜供热。

在本实施例中，所述低压级压缩机1化霜运行特别优选频率为100 Hz。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换及变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。