CN101881527B - 一种可调节式串联co2热泵循环装置与循环方法 - Google Patents

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本发明公开了一种可调节式串联CO2热泵循环装置，包括顺次连接的一个节流阀、一个蒸发器和一个压缩机，压缩机与节流阀之间串联有第一冷凝器和第二冷凝器后形成一循环回路，循环工质采用CO2气体；第一冷凝器连接到自来水系统，第二冷凝器连接到空调系统，第一冷凝器的进水口与第二冷凝器的出水口之间设有第五阀门；第一冷凝器的出水口与第二冷凝器的出水口之间设有第六阀门；蒸发器连接到一换热系统，第二冷凝器与换热系统之间连接有第一旁支路和第二旁支路；蒸发器与空调系统之间连接有第三旁支路和第四旁支路，第一、二、三和四旁支路上分别设置阀门。通过设置各阀门的通止状态，可以实现传统空调的制冷供暖及生活热水，能广泛应用于住宅、生产中。

Description

一种可调节式串联CO2热泵循环装置与循环方法
技术领域
本发明涉及一种热泵循环方式，尤其涉及一种可调节式串联CO2热泵循环系统。
背景技术
能源和环境问题是当代人类面临的两个重大社会问题。能源是促进经济发展的动力，是人类社会发展的物质基础。但随着世界经济和人口的迅速增长，能源消耗急剧增加。能源的过度开发与消费累计的效应，产生了制约经济发展和影响人类生存的环境问题，温室气体的排放所引起的气候变化已对全球生态和人类社会发展构成了严重挑战。温室效应以及臭氧层破坏等已成为制约我国经济协调稳定发展的重要环境因素。建筑耗能对温室气体的排放有着重要的影响。以日本为例，在所有温室气体相当于CO2的排放量中，建设业占41.3％，其中建筑业占32.9％。在建筑能耗中，采暖和空调占主要比例，一般为50％～70％，所以空调节能，及循环方式的改进，对能源发展和环境有着重要的影响。
目前，所使用的空调系统中，采用传统循环方式，由一个冷凝器、一个蒸发器、一个压缩机、一个节流阀组成，仅是实现建筑的制冷与供暖功能。并且家庭用生活热水大部分均由环境温度开始采用电加热或燃气加热方式获得，大大消耗高品质能源、一次能源。此外，传统空调所使用的人工制冷剂，对温室效应以及臭氧层的破坏都有着不良的影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种可调节式串联CO2热泵循环装置与循环方式，该循环系统不仅可以实现传统空调的制冷供暖功能，还可以加热生活热水，将自来水从环境温度(一般为15℃)加热到80℃，可以满足一般热水需求，如洗浴等。如需更高温度，可再通过其他方式(如电加热、燃气加热等)。可以减少高品质能源的消耗，最终达到节能减排的目的。此外，选择一种适用的自然工质CO2，替代高GWP(全球变暖潜能值)或高ODP(臭氧潜能值)人工工质，如：R11、R22等氟利昂的系列卤代烃化合物，而天然工质的最大优点在于其GWP值及ODP值约为0，不会对环境造成危害，并具有优良热力性能及经济性，从而达到减少对温室效应、臭氧层破坏的影响。
为了解决上述技术问题，本发明可调节式串联CO2热泵循环装置予以实现的技术方案是：该循环装置包括顺次连接的一个节流阀、一个蒸发器和一个压缩机，所述压缩机与所述节流阀之间串联有第一冷凝器和第二冷凝器后形成一循环回路，循环工质采用CO2气体；所述第一冷凝器连接到自来水系统，所述第一冷凝器与自来水系统之间设置有第一进水阀门和第一出水阀门；所述第二冷凝器连接到空调系统，所述第二冷凝器与空调系统之间设置有第二进水阀门和第二出水阀门；所述第一冷凝器的进水口与所述第二冷凝器的出水口之间设有第五阀门；所述第一冷凝器的出水口与所述第二冷凝器的出水口之间设有第六阀门；所述蒸发器连接到一换热系统，所述换热系统与所述蒸发器之间设置有第三进水阀门和第三出水阀门；所述第二冷凝器的出水口与所述换热系统的出水口相连形成第一旁支路，所述第二冷凝器的进水口与所述换热系统的进水口相连形成第二旁支路，所述第一旁支路和第二旁支路上分别设置第七阀门和第八阀门；所述蒸发器的进水口与所述空调系统的出水口相连形成第三旁支路，所述蒸发器的出水口与所述空调系统的进水口相连形成第四旁支路，所述第三旁支路和第四旁支路上分别设置第九阀门和第十阀门。
利用上述热泵循环装置通过控制各阀门的状态以实现供暖或制冷循环，其中：
实现供暖工况的步骤如下：(1-1)开启该循环装置之前，各阀门的状态是：所述第一进水阀门、第一出水阀门、第二进水阀门、第二出水阀门、第三进水阀门以及第三出水阀门均为开启状态；所述第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门和第十阀门均为关闭状态；开启该循环装置；(1-2)控制第一冷凝器将自来水从室温加热到80℃，并将所产生的热水存储到一水箱中；与此同时，控制第二冷凝器将空调系统的循环水从室温加热到55℃；(1-3)当水箱满时，关闭第一进水阀门和第一出水阀门，开启第五阀门和第六阀门，从而同时利用串联的第一冷凝器和第二冷凝器加热空调循环水；当水箱水位到达一设定的最低极限值时，重新开启第一进水阀门和第一出水阀门，并关闭第五阀门和第六阀门；(1-4)是否结束工作，若F，返回上述步骤(1-2)；若T，关闭循环装置；
实现制冷工况的步骤如下：(2-1)开启该循环装置之前，各阀门的状态是：所述第一进水阀门、第一出水阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门和第十阀门为开启状态，第二进水阀门、第二出水阀门、第三进水阀门、第三出水阀门、第五阀门和第六阀门均为关闭状态，然后，开启该循环装置；(2-2)控制第一冷凝器将自来水从室温加热到80℃，并将所产生的热水存储到一水箱中；与此同时，控制蒸发器将空调系统的循环水从室温冷却到7℃；(2-3)当水箱满时，关闭第一进水阀门和第一出水阀门，开启第五阀门和第六阀门，从而同时利用串联的第一冷凝器和第二冷凝器加热换热器循环水；当水箱水位到达一设定的最低极限值时，重新开启自来水系统与第一冷凝器之间的第一进水阀门和第一出水阀门，并关闭第五阀门和第六阀门；(2-4)是否结束工作，若F，返回上述步骤(2-2)；若T，关闭循环装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)由于本发明热泵循环装置采用的是两个串联的冷凝器。在供暖工况下，两个冷凝器分别为热水冷凝器和空调冷凝器，其中，热水冷凝器主要是将自来水从室温(如15℃)加热到80℃，产生的热水可以储存在水箱供生活热水。而空调冷凝器则向室内供暖，并可以将循环水从室温(如15℃)加热到55℃，在制冷工况下，热水冷凝器同上所述，蒸发器则与空调系统相连，将空调系统的循环水从室温冷却到7℃。由本发明循环装置与循环方式构成的循环系统既可满足自来水供水系统中生活热水的需要，又可实现空调系统的制冷供暖功能。
(2)本发明循环系统中采用自然工质CO2作为循环工质，该工质易于获得，使用方便，安全可靠。而且可以回收再利用工厂排放的CO2，从而达到减少对温室效应、臭氧层破坏的影响。
(3)本发明循环系统能广泛应用于目前的空调系统中。
附图说明
附图是本发明可调节式串联CO2热泵循环系统的示意图。
图中：
1——节流阀           2——蒸发器           3——压缩机
4——第一冷凝器       41——第一进水阀门    42——第一出水阀门
5——第二冷凝器       51——第二进水阀门    52——第二出水阀门
45——第五阀门        46——第六阀门        8——换热系统
81——第三进水阀门    82——第三出水阀门    83——第七阀门
84——第八阀门        85——第九阀门        86——第十阀门
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如附图所示，本发明一种可调节式串联CO2热泵循环装置，包括顺次连接的一个节流阀1、一个蒸发器2和一个压缩机3，所述压缩机3与所述节流阀1之间串联有第一冷凝器4和第二冷凝器5后形成一循环回路，循环工质采用CO2气体；所述第一冷凝器4连接到自来水系统6，所述第一冷凝器4与自来水系统6之间设置有第一进水阀门41和第一出水阀门42；所述第二冷凝器5连接到空调系统7，所述第二冷凝器5与空调系统7之间设置有第二进水阀门51和第二出水阀门52；所述第一冷凝器4的进水口与所述第二冷凝器5的出水口之间设有第五阀门45；所述第一冷凝器4的出水口与所述第二冷凝器5的出水口之间设有第六阀门46；所述蒸发器2连接到一换热系统8，所述换热系统8与所述蒸发器2之间设置有第三进水阀门81和第三出水阀门82.
所述第二冷凝器5的出水口与所述换热系统8的出水口相连形成第一旁支路，所述第二冷凝器5的进水口与所述换热系统8的进水口相连形成第二旁支路，所述第一旁支路和第二旁支路上分别设置第七阀门83和第八阀门84；所述蒸发器2的进水口与所述空调系统7的进水口相连形成第三旁支路，所述蒸发器2的出水口与所述空调系统7的出水口相连形成第四旁支路，所述第三旁支路和第四旁支路上分别设置第九阀门85和第十阀门86。
利用上述热泵循环装置实现可调节式串联CO2热泵循环的步骤是：
在供暖工况下，
(1-1)开启该循环装置之前，各阀门的状态是：所述第一进水阀门41、第一出水阀门42、第二进水阀门51、第二出水阀门52、第三进水阀门81以及第三出水阀门82均为开启状态；所述第五阀门45、第六阀门46、第七阀门83、第八阀门84、第九阀门85和第十阀门86均为关闭状态；开启该循环装置；
(1-2)控制第一冷凝器4将自来水从室温15℃加热到80℃，并将所产生的热水存储到一水箱中；与此同时，控制第二冷凝器5将空调系统的循环水从室温15℃加热到55℃；
(1-3)当水箱满时，关闭第一进水阀门41和第一出水阀门42，开启第五阀门45和第六阀门46，从而同时利用串联的第一冷凝器4和第二冷凝器5加热空调循环水；当水箱水位到达一设定的最低极限值时，重新开启第一进水阀门41和第一出水阀门42，并关闭第五阀门45和第六阀门46；
(1-4)是否结束工作，若F，返回上述步骤(1-2)；若T，关闭循环装置；
在制冷工况下，
(2-1)开启该循环装置之前，各阀门的状态是：所述第一进水阀门41、第一出水阀门42、第七阀门83、第八阀门84、第九阀门85和第十阀门86为开启状态，第二进水阀门51、第二出水阀门52、第三进水阀门81、第三出水阀门82、第五阀门45和第六阀门46均为关闭状态，然后，开启该循环装置；
(2-2)控制第一冷凝器4将自来水从室温15℃加热到80℃，并将所产生的热水存储到一水箱中；与此同时，控制蒸发器2将空调系统的循环水从室温15℃冷却到7℃；
(2-3)当水箱满时，关闭第一进水阀门41和第一出水阀门42，开启第五阀门45和第六阀门46，从而同时利用串联的第一冷凝器4和第二冷凝器5加热换热器循环水；当水箱水位到达一设定的最低极限值时，重新开启自来水系统与第一冷凝器4之间的第一进水阀门41和第一出水阀门42，并关闭第五阀门45和第六阀门46；
(2-4)是否结束工作，若F，返回上述步骤(2-2)；若T，关闭循环装置。
当然，完成上述循环过程，与循环系统配套的设有一些诸如温度传感器、水位传感器等控制部件，至于这些控制部件的选型、连接关系等是本领域内公知的常识，本领域内普通技术人员在本发明循环系统所能实现的循环方式的启发下，均无需付出创造性的劳动即可获得。还有，对于节流阀1的开启程度一般是视水压(水流)而定，这是毋庸置疑的。
本发明循环系统既可满足生活热水的需要，又可实现制冷供暖功能。其中，第一冷凝器作为供应热水的冷凝器，第二冷凝器则作为提供人工环境的空调冷凝器，为室内供暖。产生的热水可以储存在水箱供生活热水，当储水箱满时，可通过有关阀门的开闭，使两个串联的冷凝器共同作用于室内空调。此外可以将企业中排放的CO2回收再利用，作为热泵的循环工质。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种可调节式串联CO2热泵循环装置，包括顺次连接的一个节流阀(1)、一个蒸发器(2)和一个压缩机(3)，其特征在于，
所述压缩机(3)与所述节流阀(1)之间串联有第一冷凝器(4)和第二冷凝器(5)后形成一循环回路，循环工质采用CO2气体；
所述第一冷凝器(4)连接到自来水系统(6)，所述第一冷凝器(4)与自来水系统(6)之间设置有第一进水阀门(41)和第一出水阀门(42)；
所述第二冷凝器(5)连接到空调系统(7)，所述第二冷凝器(5)与空调系统(7)之间设置有第二进水阀门(51)和第二出水阀门(52)；
所述第一冷凝器(4)的进水口与所述第二冷凝器(5)的出水口之间设有第五阀门(45)；
所述第一冷凝器(4)的出水口与所述第二冷凝器(5)的出水口之间设有第六阀门(46)；
所述蒸发器(2)连接到一换热系统(8)，所述换热系统(8)与所述蒸发器(2)之间设置有第三进水阀门(81)和第三出水阀门(82)；
所述第二冷凝器(5)的出水口与所述换热系统(8)的出水口相连形成第一旁支路，所述第二冷凝器(5)的进水口与所述换热系统(8)的进水口相连形成第二旁支路，所述第一旁支路和第二旁支路上分别设置第七阀门(83)和第八阀门(84)；
所述蒸发器(2)的进水口与所述空调系统(7)的出水口相连形成第三旁支路，所述蒸发器(2)的出水口与所述空调系统(7)的进水口相连形成第四旁支路，所述第三旁支路和第四旁支路上分别设置第九阀门(85)和第十阀门(86)。
2.一种可调节式串联CO2热泵循环方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的一种可调节式串联CO2热泵循环装置通过控制各阀门的状态以实现供暖或制冷循环，其中：
实现供暖工况的步骤如下：
(1-1)开启该循环装置之前，各阀门的状态是：所述第一进水阀门(41)、第一出水阀门(42)、第二进水阀门(51)、第二出水阀门(52)、第三进水阀门(81)以及第三出水阀门(82)均为开启状态；所述第五阀门(45)、第六阀门(46)、第七阀门(83)、第八阀门(84)、第九阀门(85)和第十阀门(86)均为关闭状态；开启该循环装置；
(1-2)控制第一冷凝器(4)将自来水从室温加热到80℃，并将所产生的热水存储到一水箱中；与此同时，控制第二冷凝器(5)将空调系统的循环水从室温加热到55℃；
(1-3)当水箱满时，关闭第一进水阀门(41)和第一出水阀门(42)，开启第五阀门(45)和第六阀门(46)，从而同时利用串联的第一冷凝器(4)和第二冷凝器(5)加热空调循环水；当水箱水位到达一设定的最低极限值时，重新开启第一进水阀门(41)和第一出水阀门(42)，并关闭第五阀门(45)和第六阀门(46)；
(1-4)是否结束工作，若F，返回上述步骤(1-2)；若T，关闭循环装置；
实现制冷工况的步骤如下：
(2-1)开启该循环装置之前，各阀门的状态是：所述第一进水阀门(41)、第一出水阀门(42)、第七阀门(83)、第八阀门(84)、第九阀门(85)和第十阀门(86)为开启状态，第二进水阀门(51)、第二出水阀门(52)、第三进水阀门(81)、第三出水阀门(82)、第五阀门(45)和第六阀门(46)均为关闭状态，然后，开启该循环装置；
(2-2)控制第一冷凝器(4)将自来水从室温加热到80℃，并将所产生的热水存储到一水箱中；与此同时，控制蒸发器(2)将空调系统的循环水从室温冷却到7℃；
(2-3)当水箱满时，关闭第一进水阀门(41)和第一出水阀门(42)，开启第五阀门(45)和第六阀门(46)，从而同时利用串联的第一冷凝器(4)和第二冷凝器(5)加热换热器循环水；当水箱水位到达一设定的最低极限值时，重新开启自来水系统与第一冷凝器(4)之间的第一进水阀门(41)和第一出水阀门(42)，并关闭第五阀门(45)和第六阀门(46)；
(2-4)是否结束工作，若F，返回上述步骤(2-2)；若T，关闭循环装置。
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