CN106016824A - 一种双级热泵采暖-制冷系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双级热泵采暖‑制冷系统和方法，所述系统包括热泵、单向阀、管路循环泵及其循环管路，所述热泵包括空气源热泵和水源热泵，工作时，所述空气源热泵和水源热泵可单独运行或者共同运行。本发明所述系统和方法运行可靠，供暖保证能力强，节能效果好，可以推广使用。

Description

一种双级热泵采暖-制冷系统及其方法

技术领域

本发明涉及热泵应用领域，特别是空气源热泵、水源热泵应用领域。

背景技术

随着人们生活水平的大幅提高，大范围地使用传统供热和制冷方式，导致每年常规高能耗的采暖/制冷需求占用国家电力消耗的比例迅速增加，引起电力紧张，特别是沿海一带由于电力的紧缺，每年的空调使用高峰期停电现象严重，拉闸限电十分普遍。

传统的家庭采暖采用空调采暖、地暖采暖或者暖气片采暖。空调采暖的制暖效果比地暖及暖气片采暖效果差些，基本能够满足需求。另外，还有采用电阻发热设备取暖，如电暖气、电地暖等。

现有的空气源热泵机组在冬季提供热源期间，需要对翅片换热器进行除霜，除霜过程中需将四通阀进行换向以转为制冷模式，改变翅片换热器内的冷媒流向以进行逆循环除霜。在逆循环除霜过程中由于冷媒压力波动对压缩机冲击较大，会缩短压缩机的使用寿命，同时在逆循环除霜过程中，使用侧热源温度周期性急剧下降而造成舒适性降低。更为严重的是，在现有的空气源热泵机组供暖时，严寒地区常常会出现除霜不净，热泵不能启动供暖的问题。

目前市场上现有的供暖系统主要是空气源热泵采暖-制冷系统，这种系统主要问题在于以空气源热泵作为采暖热源时，空气源热泵的制热量随环境温度变化较大，供热量不稳定，效率低。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述缺陷，本发明公开了一种双级热泵采暖-制冷系统。为解决现有技术存在的不足与缺陷，提供了一种能有效提高系统综合效率，解决空气源系统严寒条件下长时间化霜无法保证供热需求的问题，可以切实保证供暖系统的可靠性与保障能力的双源采暖系统，同时系统还可提供夏季制冷功能。

本发明的具体技术方案如下：

一种双级热泵采暖-制冷系统，包括热泵、单向阀、管路循环泵及其循环管路，其中所述热泵包括空气源热泵和水源热泵，所述空气源热泵和水源热泵可根据系统设定，单独运行或者共同运行。

可选的，所述双级热泵采暖-制冷系统中的空气源热泵和水源热泵同时运行时，为所述双级热泵采暖-制冷系统的双级模式，当空气源热泵或水源热泵单独运行时，为所述双级热泵采暖-制冷系统的单级模式。

可选的，当环境温度极低时，管路中的空气源热泵和水源热泵在单向阀和管路循环泵的工作下，同时工作并连通，实现对采暖末端供暖的双级模式；当环境温度较高时，管路中的水源热泵停止工作，在单向阀和管路循环泵的控制下，空气源热泵单独向采暖末端供暖或制冷的单级模式。

可选的，所述双级热泵采暖-制冷系统还包括缓冲水箱、温度传感器和集气罐。

可选的，所述温度传感器包括位于空气源热泵进水口测的温度传感器T2、位于缓冲水箱中的温度传感器T1、位于水源热泵热源侧出水口的温度传感器T3、位于空气源热泵和采暖末端单独连接管路中的温度传感器T4和用于检测环境温度的温度传感器Ta。

水源热泵具有热源侧进水口、热源侧出水口、使用侧进水口和使用侧出水口，其热源侧与使用侧为水源热泵内两套互不相通的换热系统。热源侧换热系统提取热源提取热源介质中的热量，供水源热泵使用；使用侧换热系统提取水源热泵的热量加热供热介质。

可选的，所述集气罐与采暖末端出水口连接。

可选的，当所述双级热泵采暖-制冷系统处于供暖的双级模式时，空气源热泵出水口与缓冲水箱进水口连接，缓冲水箱的出水口连接水源热泵热源侧进水口，经过水源热泵提取热量后自水源热泵热源侧出水口流出的热源回到空气源热泵进水口；水源热泵使用侧出水口连接采暖末端进水口，对采暖末端进行供暖；采暖末端出水口经过集气罐和管路循环泵后，通过电动阀与水源热泵使用侧进水口连接。当所述双级热泵采暖-制冷系统处于供暖或制冷单级模式时，水源热泵停止工作，空气源热泵出水口直接与采暖末端进水口连接，采暖末端出水口经过集气罐和管路循环泵后与空气源热泵进水口相连。

可选的，所述系统还可进行自动化霜，化霜时控制空气源热泵压缩机反向工作，空气源热泵化霜的热源由缓冲水箱提供，水源热泵可根据预设定的缓冲水箱温度自动运行或停止工作。

可选的，所述双级热泵采暖-制冷系统还包括自动控制柜，所述自动控制柜自动采集系统各部分控制输入参数并根据各参数控制系统根据设定进行自动运行。

本发明还提供了一种双级热泵采暖-制冷的方法，所述双级热泵采暖-制冷的方法在双级热泵采暖-制冷系统中实现的，所述双级热泵采暖-制冷系统中包括空气源热泵和水源热泵，所述空气源热泵和水源热泵可根据系统设定，单独运行或者共同运行，当所述空气源热泵和水源热泵同时运行时，为双级模式，当所述空气源热泵或水源热泵单独运行时，为单级模式。

所述双级热泵采暖-制冷具体步骤包括：

(1)当环境温度极低，所述双级热泵采暖-制冷系统中的系统控制柜设置有环境温度的临界值为Ta，所述双级热泵采暖-制冷系统控制柜控制温度传感器Ta自动采集环境温度Ta，当Ta低于设定值时，双级运行的采暖-制冷系统自动进入双级模式运行。所述双级热泵采暖-制冷系统在管路循环泵的控制下，热源介质自空气源热泵的出水口流出，经电动阀后流入缓冲水箱，流入缓冲水箱中的热源介质自缓冲水箱的出水口流出并依次经过管路循环泵和单向阀流入水源热泵热源侧的进水口，其中，所示单向阀能够控制热源只能从一个方向流出进入水源热泵，并经水源热泵热源侧的出水口流回到空气源热泵的进水口，进入空气源热泵中进行再次加热，如此完成一次热源介质的循环流动；另一方面，供热介质自水源热泵使用侧出水口流出进入采暖末端的进水口实现供暖，供热介质流入采暖末端后，对采暖末端进行供热，当供热完毕之后，从采暖末端出水口流出的供热介质经集气罐、管道循环泵和电动阀后流入水源热泵使用侧进水口进入水源热泵中，并在水源热泵中进行再次加热，如此完成一次供热介质的循环流动。

(2)当环境温度较高的采暖状态和制冷状态时，所述双级热泵采暖-制冷系统中系统控制柜根据温度传感器Ta处的温度参数，调整所述系统运行模式至单级运行模式。在所述模式下，水源热泵停止工作，热源在管路中的流动方向为：自采暖末端流出的低温水经集气罐、管路循环泵后，所述低温水直接流入空气源热泵中，而不需要经过水源热泵；低温水经过空气源热泵加热之后，不经过缓冲水箱和水源热泵，自空气源热泵出水口的管路流入采暖末端中，实现供暖或制冷。

本发明提供了一种双级热泵采暖-制冷系统和方法，与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)采用双热源系统，可根据设定自动进行单双级模式运行。在低温状况下系统进入双级模式运行，空气源只需要提供水源热泵的基础温度热源即可，保证其在高效状态下运行；

(2)同时水源热泵因为在空气源热泵提供的热源基础运行，也保证了极高的效率。当环境温度上升后，空气源效率提高，系统自动切换到单级模式运行，系统效率依然保证最高。

(3)本发明系统和方法能够有效的提高供热效率，同时彻底解决了空气源热泵系统在严寒条件下无法解决的化霜问题，使系统的可靠性和保障能力有了极大提升。

附图说明

图1为本发明双级运行的采暖-制冷双热源热泵系统的系统原理图；

图2为本发明的双级运行的采暖-制冷双热源热泵系统采暖双级运行模式示意图；

图3为本发明双级运行的采暖-制冷双热源热泵系统单级运行模式意图。

附图标记说明：

1、空气源热泵；2、水源热泵；3、集气罐；4、采暖末端；5、系统控制柜；6、缓冲水箱。

具体实施方式

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种双级运行的采暖-制冷系统，其中：包括空气源热泵1、电动阀、管路循环泵、缓冲水箱6、集气罐3、系统控制柜5、温度传感器和采暖末端4。

如图1所示，空气源热泵1出水口并联的连接单向阀Vb和电动阀V1，其中空气源热泵1的出水口与单向阀Vb连接的管道中，连接有采暖末端4；空气源热泵1的出水口与电动阀V1连接的管道中，还连接有接缓冲水箱6，所述缓冲水箱6的出水口通过循环泵P1、单向阀Va连接水源热泵2热源侧进水口，水源热泵2的热源侧的出水口与空气源热泵1的进水口连接，其中水源热泵2具有热源侧进水口、热源侧出水口、使用侧进水口和使用侧出水口；热源侧与使用侧为水源热泵内两套互不相通的换热系统。热源侧换热系统提取热源提取热源介质中的热量，供水源热泵使用；使用侧换热系统提取水源热泵的热量加热供热介质。

水源热泵2使用侧出水口与采暖末端4进水口连接；采暖末端4出水口流出的水经过集气罐3、循环泵P2后，形成两条并联的支路：其中一条支路中依次连接有电动阀V3和水源热泵2的使用侧的进水口，另一条支路，设有电动阀V1，并与空气源热泵1的进水口连接。

所述双级运行的采暖-制冷系统还配置有系统控制柜5和温度传感器，其中所述温度传感器包括位于空气源热泵1进水口测的温度传感器T2、位于缓冲水箱6中的温度传感器T1、位于出水口的温度传感器T3、位于空气源热泵1和采暖末端单独连接管路中的温度传感器T4和用于检测环境温度的温度传感器Ta。所述系统控制柜5能够自动采集所述双级运行的采暖-制冷系统各温度传感器的温度数据，控制输入参数并根据各参数控制系统根据设定进行自动运行。

实施例二

如图2所示，为所述双级运行的采暖-制冷系统的双级运行模式，所述双级运行的采暖-制冷系统的双级运行模式即为采暖模式。其中虚线表示管路停用，实线表示管路运行.

其中，所述双级运行模式为空气源热泵1和水源热泵2串联并同时工作的模式。

在采暖状态下，当环境温度极低，系统控制柜5中设置有环境温度的临界值为Ta，在该模式时，系统控制柜5控制温度传感器Ta自动采集环境温度Ta，当Ta低于设定值时，双级运行的采暖-制冷系统自动进入双级模式运行。此时，所述系统中电动阀V1关闭，电动阀V2、电动阀V3打开，管路循环泵P1和P2自动运行，所述系统中的热源在管路中运行，其在工作时热源的流向为：

在管路循环泵P1和P2的控制下，热源自空气源热泵1的出水口流出，经电动阀V2后流入缓冲水箱6，流入缓冲水箱6中的热源自缓冲水箱6的出水口流出并依次经过管路循环泵P1和单向阀Va流入水源热泵2热源侧的进水口，其中，所述单向阀Va能够控制热源只能从一个方向流出进入。热源在水源热泵2内散热后，经水源热泵2热源侧出水口流入空气源热泵1进水口并进入空气源热泵1中进行再次加热，如此完成一次热源的循环流动。供热介质自水源热泵2使用侧的出水口流出进入采暖末端4的进水口实现供暖，当供暖完毕之后，从采暖末端4出水口流出的供热介质经集气罐3、管道循环泵P2和电动阀V3后流入水源热泵2使用侧的进水口并进入水源热泵2中再次加热，如此循环完成一次供热循环。

在所述双级运行的采暖-制冷系统双级模式中，系统控制柜5自动切换控制参数，调整空气源热泵1制热工作模式，制热温度降低，将低温水(低于20℃)储存于双级运行的采暖-制冷系统中的缓冲水箱6内，为水源热泵2运行提供低温热源，此时，空气源热泵1和水源热泵2都在高效下运行，系统节能性好。同时，所述系统中空气源热泵1在需要化霜时，缓冲水箱6内的热源可为其提供相应热量，确保空气源热泵1可以顺利化霜，保证其正常工作。

当处于所述运行模式运行时，系统控制柜5自动采集自动传感器T4和自动传感器T3温度，并对管路采用独立的防冻措施，既保证管路正常同时达到最佳节能效果。

实施例三

如图3所示，为所述双级运行的采暖-制冷双热源热泵系统的单极运行模式，所述单极运行模式极为采暖-制冷模式。其中，虚线表示管路停用，实线表示管路运行。

所述单极运行模式是指水源热泵停止工作，空气源热泵单独工作时的模式。

在环境温度较高的采暖状态和制冷状态时，系统控制柜5根据温度传感器Ta处的温度参数，调整所述系统运行模式至单级运行模式。在所述模式下，水源热泵2停止工作，电动阀V1打开，电动阀V2和电动阀V3关闭，管路循环泵P1停止工作，管路循环泵P2正常运行。热源在管路中的流动方向为：

由于管路循环泵P2正常运行，所以自采暖末端4流出的低温水经集气罐3、管路循环泵P2后，进入电动阀V1的管路中。由于电动阀V1打开，电动阀V2和电动阀V3关闭，所以低温水只能通过电动阀V1的管路流入空气源热泵1中，而不需要经过水源热泵2；低温水源经过空气源热泵1加热之后，由于电动阀V2和电动阀V3关闭，故热源无法进入缓冲水箱6中，而是绕过缓冲水箱6和水源热泵2，直接从空气源热泵1的管路流入采暖末端4中，实现供暖或制冷。

当处于所述运行模式运行时，因环境温度较高，空气源热泵1单独运行就可以满足系统采暖/制冷需要，且运行效率较高。所述双级运行的采暖-制冷系统中水源热泵2、缓冲水箱6、管路循环泵P1等部件不再工作，从而避免了不必要的能源消耗。

实施例四

本实施例提供了一种双级热泵采暖-制冷的方法，所述双级热泵采暖-制冷的方法在双级热泵采暖-制冷系统中实现的。

所述双级热泵采暖-制冷系统中包括空气源热泵和水源热泵，所述空气源热泵和水源热泵可根据系统设定，单独运行或者共同运行，当所述空气源热泵和水源热泵同时运行时，为双级模式，当所述空气源热泵或水源热泵单独运行时，为单级模式。

如图1和图2所示，所述双级热泵采暖-制冷方法的具体步骤包括：

(1)当环境温度极低，所述双级热泵采暖-制冷系统中的系统控制柜设置有环境温度的临界值为Ta，所述双级热泵采暖-制冷系统控制柜控制温度传感器Ta自动采集环境温度Ta，当Ta低于设定值时，双级运行的采暖-制冷系统自动进入双级模式运行。此时，所述双级热泵采暖-制冷系统在管路循环泵的控制下，热源自空气源热泵的出水口流出，经电动阀后流入缓冲水箱，流入缓冲水箱中的热源自缓冲水箱的出水口流出并依次经过管路循环泵和单向阀流入水源热泵的热源侧的进水口，其中，所示单向阀能够控制热源只能从一个方向流出进入水源热泵，在水源热泵内放热后自水源热泵热源侧出水口流出并经空气源热泵进水口进入空气源热泵再次加热，如此完成一次热源的循环流动。供热介质自水源热泵的使用侧出水口流出进入采暖末端的进水口实现供暖；当供暖完毕之后，从采暖末端出水口流出的水经集气罐、管道循环泵和电动阀后流入水源热泵使用侧进水口并进入水源热泵中，进行再次加热后循环供热，如此完成一次供热循环。

(2)当环境温度较高的采暖状态和制冷状态时，所述双级热泵采暖-制冷系统中系统控制柜根据温度传感器Ta处的温度参数，调整所述系统运行模式至单级运行模式。在所述模式下，水源热泵停止工作，热源在管路中的流动方向为：

自采暖末端流出的低温水经集气罐、管路循环泵后，只流入空气源热泵中，而不需要经过水源热泵；低温水源经过空气源热泵加热之后，不经过缓冲水箱和水源热泵自空气源热泵管路直接流入采暖末端中，实现供暖或制冷。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种双级热泵采暖-制冷系统，包括热泵、单向阀、管路循环泵及其循环管路，其特征在于：所述热泵包括空气源热泵和水源热泵，工作时，所述空气源热泵和水源热泵可单独运行或者同时运行。

2.根据权利要求1所述的双级热泵采暖-制冷系统，其特征在于：所述双级热泵采暖-制冷系统中的空气源热泵和水源热泵同时运行时，为所述系统的双级模式，当空气源热泵或水源热泵单独运行时，为所述系统的单级模式。

3.根据权利要求2所述的双级热泵采暖-制冷系统，其特征在于：所述系统还包括自动控制柜，所述自动控制柜自动采集系统各部分控制输入参数并根据各参数控制系统依据控制柜设定进行自动运行。

4.根据权利要求3所示的双级热泵采暖-制冷系统，其特征在于：当环境温度极低时，管路中的空气源热泵和水源热泵在单向阀和管路循环泵的工作下，同时工作并连通，实现对采暖末端供暖的双级模式，空气源热泵作为水源热泵的热源；当环境温度较高时，管路中的水源热泵停止工作，在单向阀和管路循环泵的控制下，空气源热泵单独向采暖末端供暖或制冷的单级模式。

5.根据权利要求4所述的双级热泵采暖-制冷系统，其特征在于：所述双级热泵采暖-制冷系统还包括温度传感器和集气罐；所述温度传感器包括位于空气源热泵进水口测的温度传感器(T2)、位于缓冲水箱中的温度传感器(T1)、位于水源热泵热源侧出水口的温度传感器(T3)、位于空气源热泵和采暖末端单独连接管路中的温度传感器(T4)和用于检测环境温度的温度传感器(Ta)；所述集气罐与采暖末端出水口连接，其中水源热泵具有热源侧进水口、热源侧出水口、使用侧进水口和使用侧出水口，其热源侧与使用侧为水源热泵内两套互不相通的换热系统。热源侧换热系统提取热源提取热源介质中的热量，供水源热泵使用；使用侧换热系统提取水源热泵的热量加热供热介质。

6.根据权利要5所述的双级热泵采暖-制冷系统，其特征在于：所述系统还包括缓冲水箱；当所述双级热泵采暖-制冷系统处于供暖的双级模式时，空气源热泵出水口与缓冲水箱进水口连接，缓冲水箱的出水口连接水源热泵热源侧的进水口，经过水源热泵提取热量后自的水源热泵热源侧出水口流出回到空气源热泵进水口；水源热泵使用侧出水口连接采暖末端进水口，采暖末端出水口经过集气罐和管路循环泵后，通过电动阀与水源热泵使用侧进水口连接；当所述双级热泵采暖-制冷系统处于供暖或制冷单级模式运行时，空气源热泵出水口直接与采暖末端进水口连接，采暖末端出水口经过集气罐和管路循环泵后与空气源热泵进水口相连。

7.根据权利要求6所述的双级热泵采暖-制冷系统，其特征在于：所述系统还可在进行自动化霜，化霜时控制空气源热泵压缩机反向工作，空气源热泵化霜的热源由缓冲水箱提供，水源热泵可根据预设定的缓冲水箱温度自动运行或停止工作。

8.一种双级热泵采暖-制冷的方法，其特征在于：所述双级热泵采暖-制冷的方法在如权利要求1-7中所述的双级热泵采暖-制冷系统中实现的，所述双级热泵采暖-制冷系统中包括空气源热泵和水源热泵，所述空气源热泵和水源热泵可根据系统设定，单独运行或者共同运行，当所述空气源热泵和水源热泵同时运行时，为双级模式，当所述空气源热泵或水源热泵单独运行时，为单级模式。

9.根据权利要求8所述的双级热泵采暖-制冷的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤包括：(1)当环境温度极低，所述双级热泵采暖-制冷系统中的系统控制柜设置有环境温度的临界值为T_a0，所述双级热泵采暖-制冷系统控制柜控制温度传感器Ta自动采集环境温度Ta，当Ta低于设定值时，双级运行的采暖-制冷系统自动进入双级模式运行，所述双级热泵采暖-制冷系统在管路循环泵的控制下，热源介质自空气源热泵的出水口流出，经电动阀后流入缓冲水箱，流入缓冲水箱中的热源介质自缓冲水箱的出水口流出并依次经过管路循环泵和单向阀流入水源热泵热源侧的进水口，其中，所示单向阀能够控制热源只能从一个方向流出进入水源热泵，并经水源热泵热源侧的出水口流回到空气源热泵的进水口，进入空气源热泵中进行再次加热，如此完成一次热源介质的循环流动；另一方面，供热介质自水源热泵使用侧出水口流出进入采暖末端的进水口实现供暖，供热介质流入采暖末端后，对采暖末端进行供暖，当供暖完毕之后，从采暖末端出水口流出的供热介质经集气罐、管道循环泵和电动阀后流入水源热泵使用侧进水口进入水源热泵中，并在水源热泵中进行再次加热，如此完成一次供热介质的循环流动；水源热泵热源侧与使用侧为水源热泵内两套互不相通的换热系统。(2)当环境温度较高的采暖状态或制冷状态时，所述双级热泵采暖-制冷系统中系统控制柜根据温度传感器Ta处的温度参数，调整所述系统运行模式至单级运行模式，在所述单级模式下，水源热泵停止工作，热源介质同时也是供热介质，在管路中的流动方向为：自采暖末端流出的供热介质经集气罐、管路循环泵后，所述低温供热介质直接流入空气源热泵中，而不需要经过水源热泵；介质经过空气源热泵加热之后，绕过缓冲水箱和水源热泵，自空气源热泵管路流入采暖末端中，实现供暖或制冷。