复叠式热泵系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及复叠式热泵技术领域，具体提供一种复叠式热泵系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着节能减排的政策推广，食品加工、纺织和化工等行业使用高温热泵系统进行高温加热处理的应用场合越来越多。工业加热需求旺盛，对高温热泵系统的应用要求也越来越高。首先，高温热泵系统的最终供热温度一般大于70℃甚至超过90℃。其次，供热系统的应用环境工况跨度非常大，环境温度从-30℃到35℃，无论冬季还是夏季都需要提供高温热水或热风。
3.工业使用的高温热水温度较高，这就导致普通热泵系统无法达到实际的加热使用需求，将复叠式热泵系统用来提供高温热水的技术已经非常成熟。复叠式热泵系统一般包括高压冷媒循环回路和低压冷媒循环回路，高压冷媒循环回路和低压冷媒循环回路通过共用的中间换热器进行换热，以达到提供高温热水的目的。然而在额定工况之外，特别是高环境温度工况下，复叠式热泵系统仍然采用两级压缩的方式，这就导致复叠式热泵系统的灵活性不高、能效低。现有部分复叠式热泵系统利用太阳能以解决上述问题，但现有结合太阳能的复叠式热泵系统需要通过换热器与空气能系统进行二次换热，这就导致复叠式热泵系统存在成本高、热损耗高、热效率低的问题。
4.相应地，本领域需要一种新的复叠式热泵系统及其控制方法来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决上述技术问题，即，解决现有复叠式热泵系统成本高、热损耗高、热效率低的问题。
6.在第一方面，本发明提供一种复叠式热泵系统，所述复叠式热泵系统包括高压冷媒循环回路、低压冷媒循环回路、太阳能补气支路和第一连通支路，所述高压冷媒循环回路上设置有第一压缩机、第一换热器、第一节流构件和中间换热器，所述低压冷媒循环回路上设置有第二压缩机、所述中间换热器、氟泵和第二换热器，所述氟泵的两端并联设置有第二节流构件，所述太阳能补气支路与所述高压冷媒循环回路相连，所述太阳能补气支路的第一端连接至所述第一换热器和所述第一节流构件之间，所述太阳能补气支路的第二端与所述第一连通支路的第一端相连，所述太阳能补气支路上设置有第三节流构件和太阳能集热装置，所述第一连通支路的第二端连接至所述第一压缩机的补气口处。
7.在上述复叠式热泵系统的优选技术方案中，所述复叠式热泵系统还包括第二连通支路，所述第二连通支路的第一端连接至所述太阳能补气支路和所述第一连通支路的连接处，所述第二连通支路的第二端连接至所述中间换热器和所述第一压缩机的进气口之间。
8.在上述复叠式热泵系统的优选技术方案中，所述第一连通支路上设置有第一控制阀，所述第一控制阀设置成能够控制所述太阳能补气支路与所述第一连通支路的通断状
态；并且/或者所述第二连通支路上设置有第二控制阀，所述第二控制阀设置成能够控制所述太阳能补气支路与所述第二连通支路的通断状态。
9.在上述复叠式热泵系统的优选技术方案中，所述复叠式热泵系统还包括旁通支路，所述旁通支路并联设置在所述第二压缩机的两端，所述旁通支路上设置有第三控制阀，所述第三控制阀设置成能够控制所述旁通支路的通断状态。
10.在上述复叠式热泵系统的优选技术方案中，所述复叠式热泵系统还包括换热水路，所述换热水路的一部分设置在所述第一换热器中，以使所述换热水路中的水通过所述第一换热器与所述高压冷媒循环回路中的冷媒进行换热。
11.在另一方面，本发明还提供一种复叠式热泵系统的控制方法，所述复叠式热泵系统包括高压冷媒循环回路、低压冷媒循环回路、太阳能补气支路、第一连通支路和第二连通支路，所述高压冷媒循环回路上设置有第一压缩机、第一换热器、第一节流构件和中间换热器，所述低压冷媒循环回路上设置有第二压缩机、所述中间换热器、氟泵和第二换热器，所述氟泵的两端并联设置有第二节流构件，所述太阳能补气支路与所述高压冷媒循环回路相连，所述太阳能补气支路的第一端连接至所述第一换热器和所述第一节流构件之间，所述太阳能补气支路的第二端与所述第一连通支路的第一端和所述第二连通支路的第一端相连，所述太阳能补气支路上设置有第三节流构件和太阳能集热装置，所述第一连通支路的第二端连接至所述第一压缩机的补气口处，所述第二连通支路的第二端连接至所述中间换热器和所述第一压缩机的进气口之间，所述控制方法包括：获取所述太阳能集热装置处的光照强度；根据所述光照强度，控制所述太阳能补气支路与所述第一连通支路和所述第二连通支路的连通状态。
12.在上述控制方法的优选技术方案中，“根据所述光照强度，控制所述太阳能补气支路与所述第一连通支路和所述第二连通支路的连通状态”的步骤具体包括：如果所述光照强度小于预设光照强度，则控制所述太阳能补气支路与所述第一连通支路和所述第二连通支路均不连通；如果所述光照强度大于或等于所述预设光照强度，则进一步获取所述复叠式热泵系统所处的环境温度；进一步根据所述环境温度，控制所述太阳能补气支路与所述第一连通支路和所述第二连通支路的连通状态。
13.在上述控制方法的优选技术方案中，“根据所述环境温度，控制所述太阳能补气支路与所述第一连通支路和所述第二连通支路的连通状态”的步骤具体包括：如果所述环境温度小于预设环境温度，则控制所述太阳能补气支路与所述第一连通支路和所述第二连通支路均连通；如果所述环境温度大于或等于所述预设环境温度，则控制所述太阳能补气支路与所述第二连通支路连通，且与所述第一连通支路不连通。
14.在上述控制方法的优选技术方案中，所述复叠式热泵系统还包括旁通支路，所述旁通支路与所述低压冷媒循环回路相连，所述旁通支路并联设置在所述第二压缩机的两端，所述控制方法还包括：获取所述复叠式热泵系统所处的环境温度；根据所述环境温度，控制所述旁通支路、所述氟泵和所述第二压缩机的运行状态。
15.在上述控制方法的优选技术方案中，“根据所述环境温度，控制所述旁通支路、所述氟泵和所述第二压缩机的运行状态”的步骤具体包括：如果所述环境温度小于所述预设环境温度，则控制所述旁通支路和所述氟泵不运行，且控制所述第二压缩机运行；如果所述环境温度大于或等于所述预设环境温度，则控制所述旁通支路和所述氟泵运行，且控制所
述第二压缩机不运行。
16.在采用上述技术方案的情况下，本发明通过太阳能补气支路将流经第一换热器的一部分冷媒引入至太阳能集热装置中加热蒸发后对第一压缩机进行补气，以有效降低运行能耗；此外，本发明通过直接应用太阳能集热装置的方式，有效避免换热器需要与空气能系统进行二次换热的问题，进而有效降低复叠式热泵系统的成本、热损耗，并提高了制热效率；另外，低压冷媒循环回路中能够选择性运行第二压缩机和氟泵，进而能够进一步有效降低复叠式热泵系统的运行能耗。
附图说明
17.下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：
18.图1是本发明的复叠式热泵系统的结构示意图；
19.图2是本发明的控制方法的主要步骤流程图；
20.图3是本发明的控制方法的优选实施例的具体步骤流程图；
21.附图标记：
22.1、高压冷媒循环回路；11、第一压缩机；12、第一换热器；13、第一节流构件；14、中间换热器；
23.2、低压冷媒循环回路；21、第二压缩机；22、氟泵；23、第二换热器；24、第二节流构件；25、储液构件；
24.3、太阳能补气支路；31、第三节流构件；32、太阳能集热装置；
25.4、第一连通支路；41、第一控制阀；
26.5、第二连通支路；51、第二控制阀；
27.6、旁通支路；61、第三控制阀；
28.7、换热水路。
具体实施方式
29.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。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。例如，本发明中所述的复叠式热泵系统可以是家用复叠式热泵系统，也可是工业用复叠式热泵系统，这都不是限制性的，本领域技术人员可以根据实际使用需求自行设定本发明的复叠式热泵系统的应用场合。这种有关应用场合的改变并不偏离本发明的基本原理，属于本发明的保护范围。
30.需要说明的是，在本优选实施方式的描述中，除非另有明确的规定和限定，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。此外，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，还可以是两个元件内部的相连，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，尽管本技术中按照特定顺序描述了本发明的控制方法的各个步骤，但是这些顺序并不是限制性的，在不偏离本发明的基本原理的前提下，本领域技术人员可以按照不同的顺序来执行所述步骤。
32.首先参阅图1，图1是本发明的复叠式热泵系统的结构示意图。如图1所示，本发明的复叠式热泵系统包括高压冷媒循环回路1、低压冷媒循环回路2、太阳能补气支路3和第一连通支路4，高压冷媒循环回路1上设置有第一压缩机11、第一换热器12、第一节流构件13和中间换热器14，低压冷媒循环回路2上设置有第二压缩机21、中间换热器14、储液构件25、氟泵22和第二换热器23，氟泵22的两端并联设置有第二节流构件24。第二压缩机21和氟泵22能够选择性接入低压冷媒循环回路2中，以有效降低所述复叠式热泵系统的运行能耗。
33.需要说明的是，本发明不对高压冷媒循环回路1和低压冷媒循环回路2中流动的冷媒的具体类型作任何限制，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定。作为一种具体的实施方式，高压冷媒循环回路1中的冷媒为制冷剂r134a，低压冷媒循环回路2中的冷媒为制冷剂r410a。
34.此外，还需要说明的是，本发明不对中间换热器14的具体结构作任何限制，其可以是壳管式换热器，也可以是板式换热器，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定。在本具体实施方式中，中间换热器14优选为板式换热器，以有效提高低压冷媒循环回路2中的冷媒在中间换热器14中的换热效率。
35.具体地，中间换热器14包括第一换热通道和第二换热通道，高压冷媒循环回路1中的冷媒流经所述第一换热通道，低压冷媒循环回路2中的冷媒流经所述第二换热通道，所述第一换热通道和所述第二换热通道呈交错设置，以达到高压冷媒循环回路1中的冷媒和低压冷媒循环回路2中的冷媒换热的目的。
36.另外，需要说明的是，本发明不对第一压缩机11、第二压缩机21、氟泵22、第一节流构件13、第二节流构件24、第一换热器12、第二换热器23的具体结构和具体型号作任何限制；第一压缩机11和第二压缩机21可以是变频压缩机，也可以是定频压缩机，优选地，第一压缩机11和第二压缩机21是变频压缩机，以便控制所述复叠式热泵系统的运行状态；氟泵22可以是衬氟离心泵，也可以是衬氟磁力泵，还可以是衬氟自吸泵；第一节流构件13和第二节流构件24可以是电子膨胀阀，也可以是毛细管，还可以是热力膨胀阀；第一换热器12和第二换热器23可以是板式换热器，也可以是壳管式换热器，这都不是限制性的，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定。
37.此外，太阳能补气支路3与高压冷媒循环回路1相连，太阳能补气支路3的第一端连接至第一换热器12和第一节流构件13之间，太阳能补气支路3的第二端与第一连通支路4的第一端相连，太阳能补气支路3上设置有第三节流构件31和太阳能集热装置32，第一连通支路4的第二端连接至第一压缩机11的补气口(图1中c口)处。当然，本发明不对第三节流构件31和太阳能集热装置32的具体结构作任何限制，第三节流构件31可以是电子膨胀阀，也可以是毛细管；太阳能集热装置32可以是集热板，也可以是集热管，只要能够起到集热作用以使冷媒蒸发即可，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定。
38.进一步地，所述复叠式热泵系统还包括第二连通支路5，第二连通支路5的第一端连接至太阳能补气支路3和第一连通支路4的连接处，第二连通支路5的第二端连接至中间换热器14和第一压缩机11的进气口(图1中b口)之间；图1中a口为第一压缩机11的排气口。
39.优选地，第一连通支路4上设置有第一控制阀41，第一控制阀41设置成能够控制太阳能补气支路3与第一连通支路4的通断状态；第二连通支路5上设置有第二控制阀51，第二控制阀51设置成能够控制太阳能补气支路3与第二连通支路5的通断状态。
40.太阳能补气支路3能够选择性与第一连通支路4和第二连通支路5相连通，其中，流经第一换热器12后的部分冷媒会通过太阳能补气支路3进入太阳能集热装置32中进行加热蒸发，在太阳能补气支路3与第一连通支路4相连通的情形下，蒸发后的冷媒能够通过补气口回至第一压缩机11进行补气，以提高高压冷媒循环回路1的运行能效；此外，在太阳能补气支路3与第二连通支路5相连通的情形下，第二控制阀51能够通过调整开度以将经过太阳能集热装置32蒸发后的较多的冷媒分流至中间换热器14的出口处进而通过进气口回至第一压缩机11中，以避免第一连通支路4为第一压缩机11补充的气态冷媒过多。
41.需要说明的是，本发明不对第一控制阀41和第二控制阀51的具体类型和具体结构作任何限制，在本优选实施例中，第一控制阀41和第二控制阀51均为电磁阀，以更加有效地精准控制对第一压缩机11的补气量。
42.优选地，在本实施例中，所述复叠式热泵系统还包括旁通支路6，旁通支路6并联设置在第二压缩机21的两端，旁通支路6上设置有第三控制阀61，第三控制阀61设置成能够控制旁通支路6的通断状态。进一步地，第三控制阀61为单向阀，且所述单向阀设置成仅允许冷媒由第二换热器23的一侧流向中间换热器14的一侧。
43.本发明的复叠式热泵系统能够选择性使第二压缩机21和氟泵22接入低压冷媒循环回路2中，以降低运行能耗。当第二压缩机21运行时，氟泵22不运行，第三控制阀61处于关闭状态；当氟泵22运行时，第二压缩机21和第二节流构件24处于关闭状态，第三控制阀61处于开启状态。
44.进一步优选地，所述复叠式热泵系统还包括换热水路7，换热水路7的一部分设置在第一换热器12中，以使换热水路7中的水通过第一换热器12与高压冷媒循环回路1中的冷媒进行换热，以有效满足用户制取热水的需求。
45.进一步地，所述复叠式热泵系统还包括照度计、温度传感器和控制器，所述照度计能够获取太阳能集热装置32处的光照强度，所述温度传感器能够获取所述复叠式热泵系统所处的环境温度，当然，所述照度计和所述温度传感器的具体结构、设置位置并不是限制性的，本领域技术人员可以自行设定。所述控制器能够获取所述照度计和所述温度传感器的检测结果，所述控制器还能够控制所述复叠式热泵系统的运行状态，例如，控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5的连通状态等，这都不是限制性的。本领域技术人员能够理解的是，本发明不对所述控制器的具体结构和型号作任何限制，并且所述控制器既可以是所述复叠式热泵系统原有的控制器，也可以是为执行本发明的控制方法单独设置的控制器，本领域技术人员可以根据实际使用需求自行设定所述控制器的结构和型号。
46.参阅图2，图2是本发明的控制方法的主要步骤流程图。如图2所示，基于上述实施例中所述的复叠式热泵系统，本发明的控制方法主要包括下列步骤：
47.s1：获取太阳能集热装置处的光照强度；
48.s2：根据光照强度，控制太阳能补气支路与第一连通支路和第二连通支路的连通状态。
49.首先，在步骤s1中，所述控制器通过所述照度计获取太阳能集热装置32处的光照强度，当然，所述控制器可以实时获取，也可以间隔一定的时长获取，这并不是限制性的，本发明不对太阳能集热装置32处的光照强度的具体获取方式作任何限制，本领域技术人员自行设定。
50.接着，在步骤s2中，所述控制器根据所述光照强度，控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5的连通状态。所述控制器可以将所述光照强度与预设光照强度的比值与预设比值进行比较，并根据比较结果选择性使太阳能补气支路3选择性与第一连通支路4或第二连通支路5连通，也可以全部连通，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定，本发明不对步骤s2的具体控制方式作任何限制。
51.接着参阅图3，图3是本发明的控制方法的优选实施例的具体步骤流程图。如图3所示，基于上述实施例中所述的复叠式热泵系统，本发明的优选实施例的控制方法的包括下列步骤：
52.s101：获取太阳能集热装置处的光照强度；
53.s102：如果光照强度小于预设光照强度，则控制太阳能补气支路与第一连通支路和第二连通支路均不连通；
54.s103：如果光照强度大于或等于预设光照强度，则进一步获取复叠式热泵系统所处的环境温度；
55.s104：如果环境温度小于预设环境温度，则控制太阳能补气支路与第一连通支路和第二连通支路均连通；
56.s105：如果环境温度大于或等于预设环境温度，则控制太阳能补气支路与第二连通支路连通，且与第一连通支路不连通。
57.首先，在步骤s101中，所述控制器通过所述照度计获取太阳能集热装置32处的光照强度，当然，所述控制器可以实时获取，也可以间隔一定的时长获取，这并不是限制性的，本发明不对太阳能集热装置32处的光照强度的具体获取方式作任何限制，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定。
58.接着，所述控制器根据所述光照强度，控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5的连通状态。
59.优选地，在步骤s102中，如果所述光照强度小于所述预设光照强度，则所述控制器控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5均不连通。在此种情形下，太阳能集热装置32收集的由太阳能转化的热量不足以使第一换热器12流出的冷媒蒸发，因此，太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5均不连通，以有效避免第一压缩机11出现液击的问题，进而有效保证第一压缩机11的使用寿命。
60.需要说明的是，本发明不对所述预设光照强度的具体设定值作任何限制，其可以根据所述复叠式热泵系统的实际运行情况设定，也可以根据太阳能集热装置32实际的集热情况设定，可以理解的是，所述预设光照强度的具体设定值的改变并不偏离本发明的基本原理，仍然落入本发明的保护范围。
61.进一步地，在步骤s103中，如果所述光照强度大于或等于所述预设光照强度，则所述控制器进一步通过所述温度传感器获取所述复叠式热泵系统所处的环境温度。
62.接着，所述控制器进一步根据所述环境温度，控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5的连通状态。需要说明的是，本发明不对本步骤的具体控制逻辑作任何限制，本领域技术人员可以自行设定。
63.作为一种具体的实施方式，在步骤s104中，如果所述环境温度小于所述预设环境温度，则所述控制器控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5均连通，以便
低压冷媒循环回路2中的部分冷媒在流经第一换热器12后通过太阳能补气支路3和第一连通支路4对第一压缩机11进行补气，通过第二连通支路5调控第一压缩机11的补气量。
64.需要说明的是，本发明不对第一控制阀41和第二控制阀51具体的开度作任何限制，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定。
65.进一步地，在步骤s105中，如果所述环境温度大于或等于所述预设环境温度，则所述控制器控制太阳能补气支路3与第二连通支路5连通，且与第一连通支路4不连通。
66.此外，在本优选实施例中，本发明的控制方法还包括根据所述环境温度，控制旁通支路6、氟泵22和第二压缩机21的运行状态，以通过选择性运行氟泵22和第二压缩机21的方式，实现在大跨度的环境工况下，降低低压冷媒循环回路2中的能耗，进而提升所述复叠式热泵系统的运行能效的目的。
67.具体地，如果所述环境温度小于预设环境温度，则所述控制器控制旁通支路6和氟泵22不运行，且控制第二压缩机21运行；如果所述环境温度大于或等于所述预设环境温度，则所述控制器控制旁通支路6和氟泵22运行，且控制第二压缩机21不运行。
68.需要说明的是，在步骤s104和步骤s105中所述的预设环境温度与上述步骤中所述的预设环境温度是相同的，但可以理解的是，本发明不对所述预设环境温度的具体设定值作任何限制，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定。
69.此外，还需要说明的是，本发明不对根据所述光照强度控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5的连通状态步骤和根据所述环境温度控制旁通支路6、氟泵22和第二压缩机21的运行状态步骤的具体执行顺序作任何限制；优选地，上述两个步骤可以同时执行，以便进一步有效提升所述复叠式热泵系统的运行能效。
70.具体地，在所述环境温度小于所述预设环境温度且所述光照强度小于所述预设光照强度的情形下，所述控制器控制旁通支路6和氟泵22不运行，控制第二压缩机21运行，以有效保证运行能效；此外，所述控制器还控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5均不连通，以有效避免第一压缩机11出现液击现象。
71.在所述环境温度大于或等于所述预设环境温度且所述光照强度小于所述预设光照强度的情形下，所述控制器控制旁通支路6和氟泵22运行，控制第二压缩机21不运行，氟泵22的泵送功率远小于第二压缩机21的泵送功率，以通过运行氟泵22的方式降低运行能耗；此外，所述控制器还控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5均不连通，以有效避免第一压缩机11出现液击现象。
72.在所述环境温度小于所述预设环境温度且所述光照强度大于或等于所述预设光照强度的情形下，所述控制器控制旁通支路6和氟泵22不运行，控制第二压缩机21运行，以有效保证运行能效；此外，所述控制器还控制太阳能补气支路3与第一连通支路4和第二连通支路5均连通，经过太阳能集热装置32的冷媒一部分通过第一连通支路4和补气口对第一压缩机11进行补气，增大补气量，还有一部分冷媒通过第二连通支路5与经过中间换热器14的冷媒汇合后由进气口回至第一压缩机11，加大了高压冷媒循环回路1的焓差，还能够实现两级压缩，以有效提升所述复叠式热泵系统的制热能力。
73.在所述环境温度大于或等于所述预设环境温度且所述光照强度大于或等于所述预设光照强度的情形下，所述控制器控制旁通支路6和氟泵22运行，控制第二压缩机21不运行，以有效降低运行能耗；此外，所述控制器还控制太阳能补气支路3与第二连通支路5连
通，与第一连通支路4不连通，以增大高压冷媒循环回路1的焓差，太阳能补气支路3和氟泵22共同运行的方式能够进一步降低所述复叠式热泵系统的运行成本，还能够提升运行能效。
74.可以理解的是，本发明的复叠式热泵系统的具体运行方式并不限于上述四种，本领域技术人员还可以根据实际的情况自行设定具体的运行方式。
75.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。