一种供暖用CO2空气源热泵稳定跨临界循环方法及系统

本发明涉及一种供暖用co2空气源热泵稳定跨临界循环方法及系统，属于空气源热泵供暖。

背景技术：

1、co2空气源热泵不仅节能、环保，且进行跨临界制热循环时制热性能优异以及出水温度高，被认为是燃煤、燃气锅炉等传统供暖方式的理想替代品。co2的热物理性质独特，具有较低的临界温度(31.1℃)和较高的临界压力(7.38mpa)。由于co2在临界点附近其物性参数随温度和压力的变化非常剧烈，采用跨临界循环可以使传热性能大为加强、换热量显著提高。与此同时，跨临界制热循环在超临界放热程中co2的温度滑移特性与水的温升过程相匹配，从而可有效提高出水水温以及减少高压侧不可逆传热损失。因此，co2空气源热泵进行跨临界制热循环时可以显著提高制热性能。

2、然而，co2空气源热泵在低温工况下供暖，随着环境温度降低，压缩机吸气压力和吸气质量流量随之下降。当过低的吸气压力导致压缩机排气压力和排气温度低于临界值时，将致使co2空气源热泵无法进行跨临界制热循环，从而使系统制热性能急剧下降、运行不稳定，甚至无法正常运行，以至于无法满足用户供暖需求。虽然有学者提出采用回热循环、引入喷射器以及低压补气等方法解决此问题，然而这些方法存在提高吸气压力作用不明显、加工精度要求较高以及耗能等局限性。此外，co2空气源热泵供暖在低温工况运行，还存在随着环境温度降低，蒸发温度下降、蒸发器翅片表面容易结霜、供暖回水温度和气冷器co2出口温度偏高、节流损失增大，导致co2空气源热泵能效比和制热量不断衰减的问题。因此，在低温环境下，提高系统吸气压力确保co2工质稳定跨临界循环、有效降低供暖回水温度、降低节流损失、提高蒸发温度是影响co2空气源热泵在供暖领域推广与应用的关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种供暖用co2空气源热泵稳定跨临界循环方法及系统，能够在低温环境下确保co2进行跨临界制热循环，同时提高蒸发温度、降低回水温度和节流损失，从而提升co2空气源热泵供暖的高效稳定运行性能以及低温性能。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种供暖用co2空气源热泵稳定跨临界循环方法：在供暖用co2空气源热泵机组的压缩机1入口前设置稳定跨临界循环换热器15，在低温工况系统无法进行跨临界制热循环时，利用供暖回水按需加热压缩机入口前制冷剂以此提高压缩机入口前吸气压力和质量流量，从而提高压缩比和排气温度，始终确保低温工况下co2工质跨临界制热循环以及系统稳定运行，同时提高制热性能；在供暖用co2空气源热泵机组的蒸发器4入口前设置升温增效换热器7，在低温工况利用供暖回水按需加热蒸发器4入口前的制冷剂来提高蒸发温度以及优化系统制热效率，从而保证co2空气源热泵供暖在低温工况稳定高效运行；

4、所述供暖回水与压缩机1入口前和蒸发器4入口前的制冷剂换热后水温降低，从而降低气冷器入口水温、降低节流损失、提高制热系数及制热量；基于粒子群算法和多目标函数最优建立升温增效判据和稳定跨临界循环判据，以控制流入升温增效换热器7和流入稳定跨临界循环换热器15的供暖回水流量，并采用响应曲面法rsm优化此流量以获得最佳供暖回水流量；升温增效换热器7和稳定跨临界循环换热器15内部采用三维内外肋换热管上端喷淋叉流换热的结构。

5、进一步地，将供暖回水分流为三个支路，分别为支路ⅰ27、支路ⅱ11以及支路ⅲ13；在压缩机1入口前端设置一个稳定跨临界循环换热器15，经支路ⅲ13将供暖回水输送至稳定跨临界循环换热器15适度加热压缩机1入口前co2工质，以确保低温工况系统跨临界稳定制热循环；控制器25依据稳定跨临界循环判据控制电动调节阀ⅲ20开度以按需调节流入稳定跨临界循环换热器15的供暖回水流量。

6、进一步地，实时获取压缩机1吸气温度ti、吸气压力pi、压缩机排气温度tc、排气压力pc、制热功率w、性能系数cop、压缩比e以及供暖回水温度ts，综合考虑低温工况下这些参数随环境温度ta下降时的变化情况以及压缩机排气温度tc和排气压力pc是否低于co2临界值来建立稳定跨临界循环判据；利用在耦合变量多目标寻优方面有良好应用的粒子群算法，制热功率w、性能系数cop、压缩比e作为稳定跨临界循环判据的控制目标，且分别取权重m1，m2，m3，以多目标函数{m1w,m2cop,m3e}最优来确定电动调节阀ⅲ20开度kc，从而确定流入稳定跨临界循环换热器15的供暖回水流量qc'，以保证系统进行跨临界稳定制热循环从而使系统在低温工况供暖稳定高效运行；kc是与ti,pi,tc,pc,w,cop,e,ts,t参数相关的量，可以用函数具体表示如下：

7、kc＝f(ti,pi,tc,pc,w,cop,e,ts,ta)

8、qc'＝kcqc

9、式中，qc是电动调节阀ⅲ20全开时的水流量。

10、进一步地，在低温环境下供暖，随着环境温度的降低，压缩机吸气压力与温度随之降低，压缩机吸气质量减少，压缩机排气压力和温度也相应下降至临界值以下co2工质无法进行跨临界制热循环时，通过稳定跨临界制热循环判据(判断co2工质是否能稳定跨临界制热循环)来控制电动调节阀ⅲ20开度使供暖回水流入稳定跨临界循环换热器15，从而使供暖回水按需加热压缩机入口前端的co2工质，一方面可以最大限度地提高压缩机入口co2工质的吸气温度、吸气压力以及吸气质量流量，压缩机排气温度和排气压力随之上升至临界状态点以上，从而确保co2工质进行跨临界热力循环，提高系统运行稳定性；另一方面，可进一步提高低温工况的制热性能，使系统具有较好的低温性能；同时，在不额外耗能的前提下防止压缩机内润滑油温度过低以及避免压缩机停机时制冷剂迁移。

11、进一步地，在蒸发器4入口前端设置一个升温增效换热器7，然后经支路ⅱ11将供暖回水输送至升温增效换热器7以适度加热蒸发器4入口前co2工质，以提高蒸发温度、减缓蒸发器结霜；控制器15依据升温增效判据控制电动调节阀ⅱ21开度以按需调节流入升温增效换热器7的供暖回水流量。

12、进一步地，实时获取蒸发器4的结霜频率f、蒸发温度te、制热功率w、性能系数cop、压缩比e以及供暖回水温度ts，综合考虑低温工况下这些参数随环境温度ta下降时的变化情况来建立升温增效判据；利用在耦合变量多目标寻优方面有良好应用的粒子群算法，制热功率w、性能系数cop、压缩比e作为升温增效判据的控制目标，且分别取权重m4，m5，m6，以多目标函数{m4w,m5cop,m6e}最优来确定电动调节阀ⅱ21开度ke，从而确定所需流入升温增效换热器7的供暖回水流量qe'，以提高蒸发温度、减少蒸发器结霜频率从而提升系统在低温工况供暖的制热效率；ke是与f,te,w,cop,e,ts,ta参数相关的量，可以用函数具体表示如下：

13、ke＝f(f,te,w,cop,e,ts,ta)

14、qe'＝keqe

15、式中，qe是电动调节阀ⅱ21全开时的水流量。

16、进一步地，在低温环境下供暖，随着环境温度降低，蒸发温度随之降低，蒸发器除霜频率增加，吸气比体积增大、蒸发器吸热量减少，压缩比变大，从而导致单位制热量减少、单位耗功增加，能效比降低时，通过升温增效判据(判断蒸发器4入口前端的co2工质是否需要升温增效)来控制电动调节阀ⅱ21开度使供暖回水流入升温增效换热器7，从而使供暖回水适度加热蒸发器4入口前端的co2工质，一方面可以在不消耗额外电能的前提下，利用供暖回水的低品位热量提高蒸发器的蒸发温度和蒸发压力，另一方面蒸发温度与蒸发压力升高后蒸发器4的翅片表面温度随之提高，从而达到减缓蒸发器盘管表面结霜、降低除霜频率并延长系统运行时间的效果；同时，蒸发温度提高后系统制热系数和制热功率随之升高。

17、进一步地，在实际运行过程中，采用响应曲面法(rsm)优化流入升温增效换热器7和流入稳定跨临界循环换热器15的供暖回水流量，利用优化后的流量作为流入升温增效换热器7和流入稳定跨临界循环换热器15的最佳供暖回水流量。

18、进一步地，升温增效换热器7分别由升温增效换热器co2工质换热管8、升温增效换热器上端热水喷淋口9、升温增效换热器下端热水出口10组成；升温增效换热器co2工质换热管8采用三维内外肋形式换热管以强化换热，且供暖回水从升温增效换热器上端热水喷淋口9往下喷淋，从升温增效换热器下端热水出口10流出，co2工质与供暖回水进行逆向叉流换热；此种升温增效换热器7不仅换热性能较好，同时可防止热水静止在换热器内部结冰；稳定跨临界循环换热器15结构与升温增效换热器7相同，分别由稳定跨临界循环换热器co2工质换热管16、稳定跨临界循环换热器上端热水喷淋口17、稳定跨临界循环换热器下端热水出口18组成，两者工作原理也相同，故此换热器也具有较好的换热性能以及防冻结冰功能。

19、所述升温增效换热器7和稳定跨临界循环换热器15采用三维内外肋换热管上端喷淋叉流换热的结构形式还兼具节约成本的优点，因为采用防冻液进行防冻不仅影响换热性能，且价格昂贵。

20、进一步地，为保证供暖末端热舒适性，供暖回水温度随环境温度的降低而升高，供暖回水温度过高不仅使气冷器放热量减少还增大节流损失；因此，水温较高的供暖回水与升温增效换热器7和稳定跨临界循环换热器15的co2工质换热后气冷器入口水温被降低，有利于解决低温环境下供暖回水温度偏高导致制热量下降的难题；具体地，气冷器入口水温被降低后与气冷器co2工质进行逆流换热，气冷器co2工质出口比焓大幅度降低，气冷器中co2工质与低温供暖回水的换热效率被提升，增加气冷器的制热量；co2工质在气冷器得到充分冷凝后可减少在节流阀3中的不可逆节流损失；最终，系统的制热量和制热性能系数得到提升，从而保证co2空气源热泵供暖在低温工况稳定高效运行。

21、进一步地，一种供暖用co2空气源热泵稳定跨临界循环系统：包括压缩机1、气冷器2、节流阀3、蒸发器4、升温增效换热器7、稳定跨临界循环换热器15、电动调节阀ⅰ22、电动调节阀ⅱ21、电动调节阀ⅲ20、分水器23、控制器25、集水器29等主要部件。压缩机1、气冷器2、节流阀3、升温增效换热器7、蒸发器4以及稳定跨临界循环换热器15之间依次通过co2工质循环管路5连接；供暖回水经回水总干管24与分水器23入口连接，分水器23将供暖回水分流为三个支路，分别为支路ⅰ27、支路ⅱ11以及支路ⅲ13，分水器23与集水器29、升温增效换热器7、稳定跨临界循环换热器15分别通过支路ⅰ27、支路ⅱ11以及支路ⅲ13连接，集水器29与升温增效换热器7、稳定跨临界循环换热器15分别通过支路ⅴ28和支路ⅳ19连接，集水器29汇流支路ⅳ19和支路ⅴ28以及支路ⅰ27的回水后，集水器29出水口经支路ⅵ30与气冷器2入水口连接，供暖回水通过气冷器2加热后经供水总干管31流出向用户供热；电动调节阀ⅰ22、电动调节阀ⅱ21、电动调节阀ⅲ20分别安装在支路ⅰ27、支路ⅱ11以及支路ⅲ13上，电动调节阀ⅰ22、电动调节阀ⅱ21、电动调节阀ⅲ20与控制器25通过控制电路连接；支路ⅰ27、支路ⅱ11以及支路ⅲ13分别安装了流量传感器ⅰ26、流量传感器ⅱ12、流量传感器ⅲ14，流量传感器ⅰ26、流量传感器ⅱ12、流量传感器ⅲ14也均与控制器25连接，且并与电动调节阀ⅰ22、电动调节阀ⅱ21、电动调节阀ⅲ20结合使用，以此用来控制和检测这三个支路的供暖回水流量；

22、所述压缩机1入口、压缩机1出口、气冷器2的co2工质出口、节流阀3出口、蒸发器4入口、蒸发器4出口均安装了压力传感器和温度传感器，分水器23入口、升温增效换热器7出水口、稳定跨临界循环换热器15出水口、气冷器2进水口、气冷器2热水出口均安装了温度传感器，气冷器2热水出口和气冷器2的co2工质出口均安装了流量传感器，在蒸发器4空气入口安装了温湿度传感器，在压缩机和蒸发器上安装了智能电表以测量输入功率，流量传感器、温度传感器、压力传感器、温湿度传感器以及智能电表均与控制器25连接。

23、进一步地，控制器25采用plc控制器，由cpu模块(包括cpu芯片和存储器)、输入模块，输出模块和编程装置模块构成；输入模块能多路输入且有22个模拟量输入：压缩机吸气温度、压缩机吸气压力、压缩机排气温度、压缩机排气压力、蒸发器入口温度、蒸发器入口压力、蒸发器出口温度、蒸发器出口压力、气冷器co2工质出口温度、气冷器co2工质出口压力、气冷器co2工质出口流量、节流阀出口温度、节流阀出口压力、供暖回水温度、环境温度、气冷器进水口温度、气冷器热水出口温度、气冷器热水出口流量、压缩机输入功率、蒸发器输入功率、升温增效换热器出水口温度、稳定跨临界循环换热器出水口温度；输出模块的模拟量输出是控制电动调节阀ⅱ21开度、电动调节阀ⅲ20开度的2路标准电压信号；在编程装置模块编写升温增效判据、稳定跨临界循环判据以及粒子群算法；cpu模块接收并存储输入控制变量，以多目标函数最优完成粒子群算法运算，然后输出是控制电动调节阀ⅱ21开度、电动调节阀ⅲ20开度的2路标准电压信号。

24、本发明的有益效果是：

25、1、在低温工况随着环境温度降低，压缩机排气温度、排气压力低于临界值导致co2工质无法进行跨临界热力循环时，通过稳定跨临界循环换热器、且依据稳定跨临界循环判据使供暖回水适度加热压缩机入口前co2工质，从而提高压缩机入口co2工质的温度和比焓来确保实现co2工质进行跨临界热力循环，保证低温环境下co2空气源热泵供暖系统高效稳定运行；

26、2、在低温工况随着环境温度降低，蒸发温度降低，蒸发器除霜频率增加，吸气比体积增大、蒸发器吸热量减少时，通过升温增效换热器、且依据升温增效判据使供暖回水按需加热蒸发器入口前co2工质，从而在不额外耗能以及不影响室内热舒适性的前提下提高蒸发温度、提高制热运行时间和系统制热性能；

27、3、供暖回水与co2工质换热后气冷器入口水温被降低，增强了气冷器与供暖回水换热效率从而增加制热量，且co2工质在气冷器得到充分冷凝后可减少co2工质在节流过程中的不可逆节流损失，系统在低温工况的制热量和制热性能系数进一步得到提升。