CN112665220B - 基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵系统及控制方法，其中空气源热泵装置包括依次连接的气液分离器、压缩机、第一四通换向阀、第一换热器、第一节流单元、第二四通换向阀、第一截止阀、第二节流单元、第三换热器，蓄热装置并联于所述第一截止阀两端，通过第一四通换向阀、第二四通换向阀、第一截止阀、第二截止阀的中任意一个或多个的调变，实现空气源热泵系统在蓄冷制冷状态、普通制冷状态、释冷制冷状态、无霜蓄热制热模式、无霜普通制热模式、蓄热除霜制热模式之间的切换。与现有技术相比，本发明将普通空气源热泵难以利用的过冷热进行跨时间和空间的转移和充分利用，机组总体能力和能效都显著提升。

Description

基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵系统及控制方法

技术领域

本发明涉及空气源热泵领域，尤其是涉及一种基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵系统及控制方法。

背景技术

空气源热泵是一种基于逆卡诺循环而工作的高效热能提升和转移装置，它利用少量电能作为动力，以制冷剂为载体，源源不断地吸收空气中的低品位热能，转化为可利用的高品位热能。由于其高能效、供热稳定等优点，空气源热泵被广泛应用在生活热水制取、建筑环境空气调节、烘干等领域。空气源热泵的制冷剂在经过冷凝器冷却冷凝后，通常为高压饱和或小过冷度的液体，温度还较高，有进一步冷却放热的潜力。增大制冷剂过冷度，一方面能增大系统制热量和制冷量，另一方面也能减少节流过程的节流损失，提高系统的能效。在实际系统中，由于冷凝器面积增加有限和热源温度限制，节流元件前制冷剂的过冷度通常不大，系统性能发挥受到限制。

CN 211204522 U提出了一种双水箱过冷系统，系统包括：压缩机、冷凝器、过冷装置、节流阀、蒸发器、恒温水箱和储热水箱。恒温水箱中的水作为冷却介质被引入冷凝器中冷却高温高压的制冷剂，自身被加热后用于热水供应；储热水箱中的水则作为冷却介质被引入过冷装置中和液体制冷剂进行换热，增大液体制冷剂的过冷度。系统将储热水箱和恒温水箱连通，并向储热水箱中补水，保持两个水箱中的水位以及恒温水箱中的水温不变。该系统虽然增加了一个储热水箱和过冷装置来对制冷剂进行过冷，但同时也提高了冷凝器冷却介质的入口温度，而且未增加额外的冷却介质，并未从原理上改变系统，其实际应用效果等同于增加了冷凝器的换热面积和恒温水箱的体积。受限于补水的温度，系统的过冷度增加有限，制热量和能效提高幅度也很有限，还额外增加了系统的成本。

CN 106288562 A提出了一种利用过冷热蓄热除霜的空气源热泵除霜装置，系统包括：压缩机、四通换向阀、室内换热器、气液分离器、节流部件、室外换热器、相变蓄热器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第一旁通管路、第二旁通管路。供热模式下，相变蓄热器连接在室内换热器的下游作为过冷器进行蓄热；除霜状态下，相变蓄热器切换为蒸发器取出存储的热量，作为低温热源使用，此时的室外换热器连接在蓄热器下游，利用蓄热器出口低压过热制冷剂的显热进行融霜。该系统通过引入相变蓄热器，利用制热模式的过冷热进行蓄热，用于除霜，有利于提高系统能效和供热量，但是也存在三方面的问题。第一，系统使用了五个电磁阀，模式切换时需要五个电磁阀同时动作才能完成，系统结构和控制比较复杂；第二，系统只适用于室外换热器结霜的情况，使用场景受限，也无法在制冷模式下运行，实际应用过程中节能量十分有限；第三，系统除霜过程仅用蒸发器出口低压制冷剂气体的显热进行融霜，除霜热量小，除霜速度慢，且系统大部分的供热量都用于向室内供热，融霜的热量占比太小，容易出现相变蓄热器蓄热量不足、融霜不干净的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵系统及控制方法，充分利用冷凝器出口制冷剂的过冷热，提高系统的制冷制热能力和能效。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中第一个目的是保护一种基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵系统，包括空气源热泵装置和与空气源热泵装置耦合的蓄热装置；

所述空气源热泵装置包括依次连接的气液分离器、压缩机、第一四通换向阀、第一换热器、第一节流单元、第二四通换向阀、第一截止阀、第二节流单元、第三换热器，参见图1，所述第一四通换向阀还与所述第二四通换向阀连接，所述第二四通换向阀还与所述第三换热器连接；

所述蓄热装置并联于所述第一截止阀两端，所述蓄热装置包括相互连接的第二截止阀和蓄能容器，所述蓄能容器中装设有蓄能材料，通过第一四通换向阀、第二四通换向阀、第一截止阀、第二截止阀的中任意一个或多个的调变，实现空气源热泵系统在蓄冷制冷状态、普通制冷状态、释冷制冷状态、无霜蓄热制热模式、无霜普通制热模式、蓄热除霜制热模式之间的切换。

进一步地，所述第一四通换向阀的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与所述压缩机的出口、气液分离器的进口、第一换热器的第一接口、第二四通换向阀的第二接口连接。

进一步地，所述蓄热装置还包括第二换热器，所述第二换热器与所述蓄能容器热耦合。

进一步地，所述第二四通换向阀的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与所述第一节流单元的第二接口、第一四通换向阀的第四接口、第一截止阀的第一接口及第二换热器的第一接口、第三换热器的第二接口连接。

进一步地，所述第二节流单元的第一接口与所述第一截止阀的第二接口、第二截止阀的第二接口连接，所述第二节流单元的第二接口与所述第三换热器的第一接口连接；

所述第二换热器的第二接口与所述第二截止阀的第一接口连接；

所述第三换热器的一侧还设有第一风机，所述第一风机与所述第三换热器的空气通道连接。

进一步地，所述的蓄能装置中装有蓄能材料，可以存储和放出热量。

进一步地，所述的节流装置的节流面积可变，即为变截面节流装置，优选电子膨胀阀。

进一步地，所述的蓄能装置可以选用直接式蓄能或间接式蓄能装置。当选用所述的直接式蓄能装置时，所述的蓄能装置为装有蓄能材料的蓄能容器，所述的第二换热器直接放置于所述的蓄能容器内，和蓄能材料直接进行换热；当选用所述的间接式蓄能装置时，所述的蓄能装置包括装有蓄能材料的蓄能容器、载冷剂-蓄能材料换热器、载冷剂泵以及载冷剂管道，所述的载冷剂-蓄能材料换热器放置于所述的蓄能容器中完成载冷剂和蓄能材料间的换热，所述的载冷剂-蓄能材料换热器通过所述的载冷剂管道与所述的载冷剂泵以及过冷换热器相连。

进一步地，所述的第二换热器可选用板式换热器、带翅片的螺旋管换热器或其他形式换热器。

进一步地，所述的第一换热器可以采用制冷剂-空气换热器、制冷剂-水换热器或其他形式的换热器。当所述基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵用于制取热水或冷冻水时，所述的室内换热器可采用制冷剂-水换热器；当所述基于制冷剂热回收增效的空气热泵用于空间供暖或烘干系统时，所述的室内换热器可采用制冷剂-空气换热器。

优选的，所述的蓄能装置可选用机组内置和外置形式。所述的机组内置形式为每台热泵采用单独的蓄能装置，适用于单台热泵机组；所述的外置形式为多台热泵共用一个蓄能装置，适用于热泵机群。

本发明中第二个目的是保护上述空气源热泵系统的控制方法：

空气源热泵系统处于供热运行过程时(图2)：

获取第三换热器外表面的结霜信息；

当第三换热器外表面不结霜时，比较无霜蓄热制热模式下的蒸发温度Ts_,蓄热与无霜普通制热模式下的蒸发温度Ts_,普通的数值大小；

当Ts_,蓄热＞Ts_,普通时，使得空气源热泵系统运行至无霜蓄热制热模式；

当Ts_,蓄热≤Ts_,普通时，使得空气源热泵运行至无霜普通制热模式；

当第三换热器外表面结霜时，使得空气源热泵运行至蓄热除霜制热模式；

空气源热泵系统处于供冷运行过程时(图3)：

比较回风温度T_回与预设温度区间的上限值T_max和下限值T_min之间的数值大小；

当T_回＜T_min时，使得空气源热泵系统运行至蓄冷制冷状态；

当T_min≤T_回≤T_max时，使得空气源热泵系统运行至普通制冷状态；

当T_回＞T_max时，使得空气源热泵系统运行至释冷制冷状态。

其中具体地：

系统供热运行下第三换热器外表面不发生结霜，系统根据优选无霜蓄热制热模式(制热模式一)和无霜普通制热模式(制热模式二)。当无霜蓄热制热模式(制热模式一)取热状态(制热状态2)下的能效高于无霜普通制热模式(制热模式二)时，系统进入无霜蓄热制热模式(制热模式一)：蓄能装置中未蓄存热量时，系统运行蓄热状态(制热状态1)。所述的第一截止阀关闭，所述的第二截止阀开启；所述第一四通换向阀的第一接口与第三接口相连通，所述第一四通换向阀的第二接口与第四接口相连通；所述第二四通换向阀的第一接口与第三接口相连通，所述第二四通换向阀的第二接口与第四接口相连通；所述第一节流单元的流通面积全部开启，所述第二节流单元的流通面积部分开启至预设值；所述的第一风机开启。该状态下，所述的第一换热器作为冷凝器进行制热；所述的第二换热器作为过冷器，对所述第一换热器出口的制冷剂进一步过冷，置换出的过冷热存储在所述的蓄能装置中；所述的第三换热器作为蒸发器从环境空气中吸收热量。

当蓄能装置蓄满热量之后，切换所述第二四通换向阀的连通方式，关闭所述的第一风机，系统运行取热状态(制热状态2)。所述第二四通换向阀的第一接口与所述第二四通换向阀的第四接口相连通，所述第二四通换向阀的第二接口与所述第二四通换向阀的第三接口相连通，所述的第一风机关闭，其余构件状态保持不变。该状态下，所述的第一换热器仍作为冷凝器进行制热；所述的第一风机关闭，第三换热器停止工作；所述的第二换热器作为蒸发器，从所述的蓄能装置中取热。取热状态结束后，再次切换所述第二四通换向阀的连通方式，开启所述的第一风机，系统完成一个循环周期。

当系统供热运行下第三换热器外表面不发生结霜，且无霜普通制热模式(制热模式二)下的能效高于无霜蓄热制热模式(制热模式一)取热状态(制热状态2)时，系统进入无霜普通制热模式(制热模式二)(制热状态3)：所述的第一截止阀开启，所述的第二截止阀关闭，所述第一四通换向阀的第一接口与三接口相连通，所述第一四通换向阀的第二接口与第四接口相连通，所述第二四通换向阀的第一接口与第三接口相连通，所述第二四通换向阀的第二接口与第四接口相连通，所述第一节流单元流通面积全部开启，所述第二节流单元的流通面积部分开启至预设值，所述第一风机开启。该状态下，所述的第二换热器及蓄能装置停止工作，系统工作流程与普通空气源热泵制热模式相同，所述的第一换热器作为冷凝器进行供热，所述的第三换热器作为蒸发器从室外环境中吸收低品位热能。

当系统供热运行下第三换热器外表面发生结霜时，即结霜量小于设定阈值，系统进入蓄热除霜制热模式(制热模式三)：所述第三换热器表面无霜或霜层很少时，运行蓄热状态(制热状态1)。所述的第一截止阀关闭，所述的第二截止阀开启；所述第一四通换向阀的第一接口与第三接口相连通，所述第一四通换向阀的第二接口与第四接口相连通；所述第二四通换向阀的第一接口与第三接口相连通，所述第二四通换向阀的第二接口与第四接口相连通；所述第一节流单元的流通面积全部开启，所述第二节流单元的流通面积部分开启至预设值；所述的第一风机开启。该状态下，所述的第一换热器作为冷凝器进行供热；所述的第二换热器作为过冷器，对所述第一换热器出口的制冷剂进一步过冷，置换出的过冷热存储在所述的蓄能装置中；所述的第三换热器作为蒸发器从环境空气中吸收热量。

结霜量大于等于设定阈值，当接收到除霜指令时，系统切换所述第二四通换向阀的连通方式，关闭所述的第一风机，运行除霜状态(制热状态4)。所述第二四通换向阀的第一接口与第四接口相连通，所述第二四通换向阀的第二接口与第三接口相连通，所述的第一风机关闭，其余构件状态保持不变。该状态下，所述的第一换热器仍作为冷凝器进行供热；所述的第三换热器作为过冷器对所述第一换热器出口的制冷剂进行过冷，放出的过冷热用于加热融化所述第三换热器外表面的霜层；所述的第二换热器作为蒸发器，从所述的蓄能装置中取热，提供制冷剂循环所需的低位热能。除霜结束后，再次切换四通换向阀的连通方式，开启所述的第一风机，系统运行蓄热状态(制热状态1)，完成一个除霜周期。

当供冷运行时，系统根据回风或回水温度与预设温度区间的关系运行蓄冷制冷、普通制冷、释冷制冷三种状态：当回风或回水温度低于预设温度区间的下限时，系统进入蓄冷制冷状态(制冷状态1)：所述的第一截止阀关闭，所述的第二截止阀开启；所述第一四通换向阀的第一接口与第四接口相连通，所述第一四通换向阀的第二接口与第三接口相连通；所述第二四通换向阀的第一接口与第三接口相连通，所述第二四通换向阀的第二接口与第四接口相连通；所述第一节流单元的流通面积全部开启，所述第二节流单元的流通面积部分开启至预设值；所述第一风机开启。该状态下，所述的第三换热器作为冷凝器向室外空气放热，所述的第二换热器作为蒸发器吸收所述蓄能装置中蓄能材料的热量，所述的蓄能装置蓄存冷量，所述的第二换热器也作为蒸发器吸收热量，进行制冷。

当回风或回水温度处于预设温度区间内时，系统改变所述第一节流单元及第二节流单元的流通面积，切换所述第一截止阀及第二截止阀的开闭状态，进入普通制冷状态(制冷状态2)：所述的第一截止阀开启，所述的第二截止阀关闭；所述第一节流单元的流通面积部分开启至预设值，所述第二节流单元的流通面积全部开启；所述第一四通换向阀的第一接口与第四接口相连通，所述第一四通换向阀的第二接口与第三接口相连通；所述第二四通换向阀的第一接口与第三接口相连通，所述第二四通换向阀的第二接口与第四接口相连通。该状态下，所述的第二换热器和蓄能装置停止工作，系统的工作流程与普通空气源热泵制冷模式相同。所述第三换热器作为冷凝器向环境空气散热，所述第一换热器作为蒸发器进行制冷。

当回风或回水温度高于预设温度区间的上限，且蓄能装置中蓄有冷量时，系统改变所述第一节流单元及第二节流单元的流通面积，切换所述第一截止阀及第二截止阀的开闭状态，进入释冷制冷状态(制冷状态3)；所述第一节流单元的流通面积部分开启至预设值，所述第二节流单元的流通面积全部开启：所述的第一截止阀关闭，所述的第二截止阀开启；所述第一四通换向阀的第一接口与第四接口相连通，所述第一四通换向阀的第二接口与第三接口相连通；所述第二四通换向阀的第一接口与第三接口相连通，所述第二四通换向阀的第二接口与第四接口相连通。该状态下，所述第三换热器作为冷凝器向环境空气放热，所述第二换热器作为过冷器取出所述蓄能装置中蓄存的冷量，对所述第三换热器出口的制冷剂进行过冷，增大过冷度，所述的第一换热器作为蒸发器吸收热量，进行制冷。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.过冷热充分利用，系统能效高：本系统利用第二换热器和蓄能装置将普通空气源热泵难以利用的过冷热进行跨时间和空间的转移和充分利用，在蓄热除霜制热、无霜蓄热制热、制冷等状态下都能提高系统能力和能效，机组总体能力和能效都显著提升。

2.持续供热，舒适性好：本系统在结霜工况下第一换热器始终作为冷凝器进行不间断供热，除霜期间也不需要从供热侧吸收热量，供热舒适性好。

3.模式多样，使用场景广：本系统具有多种模式，能够广泛应用在建筑环境空气调节、热水和冷冻水制取、民用或工业干燥等场景。

4.结构简单，适用性强：本系统基于空气源热泵的基础上创造性地增加了过冷换热器和蓄能装置，并通过创造性地劳动将过冷换热器和蓄能装置耦合于系统中的特定位置，使得制冷制热能力和能效相对于常规空气源热泵有了质的飞跃，其中蓄能装置可选用内置和外置两种模式，结构简单，便于改造，适用于多重场合。

附图说明

图1为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵的基本结构示意图；

图2为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵供热运行的状态控制逻辑图

图3为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵供冷运行的模式控制逻辑图

图4为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于建筑环境空气调节时在无霜蓄热制热模式(制热模式一)及蓄热除霜制热模式(制热模式三)下蓄热状态(制热状态1)的运行示意图；

图5为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于建筑环境空气调节时在无霜蓄热制热模式(制热模式一)下取热状态(制热状态2)及蓄热除霜制热模式(制热模式三)下除霜状态(制热状态3)的运行示意图；

图6为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于建筑环境空气调节时在无霜普通制热模式(制热模式二)下的运行示意图

图7为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于建筑环境空气调节时在制冷状态蓄冷制冷(制冷状态1)及释冷制冷状态(制冷状态3)下的运行示意图；

图8为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于建筑环境空气调节时在制冷状态普通制冷状态(制冷状态2)下的运行示意图；

图9为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于建筑环境空气调节时蓄能装置采用间接式蓄热的结构示意图；

图10为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于制取热水与冷冻水时结构示意图；

图11为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵采用外置式蓄能装置时的结构示意图；

附图标记说明：1、压缩机；2、第一四通换向阀；3、第一换热器；4、第一节流单元；5、第二四通换向阀；6、第二换热器；7、蓄能容器；8、第一截止阀；9、第二截止阀；10、第二节流单元；11、第三换热器；12、第一风机；13、气液分离器；14、室内换热器；15、室内风机；16、室外换热器；17、室外风机；18、过冷换热器；19、载冷剂泵；20、载冷剂-蓄能材料换热器；21、制冷剂-水换热器；Ts_,蓄热：无霜蓄热制热模式取热状态下系统的蒸发温度，取为压缩机吸气饱和温度；Ts_,普通：无霜普通制热模式下系统的蒸发温度，取为压缩机吸气饱和温度；T_回：制冷状态下系统回风或回水温度；T_min：制冷状态预设温度区间的下限值；T_max：制冷状态预设温度区间的上限值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于建筑环境空气调节的情况，如图2所示，包括：

制冷剂循环回路：主要包括空气源热泵机构的制冷剂循环。其中，空气源热泵各机构的连接关系为：第一四通换向阀2的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与压缩机1的出口、气液分离器13的入口、室内换热器14的第一接口、第二四通换向阀5的第二接口通过制冷剂管道相连，第二四通换向阀5的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与第一节流单元4的第二接口、第一四通换向阀2的第四接口、过冷换热器18的第一接口及第一截止阀8的第一接口、室外换热器16的第二接口通过制冷剂管道相连，第一节流单元4的第一接口与室内换热器14的第二接口通过制冷剂管道相连，第二节流单元10的第一接口与第一截止阀8的第二接口及第二截止阀9的第二接口通过制冷剂管道相连，第二节流单元10的第二接口与室外换热器16的第一接口通过制冷管道相连，过冷换热器18的第二接口与第二截止阀9的第一接口通过制冷剂管道相连，压缩机1的进口与气液分离器13的出口通过制冷剂管道相连。

空气循环回路：主要包括室外换热器16和室外风机17通过风道与室外环境的空气相连，室内换热器14和室内风机15通过风道与建筑环境内的空气相连，需要注意的是，本实施例将图1中的第一换热器3解释为室内换热器14和室内风机15的组合，将第三换热器解释为室外换热器16和室外风机17的组合。以下实施例中无特别说明均将第一换热器解释为室内换热器14和室内风机15的组合，将第三换热器解释为室外换热器16和室外风机17的组合。

本发明的基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵的控制方法包括以下内容：

1.系统供热运行下室外换热器16外表面不发生结霜，系统根据运行能效优选无霜蓄热制热模式(制热模式一)和无霜普通制热模式(制热模式二)。当无霜蓄热制热模式(制热模式一)取热状态(制热状态2)下的蒸发温度Ts_,蓄热高于无霜普通制热模式(制热模式二)下的蒸发温度Ts_,普通时，系统运行无霜蓄热制热模式(制热模式一)：蓄能装置中未蓄存热量时，系统运行蓄热状态(制热状态1)。第一截止阀8关闭，第二截止阀9打开；第一四通换向阀2的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第二四通换向阀5的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第一节流单元4的流通面积全部开启，第二节流单元10的流通面积部分开启至预设值；室内风机15和室外风机17开启。图4所示为该系统在无霜蓄热制热模式蓄热状态下的工作过程：

制冷剂在压缩机1的作用下成为高温高压的气体，流经第一四通换向阀2的第一接口和第三接口进入室内换热器14，向流经室内换热器14和室内风机15的室内空气放热，自身冷却冷凝为中温高压的液体，随后依次流经第一节流单元4、第二四通换向阀5的第一接口和第三接口，进入过冷换热器18向蓄能容器7中的蓄能材料放热，被进一步过冷成低温高压的液体，之后流经第二截止阀9和第二节流单元10，节流成低温低压的两相状态，进入室外换热器16从环境空气中吸热，蒸发为低温低压的气体，最终依次流经第二四通换向阀5的第四和第二接口、第一四通换向阀2的第四和第二接口、气液分离器13回到压缩机1的入口。该过程中蓄能容器7中的蓄能材料吸收蓄存制冷剂在过冷换热器18中释放的过冷热。

蓄能装置7蓄满热量后，系统切换第二四通换向阀5的连通方式，运行取热状态(制热状态2)。此时，第二四通换向阀2的第一接口与第四接口连通，第二接口与第三接口连通，室外风机17关闭，室外换热器16停止工作，其余构件运行状态不变。图5所示为该系统在无霜蓄热制热模式取热状态下的工作过程：

制冷剂在压缩机1的作用下成为高温高压的气体，流经第一四通换向阀2的第一接口和第三接口进入室内换热器14，向流经室内换热器14和室内风机15的室内空气放热，自身冷却冷凝为中温高压的液体，随后依次流经第一节流单元4、第二四通换向阀5的第一接口和第四接口，进入室外换热器16。室外风机17关闭，室内换热器16停止工作，制冷剂状态不发生变化。随后，中温高压的液体制冷剂流经第二节流单元10，节流成低温低压的两相状态，通过第二截止阀9后进入过冷换热器18，从蓄热容器7中吸收热量，蒸发成低温低压的气体，最终依次通过第二四通换向阀5的第三接口和第二接口、第一四通换向阀2的第四接口和第二接口、气液分离器13回到压缩机1的入口。该过程中，蓄能装置7中的蓄能材料放出蓄存的热量，提供制冷剂循环所需的低位热能。蓄能装置中蓄存的热量全部取出后，系统再次切换第二四通换向阀5的连通方式，开启室外风机17，运行蓄热状态，完成一个循环周期。

无霜蓄热制热模式下，系统在蓄热状态时蓄存过冷热，用于在取热状态提供低位热能。和普通空气源热泵相比，本系统在蓄热状态下制热能力和能效与普通空气源热泵相同，但在取热状态下，由于蓄能材料提供低位热能时的换热系数和热源温度高于环境空气，系统蒸发温度更高，制热能力和能效也更高，周期内平均制热量和制热能效都要高于普通空气源热泵。

2.当系统供热运行下室外换热器16外表面不发生结霜，且无霜普通制热模式(制热模式二)下的蒸发温度Ts_,普通高于无霜蓄热制热模式(制热模式一)取热状态(制热状态2)下的蒸发温度Ts_,蓄热时，系统运行无霜普通制热模式(制热模式二)(制热状态3)：第一截止阀8开启，第二截止阀9关闭；第一四通换向阀2的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第二四通换向阀5的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第一节流单元4的流通面积全部开启，第二节流单元10的流通面积部分开启至预设值。图6所示为该系统在无霜普通制热模式下的工作流程：

制冷剂在压缩机1的作用下成为高温高压的气体，流经第一四通换向阀2的第一接口和第三接口进入室内换热器14，向流经室内换热器14和室内风机15的室内空气放热，自身冷却冷凝为中温高压的液体，随后依次流经第一节流阀4、第二四通换向阀5的第一接口及第三接口、第一截止阀8、第二节流单元10，被第二节流单元10节流成低温低压的两相状态，之后进入室外换热器16，吸收室外环境空气的热量，蒸发为低温低压的气体，最后依次流经第二四通换向阀5的第四接口及第二接口、第二四通换向阀2的第四接口及第二接口、气液分离器13回到压缩机1的入口。在该状态下，第二截止阀9关闭，过冷换热器18与蓄能装置7停止工作，系统没有蓄热和取热过程。

3.当系统供热运行下室外换热器16外表面发生结霜时，系统进入蓄热除霜制热模式(制热模式三)：当室外换热器16外表面没有霜层或霜量很少时，系统运行蓄热状态(制热状态1)。第一截止阀8关闭，第二截止阀9打开；第一四通换向阀2的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第二四通换向阀5的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第一节流单元4的流通面积全部开启，第二节流单元10的流通面积部分开启至预设值；室内风机15和室外风机17开启。图4所示为该系统在蓄热除霜制热模式蓄热状态下的工作过程：

制冷剂在压缩机1的作用下成为高温高压的气体，流经第一四通换向阀2的第一接口和第三接口进入室内换热器14，向流经室内换热器14和室内风机15的室内空气放热，自身冷却冷凝为中温高压的液体，随后依次流经第一节流单元4、第二四通换向阀5的第一接口和第三接口，进入过冷换热器18向蓄能容器7中的蓄能材料放热，被进一步过冷成低温高压的液体，之后流经第二截止阀9和第二节流单元10，节流成低温低压的两相状态，进入室外换热器16从环境空气中吸热，蒸发为低温低压的气体制冷剂，最终依次流经第二四通换向阀5的第四和第二接口、第一四通换向阀2的第四和第二接口、气液分离器13回到压缩机1的入口。该过程中蓄能容器7中的蓄能材料吸收蓄存制冷剂在过冷换热器18中释放的过冷热。

当接到除霜指令时，系统切换第二四通换向阀5的连通方式，运行除霜状态(制热状态4)。此时，第二四通换向阀2的第一接口与第四接口连通，第二接口与第三接口连通，室外风机17关闭，其余构件运行状态不变。图5所示为该系统在蓄热除霜制热模式除霜状态下的工作过程：

制冷剂在压缩机1的作用下成为高温高压的气体，流经第一四通换向阀2的第一接口和第三接口进入室内换热器14，向流经室内换热器14和室内风机15的室内空气放热，自身冷却冷凝为中温高压的液体，随后依次流经第一节流单元4、第二四通换向阀5的第一接口和第四接口，进入室外换热器16，向室外换热器16外表面的霜层放热，被进一步过冷成低温高压的液体，之后流经第二节流单元10节流成低温低压的两相状态，通过第二截止阀9后进入过冷换热器18，从蓄热容器7中吸收热量，蒸发成低温低压的气体，最终依次通过第二四通换向阀5的第三接口和第二接口、第一四通换向阀2的第四接口和第二接口、气液分离器13回到压缩机1的入口。该过程中，蓄能装置7中的蓄能材料放出蓄存的热量，提供制冷剂循环所需的低位热能，室外换热器16外表面的霜层吸收制冷剂放出的过冷热进行融霜。融霜过程结束后，系统切换第二四通换向阀5的连通方式，开启室外风机17，系统运行蓄热状态，完成一个循环周期。

蓄热除霜制热模式下，系统在蓄热状态时蓄存制冷剂的过冷热，用于在除霜状态下提供制冷剂循环所需的低位热能。本系统在蓄热状态下的性能与普通空气源相同；除霜状态下，本系统能够持续供热，且由于低位热能由蓄能材料提供，换热系数和热源温度都要高于从低温的环境空气中吸热，蒸发温度比蓄热状态下更高，系统制热能力和制热能效都要高于蓄热状态，整个周期内的平均制热量和制热能效比蓄热状态有所提升。相较之下，普通空气源热泵通常采用逆循环除霜，除霜期间需要以供热侧作为低位热源，不但不提供热量，反而要从供热侧吸收热量，导致热泵系统除霜期间热舒适性较差，且整个周期内的平均制热量和制热能效也会因此而低于结霜期间。由此可见，本系统在除霜制热状态的热舒适性、平均制热能力、平均制热能效都要优于采用逆循环除霜的普通空气源热泵。

4.当供冷运行时，系统根据回风温度T_回和预设温度区间的上限值T_max及下限值T_min之间的关系确定运行状态。当回风温度T_回低于预设温度区间的下限值T_min时，系统运行蓄冷制冷状态(制冷状态1)：第一截止阀8关闭，第二截止阀9开启；第一四通换向阀2的第一接口与第四接口连通，第二接口与第三接口连通；第二四通换向阀5的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第一节流单元4的流通面积全部开启，第二节流单元10的流通面积部分开启至预设值。图7所示为该系统在蓄冷制冷状态下的工作流程：

制冷剂在压缩机1的作用下变成高温高压的气体，依次流经第一四通换向阀2的第一接口及第四接口、第二四通换向阀的第二接口与第四接口，进入室外换热器16，向流经室外换热器16和室外风机17的环境空气放热，冷却冷凝成中温高压的液体，之后流经第二节流单元10，节流成低温低压的两相状态，随后经过第二截止阀9进入过冷换热器18，部分液体制冷剂吸收蓄能装置7中蓄能材料的热量蒸发成气体，制冷剂整体干度增大。之后，干度增大后的两相制冷剂依次流经第二四通换向阀5的第三接口及第一接口、第一节流单元4，进入室内换热器14，吸收流经室内换热器14和室内风机15的室内空气的热量进行制冷，制冷剂蒸发成低温低压的气体，最终流经第一四通换向阀2的第三接口及第二接口、气液分离器13回到压缩机1的入口。该过程中，蓄能装置7中的蓄能材料的热量被制冷剂吸收，蓄存冷量。

当回风温度T_回处于预设温度区间的下限值T_min和上限值T_max之间时，系统运行普通制冷状态(制冷状态2)：第一截止阀8开启，第二截止阀9关闭；第一四通换向阀2的第一接口与第四接口连通，第二接口与第三接口连通；第二四通换向阀5的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第一节流单元4的流通面积部分开启至预设值，第二节流单元10的流通面积全部开启。图8所示为该系统在普通制冷状态下的工作流程：

制冷剂在压缩机1的作用下成为高温高压的气体，依次流经第一四通换向阀2的第一接口及第四接口、第二四通换向阀的第二接口及第四接口，进入室外换热器16，向流经室外换热器16和室外风机17的环境空气放热，冷却冷凝成中温高压的液体，之后依次流经第二节流单元10、第一截止阀8、第二四通换向阀5的第三接口及第一接口、第一节流单元4，被第一节流单元4节流成低温低压的两相状态，随后进入室内换热器14，吸收流经室内换热器14和室内风机15的室内空气的热量进行制冷，自身蒸发成低温低压的气体，最终依次流经第一四通换向阀2的第三接口及第二接口、气液分离器13回到压缩机1的入口。该过程中，第二截止阀9关闭，过冷换热器18与蓄能装置7停止工作，系统不进行蓄冷和释冷，工作流程和普通空气源热泵制冷模式相同。

当回风温度T_回高于预设温度区间的上限值T_max，且蓄能装置7中蓄存了冷量时，系统运行释冷制冷状态(制冷状态3)：第一截止阀8关闭，第二截止阀9开启；第一四通换向阀2的第一接口与第四接口连通，第二接口与第三接口连通；第二四通换向阀5的第一接口与第三接口连通，第二接口与第四接口连通；第一节流单元4的流通面积部分开启至预设值，第二节流单元10的流通面积全部开启。图7所示为该系统在释冷制冷状态下的工作流程：

制冷剂在压缩机1的作用下变成高温高压的气体，依次流经第一四通换向阀2的第一接口及第四接口、第二四通换向阀的第二接口及第四接口，进入室外换热器16，向流经室外换热器16和室外风机17的环境空气放热，冷却冷凝成中温高压的液体，之后依次流经第二节流单元10、第二截止阀9进入过冷换热器18，向蓄能装置7中的蓄能材料放出热量，进一步过冷成低温高压的液体，随后依次流经第二四通换向阀5的第三接口及第一接口、第一节流单元4，被第一节流单元4节流成低温低压的两相状态，进入室内换热器14中吸收流经室内换热器14和室内风机15的室内空气的热量进行制冷，自身蒸发成低温低压的气体，最终依次通过第一四通换向阀2的第三接口及第二接口、气液分离器13回到压缩机1的入口。在该过程中，蓄能装置7中的蓄能材料放出蓄存的冷量，吸收中温高压液体制冷剂的过冷热，增大了制冷剂在节流前的过冷度，提高了制冷量。

供冷运行时，本系统在制冷负荷低时蓄存部分制冷量，在制冷负荷高时放出蓄存的冷量对制冷剂进行过冷，提高制冷量，能够满足更高的制冷负荷峰值。此外，本系统在制冷负荷低时蓄存冷量，在冷负荷高时放出冷量，能够减小系统在制冷负荷低时因降低压缩机转速而带来的能效降低或不断启停机组带来的开停机损失，以及在制冷负荷高时提高压缩机转速带来的能效降低，使得系统始终运行在高能效的状态下。另一方面，本系统在蓄冷和释冷模式下制冷剂在节流前都具有较大过冷度，节流损失小，也有利于提高系统能效。

由上述的实施例描述可知，本发明的增效原理在于：

1)当供热运行且室外换热器外表面不发生结霜时，本系统有无霜蓄热制热(制热模式一)和无霜普通制热(制热模式二)两种模式供优选。无霜普通制热模式(制热模式二)和普通空气源热泵的运行状态相同；无霜蓄热制热模式(制热模式一)下，蓄热状态(制热状态1)时系统的制热能力和能效和普通空气源热泵相同，取热状态(制热状态2)下系统的制热能力随蓄能材料提供低位热能时系统的蒸发温度的变化而变化：若蒸发温度高于普通空气源热泵从环境空气源中吸热时的蒸发温度，则系统取热状态和整个周期内的制热能力和能效高于普通空气源热泵；若蒸发温度低于普通空气源热泵从环境空气源中吸热时的蒸发温度，则系统取热状态和整个周期内的制热能力和能效低于普通空气源热泵。总体而言，在该运行条件下，本系统的制热能力和能效要高于或等于普通空气源热泵。

2)当供热运行且室外换热器外表面发生结霜时，本系统进入蓄热除霜制热模式(制热模式三)。在蓄热状态(制热状态1)下，系统制热能力和制热能效与普通空气源热泵结霜制热期间相同；在除霜状态(制热状态4)下，本系统由蓄能材料提供低位热源，换热系数和热源温度高于蓄热状态，制热能力和能效高于蓄热状态，周期内平均制热能力和能效也高于蓄热状态；而普通逆循环除霜的空气源热泵由于除霜期间需要从供热侧吸收热量，制热能力和能效为负值，周期内的平均制热能力和能效显著低于结霜制热。

3)制冷状态下，本系统提供蓄冷制冷、普通制冷、释冷制冷三种模式，可根据制冷负荷与系统制冷能力之间的关系进行切换。普通制冷状态(制冷状态2)下，系统的运行状态和普通空气源热泵相同；蓄冷制冷状态(制冷状态1)下，蓄能材料蓄存一部分冷量用于制冷负荷高于系统制冷能力时开启释冷制冷状态，能避免系统因降低压缩机转速或不断开停机带来的能效损失；释冷制冷状态(制冷状态3)下，系统释放蓄能材料中蓄存的冷量，增大系统制冷能力，能够在满足更大的制冷负荷峰值，且也能避免由于提高压缩机转速带来的系统性能下降，使系统运行在高能效状态下。因此，本系统在制冷运行时的综合能效要高于普通空气源热泵。

实施例2

本实施例为基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于建筑环境空气调节时蓄能装置采用间接式蓄能的情况，如图9示。其与实施例1的区别在于，蓄能装置由只包括含有蓄能材料的蓄能容器组成的直接式蓄能装置改变为由载冷剂泵19、含有蓄能材料的蓄能容器7、载冷剂-蓄能材料换热器20及载冷剂管道组成的间接式蓄能装置，其余结构及实施方案均与实施例1相同。

在本实施例中，增加了载冷剂循环，制冷剂循环回路和空气循环回路与实施例1相同。载冷剂循环回路包括过冷换热器18、载冷剂泵19、载冷剂-蓄能材料换热器20。蓄能装置工作时，载冷剂在过冷换热器18中与制冷剂进行换热，吸收或放出热量；随后，载冷剂在载冷剂泵19的作用下进入载冷剂-蓄能材料换热器20中与蓄能材料进行换热，放出或吸收热量。至此，通过载冷剂的流动实现了热量在制冷剂和蓄能材料之间的传递。

实施例3

本实施例为基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵应用于热水和冷冻水制热的情况，如图10。其与实施例1的区别在于，将室内换热器14和室内风机15替换为制冷剂-水换热器19，其余结构及实施方案均与实施例1相同。

实施例4

本实施例为基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵采用外置式蓄能装置的情况，如图11所示。本实施例中的热泵1、热泵2、热泵n等多台热泵为本发明中基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵的制冷剂循环和空气循环部分。热泵1、热泵2、热泵n等多台热泵共用一个蓄能装置。本实施例适用于多台热泵机组共同运行的热泵机群。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于制冷剂过冷热回收增效的空气源热泵系统，其特征在于，包括空气源热泵装置和与空气源热泵装置耦合的蓄热装置；

所述空气源热泵装置包括依次连接的气液分离器（13）、压缩机（1）、第一四通换向阀（2）、第一换热器（3）、第一节流单元（4）、第二四通换向阀（5）、第一截止阀（8）、第二节流单元（10）、第三换热器（11），所述第一四通换向阀（2）还与所述第二四通换向阀（5）连接，所述第二四通换向阀（5）还与所述第三换热器（11）连接；

所述蓄热装置并联于所述第一截止阀（8）两端，所述蓄热装置包括相互连接的第二截止阀（9）和蓄能容器（7），所述蓄能容器（7）中装设有蓄能材料，通过第一四通换向阀（2）、第二四通换向阀（5）、第一截止阀（8）、第二截止阀（9）中任意一个或多个的调变，实现空气源热泵系统在蓄冷制冷状态、普通制冷状态、释冷制冷状态、无霜蓄热制热模式、无霜普通制热模式、蓄热除霜制热模式之间的切换；

所述第一四通换向阀（2）的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与所述压缩机（1）的出口、气液分离器（13）的进口、第一换热器（3）的第一接口、第二四通换向阀（5）的第二接口连接；

所述蓄热装置还包括第二换热器（6），所述第二换热器（6）与所述蓄能容器（7）热耦合；

所述第二四通换向阀（5）的第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别与所述第一节流单元（4）的第二接口、第一四通换向阀（2）的第四接口、第一截止阀（8）的第一接口及第二换热器（6）的第一接口、第三换热器（11）的第二接口连接；

所述第二节流单元（10）的第一接口与所述第一截止阀（8）的第二接口、第二截止阀（9）的第二接口连接，所述第二节流单元（10）的第二接口与所述第三换热器（11）的第一接口连接；

所述第二换热器（6）的第二接口与所述第二截止阀（9）的第一接口连接；

所述第三换热器（11）的一侧还设有第一风机（12），所述第一风机（12）与所述第三换热器（11）的空气通道连接；

空气源热泵系统处于供热运行过程时：

获取第三换热器（11）外表面的结霜信息；

当第三换热器（11）外表面不结霜时，比较无霜蓄热制热模式下的蒸发温度Ts _,蓄热与无霜普通制热模式下的蒸发温度Ts _,普通的数值大小；

当Ts _,蓄热＞Ts _,普通时，使得空气源热泵系统运行至无霜蓄热制热模式；

当Ts _,蓄热≤Ts _,普通时，使得空气源热泵运行至无霜普通制热模式；

当第三换热器（11）外表面结霜时，使得空气源热泵运行至蓄热除霜制热模式；

空气源热泵系统处于供冷运行过程时：

比较回风温度T _回与预设温度区间的上限值T _max和下限值T _min之间的数值大小；

当T _回＜T _min时，使得空气源热泵系统运行至蓄冷制冷状态；

当T _min≤T _回≤T _max时，使得空气源热泵系统运行至普通制冷状态；

当T _回＞T _max时，使得空气源热泵系统运行至释冷制冷状态。

2.一种权利要求1中所述空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，空气源热泵系统处于供热运行过程时：

获取第三换热器（11）外表面的结霜信息；

当第三换热器（11）外表面不结霜时，比较无霜蓄热制热模式下的蒸发温度Ts _,蓄热与无霜普通制热模式下的蒸发温度Ts _,普通的数值大小；

当Ts _,蓄热＞Ts _,普通时，使得空气源热泵系统运行至无霜蓄热制热模式；

当Ts _,蓄热≤Ts _,普通时，使得空气源热泵运行至无霜普通制热模式；

当第三换热器（11）外表面结霜时，使得空气源热泵运行至蓄热除霜制热模式；

空气源热泵系统处于供冷运行过程时：

比较回风温度T _回与预设温度区间的上限值T _max和下限值T _min之间的数值大小；

当T _回＜T _min时，使得空气源热泵系统运行至蓄冷制冷状态；

当T _min≤T _回≤T _max时，使得空气源热泵系统运行至普通制冷状态；

当T _回＞T _max时，使得空气源热泵系统运行至释冷制冷状态。

3.根据权利要求2所述的空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，所述无霜蓄热制热模式的实现方式为：

S1：若蓄能装置中未蓄存热量，将第一截止阀（8）关闭，第二截止阀（9）打开，切换第一四通换向阀（2）和/或第二四通换向阀（5），将第一节流单元（4）的流通面积全部开启，第二节流单元（10）的流通面积部分开启至预设值，使得第一换热器（3）作为冷凝器进行制热，第二换热器（6）作为过冷器，对第一换热器（3）出口的制冷剂进一步过冷，置换出的过冷热存储在蓄能装置中，第三换热器（11）作为蒸发器；

S2：当蓄能装置蓄满热量之后，切换第一四通换向阀（2）和/或第二四通换向阀（5），第一换热器（3）作为冷凝器进行制热，第三换热器（11）停止工作，第二换热器（6）作为蒸发器，从蓄能装置中取热，完成一个循环周期。

4.根据权利要求2所述的空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，所述无霜普通制热模式的实现方式为：

第一截止阀（8）开启，第二截止阀（9）关闭，切换第一四通换向阀（2）和/或第二四通换向阀（5），将第一节流单元（4）的流通面积全部开启，第二节流单元（10）的流通面积部分开启至预设值，使得第二换热器（6）停止工作，第一换热器（3）作为冷凝器进行供热，第三换热器（11）作为蒸发器从室外环境中吸收低品位热能。

5.根据权利要求3所述的空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，所述蓄热除霜制热模式的实现方式为：

判断第三换热器（11）表面的结霜量；

当结霜量小于设定阈值，则执行S1步骤，使得蓄能装置蓄满热量；

当结霜量大于等于设定阈值，切换第一四通换向阀（2）和/或第二四通换向阀（5），第一换热器（3）作为冷凝器进行供热，第三换热器（11）作为过冷器对第一换热器（3）出口的制冷剂进行过冷，放出的过冷热用于加热融化第三换热器（11）外表面的霜层，第二换热器（6）作为蒸发器，从蓄能装置中取热，提供制冷剂循环所需的低位热能，完成一个除霜周期。

6.根据权利要求3所述的空气源热泵系统的控制方法，其特征在于，所述蓄冷制冷状态的实现方式为：第一截止阀（8）关闭，第二截止阀（9）开启，切换第一四通换向阀（2）和/或第二四通换向阀（5），第一节流单元（4）的流通面积全部开启，第二节流单元（10）的流通面积部分开启至预设值，使得第三换热器（11）作为冷凝器向室外空气放热，第二换热器（6）作为蒸发器吸收蓄能装置中的热量，蓄能装置蓄存冷量，第二换热器（6）作为蒸发器吸收热量，进行制冷；

所述普通制冷状态的实现方式为：第一截止阀（8）开启，第二截止阀（9）关闭，第一节流单元（4）的流通面积部分开启至预设值，第二节流单元（10）的流通面积全部开启，切换第一四通换向阀（2）和/或第二四通换向阀（5），使得第二换热器（6）停止工作，第三换热器（11）作为冷凝器向环境空气散热，第一换热器（3）作为蒸发器进行制冷；

所述释冷制冷状态的实现方式为：第一节流单元（4）的流通面积部分开启至预设值，第二节流单元（10）的流通面积全部开启，第一截止阀（8）关闭，第二截止阀（9）开启，切换第一四通换向阀（2）和/或第二四通换向阀（5），使得第三换热器（11）作为冷凝器向环境空气放热，第二换热器（6）作为过冷器取出蓄能装置中蓄存的冷量，对第三换热器（11）出口的制冷剂进行过冷，增大过冷度，第一换热器（3）作为蒸发器吸收热量，进行制冷。

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