一种空气源跨临界二氧化碳热泵供暖系统及控制方法与流程

本发明涉及制冷设备技术领域，具体涉及一种空气源跨临界二氧化碳热泵供暖系统及控制方法。

背景技术：

近年来，不可再生能源的储量迅速减少，能源危机带来了层出不穷的社会问题。空调和制冷行业耗能巨大，“节能减排”势在必行，清洁能源的开发和利用也愈发普及。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17％-67％，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60％。以co2为制冷工质的空气源热泵由于能效比高、节能环保、经济、安全、避免了臭氧层破坏等特点得到了重视和应用。但是，在co2热泵用于供暖时，由于回水温度较高，导致co2热泵供暖系统节流损失较大，系统性能下降，供热量不足。此外，冬季热泵系统制热运行时，室外换热器表面容易结霜，霜层减弱了空气与制冷剂之间的流动传热，随着换热的不断进行，传热能力不断恶化，蒸发温度持续降低，严重影响着系统的制热量及能效比。因此，降低回水温度，减少空气源跨临界co2热泵系统的节流损失，以及延缓蒸发器结霜、提高热泵系统性能，对co2热泵系统的推广及应用具有十分重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空气源跨临界二氧化碳热泵供暖系统及控制方法，能够减少系统节流损失、延缓蒸发器结霜、提高余热利用率及除霜效率从而提升co2热泵系统的性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种空气源跨临界二氧化碳热泵供暖系统，包括压缩机、气体冷却器、三个节流阀、四个电磁阀、蒸发器和气液分离器；

所述的气体冷却器包括两个热侧回路；

所述压缩机的出口分为两路，一路经过第四电磁阀连接于蒸发器入口，一路连接气体冷却器的第一热侧入口；气体冷却器的第一热侧出口连接第一节流阀入口；第一节流阀出口旁通一路经第二节流阀连接于气体冷却器的第二热侧入口，第一节流阀出口经第三节流阀连接与蒸发器入口；

气体冷却器的第二热侧出口分为两路，一路经过第三电磁阀连接于气液分离器入口，另一路经过第一电磁阀与第三节流阀支路汇合后连接于蒸发器入口，蒸发器出口经第二电磁阀连接于气液分离器入口，气液分离器出口连接于压缩机的入口。

优选的，所述的两个热侧回路分别为第一热侧入口和第一热侧出口之间的第一热侧回路，用于放热供能；以及第二热侧入口和第二热侧出口之间的第二热侧回路，用于余热回收供能。

一种空气源跨临界二氧化碳热泵供暖系统的控制方法，基于上述任意一项所述的系统，包括：

在制热模式下，制冷剂经第一节流阀节流降压后分为两路，一路旁通进入气体冷却器的第二热侧回收余热，再通过第三电磁阀进入气液分离器；一路经第三节流阀节流降压后进入蒸发器，最后通过气液分离器回到压缩机；

在结霜模式下，制冷剂经第一节流阀节流降压后旁通进入气体冷却器的第二热侧回收余热，气体冷却器的第二热侧出口的制冷剂通过第一电磁阀与第三节流阀节流后的制冷剂汇合进入蒸发器，再通过气液分离器回到压缩机；

在除霜模式下，压缩机出口的制冷剂气体经第四电磁阀进入蒸发器除霜，同时从气体冷却器第二热侧出口流出的制冷剂经第一电磁阀与第三节流阀节流降压后的制冷剂汇合，进入蒸发器，最后通过气液分离器回到压缩机完成循环。

优选的，制热模式的具体步骤如下：

关闭第一电磁阀及第四电磁阀，制冷剂经压缩机压缩为高温高压的蒸汽后进入气体冷却器，制冷剂向冷却介质放热后温度降低从气体冷却器的第一热侧出口进入第一节流阀；节流降压后的制冷剂分为两路，一路经第二节流阀二次节流后旁通进入气体冷却器的第二热侧回路吸收回水的热量；从气体冷却器的第二热侧出口流出的制冷剂经第三电磁阀进入气液分离器进行气液分离；另一路经第三节流阀节流降压后进入蒸发器蒸发吸热，再通过第二电磁阀进入气液分离器进行气液分离，最后回到压缩机完成循环。

优选的，结霜模式的具体步骤如下：

关闭第三电磁阀及第四电磁阀，制冷剂经压缩机压缩为高温高压的蒸汽后进入气体冷却器，制冷剂向冷却介质放热后温度降低从气体冷却器的第一热侧出口进入第一节流阀；节流降压后的制冷剂旁通一路经第二节流阀二次节流后进入气体冷却器的第二热侧回路吸收回水的热量；从气体冷却器的第二热侧出口流出的制冷剂通过第一电磁阀与第三节流阀节流降压后的制冷剂汇合进入蒸发器，再通过气液分离器进行气液分离，最后回到压缩机。

优选的，除霜模式的具体步骤如下：

关闭第三电磁阀，开启第四电磁阀，压缩机出口的高温高压的制冷剂气体经第四电磁阀进入蒸发器除霜，同时从气体冷却器第二热侧出口流出的制冷剂经第一电磁阀与第三节流阀节流降压后的制冷剂汇合，进入蒸发器，除霜后的低温低压的气体通过第二电磁阀进入气液分离器进行气液分离，最后回到压缩机完成循环。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明设计了旁通支路，将节流阀出口的支路旁通于气体冷却器。系统制热模式时，制冷剂经节流阀旁通吸收回水余热，节流阀调节旁通支路制冷剂的流量及压降，一方面降低了制冷剂进入阀前的温度，从而减少了系统的节流损失；一方面吸收余热后的制冷剂与蒸发吸热后的制冷剂汇合进入压缩机，提高了压缩机的吸气温度，提升了系统性能；另一方面旁通气体冷却器提高了余热利用率。系统在结霜模式时，吸收回水余热后的制冷剂与节流后的制冷剂汇合进入蒸发器，提高了蒸发温度，从而延缓了系统结霜。系统除霜模式时，在传统的热气旁通除霜的基础上，气体冷却器的第二热侧出口流出的制冷剂与第三节流阀节流降压后的制冷剂汇合进入蒸发器，提高了蒸发温度，提升了除霜效率。

附图说明

图1：本发明所述系统的结构原理图。

图2：本发明所述系统制热模式的原理图。

图3：本发明所述系统结霜模式的原理图。

图4：本发明所述系统除霜模式的原理图。

图中，a为第一热侧出口，b为第二热侧出口，1为压缩机，2为气体冷却器，3、4、5为第一、二、三节流阀，6、8、10、11为第一、二、三、四电磁阀，7为蒸发器，9为气液分离器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明提出的一种空气源跨临界二氧化碳热泵供暖系统，包括压缩机1，气体冷却器2，第一、二、三节流阀3、4、5，第一、二、三、四电磁阀6、8、10、11，蒸发器7和气液分离器9，通过旁通吸收回水余热。其中，压缩机1的出口分为两路，一路经过第四电磁阀11连接于蒸发器7入口，一路连接气体冷却器2的第一热侧入口；气体冷却器2的第一热侧出口a连接第一节流阀3；第一节流阀3出口旁通一路经第二节流阀4连接于气体冷却器2的第二热侧入口，第一节流阀3出口经第三节流阀5连接与蒸发器7入口；气体冷却器2的第二热侧出口b分为两路，一路通过第三电磁阀10连接于气液分离器9入口，另一路经第一电磁阀6与第三节流阀5支路汇合后连接于蒸发器7入口，蒸发器7出口连接第二电磁阀8，再通过气液分离器9连接于压缩机1的入口。将第一节流阀3后的支路旁通于气体冷却器2中吸收回水余热。气体冷却器2的热侧包括两个独立放热的循环回路，分别为第一热侧入口和第一热侧出口a之间的第一热侧回路，为主热侧回路；以及第二热侧入口和第二热侧出口b之间的第二热侧回路，为辅助热侧回路。

在制热模式下，制冷剂经第一节流阀3节流降压后分为两路，一路旁通进入气体冷却器2的第二热侧回收余热，再通过第三电磁阀10进入气液分离器9；一路经第三节流阀5节流降压后进入蒸发器7，最后通过气液分离器9回到压缩机1。

在结霜模式下，制冷剂经第一节流阀3节流降压后旁通进入气体冷却器2的第二热侧回收余热，气体冷却器2的第二热侧出口b的制冷剂通过第一电磁阀6与第三节流阀5节流后的制冷剂汇合进入蒸发器7，再通过气液分离器9回到压缩机1。

在除霜模式下，压缩机1出口的制冷剂气体经第四电磁阀11进入蒸发器7除霜，同时从气体冷却器2的第二热侧出口b流出的制冷剂经第一电磁阀6与第三节流阀5节流降压后的制冷剂汇合，进入蒸发器7，最后通过气液分离器9回到压缩机1。

下面详细描述一种空气源跨临界二氧化碳热泵供暖系统的控制方法，其中包括制热模式、结霜模式、除霜模式的具体流程。

参见图2，制热模式中：关闭第一电磁阀6及第四电磁阀11，制冷剂经压缩机1压缩为高温高压的蒸汽后进入气体冷却器2，制冷剂向冷却介质放热后温度降低从气体冷却器2的第一热侧出口a进入第一节流阀3；经第一节流阀3节流降压后的制冷剂分为两路。

一路经第二节流阀4二次节流后旁通进入气体冷却器2的第二热侧回路吸收回水的热量，降低了系统回水温度；从气体冷却器2的第二热侧出口b流出的制冷剂经第三电磁阀10进入气液分离器9进行气液分离，与从蒸发器7流出的制冷剂气体汇合进入压缩机，提高了压缩机的吸气温度，从而提升了系统性能。

另一路经第三节流阀5节流降压后进入蒸发器7蒸发吸热，再通过第二电磁阀8进入气液分离器9进行气液分离，最后回到压缩机1完成循环。此时一方面降低了制冷剂进入第三节流阀5前的温度，减少了系统节流损失；另一方面，提高了余热利用率，改善了co2跨临界空气源热泵供暖系统在应用中由于供回水温度过高，致使节流损失较大，排气温度过高，进而导致系统供热能力下降的问题。

参见图3，结霜模式中：关闭第三电磁阀10及第四电磁阀11，制冷剂经压缩机1压缩为高温高压的蒸汽后进入气体冷却器2，制冷剂向冷却介质放热后温度降低从气体冷却器2的第一热侧出口a进入第一节流阀3；节流降压后的制冷剂旁通一路经第二节流阀4二次节流后进入气体冷却器2的第二热侧回路吸收回水的热量；从气体冷却器2的第二热侧出口b流出的制冷剂通过第一电磁阀6与第三节流阀5节流降压后的制冷剂汇合进入蒸发器7，此时吸收余热后的制冷剂与节流后的制冷剂汇合，提高了蒸发温度，从而延缓了蒸发器结霜；从蒸发器流出的制冷剂气体再通过气液分离器9进行气液分离，最后回到压缩机1。

参见图4，除霜模式中：压缩机1出口的制冷剂气体经第四电磁阀11进入蒸发器7除霜，同时从气体冷却器2的第二热侧出口b流出的制冷剂经第一电磁阀6与第三节流阀5节流降压后的制冷剂汇合，进入蒸发器7，在热气旁通除霜的基础上，吸收余热后的制冷剂与节流后的制冷剂汇合进入蒸发器，提高了蒸发温度，从而提升了除霜效率。蒸发吸热后的制冷剂气体再通过气液分离器9气液分离后回到压缩机1完成循环。