CN114484932A - 一种热泵***、控制方法及空调器 - Google Patents

一种热泵***、控制方法及空调器 Download PDF

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Abstract

本发明属于热泵技术领域，涉及一种热泵***、控制方法及空调器，热泵***包括具有第一制冷剂管路和第一水管路的室外换热器、具有第二制冷剂管路和第二水管路的蓄热单元，第一水管路和第二水管路连通形成水循环回路；压缩机、第一制冷剂管路和室内换热器形成第一制冷剂循环回路，压缩机、第一制冷剂管路和第二制冷剂管路形成第二制冷剂循环回路。通过水循环回路和第一制冷剂循环回路将夏季的冷凝热存储在蓄热单元中用于提供热水，解决了热量排放到空气中造成的热污染和能量浪费；通过水循环回路和第二制冷剂循环回路将冬季廉价的谷电以热量形式存储在蓄热单元中用于室外换热器除霜，除霜时不会对室内的温度造成波动，可以起到减小运行成本的作用。

Description

一种热泵***、控制方法及空调器
技术领域
本发明属于热泵技术领域，特别是涉及一种热泵***、控制方法及空调器。
背景技术
空气源热泵是一种高效、节能、环保的能量利用方式，得到了越来越广泛的应用；但常规的空气源热泵***，夏季制冷时，将室外换热器产生大量废热排到空气中，不仅造成能量浪费，同时也给空气带来热污染；而冬季气温较低时，室外换热器容易结霜，需要进行除霜，一般会通过四通阀逆循环除霜，将制热循环转变为制冷循环，存在除霜时间长、室内温度波动过大的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种热泵***、控制方法及空调器，通过水循环回路、蓄热单元、第一制冷剂循环回路以及第二制冷剂循环回路的结合，解决了传统方式存在的能量浪费和除霜难的问题。
为了解决上述问题，根据本申请的一个方面，本发明的实施例提供了一种热泵***，热泵***包括具有第一制冷剂管路和第一水管路的室外换热器、具有第二制冷剂管路和第二水管路的蓄热单元，第一水管路和第二水管路连通形成水循环回路；还包括压缩机和室内换热器，压缩机、第一制冷剂管路以及室内换热器形成第一制冷剂循环回路，压缩机、第一制冷剂管路以及第二制冷剂管路形成第二制冷剂循环回路。
在一些实施例中，蓄热单元还包括蓄热层，蓄热层包裹第二制冷剂管路和第二水管路且可与第二制冷剂管路和第二水管路进行热交换。
在一些实施例中，蓄热层为相变蓄热材料。
在一些实施例中，相变蓄热材料的相变温度范围为：40-60℃。
在一些实施例中，第一水管路包括多根水管，第一制冷剂管路包括多根制冷剂管，水管的根数满足：S/10≤M≤S/3；其中，M为水管的根数，S为水管的根数与制冷剂管的根数之和，且M和S均为整数。
在一些实施例中，水循环回路还包括循环水泵，循环水泵的一端与第一水管路连接，另一端与第二水管路连接。
在一些实施例中，热泵***还包括四通阀，压缩机通过四通阀一路与第一制冷剂管路连通，另一路的第一端与室内换热器连通，第二端与第二制冷剂管路连通。
在一些实施例中，第一制冷剂循环回路上还设置有第一节流阀，压缩机、室外换热器、第一节流阀以及室内换热器依次首尾连接后形成第一制冷剂循环回路。
在一些实施例中，第二制冷剂循环回路上还设置有第二节流阀，压缩机、蓄热单元、第二节流阀以及室外换热器依次首尾连接后形成第二制冷剂循环回路。
在一些实施例中，第一制冷剂循环回路上还设置有第一二通阀，第一二通阀位于四通阀和室内换热器之间。
在一些实施例中，二制冷剂循环回路上还设置有第二二通阀，第二二通阀位于四通阀和第二制冷剂管路之间。
根据本申请的另一个方面，本发明的实施例提供了一种热泵***的控制方法，控制方法用于控制上述的热泵***，包括：
确定当前季节，根据季节控制热泵***的工作模式，具体为：
夏季时，第一制冷剂循环回路和水循环回路均工作，且第一水管路吸收第一制冷剂管路的冷凝热，并通过第二水管路将冷凝热存储在蓄热单元中；
冬季时，通过谷电使第二制冷剂循环回路工作，且蓄热单元存储第二制冷剂管路产生的冷凝热。
在一些实施例中，控制方法还包括：
夏季时，存储在蓄热单元中的冷凝热用于提供生活热水。
在一些实施例中，控制方法还包括：
冬季时，存储在蓄热单元中的冷凝热用于除霜。
根据本申请的另一个方面，本发明的实施例还提供了一种空调器，空调器包括上述的热泵***。
与现有技术相比，本发明的热泵***至少具有下列有益效果：
首先，可实现热量在空间和时间上的转移利用，具体为：夏季时，第一制冷剂循环回路和水循环回路均工作，且第一水管路吸收所述第一制冷剂管路的冷凝热，并通过第二水管路将该冷凝热存储在蓄热单元中，实现了热量的存储，该热量用于为用户提供生活热水；因此解决了夏季热量排放到空气中造成的热污染和能量浪费的问题；
其次，本发明还具备单独的第二制冷剂循环回路，冬季时，利用谷电使得该回路工作，将热量进行存储，存储的热量可用于峰电时期的除霜使用；也就是说通过水循环回路和第二制冷剂循环回路将冬季廉价的谷电以热量形式存储在相变蓄热材料中用于室外换热器除霜，除霜的同时不会对室内的温度造成波动，可以起到减小运行成本、优化电力资源配置的作用。
另一方面，本发明提供的热泵***的控制方法是基于上述热泵***而设计的，其有益效果参见上述热泵***的有益效果，在此，不一一赘述。
另一方面，本发明提供的空调器是基于上述热泵***而设计的，其有益效果参见上述热泵***的有益效果，在此，不一一赘述。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的一种热泵***的结构示意图；
图2是本发明的实施例提供的一种热泵***中室外换热器的结构示意图；
图3是本发明的实施例提供的一种热泵***的控制方法的流程图。
其中：
1、室外换热器；2、蓄热单元；3、压缩机；4、室内换热器；5、循环水泵；6、四通阀；11、第一制冷剂管路；12、第一水管路；21、第二制冷剂管路；22、第二水管路；23、蓄热层；71、第一节流阀；72、第二节流阀；81、第一二通阀；82、第二二通阀。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例提供一种热泵***，如图1所示，热泵***包括具有第一制冷剂管路11和第一水管路12的室外换热器1、具有第二制冷剂管路21和第二水管路22的蓄热单元2，第一水管路12和第二水管路22连通形成水循环回路；还包括压缩机3和室内换热器4，压缩机3、第一制冷剂管路11以及室内换热器4形成第一制冷剂循环回路，压缩机3、第一制冷剂管路11以及第二制冷剂管路21形成第二制冷剂循环回路。
具体地，室外换热器1和蓄热单元2内均有两个管路***，分别走制冷剂和水；也正是因为室外换热器1和蓄热单元2内均有两个管路***，使得本实施例的热泵***形成一个水循环回路和两个制冷剂循环回路；水循环回路为：第一水管路12的第一端与第二水管路22的第一端连接，第二水管路22的第二端与第一水管路12的第二端连接形成回路，该回路与外部水源连接用于补水，该回路还与用户用水连接用于为用户提供热水；第一制冷剂循环回路为：压缩机3的第一端与第一制冷剂管路11的第一端连接，第一制冷剂管路11的第二端与室内换热器4的第一端连接，室内换热器4的第二端与压缩机3的第二端连接形成的回路；第二制冷剂循环回路为：压缩机3的第一端与第一制冷剂管路11的第一端连接，第一制冷剂管路11的第二端与第二制冷剂管路21的第一端连接，第二制冷剂管路21的第二端与压缩机3的第二端连接形成的回路。
夏季时，第一制冷剂循环回路和水循环回路均工作，且第一水管路12吸收所述第一制冷剂管路11的冷凝热，并通过第二水管路22将该冷凝热存储在蓄热单元2中，实现了热量的存储，该热量用于为用户提供生活热水；冬季时，利用谷电使得第二制冷剂循环回路回路工作，将工作过程中产生的热量进行存储，存储的热量可用于峰电时期的除霜使用；也就是说通过水循环回路和第二制冷剂循环回路将冬季廉价的谷电以热量形式存储在蓄热单元2中用于室外换热器1除霜，除霜的同时不会对室内的温度造成波动，可以起到减小运行成本、优化电力资源配置的作用。
在具体实施例中：
蓄热单元2还包括蓄热层23，蓄热层23包裹第二制冷剂管路21和第二水管路22且可与第二制冷剂管路21和第二水管路22进行热交换；也就是说，第二制冷剂管路21和第二水管路22并列设置在蓄热单元2的壳体中，第二制冷剂管路21和第二水管路22不接触，两者的间隙、以及两者与壳体之间的间隙中填满了蓄热材料，该蓄热材料形成蓄热层，蓄热层可以与第二制冷剂管路21进行热交换，实现将第二制冷剂管路21的热量存储起来，蓄热层也可以与第二水管路22进行热交换，实现将第二水管路22的热量存储起来或者将通过第二水管路22将自身的热量提取出来。
在具体实施例中：蓄热层23为相变蓄热材料，该相变蓄热材料的相变温度范围为：40-60℃。
相变蓄热是一种以相变蓄热材料或复合相变蓄热材料为基础的储能技术，由于相变蓄热具有温度恒定和蓄热密度大的优点，因此得到了广泛的研究，尤其适用于热量供给不连续或供给与需求不协调的工况下，相变蓄热技术作为解决能源供应时间与空间矛盾的有效手段，是提高能源利用率的重要途径之一，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾；本实施例巧妙地将相变蓄热技术和热泵结合起来，实现了热量在时间和空间上的转移利用。
在具体实施例中：第一水管路12包括多根水管，第一制冷剂管路11包括多根制冷剂管，水管的根数满足：S/10≤M≤S/3；其中，M为水管的根数，S为水管的根数与制冷剂管的根数之和，且M和S均为整数。
具体地，如图2所示，第一制冷剂管路11包括8根制冷剂管，第一水管路12包括4根水管(图2中虚线所示)，水管的根数满足M＝S/3；这样，当蓄热单元2不参与工作，也就是说通过本实施提供的热泵***进行常规制冷制热时，由于水管的根数较小，因此基本不会影响制冷制热的效果；而当蓄热单元2参与工作时，水管的根数满足S/10≤M≤S/3也使得水***和制冷剂***均可以高效正常的工作。
在具体实施例中：水循环回路还包括循环水泵5，循环水泵5的一端与第一水管路12连接，另一端与第二水管路22连接；循环水泵5用于驱动循环水在蓄热单元2的第二水管路22和室外换热器1的第一水管路12中循环流动。
在具体实施例中：热泵***还包括四通阀6，压缩机3通过四通阀6一路与第一制冷剂管路11连通，另一路的第一端与室内换热器4连通，第二端与第二制冷剂管路21连通；具体地，四通阀6的四个端口分别为：E端口、S端口、C端口和D端口，四通阀6滑阀的位置不同，对应的回路不同，也就是说，本实施例通过四通阀6实现热泵***不同的工作模式。
在具体实施例中：第一制冷剂循环回路上还设置有第一节流阀71，压缩机3、室外换热器1、第一节流阀71以及室内换热器4依次首尾连接后形成第一制冷剂循环回路；具体为：压缩机3的第一端与室外换热器1的第一端连接，室外换热器1的第二端与第一节流阀71的第一端连接，第一节流阀71的第二端与室内换热器4的第一端连接，室内换热器4的第二端与压缩机3的第二端连接形成第一制冷剂循环回路。
在具体实施例中：第二制冷剂循环回路上还设置有第二节流阀72，压缩机3、蓄热单元2、第二节流阀72以及室内换热器4依次首尾连接后形成第二制冷剂循环回路；具体为：压缩机3的第一端与蓄热单元2的第一端连接，蓄热单元2的第二端与第二节流阀72的第一连接，第二节流阀72的第二端与室内换热器4的第一端连接，室外换热器1的第二端与压缩机3的第二端连接形成第二制冷剂循环回路。
第一节流阀71和第二节流阀72在本实施例提供的热泵***中至少有如下三个作用：第一为将高温高压液体变为低温低压液体；为制冷剂在蒸发器中沸腾条件；第二为自动调节***制冷剂流量，根据***负荷变化情况而调节它的蒸发温度；第三为控制蒸发器出口的过热度变化范围，充分发挥蒸发器的换热效率。
在具体实施例中：第一制冷剂循环回路上还设置有第一二通阀81，第一二通阀81位于四通阀6和室内换热器4之间。第二制冷剂循环回路上还设置有第二二通阀82，第二二通阀82位于四通阀6和第二制冷剂管路21之间；第一二通阀81和第二二通阀82根据实际情况打开或者关闭，实现第一制冷剂循环回路和第二制冷剂循环回路的打开和关闭，进而使得本实施例提供的热泵***根据用户需要选择相应的工作模式。
本实施例提供的热泵***具有多种工作模式，具体为：
第一种，夏季的制冷兼余热回收模式，该模式下第一制冷剂循环回路和水循环回路均工作；第一制冷剂循环回路为：四通阀6的滑阀左移，E端口和S端口导通、D端口和C端口导通，第一二通阀81打开，第二二通阀82关闭，第二节流阀72关闭，第一节流阀71打开并按照逻辑控制开度，从压缩机3排出的高温高压的制冷剂气体经过四通阀6进入室外换热器1的第一制冷剂管路11中，制冷剂冷却冷凝后变成高压低温液体经过第一节流阀71节流降压后进入室内换热器4中，在其中吸收室内空气中的热量而蒸发，然后经过四通阀6进入压缩机3，完成制冷剂循环；水循环回路为：循环水在循环水泵5的驱动下在蓄热单元2的第二水管路22和室外换热器1的第一水管路12中循环流动，吸收第一制冷剂管路11中的冷凝余热存储在相变蓄热材料中，直至蓄热材料温度达到目标温度后，完成蓄热过程；此模式下，制冷过程中产生的冷凝热存储在相变蓄热材料中，实现制冷的同时蓄热，提高了能量的综合利用率，同时也可减少热污染。
第二种，冬季单独蓄热模式，该模式下通过谷电使第二制冷剂循环回路工作，四通阀6的滑阀右移，E端口和D端口导通、S端口和C端口导通，第一二通阀81关闭，第二二通阀82打开，第一节流阀71关闭，第二节流阀72打开并按照逻辑控制开度，从压缩机3排出的高温高压的制冷剂气体经过四通阀6进入蓄热单元2，利用冷凝热加热封装在其中的相变蓄热材料，制冷剂放出热量后变成高压低温液体经过第二节流阀72节流降压后进入室外换热器1，吸收室外空气中的热量而蒸发，然后经过四通阀6进入压缩机3，完成制冷剂循环；此模式适应于冬季制热过程无法给蓄热单元2提供余热的情况，利用谷电运行单独蓄热模式，可以降低蓄热成本、优化电力资源配置。
第三种，除霜模式，该模式下，制冷剂***按照常规制热模式运行，循环水在循环水泵5的驱动下，把热量从相变蓄热材料中提取出来供给室外换热器1除霜使用，提高了除霜效率，可以实现不间断供热除霜，提高了热舒适性。
当然，本实施例提供的热泵***还具有常规制冷和常规制热的模式，常规制冷和常规制热时，第二二通阀82关闭，第二节流阀72关闭，仅通过第一制冷剂循环回路即可实现常规制冷和常规制热。
本实施例提供的热泵***夏季制冷运行时，室外换热器产生的冷凝热部分通过循环水转移到蓄热单元并存储在蓄热材料中，当蓄热单元热量蓄满后，室外换热器继续通过风冷冷却，达到了回收冷凝热并提高能效的目的；冬季时通过水循环回路和第二制冷剂循环回路将冬季廉价的谷电以热量形式存储在相变蓄热材料中用于室外换热器除霜，除霜的同时不会对室内的温度造成波动，可以起到减小运行成本、优化电力资源配置的作用；本实施例利用热泵方式对蓄热单元充热，可以同时利用谷电和热泵二者的优势低成本蓄热。
实施例2
本实施例提供一种热泵***的控制方法，控制方法用于控制实施例1的热泵***，如图3所示，包括：
夏季时，第一制冷剂循环回路和水循环回路均工作，且第一水管路12吸收第一制冷剂管路11的冷凝热，并通过第二水管路22将冷凝热存储在蓄热单元2中；且存储在蓄热单元2中的冷凝热用于提供生活热水；
冬季时，通过谷电使第二制冷剂循环回路工作，且蓄热单元2存储第二制冷剂管路21产生的冷凝热；且存储在蓄热单元2中的冷凝热用于除霜。
这样，本实施例将夏季的冷凝热用于为用户提供生活热水，因此解决了夏季热量排放到空气中造成的热污染和能量浪费的问题；冬季时，利用谷电使得第二制冷剂循环回路工作，将热量进行存储，存储的热量可用于峰电时期的除霜使用，也就是通过水循环回路和第二制冷剂循环回路将冬季廉价的谷电以热量形式存储在相变蓄热材料中用于室外换热器除霜，除霜的同时不会对室内的温度造成波动，可以起到减小运行成本、优化电力资源配置的作用。
实施例3
本实施例提供一种空调器，空调器包括实施例1的热泵***。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (15)

1.一种热泵***，其特征在于，所述热泵***包括具有第一制冷剂管路(11)和第一水管路(12)的室外换热器(1)、具有第二制冷剂管路(21)和第二水管路(22)的蓄热单元(2)，所述第一水管路(12)和第二水管路(22)连通形成水循环回路；还包括压缩机(3)和室内换热器(4)，所述压缩机(3)、第一制冷剂管路(11)以及室内换热器(4)形成第一制冷剂循环回路，所述压缩机(3)、第一制冷剂管路(11)以及第二制冷剂管路(21)形成第二制冷剂循环回路。
2.根据权利要求1所述的热泵***，其特征在于，所述蓄热单元(2)还包括蓄热层(23)，所述蓄热层(23)包裹所述第二制冷剂管路(21)和第二水管路(22)且可与所述第二制冷剂管路(21)和第二水管路(22)进行热交换。
3.根据权利要求2所述的热泵***，其特征在于，所述蓄热层(23)为相变蓄热材料。
4.根据权利要求3所述的热泵***，其特征在于，所述相变蓄热材料的相变温度范围为：40-60℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的热泵***，其特征在于，所述第一水管路(12)包括多根水管，所述第一制冷剂管路(11)包括多根制冷剂管，所述水管的根数满足：S/10≤M≤S/3；其中，M为所述水管的根数，S为所述水管的根数与所述制冷剂管的根数之和，且M和S均为整数。
6.根据权利要求1-4任一项所述的热泵***，其特征在于，所述水循环回路还包括循环水泵(5)，所述循环水泵(5)的一端与第一水管路(12)连接，另一端与第二水管路(22)连接。
7.根据权利要求1-4任一项所述的热泵***，其特征在于，所述热泵***还包括四通阀(6)，所述压缩机(3)通过四通阀(6)一路与第一制冷剂管路(11)连通，另一路的第一端与室内换热器(4)连通，第二端与第二制冷剂管路(21)连通。
8.根据权利要求1-4任一项所述的热泵***，其特征在于，所述第一制冷剂循环回路上还设置有第一节流阀(71)，所述压缩机(3)、室外换热器(1)、第一节流阀(71)以及室内换热器(4)依次首尾连接后形成所述第一制冷剂循环回路。
9.根据权利要求1-4任一项所述的热泵***，其特征在于，所述第二制冷剂循环回路上还设置有第二节流阀(72)，所述压缩机(3)、蓄热单元(2)、第二节流阀(72)以及室外换热器(1)依次首尾连接后形成所述第二制冷剂循环回路。
10.根据权利要求7所述的热泵***，其特征在于，所述第一制冷剂循环回路上还设置有第一二通阀(81)，所述第一二通阀(81)位于所述四通阀(6)和室内换热器(4)之间。
11.根据权利要求7所述的热泵***，其特征在于，所述二制冷剂循环回路上还设置有第二二通阀(82)，所述第二二通阀(82)位于所述四通阀(6)和第二制冷剂管路(21)之间。
12.一种热泵***的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制权利要求1-11任一项所述的热泵***，包括：
夏季时，所述第一制冷剂循环回路和水循环回路均工作，且所述第一水管路(12)吸收所述第一制冷剂管路(11)的冷凝热，并通过所述第二水管路(22)将所述冷凝热存储在所述蓄热单元(2)中；
冬季时，通过谷电使所述第二制冷剂循环回路工作，且所述蓄热单元(2)存储所述第二制冷剂管路(21)产生的冷凝热。
13.根据权利要求12所述的热泵***的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
夏季时，存储在所述蓄热单元(2)中的冷凝热用于提供生活热水。
14.根据权利要求12或13所述的热泵***的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
冬季时，存储在所述蓄热单元(2)中的冷凝热用于除霜。
15.一种空调器，其特征在于，所述空调器包括权利要求1-11任一项所述的热泵***。
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