CN101832684B - 一种制热/制冷能量平衡的co2热泵系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制热/制冷能量平衡的CO2热泵系统及其实现方法，属于热能转换和利用领域；该系统该系统包括用管路连接成一制热/制冷能量平衡回路的CO2压缩机、热水换热器、膨胀装置、冷剂分配器、空气热交换器；冷水换热器，还包括控制系统、温度传感器；其中冷水换热器与空气换热器在该回路中并联；控制系统分别与温度传感器、制冷剂分配器相连；该方法包括：预先设定冷水换热器水侧出口温度允许的温度范围；CO2热泵系统工作时，控制系统时实检测冷水换热器水侧出口处的温度；根据检测到的温度与预先设定的允许的温度范围的比较结果，控制制冷剂的流向和流量。本发明能够实现有效平衡制热/制冷量。
Description
技术领域
本发明属于热能转换和利用技术领域，它涉及天然工质CO2热泵系统。
背景技术
当今世界经济发展迅速，世界各国废气及温室气体排放量快速增加，给世界人民的生存环境带来了严重威胁。因此大力发展可再生能源和清洁能源受到了各国政府的高度重视，各国政府相继出台了对可再生能源和清洁能源的支持和扶持政策，极大地推动了新能源产业的快速发展。CO2热泵以它对环境非常友好、效率高、能量来源广泛、体积小等优点在发达国家受到政府及冷、热行业的高度重视。众多研究机构、院校、企业相继投入大量资金开发研制。传统的热泵系统如图1所示，主要由用管路连接成一回路的CO2压缩机、热水换热器、膨胀装置以及蒸发器组成。目前已有的CO2热泵系统主要分为空气源或者水源两种：空气源CO2热泵利用空气作为能量源(即蒸发器采用空气换热器)；水源CO2热泵利用水作为能量源(即蒸发器采用热水换热器)。在这里，无论是使用空气换热器，还是使用冷水换热器，通过热泵的运行在冷凝器中所能获得的制热量取决于空气源或者水源的能量，当其能量来源出现问题时，没有调节能力，即当其空气(或者冷水)流量以及稳定性出现问题时，热泵系统会损失其效率和制热、制冷能力。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种制热/制冷能量平衡的CO2热泵系统及其实现方法，本发明同时设置空气换热器和冷冻水换热器，两个换热器在CO2热泵中并联工作运行，通过制冷剂分配器，可以有效调节流经空气换热器和冷冻水换热器的流量，这样即使当空气(或者冷水)的流量以及稳定性出现问题时，通过调节制冷剂的流量分配，热泵系统也不会损失其效率和制热、制冷能力，从而能够实现有效平衡制热/制冷量。
本发明提出的一种制热/制冷能量平衡的CO2热泵系统，其特征在于，该系统包括用管路连接成一制热/制冷能量平衡回路的CO2压缩机、热水换热器、膨胀装置、冷剂分配器、空气热交换器；冷水换热器，还包括控制系统、温度传感器；其中冷水换热器与空气换热器在该回路中并联；制冷剂分配器同时与空气换热器和冷水换热器的制冷剂入口相连，所述温度传感器安装在冷水换热器水侧的出口处，所述控制系统分别与温度传感器、制冷剂分配器相连；通过控制系统调节制冷剂分配器开度，以控制流入空气换热器或冷水换热器制冷剂流量来实现不同的制热、制冷量达到制热、制冷量的平衡；或通过控制系统调节制冷剂分配器只流入空气热交换器实现单制热，或只流入冷水热交换器实现单制冷。
本发明提出采用上述装置的采用实现制热/制冷能量平衡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预先设定冷水换热器水侧出口温度允许的温度范围；
2)CO2热泵系统工作时，控制系统时实检测冷水换热器水侧出口处的温度；
3)根据检测到的温度与预先设定的允许的温度范围的比较结果，控制制冷剂的流向和流量。
本发明的特点及有益效果：通过本发明可以充分利用水源能量以及空气源中的能量，并且能够实现两者之间的互相调节，可以高效地完成制热以及制冷量的平衡.通过本发明的应用，可以提高热泵系统的效率，更充分地满足用户的需求.
附图说明
图1为传统CO2热泵系统结构及工作流程示意图；
图2为本发明的CO2热泵系统结构及工作流程示意图；
图3本发明的制冷剂分配器分配剂流量的逻辑分配关系；
图4为本发明的CO2热泵系统结构实施例及工作流程示意图；
图5为本发明的CO2收集器结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种制热/制冷能量平衡的CO2热泵系统及其实现方法，结合附图及实施例详细说明如下：
本发明中的提出的一种制热/制冷能量平衡的CO2热泵系统结构如图2所示，该系统包括用管路(图中用实线表示)连接成一制热/制冷能量平衡回路的CO2压缩机、热水换热器、膨胀装置、冷剂分配器、空气热交换器；冷水换热器，还包括控制系统、温度传感器；其中冷水换热器与空气换热器在该回路中并联；制冷剂分配器同时与空气换热器和冷水换热器的制冷剂入口相连，所述温度传感器安装在冷水换热器水侧的出口处(或安装在空气热交换器侧的出口处)，所述控制系统分别与温度传感器、制冷剂分配器相连；通过控制系统调节制冷剂分配器开度，以控制流入空气换热器或冷水换热器制冷剂流量来实现不同的制热、制冷量达到制热、制冷量的平衡；或通过控制系统调节制冷剂分配器只流入空气热交换器实现单制热，或只流入冷水热交换器实现单制冷。
本发明实现热泵对冷/热能量平衡的方法为：本发明的热泵是靠对制冷量的调整来实现冷、热量的需求平衡。由控制系统检测冷水换热器水侧出口温度传感器的温度，根据制冷侧的中点温度由控制系统调节制冷剂分配器控制流向冷水换热器的流量来实现制冷量增大或减少；
本发明提出采用上述装置的采用实现制热/制冷能量平衡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预先设定冷水换热器水侧出口温度允许的温度范围；
2)CO2热泵系统工作时，控制系统时实检测冷水换热器水侧出口处的温度；
3)根据检测到的温度与预先设定的允许的温度范围的比较结果，控制制冷剂的流向和流量，具体包括：
31)如果检测到的温度高于允许的温度范围的上限值，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向冷水换热器，冷水换热器工作，而空气换热器停止；
32)如果检测到的温度在所述允许的温度范围内，则控制系统根据检测到的温度与允许的温度范围的上限值的差值的大小调控制冷剂分配器，该差值越小，则制冷剂分配器控制流向冷水换热器的流量减小，控制流向空气换热器的流量增大；
33)如果检测到的温度等于或低于允许的温度范围的下限值，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向空气换热器，即空气换热器工作，而冷水换热器停止。
在上述方法中，还可在允许的温度范围中设置一中点温度，该中点温度可选取允许的温度范围中的任意一温度值；则上述步骤3)具体包括以下步骤：
310)如果检测到的温度高于设定的允许的温度范围的上限值，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向冷水换热器，冷水换热器工作，而空气换热器停止；
320)如果检测到的温度介于中点温度和允许的温度范围的上限值之间，则控制系统根据检测到的温度与中点温度差值的大小调控制冷剂分配器，该差值越小，则制冷剂分配器控制流向冷水换热器的流量减小，控制流向空气换热器的流量增大；
330)如果检测到的温度等于或小于设定的中点温度，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向空气换热器，即空气换热器工作，而冷水换热器停止。
图3给出了本发明的制冷剂分配器分配剂流量的逻辑分配关系；横坐标是冷水换热器水侧冷水的出口温度，纵坐标表示冷水换热器和空气换热器工作的状况.图中带有三角形的曲线为空气换热器的工作状况；带有棱形的曲线为冷水换热器的工作状况；中点温度为温度控制点5-17℃范围内的选定得任一点控制温度(图中表示的中点温度为11℃)。当冷水出口温度升高时(以中点温度)，控制系统通过调节制冷剂分配器孔径，增大流向冷水换热器的制冷剂流量，以提高热泵制冷量；反之。依次来实现对冷/热能量的应用平衡。即如果检测到的温度高于设定的上限温度值(17℃)，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向冷水换热器，冷水换热器工作，而空气换热器停止；如果检测到的温度介于中点温度和最高温度值之间，则控制系统根据检测到的温度与中点温度差值的大小调控制冷剂分配器，该差值越小，则制冷剂分配器控制流向冷水换热器的流量减小，控制流向空气换热器的流量增大；如果检测到的温度等于或小于设定的中点温度，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向空气换热器，即空气换热器工作，而冷水换热器停止。
本发明中的热泵可工作在单制热或单制冷模式，也可同时工作在制热/制冷模式。通过控制系统和制冷剂(CO2)分配器、换热器实现制热/制冷转换和制热/制冷量的平衡。目的是解决CO2热泵实际应用中制热/制冷量可控，满足用户对冷、热能量的不同需求和实现CO2热泵冷、热一体化供给，提高CO2热泵的综合利率。并且要求控制可靠、运行稳定，能满足不同环境不同场合对冷热能量的使用，从而解决用户对冷热能量需求的不平衡问题。
本发明通过控制系统调节制冷剂分配器开度控制流入空气换热器或冷水换热器制冷剂流量来实现不同的制热、制冷量；也可控制只流入空气换热器实现单制热，也可控制只流入冷水热换热器实现单制冷或制热/制冷一体化，也可调节制冷剂分配器控制不同流量制冷剂流入空气换热器和冷水换热器实现制热、制冷量的平衡。
本发明控制系统通过温度传感器可自动调节运行模式；也可通过对温度的比较分析控制系统运行在最佳状态，实现热泵系统效率最大化。
本发明系统所使用的制冷剂是R744(CO2)，最高工作压力13.5MPa，运行环境温度范围-10℃-43℃，热水出水温度范围：45℃-90℃，冷水出水温度范围：-5℃-17℃。天然工质二氧化碳不易燃烧且无毒，使用时不会对环境及人身安全造成危害；同时有效地利用并管理二氧化碳等温室气体，可以减小地球温暖化效应，改善环境。
本发明提出的另一种制热/制冷能量平衡的CO2热泵系统结构如图4所示，从图中可见，该系统的结构是在前一种结构的基础上增加了一个CO2收集器，该CO2收集器的进气口连接在所述冷水换热器和空气换热器的共同出口端；CO2收集器的出气口与CO2压缩机的输入端口相连接。
本发明将CO2收集器应用在CO2热泵系统中，可以完成气液油分离，压缩机入口处的CO2流体都是气态，还可使润滑油回到压缩机中。该CO2收集器可提高系统制热量，也可防止在环境温度较低时，压缩机排气温度过高，损坏压缩机，从而提高低环境温度时的CO2热泵性能。
上述CO2收集器的具体结构如图5所示，它为一密封圆柱壳体1，在密封圆柱壳体顶部和底部设置有进气口2和排气口3；在密封圆柱壳体内设置有带有通孔的隔板4，在密封圆柱壳体内部设置有排气管5；排气管的顶部处在隔板下方，排气管的底部与排气口相连通；在排气管上开有回液孔6和回油孔7。
上述增加CO2收集器的系统的实现制热/制冷能量平衡的方法与前一种系统的完全相同。
本发明的系统各部件的实施例说明如下：
本实施例中的各部件均采用东启科技生产的产品。其中，
CO2压缩机的额定功率为5kw，
空气换热器采用换热面积为74m2的铜管铝翅片空气换热器(换热面积74m2)；
板式换热器(换热面积2.38m2)；
膨胀装置采用DQ-EXP-1001；
本实施例中使用的制冷剂是R744(CO2)。
以上各部件均可采用传统的CO2热泵系统的其它相同部件。
本实施例的CO2收集器的容积为18.6L；
制冷剂分配器(电动调节一分二)采用DQ-CO2DIS-1；
温度传感器采用TEM-SEN-DQ-3；
控制系统采用PLC控制系统(5寸触摸屏操作、显示系统配有压力温度异常保护)1套。
控制系统中的处理器中预设有按本发明方法通过常规程序编制工具编制的控制程序。
本实施例实现热泵对冷/热能量平衡的方法包括以下步骤：
1)预先设定冷水换热器水侧出口温度允许的温度范围为5-17℃；
2)CO2热泵系统工作时，控制系统时实检测冷水换热器水侧出口处的温度；
3)根据检测到的温度与预先设定的允许的温度范围的比较结果，控制制冷剂的流向和流量，具体包括：
31)如果检测到的温度高于17℃，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向冷水换热器，冷水换热器工作，而空气换热器停止；
32)如果检测到的温度在所述允许的温度范围内，则控制系统根据检测到的温度与允许的温度范围的上限值的差值的大小调控制冷剂分配器，该差值越小，则制冷剂分配器控制流向冷水换热器的流量减小，控制流向空气换热器的流量增大；
33)如果检测到的温度等于或低于5℃，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向空气换热器，即空气换热器工作，而冷水换热器停止。
上述步骤3)也可在允许的温度范围中设置一中点温度(本实施例取11℃)，具体包括以下步骤：
310)如果检测到的温度高于17℃，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向冷水换热器，冷水换热器工作，而空气换热器停止；
320)如果检测到的温度介于11℃和17℃之间，则控制系统根据检测到的温度与11℃差值的大小调控制冷剂分配器，该差值越小，则制冷剂分配器控制流向冷水换热器的流量减小，控制流向空气换热器的流量增大；
330)如果检测到的温度等于或小于11℃，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向空气换热器，即空气换热器工作，而冷水换热器停止。
采用本实施例的结构及方法的试验效果如下：
试验条件：环境温度：干球温度：19℃；湿球温度：12℃
给水温度：15℃；热水出水温度：60℃。
压缩机出口工作压力13.5MPa，运行环境温度范围-10℃-43℃，热水出水温度范围：45℃-90℃，冷冻水出水温度范围：-5℃-17℃。
表1.制热量
| 入水温度 | 15℃ | 热水流量 | 0.466m2/H |
| 出水温度 | 60℃ | 制热量 | 24.5KW |
| 运行时间 | 1小时 | 消耗功率 | 6.44KW·H |
表2.制冷量
| 冷水换热器水侧出口初始水温度 | 19℃ | 冷水流量 | 3.2m2/H |
| 冷水换热器水侧冷水出口温度 | 5-17℃ | 制冷量 | 17.8KW |
| 运行时间 | 1小时 | 消耗功率 | 5.62KW·H |
实际运行情况描述：机组开始运行设定在单制热模式，此时机组通过空气换热器利用空气中的热量加热水，运行6分钟后机组稳定，控制系统进入自控程序，在运行到7分钟时系统检测到冷水温度19℃高于设定温度5-17℃的上限值，控制系统在2分钟时间内完成了由单制热模式向制热/制冷一体化模式的转换，转换后3分钟系统稳定。在运行到41分钟时，系统检测到冷冻出水温度已在低限值，控制系统在2分钟时间内顺利完成了由制热/制冷一体化模式向单制热模式的转换，转换后3分钟系统稳定。整个运行和转换过程稳定可靠。由运行试验可以得出CO2热泵实现制热/制冷一体化及制热/制冷能量平衡的这种方法的可行性，这种方法真正解决了冷、热一体化供给以及用户对冷热量需求的不平衡问题，实现了一机多用，极大地提高了能源利用率。
Claims (7)
1.一种制热/制冷能量平衡的CO2热泵系统，其特征在于，该系统包括用管路连接成一制热/制冷能量平衡回路的CO2压缩机、热水换热器、膨胀装置、制冷剂分配器、空气热交换器、冷水换热器，还包括控制系统、温度传感器；其中冷水换热器与空气换热器在该回路中并联；制冷剂分配器同时与空气换热器和冷水换热器的制冷剂入口相连，所述温度传感器安装在冷水换热器水侧的出口处，所述控制系统分别与温度传感器、制冷剂分配器相连；通过控制系统调节制冷剂分配器开度，以控制流入空气换热器或冷水换热器的制冷剂流量，来实现不同的制热、制冷量达到制热、制冷量的平衡；或通过控制系统调节制冷剂分配器只流入空气热交换器实现单制热，或只流入冷水热交换器实现单制冷。
2.如权利要求1所述热泵系统，其特征在于，该热泵系统还包括一个CO2收集器，该CO2收集器的进气口连接在所述冷水换热器和空气换热器的共同出口端；CO2收集器的出气口与CO2压缩机的输入端口相连接。
3.如权利要求2所述热泵系统，其特征在于，该CO2收集器为一密封圆柱壳体，在密封圆柱壳体顶部和底部设置有进气口和排气口；在密封圆柱壳体内设置有带有通孔的隔板，在密封圆柱壳体内部设置有排气管；排气管的顶部处在隔板下方，排气管的底部与排气口相连通；在排气管上开有回液孔和回油孔。
4.一种采用如权利要求1或2所述的CO2热泵系统实现制热/制冷能量平衡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预先设定冷水换热器水侧出口温度允许的温度范围；
2)CO2热泵系统工作时，控制系统时实检测冷水换热器水侧出口处的温度；
3)根据检测到的温度与预先设定的允许的温度范围的比较结果，控制制冷剂的流向和流量；
所述的步骤3)具体包括：
31)如果检测到的温度高于允许的温度范围的上限值，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向冷水换热器，冷水换热器工作，而空气换热器停止；
32)如果检测到的温度在所述允许的温度范围内，则控制系统根据检测到的温度与允许的温度范围的上限值的差值的大小调控制冷剂分配器，该差值越小，则制冷剂分配器控制流向冷水换热器的流量减小，控制流向空气换热器的流量增大；
33)如果检测到的温度等于或低于允许的温度范围的下限值，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向空气换热器，即空气换热器工作，而冷水换热器停止。
5.一种采用如权利要求1或2所述的CO2热泵系统实现制热/制冷能量平衡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预先设定冷水换热器水侧出口温度允许的温度范围；
2)CO2热泵系统工作时，控制系统时实检测冷水换热器水侧出口处的温度；
3)根据检测到的温度与预先设定的允许的温度范围的比较结果，控制制冷剂的流向和流量；
还包括在允许的温度范围中设置一中点温度，所述步骤3)具体包括以下步骤：
310)如果检测到的温度高于设定的允许的温度范围的上限值，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向冷水换热器，冷水换热器工作，而空气换热器停止；
320)如果检测到的温度介于中点温度和允许的温度范围的上限值之间，则控制系统根据检测到的温度与中点温度差值的大小调控制冷剂分配器，该差值越小，则制冷剂分配器控制流向冷水换热器的流量减小，控制流向空气换热器的流量增大；
330)如果检测到的温度等于或小于设定的中点温度，则控制系统控制制冷剂分配器，使制冷剂全部流向空气换热器，即空气换热器工作，而冷水换热器停止。
6.如权利要求4或5所述方法，其特征在于，所述的设定的允许的温度范围为5-17℃。
7.如权利要求5所述方法，其特征在于，该中点温度选取所述允许的温度范围中的任意一温度值。
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