冷媒循环系统及冷媒循环系统除霜的方法
阅读说明：本技术 冷媒循环系统及冷媒循环系统除霜的方法 (Refrigerant circulation system and defrosting method thereof ) 是由 杨春 束宏飞 王蒙 于 2018-09-12 设计创作，主要内容包括：提供一种冷媒循环系统及其除霜的方法,冷媒循环系统包括：压缩机；设置在压缩机的低压侧的第一热交换器；设置在压缩机的高压侧的第二热交换器；以及设置在第二热交换器与第一热交换器之间的主膨胀阀。冷媒循环系统还包括设置在第一热交换器与压缩机之间的膨胀装置和第三热交换器,膨胀装置串联连接在第三热交换器的上游侧。冷媒循环系统能够至少在第一操作模式与第二操作模式之间进行切换,在第一操作模式中,第二热交换器用作冷凝器,第一热交换器用作蒸发器且膨胀装置和第三热交换器被旁通；在第二操作模式中,第一热交换器用作冷凝器且第三热交换器用作蒸发器。该冷媒循环系统不需要四通换向阀且除霜速度快,没有噪声和压缩机回液的问题。(A refrigerant cycle system and a defrosting method thereof are provided, the refrigerant cycle system comprises: a compressor; a first heat exchanger disposed at a low pressure side of the compressor; a second heat exchanger disposed at a high pressure side of the compressor; and a main expansion valve disposed between the second heat exchanger and the first heat exchanger. The refrigerant cycle system further includes an expansion device and a third heat exchanger which are arranged between the first heat exchanger and the compressor, and the expansion device is connected in series with the upstream side of the third heat exchanger. The refrigerant cycle system is switchable between at least a first mode of operation in which the second heat exchanger functions as a condenser, the first heat exchanger functions as an evaporator and the expansion device and the third heat exchanger are bypassed; in the second mode of operation, the first heat exchanger functions as a condenser and the third heat exchanger functions as an evaporator. The refrigerant circulating system does not need a four-way reversing valve, has high defrosting speed, and does not have the problems of noise and liquid return of the compressor.)
技术领域
本公开涉及一种新型的冷媒循环系统和使用该冷媒循环系统进行除霜的方法。
背景技术
本部分提供了与本公开相关的背景信息，这些信息并不必然是现有技术。
热泵系统是一种典型的通过电力做功将低温热源的热能转移到高温热源的冷媒循环系统。热泵系统的工作原理与压缩式制冷机是一致的。在现有热泵系统中，通过采用四通换向阀使蒸发器与冷凝器调换工作，从而使用同一套装置来实现制冷和制热。通常用于热泵装置的低温热源是水和我们周围的介质——空气。随着能源结构的调整和全球范围内可持续发展战略的提出，人们越来越重视对清洁、安全、高效能源的开发和利用。空气源热泵系统以电能为驱动力，将室外环境空气作为热源，向被调节对象提供制冷和供热，是国家着力推广的环保、高效的能源供给方式之一。
北方冬季热泵采暖系统多数为空气-水热泵系统，采暖终端主要是暖气片或地暖。热泵系统将空气中吸收的热量及压缩机的电机功率传递给循环水，循环水通过暖气片或地暖给房间供热。空气源热泵在冬季供热时，室外热交换器很容易结霜。因此，要保证系统正常运行，必须定期对室外热交换器的表面进行除霜。逆循环除霜(RCD)和热气旁通除霜(HGBD)是现有空气源热泵系统的主流除霜方式。但是这两种除霜方式仍然各有利弊，存在进一步优化例如空气源热泵系统等的冷媒循环系统的除霜性能的需求。
发明内容
在本部分中提供本公开的总概要，而不是本公开的完全范围或本公开所有特征的全面公开。
本公开的一个目的在于提供克服或减缓现有技术除霜模式的诸多弊端至少之一的、除霜性能优化的冷媒循环系统。
本公开的另一目的在于提供结构简化的冷媒循环系统。
本公开的又一目的在于提供具有提高的能效和稳定性的冷媒循环系统，进而提高冷媒循环系统使用环境的舒适性。
根据本公开的一个方面，提供了一种冷媒循环系统，其包括：压缩机；设置在所述压缩机的低压侧的第一热交换器；设置在所述压缩机的高压侧的第二热交换器；以及设置在所述第二热交换器与所述第一热交换器之间的主膨胀阀。所述冷媒循环系统还包括设置在所述第一热交换器与所述压缩机之间的膨胀装置和第三热交换器，所述膨胀装置串联连接在所述第三热交换器的上游侧。所述冷媒循环系统能够至少在第一操作模式与第二操作模式之间进行切换，在所述第一操作模式中，所述第二热交换器用作冷凝器，所述第一热交换器用作蒸发器且所述膨胀装置和所述第三热交换器被旁通；在所述第二操作模式中，所述第一热交换器用作冷凝器且所述第三热交换器用作蒸发器。
在一些实施方式中，所述第二热交换器在所述第二操作模式中可以不起热交换作用。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统还可以包括设置在所述第二热交换器与所述第三热交换器之间的电子三通阀，所述电子三通阀包括与水泵连接的一个进水口以及能够选择性地与所述第二热交换器或所述第三热交换器连通的出水口，其中，所述电子三通阀能够被控制成：在所述第一操作模式下，所述出水口与所述第二热交换器连通，并且在所述第二操作模式下，所述出水口与所述第三热交换器连通。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统还可以包括：与所述第二热交换器串联设置的第一开关阀；与所述第二热交换器并联设置的第一旁通通路；以及设置在所述第一旁通通路中的第二开关阀，其中，在所述第一操作模式下，所述第一开关阀打开且所述第二开关阀关闭以连通所述第二热交换器；在所述第二操作模式下，所述第一开关阀关闭且所述第二开关阀打开以旁通所述第二热交换器。
根据一些实施方式，在所述第二操作模式中，所述第二热交换器可以用作一级冷凝器，所述第一热交换器可以用作二级冷凝器。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统还可以包括设置在所述第二热交换器与所述第三热交换器之间的电子三通阀，所述电子三通阀包括与所述第二热交换器的出水口连通的一个进水口以及能够选择性地与所述第三热交换器的进水口或出水口连通的出水口，其中，所述电子三通阀能够被控制成：在所述第一操作模式下，所述电子三通阀的出水口与所述第三热交换器的出水口连通，并且在所述第二操作模式下，所述电子三通阀的出水口与所述第三热交换器的进水口连通。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统还可以包括：与所述膨胀装置和所述第三热交换器串联设置的第三开关阀；与所述膨胀装置和所述第三热交换器并联设置的第二旁通通路；以及设置在所述旁通通路中的第四开关阀，其中，在所述第一操作模式下，所述第三开关阀关闭且所述第四开关阀打开以旁通所述膨胀装置和所述第三热交换器；在所述第二操作模式下，所述第三开关阀打开且所述第四开关阀关闭以连通所述膨胀装置和所述第三热交换器。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统还可以包括设置在所述膨胀装置、所述第一热交换器和所述压缩机的低压侧进气口之间的三通换向阀，所述三通换向阀包括第一热交换器接口和能够选择性地与所述第一热交换器接口连通的膨胀装置接口和压缩机接口，其中，在所述第一操作模式下，所述三通换向阀处于所述第一热交换器接口与所述压缩机接口连通的第一位置，以旁通所述膨胀装置和所述第三热交换器；在所述第二操作模式下，所述三通换向阀处于所述第一热交换器接口与所述膨胀装置接口连通的第二位置，以连通所述膨胀装置和所述第三热交换器。
在一些实施方式中，所述三通换向阀还可以包括与所述压缩机的高压侧排气口连通的接口，以借助于所述压缩机的排气压力推动所述三通换向阀的主滑阀在所述第一位置与所述第二位置之间滑动。
在一些实施方式中，所述第二热交换器和所述第三热交换器可以集成在一个壳体内。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统还可以包括设置在所述第二热交换器与所述主膨胀阀之间的经济器，其中，在所述第一操作模式下，所述经济器用于使工作流体过冷并向所述压缩机提供喷气增焓；在所述第二操作模式下，所述经济器不起热交换作用。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统还可以包括与所述主膨胀阀并联设置的第三旁通通路和设置在所述第三旁通通路中的第五开关阀，其中，在所述第一操作模式下，所述第五开关阀关闭且所述主膨胀阀以预定开度打开；在所述第二操作模式下，所述第五开关阀打开且所述主膨胀阀保持全开或关闭。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统还可以包括设置在所述蒸发器与所述压缩机之间的气液分离器。
在一些实施方式中，所述冷媒循环系统可以为热泵系统。
根据本公开的另一方面，提供了一种冷媒循环系统除霜的方法，所述冷媒循环系统为如上文所述的任一冷媒循环系统，其中，通过将所述冷媒循环系统切换至所述第二操作模式而对所述冷媒循环系统的所述第一热交换器进行除霜。
根据本公开的冷媒循环系统的除霜操作兼具逆循环除霜和热气旁通除霜的优点，且部分或全部地消除了二者的缺点，除霜时压缩机无需停机，系统压力变化平缓，没有除霜噪声并且没有逆循环除霜中需要不断重新建立压差的系统性能损失。此外，由于和逆循环除霜一样除霜热源为压缩机功率及循环水热量且中间没有停机，因此除霜速度快且没有压缩机回液的问题。提高了冷媒循环系统的能效和适用性，具有广泛的应用前景。
附图说明
此处描述的附图是仅出于说明的目的，而并非意在以任何方式限定本公开的范围。应当理解的是，附图中对应的附图标记始终指示相同的或对应的部件和特征。
图1示出了示例性热泵系统进行逆循环除霜的工作原理图；
图2是图1所示的热泵系统的部件在除霜操作期间的控制时序图；
图3示出了四通换向阀的基本构造；
图4示出了示例性热泵系统进行热气旁通除霜的工作原理图；
图5是图4所示的热泵系统的部件在除霜操作期间的控制时序图；
图6示出了根据第一改型示例的热泵系统的工作原理图；
图7是图6所示的热泵系统的部件在除霜操作期间的控制时序图；
图8示出了根据第二改型示例的热泵系统的工作原理图；
图9是图8所示的热泵系统的部件在除霜操作期间的控制时序图；
图10是图8所示的热泵系统中使用的三通阀的放大的结构示意图；
图11示出了根据第三改型示例的热泵系统的工作原理图；
图12是图11所示的热泵系统的部件在除霜操作期间的控制时序图；
图13示出了根据第四改型示例的热泵系统的工作原理图；以及
图14是图13所示的热泵系统的部件在除霜操作期间的控制时序图。
具体实施方式
以下的描述在本质上只是示例性的而非意在限制本公开及其应用或用途。
提供示例实施方式以使得本发明公开充分并且向本领域技术人员完整传达了范围。阐述了许多特定细节，例如特定部件、装置、以及方法的示例，以提供对本公开的实施方式的全面的理解。对于本领域技术人员而言将显而易见的是，不必采用特定细节，可以以许多不同的形式实施示例实施方式，并且都不应当解释为对本公开的范围的限制。在一些示例实施方式中，不详细描述公知方法、公知装置结构以及公知技术。
当元件或层被指处于另一元件或层“上”，或“接合于”、“连接于”或“联接于”另一元件或层时，该元件或层可直接位于该另一元件或层上，或直接接合于、连接于或联接于该另一元件或层，或者可存在居间的元件或层。相反，当元件被指“直接位于”另一元件或层“上”，或“直接接合于”、“直接连接于”或“直接联接于”另一元件或层时，不存在居间的元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语应该以同样的方式进行解释(例如，“位于…之间”对“直接位于…之间”，“邻近于”对“直接邻近于”，等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列物品中的一个或多个的任一及全部组合。
尽管本文会使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层和/或部分与另一个区域、层和/或部分进行区分。诸如“第一”、“第二”和其它数字术语之类的术语在本文中使用时并不意味着次序或序列，除非通过上下文清楚地表明。由此，下面所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离示例性实施方式的教示。
下面参照附图以热泵系统为例对冷媒循环系统的构造及其除霜操作进行说明，但是本公开的创新理念同样适用于其他适合的冷媒循环系统。另外，出于示例的目的，这些热泵系统被示出为空气-水热泵系统。但是，本教示同样适用于空气-空气热泵系统等。另外，在热泵系统的工作原理图中，实线箭头指示在热泵系统处于制热模式期间进行制热操作的工作流体的流动路径，虚线箭头指示在热泵系统处于制热模式期间进行除霜操作时的工作流体的流动路径。
首先，参照图1至图5对示例性热泵系统的除霜操作进行说明，其中，图1示意性地示出了热泵系统10的构造及其进行逆循环除霜的工作原理；图2是热泵系统10的部件在除霜操作期间的控制时序图；图3示出了热泵系统10中使用的四通换向阀4的基本构造；图4示意性地示出了热泵系统20的构造及其进行热气旁通除霜的工作原理；并且图5是图4所示的热泵系统20的部件在除霜操作期间的控制时序图。
<逆循环除霜示例>
图1所示的热泵系统10大体包括压缩机1、气液分离器2、第一热交换器(室外热交换器)3、四通换向阀4、第二热交换器(室内热交换器)5、经济器6、辅助膨胀阀EXV1和主膨胀阀EXV2。这里，需要说明的是，可以根据具体情况省略气液分离器2和经济器6等部件。
四通换向阀4是典型的电磁换向阀，下文将对其进行详细描述。在制热模式下，四通换向阀4的电磁线圈处于断电状态，即，图3中所示的状态。此时，四通换向阀4的连接压缩机排气口O1(高压侧)的D端口与连接室内热交换器的C端口连通，并且四通换向阀4的经由气液分离器2连接压缩机低压侧的S端口与连接室外热交换器的E端口连通，而D端口和C端口与S端口和E端口之间的连通被断开。参见图1和图2，从压缩机1排出的高温高压工作流体进入四通换向阀4的D端口，由C端口排出，进入作为冷凝器的第二热交换器5与待加热的水发生热交换。工作流体在第二热交换器5中冷凝放热变成中温高压的液体。水与工作流体逆向流动，吸收热量变成热水排出。从第二热交换器5流出的工作流体进入经济器6。经济器6是个热交换器且包括四个端口P1、P2、P3和P4。来自第二热交换器5的高压液态工作流体从端口P1进入经济器6，并在从经济器的端口P2流出之后分为两部分，一部分通过辅助膨胀阀EXV1节流后经由端口P3进入经济器6蒸发吸热，由此降低从端口P1进入经济器6的工作流体的温度并使其过冷。节流蒸发吸收热量的气态工作流体从经济器6的端口P4流出，经由压缩机1的喷气增焓口O3进入压缩机1参与再循环。从端口P2流出的另一部分过冷的工作流体则流动通过主膨胀阀EXV2直接进入作为蒸发器的第一热交换器3蒸发吸热。从第一热交换器3出来的工作流体从四通换向阀4的E端口流入并从S端口流出，最后被送回压缩机1的低压侧进气口O2，由此形成制热循环。在进入压缩机1的低压侧进气口O2之前，工作流体先流动通过气液分离器2以防止过多的液态制冷剂进入压缩机1造成液击，同时气液分离器还具有过滤、回油、贮液等功能。因此，气液分离器2始终设置在压缩机进气口的上游。另外，热泵系统还可以包括室外风机(图中未示出)，以迫使周围空气与蒸发器形成更快的接触以便增加热交换。
当需要进行除霜操作时，如图2所示，先将压缩机1停机，之后使四通换向阀4的电磁线圈处于通电状态。此时，四通换向阀4的连接压缩机排气口O1(高压侧)的D端口与连接室外热交换器的E端口连通，并且四通换向阀4的经由气液分离器2连接压缩机低压侧的S端口与连接室内热交换器的C端口连通，D端口和E端口与S端口和C端口之间的连通被断开。另外，在压缩机1停机的同时，可以关闭室外风机和辅助膨胀阀EXV1并调节主膨胀阀EXV2的开度。以上操作相当于将图1所示的热泵系统10通过四通换向阀4临时切换为制冷模式。
待上述切换工作完毕，热泵系统10处于稳定的待机状态时，使压缩机1运行。如图1中的虚线箭头所示，从压缩机1的排气口O1排出的高温高压工作流体进入四通换向阀4的D端口，由E端口排出，进入作为冷凝器的第一热交换器3与室外空气发生热交换。工作流体在第一热交换器3中冷凝放热从而达到为室外热交换器3除霜的目的。离开第一热交换器3之后，工作流体依次流动通过主膨胀阀EXV2、经济器6和作为蒸发器的第二热交换器5，在第二热交换器5中蒸发并从循环水中吸热。由于辅助膨胀阀EXV1关闭，因此来自主膨胀阀EXV2的工作流体全部从经济器6的端口P2进入并直接从经济器6的端口P1排出而不发生热交换。从第二热交换器5(蒸发器)出来的工作流体从四通换向阀4的C端口流入并从S端口流出。同样，工作流体先流动通过气液分离器2，然后进入压缩机1的低压侧进气口O2，由此形成制冷循环。
如图2所示，当除霜完成后，仍然需要先将压缩机1停机，之后打开室外风机并进行四通换向阀的切换操作。待一切就绪，使压缩机1重新运行，同时打开辅助膨胀阀EXV1并适当调节主膨胀阀EXV2的开度，从而使热泵系统10以制热模式重新恢复运行。
逆循环除霜实质上就是通过使用四通换向阀使工作流体流向改变从而将制热过程转换为制冷过程，因此又称为四通换向阀除霜。这种除霜方式的优点在于除霜干净、彻底，除霜操作简单、方便，除此之外无需附加设备且对压缩机影响小。但是，如在上文指出的，在进行切换操作时需要停机并且除霜需要从待加热的循环水或空气中提取热量，这样会导致室内环境温度波动大，影响舒适性。由于水的热容量较空气大，因而这对空气-水热泵系统的影响较小。其次，压缩机和四通换向阀频繁启停切换，会产生噪声问题，影响可靠性。再者，由于系统压力波动大，切换过程中需要不断建立压力平衡，因此制热恢复慢，影响系统能效。
<热气旁通除霜示例>
图4所示的热泵系统20大体包括压缩机1、气液分离器2、第一热交换器(室外热交换器)3、开关阀V、第二热交换器(室内热交换器)5、经济器6、毛细管7、辅助膨胀阀EXV1和主膨胀阀EXV2。
如图5所示，在热泵系统20中，非除霜操作和除霜操作的区别仅在于电磁开关阀V是否打开，也就是说，其区别仅在于设置有该开关阀V的旁通通路是否打开。
在制热模式下，当未进行除霜操作时，开关阀V是关闭的。如图4中的实线箭头指示的，从压缩机1的排气口O1排出的高温高压工作流体在交汇点T处只能沿逆时针方向流动进入第二热交换器5。工作流体冷凝放热，循环水吸收热量变成热水排出。如上文所述，从第二热交换器5流出的工作流体经由端口P1进入经济器6，被在经济器6的端口P2处分流后流动通过辅助膨胀阀EXV1并经由端口P3返回经济器6的一部分工作流体进一步降温至过冷状态。返回经济器6的那部分工作流体则蒸发并吸收热量，变为气态工作流体从经济器6的端口P4流出，并经由压缩机1的喷气增焓口O3进入压缩机1参与再循环。在经济器6的端口P2处分流的另一部分过冷的工作流体流动通过主膨胀阀EXV2并进入第一热交换器3。第一热交换器3充当蒸发器，使工作流体蒸发并从环境空气吸收热量。从第一热交换器3出来的工作流体直接进入气液分离器2，在气液分离器2中经过过滤和气液分离之后从压缩机1的低压侧进气口O2返回压缩机1进行再循环。
当需要进行除霜操作时，压缩机1保持正常运行，只需打开开关阀V即可。工作流体将在如上所述沿图4中的实线箭头循环流动进行制热的同时沿虚线箭头流动进行除霜。从压缩机1的排气口O1排出的高温高压工作流体在交汇点T处分流，一部分依旧如实线箭头所示循环流动进行制热，另一部分则如虚线箭头所示流动通过开关阀V然后流入毛细管7。该另一部分工作流体经过毛细管7节流降压后与在制热循环过程中从主膨胀阀EXV2排出的工作流体汇合，然后流入作为蒸发器的第一热交换器3。由于经由毛细管7进入室外热交换器的工作流体没有经过冷凝放热的过程，温度较高，由此达到给室外热交换器除霜的目的。
可以看出，热气旁通除霜不需要改变热泵系统的制热循环，只是对需要除霜的热交换器旁通热的工作流体进行除霜。与逆循环除霜相比，热气旁通除霜没有四通阀换向，压缩机无需停机，因此机械冲击小且噪声小，并且热气旁通除霜不改变制热循环并且不从室内环境吸收热量，因此室内环境温度波动小，舒适性较好。但是，热气旁通除霜需要牺牲部分压缩机功率作为除霜热源并且需要除霜的热交换器仍然作为蒸发器在使用，因此除霜时间长并且系统功效降低，在结霜厚并且环境温度较低时难以有效除霜，此外由于进入蒸发器的工作流体不能全部蒸发汽化导致容易产生压缩机回液等可靠性问题。可以在热泵系统20中结合图1所示的四通换向阀4，以便在少量结霜或预防结霜时采用热气旁通的方法，而在结霜严重时采用逆循环的方法。
另外，为了消除逆循环除霜和热气旁通除霜的不利影响，本发明提出了以下改型实施方式。现在参照图6至图14对这些改型示例进行详细说明。
<第一改型示例>
图6和图7示出了根据第一改型示例的热泵系统100，其中，图6是示出了热泵系统100的工作原理的示意图，图7是热泵系统100的部件在除霜操作期间的控制时序图。
如图6所示，热泵系统100大体包括压缩机101、气液分离器102、第一热交换器(室外热交换器)103、电子三通阀104、第二热交换器(室内热交换器)105、经济器106、毛细管107(对应于根据本发明的膨胀装置)、辅助膨胀阀EXV11和主膨胀阀EXV12、第三热交换器(室内热交换器)108以及开关阀V11(对应于根据本发明的第三开关阀)、V12(对应于根据本发明的第四开关阀)和V13(对应于根据本发明的第五开关阀)。其中，开关阀V11、V12和V13为电磁开关阀。
在制热模式下，压缩机101开机，室外风机(图中未示出)打开，辅助膨胀阀EXV11和主膨胀阀EXV12均以制热开度打开，开关阀V11关闭，开关阀V12打开，开关阀V13关闭，电子三通阀104接通端口A而不接通端口B，并且用于使水循环流动的水泵150始终处于打开状态，如图7中所示。沿着图6中的实线箭头的指示，从压缩机101的排气口O1排出的高温高压工作流体直接进入第二热交换器105。同时，水泵150泵送的水进入电子三通阀104，从电子三通阀104的端口A流入第二热交换器105，并在第二热交换器105中与来自压缩机101的高温高压工作流体进行热交换。第二热交换器105充当冷凝器，工作流体冷凝放热，循环水吸收热量变成热水从出水口160排出。与热泵系统10和20类似，从第二热交换器105流出的工作流体流动通过经济器106被进一步降温至过冷状态，其中一部分工作流体依次流动通过辅助膨胀阀EXV11、经济器106并经由喷气增焓口O3回到压缩机101参与再循环，用于向压缩机101提供喷气增焓；另一部分处于过冷状态的工作流体依次流动通过主膨胀阀EXV12、第一热交换器103、开关阀V12、气液分离器102并经由进气口O2回到压缩机101开始再循环。此处，第一热交换器103充当蒸发器，使工作流体蒸发并从环境空气吸收热量。
参见图7，当需要进行除霜操作时，压缩机101不需要停机，关闭室外风机，关闭辅助膨胀阀EXV11，使主膨胀阀EXV12保持全开并延迟打开开关阀V13或者直接打开开关阀V13并关闭主膨胀阀EXV12，打开开关阀V11，关闭开关阀V12，将电子三通阀104切换为接通端口B而不接通端口A，水泵150始终处于打开状态。于是，工作流体沿着图6中的虚线箭头指示的路线进行制热循环。具体地，从压缩机101的排气口O1排出的高温高压工作流体仍然直接进入第二热交换器105。但是，由于端口A没有被接通，因此第二热交换器105中不通水，工作流体经过第二热交换器105而不发生热交换。也就是说，第二热交换器105不工作，只起连通作用。水泵150泵送的水将流动通过电子三通阀104从端口B流通至第三热交换器108，并与流动通过第三热交换器108的工作流体进行热交换，下文将对此进行进一步的描述。从第二热交换器105流出的高温高压工作流体进入经济器106。如上所述，由于在除霜模式下，辅助膨胀阀EXV11关闭，因此经济器106和第二热交换器105一样不工作，只起连通作用；并且主膨胀阀EXV12全开意味着主膨胀阀EXV12也不起节流降压作用，只有连通作用。于是，从压缩机101的排气口O1排出的工作流体就这样流过第二热交换器105，流过经济器106，流过主膨胀阀EXV12，并且在开关阀V13打开的情况下同时流过开关阀V13，之后在保持处于高温高压状态的情况下进入第一热交换器103与环境空气发生热交换。在主膨胀阀EXV12的管路的基础上并联开关阀V13的管路，以增大工作流体的流通量。通常，在进行上述切换时，延迟打开开关阀V13，即等待EXV12全开后打开V13。这样可以减缓由于开关阀V13突然打开造成高低压气流导通而导致的气流啸叫声。此时，第一热交换器103充当冷凝器，工作流体冷凝放热，使第一热交换器103的表面温度升高，达到除霜的目的。经过冷凝降温的液态工作流体再流动通过毛细管107降压，变成低温低压的液态工作流体，之后进入第三热交换器108，与通入第三热交换器108的水进行热交换。因此，此处第三热交换器108充当蒸发器，工作流体蒸发并从循环水中吸取热量，变为低压的气态工作流体。循环水提供热量，温度被降低，离开第三热交换器108之后从出水口160排出。从第三热交换器108出来的工作流体流过开关阀V11，进入气液分离器102，在气液分离器102中经过过滤和气液分离之后从压缩机101的低压侧进气口O2返回压缩机101进行再循环。
在热泵系统100中，当控制单元(图中未示出)判断需要除霜时，将控制水路的电子三通阀104从与端口A连通切换成与端口B连通、关闭辅助膨胀阀EXV11、使主膨胀阀EXV12保持全开并打开开关阀V13，这样相当于弃用之前作为冷凝器的第二热交换器105并允许高温高压工作流体直接进入之前作为蒸发器的第一热交换器103进行除霜，流出的液态工作流体节流后流动通过第三热交换器108并蒸发吸热变成低压气态工作流体，由此形成完整的制冷循环。但是这种切换，不同于四通换向阀的逆循环切换，并且对压缩机没有任何直接影响，只是与第一热交换器(待除霜的室外热交换器)组合形成制热循环或制冷循环的热交换器在第二热交换器与第三热交换器之间进行切换。因此，相对于逆循环除霜，根据第一改型示例的采用备用的除霜用热交换器的热泵系统和方法不需要四通换向阀，除霜时压缩机无需停机，系统压力变化平缓，没有除霜噪声并且没有逆循环除霜中需要不断重新建立压差而引起的系统性能损失。此外，由于和逆循环除霜一样除霜热源为压缩机功率及循环水热量且中间没有停机，因此第一改型示例的方法除霜速度更快且没有压缩机回液的优点。尽管此方法在除霜过程需要从循环水吸收热量导致室内温度波动，但是由于具有上述优点，因此对空气-水热泵系统的影响非常小。
<第二改型示例>
图8和图9示出了根据第二改型示例的热泵系统200，其中，图8是示出了热泵系统200的工作原理的示意图，图9是热泵系统200的部件在除霜操作期间的控制时序图。
如图8所示，热泵系统200大体包括压缩机201、气液分离器202、第一热交换器(室外热交换器)203、电子三通阀204、第二热交换器(室内热交换器)205、经济器206、毛细管207、辅助膨胀阀EXV21和主膨胀阀EXV22、第三热交换器(室内热交换器)208以及三通换向阀210。另外，类似地，与主膨胀阀EXV22并联设置有旁通通路，并且在该旁通通路中设置有开关阀V23(对应于根据本发明的第五开关阀)。除采用一个三通换向阀210替代图6中的电磁开关阀V11和电磁开关阀V12进行换向之外，第二改型示例中的热泵系统200与第一改型示例中的热泵系统100相同。下文将对以上不同点进行详细描述。
可以通过对图3中所示的四通换向阀4进行改型来获得如图10所示的第二改型示例中的三通换向阀210。
参见图3，在四通换向阀4中，当电磁线圈46处于断电状态，先导滑阀47在左侧压缩弹簧45的驱动下右移，从端口D引入的高压气体经由毛细管进入左端活塞腔42，由于双头活塞44两端存在压差，活塞44及主滑阀41右移，右端活塞腔43的气体排出，端口D(压缩机的排气口接管)经由主滑阀41上的孔口48与端口C(室内机接管)相通，端口S(压缩机的吸气口接管)与端口E(室外机接管)相通，形成制热循环。当电磁线圈46处于通电状态，先导滑阀47在电磁线圈46产生的磁力作用下克服压缩弹簧45的张力而左移，从端口D引入的高压气体经由毛细管进入右端活塞腔43，由于活塞44两端存在压差，活塞44及主滑阀41左移，左端活塞腔42的气体排出，端口D(压缩机的排气口接管)经由主滑阀41上的孔口49与端口E(室外机接管)相通，端口S(压缩机的吸气口接管)与端口C(室内机接管)相通，形成制冷循环。
在经过改型后的图10的三通换向阀210中，作为压缩机的排气口接管的端口D移至先导滑阀腔室处并因此去除了连通端口D与先导滑阀腔室的毛细管，在四通换向阀4中作为端口D的、与主滑阀腔室连通的端口改型成作为第一热交换器(室外机)接管的端口E，另一侧只剩下端口C(室内机接管)和端口S(压缩机的吸气口接管)。现结合图8和图10对热泵系统200和三通换向阀210的两种切换模式进行描述。当热泵系统200在非除霜模式下进行制热循环时，三通换向阀210的电磁线圈46处于断电状态，先导滑阀47在左侧压缩弹簧45的驱动下右移，从端口D引入的高压气体经由毛细管进入左端活塞腔42，活塞44及主滑阀41右移，与主滑阀腔室连通的端口E(第一热交换器接管)经由主滑阀41上的孔口48与端口S(压缩机的吸气口接管)相通。此时，从第一热交换器203流出的工作流体将从三通换向阀210的端口E进入，从端口S流出，沿实线箭头直接流入气液分离器202，然后进入压缩机201的进气口O2。当热泵系统200在除霜模式下进行制冷循环时，如图10中示出的，三通换向阀210的电磁线圈46处于通电状态，先导滑阀47在电磁线圈46产生的磁力作用下克服压缩弹簧45的张力而左移，从端口D引入的高压气体经由毛细管进入右端活塞腔43，活塞44及主滑阀41左移，与主滑阀腔室连通的端口E(第一热交换器接管)经由主滑阀41上的孔口49与端口C(室内机即第三热交换器接管)相通。此时，从第一热交换器203流出的工作流体将从三通换向阀210的端口E进入，从端口C流出，沿虚线箭头顺序地流动通过毛细管207和第三热交换器208节流蒸发并吸收热量，然后经由气液分离器202回到压缩机201。
由于如上所述除采用三通换向阀210替代电磁开关阀V11和V12进行换向之外，第二改型示例中的热泵系统200与第一改型示例中的热泵系统100相同，因此能够获得与第一改型示例相同的有益效果。并且，相较于使用电磁开关阀，还能够降低成本。
<第三改型示例>
图11和图12示出了根据第三改型示例的热泵系统300，其中，图11是示出了热泵系统300的工作原理的示意图，图12是热泵系统300的部件在除霜操作期间的控制时序图。
如图11所示，热泵系统300的构成部件与第一改型示例的热泵系统100的构成部件相同，大体包括压缩机301、气液分离器302、第一热交换器(室外热交换器)303、电子三通阀304、第二热交换器(室内热交换器)305、经济器306、毛细管307、辅助膨胀阀EXV31和主膨胀阀EXV32、第三热交换器(室内热交换器)308以及开关阀V31(对应于根据本发明的第三开关阀)、V32(对应于根据本发明的第四开关阀)和V33(对应于根据本发明的第五开关阀)。不同的是，在热泵系统100中，第二热交换器105和第三热交换器108在水路侧是并联的，通过电子三通阀在第二热交换器105通水还是第三热交换器108通水之间进行切换；在热泵系统300中，第二热交换器305和第三热交换器308在水路侧是串联的，电子三通阀304则用于控制第三热交换器308是否通水。具体地，电子三通阀304包括与第二热交换器305的出水口连通的一个进水口以及能够选择性地与第三热交换器308的进水口(B端口)或出水口(A端口)连通的出水口。
在制热模式下，如图12中所示，压缩机301开机，室外风机(图中未示出)打开，辅助膨胀阀EXV31和主膨胀阀EXV32均打开并调节为适当的制热开度，开关阀V31关闭，开关阀V32打开，开关阀V33关闭，电子三通阀304接通端口A而不接通端口B，并且用于使水循环流动的水泵350始终处于打开状态。也就是说，第二热交换器305通水并发挥热交换功能，而第三热交换器308被旁通而不通水。此时，热泵系统300的配置和连通路径与热泵系统100的配置和连通路径完全相同，因此运行过程完全相同，此处不再赘述。
接着参见图12，当需要进行除霜操作时，压缩机301不需要停机，关闭室外风机，关闭辅助膨胀阀EXV11，使主膨胀阀EXV12保持全开，打开开关阀V31，关闭开关阀V32，并延迟打开开关阀V33，将电子三通阀304切换为接通端口B而不接通端口A，水泵350始终处于打开状态。也就是说，第二热交换器305通水并发挥热交换功能，并且第三热交换器308也通水并发挥热交换功能。这意味着，整个热泵循环中串联有三个热交换器。于是，工作流体将沿着图11中的虚线箭头指示的路线进行循环。具体地，从压缩机301的排气口O1排出的高温高压工作流体直接进入第二热交换器305，并在第二热交换器305中与循环水发生热交换。工作流体冷凝放热，循环水吸热供暖，第二热交换器305充当冷凝器。然后，工作流体流动通过经济器306、主膨胀阀EXV32和开关阀V33来到第一热交换器303处。由于，辅助膨胀阀EXV31关闭并且主膨胀阀EXV32保持全开，因此工作流体在经济器306处没有经历过冷却，在主膨胀阀EXV32处也没有经历节流降压。来到第一热交换器303处的工作流体仍然处于气态和液态两相混合的中温高压状态，因此当其与低温环境空气在第一热交换器303中进行热交换时，工作流体继续降温放热，环境空气吸热升温，从而达到除霜的目的。第一热交换器303相当于一个二级冷凝器。之后，经过二次冷凝降温的工作流体流动通过毛细管307并因此被节流降压，再进入第三热交换器308与第三热交换器308中的循环水进行热交换并蒸发。因此，此处第三热交换器308充当蒸发器，工作流体蒸发并从循环水中吸取热量，变为低压气态工作流体。循环水提供热量，温度被降低，离开第三热交换器308之后从出水口排出。
和第一改型示例一样，由于除霜热源为压缩机功率及循环水热量且中间没有停机，因此第三改型示例能够获得与第一改型示例相同的有益效果。不同的是，在第三改型示例中，由于需要除霜的第一热交换器303作为二级冷凝器使工作流体冷凝放热，因此换热除霜效率不及第一改型示例高。但是，另一方面，由于第三改型示例中的第二热交换器305作为一级冷凝器向循环水供热并且经过第二热交换器305加热的循环水被供给至作为蒸发器的第三热交换器308中，因此与第一改型示例相比，室内温度波动更小，热泵系统的舒适性更好，并且第三热交换器308的换热效率更高。
<第四改型示例>
图13和图14示出了根据第四改型示例的热泵系统400，其中，图13是示出了热泵系统400的工作原理的示意图，图14是热泵系统400的部件在除霜操作期间的控制时序图。
对比图13和图6可以看出，与图6中的热泵系统100不同的是，在热泵系统400中，将第二热交换器405和第三热交换器408集成在一起共用一条水路并且去除了电子三通阀，因此第二热交换器405以及第三热交换器408是否启用不再结合水路进行控制，而是完全依赖电磁开关阀V44(对应于根据本发明的第一开关阀)、V45(对应于根据本发明的第二开关阀)以及V41(对应于根据本发明的第三开关阀)、V42(对应于根据本发明的第四开关阀)对工作流体的通断进行控制。
在非除霜模式下，开关阀V45和V41关闭，而开关阀V44和V42打开，因此启用第二热交换器405，停用第三热交换器408。其他部件的控制则与第一改型示例中的类似。从压缩机401的排气口O1流出的高温高压工作流体依次地流动通过开关阀V44，进入第二热交换器405冷凝放热，流动通过经济器406过冷，流动通过主膨胀阀EXV42降压，流动通过第一热交换器403蒸发吸热，最终变成低压气态工作流体，进入气液分离器402进行过滤和气液分离，最后从压缩机401的低压侧进气口O2返回压缩机401，完成制热循环。第二热交换器405作为冷凝器使用，第一热交换器403作为蒸发器使用。
在除霜模式下，开关阀V44和V42关闭，而开关阀V45和V41打开，因此停用第二热交换器405，启用第三热交换器408。其他部件的控制则与第一改型示例中的类似。从压缩机401的排气口O1流出的高温高压工作流体依次地流动通过开关阀V45，流动通过经济器406而没有热交换和过冷，流动通过主膨胀阀EXV42和开关阀V43(对应于根据本发明的第五开关阀)而没有降压，流动通过第一热交换器403冷凝放热，流动通过开关阀V41，流动通过毛细管407节流降压，流动通过第三热交换器408蒸发吸热变成低压气态工作流体，进入气液分离器402进行过滤和气液分离，最后从压缩机401的低压侧进气口O2返回压缩机401，完成制冷循环。第一热交换器403作为冷凝器使用，第三热交换器408作为蒸发器使用。
第四改型示例的热泵系统400能够获得与第一改型示例的热泵系统100相同的有益效果。
尽管本文未示出，但是可以理解，去掉电磁开关阀V44和V45，第四改型示例的热泵系统400也可以类似于热泵系统300实施为通过两级冷凝进行除霜的热泵系统。
尽管上文已经具体描述了本公开的各种实施方式和变型，但是本领域技术人员应该理解，本公开并不局限于上述具体的实施方式和变型而是可以包括其他各种可能的组合和结合。在不偏离本公开的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其他的变型和变体。所有这些变型和变体都落入本公开的范围内。而且，所有在此描述的构件都可以由其他技术性上等同的构件来代替。