本发明涉及制冷热泵技术领域，尤其涉及一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组及其除霜方法。
背景技术：
co2空气源热泵机组以其出色的制热能力和自然工质的优势，近年来获得了广泛的关注和研究，目前困扰co2热泵的一大难题在于制热除霜问题，因现有空气源热泵一般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。但对于co2热泵，因为压力非常高，目前还没有合适的四通换向阀，常采用电磁阀组或者三通阀组来代替四通换向阀进行逆循环除霜，或者采用热气旁通除霜方法，存在如下问题：
1）电磁阀组或者三通阀组的价格高，结构复杂，可靠性低，对于co2热泵的推广造成一定困难，热气旁通除霜方案的阀门虽然较少，但除霜速度较慢。
2）不管是逆循环除霜还是热气旁通除霜，风换热器都要加热到较高的温度，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，除霜造成的热损耗更大。
3）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。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组及其除霜方法，减小热损失，除霜能耗小，提高综合运行效率。本发明采用的技术方案是：
一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组，其中，包括水换热器，所述水换热器通过管道连接风换热器，所述水换热器的输入端和风换热器连接的管道上设置co2压缩机或气管二通阀，所述水换热器输出端和风换热器连接的管道上设置膨胀阀或液管二通阀，所述风换热器设置于水换热器的上方。
优选的是，所述的不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组，其中，所述水换热器输出端和风换热器连接的管道上还设置储液器，所述储液器和水换热器输出端连接的管道上设置膨胀阀或液管二通阀，所述液管二通阀和储液器连接的管道上设置氟泵。
一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组的除霜方法，其中，包括以下步骤：
1）当热泵机组达到除霜状态，关闭co2压缩机和风换热器，保持t1时间；
2）打开气管二通阀和液管二通阀，打开风换热器和水换热器，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t2，检测风换热器进口冷媒温度t1和出口冷媒温度t2，及其水换热器进口水温t3和出口水温t4，当达到以下任一条件时，结束除霜：
除霜时长>tm；
t2>tsf；
t1-t2<tdf；
t4-t3<tdw；
其中，t1，t2，tm，tsf，tdf，tdw均为系统可变参数，可根据实际情况任意调整。
4）除霜结束，关闭液管二通阀和气管二通阀。
优选的是，所述的不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组的除霜方法，其中，所述步骤还开启氟泵，所述步骤还关闭氟泵。
本发明的优点在于：本发明的不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组及其除霜方法，无需切换装置，彻底解决了传统换向装置复杂，可靠性低，成本高等问题；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，而且除霜能耗小，提高综合运行效率；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，减小了除霜噪音。
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1的示意图。
图2为本发明实施例2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-co2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-氟泵；8-储液器。
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
一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组，其中，包括水换热器2，所述水换热器2通过管道连接风换热器4，所述水换热器2的输入端和风换热器4连接的管道上设置co2压缩机1或气管二通阀6，所述水换热器2输出端和风换热器4连接的管道上设置膨胀阀3或液管二通阀5，所述风换热器4设置于水换热器2的上方。
一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组的除霜方法，其中，包括以下步骤：
1）当热泵机组达到除霜状态，关闭co2压缩机1和风换热器4，保持t1时间；
2）打开气管二通阀6和液管二通阀5，打开风换热器4和水换热器2，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t2，检测风换热器4进口冷媒温度t1和出口冷媒温度t2，及其水换热器2进口水温t3和出口水温t4，当达到以下任一条件时，结束除霜：
除霜时长>tm；
t2>tsf；
t1-t2<tdf；
t4-t3<tdw；
其中，t1，t2，tm，tsf，tdf，tdw均为系统可变参数，可根据实际情况任意调整。
4）除霜结束，关闭液管二通阀5和气管二通阀6。
该实施方式采用热管自然循环模式进行除霜，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5和气管二通阀6均关闭，此时co2压缩机1，水换热器2，膨胀阀3和风换热器4构成一个co2热泵循环（为了便于说明，仅列出了核心零部件，其他与除霜功能无关的co2热泵附属部件并未在此明示），水换热器2作为冷凝器，连接末端需求侧，为其供应循环热水，风换热,4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。
此时，co2压缩机1关闭，风换热器4的风扇关闭，并保持一定时间，机组内部的压力和温度逐渐平衡，随后，液管二通阀5和气管二通阀6打开，由于高差和温差的存在，风换热器4和水换热器2直接连通构成了分离式热管系统，水换热器2的水路保持循环，热水将水换热器2内的冷媒加热蒸发，通过气管二通阀6进入风换热器4，风换热器4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4将被冷凝为液体，在重力作用下通过液管二通阀5返回水换热器2，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，当霜融化完全后，机组切换回热泵制热模式。
这种实施方式下，机组不具备主动除霜功能，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，但热管模式的除霜能力完全取决于环境温度和水温，尤其是水温，水温越高，驱动温差越大，除霜能力越强，而如背景所述，co2热泵的水温一般都较高，因此热泵除霜效果得以保障。
实施例2
一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组，其中，包括水换热器2，所述水换热器2通过管道连接风换热器4，所述水换热器2的输入端和风换热器4连接的管道上设置co2压缩机1或气管二通阀6，所述水换热器2输出端和风换热器4连接的管道上设置膨胀阀3或液管二通阀5，所述风换热器4设置于水换热器2的上方。
其中，所述水换热器2输出端和风换热器4连接的管道上还设置储液器8，所述储液器8和水换热器2输出端连接的管道上设置膨胀阀3或液管二通阀5，所述液管二通阀5和储液器8连接的管道上设置氟泵7。
一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组的除霜方法，其中，包括以下步骤：
1）当热泵机组达到除霜状态，关闭co2压缩机1和风换热器4，保持t1时间；
2）打开气管二通阀6和液管二通阀5，打开风换热器4和水换热器2，开启氟泵7，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t2，检测风换热器4进口冷媒温度t1和出口冷媒温度t2，及其水换热器2进口水温t3和出口水温t4，当达到以下任一条件时，结束除霜：
除霜时长>tm；
t2>tsf；
t1-t2<tdf；
t4-t3<tdw；
其中，t1，t2，tm，tsf，tdf，tdw均为系统可变参数，可根据实际情况任意调整。
4）除霜结束，关闭液管二通阀5、气管二通阀6和氟泵7。
该实施方式采用了氟泵循环模式进行除霜，机组具有两种运行模式：热泵制热模式和氟泵除霜模式，在热泵制热模式下，氟泵7、液管二通阀5和气管二通阀6均关闭，此时co2压缩机1，水换热器2，膨胀阀3，储液器8和风换热器4构成一个co2热泵循环（为了便于说明，仅列出了核心零部件，其他与除霜功能无关的co2热泵附属部件并未在此明示），水换热器2作为冷凝器，连接末端需求侧，为其供应循环热水，风换热器4作为蒸发器，随着风换热器结霜加剧，需要除霜时，机组将切换到氟泵除霜模式。
此时，co2压缩机1关闭，风换热器4的风扇关闭，并保持一定时间，机组内部的压力和温度逐渐平衡，随后，氟,7、液管二通阀5和气管二通阀6打开，风换热器4和水换热器2通过氟泵7直接连通构成了氟泵系统，由于水换热器2的水路保持循环，热水将水换热器2内的冷媒加热蒸发，通过气管二通阀6进入风换热器4，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4将被冷凝为液体，并保持在储液器中，经氟泵7循环送到水换热器2，通过氟泵7驱动冷媒循环，热水中的热量将传递到风换热器4表面，使得霜层温度逐渐升高并融化，当霜融化彻底后，机组切换回热泵制热模式。
相比实施例1，这种方式采用氟泵7驱动使得机组适用范围更宽，一方面解除了风换热器4和水换热器2的高差限制，不再如方式一需要满足风换热器4在水换热器2上部的要求，另一方面放松了风换热器4和水换热器2的温差要求，即使两器的温差较小，利用氟泵7强制循环也能提供足够的换热量，保障机组的除霜效果。
本发明的不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组及其除霜方法无需切换装置，彻底解决了传统换向装置复杂，可靠性低，成本高等问题；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。而且除霜能耗小，提高综合运行效率；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，减小了除霜噪音。
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。
1.一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组，其特征在于，包括水换热器（2），所述水换热器（2）通过管道连接风换热器（4），所述水换热器（2）的输入端和风换热器（4）连接的管道上设置co2压缩机（1）或气管二通阀（6），所述水换热器（2）输出端和风换热器（4）连接的管道上设置膨胀阀（3）或液管二通阀（5），所述风换热器（4）设置于水换热器（2）的上方。
2.如权利要求1所述的不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组，其特征在于，所述水换热器（2）输出端和风换热器（4）连接的管道上还设置储液器（8），所述储液器（8）和水换热器（2）输出端连接的管道上设置膨胀阀（3）或液管二通阀（5），所述液管二通阀（5）和储液器（8）连接的管道上设置氟泵（7）。
3.一种不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组的除霜方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）当热泵机组达到除霜状态，关闭co2压缩机（1）和风换热器（4），保持t1时间；
2）打开气管二通阀（6）和液管二通阀（5），打开风换热器（4）和水换热器（2），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t2，检测风换热器（4）进口冷媒温度t1和出口冷媒温度t2，及其水换热器（2）进口水温t3和出口水温t4，当达到以下任一条件时，结束除霜：
除霜时长>tm；
t2>tsf；
t1-t2<tdf；
t4-t3<tdw；
其中，t1，t2，tm，tsf，tdf，tdw均为系统可变参数，可根据实际情况任意调整；
4）除霜结束，关闭液管二通阀（5）和气管二通阀（6）。
4.如权利要求3所述的不需除霜换向装置的co2空气源热泵机组的除霜方法，其特征在于，所述步骤（2）还开启氟泵（7），所述步骤（4）还关闭氟泵（7）。
技术总结