一种复叠式热泵运行方法及系统与流程

1.本发明涉及空调设备技术领域，特别地涉及一种复叠式热泵运行方法及系统。


背景技术：

2.普通单级空气源热泵系统具有结构简单、系统可靠等优点，但其蒸发温度往 往受环境温度的限制，冷凝温度则由热泵装置的用途确定。当室外环境温度降低 或冷凝温度升高时,随着压缩机的压比增大，导致制冷量下降、耗功增加、制热性 能系数降低、压缩机输气量及效率下降，经济性降低等问题，而且普通单级压缩 热泵机组冬季制热性能衰减甚至无法正常工作，阻碍了热泵机组在北方寒冷地区 的推广应用，解决此问题的方法之一是采用复叠式热泵循环系统。
3.目前，常规的复叠热泵系统由高温级和低温级组成，在低温工况下可大幅提 升性能，但是在常温工况下由于高温级、低温级都需要开启工作，存在系统功率 高、性能差、不节能等问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种复叠式热泵运行方法及系统， 可根据工况环境温度自适应采用性能较高的运行模式，进而提升热泵系统全年制 取高温热水的性能。
5.本发明的一种复叠式热泵运行方法，包括：
6.获取当前环境温度；
7.将当前环境温度与预设切换温度进行比对；
8.根据比对结果，在单级压缩运行与复叠运行之间切换所述复叠式热泵的运行 模式。
9.在一个实施方式中，所述预设切换温度的值根据在同等加热目标下所述复叠 运行与所述单级压缩的性能一致的目标环境温度确定。通过本实施方式，以同等 加热目标温度下所述复叠运行与所述单级压缩的性能一致的环境温度作为临界 值，由于在常温或高于常温的工况下，热泵复叠运行的性能随工况温度升高而降 低，以此来作为所述热泵进行切换的临界点，使得所述热泵在任一工况温度下都 能够按照性能更高的方式运行。
10.在一个实施方式中，所述预设切换温度包括温度上限与温度下限，所述温度 上限为所述目标环境温度的值与预设缓冲温度值之和，所述温度下限为所述目标 环境温度的值与预设缓冲温度值之差；
11.若所述当前环境温度值不小于所述温度上限值，所述复叠式热泵以单级压缩 方式运行；
12.若所述当前环境温度值不大于所述温度下限值，所述复叠式热泵以复叠运行 方式运行；
13.若所述当前环境温度值大于所述温度下限值且小于所述温度上限值，所述复 叠
式热泵维持当前的运行方式。通过本实施方式，设置一个温度过渡区间，使得 所述当前环境温度值能够落入不同的三个区间内，避免所述热泵由于当前环境温 度频繁落入所述预设切换温度两端而频繁切换运行方式，影响所述热泵正常工作。
14.在一个实施方式中，所述单级压缩运行方式为所述复叠式热泵的高温级单独 运行，所述复叠运行方式为所述复叠式热泵的低温级与高温级同时运行。
15.在一个实施方式中，所述预设缓冲温度值的大小为1～2℃，通过本实施方式， 由于所述热泵在所述预设切换温度下以所述复叠运行或以所述单级压缩运行时， 性能最为接近，而以所述预设切换温度数值为中心，分别加减1～2℃的温度下， 所述热泵的性能仍然差别较小。
16.本发明的一种复叠式热泵运行系统，包括：分别与蒸发冷凝器连接的高温级 部件和低温级部件，所述高温级部件包括与用户端换热的高温级冷凝器；
17.所述热泵系统能够以单级压缩或复叠运行中任一方式运行；
18.所述热泵系统复叠运行时，所述高温级冷凝器通过所述蒸发冷凝器与低温级 蒸发器进行换热；
19.所述热泵系统单级压缩运行时，所述高温级冷凝器与所述高温级部件的高温 级蒸发器进行换热。
20.在一个实施方式中，所述低温级部件包括形成低温级冷媒循环路径的低温级 压缩机、第一四通阀、闪蒸器以及低温级蒸发器，通过本实施方式，所述低温级 部件在复叠运行中利用闪蒸器提升机组运行能力和能效，低温级压缩机在制热过 程中将冷媒压缩后进入蒸发冷凝器向所述高温级进行放热，低温级蒸发器供所述 冷媒吸收空气中热量，换热还原为低压低温状态，并经第一四通阀送至所述低温 级压缩机内，以完成所述低温级冷媒的循环使用。
21.在一个实施方式中，所述闪蒸器的出口端分别与所述低温级压缩机以及所述 低温级蒸发器连接，所述闪蒸器与所述低温级压缩机之间的所述低温级管路上设 置有电磁阀，通过本实施方式，在制热时开启电磁阀，所述闪蒸器的出口端与所 述低温级压缩机连接，以作为辅路供所述冷媒进入所述低温级压缩机补气口；在 化霜时关闭电磁阀，使得冷媒经由四通阀全部进入所述低温级蒸发器进行放热除 霜作业。
22.在一个实施方式中，所述高温级部件还包括与所述高温级蒸发器连接以形成 高温级冷媒循环路径的高温级压缩机、第二四通阀以及高温级冷凝器，通过本实 施方式，所述高温级部件能够在所述热泵单级压缩运行时单独运行，所述高温级 冷凝器与水换热以制取热水，所述高温级蒸发器吸收空气中热量，将冷媒还原为 低压低温状态；所述热泵复叠运行时，高温级蒸发器关闭，所述高温级冷媒依靠 低温级部件供热来进行还原。
23.在一个实施方式中，经过所述高温级蒸发器的高温级管路上并联有经过所述 蒸发冷凝器的高温级管路，通过本实施方式，通过并联有经过所述蒸发冷凝器的 高温级管路，使得所述热泵能够在不同运行方法中选择对应的所述蒸发冷凝器或 所述高温级蒸发器工作，提高所述热泵性能。
24.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能 够达到本发明的目的。
25.本发明提供的一种复叠式热泵运行方法及系统，与现有技术相比，至少具备 有以
下有益效果：
26.(1)能够在不同环境温度下以性能更高的运行方式工作，提升热泵系统制 取高温热水的性能。
27.(2)低温级部件中设置闪蒸式补气增焓系统，提升低温级在低环温时机组 运行能力和能效。
附图说明
28.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
29.图1显示了本发明的热泵系统的结构示意图；
30.图2显示了本发明的一个实施例的热泵系统的结构示意图；
31.图3显示了本发明的一个实施例的热泵系统的结构示意图；
32.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。附图标记：1-低温级部件，2-高温级部件，3-低温级压缩机，4-第一四通阀，5-闪蒸器， 6-低温级蒸发器，7-电磁阀，8-高温级压缩机，9-第二四通阀，10-高温级冷凝器， 11-高温级蒸发器，12-蒸发冷凝器，13-第一电子膨胀阀，14-第二电子膨胀阀，15
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第三电子膨胀阀，16-第四电子膨胀阀，17-经济器。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
34.本发明提供了一种复叠式热泵运行方法，包括：
35.获取当前环境温度；
36.将当前环境温度与预设切换温度进行比对；
37.根据比对结果，在单级压缩运行与复叠运行之间切换所述复叠式热泵的运行 模式。由于常规的复叠热泵系统由高温级和低温级组成，虽然在低温工况下可大 幅提升性能，但是在常温工况下由于高温级、低温级都需要开启工作，此时热泵 系统即显得整体性能较低，浪费能源；因此将热泵设置为可在单级压缩和复叠运 行这两种方式中任意切换的方式运行，选择当前温度工况下性能更高的方式运行， 大幅提升系统全年制取热水的性能。
38.在一个实施例中，所述预设切换温度的值根据在同等加热目标下所述复叠运 行与所述单级压缩的性能一致的目标环境温度确定；
39.当当前环境温度值大于预设切换温度值时，单级压缩的性能高于复叠运行的 性能；
40.当当前环境温度值小于预设切换温度值时，单级压缩的性能低于复叠运行的 性能。
41.需要说明的是，由于热泵复叠运行的性能呈现随工况温度升高而降低的趋势， 当工况温度升高到某一值时，复叠运行的性能与单级压缩的性能最为接近，而当 工况温度超过此值时，复叠运行将不具备性能优势，由于设备开启过多，导致其 运行时的性能低于单级压缩的性能；因此，将在同等加热目标温度下复叠运行与 单级压缩的性能最为相近的环
境温度作为临界值，通过判断当前工况温度与临界 值的大小即可判断出性能更高的运行方式。
42.在一个实施例中，所述预设切换温度包括温度上限与温度下限，所述温度上 限为所述目标环境温度的值与预设缓冲温度值之和，所述温度下限为所述目标环 境温度的值与预设缓冲温度值之差；避免热泵由于工况温度频繁落入临界值两端 而频繁切换运行方式，影响热泵正常工作。
43.需要说明的是，以预设切换温度作为t0，缓冲值作为δt，那么切换温度过 渡区域x即为：t0-δt≤x≤t0+δt；
44.那么，当前工况温度的值落入x中时，热泵保持目前的运行状态；
45.显然，当前工况温度的值》t0+δt时，热泵切换为以单级压缩方式运行；
46.当前工况温度的值《t0+δt时，热泵切换为以复叠运行方式运行；
47.在一个实施例中，所述预设缓冲温度值的大小为1～2℃。
48.本发明提供了一种复叠式热泵运行系统，包括：
49.分别与蒸发冷凝器连接的高温级部件2和低温级部件1；
50.高温级部件2包括与用户端换热的高温级冷凝器11；
51.热泵系统能够以单级压缩或复叠运行中任一方式运行；
52.热泵系统复叠运行时，高温级冷凝器10通过蒸发冷凝器12与低温级蒸发器 6进行换热；
53.热泵系统单级压缩运行时，高温级冷凝器10与高温级蒸发器11进行换热。
54.需要说明的是，热泵系统复叠运行时，高温级部件2以及低温级部件1内的 冷媒均能够与蒸发冷凝器12进行换热；
55.热泵系统单级压缩运行时，仅高温级部件2内的冷媒与高温级蒸发器11换 热。
56.需要进一步说明的是，在热泵系统以复叠运行方式工作时，低温级部件1向 蒸发冷凝器12提供热量，供高温级部件1内的冷媒高效还原，此时，高温级蒸 发器11并不工作；而在热泵系统以单机压缩方式工作时，为了提高性能，低温 级部件将全部关闭，此时高温级蒸发器11启动，以作为冷媒换热的场所，高温 级部件独立完成制热工作。
57.在一个实施例中，如图1所示，低温级部件1包括通过低温级管路连接以形 成低温级冷媒循环路径的低温级压缩机3、第一四通阀4、闪蒸器5以及低温级 蒸发器6；低温级部件1在复叠运行中利用闪蒸器5提升机组运行能力和能效， 低温级压缩机3在制热过程中将冷媒压缩后进入蒸发冷凝器12对高温级部件1 进行放热，低温级蒸发器6供冷媒吸收空气中热量，换热还原为低压低温状态， 并经第一四通阀4送至低温级压缩机3内，以完成低温级冷媒的循环使用。
58.在一个实施例中，如图1所示，闪蒸器5的出口端分别与低温级压缩机3以 及低温级蒸发器6连接，闪蒸器5与低温级压缩机3之间的低温级管路上设置有 电磁阀7。
59.需要说明的是，在复叠运行制热水时，电磁阀7开启，闪蒸器5的出口端与 低温级压缩机3连接，以作为辅路供冷媒进入低温级压缩机3补气口，提高热泵 整体的性能；在化霜时，电磁阀7关闭，使得冷媒经由第一四通阀4全部进入低 温级蒸发器6进行放热除霜作业。
60.在一个实施例中，如图1所示，第一四通阀4的两个入口端分别与低温级蒸 发器6
以及低温级压缩机3连接，第一四通阀4的两个出口端分别与闪蒸器5以 及低温级压缩机3连接，第一四通阀4与闪蒸器5之间的低温级管路经过蒸发冷 凝器12；冷媒经低温级压缩机3压缩后，进入第一四通阀4，再由第一四通阀4 进入蒸发冷凝器12，向高温级部件2进行放热，以提高热泵在低温环境下的制热 性能。
61.在一个实施例中，如图1所示，所述高温级部件2包括通过高温级管路连接 以形成高温级冷媒循环路径的高温级压缩机8、第二四通阀9、高温级冷凝器10 以及高温级蒸发器11；所述高温级部件2能够在所述热泵单级压缩运行时单独运 行，所述高温级冷凝器10与水换热以制取热水，所述高温级蒸发器11吸收空气 中热量，将冷媒还原为低压低温状态；所述热泵复叠运行时，高温级蒸发器11 关闭，所述高温级冷媒依靠低温级部件1供热来进行还原。
62.在一个实施例中，如图1所示，所述第二四通阀9的两个入口端分别与所述 高温级蒸发器11以及所述高温级压缩机8连接，所述第二四通阀9的两个出口 端分别与所述高温级冷凝器10以及所述高温级压缩机8连接；使得所述高温级 冷媒依次经过高温级压缩机8、第二四通阀9、高温级冷凝器10以及高温级蒸发 器11构成的回路中循环使用。
63.在一个实施例中，所述高温级冷凝器10的出口端与所述高温级蒸发器11连 接，所述高温级蒸发器11还并联有经过所述蒸发冷凝器10的高温级管路；通过 并联有经过所述蒸发冷凝器10的高温级管路，使得所述热泵能够在不同运行方 法中选择对应的所述蒸发冷凝器10或所述高温级蒸发器11工作，提高所述热泵 性能。
64.在一个实施例中，如图1所示，当热泵复叠运行制取热水时，热泵系统的工 作原理如下：
65.低温级部件1和高温级部件2同时运行，其中：
66.低温级冷媒经低温级压缩机压缩3后，经第一四通阀4的d口进入，再由第 一四通阀4的c口进入蒸发冷凝器12，向高温级部件2进行放热，低温级冷媒换 热成为高压中温制液态，经第三电子膨胀阀15一级节流后，中压中温低温级冷 媒进入闪蒸器5，一路作为主路经第四电子膨胀阀16二级节流后，低温低压汽液 两相低温级冷媒进入低温级蒸发器6吸收空气中热量，换热为低压低温气态低温 级冷媒，再经过第一四通阀4的e管、s管后进入低温级压缩机3吸气口；另一 路作为辅路，闪蒸器5上方气态低温级冷媒经电磁阀7后进入低温级压缩机3补 气口，如此往复，以实现低温级冷媒的循环使用，此过程电磁阀7开启；
67.高温级冷媒经高温级压缩机8压缩后，状态为高温高压气态制冷剂，经第二 四通阀9的d口进入，再由第二四通阀9的c口进入高温级冷凝器10与水换热 制取高温热水，高温级冷媒冷凝放热为高压中温液态，经第一电子膨胀阀13节 流降压为低压低温汽液两相状态，进入蒸发冷凝器12，吸收低温级高温高压冷媒 的热量，换热为低压低温气态制冷剂，再经过第二四通阀9的e管、s管后进入 高温级压缩机8，如此往复。此过程第二电子膨胀阀14关闭，高温级蒸发器11 对应的风机不开，不进行换热。
68.在一个实施例中，如图1所示，当热泵复叠运行化霜作业时，热泵系统的工 作原理如下：
69.低温级部件1和高温级部件2同时运行，其中：
70.低温级冷媒经低温级压缩机3压缩后，进入第一四通阀4，再由第一四通阀 4的e管进入低温级蒸发器6，向低温级蒸发器6进行放热除霜，低温级冷媒换 热成为高压中温液
态，经第四电子膨胀阀16、闪蒸器5、第三电子膨胀15节流 后，低温低压汽液两相的低温级冷媒进入蒸发冷凝器12吸收高温级部件2提供 的热量，低温级冷媒换热为低压低温气态，再经过第一四通阀4的c管、s管后 进入低温级压缩机3吸气口，如此往复。此过程中电磁阀7关闭；
71.高温级冷媒经高温级压缩机8压缩后，状态为高温高压气态，进入第二四通 阀9，再由第二四通阀9的e管进入蒸发冷凝器12，向低温级部件1进行放热后 高温级冷媒变成高压中温液态，经第一电子膨胀阀13节流降压为低压低温汽液 两相状态，高温级冷媒进入高温级冷凝器10，高温级冷媒从水中吸收热量，换热 为低压低温气态，再经过第二四通阀9的c管、s管后进入高温级压缩机8，如 此往复，此过程第二电子膨胀阀14保持微小步数，高温级蒸发器11对应的风机 不开，不进行换热，避免冷媒堆积。
72.在一个实施例中，如图1所示，当热泵单级压缩制热水时，热泵系统的工作 原理如下：
73.高温级部件2单独运行，启动高温级蒸发器11，其中：
74.高温级冷媒经高温级压缩机8压缩后，状态为高温高压气态，进入第二四通 阀9，再由第二四通阀9的c管进入高温级冷凝器10与水换热制取高温热水，高 温级冷媒冷凝放热为高压中温液态，经第二电子膨胀阀14节流降压为低压低温 汽液两相状态，高温级冷媒进入高温级蒸发器11，吸收空气中热量，换热为低压 低温气态，再经过第二四通阀9的e管、s管后进入高温级压缩机8，如此往复， 此过程第一电子膨胀阀13保持微小步数，避免冷媒堆积。
75.在一个实施例中，如图1所示，当热泵单级压缩化霜作业时，热泵系统的工 作原理如下：
76.高温级部件2单独运行，启动高温级蒸发器11，其中：
77.高温级冷媒经高温级压缩机8压缩后，状态为高温高压气态，进入第二四通 阀9，再由第二四通阀9的e管进入高温级蒸发器11，高温级冷媒向高温级蒸发 器11进行放热除霜后变成高压中温液态，高温级冷媒经第二电子膨胀阀14节流 降压为低压低温汽液两相状态，高温级冷媒进入高温级冷凝器10，从水中吸收热 量，换热为低压低温气态，高温级冷媒再经过第二四通阀9的c管、s管后进入 高温级压缩机8，如此往复，此过程电子膨胀阀1保持微小步数，避免冷媒堆积。
78.在一个实施例中，低温级冷媒采用r410a制冷剂。
79.在一个实施例中，高温级冷媒采用r134a制冷剂。
80.在一个实施例中，低温级蒸发器6以及高温级蒸发器11均为翅片管式换热 器。
81.在一个实施例中，蒸发冷凝器12为板换式换热器；高温级冷凝器10为水侧 换热器，例如套管、壳管等。
82.在一个实施例中，如图2所示，低温级部件1可以采用单级压缩系统，即不 包括如图1所示的闪蒸器5。
83.在一个实施例中，如图3所示，低温级部件1可以采用经济器17来替代闪 蒸器5为低温级压缩机3补气增焓。
84.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、
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前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是
为了便于描述本发明和简化描述，而不是 指示或暗示所指的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。
85.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这 些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性 的实施例进行许多修改，并且可以设级出其他的布置，只要不偏离所附权利要求 所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所 描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是， 结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。