CN111140899A - 一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统，包括制冷剂回路和供暖热水回路。其中，制冷剂回路包括蒸发器、四通换向阀气液分离器、压缩机、梯级相变储热装置、冷凝器、过滤器、膨胀阀。供暖热水回路包括，梯级相变储热装置、冷凝器、热水循环泵，供暖末端设备。与现有技术相比，本发明所提出的空气源热泵供暖系统，可实现所蓄存的热量直接用于供暖，大幅减少中间环节，提升系统的能源利用效率。该系统还可根据工作条件，实现六种运行模式调节，最大化经济和节能效益。本发明所提出的梯级相变储热装置，可划分为用于供暖的中低温储热单元和的可用于热泵除霜的低温储热单元，进而实现热量的梯级利用。

Description

一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统

技术领域

本发明涉及一种空气源热泵供暖系统，尤其涉及一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统。

背景技术

空气源热泵是一种清洁供暖方式，具有节能环保，受资源条件限制小等优点。然而，空气源热泵在应用过程中仍存在一些问题，限制其进一步推广。从技术层面来说，系统在低温高湿环境下运行，室外换热器结霜会导致热泵性能下降，制约其高效运行。而从经济性角度出发，空气源热泵的初投资较电锅炉，燃气壁挂炉等供暖设备高，投资回收期长，并不具备经济优势。因此，如何高效快速除霜并提高空气源热泵经济效益，是其在夏热冬冷地区推广应用的关键。

专利号为ZL2011100780118的中国专利公布一种用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统。除霜过程是通过相变蓄热器把热泵热水器系统的冷凝余热和淋浴室的废水余热进行回收，通过四通换向阀的转向，改变制冷剂在板式相变蓄热器和室外换热器的流动方向，实现系统余热蓄能、释能除霜之间功能的转换。然而，该专利仅考虑热泵除霜，未考虑在夜间低谷电时期，蓄存热泵热量，在白天用电高峰期释放以降低运行成本，功能不够完善。

专利号为ZL2012102631502的中国专利公布一种相变蓄热空气源热泵供暖系统，包括涡旋式压缩机、油分离器、多个气液分离器、四通换向阀、多个电磁阀、多个单向阀、套管冷凝器、水箱、相变蓄热器、蒸发器、干燥过滤器、视液镜、多个热力膨胀阀。当环境温度高于平衡点温度时，蓄热器蓄热，冷剂蒸只由室外蒸发器产生；当环境温度低于平衡点温度时，蓄热器变为蒸发器，放出蓄存的热量使一部分冷剂液体蒸发，为蜗旋压缩机补气，此时冷剂蒸气分别由室外蒸发器和蓄热器产生，增加了蜗旋压缩机的蒸气流量，使系统的制热量大大增加，同时极大地改善了空气源热泵系统低温环境下的运行工况。然而该专利仅考虑采用蓄热器提供除霜所需的低位热能，未考虑利用相变蓄热器在供热量不足时提供部分热量，热泵功能不够全面。

专利申请号为201510727615.9的中国专利公布了一种蓄能型空气源热泵供暖系统及其运行方法。申请者通过调节三通换向阀，改变系统内部各设备的连通关系，进而实现包括制热供热、制热蓄热、蓄热供热，相变蓄能器供热模式和制热取热模式。然而，该相变蓄热空气源热泵供暖系统仍存在以下问题：1、热泵缺少除霜功能。在严寒天气，该空气源热泵制热量下降，性能衰减，甚至可能无法正常运行。2、不同于前人专利，该专利通过相变储热器和供暖热水回路介质换热来供暖，因此需要选择高熔点的相变材料。但这样会导致在蓄热模式以及蓄热供热模式，制冷剂与相变材料的温差减少，相变储热装置的蓄热速率下降，可能无法蓄存足够多的热量。但申请者在专利中并未给出解决方案。

专利号为ZL2015107770613的中国专利公布一种相变蓄热空气源热泵供暖系统控制系统及其控制方法。控制方法是对实时系统工况状态进行判断控制，综合判断系统所处工况并发出控制信号，驱动电路通过对相应电磁阀进行开断操作，从而使工质流经路径发生改变。该空气源热泵供暖系统具有单独蓄热、供热-蓄热、供热-放热、除霜4种模式。该相变蓄热空气源热泵供暖系统的功能相对完善。但其供热-放热模式，实质是将电动压缩机所提升的可用于供暖中低品位热能，蓄存在相变储热装置中。在热泵供热量不足时，将相变储热装置的蓄热量用于低温低压制冷剂吸热，吸热后的制冷剂再经过压缩机做功和冷凝器换热才能用于供暖。从热一律来说，忽视热量传递过程的能量损失，热量的数量是守恒的。但基于热力学第二定律，由于该模式需要经过多个热量传递环节，造成热源品位下降和较大的

损失，需要用电驱动压缩机以提高热源品位才能用于供暖。因此，电热转换率较低，既不节能，也不经济。

上述空气源热泵与相变储能装置耦合，大多只具备单一相变除霜或者相变供热运行模式，功能不够完善。少数专利可以实现相变除霜和相变供热，但在相变供热过程中，热量传递环节过多，且需要耗费高品位电能，热泵能效低，节能性较差。此外，上述专利大多采用内部只填充一种相变材料的单级相变储热装置，换热性能差，能量利用率低。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统，既能保证空气源热泵稳定高效运行，又能降低空气源热泵供暖运行成本。

一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统，包括：

梯级相变储热装置，所述的梯级相变储热装置包括内壳体和间隔套在内壳体外的外壳体，在所述的内壳体和外壳体之间填充有保温隔热材料，在所述的外壳体顶壁上盖有上盖板，在所述的内壳体中沿竖直方向左右间隔固定有三块挡板将所述的内壳体分隔为彼此独立的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，在所述的第一腔室内填充有第一级相变材料形成第一级储热单元，在所述的第二腔室内填充有第二级相变材料形成第二级储热单元，在所述的第三腔室内填充有第三级相变材料形成第三级储热单元，在所述的第四腔室内填充有第四级相变材料形成第四级储热单元，在第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室内分别安装有若干个温度传感器，一根热水换热盘管和一根第一制冷剂换热盘管分别盘绕经过第一腔室、第二腔室和第三腔室，沿蓄热过程流动方向在所述的制冷剂换热干管上依次安装有第一电磁阀、第三电磁阀和第六电磁阀；

所述的热水换热盘管的两端分别与设置在梯级相变储热装置外的热水换热干管相连通；所述的第一制冷剂换热盘管的一端依次连接第二电磁阀以及位于第一电磁阀和第三电磁阀之间的制冷剂换热干管并且另一端依次连接第四电磁阀以及位于第三电磁阀和第六电磁阀之间的制冷剂换热干管，盘绕在第四腔室内的第二制冷剂换热盘管的一端依次连接第五电磁阀以及蓄热过程中流体流入第六电磁阀的阀入口，第二制冷剂换热盘管的另一端依次连接第七电磁阀以及蓄热过程中流体流出第六电磁阀的阀出口，各级储热单元内部填充相变材料的相变温度关系，第一级相变材料>第二级相变材料>第三级相变材料>第四级相变材料；

蒸发器，所述的蒸发器的输出端通过制冷剂回路依次连接四通换向阀的第一端口、四通换向阀的第二端口、气液分离器的进气口、气液分离器的出气口、压缩机、四通换向阀的第三端口、四通换向阀的第四端口、蓄热过程中流体流入制冷剂换热干管上的第一电磁阀的阀入口、蓄热过程中流体流出制冷剂换热干管的出口、第一过滤器、膨胀阀、第二过滤器以及蒸发器的输入端；

供暖末端设备，所述供暖末端设备的输出端通过热水循环环路依次连接热水循环泵、第九电磁阀、冷凝器的管程、单向阀以及供暖末端设备的输入端；

所述的热水换热干管的一端依次连接第十电磁阀以及位于热水循环泵出口和第九电磁阀之间的热水循环路，所述的热水换热干管的另一端与位于单向阀和供暖末端设备的输入端之间的热水循环路连通；

一根换热管一端与蓄热过程中流体流入制冷剂换热干管上的第一电磁阀的阀入口处的制冷剂换热干管连通并且另一端依次连接第八电磁阀、冷凝器的壳程以及蓄热过程中流体流出制冷剂换热干管的出口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所提出的梯级蓄热供冷除霜空气源热泵供暖系统，运行灵活，可根据室外气象条件，室内热环境需求，建筑负荷特点，电价政策，系统运行工况，来调节运行模式，最大化节能和经济效益，应用前景广阔。

2、系统所具有的运行模式，较前人技术更加完善。该系统可根通过控制阀门，实现单独供热、单独蓄热、供热-蓄热、相变供热、相变除霜、联合供热这6种运行模式。其中，单独蓄热模式，供热-蓄热模式，除霜模式可做进一步细分，使系统在不同工作条件下高效稳定运行，并保证室内热环境稳定舒适。

3、该系统在相变供热以及供热-放热运行模式下，中低温储热单元可直接与供暖热水换热，与其他专利技术相比，省去了制冷剂从梯级储热装置吸热，压缩机压缩，冷凝器放热和膨胀阀降压四个环节，显著降低传热损失和高品位电能消耗，提高系统能源利用效率。

4、本发明所提出的梯级相变储热装置，被划分为可用于供暖的中低温储热单元和的可用于热泵除霜的低温储热单元。该梯级相变储热装置实现了热量的梯级利用，可提高空气源热泵供暖系统的能源利用效率。

5、系统所采用的梯级相变储热装置，与单级相变储热装置相比，蓄释热过程的

效率更高，蓄释热速率更快，蓄释热过程更加稳定，可有效提升蓄能型空气源热泵供暖系统的能源利用效率。并且，该梯级相变储热装置具有多个不同温度的相变储热单元，可通过控制对应阀门，调节系统的除霜速率和蓄供热速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统结构示意图；

图2是图1所示的系统中的梯级相变储热装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。

如附图所示本发明的一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统，包括：

梯级相变储热装置5，所述的梯级相变储热装置5包括内壳体13和间隔套在内壳体外的外壳体11，在所述的内壳体13和外壳体11之间填充有保温隔热材料12，在所述的外壳体11顶壁上盖有上盖板16，在所述的内壳体13中沿竖直方向左右间隔固定有三块挡板21将所述的内壳体13分隔为彼此独立的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，在所述的第一腔室内填充有第一级相变材料24形成第一级储热单元，在所述的第二腔室内填充有第二级相变材料23形成第二级储热单元，在所述的第三腔室内填充有第三级相变材料22形成第三级储热单元，在所述的第四腔室内填充有第四级相变材料20形成第四级储热单元，在第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室内分别安装有若干个温度传感器19，一根热水换热盘管14和一根第一制冷剂换热盘管15分别盘绕经过第一腔室、第二腔室和第三腔室，沿蓄热过程流动方向(对于制冷剂和热水，其蓄热过程流动方向都是从高温储热单元到低温储热单元，其放热过程流动方向都是从低温储热单元到高温度储热单元。)在所述的制冷剂换热干管17上依次安装有第一电磁阀F1、第三电磁阀F3和第六电磁阀F6。

所述的热水换热盘管14的两端分别与设置在梯级相变储热装置5外的热水换热干管18相连通；所述的第一制冷剂换热盘管15的一端依次连接第二电磁阀F2以及位于第一电磁阀F1和第三电磁阀F3之间的制冷剂换热干管并且另一端依次连接第四电磁阀F4以及位于第三电磁阀F3和第六电磁阀F6之间的制冷剂换热干管，盘绕在第四腔室内的第二制冷剂换热盘管25的一端依次连接第五电磁阀F5以及蓄热过程中流体流入第六电磁阀F6的阀入口，第二制冷剂换热盘管25的另一端依次连接第七电磁阀F7以及蓄热过程中流体流出第六电磁阀F6的阀出口；

各级储热单元内部填充相变材料的相变温度关系，第一级相变材料>第二级相变材料>第三级相变材料>第四级相变材料。蓄热过程，传热介质沿相变温度依次降低的方向流动；放热过程，传热介质沿相变温度逐级升高的方向流动。其中，第一级相变储热单元、第二级相变储热单元、第三级相变储热单元所填充的相变材料温度在40-55度之间，为中低温相变储热单元，可用于热水供暖，因此内设热水换热盘管。第四级相变储热单元所填充的相变材料温度在25-35度之间，为低温相变储热单元，因无法满足供暖热水需求，因此单元内部不设置热水换热盘管14。所述的第一级相变材料24可以采用相变温度55度的棕榈酸，第二级相变材料23可以采用相变温度48.5度的七水硫酸镁，第三级相变材料22可以采用相变温度44度的十六醇，第四级相变材料20可以采用相变温度29度的六水氯化钙。

蒸发器1，所述的蒸发器1的输出端通过制冷剂回路依次连接四通换向阀2的第一端口、四通换向阀2的第二端口、气液分离器3的进气口、气液分离器3的出气口、压缩机4、四通换向阀2的第三端口、四通换向阀2的第四端口、蓄热过程中流体流入制冷剂换热干管17上的第一电磁阀F1的阀入口、蓄热过程中流体流出制冷剂换热干管17的出口、第一过滤器9-1、膨胀阀10、第二过滤器9-2以及蒸发器1的输入端；

制冷剂经四通换向阀2进入气液分离器3进行气液分离，气体经压缩机4、四通换向阀2后进入制冷剂换热干管17上的第一电磁阀F1，通过控制第二电磁阀F2、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7，调节制冷剂所进入梯级相变储热装置5内部的相变储热单元，从梯级相变储热装置5流出后，经第一过滤器9-1，膨胀阀10、第二过滤器9-2进入蒸发器1的输入端。

供暖末端设备8，所述供暖末端设备8的输出端通过热水循环环路依次连接热水循环泵7、第九电磁阀F9、冷凝器6的管程、单向阀D1以及供暖末端设备8的输入端；

所述的热水换热干管18的一端依次连接第十电磁阀F10以及位于热水循环泵7出口和第九电磁阀F9之间的热水循环路，所述的热水换热干管18的另一端与位于单向阀D1和供暖末端设备8的输入端之间的热水循环路连通；

热水通过热水换热干管18的一端(入水口)进入梯级相变储热装置5内部热水换热盘管14，然后依次经过第三级储热单元、第二级储热单元、第一级储热单元后与冷凝器6中流出的热水在供暖末端设备8入口处汇合，热水进入供暖末端设备8换热。

一根换热管一端与蓄热过程中流体流入制冷剂换热干管17上的第一电磁阀F1的阀入口处的制冷剂换热干管连通并且另一端依次连接第八电磁阀F8、冷凝器6的壳程以及蓄热过程中流体流出制冷剂换热干管17的出口。

本实施例的本实施例的蓄能型空气源热泵供暖系统在运行时，可实现空气源热泵单独供热、相变储热装置单独蓄热、空气源热泵供热-梯级相变储热装置蓄热、梯级相变储热装置供热、梯级相变储热装置除霜、空气源热泵供热-梯级相变储热装置联合供热这6种模式。其中，相变储热装置单独蓄热、空气源热泵供热-梯级相变储热装置蓄热、梯级相变储热装置除霜模式还可进一步细分，以实现系统精细化运行。各类运行模式如下：

(1)空气源热泵单独供热模式，开启第八电磁阀F8、第九电磁阀F9。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2、第八电磁阀F8，进入冷凝器6，从冷凝器6输出后依次进入过滤器9-1，膨胀阀10，过滤器9-2，蒸发器1，四通换向阀2，气液分离器3，再回流至压缩机输入端，完成制冷剂循环。供暖热水回路为热水从热水循环泵7输出端输出，经第九电磁阀F9，进入冷凝器6，从冷凝器输出端输出，经单向阀D1,进入供暖末端设备8，回流至热水循环泵7输入端，完成热水循环。该模式适用于非谷电时期，房间有供暖需求。

(2)梯级相变储热装置单独蓄热模式，可细分为全部蓄热、中低温蓄热，低温蓄热三种模式。其中全部蓄热模式，开启第一电磁阀F1、第二电磁阀F2、第七电磁阀F7，关闭热水循环泵7。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2，进入制冷剂换热干管17，经第一电磁阀F1、第二电磁阀F2，进入梯级相变储热装置5的第一制冷剂换热盘管15，依次经第一级相变储热单元、第二级相变储热单元、第三级相变储热单元、进入制冷剂换热干管17，再进入第二制冷剂换热盘管25，经第四级相变储热单元，从第四级储热单元输出后经第七电磁阀F7进入制冷剂换热干管17，然后依次进入过滤器9-1，膨胀阀10，过滤器9-2，蒸发器1，四通换向阀2，气液分离器3，再回流至压缩机输入端，完成制冷剂循环。该模式适用于夜间低谷电时期，建筑无供暖需求，如办公建筑，应用廉价低谷电蓄热。中低温蓄热模式，开启第一电磁阀F1、第二电磁阀F2、第四电磁阀F4、第六电磁阀F6，关闭热水循环泵7。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2，进入制冷剂换热干管17，经第一电磁阀F1、第二电磁阀F2，进入梯级相变储热装置5的第一制冷剂换热盘管15，依次经过第一级相变储热单元，第二级相变储热单元，第三级相变储热单元，从第三级相变储热单元输出后经第四电磁阀F4进入制冷剂换热干管17，然后依次经第六电磁阀F6，进入过滤器9-1，膨胀阀10，过滤器9-2，蒸发器1，四通换向阀2，气液分离器3，再回流至压缩机输入端，完成制冷剂循环。该模式适用于夜间低谷电时期，建筑无供暖需求，且低温储热单元已充分蓄热的情况。低温蓄热模式，开启第一电磁阀F1、第三电磁阀F3、第五电磁阀F5、第七电磁阀F7，关闭热水循环泵7。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2，进入制冷剂换热干管17，经第一电磁阀F1、第三电磁阀F3、第五电磁阀F5，进入梯级相变储热装置5的第二制冷剂换热盘管25，进入梯级相变储热装置5的第四级储热单元换热，输出后经第七电磁阀F7进入制冷剂换热干管17，依次进入过滤器9、膨胀阀10，蒸发器1，四通换向阀2，气液分离器3，再回流至压缩机输入端，完成制冷剂循环。该模式适用于夜间低谷电时期，建筑无供暖需求，室外温度过低，为保障热泵稳定运行，降低压缩机压缩比，只蓄存20度左右的低温热量，以用于热泵除霜。

(3)空气源热泵供热-梯级相变储热装置蓄热，也可细分为供热-全部蓄热、供热-中低温蓄热，供热-低温蓄热三种模式。其中供热-全部蓄热模式，开启第一电磁阀F1、第二电磁阀F2、第七电磁阀F7、第八电磁阀F8、第九电磁阀F9，热水循环泵7开启。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2，进入两条支路，一条连接梯级相变储热装置5，一条连接冷凝器6。其中，连接梯级相变储热装置5的支路，制冷剂经安装有第一电磁阀F1的制冷剂换热干管17、第二电磁阀F2进入梯级相变储热装置5的第一制冷剂换热盘管15，依次经第一级相变储热单元、第二级相变储热单元、第三级相变储热单元、进入制冷剂换热干管17，再进入第二制冷剂换热盘管25，经第四级相变储热单元，经第七电磁阀F7从第四级储热单元输出后进入制冷剂换热干管17，与从冷凝器6流出的制冷剂交汇。连接冷凝器6的支路，制冷剂经第八电磁阀F8，进入冷凝器6换热，并从冷凝器6输出后和梯级相变储热装置5交汇。交汇后的制冷剂依次进入过滤器9-1，膨胀阀10，过滤器9-2，蒸发器1，四通换向阀2，气液分离器3，再回流至压缩机输入端，完成制冷剂循环。供暖热水回路为热水从热水循环泵7输出端输出，经第九电磁阀F9，进入冷凝器6，从冷凝器输出端输出，经单向阀D1,进入供暖末端设备8，回流至热水循环泵7输入端，完成热水循环。该模式适用于非谷电时期，房间有供暖需求。该模式适用于夜间低谷电时期，建筑有供暖需求。供热-中低温蓄热模式，开启第一电磁阀F1、第二电磁阀F2、第四电磁阀F4、第六电磁阀F6、第八电磁阀F8、第九电磁阀F9，热水循环泵7开启。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2，进入两条支路，一条连接梯级相变储热装置5，一条连接冷凝器6。其中，连接梯级相变储热装置5的支路，制冷剂依次进入装有第一电磁阀F1的制冷剂换热干管17、第二电磁阀F2，梯级相变储热装置5的第一制冷剂换热盘管15，依次经过第一级相变储热单元，第二级相变储热单元，第三级相变储热单元，从第三级相变储热单元输出后经第四电磁阀F4进入制冷剂换热干管17，然后经第六电磁阀F6，与从冷凝器6流出的制冷剂交汇。连接冷凝器6的支路，制冷剂经第八电磁阀F8，进入冷凝器6换热，并从冷凝器6输出和梯级相变储热装置5流出的制冷剂交汇后依次进入过滤器9-1，膨胀阀10，过滤器9-2，蒸发器1，四通换向阀2，气液分离器3，再回流至压缩机输入端，完成制冷剂循环。供暖热水回路为热水从热水循环泵7输出端输出，经第九电磁阀F9，进入冷凝器6，从冷凝器输出端输出，经单向阀D1,进入供暖末端设备8，回流至热水循环泵7输入端，完成热水循环。该模式适用于夜间低谷电时期，建筑有供暖需求，且低温相变储热单元已充分蓄热。供热-低温蓄热模式，开启第一电磁阀F1、第三电磁阀F3、第五电磁阀F5、第七电磁阀F7、第八电磁阀F8、第九电磁阀F9，热水循环泵7开启。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2，进入两条支路，一条连接梯级相变储热装置5，一条连接冷凝器6。其中，连接梯级相变储热装置5的支路，制冷剂依次进入装有第一电磁阀F1的制冷剂换热干管17，第三电磁阀F3、第五电磁阀F5，进入梯级相变储热装置5的第二制冷剂换热盘管25，进入梯级相变储热装置5的第四级储热单元换热，输出后经第七电磁阀F7进入制冷剂换热干管17，与从冷凝器6流出的制冷剂交汇。连接冷凝器6的支路，制冷剂经第八电磁阀F8，进入冷凝器6换热，并从冷凝器6输出和梯级相变储热装置5流出的制冷剂交汇。交交汇后的制冷剂依次进入过滤器9-1，膨胀阀10，过滤器9-2，蒸发器1，四通换向阀2，气液分离器3，再回流至压缩机输入端，完成制冷剂循环。供暖热水回路为热水从热水循环泵7输出端输出，经第九电磁阀F9，进入冷凝器6，从冷凝器输出端输出，经单向阀D1,进入供暖末端设备8，回流至热水循环泵7输入端，完成热水循环。该模式适用于夜间低谷电时期，建筑有供暖需求，且室外温度过低，为降低压缩比，只蓄存低温热量，以用于热泵除霜。

(4)梯级相变储热装置供热模式。该模式开启第十电磁阀F10，空气源热泵不运行，仅利用梯级相变储热装置供暖。供暖热水回路为热水从热水循环泵7输出端输出，经第十电磁阀F10，进入装有第十电磁阀F10的热水换热干管18，再进入梯级相变储热装置5的热水换热盘管14，依次经过第三级储热单元、第二级储热单元、第一级储热单元，从梯级相变储热装置5输出后，进入供暖末端设备8，回流至热水热水循环泵7输入端，完成热水循环。该模式适用于白天峰电时期，建筑有供暖需求，利用夜间所蓄存的40度左右中低温热量供暖，以降低热泵运行成本。

(5)梯级相变储热装置除霜模式，可细分为低温除霜、快速除霜、除霜供热三种模式。低温除霜模式，开启第一电磁阀F1、第三电磁阀F3、第五电磁阀F5、第七电磁阀F7，四通换向阀2换向。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2换向，进蒸发器1换热除霜，依次进入第二过滤器9-2，膨胀阀10，第一过滤器9-1、制冷剂换热干管17，经第七磁阀F7进入梯级相变储热装置5的第二制冷剂换热盘管25，进入梯级相变储热装置5的第四级储热单元换热，输出后经第五电磁阀F5进入制冷剂换热干管17，之后经第三电磁阀F3、第一电磁阀F1，进入气液分离器3，最后进入压缩机输入端，完成除霜循环。该模式适用于热泵蒸发器侧表面结霜的情况。快速除霜模式，开启第一电磁阀F1、第二电磁阀F2、第四电磁阀F4、第六电磁阀F6，四通换向阀2换向。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2换向，进蒸发器1换热除霜，依次进入第二过滤器9-2，膨胀阀10，过第一滤器9-1、制冷剂换热干管17，经第六电磁阀F6，第四电磁阀F4，进入梯级相变储热装置5的第一制冷剂换热盘管15，依次进入第三级相变储热单元换热，第二级相变储热单元换热，第一级相变储热单元换热，之后经第二电磁阀F2、第一电磁阀F1，进入气液分离器3，最后进入压缩机输入端，完成除霜循环。该模式适用于低温相变储热单元以完全放热除霜，或对室内热环境要求较高，需要缩短热泵除霜时间的情况。除霜供热模式，开启第一电磁阀F1、第三电磁阀F3、第五电磁阀F5、第七电磁阀F7，第十电磁阀F10。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2换向，进蒸发器1换热除霜，依次进入第二过滤器9-2，膨胀阀10，第一过滤器9-1，进入制冷剂换热干管17，进入梯级相变储热装置5的第二制冷剂换热盘管25，进入梯级相变储热装置5的第四级储热单元换热，输出后进入制冷剂换热干管17，之后经第五电磁阀F5、进入制冷剂换热干管17，经第三电磁阀F3、第一电磁阀F1，进入气液分离器3，最后进入压缩机输入端，完成除霜循环。供暖热水回路为热水从热水循环泵7输出端输出，进入装有第十电磁阀F10的热水换热干管18，再进入梯级相变储热装置5内部热水换热盘管14，依次经过第三级储热单元、第二级储热单元、第一级储热单元、供暖末端设备8，回流至热水循环泵7输入端，完成热水循环。该模式适用于对室内热环境要求较高，需要在除霜的同时供暖，以保证室内热舒适。

(6)空气源热泵供热-梯级相变储热装置联合供热模式，开启第八电磁阀F8、第九电磁阀F9、第十电磁阀F10。制冷剂回路为制冷剂从压缩机4输出端输出，经四通换向阀2，第八电磁阀F8，进入冷凝器6，从冷凝器6输出后依次进入第一过滤器9-1，膨胀阀10，第二过滤器9-2，蒸发器1，四通换向阀2，气液分离器3，再回流至压缩机输入端，完成制冷剂循环。供暖热水回路为热水从热水循环泵7输出端输出，进入两条支路，一条连接梯级相变储热装置5，一条连接冷凝器6。其中，连接梯级相变储热装置5的支路，供暖热水进入装有第十电磁阀F10的热水换热干管18流动，再进入梯级相变储热装置5内部热水换热盘管14，依次经过第三级储热单元、第二级储热单元、第一级储热单元，从梯级相变储热装置5输出，与从冷凝器6流出的供暖热水交汇。连接冷凝器6的支路，从冷凝器输出端输出，经单向阀D1,与从梯级相变储热装置5输出的供暖热水交汇。交汇后的热水供暖末端设备8换热，回流至热水热水循环泵7输入端，完成热水循环。该模式适用于白天仅用空气源热泵供热，无法满足供暖需求，需要梯级相变储热装置辅助供热。

该可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统可根据当地电价政策、室外环境条件、建筑负荷变化规律、室内热环境需求、系统运行工况，调节运行模式，使系统高效经济运行，应用前景广阔。

Claims (2)

1.一种可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统，其特征在于包括：

梯级相变储热装置，所述的梯级相变储热装置包括内壳体和间隔套在内壳体外的外壳体，在所述的内壳体和外壳体之间填充有保温隔热材料，在所述的外壳体顶壁上盖有上盖板，在所述的内壳体中沿竖直方向左右间隔固定有三块挡板将所述的内壳体分隔为彼此独立的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，在所述的第一腔室内填充有第一级相变材料形成第一级储热单元，在所述的第二腔室内填充有第二级相变材料形成第二级储热单元，在所述的第三腔室内填充有第三级相变材料形成第三级储热单元，在所述的第四腔室内填充有第四级相变材料形成第四级储热单元，在第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室内分别安装有若干个温度传感器，一根热水换热盘管和一根第一制冷剂换热盘管分别盘绕经过第一腔室、第二腔室和第三腔室，沿蓄热过程流动方向在所述的制冷剂换热干管上依次安装有第一电磁阀、第三电磁阀和第六电磁阀；

所述的热水换热盘管的两端分别与设置在梯级相变储热装置外的热水换热干管相连通；所述的第一制冷剂换热盘管的一端依次连接第二电磁阀以及位于第一电磁阀和第三电磁阀之间的制冷剂换热干管并且另一端依次连接第四电磁阀以及位于第三电磁阀和第六电磁阀之间的制冷剂换热干管，盘绕在第四腔室内的第二制冷剂换热盘管的一端依次连接第五电磁阀以及蓄热过程中流体流入第六电磁阀的阀入口，第二制冷剂换热盘管的另一端依次连接第七电磁阀以及蓄热过程中流体流出第六电磁阀的阀出口，各级储热单元内部填充相变材料的相变温度关系，第一级相变材料>第二级相变材料>第三级相变材料>第四级相变材料；

蒸发器，所述的蒸发器的输出端通过制冷剂回路依次连接四通换向阀的第一端口、四通换向阀的第二端口、气液分离器的进气口、气液分离器的出气口、压缩机、四通换向阀的第三端口、四通换向阀的第四端口、蓄热过程中流体流入制冷剂换热干管上的第一电磁阀的阀入口、蓄热过程中流体流出制冷剂换热干管的出口、第一过滤器、膨胀阀、第二过滤器以及蒸发器的输入端；

供暖末端设备，所述供暖末端设备的输出端通过热水循环环路依次连接热水循环泵、第九电磁阀、冷凝器的管程、单向阀以及供暖末端设备的输入端；

所述的热水换热干管的一端依次连接第十电磁阀以及位于热水循环泵出口和第九电磁阀之间的热水循环路，所述的热水换热干管的另一端与位于单向阀和供暖末端设备的输入端之间的热水循环路连通；

一根换热管一端与蓄热过程中流体流入制冷剂换热干管上的第一电磁阀的阀入口处的制冷剂换热干管连通并且另一端依次连接第八电磁阀、冷凝器的壳程以及蓄热过程中流体流出制冷剂换热干管的出口。

2.根据权利要求1所述的可梯级蓄热供热除霜的空气源热泵供暖系统，其特征在于：所述的第一级相变材料采用相变温度55度的棕榈酸，第二级相变材料采用相变温度48.5度的七水硫酸镁，第三级相变材料采用相变温度44度的十六醇，第四级相变材料采用相变温度29度的六水氯化钙。

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