CN113531696A - 高效制热的风冷热泵空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调技术，具体提供一种高效制热的风冷热泵空调系统，旨在解决现有空调换热器内气液两相制冷剂分配不均匀的问题。为此，本发明的空调系统包括压缩机、第一换热器、第二换热器、方向控制阀、主路膨胀阀和气液分离器，第二换热器被分为相互独立的上部回路和下部回路，并且上部回路的流程大于下部回路。在制热工况下，经主路膨胀阀节流形成的气液两相制冷剂在气液分离器中分离为气态制冷剂和液态制冷剂，然后分别流入第二换热器中的下部回路和上部回路，由于上部回路的流程大于下部回路，第二换热器内的液态制冷剂能够更充分地进行热交换，并因此被更充分地蒸发，从而提升空调系统在各种工况下的制热能力。

Description

高效制热的风冷热泵空调系统

技术领域

本发明属于空调技术领域，具体提供一种高效制热的风冷热泵空调系统。

背景技术

风冷热泵空调系统，是空调行业内区别于风冷冷水系统的一种空调系统机组。除具备风冷冷水系统制取冷水的功能外，风冷热泵空调系统还能切换到制热工况制取热水。风冷热泵空调系统的基本原理是基于压缩式制冷循环，利用制冷剂作为载体，通过风机的强制换热，从大气中吸取热量或者排放热量，以达到制冷或者制热的需求。

在实际使用中，风冷热泵空调系统在制热工况下，换热器表面经常出现结霜不均匀的现象，这种现象会降低系统的制热性能。经本领域技术人员分析发现，造成这种现象的原因是制冷剂经过节流装置后，由高温液态制冷剂变为气液两相状态，不管设计多么精良的分液器都难以将气液混合的两相流体均匀地分配给换热器。制冷剂分配不均匀，导致换热器的部分回路中液态制冷剂分配过多，过多的液态制冷剂在换热过程中无法完全蒸发，继而使得这部分回路所在换热器表面霜层相对较厚。

为了使液态制冷剂分配较多的回路中的制冷剂能够完全蒸发，现有技术中通过减小膨胀阀开度，降低吸气压力，来增加饱和蒸发温度和空气的换热温差。但是，吸气压力降低，将会减小低压侧制冷剂密度，继而降低压缩机吸入的制冷剂质量和流量，致使机组制热量下降，能效变差。

因此，本领域技术人员亟待另辟蹊径找到一种新的技术手段，来解决换热器内气液两相制冷剂分配不均匀的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高效制热的风冷热泵空调系统，该空调系统包括压缩机、第一换热器、第二换热器、方向控制阀和主路膨胀阀，所述空调系统还包括气液分离器；所述第二换热器分为相互独立的上部回路和下部回路，所述上部回路与所述气液分离器的液相端口连通，所述下部回路与所述气液分离器的气相端口连通，所述主路膨胀阀连接所述第一换热器和所述气液分离器的气液混合端口，并且所述上部回路的流程大于所述下部回路的流程；在制冷工况下，所述方向控制阀位于第一工作位置，以控制所述压缩机的高压侧与所述上部回路和所述下部回路两者连通，所述压缩机的低压侧与所述第一换热器连通；在制热工况下，所述方向控制阀位于第二工作位置，以控制所述压缩机的高压侧与所述第一换热器连通，所述压缩机的低压侧与所述上部回路和所述下部回路两者连通。

优选地，所述下部回路和所述气液分离器通过流量控制装置连接，所述流量控制装置用于在制冷工况下节流由所述下部回路流入所述气液分离器的制冷剂，以及在制热工况下直接导通由所述气液分离器流入所述下部回路的制冷剂。

优选地，所述流量控制装置为单向阀和毛细管的并联组件，所述毛细管用于在制冷工况下节流由所述下部回路流入所述气液分离器的制冷剂，所述单向阀用于在制热工况下直接导通由所述气液分离器流入所述下部回路的制冷剂。

优选地，所述第二换热器的数量为两个或多个，且两个或多个所述第二换热器并联设置。

优选地，所述第二换热器的数量为两个或多个，所述空调系统还包括与每个所述第二换热器对应设置的三通阀、除霜开关阀和所述气液分离器；所述三通阀设置于所述压缩机的高压侧、所述方向控制阀和对应的所述第二换热器三者之间，用于控制所述第二换热器可选择地与所述压缩机的高压侧连通或者与所述方向控制阀连通；所述除霜开关阀设置于所述压缩机的高压侧与所述三通阀之间，用于控制所述压缩机的高压侧和所述三通阀的截止或导通。

优选地，每个所述气液分离器的入口与所述主路膨胀阀通过由正向单向阀和反向单向阀构成的并联组件连接；其中，正向单向阀允许制冷剂由对应的所述气液分离器流向所述主路膨胀阀，反向单向阀允许制冷剂由所述主路膨胀阀流向对应的所述气液分离器。

优选地，所述空调系统还包括并联设置的制冷开关阀和旁路膨胀阀组件，所述并联设置的制冷开关阀和旁路膨胀阀组件用于串联每个所述正向单向阀与所述主路膨胀阀；每个所述第二换热器均位于制冷工况时，所述制冷开关阀开启，所述第二膨胀阀关闭；每个所述第二换热器均位于制热工况时，所述制冷开关阀关闭，所述第二膨胀阀关闭；至少一个所述第二换热器位于除霜状态时，所述制冷开关阀关闭，所述第二膨胀阀启动。

优选地，每个所述下部回路和对应的所述气液分离器通过流量控制装置连接，所述流量控制装置用于在制冷工况下节流由所述下部回路流入所述气液分离器的制冷剂，以及在制热工况下直接导通由所述气液分离器流入所述下部回路的制冷剂。

优选地，所述流量控制装置为单向阀和毛细管的并联组件，所述毛细管用于在制冷工况下节流由所述下部回路流入所述气液分离器的制冷剂，所述单向阀用于在制热工况下直接导通由所述气液分离器流入所述下部回路的制冷剂。

优选地，所述气液分离器的液相端口设置在其底部，所述气液分离器的气相端口设置在其顶部，所述气液分离器的气液混合端口设置在其中部。

与现有技术相比，本发明所提供的空调系统，在制热工况下，经主路膨胀阀节流形成的气液两相制冷剂在气液分离器中分离为气态制冷剂和液态制冷剂后，再分别流入第二换热器中相互独立的上部回路和下部回路内参与热交换，保证了上部回路基本上为纯液态制冷剂，下部回路内基本上为纯气态制冷剂，相应地，由于上部回路的流程大于下部回路的流程，使得液态制冷剂能够更充分地进行热交换并因此被更彻底地蒸发，从而提升空调系统在各种工况下的制热能力。

附图说明

图1是本发明的高效制热的风冷热泵空调系统的第一实施方式的结构示意图。

图2是本发明的高效制热的风冷热泵空调系统的第二实施方式的结构示意图。

图3是本发明的高效制热的风冷热泵空调系统的第三实施方式的结构示意图。

图4是本发明的高效制热的风冷热泵空调系统的第四实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，图中为本发明高效制热的风冷热泵空调系统第一实施例的结构示意图。该风冷热泵空调系统包括压缩机CP、第一换热器EH1、第二换热器EH2、方向控制阀、主路膨胀阀XV1和气液分离器GLS。

其中，第二换热器EH2分为相互独立的上部回路EH2U和下部回路EH2B；上部回路EH2U与气液分离器GLS的液相端口连通，下部回路EH2B与气液分离器GLS的气相端口连通，主路膨胀阀XV1连接第一换热器EH1和气液分离器GLS的气液混合端口，并且上部回路EH2U的流程大于下部回路EH2B的流程，流程是指沿制冷剂流向上流道的长度。

继续参见1，方向控制阀优选为四通阀4DCV，四通阀4DCV具有四个接口，这四个接口分别为第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；其中，第一接口和压缩机CP的高压侧通过管路连接，第二接口和第一换热器EH1的端口通过管路连接，第三接口与上部回路EH2U的端口和下部回路EH2B的端口两者通过管路连接，第四接口和压缩机CP的低压侧通过管路连接。

该四通阀4DCV具有两个工作位置，这两个工作位置分别为第一工作位置和第二工作位置。

当四通阀4DCV位于第一工作位置时，阀芯相对于阀体移动至第一接口和第三接口导通，第二接口和第四接口导通，此时压缩机CP的高压侧与上部回路EH2U和下部回路EH2B两者连通，压缩机CP的低压侧与第一换热器EH1连通，该风冷热泵空调系统进入制冷工况。

在制冷工况下，制冷剂的循环流程为：压缩机CP→四通阀4DCV→分为两路，一路流入上部回路EH2U，另一路流入下部回路EH2B→气液分离器GLS→主路膨胀阀XV1→第一换热器EH1→四通阀4DCV→压缩机CP。

本空调系统制冷工况的工作原理是：通过压缩机CP把低温低压的制冷剂蒸气压缩为高温高压过热的蒸气，气态制冷剂流通过四通阀4DCV后进入到第二换热器EH2的上部回路EH2U和下部回路EH2B，通过热交换把热量传递到空气中去，制冷剂冷凝为高温高压的液体，流经气液分离器GLS，通过主路膨胀阀XV1节流后变为饱和状态的制冷剂，然后进入到第一换热器EH1蒸发吸热变为低温过热蒸气，再通过四通阀4DCV回到压缩机CP。空调系统不断循环制取冷水，把热量散发到空气中去。

当四通阀4DCV切换至第二工作位置时，阀芯相对于阀体移动至第一接口和第二接口连通，第三接口与第四接口连通，即压缩机CP的高压侧与第一换热器EH1连通，压缩机CP的低压侧与上部回路EH2U和下部回路EH2B两者连通，该空调系统进入制热工况。

在制热工况下，制冷剂的循环流程为：压缩机CP→四通阀DCV4→第一换热器EH1→主路膨胀阀XV1→气液分离器GLS→分为两路，一路流入上部回路EH2U，另一路流入下部回路EH2B→四通阀4DCV→压缩机CP。

本空调系统制热工况的工作原理是：通过压缩机CP把低温低压的制冷剂蒸气压缩为高温高压过热的蒸气，气态制冷剂流通过四通阀4DCV后进入到第一换热器EH1，通过热交换把热量传递到循环水中去，制冷剂冷凝为高温高压的液体，再由主路膨胀阀XV1节流处理后形成气液两相制冷剂，随后由气液分离器GLS气液分离为液态制冷剂和气态制冷剂。其中，液态制冷剂经流入第二换热器EH2的上部回路EH2U，与外部环境热交换，吸热蒸发形成气态制冷剂；与此同时，气态制冷剂依次流经下部回路EH2B和四通阀4DCV后被吸入压缩机CP内。空调系统不断循环制取热水，从空气中吸收热量。

继续参见图1，气液分离器GLS的液相端口设置在其底部，气液分离器GLS的气相端口设置在其顶部，气液分离器GLS的气液混合端口设置在其中部。

参见图2，该图为本发明高效制热的风冷热泵空调系统第二实施方式的结构示意图。该风冷热泵空调系统包括压缩机CP、第一换热器EH1、第二换热器EH2、方向控制阀、主路膨胀阀XV1、气液分离器GLS和流量控制装置。

其中，第二换热器EH2分为相互独立的上部回路EH2U和下部回路EH2B，且上部回路EH2U的流程大于下部回路EH2B的流程。上部回路EH2U与气液分离器GLS的液相端口连通，下部回路EH2B通过流量控制装置与气液分离器GLS的气相端口连通，该流量控制装置用于在制冷工况下节流由下部回路EH2B流入气液分离器GLS的制冷剂，以及在制热工况下直接导通由气液分离器GLS流入下部回路EH2B的制冷剂。

优选地，本实施方式中流量控制装置为单向阀CV和毛细管MV的并联组件；其中，毛细管MV用于在制冷工况下节流由下部回路EH2B流入气液分离器GLS的制冷剂，单向阀CV用于在制热工况下直接导通由气液分离器GLS流入下部回路EH2B的制冷剂。

可以理解，本实施方式中采用单向阀CV和毛细管MV的并联组件，灵活地实现了制冷剂在下部回路EH2B和气液分离器GLS之间不同流向时的流量控制，结构简单，成本低。当然，在满足控制制冷剂在下部回路和气液分离器GLS之间不同流向时的流量控制功能的基础上，该流量控制装置也可以为电子膨胀阀等流量控制阀。

继续参见图2，本实施方式中，方向控制阀优选为四通阀4DCV，四通阀4DCV具有四个接口，这四个接口分别为第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；其中，第一接口和压缩机CP的高压侧通过管路连接，第二接口和第一换热器EH1的端口通过管路连接，第三接口与上部回路EH2U的端口和下部回路EH2B的端口两者通过管路连接，第四接口和压缩机CP的低压侧通过管路连接。

四通阀4DCV具有两个工作位置，这两个工作位置分别为第一工作位置和第二工作位置。当四通阀4DCV位于第一工作位置时，阀芯相对于阀体移动至第一接口和第三接口连通，此时压缩机CP的高压侧与上部回路EH2U和下部回路EH2B两者连通，压缩机CP的低压侧与第一换热器EH1连通，该空调系统进入制冷工况。

在制冷工况下，制冷剂的循环流程为：压缩机CP→四通阀4DCV→分为两路，一路流经上部回路EH2U，另一路依次流经下部回路EH2B和毛细管MV→气液分离器GLS→主路膨胀阀XV1→第一换热器EH1→四通阀4DCV→压缩机CP。

本系统制冷工况的工作原理是：通过压缩机CP把低温低压的制冷剂蒸气压缩为高温高压过热的蒸气，气态制冷剂流通过四通阀4DCV后分别流入第二换热器EH2的上部回路EH2U和下部回路EH2B，一路制冷剂在上部回路EH2U热交换后直接流入气液分离器GLS，另一路在下部回路EH2B热交换后经毛细管MV节流后流入气液分离器GLS，两路制冷剂汇合后流入主路膨胀阀XV1，经节流后变为饱和状态的制冷剂，该制冷剂流入到第一换热器EH1蒸发吸热气变为低温过热蒸气，最后经四通阀4DCV流回压缩机CP。空调系统不断循环制取冷水，把热量散发到空气中去。

当四通阀4DCV切换至第二工作位置时，阀芯相对于阀体移动至第一接口和第二接口连通，第三接口与第四接口连通，即压缩机CP的高压侧与第一换热器EH1连通，压缩机CP的低压侧与上部回路EH2U和下部回路EH2B两者连通，空调系统进入制热工况。

在制热工况下，制冷剂的循环流程为：压缩机CP→四通阀4DCV→第一换热器EH1→主路膨胀阀XV1→气液分离器GLS→分为两路，一路流入上部回路EH2U，另一路依次流经单向阀CV和下部回路EH2B→四通阀DCV4→压缩机CP。

本系统制热工况的工作原理是：通过压缩机CP把低温低压的制冷剂蒸气压缩为高温高压过热的蒸气，气态制冷剂流通过四通阀4DCV后进入到第一换热器EH1，通过热交换把热量传递到循环水中去，制冷剂冷凝为高温高压的液体，再由主路膨胀阀XV1节流处理后形成气液两相制冷剂，随后由气液分离器GLS气液分离处理为液态制冷剂和气态制冷剂。其中，液态制冷剂经流入第二换热器EH2的上部回路EH2U与外部环境热交换，吸热蒸发形成气态制冷剂；与此同时，气态制冷剂依次流经单向阀CV、下部回路EH2B和四通阀4DCV后被吸入压缩机CP内。空调系统不断循环制取热水，从空气中吸收热量。

参见图3，该图为本发明高效制热的分冷热泵空调系统第三实施方式的结构示意图。需要说明的是，为了提高本文的可读性，本文仅对第三实施方式相对于第二实施方式的区别点加以详细阐述，相同之处请参考前述第二实施方式的相关记载，根据前面记载本领域技术人员可以毫无疑义的实现该方案。

第三种实施方式相对于第二种实施方式的区别点为：第三种实施方式所提供空调系统的第二换热器的数量为两个，且这两个第二换热器并联设置，每个第二换热器分为相互独立的上部回路和下部回路。

为了便于说明，本文在此以方位词“前”和“后”来区分这两个第二换热器，且方位词“前”和“后”是以图3中压缩机为基准来设定，两个第二换热器中靠近压缩机侧的第二换热器为前部第二换热器EH2f，远离压缩机侧的第二换热器为后部第二换热器EH2b。需要说明的是，方位词“前”和“后”仅是为了区分两个第二换热器而设定，这些方位词的设定并不限定本专利的保护范围。

详细地，前部第二换热器EH2f的上部回路具有两个连接口，分别为第一上连接口和第二上连接口；前部第二换热器EH2f的下部回路也具有两个连接口，分别为第一下连接口和第二下连接口；后部第二换热器EH2b的上部回路具有两个连接口，分别为第三上连接口和第四上连接口；后部第二换热器EH2b的下部回路也具有两个连接口，分别为第三下连接口和第四下连接口。

其中，第一上连接口、第一下连接口、第三上连接口和第三下连接口通过管路分别与第一集流阀的第一接口、第二接口、第三接口和第四接口连接，四通阀4DCV的第四接口通过管路与第一集流阀的第五接口连接。

如此设置，在制冷工况下，来自压缩机CP的制冷剂经由四通阀4DCV流入第一集流阀，在集流阀内分为四路后分别流入前部第二换热器EH2f的上部回路、前部第二换热器EH2f的下部回路、后部第二换热器EH2b的上部回路、后部第二换热器EH2b的下部回路。反之，在制热工况下，前部第二换热器EH2f的上部回路、前部第二换热器EH2f的下部回路、后部第二换热器EH2b的上部回路、后部第二换热器EH2b的下部回路内的制冷剂通过对应地四个管路流入第一集流阀内，在第一集流阀汇流后流入四通阀4DCV，最后被吸入压缩机CP内。

前部第二换热器EH2f的上部回路和后部第二换热器EH2b的上部回路两者通过第二集流阀与气液分离器连接。详细地，第二上连接口与第二集流阀的第一接口连通，第四上连接口与第二集流阀的第二连接口连通，气液分离器GLS的液相端口与第二集流阀的第三连接口连通。

前部第二换热器EH2f的下部回路和后部第二换热器EH2b的下部回路两者通过第三集流阀与单向阀CV和毛细管MV并联组件连接。详细地，第二下连接口与第三集流阀的第一接口连通，第四下连接口与第三集流阀的第二接口连接，单向阀CV的截止端接口与第三集流阀的第三接口连通，毛细管MV的一端口与第三集流阀的第四接口连通。

单向阀CV和毛细管MV并联组件通过第四集流阀与气液分离器GLS连接。详细地，单向阀CV的导通端口与第四集流阀的第一接口连通，毛细管MV的另一端口与第四集流阀的第二接口连通，气液分离器GLS的气相端口与第四集流阀的第三接口连通。

如此设置，在制冷工况下：前部第二换热器EH2f的上部回路和后部第二换热器EH2b的上部回路内的制冷剂流入第二集流阀，在第二集流阀内汇集后经由液相出口流入气液分离器内；前部第二换热器EH2f的下部回路和后部第二换热器EH2b的下部回路内的制冷剂流入第三集流阀，在第三集流阀内汇流后经由毛细管MV节流后流入第四集流阀，再由第四集流阀流入气液分离器GLS内。

反之，在制热工况下：气液分离器GLS内的制冷剂经气液分离后，气态制冷剂依次流经第四集流阀和单向阀CV流入第三集流阀内，在第三集流阀内分流后分别流入前部第二换热器EH2f的下部回路和后部第二换热器EH2b的下部回路；液态制冷剂流入第二集流阀内，在第二集流阀分流后分别流入前部第二换热器EH2f的上部回路和后部第二换热器EH2b的上部回路。

显然，第三实施方式中的风冷热泵空调系统采用两组第二换热器，具有换热面积大，制热性能高的特点。

需要说明的是，本实施方式中的风冷热泵空调系统包括两个第二换热器，可以理解，第二换热器的数量并不仅限于两个。根据实际需要上述风冷热泵空调系统可采用多个第二换热器，且每个第二换热器之间并联设置。其中，多个是指大于或等于3的整数，如3、4、5、6、7等。此外，风冷热泵空调系统包括多个第二换热器时，每个第二换热器与其他器件之间的连接关系与前述两个第二换热器的相似，本领域技术人员根据上面的说明可以毫无疑义地实现，故而本文在此不再赘述。

参见图4，该图为本发明高效制热的风冷热泵空调系统的第四实施方式，该空调系统包括压缩机CP、第一换热器EH1、方向控制阀和主路膨胀阀XV1，以及相互并联设置的三个第二换热器，且每个第二换热器分为相互独立的上部回路和下部回路。

为了便于说明，本文在此以方位词“前”、“中”和“后”来区分这三个第二换热器，且方位词“前”、“中”和“后”是以图4中压缩机为基准来设定，三个第二换热器中靠近压缩机侧的第二换热器为前部第二换热器EH2f，远离压缩机侧的第二换热器为后部第二换热器EH2b，位于前部第二换热器EH2f和后部第二换热器EH2b之间的为中部第二换热器EH2m。需要说明的是，方位词“前”、“中”和“后”仅是为了区分三个第二换热器而设定，这些方位词并不限定本专利的保护范围。

继续参见图4，该空调系统还包括与前部第二换热器EH2f、中部第二换热器EH2m和后部第二换热器EH2b分别对应设置的第一三通阀3DCV1、第二三通阀3DCV2和第三三通阀3DCV3，以及与前部第二换热器EH2f、中部第二换热器EH2m和后部第二换热器EH2b分别对应设置的第一除霜开关阀SV1、第二除霜开关阀SV2和第三除霜开关阀SV3。

其中，第一三通阀DCV31设置于压缩机CP的高压侧、方向控制阀和前部第二换热器EH2f三者之间，以控制前部第二换热器EH2f可选择地与压缩机CP的高压侧或者与方向控制阀连通。第一除霜开关阀SV1设置于压缩机CP的高压侧和第一三通阀3DCV1之间，以控制压缩机CP的高压侧和第一三通阀3DCV1截止或导通。

同理，第二三通阀3DCV2设置于压缩机CP的高压侧、四通阀4DCV和中部第二换热器EH2m三者之间，以控制中部第二换热器EH2m可选择地与压缩机CP的高压侧或者方向控制阀连通。第二除霜开关阀SV2设置于压缩机CP的高压侧和第二三通阀3DCV2之间，以控制压缩机CP的高压侧与第二三通阀3DCV2截止或导通。

第三三通阀3DCV3设置于压缩机CP的高压侧、方向控制阀和第三第二换热器EH3三者之间，以控制后部第二换热器EH2b可选择地与压缩机CP的高压侧或者四通阀4DCV连通。第三除霜开关阀SV3设置于压缩机CP的高压侧和第三三通阀3DCV3之间，以控制压缩机CP的高压侧和第三三通阀3DCV3截止或导通。

该空调系统还包括与前部第二换热器EH2f、中部第二换热器EH2m和后部第二换热器EH2b分别对应设置的第一气液分离器GLS1、第二气液分离器GLS2和第三气液分离器GLS3；其中，第一气液分离器GLS1的气液混合端口与主路膨胀阀XV1连通，第一气液分离器GLS1的液相端口与前部第二换热器EH2f的上部回路连通；同理,第二气液分离器GLS2的气液混合端口与主路膨胀阀XV1连通，第二气液分离器GLS2的液相端口与中部第二换热器EH2m的上部回路连通；第三气液分离器GLS3的的气液混合端口与主路膨胀阀XV1连通，第三气液分离器GLS3的液相端口与后部第二换热器EH2b的上部回路连通。

继续参见图4，该空调系统还包括第一流量控制装置；第一流量控制装置设置于前部第二换热器EH2f的下部回路与第一气液分离器GLS1的气相端口之间，用于在制冷工况下节流由前部第二换热器EH2f的下部回路流向第一气液分离器GLS1的制冷剂，以及在制热工况下直接导通由第一气液分离器GLS1流入前部第二换热器EH2f的下部回路的制冷剂。

该空调系统还包括第二流量控制装置，第二流量控制装置设置于中部第二换热器EH2m的下部回路与第二气液分离器GLS2的气相端口之间，用于在制冷工况下节流由中部第二换热器EH2m下部回路流向第二气液分离器GLS2的制冷剂，以及制热工况下直接导通由第二气液分离器GLS2流入中部第二换热器EH2m的下部回路的制冷剂。

该风冷热泵空调系统还包括第三流量控制装置；第三流量控制装置设置于后部第二换热器EH2b的下部回路与第三气液分离器GLS3的气相端口之间，用于在制冷工况下节流由后部第二换热器EH2b的下部回路流向第三气液分离器GLS3的制冷剂，以及制热工况下直接导通由第三气液分离器GLS3流入后部第二换热器EH2b的下部回路的制冷剂。

继续参见图4，本实施方式中第一流量控制装置优选采用第一单向阀CV1和第一毛细管MV1的并联组件，第一单向阀CV1用于在制热工况下直接导通由第一气液分离器GLS1流入前部第二换热器EH2f的下部回路的制冷剂，第一毛细管MV1用于在制冷工况下节流由前部第二换热器EH2f的下部回路流向第一气液分离器GLS1的制冷剂。

同理，第二流量控制装置也优选采用第二单向阀CV2和第二毛细管MV2的并联组件，第二单向阀CV2用于在制热工况下直接导通由第二气液分离器GLS2流入中部第二换热器EH2m下部回路的制冷剂，第二毛细管MV2用于在制冷工况下节流由中部第二换热器EH2m的下部回路流向第二气液分离器GLS2的制冷剂。

第三流量控制装置也优选采用第三单向阀CV3和第三毛细管MV3的并联组件，第三单向阀CV3用于制热工况下直接导通由第三气液分离器GLS3流入后部第二换热器EH2b的下部回路的制冷剂，第三毛细管MV3用于制冷工况下节流由后部第二换热器EH2b的下部回路流向第三气液分离器GLS3的制冷剂。

进一步地，继续参见图4，第一气液分离器GLS1的气液混合端口与主路膨胀阀XV1通过第四正向单向阀CV4和第五反向单向阀CV5形成的并联组件连接；其中，第四正向单向阀CV4允许制冷剂由第一气液分离器GLS1流向主路膨胀阀XV1，第五反向单向阀CV5允许制冷剂由主路膨胀阀XV1流向第一气液分离器GLS1。

同理，第二气液分离器GLS2的气液混合端口与主路膨胀阀XV1通过第六正向单向阀CV6和第七反向单向阀CV7形成的并联组件连接；其中，第六正向单向阀CV6允许制冷剂由第二气液分离器GLS2流向主路膨胀阀XV1，第七反向单向阀CV7允许制冷剂由主路膨胀阀XV1流向第二气液分离器GLS2。

第三气液分离器GLS3的气液混合端口与主路膨胀阀XV1通过第八正向单向阀CV8和第九反向单向阀CV9形成的并联组件连接；其中，第八正向单向阀CV8允许制冷剂由第三气液分离器GLS3流向主路膨胀阀XV1，第九反向单向阀CV9允许制冷剂由主路膨胀阀XV1流向第三气液分离器GLS3。

进一步地，继续参见图4，本实施例的空调系统还包括并联设置的制冷开关阀SV4和旁路膨胀阀XV2组件，并联设置的制冷开关阀SV4和旁路膨胀阀XV2组件用于串联每个正向单向阀与主路膨胀阀。当三个第二换热器均位于制冷工况，制冷开关阀SV4开启，旁路膨胀阀XV2关闭；当三个第二换热器均位于制热工况，制冷开关阀SV4关闭，旁路膨胀阀XV2关闭；当三个第二换热器中至少有一个位于除霜状态时，制冷开关阀SV4关闭，旁路膨胀阀XV2启动节流。

本实施例中方向控制阀优选为四通阀4DCV，四通阀4DCV具有四个接口，这四个接口分别为第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；其中，第一接口和压缩机CP的高压侧通过管路连通，第二接口和第一换热器EH1的端口通过管路连通，第三接口与前部第二换热器EH2f、中部第二换热器EH2m和后部第二换热器EH2b连通，第四接口和压缩机CP的低压侧通过管路连通。

四通阀4DCV具有两个工作位置，这两个工作位置分别为第一工作位置和第二工作位置。当四通阀4DCV位于第一工作位置时，阀芯相对于阀体移动至第一接口和第三接口连通，此时压缩机CP的高压侧与前部第二换热器EH2f、中部第二换热器EH2m和后部第二换热器EH2b三者连通，压缩机CP的低压侧与第一换热器EH1连通，该风冷热泵空调系统进入制冷工况。

制冷工况下，第一除霜开关阀SV1、第二除霜开关阀SV2、第三除霜开关阀SV3和旁路主路膨胀阀XV12均位于关闭状态，制冷开关阀SV4开启。

制冷剂循环流程是：压缩机CP→4四通阀DCV→第一三通阀3DCV1、第二三通阀3DCV2和第三三通阀3DCV3→分为两路，一路流入前部第二换热器EH2f的上部回路、中部第二换热器EH2m的上部回路和后部第二换热器EH2b的上部回路，另一路依次流入前部第二换热器EH2f的下部回路和第一毛细管MV1，中部第二换热器EH2m的下部回路和第二毛细管MV2，后部第二换热器EH2b的下部回路和第三毛细管MV3→第一气液分离器GLS1、第二气液分离器GLS2和第三气液分离器GLS3→第四正向单向阀CV4、第六正向单向阀CV6、第八正向单向阀CV8→旁路膨胀阀XV2→主路膨胀阀XV1→第一换热器EH1→四通阀4DCV→压缩机CP。

本空调系统制冷工况的工作原理是：通过压缩机CP把低温低压的制冷剂蒸气压缩为高温高压过热的蒸气，气态制冷剂流经四通阀4DCV，再分别由三个三通阀流入三个第二换热器，通过热交换把热量传递到空气中去，制冷剂冷凝为高温高压的液体制冷剂；然后该制冷剂流经与各第二换热器分别对应设置的毛细管、气液分离器制冷剂和单向阀，再经由制冷开关阀SV4流入主路膨胀阀XV1，在主路主路膨胀阀XV1内汇流后节流变为饱和状态的制冷剂，进入到第一换热器EH1蒸发吸热变为低温过热蒸气，最后通过四通阀4DCV回到压缩机CP。空调系统不断循环制取冷水，把热量散发到空气中去。

制热工况下，第一除霜开关阀SV1、第二除霜开关阀SV2、第三除霜开关阀SV3、制冷开关阀SV4和旁路旁通阀XV2均位于关闭状态。

制冷剂循环流程是：压缩机CP→四通阀4DCV→第一换热器EH1→主路膨胀阀XV1→第五反向单向阀CV5、第七反向单向阀CV7、第九反向单向阀CV9→第一气液分离器GLS1、第二气液分离器GLS2、第三气液分离器GLS3→分为两路，一路流入前部第二换热器EH2f的上部回路、中部第二换热器EH2m的上部回路和后部第二换热器EH2b的上部回路，另一路依次流经第一单向阀CV1和前部第二换热器EH2f的下部回路、第二单向阀CV2和中部第二换热器EH2m的下部回路、第三单向阀CV3和后部第二换热器EH2b的下部回路→第一三通阀3DCV1、第二三通阀3DCV2和第三三通阀3DCV3→四通阀4DCV→压缩机CP。

该空调系统制热工况的工作原理是：通过压缩机CP把低温低压的制冷剂蒸气压缩为高温高压过热的蒸气，气态制冷剂流通过四通阀4DCV后进入到第一换热器EH1，通过热交换把热量传递到循环水中去，制冷剂冷凝为高温高压的液体，再由主路膨胀阀XV1节流处理后形成气液两相制冷剂，随后经由第五反向单向阀CV5、第七反向单向阀CV7和第九反向单向阀CV9分别流入对应地三个气液分离器内，由各个气液分离器气液分离处理为液态制冷剂和气态制冷剂。其中，液态制冷剂经流入与每个气液分离器对应设置的第二换热器的上部回路与外部环境热交换，吸热蒸发形成气态制冷剂；与此同时，气态制冷剂分别流经第一单向阀CV1、第二单向阀CV2和第三单向阀CV3后进入对应第二换热器的下部回路，最后流经四通阀4DCV被吸入压缩机CP。空调系统不断循环制取热水，从空气中吸收热量。

在制热工况下，当环温较低时第二换热器会结霜，本空调系统可对三个第二换热器逐个除霜。

当给前部第二换热器EH2f除霜时，关闭前部第二换热器EH2f的风机，关闭第二除霜开关阀SV2和第三除霜开关阀SV3，开启第一除霜开关阀SV1和旁路膨胀阀XV2，压缩机CP的高压侧与第一三通阀3DCV1导通，控制第一三通阀3DCV1使前部第二换热器EH2f与压缩机CP的高压侧连通，高压气态制冷剂进入前部第二换热器EH2f开始除霜，制冷剂在前部第二换热器EH2f1的上部回路和下部回路中冷凝后，流经第一气液分离器GLS1和第四正向单向阀CV4，在经过旁路膨胀阀XV2节流后进入主管道，与经进主路膨胀阀XV1节流后制冷剂混合后进入其它工作在制热状态的中部第二换热器EH2m和后部第二换热器EH2b中进行蒸发。

当给中部第二换热器EH2m除霜时，关闭中部第二换热器EH2m的风机，关闭第一除霜开关阀SV1、第三除霜开关阀SV3和制冷开关阀SV4，开启第二除霜开关阀SV2和旁路膨胀阀XV2，压缩机CP的高压侧与第二三通阀3DCV2导通，控制第二三通阀3DCV2使中部第二换热器EH2m与压缩机CP的高压侧连通。高压气态制冷剂进入中部第二换热器EH2m开始除霜，制冷剂在中部第二换热器EH2m的上部回路和下部回路中冷凝后，流经第二气液分离器GLS2和第六正向单向阀CV6，经旁路主路膨胀阀XV2节流后，进入主管道，与经进主路膨胀阀XV1节流后制冷剂混合后进入其它工作在制热状态的前部第二换热器EH2f和后部第二换热器EH2b中进行蒸发。

当给后部第二换热器EH2b除霜时，关闭后部第二换热器EH2b的风机，关闭第一除霜开关阀SV1、第二除霜开关阀SV2和制冷开关阀SV4，开启第三除霜开关阀SV3和旁路主路膨胀阀XV12，压缩机CP的高压侧与第三三通阀3DCV3导通，控制第三三通阀3DCV3使后部第二换热器EH2b与压缩机CP的高压侧连通。高压气态制冷剂进入后部第二换热器EH2b开始除霜，制冷剂在后部第二换热器EH2b的上部回路和下部回路中冷凝后，流经第三气液分离器GLS3和第八正向单向阀CV8，经过旁路膨胀阀XV2节流后，进入主管道，与经进主路膨胀阀XV1节流后制冷剂混合后进入其它工作在制热状态的前部第二换热器EH2f和中部第二换热器EH2m中进行蒸发。

可见，本空调系统只对一个第二换热器除霜，该第二换热器除霜完成后再对其它第二换热器除霜。所以在除霜过程中，空调系统仍保持制热循环，不会从第一换热器EH1中吸收热量用于除霜，可使整个除霜过程中用户水温波动小，舒适性得到保障。

此外，第二换热器逐个除霜时，处于除霜状态的第二换热器中的压力从低到高逐渐升高，设置旁路膨胀阀XV2并连接到经主路膨胀阀XV1节流后的低压管路中。通过旁路膨胀阀XV2的控制，使处于除霜中的第二换热器中的制冷剂能够顺利排出，且实现流量可控，使第二换热器的温度更快上升，达到快速除霜的效果。

当然，该空调系统的第四正向单向阀CV4、第六正向单向阀CV6和第八正向单向阀CV8也可以直接连接到主路膨胀阀XV1的高压管路上。如此设置，位于除霜状态的第二换热器完全依靠空调系统的压力自平衡进行排液，但是排液速度相对较慢，除霜时间较长。

需要说明的是，本实施方式中的风冷热泵空调系统包括三个第二换热器，可以理解，第二换热器的数量并不仅限于三个。根据实际需要上述风冷热泵空调系统可采用两个或换多个热器，且各第二换热器之间并联设置。其中，多个是指大于或等于3的整数，如3、4、5、6、7等。此外，风冷热泵空调系统包括两个或除了3外的多个第二换热器时，各个第二换热器与其他器件之间的连接关系与前述两个第二换热器的相似，本领域技术人员根据上面的说明可以毫无疑义地实现，故而本文在此不再赘述。

上述四种实施方式中本发明所提供的空调系统，在制热工况下，经主路膨胀阀节流形成的气液两相制冷剂在气液分离器中分离为气态制冷剂和液态制冷剂后，再分别流入第二换热器中相互独立的上部回路和下部回路内参与热交换，保证了上部回路基本上为纯液态制冷剂，下部回路内基本上为纯气态制冷剂，相应地，由于上部回路的流程大于下部回路的流程，使得液态制冷剂能够更充分地进行热交换并因此被更彻底地蒸发，从而提升空调系统在各种工况下的制热能力。

进一步，由于第二换热器下部回路流程较短，在制冷工况下，单向阀关闭，液态制冷剂经毛细管节流后依次流经气液分离器和主路膨胀阀后进入第一换热器内，这样可以限制冷剂由下部回路流向气液分离器时的流量，以防止因制冷剂流量过大导致大量未经冷凝的气态制冷剂进入气液分离器中问题。同时，在制热工况下制冷剂通过单向阀旁通由气液分离器流入下部回路，这样保证了制热工况下制冷剂流通的畅通性，从而保证了整个制冷工况的正常进行。

需要说明的是，上述三四种实施方式所提供的风冷热泵空调系统除了解决制热工况下第二换热器中制冷剂分配问题外，还具备一下几个特点，分别为：

第一，在同等换热量下缩小了饱和蒸发温度与空气换热温差，降低了机组的结霜温度，延长了除霜周期，拓展了机组的运行范围。

第二，在制热工况下，第二换热器下部回路为气态制冷剂，换热量较小，温度较上部回路高，结霜量较小。

第三，在除霜工况下，第二换热器下部回路温度也高于上部回路，使霜层迅速融化，从而除霜排水更通畅，进而改善了除霜排水的效果。

第四，在制冷工况下，第二换热器的下部回路也可用于冷凝换热，使得第二换热器的换热面积得到充分利用。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效制热的风冷热泵空调系统，包括压缩机、第一换热器、第二换热器、方向控制阀和主路膨胀阀，其特征在于，所述空调系统还包括气液分离器；

所述第二换热器分为相互独立的上部回路和下部回路，所述上部回路与所述气液分离器的液相端口连通，所述下部回路与所述气液分离器的气相端口连通，所述主路膨胀阀连接所述第一换热器和所述气液分离器的气液混合端口，并且所述上部回路的流程大于所述下部回路的流程；

在制冷工况下，所述方向控制阀位于第一工作位置，以控制所述压缩机的高压侧与所述上部回路和所述下部回路两者连通，所述压缩机的低压侧与所述第一换热器连通；

在制热工况下，所述方向控制阀位于第二工作位置，以控制所述压缩机的高压侧与所述第一换热器连通，所述压缩机的低压侧与所述上部回路和所述下部回路两者连通。

2.根据权利要求1所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，所述下部回路和所述气液分离器通过流量控制装置连接，所述流量控制装置用于在制冷工况下节流由所述下部回路流入所述气液分离器的制冷剂，以及在制热工况下直接导通由所述气液分离器流入所述下部回路的制冷剂。

3.根据权利要求2所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，所述流量控制装置为单向阀和毛细管的并联组件，所述毛细管用于在制冷工况下节流由所述下部回路流入所述气液分离器的制冷剂，所述单向阀用于在制热工况下直接导通由所述气液分离器流入所述下部回路的制冷剂。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，所述第二换热器的数量为两个或多个，且两个或多个所述第二换热器并联设置。

5.根据权利要求1所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，所述第二换热器的数量为两个或多个，所述空调系统还包括与每个所述第二换热器对应设置的三通阀、除霜开关阀和所述气液分离器；

所述三通阀设置于所述压缩机的高压侧、所述方向控制阀和对应的所述第二换热器三者之间，用于控制所述第二换热器可选择地与所述压缩机的高压侧连通或者与所述方向控制阀连通；

所述除霜开关阀设置于所述压缩机的高压侧与所述三通阀之间，用于控制所述压缩机的高压侧和所述三通阀的截止或导通。

6.根据权利要求5所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，每个所述气液分离器的入口与所述主路膨胀阀通过由正向单向阀和反向单向阀构成的并联组件连接；其中，正向单向阀允许制冷剂由对应的所述气液分离器流向所述主路膨胀阀，反向单向阀允许制冷剂由所述主路膨胀阀流向对应的所述气液分离器。

7.根据权利要求6所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，所述空调系统还包括并联设置的制冷开关阀和旁路膨胀阀组件，所述并联设置的制冷开关阀和旁路膨胀阀组件用于串联每个所述正向单向阀与所述主路膨胀阀；

每个所述第二换热器均位于制冷工况时，所述制冷开关阀开启，所述第二膨胀阀关闭；

每个所述第二换热器均位于制热工况时，所述制冷开关阀关闭，所述第二膨胀阀关闭

至少一个所述第二换热器位于除霜状态时，所述制冷开关阀关闭，所述第二膨胀阀启动。

8.根据权利要求5至7任一项所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，每个所述下部回路和对应的所述气液分离器通过流量控制装置连接，所述流量控制装置用于在制冷工况下节流由所述下部回路流入所述气液分离器的制冷剂，以及在制热工况下直接导通由所述气液分离器流入所述下部回路的制冷剂。

9.根据权利要求8所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，所述流量控制装置为单向阀和毛细管的并联组件，所述毛细管用于在制冷工况下节流由所述下部回路流入所述气液分离器的制冷剂，所述单向阀用于在制热工况下直接导通由所述气液分离器流入所述下部回路的制冷剂。

10.根据权利要求1至3或者5至7中任一项所述的高效制热的风冷热泵空调系统，其特征在于，所述气液分离器的液相端口设置在其底部，所述气液分离器的气相端口设置在其顶部，所述气液分离器的气液混合端口设置在其中部。

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