技术领域
[0001] 本
发明涉及
空调、热泵热
水技术领域，具体涉及一种自力式多功能热泵系统及其控制方法。
背景技术
[0002] 随着经济的发展、生活水平的提高，冷水、热水需求量在逐步增加，每年建筑能耗占
能源总消耗量的30％～40％，民用建筑中热水能源消耗量约为建筑总能耗的30％，但目前市场上多采用冷水、热水分开供应，传统的热水供应方式以
锅炉为主，其消耗的能源多为
煤炭、石油、
天然气等高品位能源，不仅能源利用率低，安全性差，而且伴随着严重的污染和二
氧化
碳排放，给能源和环保带来多方面的危害；与此同时，空调系统的冷凝热直接排放到室外空气，对城市局部热环境造成较大的影响(冯灿东，
空气源热泵热水器的结构设计及拓扑优化[D]，合肥工业大学，2012年)。
[0003] 在多种民用和工业用场合中，需要同时提供冷水与热水(邹俊.PHNIX冷热联供热泵成功应用于上海沛鑫
包装有限公司[J].包装前沿,2014(4):33-35；郭日东等.奶站节能减排“冷热联供机组”的研究和开发[J].当代畜禽养殖业,2012(6):56-58；彭发展,张信荣.利用天然工质的
食品加工行业冷热联供技术[J].制冷与空调,2015,15(12):67-71；易毅.冷热联供热泵在印刷行业的应用[J].广东包装,2013:87-90)，目前的冷热联供系统主要包括基于
热机的冷热联供系统、冷热电联供系统与热泵热回收冷热联供系统。基于热机的冷热联供系统在一定程度上提高了能源的综合利用效率，但还是以消耗天然气等化石能源为主，在降低碳排放方面优势不明显(王加龙等.基于热机的冷热联供系统.CN103673389A[P].2014.)；冷热电联供基于
能量梯级利用，可以提高能源的综合利用效率，减少污染物的排放，缓解用电紧张等优点，但是其规模较大，一般分为楼宇型、区域型与产业型，不适用于小型场所(杨干等.国内冷热电联供系统现状和发展趋势[J].化工学报,2015,66(s2):1-9)。
[0004] 热泵的原理是逆卡诺循环，低温低压的制冷剂蒸气经
压缩机压缩成高压、高温蒸气而排出，流入
冷凝器，在冷凝器中把热量传给周围的介质，从而使制冷剂蒸气逐渐冷凝成液体，从冷凝器出来的制冷剂液体经过节流降到到
蒸发压力，并产生部分闪发蒸气，节流后的气液混合物进入
蒸发器内蒸发吸收周围介质的热量而变为气态制冷剂，然后再进入压缩机进行压缩，如此反复循环(张旭.热泵技术[M].北京：化学工业出版社，2007)。在整个循环过程中，热泵通过输入少量
电能便可以从低温热源吸收热量运输到高温热源，充分利用自然界中低品位能源，如果利用热泵实施冷热联供的供能方案，将空调冷凝热作为免费热源制取热水，在降低初投资的同时可以降低运行成本，最为重要的是，可以减少能源的消耗量和大量冷凝热对环境的影响。但是，对于热泵系统，其制热量等于制冷量与消耗功率之和，即制热量永远大于制冷量，在日常的生产生活中，需冷量与需热量会根据季节变化等因素发生变化，造成所需冷量和热量与热泵机组制冷量和制热量不匹配，根据其相对值，可以分为同时需要冷量与热量、只需要冷量、只需热量三种情况，为了满足使用要求，我们必须通过优化结构设计与管路布局实现与冷热量需求相对应的运行模式，实现冷热需求量与供应量相匹配。
[0005] 目前已有很多形式的冷热联供热泵系统，下面对不同形式的冷热联供热泵系统进行讨论：
[0007] 例如，
专利公告号CN2632558Y的“一种冷热联供热泵机组”、专利公开号CN102838181A的“
海水淡化冷热联供装置”、专利公告号CN206056012U的“实现冷热联共的热量梯级利用热泵系统”等专利文件中的方案虽然可以实现冷热联供的目的，但因为系统结构过于简单，运行模式单一，只通过
控制阀门或旁通实现平衡或者无法调节，只能满足极个别情况下冷热联供与
不平衡的调节，多为在进行制冷或制热的同时进行热量或冷量的回收。
[0008] (2)单换向阀的冷热联供系统
[0009] 专利公告号CN2884059Y的“冷热联供冷水机组”、专利公告号CN201229088Y的“多热源三联供热泵冷热水机组”、专利公告号CN201680649U的“
土壤源热泵热水空调冷热联供系统”、专利公告号CN106679223A的“一种热回收三联供系统”等专利文件均采用单个
四通阀，可以通过四通阀的换向功能调节机组运行模式，解决冷热量供需不平衡的问题，但是因为单个四通阀调节能力有限，在春秋过渡季节等情况下，会出现冷热不平衡的现象，例如专利公告号CN2884059Y的专利文件方案当冷量需求少时，热回收量达不到使用要求，无法单独制取生活热水，需要添加辅助设备，大大削弱了冷热联供的优势。
[0010] (3)换向阀加辅助阀门的冷热联供系统
[0011] 专利公告号CN203024477U的“
地源热泵中央空调热水三联供机组”采用10个电动
球阀，通过控制电动球阀的
开关实现多种运行模式实现冷热供应的平衡性；专利公告号CN204854070U的“空气能热泵三联供系统”采用四通阀与
电磁阀、
截止阀、
单向阀相结合的形式通过调节机组的运行模式实现冷热供应的平衡性；专利公告号CN201715778U的“冷、暖、热三联供热泵机组”采用双四通阀结构，并结合阀门的辅助作用实现多种运行模式解决冷热量供应不平衡的问答题。虽然在热泵系统中使用多种类型与数量的阀门通过调节机组运行模式可以实现冷热供需的平衡型，但会造成系统结构复杂，制造成本升高，并且不易控制，运行不稳定。并且由于此类系统换热器之间为并列结构，会造成冷媒分配不均匀。
发明内容
[0012] 本发明的目的在于公开一种自力式多功能热泵系统，解决传统热回收系统在过渡季节等情况下出现的冷量、热量供需失衡的问题，同时相应公开该自力式多功能热泵系统的控制方法。
[0013] 本发明公开的一种自力式多功能热泵系统，包括压缩机、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一换向阀、第二换向阀、节流装置、储液器、气液分离器、热
水循环泵、冷水
循环泵、室外
风机；
[0014] 所述压缩机的排气口连接所述第一换热器的进口，所述第一换热器的出口连接所述第一换向阀的D口，所述第一换向阀的C口连接所述储液器的入口，所述储液器的出口连接所述节流装置的入口，所述节流装置的出口连接所述第二换向阀的D口，所述第二换向阀的C口连接所述第二换热器的入口，所述第二换热器的出口连接所述气液分离器的入口，所述气液分离器的出口连接所述压缩机的吸气口，所述第一换向阀的E口与所述第三换热器的集气管端连接，所述第一换向阀的S口与所述第二换向阀的S口相连接，所述第二换向阀的E口与所述第三换热器的分液器端相连接；
[0015] 所述热水循环泵另外通过管路与所述第一换热器连接为热水循环提供动力；所述冷水循环泵另外通过管路与所述第二换热器连接为冷水循环提供动力；所述室外风机安装在第三换热器处为第三换热器提供
散热。
[0016] 进一步的，所述节流装置为
电子膨胀阀或
热力膨胀阀或毛细管。
[0017] 进一步的，所述第一换向阀与第二换向阀为电磁型切换阀或四通阀或四口型切换阀以及一切满足上述流向要求的阀门组合。
[0018] 进一步的，所述第一换热器在工作状态下始终为冷凝器，第二换热器在工作状态下始终为蒸发器，第三换热器为蒸发、冷凝两用换热器。
[0019] 进一步的，所述第一换热器、第二换热器为套
管式换热器，或盘管式换热器，或
板式换热器，或带换热功能的承压水箱；所述第三换热器为翅片管式换热器。
[0020] 进一步的，所述压缩机、第一换向阀、第二换向阀、热水循环泵、冷水循环泵、室外风机通过程序控制实现自动运行。
[0021] 进一步的，所述第一换热器和热水循环泵通过管路与一外设热水水箱连接，以实现热水循环；所述第二换热器和冷水循环泵通过管路与一外设冷水水箱连接，以实现冷水循环。
[0022] 本发明相应公开的上述自力式多功能热泵系统的控制方法，其同时制冷制热模式控制包括：
[0023] A1、保持第一换向阀和第二换向阀均为关闭状态，从压缩机排气口经第一换热器、第一换向阀D口至第一换向阀C口、储液器、节流装置、第二换向阀D口至第二换向阀C口、第二换热器、气液分离器、压缩机吸气口依次管路连通，第三换热器与第一换向阀、第二换向阀之间的管路断开；
[0024] A2、开启热水循环泵和冷水循环泵，关闭室外风机；
[0025] A3、控制压缩机压缩的高温高压制冷剂流入第一换热器，加热热水水箱中的水同时冷却自身；冷却后的制冷剂通过第一换向阀经储液器流入节流装置，绝
热膨胀后形成低温低压制冷剂；低温低压制冷剂通过第二换向阀流入第二换热器，冷却冷水水箱中的水同时加热自身后流入气液分离器；
[0026] A4、控制压缩机吸入从气液分离器流出的制冷剂；
[0027] A5、循环执行步骤A1至A4，达到同时制冷制热的目的。
[0028] 进一步的，自力式多功能热泵系统的控制方法中，单独制冷模式控制包括：
[0029] B1、保持换第一向阀为开启状态，第二换向阀为关闭状态，从压缩机排气口经第一换热器、第一换向阀D口至第一换向阀E口、第三换热器、第二换向阀E口至第二换向阀S口、第一换向阀S口至第一换向阀C口、储液器、节流装置、第二换向阀D口至第二换向阀C口、第二换热器、气液分离器、压缩机吸气口依次管路连通；
[0030] B2、关闭热水循环泵，开启冷水循环泵，开启室外风机；
[0031] B3、控制压缩机压缩的高温高压制冷剂依次流经第一换热器、第一换向阀、第三换热器，第三换热器向外排放热量，使制冷剂冷凝；冷凝后的制冷剂依次流经第二换向阀、第一换向阀、储液器、节流装置，经节流装置绝热膨胀后形成低压
低温制冷剂；低压低温态制冷剂通过第二换向阀流入第二换热器，冷却冷水水箱中的水同时加热自身后流入气液分离器；
[0032] B4、控制压缩机吸入从气液分离器流出的制冷剂；
[0033] B5、循环执行步骤B1至B4，达到单独制冷的目的。
[0034] 进一步的，自力式多功能热泵系统的控制方法中，单独制热模式控制包括：
[0035] C1、保持第一换向阀为关闭状态，第二换向阀为开启状态，从压缩机排气口至第一换热器、第一换向阀D口至第一换向阀C口、储液器、节流装置、第二换向阀D口至第二换向阀E口、第三换热器、第一换向阀E口至第一换向阀S口、第二换向阀S口至第二换向阀C口、第二换热器、气液分离器、压缩机吸气口依次管路连通；
[0036] C2、开启热水循环泵，关闭冷水循环泵，开启室外风机；
[0037] C3、控制压缩机压缩的高温高压制冷剂流入第一换热器，加热热水水箱中的水同时冷却自身；冷却后的制冷剂通过第一换向阀经储液器流入节流装置，绝热膨胀后形成低温低压制冷剂；低温低压制冷剂通过第二换向阀流入第三换热器；第三换热器向外吸收热量，使制冷剂加热；加热后的制冷剂依次流经第一换向阀、第二换向阀、第二换热器、气液分离器；
[0038] C4、控制压缩机吸入从气液分离器流出的制冷剂；
[0039] C5、循环执行步骤C1至C4，达到单独制热的目的。
[0040] 与
现有技术相比，本发明通过换向阀的控制以及室外风机、热水循环泵、冷水循环泵的启停使自力式多功能热泵系统具有多种运行模式：可以同时制冷制热、单独制冷或单独制热，实现在不同的工况下自动选择最合适的运行模式，实现冷量与热量的供需平衡，全部功能可以自动控制实现，不需要人工操作。
附图说明
[0041] 图1是
实施例公开的一种自力式多功能热泵系统整体结构示意图。
[0042] 图2是图1在同时制冷制热模式下的运行原理示意图。
[0043] 图3是图1在单独制冷模式下的运行原理示意图。
[0044] 图4是图1在单独制热模式下的运行原理示意图。
具体实施方式
[0045] 为了更好的说明本发明，下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步说明。可以理解的是，这些具体实施例及附图均为示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0046] 所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0047] 实施例一
[0048] 如图1所示，实施例一公开的一种自力式多功能热泵系统，包括压缩机1、第一换热器2、第二换热器7、第三换热器11、第一换向阀3、第二换向阀6、节流装置5、储液器4、气液分离器8、热水循环泵9、冷水循环泵10、室外风机12。
[0049] 压缩机1的排气口连接第一换热器2的进口，第一换热器2的出口连接第一换向阀3的D口，第一换向阀3的C口连接储液器4的入口，储液器4的出口连接节流装置5的入口，节流装置5的出口连接第二换向阀6的D口，第二换向阀6的C口连接第二换热器7的入口，第二换热器7的出口连接气液分离器8的入口，气液分离器8的出口连接压缩机1的吸气口，第一换向阀3的E口与第三换热器11的集气管端连接，第一换向阀3的S口与第二换向阀6的S口相连接，第二换向阀6的E口与第三换热器11的分液器端相连接。
[0050] 热水循环泵9另外通过管路与第一换热器2连接为热水循环提供动力；冷水循环泵9另外通过管路与第二换热器7连接为冷水循环提供动力；室外风机12安装在第三换热器11处为第三换热器11提供散热。
[0051] 进一步方案中，节流装置5为电子膨胀阀或热力膨胀阀或毛细管，可通过控制制冷剂
过热度调节开度。第一换向阀3与第二换向阀6为电磁型切换阀或四通阀或四口型切换阀以及一切满足上述流向要求的阀门组合。第一换热器2在工作状态下始终为冷凝器，第二换热器7在工作状态下始终为蒸发器，第三换热器11为蒸发、冷凝两用换热器。
[0052] 进一步方案中，第一换热器2、第二换热器7为
套管式换热器，或盘管式换热器，或板式换热器，或带换热功能的承压水箱；第三换热器11为翅片管式换热器。
[0053] 进一步方案中，第一换热器2和热水循环泵9通过管路与一外设热水水箱(图未示出)连接，以实现热水循环；第二换热器7和冷水循环泵10通过管路与一外设冷水水箱(图未示出)连接，以实现冷水循环。本实施例中，第一换热器2和第二换热器7位于机组内部，相应通过管路与热水水箱、冷水水箱相连接，有利于降低因管道过长增加的制冷剂
流动阻力，从而减小压缩机运行
电流，提高压缩机的能效比。
[0054] 作为一种可选方案，压缩机1、第一换热器、第一换向阀3、储液器4、节流装置5、第二换向阀、第二换热器、气液分离器8、第三换热器之间的连接管路均优选为紫
铜管。
[0055] 进一步方案中，压缩机1、第一换向阀3、第二换向阀6、热水循环泵9、冷水循环泵10、室外风机12通过程序控制实现自动运行
[0056] 实施例一可以通过控制所述热水循环泵9、冷水循环泵10、室外风机12的启停与第一换向阀3、第二换向阀6的开闭调节同时制冷制热、单独制冷、单独制热三种运行模式，具体参考以下实施例二。
[0057] 实施例二
[0058] 实施例二在实施例一的
基础上公开一种自力式多功能热泵系统的控制方法，该自力式多功能热泵系统的组成与实施例一相同，该控制方法包括同时制冷制热模式、单独制冷模式、单独制热模式控制。具体可根据实际工况自动调整工作模式，实现在不同的工况下自动选择最合适的工作模式，采用控制程序实现全部功能切换，不需要人工操作，产品操作简单，能够适用于未受过专门培训的人员使用。
[0059] 1、同时制冷制热模式控制
[0060] 请参阅图2，同时制冷制热模式控制包括以下步骤S101至S105：
[0061] S101、保持第一换向阀3和第二换向阀6均为关闭状态，从压缩机1排气口经第一换热器2、第一换向阀3的D口至第一换向阀3的C口、储液器4、节流装置5、第二换向阀6的D口至第二换向阀6的C口、第二换热器7、气液分离器8、压缩机1吸气口依次管路连通，第三换热器11与第一换向阀3、第二换向阀6之间的管路断开。
[0062] S102、开启热水循环泵9和冷水循环泵10，关闭室外风机12。
[0063] S103、控制压缩机1压缩的高温高压制冷剂流入第一换热器2，加热热水水箱中的水同时冷却自身；冷却后的制冷剂通过第一换向阀3经储液器4流入节流装置5，绝热膨胀后形成低温低压制冷剂；低温低压制冷剂通过第二换向阀6流入第二换热器7，冷却冷水水箱中的水同时加热自身后流入气液分离器8。
[0064] S104、控制压缩机1吸入从气液分离器8流出的制冷剂。
[0065] S105、循环执行步骤S101至S104，达到同时制冷制热的目的。
[0066] 2、单独制冷模式控制
[0067] 请参阅图3，单独制冷模式控制包括以下步骤S201至S205：
[0068] S201、保持换第一向阀3为开启状态，第二换向阀6为关闭状态，从压缩机1排气口经第一换热器2、第一换向阀3的D口至第一换向阀3的E口、第三换热器11、第二换向阀6的E口至第二换向阀6的S口、第一换向阀3的S口至第一换向阀3的C口、储液器4、节流装置5、第二换向阀6的D口至第二换向阀6的C口、第二换热器7、气液分离器8、压缩机1吸气口依次管路连通。
[0069] S202、关闭热水循环泵9，开启冷水循环泵10，开启室外风机12。
[0070] S203、控制压缩机1压缩的高温高压制冷剂依次流经第一换热器2、第一换向阀3、第三换热器11，第三换热器11向外排放热量，使制冷剂冷凝；冷凝后的制冷剂依次流经第二换向阀6、第一换向阀3、储液器4、节流装置5，经节流装置5绝热膨胀后形成低压低温制冷剂；低压低温态制冷剂通过第二换向阀6流入第二换热器7，冷却冷水水箱中的水同时加热自身后流入气液分离器8。
[0071] S204、控制压缩机1吸入从气液分离器8流出的制冷剂。
[0072] S205、循环执行步骤S201至S204，达到单独制冷的目的。
[0073] 3、单独制热模式控制
[0074] 请参阅图4，单独制热模式控制包括以下步骤S301至S305：
[0075] S301、保持第一换向阀3为关闭状态，第二换向阀6为开启状态，从压缩机1排气口至第一换热器2、第一换向阀3的D口至第一换向阀3的C口、储液器4、节流装置5、第二换向阀6的D口至第二换向阀6的E口、第三换热器11、第一换向阀3的E口至第一换向阀3的S口、第二换向阀6的S口至第二换向阀6的C口、第二换热器7、气液分离器8、压缩机1吸气口依次管路连通。
[0076] S302、开启热水循环泵9，关闭冷水循环泵10，开启室外风机12。
[0077] S303、控制压缩机1压缩的高温高压制冷剂流入第一换热器2，加热热水水箱中的水同时冷却自身；冷却后的制冷剂通过第一换向阀3经储液器4流入节流装置5，绝热膨胀后形成低温低压制冷剂；低温低压制冷剂通过第二换向阀6流入第三换热器11；第三换热器11向外吸收热量，使制冷剂加热；加热后的制冷剂依次流经第一换向阀3、第二换向阀6、第二换热器7、气液分离器8。
[0078] S304、控制压缩机1吸入从气液分离器8流出的制冷剂。
[0079] S305、循环执行步骤S301至S304，达到单独制热的目的。
[0080] 以上三种工作模式在程序自动控制下的切换点主要参考热水与冷水
温度。当冷水温度高于设定温度值，热水温度低于设定温度值，说明需要同时提供冷量与热量，系统发出指令在同时制冷制热模式下运行；当冷水温度高于设定温度值，热水温度高于设定温度值，说明只需要提供冷量，系统发出指令在单独制冷模式下运行；当冷水温度低于设定温度值，热水温度低于设定温度值，说明需要提供热量，系统发出指令在单独制热模式下运行；当冷水温度低于设定值，热水温度高于设定值，系统发出指令停机。
[0081] 综上所述，本发明可以实现冷量与热量的平衡，不需要辅助设备，且操作简单。
[0082] 以上尽管已经对本发明做了示例性的描述，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由
权利要求及其等同物限定。
