本发明涉及热泵空调领域，特别是涉及热泵空调系统及其运行方法。
背景技术：
空气源热泵由于具有投资小、安装维修方便等优点在热泵空调领域中得到了广泛的应用。但在室外低温环境条件下，存在的制热量不足、制热效率低和排气温度过高等问题制约着传统空气源热泵在低温环境中(例如严寒地区)的应用。具体而言，主要表现在：
1)随着环境温度的降低，系统蒸发温度降低，冷凝压力不变时压缩机压缩比增大，压缩效率降低；
2)蒸发温度降低时，压缩机吸气比体积增大，制热量减少，系统制热性能系数下降；
3)蒸发温度过低时，压缩机压缩比增大引起排气温度过高，可能导致压缩机频繁启停，系统无法正常工作。
为解决上述问题，可采用双级压缩(包括准二级压缩)热泵来降低系统压缩比。例如，利用空气源热泵从室外空气中吸取热量，制取10-20℃的水作为水源热泵的低位热源，再制取更高温度的热水向建筑物供暖。一般而言，上述双级压缩热泵系统在整个采暖期内均按双级压缩模式运行。但当室外环境温度较高时，双级运行显然较单级运行耗能，使得系统的季节供热性能系数大为降低。为此，相关文献中提供了一种单双级热泵混合供暖系统，当室外环境温度高于某设定温度时，系统按照空气-水热泵单级运行，直接向用户提供合适温度的热水；当室外环境温度低于某设定温度时，系统按照空气-水热泵+水-水热泵双级耦合运行。但该系统因在一级热泵与二级热泵之间采用水环路连接，传热环节多，双级运行时将加大一级与二级热泵间的传热温差，系统供热性能下降。另一方面，由于存在一级与二级热泵间的水环路，以及从一级热泵冷凝器旁通到用户侧的水环路，将使得系统结构及运行控制较为复杂。此外，系统功能单一，不能用于夏季制冷。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供能够实现级间传热温差损失小、低温制热性能及适应性好的热泵空调系统及其运行方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种热泵空调系统，包括第一压缩机、第一四通换向阀、第一换热器、第一节流装置、中间换热器、第二压缩机、第二四通换向阀、第二换热器、以及第二节流装置；其中，所述第一压缩机、所述第一四通换向阀、所述第一换热器、所述第一节流装置和所述中间换热器依次连接以构成第一热泵循环回路；所述第二压缩机、所述第二四通换向阀、所述中间换热器、所述第二节流装置和所述第二换热器依次连接以构成第二热泵循环回路。
根据本发明的实施例，所述中间换热器为三介质换热器。
根据本发明的实施例，所述三介质换热器包括可彼此进行热交换的第一制冷剂通道、第二制冷剂通道以及空气通道，其中，所述第一制冷剂通道的两端分别与所述第一四通换向阀和所述第一节流装置连接；所述第二制冷剂通道的两端分别与所述第二四通换向阀和所述第二节流装置连接。
根据本发明的实施例，所述第一换热器和所述第二换热器中的一者为室外换热器，并且另一者为室内换热器。
根据本发明的实施例，所述第一换热器为空气-制冷剂换热器或水-制冷剂换热器。
根据本发明的实施例，所述第二换热器为空气-制冷剂换热器或水-制冷剂换热器。
根据本发明的实施例，所述第一热泵循环回路中还设置有第一气液分离器。
根据本发明的实施例，所述第二热泵循环回路中还设置有第二气液分离器。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于如上所述热泵空调系统的运行方法，包括：获取室外空气温度并将获取的室外空气温度与设定温度进行比较；响应于所述室外空气温度与所述设定温度之间满足第一设定条件，控制所述热泵空调系统以第一运行模式运行；响应于所述室外空气温度与所述设定温度之间满足第二设定条件，控制所述热泵空调系统以第二运行模式运行。
根据本发明的实施例，在制热工况下，当室外空气温度高于或等于第一设定温度时，控制所述第一热泵循环回路停机并使所述第二热泵循环回路运行，以通过所述第二换热器进行供热；当室外空气温度低于所述第一设定温度时，控制所述第一热泵循环回路和所述第二热泵循环回路运行，以通过所述第二换热器进行供热；在制冷工况下，当室外空气温度低于或等于第二设定温度时，控制所述第一热泵循环回路停机并使所述第二热泵循环回路运行，以通过所述第二换热器进行供冷；当室外空气温度高于所述第二设定温度时，控制所述第一热泵循环回路和所述第二热泵循环回路运行，以通过所述第二换热器进行供冷，其中，所述第二设定温度大于所述第一设定温度。
本发明的有益效果在于：
在本发明提供的热泵空调系统及其运行方法中，通过采用中间换热器替代现有双级复叠热泵系统中级间水环路换热模块，降低了级间传热温差损失，提高了系统在极端室外温度下的供冷/热性能；由于取消了一级与二级热泵间的水环路、以及从一级热泵冷凝器旁通到用户侧的水环路，使得系统结构紧凑，设备利用率高。
另外本发明根据室外温度的变化，可实现单级制热、复叠制热、单级制冷、复叠制冷工况，使系统全季节均可节能、高效地运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的热泵空调系统的结构示意图。
附图标记：
1：第一压缩机；2：第一四通换向阀；3：第一换热器；4：第一节流装置；5：中间换热器；6：第二压缩机；7：第二四通换向阀；8：第二换热器；9：第二节流装置；51：第一制冷剂通道；52：第二制冷剂通道；53：空气通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
现参见图1，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别的限定。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种热泵空调系统。在如图所示的实施例中，该热泵空调系统包括第一压缩机1、第一四通换向阀2、第一换热器3、第一节流装置4、中间换热器5、第二压缩机6、第二四通换向阀7、第二换热器8、以及第二节流装置9。
具体地，第一压缩机1、第一四通换向阀2、第一换热器3、第一节流装置4和中间换热器5依次连接以构成第一热泵循环回路。另一方面，第二压缩机6、第二四通换向阀7、中间换热器5、第二节流装置9和第二换热器8依次连接以构成第二热泵循环回路。
在一个实施例中，如上所述的中间换热器5为三介质换热器。具体地，三介质换热器包括可彼此进行热交换的第一制冷剂通道51、第二制冷剂通道52以及空气通道53。
具体地，第一制冷剂通道51的两端可以分别与第一四通换向阀2和第一节流装置4连接。而第二制冷剂通道52的两端可以分别与第二四通换向阀7和第二节流装置9连接。
根据以上实施例可知，在本发明中，通过采用可实现空气和两种制冷剂这三种介质之间可任意两两换热的三介质换热器，替代现有双级复叠热泵系统中级间水环路换热模块，可以降低级间传热温差损失，提高系统在极端室外温度下的供冷/热性能。
另外，由于取消了一级与二级热泵间的水环路、以及从一级热泵冷凝器旁通到用户侧的水环路，可以使得系统结构紧凑，设备利用率更高。
进一步如图1所示，在本发明的一个实施例中，第一换热器3和第二换热器8中的一者可以为室外换热器，并且另一者可以为室内换热器。在如图1所示的实施例中，以第一换热器3为室外换热器进行描述；但是应当理解，第一换热器3和第二换热器8中的任一者均可以作为室外换热器，而另一者作为室内换热器，本发明不局限于此。
另外，在一个实施例中，第一换热器3可以为空气-制冷剂换热器或水-制冷剂换热器。与其类似地，第二换热器8也可以为空气-制冷剂换热器或水-制冷剂换热器。应当理解，第一换热器3和第二换热器8的具体结构和形式可根据使用情况而定，本发明不局限于此。
此外在一个实施例中，第一热泵循环回路中还可以设置有第一气液分离器。类似地，第二热泵循环回路中也可以设置有第二气液分离器。此处应当理解的是，气液分离器的设置并不是必须的，可以根据使用情况而进行增减，因此本发明不局限于此。
另外需要指出的是，本发明当存在气液分离器时，可位于第一热泵循环回路中和/或第二热泵循环回路中。以第一热泵循环回路为例，气液分离器的两端可以分别连接第一压缩机1的吸气口与第一四通换向阀2的回气口。其他连接与如上所述的无气液分离器时的连接方式相同。
根据本发明的另一方面的实施例，还提供了一种基于如上所述热泵空调系统的运行方法。该运行方法可以包括以下步骤：
获取室外空气温度并将获取的室外空气温度与设定温度进行比较；
响应于室外空气温度与设定温度之间满足第一设定条件，控制热泵空调系统以第一运行模式运行；
响应于室外空气温度与设定温度之间满足第二设定条件，控制热泵空调系统以第二运行模式运行。
具体地在一个实施例中，一方面，在制热工况下，当室外空气温度高于或等于第一设定温度时，可以控制第一热泵循环回路停机并使第二热泵循环回路运行，以通过第二换热器8进行供热；当室外空气温度低于第一设定温度时，可以控制第一热泵循环回路和第二热泵循环回路共同运行，以通过第二换热器8进行供热；另一方面，在制冷工况下，当室外空气温度低于或等于第二设定温度时，可以控制第一热泵循环回路停机并使第二热泵循环回路运行，以通过第二换热器8进行供冷；当室外空气温度高于第二设定温度时，可以控制第一热泵循环回路和第二热泵循环回路共同运行，以通过第二换热器8进行供冷。其中，在一个实施例中，第二设定温度大于第一设定温度；但是此处应当理解的是，第一设定温度和第二设定温度的具体数值是可以根据具体使用情况设定的，本发明不局限于某种或某些特定的温度范围。
根据以上所述可知，在本发明的运行方法中可以根据室外温度的变化，实现单级制热、复叠制热、单级制冷、复叠制冷工况，使系统全季节均可节能、高效地运行。
以下将结合本发明的具体使用环境情况对本发明进行更详细地描述。但应理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何限定。
本发明提供的热泵空调系统可以根据室外环境温度与用户的需求、第一四通换向阀2及第二四通换向阀7的不同切换状态，来实现夏季单级制冷、夏季复叠制冷、冬季单级制热、冬季复叠制热四种运行模式，下面以无气液分离器时系统的实施方式为例进行说明：
1)夏季单级制冷工况
此时，第一压缩机1停机而第二压缩机6启动，第一四通换向阀2断电而第二四通换向阀7通电。第二压缩机6出口的制冷剂经第二四通换向阀7进入构造成三介质换热器的中间换热器5的第二制冷剂通道52，在三介质换热器内向外部空气放热，然后经第二节流装置9节流，之后进入第二换热器8内与用户侧所需冷媒(水或空气)进行吸热气化，最后再经第二四通换向阀7返回至第二压缩机6，如此循环往复，为用户供冷。
2)夏季复叠制冷工况
此时，第一压缩机1和第二压缩机6均开机，第一四通换向阀2和第二四通换向阀7均通电。第二热泵循环回路的运行方式同1)中所述，所不同的是在中间换热器5的第二制冷剂通道52内的制冷剂向第一制冷剂通道51内的制冷剂放热。对于第一热泵循环回路而言，第一压缩机1出口的制冷剂经第一四通换向阀2进入构造成室外换热器的第一换热器3向外部空气放热，然后经第一节流装置4节流，之后进入中间换热器5的第一制冷剂通道51内从第二制冷剂通道52内的制冷剂吸热，最后再经第一四通换向阀2返回至第一压缩机1，如此循环往复，为用户供冷。
3)冬季单级制热工况
此时，第一压缩机1停机而第二压缩机6启动，第一四通换向阀2断电而第二四通换向阀7通电。第二压缩机6出口的制冷剂经第二四通换向阀7进入第二换热器8内与用户侧所需热媒(水或空气)进行放热冷凝，然后经第二节流装置9节流，之后进入中间换热器5的第二制冷剂通道52内从外部空气吸热，最后再经第二四通换向阀7返回至第二压缩机6，如此循环往复，为用户供热。
4)冬季复叠制热工况
此时，第一压缩机1和第二压缩机6均开机，第一四通换向阀2和第二四通换向阀7均通电。第二热泵循环回路的运行方式同3)中所述，所不同的是在中间换热器5的第二制冷剂通道52内的制冷剂从第一制冷剂通道51内的制冷剂吸热。对于第一热泵循环回路而言，第一压缩机1出口的制冷剂经第一四通换向阀2进入中间换热器5的第一制冷剂通道51内向第二制冷剂通道52内的制冷剂放热，然后经第一节流装置4节流，之后进入构造成室外换热器的第一换热器3从外部空气吸热，最后再经第一四通换向阀2返回至第一压缩机1，如此循环往复，为用户供热。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：
1.一种热泵空调系统，其特征在于，包括第一压缩机、第一四通换向阀、第一换热器、第一节流装置、中间换热器、第二压缩机、第二四通换向阀、第二换热器、以及第二节流装置；
其中，所述第一压缩机、所述第一四通换向阀、所述第一换热器、所述第一节流装置和所述中间换热器依次连接以构成第一热泵循环回路；所述第二压缩机、所述第二四通换向阀、所述中间换热器、所述第二节流装置和所述第二换热器依次连接以构成第二热泵循环回路。
2.根据权利要求1所述的热泵空调系统，其特征在于，所述中间换热器为三介质换热器。
3.根据权利要求2所述的热泵空调系统，其特征在于，所述三介质换热器包括可彼此进行热交换的第一制冷剂通道、第二制冷剂通道以及空气通道，
其中，所述第一制冷剂通道的两端分别与所述第一四通换向阀和所述第一节流装置连接；所述第二制冷剂通道的两端分别与所述第二四通换向阀和所述第二节流装置连接。
4.根据权利要求1所述的热泵空调系统，其特征在于，所述第一换热器和所述第二换热器中的一者为室外换热器，并且另一者为室内换热器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热泵空调系统，其特征在于，所述第一换热器为空气-制冷剂换热器或水-制冷剂换热器。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的热泵空调系统，其特征在于，所述第二换热器为空气-制冷剂换热器或水-制冷剂换热器。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的热泵空调系统，其特征在于，所述第一热泵循环回路中还设置有第一气液分离器。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的热泵空调系统，其特征在于，所述第二热泵循环回路中还设置有第二气液分离器。
9.一种基于权利要求1至8中任一项所述热泵空调系统的运行方法，其特征在于，包括：
获取室外空气温度并将获取的室外空气温度与设定温度进行比较；
响应于所述室外空气温度与所述设定温度之间满足第一设定条件，控制所述热泵空调系统以第一运行模式运行；
响应于所述室外空气温度与所述设定温度之间满足第二设定条件，控制所述热泵空调系统以第二运行模式运行。
10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于，
在制热工况下，当所述室外空气温度高于或等于第一设定温度时，控制所述第一热泵循环回路停机并使所述第二热泵循环回路运行，以通过所述第二换热器进行供热；当所述室外空气温度低于所述第一设定温度时，控制所述第一热泵循环回路和所述第二热泵循环回路运行，以通过所述第二换热器进行供热；
在制冷工况下，当所述室外空气温度低于或等于第二设定温度时，控制所述第一热泵循环回路停机并使所述第二热泵循环回路运行，以通过所述第二换热器进行供冷；当所述室外空气温度高于所述第二设定温度时，控制所述第一热泵循环回路和所述第二热泵循环回路运行，以通过所述第二换热器进行供冷，
其中，所述第二设定温度大于所述第一设定温度。
技术总结
本发明涉及热泵空调领域，提供了一种热泵空调系统及其运行方法。热泵空调系统包括第一压缩机、第一四通换向阀、第一换热器、第一节流装置、中间换热器、第二压缩机、第二四通换向阀、第二换热器、以及第二节流装置；其中，第一压缩机、第一四通换向阀、第一换热器、第一节流装置和中间换热器依次连接以构成第一热泵循环回路；第二压缩机、第二四通换向阀、中间换热器、第二节流装置和第二换热器依次连接以构成第二热泵循环回路。本发明的目的在于提供能够实现级间传热温差损失小、低温制热性能及适应性好的热泵空调系统及其运行方法。
技术研发人员：李先庭;姜思航;石文星;王宝龙
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：.11.27
技术公布日：.02.21
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