带热管除霜功能的空气源热泵机组及其除霜方法

技术领域

本发明涉及制冷热泵技术领域，尤其涉及一种带热管除霜功能的空气源热泵机组及其除霜方法。

背景技术

空气源热泵冷热水机组在冬季制热时需要除霜，现有技术采用逆循环除霜方法，即切换到制冷模式，从水系统吸收热量，利用压缩机将热量传递到风换热器，使其表面温度升高，将霜融化除去。这种除霜方法简单可行，除霜速度快，效果有保障，但存在如下问题：

1）风换热器将加热到较高的温度，最高可达50℃以上，由于冬季气温低，将有大量热量散发到空气中，气温越低，散热损失越大。此外由于无霜误除霜现象大量存在，逆循环除霜造成的热损耗更大；

2）除霜过程阀门切换，流体换向，系统压力和温度剧烈变化，对系统各部件造成了冲击。也不利于压机正常回油，缩短机组的整体寿命。也产生了额外噪音，加剧空气源热泵的噪声问题；

3）空气源热泵冷热水机组可以制冷和制热，但目前大量存在单制热需求，例如热泵热水器，集中燃煤锅炉改造为空气源热泵的需求等。这些场景不需要制冷，原本可以去掉四通阀等切换部件，简化系统和控制。但由于逆循环除霜方法，必须保留这些机构，事实上四通阀作为易损部件，不仅降低了运行可靠性，也降低了系统运行能效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种带热管除霜功能的空气源热泵机组及其除霜方法，热损失显著减小，提高综合运行效率。

空气源热泵冷热水机组常采用上下型结构，风换热器位于上部，采用侧面出风或者顶面出风的方式，其他部件包括压缩机，水换热器，膨胀阀等位于下部，上下型结构的风换热器在上，水换热器在下，天然具备热管自然循环的高差，同时冬季供热时，水换热器的水温较高，一般不低于40℃，而风换热器结霜之后温度不会高于0℃，也具备热管自然循环的温差，因此只需将风换热器和水换热器的结构进行一定优化，并且将其直接连接，即可实现热管自然循环，将水中的热量传递到风换热器，用于化霜。

本发明采用的技术方案是：

一种带热管除霜功能的空气源热泵机组，其中，包括风换热器和第一管路，所述风换热器通过第一管路依次连接液管二通阀、水换热器和气管二通阀；所述水换热器的输出端和所述液管二通阀之间的第一管路上连接第二管道一端，所述第二管道另一端连接于液管二通阀和风换热器之间，所述第二管道上串联有膨胀阀，所述水换热器的输入端和所述气管二通阀之间的第一管路上连接第三管道一端，所述第三管道另一端连接于气管二通阀和风换热器之间，所述第三管道上串联有压缩机。

优选的是，所述的带热管除霜功能的空气源热泵机组，其中，还包括四通阀，所述四通阀的第一端和第二端连接压缩机的两端；所述四通阀的第三端通过第四管道连接于气管二通阀和水换热器输入端之间，所述四通阀的第四端通过第五管道连接于气管二通阀和风换热器之间。

优选的是，所述的带热管除霜功能的空气源热泵机组，其中，所述风换热器设置于水换热器上方。

一种带热管除霜功能的空气源热泵机组的除霜方法，其中，包括以下步骤：

1）当热泵机组处于制热状态时，关闭液管二通阀和气管二通阀，开启压缩机、膨胀阀和风换热器，当热泵机组处于除霜状态时，关闭压缩机和风换热器，保持t

2）打开气管二通阀和液管二通阀，打开风换热器、水换热器，关闭膨胀阀，开始热管除霜模式，并开始计算除霜时长；

3）当除霜时长达到t

除霜时长>t

T

T

T

其中，t

4）除霜结束，关闭液管二通阀和气管二通阀。

一种带热管除霜功能的空气源热泵机组的除霜方法，其中，包括以下步骤：

1）当热泵机组处于制热状态时，关闭液管二通阀和气管二通阀，开启压缩机、膨胀阀和风换热器，四通阀将压缩机排气口和水换热器连接，将压缩机吸气口和风换热器连接，当热泵机组处于除霜状态时，关闭压缩机和风换热器，保持t

2）打开气管二通阀和液管二通阀，打开风换热器、水换热器，关闭膨胀阀，开始热管除霜模式，并开始计算除霜时长；

3）当除霜时长达到t

T

T

T

其中，t

4）除霜结束，关闭液管二通阀和气管二通阀；

5）关闭气管二通阀和液管二通阀，系统切换到传统逆循环除霜模式，膨胀阀调节到除霜开度，压缩机开启，四通阀切换将压缩机排气口和风换热器连接，将压缩机吸气口和水换热器连接，并开始计时；若达到以下任一条件时，除霜结束：

除霜时长>t

T

其中，t

本发明的优点在于：

（1）本发明的带热管除霜功能的空气源热泵机组及其除霜方法，运行热管模式除霜时，风换热器的表面温度远低于传统逆循环方案，热损失显著减小，同时化霜过程不启动压缩机和风机，几乎无耗能，热量完全来自热水，提高综合运行效率。

（2）除霜过程无高低压切换，消除了传统除霜方式的冲击和流体换向，有效保护了各部件的运行安全，延长寿命，杜绝了除霜噪音。

（3）对于单热型的空气源热泵冷热水机组，可根据实际情况去掉四通阀，简化结构，提高运行可靠性和运行效率。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例2的示意图。

图2为本发明实施例3的示意图。

图3为除霜模式时温度测点分布的示意图。

图中编号说明如下：1-压缩机；2-水换热器；3-膨胀阀；4-风换热器；5-液管二通阀；6-气管二通阀；7-四通阀；8-第一管路；9-第二管道；10-第三管道；11-第四管道；12-第四管道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和图3，本实施例提供一种带热管除霜功能的空气源热泵机组，其特征在于，包括风换热器4和第一管路8，所述风换热器4通过第一管路8依次连接液管二通阀5、水换热器2和气管二通阀6；所述水换热器2的输出端和所述液管二通阀5之间的第一管路上连接第二管道9一端，所述第二管道9另一端连接于液管二通阀5和风换热器4之间，所述第二管道9上串联有膨胀阀3，所述水换热器2的输入端和所述气管二通阀6之间的第一管路上连接第三管道10一端，所述第三管道10另一端连接于气管二通阀6和风换热器4之间，所述第三管道10上串联有压缩机1。

其中，所述风换热器4设置于水换热器2上方。

如图1和图3，该实施例为单制热机组，无制冷功能，例如热泵热水器，锅炉替代热泵供热机组等；机组具有两种运行模式：热泵制热模式和热管除霜模式，在热泵制热模式下，液管二通阀和气管二通阀均关闭，此时压缩机，水换热器，膨胀阀和风换热器构成一个热泵循环，水换热器作为冷凝器，连接末端需求侧，为其供应循环热水。风换热器作为蒸发器，随着风换热器结霜加剧，需要除霜时，机组将切换到热管除霜模式。该模式下，液管二通阀和气管二通阀打开，风换热器和水换热器直接连通构成了分离式热管系统，由于水换热器的水路保持循环，热水将水换热器内的冷媒加热蒸发，通过气管二通阀进入风换热器。风换热器由于结霜，表面温度低（不高于0℃），因此冷媒蒸气经过风换热器将被冷凝为液体，在重力作用下通过液管二通阀返回水换热器。通过这种温差和高差驱动的热管运行模式，循环水中的热量传递到风换热器表面，使得霜层温度逐渐升高并融化。

一种带热管除霜功能的空气源热泵机组的除霜方法，其中，包括以下步骤：

1）当热泵机组处于制热状态时，关闭液管二通阀5和气管二通阀6，开启压缩机1、膨胀阀3和风换热器4，当热泵机组处于除霜状态时，关闭压缩机1和风换热器4，保持t

2）打开气管二通阀6和液管二通阀5，打开风换热器4、水换热器2，关闭膨胀阀3，开始热管除霜模式，并开始计算除霜时长；

3）当除霜时长达到t

除霜时长>t

T

T

T

其中，t

4）除霜结束，关闭液管二通阀5和气管二通阀6。

这种实施方式的热泵机组不具备逆循环除霜功能，除霜完全依靠热管模式，完全杜绝了逆循环除霜造成的可靠性，热损失，能耗高等问题。但热管模式受环境和水温的影响较大，除霜热量不稳定，除霜时间有可能较长。因此该方式适用于水温较高，机组台数较多，水系统惯性较大的场合，室外气温也不宜过低。

实施例2

如图2和图3，本实施例提供一种带热管除霜功能的空气源热泵机组，其特征在于，包括风换热器4和第一管路8，所述风换热器4通过第一管路8依次连接液管二通阀5、水换热器2和气管二通阀6；所述水换热器2的输出端和所述液管二通阀5之间的第一管路上连接第二管道9一端，所述第二管道9另一端连接于液管二通阀5和风换热器4之间，所述第二管道9上串联有膨胀阀3，所述水换热器2的输入端和所述气管二通阀6之间的第一管路上连接第三管道10一端，所述第三管道10另一端连接于气管二通阀6和风换热器4之间，所述第三管道10上串联有压缩机1。

其中，还包括四通阀7，所述四通阀7的第一端和第二端连接压缩机1的两端；所述四通阀7的第三端通过第四管道11连接于气管二通阀6和水换热器2输入端之间，所述四通阀7的第四端通过第五管道12连接于气管二通阀6和风换热器4之间。

其中，所述风换热器4设置于水换热器2上方。

如图2和图3，本实施例提供该实施例相比实施例1多了四通阀，因此机组具备了热泵制冷模式，热泵制热模式，逆循环除霜模式和热管除霜模式。

其中在热泵制冷，热泵制热和逆循环除霜这三种模式下，液管二通阀和气管二通阀均保持关闭，其运行与常规空气源热泵相同。

在热管循环除霜模式，压缩机关闭，风扇关闭，液管二通阀和气管二通阀打开，此时风换热器和水换热器直接连通并构成了分离式热管循环。其除霜原理与实施方式一相同。机组采用“热管除霜优先”的除霜方法，过程如下：

一种带热管除霜功能的空气源热泵机组的除霜方法，其中，包括以下步骤：

1）当热泵机组处于制热状态时，关闭液管二通阀5和气管二通阀6，开启压缩机1、膨胀阀3和风换热器4，四通阀9将压缩机1排气口和水换热器2连接，将压缩机1吸气口和风换热器4连接，当热泵机组处于除霜状态时，关闭压缩机1和风换热器4，保持t

2）打开气管二通阀6和液管二通阀5，打开风换热器4、水换热器2，关闭膨胀阀3，开始热管除霜模式，并开始计算除霜时长；

3）当除霜时长达到t

T

T

T

其中，t

4）除霜结束，关闭液管二通阀5和气管二通阀6；

5）关闭气管二通阀6和液管二通阀5，系统切换到传统逆循环除霜模式，膨胀阀3调节到除霜开度，压缩机1开启，四通阀9切换将压缩机1排气口和风换热器4连接，将压缩机1吸气口和水换热器2连接，并开始计时；若达到以下任一条件时，除霜结束：

除霜时长>t

T

其中，t

该除霜方法优先采用热管除霜模式，以降低除霜能耗，若热管模式可确保除霜彻底，则不运行逆循环除霜模式。如果由于热管能力不足或除霜时间不足，造成除霜不彻底，则切换到逆循环除霜模式，确保除霜快速、彻底。

相比实施例1，该方式的缺点在于机组需要设置四通阀，系统和控制略复杂。优点在于功能模式多样，应用更广泛，也具备逆循环除霜模式，不受环境和水温的限制。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。