热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统及控制方法与流程

本发明涉及热泵系统技术领域，具体涉及一种热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统及控制方法。

背景技术：

热泵技术近年来备受关注，在提倡环保节能的时代，利用热泵技术设计开发的高能效且环保地暖系统、生活热水系统等越来越受到人们的关注。

目前我国的热泵地暖装置和空气能热水装置，基本上是两种相互独立的不同设备，常规的热泵地暖装置只提供制热，而常规的热泵热水装置仅提供生活热水；二者基本原理相同，但热泵地暖装置在夏季和过渡季节处于闲置状态，而热泵热水装置只用于产生生活热水，设备的功能及能源利用率都未得到充分的利用。一个家庭安装热水器和地暖，需要安装两套设备，这两套设备很可能是两种不同的品牌，购置和安装麻烦，安装占地空间大。

因此，对热泵系统进行优化设计，使其能同时满足地暖与生活热水的使用需求，提高设备及能源利用率，非常有必要。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统及控制方法，其能够解决传统热泵地暖装置与热泵热水装置功能单一、能源利用率低等问题，以实现地暖及生活热水的两联供，提高设备的能源利用率。

本发明的热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统，包括直流变频压缩机、油分离器、水箱、四通换向阀、室外换热器、地暖侧换热器和气液分离器，直流变频压缩机的一端与油分离器的第一端连接，水箱中的换热器的一端串联第一电磁阀后与油分离器的第二端连接，水箱中的换热器的一端串联第二电磁阀后与油分离器的第二端连接，四通换向阀的第一端串联第三电磁阀后与油分离器的第二端连接，室外换热器的一端与四通换向阀的第四端连接，室外换热器的另一端与电子膨胀阀的一端连接，电子膨胀阀的另一端与第四电磁阀的一端连接，水箱中的换热器的另一端串联单向阀后与第四电磁阀的一端连接，第四电磁阀的另一端串联液管截止阀后与地暖侧换热器的一端连接，地暖侧换热器的另一端串联气管截止阀后与四通换向阀的第二端连接，油分离器的第三端串联回油毛细管后与直流变频压缩机的另一端连接，气液分离器的一端与直流变频压缩机的另一端连接，气液分离器的另一端与四通换向阀的第三端连接。

本发明的热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统，其中，直流变频压缩机和油分离器之间的管路上安装有高压开关和高压压力传感器。

本发明的热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统，其中，水箱中安装有水箱温度传感器。

本发明的热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统，其中，地暖侧换热器的进水管上安装有进水温度传感器，地暖侧换热器的出水管上安装有出水温度传感器。

本发明的热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统，其中，气液分离器与四通换向阀之间的管路上安装有低压开关。

一种热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统的控制方法，包括以下工作模式：

a、地暖模式；

b、地暖和生活热水模式；

c、生活热水模式。

一种热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统的控制方法，其中，在地暖模式下，经直流变频压缩机压缩后的高温高压气态冷媒依次经过油分离器、第三电磁阀、四通换向阀和气管截止阀后进入地暖侧换热器中与地暖用水进行对流换热，高温高压气态冷媒冷凝放热后变成中温中压的液态冷媒，中温中压的液态冷媒依次经过液管截止阀、电磁阀且经电子膨胀阀节流后进入室外换热器中与室外空气进行对流换热，中温中压的液态冷媒蒸发吸热后变成低温低压的气液两相冷媒，低温低压的气液两相冷媒经四通换向阀进入气液分离器中，液态冷媒沉积在气液分离器底部，气态冷媒回到直流变频压缩机中进行压缩，完成地暖模式。

一种热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统的控制方法，其中，在地暖和生活热水模式下，经直流变频压缩机压缩后的高温高压气态冷媒经过油分离器，一部分冷媒经过第一电磁阀和第二电磁阀进入水箱中的换热器中并冷凝放热产生生活热水，高温高压气态冷媒冷凝后经单向阀到达电子膨胀阀的入口；另一部分高温高压气态冷媒经过第三电磁阀、四通换向阀和气管截止阀后进入地暖侧换热器中与地暖用水进行对流换热，高温高压气态冷媒冷凝放热后变成中温中压的液态冷媒，中温中压的液态冷媒经过液管截止阀和电磁阀后与水箱侧的冷媒汇合，冷媒经电子膨胀阀节流后进入室外换热器中与室外空气进行对流换热，冷媒蒸发吸热后变成低温低压的气液两相冷媒，低温低压的气液两相冷媒经四通换向阀进入气液分离器中，液态冷媒沉积在气液分离器底部，气态冷媒回到直流变频压缩机中进行压缩，完成地暖和生活热水模式。

一种热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统的控制方法，其中，在生活热水模式下，经直流变频压缩机压缩后的高温高压气态冷媒经过油分离器、第一电磁阀和第二电磁阀进入水箱中的换热器中并冷凝放热产生生活热水，高温高压气态冷媒冷凝后经单向阀到达电子膨胀阀的入口，冷媒经过电子膨胀阀节流后进入室外换热器中与室外空气进行对流换热，冷媒蒸发吸热后经过四通换向阀进入气液分离器，液态冷媒沉积在气液分离器底部，气态冷媒回到直流变频压缩机中进行压缩，完成生活热水模式。

本发明能够解决传统热泵地暖装置与热泵热水装置功能单一、能源利用率低等问题，以实现地暖及生活热水的两联供，提高设备的能源利用率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的系统原理图；

图2为本发明在地暖模式下的系统原理图；

图3为本发明在地暖和生活热水模式下的系统原理图；

图4为本发明在生活热水模式下的系统原理图；

图5为第一电磁阀和第二电磁阀在水箱水温变化情况下的开关状态示意图；

图6为第一电磁阀和第二电磁阀在地暖进出水温差变化情况下的开关状态示意图。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-4所示，本发明的热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统，包括直流变频压缩机1、油分离器2、水箱5、四通换向阀7、室外换热器8、地暖侧换热器13和气液分离器15，直流变频压缩机1的一端与油分离器2的第一端连接，水箱5中的换热器的一端串联第一电磁阀3后与油分离器2的第二端连接，水箱5中的换热器的一端串联第二电磁阀4后与油分离器2的第二端连接，四通换向阀7的第一端串联第三电磁阀6后与油分离器2的第二端连接，室外换热器8的一端与四通换向阀7的第四端连接，室外换热器8的另一端与电子膨胀阀9的一端连接，电子膨胀阀9的另一端与第四电磁阀11的一端连接，水箱5中的换热器的另一端串联单向阀10后与第四电磁阀11的一端连接，第四电磁阀11的另一端串联液管截止阀12后与地暖侧换热器13的一端连接，地暖侧换热器13的另一端串联气管截止阀14后与四通换向阀7的第二端连接，油分离器2的第三端串联回油毛细管16后与直流变频压缩机1的另一端连接，气液分离器15的一端与直流变频压缩机1的另一端连接，气液分离器15的另一端与四通换向阀7的第三端连接；直流变频压缩机1和油分离器2之间的管路上安装有高压开关18和高压压力传感器19；水箱5中安装有水箱温度传感器20；地暖侧换热器13的进水管上安装有进水温度传感器21，地暖侧换热器13的出水管上安装有出水温度传感器22；气液分离器15与四通换向阀7之间的管路上安装有低压开关17。

一种热量逐级互补的地暖、热水两联供的热泵系统的控制方法，包括以下工作模式：

a、地暖模式；在地暖模式下，经直流变频压缩机1压缩后的高温高压气态冷媒依次经过油分离器2、第三电磁阀6、四通换向阀7和气管截止阀14后进入地暖侧换热器13中与地暖用水进行对流换热，高温高压气态冷媒冷凝放热后变成中温中压的液态冷媒，中温中压的液态冷媒依次经过液管截止阀12、电磁阀11且经电子膨胀阀9节流后进入室外换热器8中与室外空气进行对流换热，中温中压的液态冷媒蒸发吸热后变成低温低压的气液两相冷媒，低温低压的气液两相冷媒经四通换向阀7进入气液分离器15中，液态冷媒沉积在气液分离器15底部，气态冷媒回到直流变频压缩机1中进行压缩，完成地暖模式；

b、地暖和生活热水模式；在地暖和生活热水模式下，经直流变频压缩机1压缩后的高温高压气态冷媒经过油分离器2，一部分冷媒经过第一电磁阀3和第二电磁阀4进入水箱5中的换热器中并冷凝放热产生生活热水，高温高压气态冷媒冷凝后经单向阀10到达电子膨胀阀9的入口；另一部分高温高压气态冷媒经过第三电磁阀6、四通换向阀7和气管截止阀14后进入地暖侧换热器13中与地暖用水进行对流换热，高温高压气态冷媒冷凝放热后变成中温中压的液态冷媒，中温中压的液态冷媒经过液管截止阀12和电磁阀11后与水箱5侧的冷媒汇合，冷媒经电子膨胀阀9节流后进入室外换热器8中与室外空气进行对流换热，冷媒蒸发吸热后变成低温低压的气液两相冷媒，低温低压的气液两相冷媒经四通换向阀7进入气液分离器15中，液态冷媒沉积在气液分离器底部，气态冷媒回到直流变频压缩机1中进行压缩，完成地暖和生活热水模式；

c、生活热水模式；在生活热水模式下，经直流变频压缩机1压缩后的高温高压气态冷媒经过油分离器2、第一电磁阀3和第二电磁阀4进入水箱5中的换热器中并冷凝放热产生生活热水，高温高压气态冷媒冷凝后经单向阀10到达电子膨胀阀9的入口，冷媒经过电子膨胀阀9节流后进入室外换热器8中与室外空气进行对流换热，冷媒蒸发吸热后经过四通换向阀7进入气液分离器15，液态冷媒沉积在气液分离器底部，气态冷媒回到直流变频压缩机1中进行压缩，完成生活热水模式。

在上述系统工作过程中，存在能量的分配和热量的互补，能量分配是由主机对水箱和地暖末端通过合理的控制来完成，热量互补是在水箱和地暖末端之间进行，即当水箱中热水温度达到一定的条件时，不需要多余的热量，可以转移给地暖末端，满足地暖负荷使用；当水箱中的水温达到设定温度时，不需要主机的热量供给，主机只给地暖负荷提供热量。同样地，当地暖负荷较低时，所需的能量较少，把这部分多余的热量转移给热水水箱，满足生活热水对热量的需求。这种在热水水箱和地暖末端之间的热量转移，即热量互补，可以通过合理优化的控制来实现。

总体设计原则是：在控制器上设计一个时钟，根据时间来判定热水和地暖使用的优先级。

例如，在18:00-24:00时间段，生活热水优先，即优先满足生活热水需要的热量，只有当水箱中的水获得的热量(用比焓值表示)达到一定值，如达到最大比焓值(生活热水设定温度对应的比焓值)的80％时，进行热量的转移，减小主机提供给水箱中水的热量，转移一部分热量到地暖末端。当达到最大比焓值的90％时，进一步减小供给的热量，转移更多热量到地暖末端。当达到最大比焓值的105％时，停止给水箱供热。总之，生活热水优先，在满足生活热水的前提下，实现生活热水和地暖末端负荷的热量分配和互补，热量的互补由第一电磁阀3(小口径)和第二电磁阀4(大口径)的开关控制来实现。

例如，在0:00-18:00时间段，地暖优先，当地暖侧的进水与出水温差小于标准温差的90％时，减小主机供给水箱的热量，优先满足地暖负荷需求；当地暖侧的进水与出水温差小于标准温差的80％时，进一步减小主机供给水箱的热量，优先满足地暖需求。

具体的实现过程如下：

定义生活热水最大比焓值

在生活热水设定温度下的热水焓值，称为最大比焓值。

水箱采用承压水箱，保证水箱处于装满水的状态，在水量一定的前提下，可以采用比焓值来量化生活热水需要的热量，水箱高度不超过2m，因此水压小于1mpa，查热水比焓值表，利用热水比焓值表中不同温度对应的比焓值进行拟合，得到不同水温的比焓值，拟合公式为：

h＝4.1802*tset+0.874(kj/kg)，其中h代表热水比焓值，tset代表水箱设定温度。

比如，水温设定55℃，计算得到的最大比焓值为230.787kj/kg；当水箱中的水获得的热量达到最大比焓值的80％时，根据拟合公式计算水温为44.0℃，按照控制程序，当水箱温度传感器检测到的水温达到44.0℃时，需要减小水箱供给的热量，此时关闭第一电磁阀3，开启第二电磁阀4；当水箱中的水获得的热量达到最大比焓值的90％时，根据拟合公式计算水温为49.5℃，按照控制程序，当水箱温度传感器检测到的水温达到49.5℃时，需要进一步减小供给的热量，关闭第二电磁阀4，开启第一电磁阀3。

定义地暖末端的额定负荷

定义1匹地暖末端在额定工况(热源侧7℃干球温度，使用侧45℃出水，水流量0.172m³/(h·kw))时的制热量为2800w，所有地暖末端的总额定负荷为：

qrate＝∑地暖末端匹数×2800(w)，其中qrate为总额定负荷；

地暖侧用水实际换热量为：qact＝mcpδt＝ρvcpδt，其中，qact为地暖侧用水实际换热量，m为质量流量，cp为水的定压比热容，△t为地暖侧进出水温差，ρ为水的密度，v为体积流量；

在一定的水流量前提下，当qact＝qrate时，地暖侧负荷需求得以满足，定义此时的地暖侧进出水温差为标准温差△trate；当qact＜90％qrate，即实际的地暖侧进出水温差△tact＜90％△trate，此时，减小热水水箱侧的热量供给；当qact＜80％qrate,，即实际的地暖侧进出水温差△tact＜80％△trate，此时，进一步减小热水水箱侧的热量供给。

具体的控制过程如下：

s1、生活热水模式；即控制器仅收到水箱的线控器的开机指令，第一电磁阀3和第二电磁阀4打开，第三电磁阀6和第四电磁阀11关闭，直流变频压缩机输出能力按照设定的水温进行控制，不存在生活热水和地暖末端的热量转移和互补。

s2、地暖模式；即控制器仅收到地暖末端的线控器的开机指令，第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，第三电磁阀6和第四电磁阀11打开，直流变频压缩机按照一定的目标冷凝温度来控制运行。

s3、地暖和生活热水模式；即控制器收到水箱的线控器的开机指令和地暖末端的线控器的开机指令，控制程序根据时间判定生活热水优先还是地暖优先。

a、如处于生活热水优先的时间段时，即在18:00-24:00时间段，系统中同时存在制热水和至少1台地暖末端运行，制热水优先；

根据拟合公式计算设定水温下的热水最大比焓值，且附图5示出了在热水升温和热水降温过程中的第一电磁阀3和第二电磁阀4的开关状态；

①热水升温过程

当实际热水比焓值小于或等于最大比焓值的85％时，第一电磁阀3和第二电磁阀4开启，直流变频压缩机输出能力按照一定的目标压力进行控制。

当实际热水比焓值大于最大比焓值的85％，且小于或等于95％时，第一电磁阀3关闭，第二电磁阀4开启，直流变频压缩机输出能力按照一定的目标压力进行控制。

当实际热水比焓值大于最大比焓值的95％，且小于或等于105％时，第一电磁阀3开启，第二电磁阀4关闭，直流变频压缩机输出能力按照一定的目标压力进行控制。

当实际热水比焓值大于最大比焓值的105％，第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，直流变频压缩机输出能力按照一定的目标压力进行控制。

②热水降温过程

当实际热水比焓值大于最大比焓值的100％，第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，直流变频压缩机输出能力按照一定的目标压力进行控制，满足地暖负荷需求。

当实际热水比焓值大于最大比焓值的90％，且小于或等于100％时，第一电磁阀3开启，第二电磁阀4关闭，直流变频压缩机输出能力按照一定的目标压力进行控制，满足生活热水和地暖负荷需求。

当实际热水比焓值大于最大比焓值的80％，且小于或等于90％时，第一电磁阀3关闭，第二电磁阀4开启，直流变频压缩机输出能力按照一定的目标压力进行控制，满足生活热水和地暖负荷需求。

当实际热水比焓值小于或等于最大比焓值的80％时，第一电磁阀3和第二电磁阀4开启，直流变频压缩机输出能力按照一定的目标压力进行控制，满足生活热水和地暖负荷需求。

b、如处于地暖优先的时间段时，即在0:00-18:00时间段，但不包括18:00，系统中同时存在制热水和至少1台地暖末端运行，地暖优先；

附图6示出了在地暖侧进出水温差上升和地暖侧进出水温差下降过程中的第一电磁阀3和第二电磁阀4的开关状态；

①地暖侧进出水温差上升过程

当地暖侧进出水温差小于或等于标准温差的85％，第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，直流变频压缩机按照一定的目标压力进行控制；

当地暖侧进出水温差大于标准温差的85％，且小于或等于95％，第一电磁阀3开启，第二电磁阀4关闭，直流变频压缩机按照一定的目标压力进行控制；

当地暖侧进出水温差大于标准温差的95％，且小于或等于105％，第一电磁阀3关闭，第二电磁阀4开启，直流变频压缩机按照一定的目标压力进行控制；

当地暖侧进出水温差大于标准温差的105％，第一电磁阀3和第二电磁阀4开启，直流变频压缩机按照一定的目标压力进行控制。

②地暖侧进出水温差下降过程

当地暖侧进出水温差大于或等于标准温差的100％，第一电磁阀3和第二电磁阀4开启，直流压缩机按照一定的目标压力进行控制；

当地暖侧进出水温差大于或等于标准温差的90％，且小于105％，第一电磁阀3关闭，第二电磁阀4开启，直流变频压缩机按照一定的目标压力进行控制；

当地暖侧进出水温差大于或等于标准温差的80％，且小于90％，第一电磁阀3开启，第二电磁阀4关闭，直流变频压缩机按照一定的目标压力进行控制；

当地暖侧进出水温差小于标准温差的80％，第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，直流变频压缩机按照一定的目标压力进行控制。

上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。