热泵系统及其控制方法与流程

本发明涉及供热设备技术领域，尤其涉及一种热泵系统及其控制方法。

背景技术：

空气源热泵作为一种以空气为低温热源，通过少量高位电能驱动，将空气中的低位热能提升成高位热能加以利用的装置，具有高效节能，环保无污染等特点被认为是减少co2排放和降低对化石燃料依赖程度最具有发展潜力供热设备。空气源热泵在环境温度相对较高时，运行性能良好，但是在室外环境较低情况下，热泵系统并不能高效、可靠、稳定的运行。我国北方地区，在冬季气温大幅降低，且昼夜温差较大，影响了空气源热泵的制热能力输出，也制约了空气源热泵在北方的应用推广。

此外，如单独使用水或土壤作为热源，热源的温度也会受到气候的影响，从而影响热泵的制热效率。

技术实现要素：

有鉴如此，本发明提供一种热泵系统及其控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种热泵系统，包括制冷剂回路和至少一个第二热源回路，所述第二热源回路用于与所述制冷剂回路进行热量交换，所述制冷剂回路包括第一热源换热器、第二热源换热器和用户侧换热器，所述第一热源换热器为空气源换热器，所述第一热源换热器和第二热源换热器并联，所述第一热源换热器和第二热源换热器分别与所述用户侧换热器串联，

所述制冷剂回路经所述第一热源换热器与室外空气进行热量交换，经所述第二热源换热器与所述第二热源回路进行热量交换，并经所述用户侧换热器与室内空气进行热量交换。

优选地，所述制冷剂回路还包括压缩机、四通换向阀、第一膨胀阀和第二膨胀阀，

所述压缩机的进气口与所述四通换向阀的第四端口连接，出气口与所述四通换向阀的第三端口连接，所述四通换向阀的第一端口分别与所述第一热源换热器的第二端口和第二热源换热器的第一组端口的第二端口连接，所述用户侧换热器的第一组端口的第一端口与所述四通换向阀的第二端口连接，所述用户侧换热器的第一组端口的第二端口分成第一支路和第二支路，所述第一支路与所述第一热源换热器的第一端口连接，所述第二支路与所述第二热源换热器的第一组端口的第一端口连接，

所述第一膨胀阀连接于所述第一支路上，所述第二膨胀阀连接于所述第二支路上。

优选地，所述热泵系统的运行包括制冷模式和制热模式，

其中，在制热模式下，所述四通换向阀的第一端口和第四端口连通，第二端口和第三端口连通；

在制冷模式下，所述四通换向阀的第一端口和第三端口连通，第二端口和第四端口连通。

优选地，所述制冷剂回路还包括风扇，所述风扇设于所述第一热源换热器的一侧，用于将空气吹向所述第一热源换热器。

优选地，所述第一热源换热器的空气进入端口上连接有第一温度检测仪，第二端口上连接有第二温度检测仪，

所述第二热源换热器的第一组端口的第二端口上设有第四温度检测仪。

优选地，所述第二热源回路还包括第一工质泵和埋地管，所述埋地管埋于土壤中，用于吸收土壤中的热量，

所述第一工质泵的吸入口与所述埋地管的第一端口连接，所述工质泵外排口与所述第二热源换热器的第二组端口的第一端口连接，所述第二热源换热器的第二组端口的第二端口与所述埋地管的第二端口连接。

优选地，所述第一工质泵的外排口与所述第二热源换热器的第二组端口的第一端口之间连接有第三温度检测仪。

优选地，还包括用户侧热交换回路，所述用户侧热交换回路包括第二工质泵和终端换热器，并且经所述用户侧换热器与冷却剂回路进行热交换，

其中，所述第二工质泵的吸入口与所述终端换热器的第二端口连接，外排口与所述用户侧换热器的第二组端口的第二端口连接，所述用户侧换热器的第二组端口的第一端口与所述终端换热器的第一端口连接。

根据本发明的第二方面，提供一种热泵系统的控制方法，包括：

分别获取第一热源与制冷剂回路之间的热交换速率，以及第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率，其中第一热源为空气源热源；

根据所获取的所述第一热源与制冷剂回路之间的热交换速率，以及所述第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率，判定启用第一热源和第二热源中的至少其中之一与用户侧进行热交换。

优选地，所述获取第一热源与制冷剂回路之间的热交换速率包括：

检测所述第一热源换热器的空气进入端口的空气入口温度t1和制冷剂出口温度t2，测出所述第一热源换热器的换热效率系数εa，以及检测流经所述第一热源换热器的空气流量ga，

根据公式qa＝ga·ca·εa·|t1-t2|，计算第一热源换热器的换热速率qa，其中，ca为空气比热容。

优选地，所述检测第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率包括：

检测第二热源换热器的工质入口温度t3和制冷剂出口温度t4，测出所述第二热源换热器的换热效率系数εs，以及检测流经第二热源换热器的工质流量gs，

根据公式qs＝gs·cs·εs·|t3-t4|，计算第二换热器的换热速率qs，其中，cs为第二热源换热器工质的比热容。

优选地，根据所获取的所述第一热源与制冷剂回路之间的热交换速率，以及所述第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率，判定启用第一热源和第二热源中的至少其中之一包括：

将所获取的所述第一热源与制冷剂回路之间的热交换速率，以及所述第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率的值与用户侧的预设温度值相比较，并根据比较结果确定择所述第一热源和第二热源的至少其中之一启用，与用户侧进行热交换，以与用户需求相匹配。

本发明提供的热泵系统，能够根据不同的环境以及用户的需要，例如南北方等地区差异，以及季节变换等，选择多套热源或者多套热源之间的切换来满足用户的温度调节需求。尤其是在北方的冬季，利用空气热源和其他热源相结合的方式，形成复合型热源供热，能够将多种形式的低温热源补充入空气热源的供热负荷中，提高热泵机组的供热能力和运行稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了根据本发明实施例的热泵系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的热泵系统的控制方法的流程图。

图中：第一热源换热器1、第二热源换热器2、用户侧换热器3、压缩4、四通换向阀5、第一膨胀阀61、第二膨胀阀62、风扇7、第一温度检测仪81、第二温度检测仪82、第三温度检测仪83、第四温度检测仪84、第一工质泵91、第二工质泵92、终端换热器10、土壤100、埋地管1。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出根据本发明实施例的热泵系统的结构示意图。如图1所示，该热泵系统包括制冷剂回路和至少一个第二热源回路，所述第二热源回路用于与所述制冷剂回路进行热量交换，所述制冷剂回路包括第一热源换热器1、第二热源换热器2和用户侧换热器3，所述第一热源换热器1为空气源换热器，所述第一热源换热器1和第二热源换热器2并联，所述第一热源换热器1和第二热源换热器2分别与所述用户侧换热器3串联。

所述制冷剂回路经所述第一热源换热器1与室外空气进行热量交换，经所述第二热源换热器2与所述第二热源回路进行热量交换，并经所述用户侧换热器3与室内空气进行热量交换。

所述制冷剂回路还包括压缩机4、四通换向阀5、第一膨胀阀61和第二膨胀阀62。其中，所述压缩机4的进气口与所述四通换向阀5的第四端口连接，出气口与所述四通换向阀5的第三端口连接。所述四通换向阀5的第一端口分别与所述第一热源换热器1的第二端口和第二热源换热器2的第一组端口的第二端口连接，所述用户侧换热器3的第一组端口的第一端口与所述四通换向阀5的第二端口连接。所述用户侧换热器3的第一组端口的第二端口分成第一支路和第二支路，所述第一支路与所述第一热源换热器1的第一端口连接，所述第二支路与所述第二热源换热器2的第一组端口的第一端口连接。所述第一膨胀阀61连接于所述第一支路上，所述第二膨胀阀62连接于所述第二支路上。用户侧换热器3的第一组端口，以及第二热源换热器2的第一组端口均用于连接制冷剂管路。

所述热泵系统的运行包括制冷模式和制热模式。其中，在制热模式下，所述四通换向阀5的第一端口和第四端口连通，第二端口和第三端口连通；在制冷模式下，所述四通换向阀5的第一端口和第三端口连通，第二端口和第四端口连通。

所述制冷剂回路还包括风扇7，所述风扇7设于所述第一热源换热器1的一侧，用于将空气吹向所述第一热源换热器1。

所述第一热源换热器1的空气进入端口上连接有第一温度检测仪81，第二端口上连接有第二温度检测仪82，所述第二热源换热器2的第一组端口的第二端口上设有第四温度检测仪84。其中，第一温度检测仪81用于检测第一热源换热器1的空气进入端口处的空气入口温度t1，第二温度检测仪82用于检测第一热源换热器1的制冷剂出口温度t2，第三温度检测仪83用于检测第二热源换热器2的工质入口温度t3，第四温度检测仪84用于检测第二热源换热器2的制冷剂出口温度t4。

第二热源回路的第二热源可以为诸如土壤100、地下水、海水、河水、污水、工业余热、太阳能、风电消纳蓄热锅炉等任一种或者几种可以提供热能的热源。该实施例中，第二热源选为土壤100。

所述第二热源回路还包括第一工质泵91和埋地管11，所述埋地管11埋于土壤100中，用于吸收土壤100中的热量。所述第一工质泵91的吸入口与所述埋地管11的第一端口连接，所述工质泵外排口与所述第二热源换热器2的第二组端口的第一端口连接，所述第二热源换热器2的第二组端口的第二端口与所述埋地管11的第二端口连接。第二热源换热器2的第二组端口用于连接第二热源回路中的工质管道。

进一步地，还包括用户侧热交换回路，所述用户侧热交换回路包括第二工质泵92和终端换热器10，并且经所述用户侧换热器3与冷却剂回路进行热交换。

其中，所述第二工质泵92的吸入口与所述终端换热器10的第二端口连接，外排口与所述用户侧换热器3的第二组端口的第二端口连接，所述用户侧换热器3的第二组端口的第一端口与所述终端换热器10的第一端口连接。终端换热器10可为设于室内的蒸发器，用于将来自第一热源和第二热源的热量传递至室内，或者将室内的热量交换至室外。所述用户侧换热器3的第二组端口用于连接用户侧热交换回路的工质管道。

该实施例中，制冷剂回路中的制冷剂选为氟利昂，第二热源回路和用户侧热交换回路中的工质选为水或者防冻液。各个流体元器件之间通过管路连接。

该实施例中的热泵系统，具有制冷模式和制热模式。首先对其制热模式进行详细介绍。

制热模式：

在该模式下，所述四通换向阀5的第一端口和第四端口连通，第二端口和第三端口连通。制冷剂沿着图1中箭头所示方向流动，经过压缩机4压缩4后的制冷剂流经用户侧换热器3，然后分别流经第一热源换热器1和第二热源换热器2，并经四通换向阀5流回压缩机4。在流经第一热源换热器1时，风扇7将室外空气自第一热源换热器1的空气进入端口吹入第一热源换热器1，空气与制冷剂进行热量交换将热量传至制冷剂。同时，第一工质泵91启动，工质在第二热源回路中循环，将土壤100中的热量吸收至工质中，流经第二热源换热器2的工质与流经第二热源换热器2的制冷剂进行热量交换，将热量传至制冷剂。吸收空气和土壤100中的热量后的制冷剂回流至压缩机4，经压缩机4做功压缩4后，温度进一步提高，然后流经用户侧换热器3，将热量传至流经用户侧热交换回路中的工质，并最终传至蒸发器，并经蒸发器传至室内。该过程中，也可启动风扇7，而关闭第二热源回路，仅利用第一热源，即空气进行热量交换；或者关闭风扇7，而启动第二热源回路，仅利用第二热源，即土壤100进行热量交换。具体情况，可根据用户需求而定。

制冷模式：

在该模式下，所述四通换向阀5的第一端口和第三端口连通，第二端口和第四端口连通。制冷剂与制热模式时的流动方向相反，即沿着图中箭头所示的反向流动，将室内的热量传至室外空气和土壤100中的至少其中之一。制冷剂具体流动情况可对比制热模式的描述，此处不再赘述。

本发明还提供一种该热泵系统的控制方法。如图2所示，包括如下步骤：

s01)、分别获取第一热源与制冷剂回路之间的热交换速率，以及第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率，其中第一热源为空气源热源。

该热泵系统制作完成后，经过系列工况下的换热实验，分别确定第一热源换热器1热效率系数与风扇7转速和压缩机4转速之间的关系曲线，此处称为第一关系曲线。以及第二热源换热器2的换热效率系数与第一工质泵91转速和压缩机4转速之间的关系曲线，此处称为第二关系曲线。将获取的第一关系曲线和第二关系曲线记录于存储器中。

第一温度检测仪81检测所述第一热源换热器1的空气进入端口的空气入口温度t1，第二温度检测仪82检测制冷剂出口温度t2，第三温度检测仪83检测第二热源换热器2的工质入口温度t3，第四温度检测仪84检测制冷剂出口温度t4。各个温度检测仪将检测到的温度信号传输至控制器。

同时，测出所述第二热源换热器2的换热效率系数εs，以及检测流经第二热源换热器2的工质流量gs。测出所述第一热源换热器1的换热效率系数εa，以及检测流经所述第一热源换热器1的空气流量ga。

控制器接收到各个温度检测仪送来的温度信号后计算温度差

δt1＝|t2-t1|和δt2＝|t4-t3|，然后读取存储器内记录的第一关系曲线和第二关系曲线，根据检测温差、换热效率系数εa、空气流量ga、工质流量gs、空气比热容ca和工质比热容cs分别计算在相应工况下，制冷剂分别在第一热源换热器1和第二热源换热器2中单位时间可获取的热量，即计算第一热源与制冷剂回路之间的热交换速率qa，以及第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率qs。计算公式如下所示：

qa＝ga·ca·εa·δt1(1)

qs＝gs·cs·εs·δt2(2)

s02)、根据所获取的所述第一热源回路与制冷剂回路之间的热交换速率，以及所述第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率，判定启用第一热源和第二热源中的至少其中之一与用户侧进行热交换。

具体地，控制器将所获取的所述第一热源与制冷剂回路之间的热交换速率，以及所述第二热源与制冷剂回路之间的热交换速率的值与用户侧的预设温度值相比较，并根据比较结果确定择所述第一热源和第二热源的至少其中之一启用，与用户侧进行热交换，以与用户需求相匹配。

在室内热量需求较大时，同时开启第二热源回路，并启动风扇7，利用空气和土壤100两个热源对制冷剂进行加热，并最终将热量传至用户侧的室内，对室内温度进行调节。当用户侧热量需要较小时，可择第一热源的其中之一进行热量交换，从而对室内温度进行调节。此时，仅需对应的关闭风扇7或者第二热源回路即可。控制器在单套工作模式间切换过程中，也考虑两套热源回路的单位时间运营成本。

本申请中的热泵系统，能够根据不同的环境以及用户的需要，例如南北方等地区差异，以及季节变换等，选择多套热源或者多套热源之间的切换来满足用户的温度调节需求。尤其是在北方的冬季，利用空气热源和其他热源相结合的方式，形成复合型热源供热，能够将多种形式的低温热源补充入空气热源的供热负荷中，提高热泵机组的供热能力和运行稳定性。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。