基于双气体冷却器的跨临界CO2空气源热泵系统的制作方法

基于双气体冷却器的跨临界co2空气源热泵系统
技术领域
1.本实用新型属于建筑供热技术领域，尤其涉及一种基于双气体冷却器的跨临界co2空气源热泵系统。


背景技术：

2.随着现代社会经济发展水平和物质生活条件的不断提高，化石能源的消耗速度大幅提升，尤其是在我国北方地区，供热和生活热水的获取还是主要依靠传统燃煤设备，这也导致了严重的环境污染问题。目前国家“煤改电”政策提出逐步取缔燃煤锅炉，空气源热泵技术以其优良的特性和节能潜力受到广泛关注。然而，现有的空气源热泵研究多集中于传统工质，传统工质是造成温室效应、臭氧层空洞等问题的主要原因，不符合我国可持续发展理念，因此自然工质co2成为空气源热泵制冷剂的热门选择。在跨临界co2热泵系统中，因其在气体冷却器中的巨大温度滑移，与制取高温热水完美匹配，具有公认的优良特性。但跨临界co2热泵系统本身由于较大的节流损失，导致其系统效率普遍偏低。
3.现有技术中，针对于跨临界co2热泵系统本身效率低的问题，主要的改进措施集中在改进系统形式，例如复叠式循环、双级压缩、增加过冷等方法，此外还有与其他系统进行耦合和采用混合工质等等。其中的部分技术虽然提高了系统性能，但是由于其系统结构复杂，额外增加了许多制造成本。同时跨临界co2热泵系统应用于我国北方时，需要考虑结霜问题，常用的加热除霜方式成本较高，对普通居民用户并不友好。


技术实现要素：

4.本实用新型是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于双气体冷却器的跨临界co2空气源热泵系统，实现供高温热水、供低温热水和地暖供暖的多功能组合；能够保证co2热泵循环在寒冷地区的高效稳定运行，同时解决了冬季翅片管式换热器的结霜现象。
5.本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现，一种基于双气体冷却器的跨临界co2空气源热泵系统，包括跨临界co2压缩空气源热泵系统，其特征是：所述跨临界co2压缩空气源热泵系统与串联的高温级气体冷却器和低温级气体冷却器连接，构成跨临界co2空气源热泵的高温级供热水系统和低温级供暖及供热水系统。
6.所述高温级供热水系统包括依次连接的高温级气体冷却器、第一水泵、第一蓄热水箱和高温级供热水截止阀构成高温级供热水回路。
7.所述低温级供暖及供热水系统包括低温级气体冷却器、第二水泵、供热水截止阀、第二蓄热水箱、低温级供暖截止阀和地暖管，所述低温级气体冷却器与第二水泵连接，所述低温级供暖截止阀和地暖管连接构成低温级供暖回路；所述供热水截止阀和第二蓄热水箱连接构成供热水回路，第二水泵分别通过供热水截止阀及低温级供暖截止阀与供热水回路和低温级供暖回路并联。
8.所述跨临界co2压缩空气源热泵系统的第一气液分离器分别与第一除霜截止阀和第二除霜截止阀并联，所述第二除霜截止阀与蒸发器构成除霜旁路，第一除霜截止阀与压
缩机连接。
9.所述高温级供热水系统的第一蓄热水箱出水温度为50
‑
60℃。
10.所述低温级供暖及供热水系统的第二蓄热水箱出水温度和地暖管供暖温度为40
‑
45℃。
11.所述跨临界co2压缩空气源热泵系统包括依次连接的压缩机、气体冷却器、第二截止阀、第一节流阀、第一气液分离器、第二节流阀、翅片管式蒸发器和第二气液分离器，所述第二气液分离器与压缩机连接，所述第一气液分离器、第一除霜截止阀和压缩机连接构成补气回路，构成了跨临界co2准二级压缩空气源热泵系统。
12.有益效果：与现有技术相比，本实用新型采用两个气体冷却器串联的方式，通过控制不同截止阀的开启，实现供高温热水、供低温热水和地暖供热的多功能组合；同时采用准二级压缩的循环形式能够有效避免普通热泵循环形式在寒冷地区效率较低的问题，采用旁通除霜能缓解空气源热泵在寒冷地区结霜现象，有效解决了空气源热泵在我国北方受环境限制和功能单一的技术难题。
附图说明
13.图1是本实用新型的结构示意图。
14.图中：1
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压缩机；2
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高温级气体冷却器；3
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第一截止阀；4
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低温级气体冷却器；5
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第二截止阀；6
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第一节流阀；7
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第一气液分离器；8
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第二节流阀；9
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第一除霜截止阀；10
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第二除霜截止阀；11
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翅片管式蒸发器；12
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第二气液分离器；13
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第一水泵；14
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第一蓄热水箱；15
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高温级供热水截止阀；16
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第二水泵；17
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供热水截止阀；18
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第二蓄热水箱；19
‑
低温级供暖截止阀；20
‑
地暖管。
具体实施方式
15.以下结合较佳实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式详述如下：详见附图，本实施例提供了一种基于双气体冷却器的跨临界co2空气源热泵系统，包括跨临界co2压缩空气源热泵系统，所述跨临界co2压缩空气源热泵系统与串联的高温级气体冷却器和低温级气体冷却器连接，构成跨临界co2空气源热泵的高温级供热水系统和低温级供暖及供热水系统。
16.所述跨临界co2压缩空气源热泵系统包括依次连接的压缩机1、气体冷却器2、第二截止阀5、第一节流阀6、第一气液分离器7、第二节流阀8、翅片管式蒸发器11和第二气液分离器12，所述第二气液分离器12与压缩机1连接，所述第一气液分离器7、第一除霜截止阀9和压缩机1连接构成补气回路，构成了跨临界co2准二级压缩空气源热泵系统。
17.所述高温级供热水系统包括依次连接的高温级气体冷却器2、第一水泵13、第一蓄热水箱14和高温级供热水截止阀15构成高温级供热水回路。所述低温级供暖及供热水系统包括低温级气体冷却器4、第二水泵16、供热水截止阀17、第二蓄热水箱18、低温级供暖截止阀19和地暖管20，所述低温级气体冷却器4与第二水泵16连接，所述低温级供暖截止阀19和地暖管20连接构成低温级供暖回路；所述供热水截止阀17和第二蓄热水箱18连接构成供热水回路，第二水泵分别通过供热水截止阀17及低温级供暖截止阀19与供热水回路和低温级供暖回路并联。所述跨临界co2压缩空气源热泵系统包括依次连接的压缩机1、气体冷却器
2、第二截止阀5、第一节流阀6、第一气液分离器7、第二节流阀8、翅片管式蒸发器11和第二气液分离器12，第二气液分离器12与压缩机1连接构成跨临界co2准二级压缩空气源热泵系统。所述跨临界co2压缩空气源热泵系统的第一气液分离器7分别与第一除霜截止阀9和第二除霜截止阀10并联，所述第二除霜截止阀10与蒸发器11构成除霜旁路，第一除霜截止阀9与压缩机1连接。所述高温级供热水系统的第一蓄热水箱14出水温度为50
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60℃；所述低温级供暖及供热水系统的第二蓄热水箱18出水温度和地暖管20供暖温度为40
‑
45℃。
18.工作原理
19.本实用新型通过两个气体冷却器串联的方式充分利用跨临界co2热泵在冷却过程中放出的高温热量，实现供高温热水、供低温热水和地暖供暖的多功能组合。通过采用准二级压缩的循环形式，能够保证co2热泵循环在寒冷地区的高效稳定运行，同时在冬季翅片管式换热器出现结霜现象时，也能利用旁通除霜的方式简单快速的化霜，对系统运行的影响较小。
20.工作过程
21.所述跨临界co2准二级压缩空气源热泵系统，包括：压缩机1、高温级气体冷却器2、截止阀3、低温级气体冷却器4、截止阀5、第一节流阀6、第一气液分离器7、第二节流阀8、截止阀9、截止阀10、翅片管式蒸发器11和第二气液分离器12。压缩机1出口的超临界co2流体经过高温级气体冷却器2之后可分为两路，一路可经过截止阀3和低温级气体冷却器4，另一路可经过截止阀5，再都进入到第一节流阀6。co2经过节流阀6之后进入第一气液分离器7，液体部分进过第二节流阀8和翅片管式蒸发器11进入第二气液分离器12，气体部分可分为两路，一路可经过截止阀9进入压缩机1的补气孔，另一路可经过截止阀10和翅片管式蒸发器11进入第二气液分离器12，第二气液分离器12的气体部分进入压缩机1。
22.低温级供暖、供热水系统，包括：低温级气体冷却器4、第二水泵16、截止阀17、第二蓄热水箱18、截止阀19和地暖管20。经过低温级气体冷却器4换热之后的热水经过第二水泵16之后，可分为两路，一路可经过截止阀19和地暖管20，另一路可经过截止阀17、第二蓄热水箱18。
23.高温级供热水系统，包括高温级气体冷却器2、第一水泵13、第一蓄热水箱14和截止阀15，四种设备依次连接组成高温级供热水系统。
24.跨临界co2准二级压缩空气源热泵系统通过控制截止阀9和截止阀10的开关，将第一气液分离器7中气体部分旁通至蒸发器11进行除霜。
25.实施例1提供高温热水和地暖供热
26.如图1所示，本系统同时供高温热水和地暖供热时有三个循环，跨临界co2热泵循环、高温水循环和供热循环。系统工作时跨临界co2热泵循环中第一截止阀3和第一除霜截止阀9开启，第二截止阀5和第二除霜截止阀10关闭，从低温级气体冷却器出口的co2流体先经过一次节流变成中间气液共存状态，液态部分再进行一次节流进入翅片管式蒸发器进行吸热蒸发，气体部分直接进入压缩机分补气孔与来自翅片管式蒸发器的气体混合再压缩到高温高压，高温高压的co2流体依次在两个气体冷却器中放热。高温水循环中高温级供热水截止阀15开启，高温级气体冷却器中水侧吸收热量之后可达到50
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60℃，进入到蓄热水箱进行生活用水的供给；供热循环中供热水截止阀17关闭，低温级供暖截止阀19开启，低温级气体冷却器中水侧吸热之后可达40
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45℃，符合国家标准中地暖管的供热温度。
27.实施例2：提供高温热水和低温热水
28.受人为因素和季节因素的影响，有时不需要进行地暖供热，但需要不同温度区间的生活热水，例如居民用户中对洗浴用水和厨房热水的需求。在这种系统模式下，系统工作时跨临界co2热泵循环中第一截止阀3和第一除霜截止阀9开启，第二截止阀5和第二除霜截止阀10关闭；高温水循环中高温级供热水截止阀15开启；供热循环中低温级供暖截止阀19关闭，供热水截止阀17开启。即将供暖模式下的循环水储存到第二蓄热水箱，以提供低温热水。
29.实施例3：只提供高温热水
30.考虑到居民用户只需要高温热水的特殊需求，本实用新型设计出一套只提供高温热水的循环模式。在这种系统模式下，系统工作时跨临界co2热泵循环中第一截止阀3和第二除霜截止阀10关闭，第二截止阀5和第一除霜截止阀9开启，系统中只有一个高温级气体冷却器工作，但这种循环模式下，气体冷却器出口温度较高，导致系统效率降低，不建议长时间运行。
31.实施例4：除霜模式
32.空气源热泵应用于我国北方寒冷和严寒地区时，会有结霜现象。本实用新型应用于除霜模式时，第一除霜截止阀9和第二节流阀8关闭，第二除霜截止阀10开启，利用第一气液分离器中20
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30℃左右的气体部分通过旁通路进入到蒸发器进行除霜。
33.上述参照实施例对该一种基于双气体冷却器的跨临界co2空气源热泵系统进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本实用新型总体构思下的变化和修改，应属本实用新型的保护范围之内。