CN102494379A - 带有自限温电热带的跨临界co2热泵空调系统 - Google Patents

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吕静
杨杰
张松波
刘康
卢慧霞
王金雨
周嘉伟
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Abstract

本发明涉及一种带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统，CO2压缩机经第一四通阀后连接室内换热器（夏季连接室外换热器），第二四通阀，节流阀，室外换热器（夏季连接室内换热器），储液器形成循环回路；冬季热水循环回路和夏季热水循环回路包括室，内外换热器，第一，二三通阀，截止阀、水泵、贮水箱。冬季贮水箱中的水经水泵、截止阀、第一三通阀、室内换热器、第二三通阀流回水箱，形成一个加热水循环回路，贮水箱另一侧则分别补给冷水及向用户提供所需供暖、生活热水。夏季贮水箱中的水经水泵、截止阀、第一三通阀、室外换热器、第二三通阀流回水箱，形成一个加热水循环回路，贮水箱另一侧则分别补给冷水及向用户提供所需的生活热水。

Description

带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统
技术领域
本发明涉及一种跨临界CO2热泵空调，尤其是一种采用自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统。
背景技术
自限温电热带的核心发热元件是具有正温度系数(PTC)特性的高分子自控导电塑料，其由塑料加导电碳粒构成,当给平行母线通电时,碳粒就在两条平行母线间形成回路。在伴热线内，两条平行母线之间的电流随温度而变化。当伴热线周围的温度下降时，导电塑料产生多段分子的收缩而使碳粒连接形成电路，其内电流使伴热线发热。当温度升高时，导电塑料产生微分子的膨胀，碳粒逐渐分开而使电路中断，电阻上升，伴热线就会自动减少功率输出。自限温电电热带在各个区段能即时调整功率，自动跟踪按需供热，使管温处处、时时均匀同步，无过热点也无过低点。此外，自限温电热带的特点是在低温时输出功率最大（一般产品的标称功率为几十到上百瓦），而当稳态（在维持温度点）时，其功率输出接近于零。
自限温电热带广泛用于石油、化工、机械、航空、航天、军工、电力、食品(保鲜设备、生物发酵)、船舶、建筑(地热)、医药(制药和保健品)。海上平台、铁路机车、消防城建、涂料业、纸浆及纸制品、公用事业设备等领域外。在近年新兴的太阳能领域中起到冬季防止冻堵保证太阳能一年四季正常使用。
挪威NTNU—SINTEF实验室关于二氧化碳热泵热水器试验表明：在供热量一定的情况下，系统的制热系数（气体冷却器散热量与压缩机的输入功之比）随蒸发温度的上升而提高。蒸发温度不宜过低，当蒸发温度为0℃，热水从60℃上升到80℃时，制热COP相应从4.3降至3.6。此外，在蒸发温度一定的情况下，随着供热温度需求的升高，制热系数下降。
因此，需要将节能环保的自限温电热带应用于跨临界CO2热泵循环中，同时将其用于储水箱的保温中，用于能够改善跨临界CO2热泵循环的整体性能，提高系统的制热系数。
发明内容
本发明是要提供一种带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统，将自限温电热带应用于跨临界二氧化碳热泵空调系统中，从而提高系统性能，节约能源，节省空间，使之成为集热泵空调、热水器于一体的环保节能、结构紧凑的跨临界CO2热泵空调系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统，由跨临界CO2热泵循环系统、冬季热水循环回路和夏季热水循环回路组成，其特点是：跨临界CO2热泵循环系统包括CO2压缩机、第一，二四通阀、室内换热器、节流阀、室外换热器、 储液器，CO2压缩机经第一四通阀后连接室内换热器或夏季连接室外换热器，第二四通阀，节流阀，室外换热器或夏季连接室内换热器，储液器形成循环回路；冬季热水循环回路和夏季热水循环回路包括室，内外换热器，第一，二三通阀，截止阀、水泵、贮水箱，冬季贮水箱中的水经水泵、截止阀、第一三通阀、室内换热器、第二三通阀流回水箱，形成一个加热水循环回路，贮水箱另一侧则分别补给冷水及向用户提供所需供暖、生活热水；夏季贮水箱中的水经水泵、截止阀、第一三通阀、室外换热器、第二三通阀流回水箱，形成一个加热水循环回路，贮水箱另一侧则分别补给冷水及向用户提供所需的生活热水。
贮水箱的箱体外侧敷设自限温电热带。室外换热器的进水管外部敷设自限温电热带。贮水箱和室外换热器内分别设有温度传感器的感应触头，温度传感器信号输出端经温控器连接自限温电热带。
本发明的有益效果是；本发明采用自限温电热带应用在系统的两个部分，一部分是将电热带敷设在贮水箱的外部，另一部则是将电热带敷设在室外换热器的水循环进水管管路外侧。
室外换热器（冬季为蒸发器）冷冻水管外侧的自限温电热带，使跨临界CO2热泵系统冬季运行时冷冻水保持蒸发所需的温度，保证系统运行的高效；冬季室外恶劣工况下可以防止蒸发器循环水的冰冻。在室外换热器冷冻水外侧敷设自限温电热带，一方面使蒸发温度维持在最佳状态，防止制热系数的下降，另一方面也使系统可以满足用户较高的温度要求，而不至效率下降，从整体上提高了系统的运行效率。此外，寒冷地区冬季室外温度低于0℃，水的冰点为0℃，在室外换热器冷冻水管外侧敷设自限温电热带，防止了冷冻水的结冰现象，保证了此系统在冬季严寒地区也能够正常使用。
贮水箱外侧的电热带使生活热水一年四季可以达到即开即用的效果，同时冬季在房间负荷变化时随时补充房间所需循环热水。电热带减少循环管路的热损失，节约维持热水系统正常运转所需能源，选用合理的控制器，可节约高达50%的能源。
因此，本发明将节能环保的自限温电热带应用于跨临界CO2热泵循环中，同时将其用于储水箱的保温中，能够改善跨临界CO2热泵循环的整体性能，提高系统的制热系数。此外，增设的保温水箱和自限温电热带的特性，可以大大节省了生活热水所耗费的电能。因此，带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统能够实现夏季制冷、冬季供暖和全年供应热水的功能，是一个结构紧凑、环保、节能、高效的系统。
附图说明
图1是本发明的系统结构原理图；
图2是室外换热器结构示意图；
图3是贮水箱结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统由冬季水循环，夏季水循环和跨临界CO2热泵循环三个独立的循环管路组成。
夏季水循环管路由室外换热器6，第一，二三通阀8，12，截止阀9、水泵10、贮水箱11组成。截止阀9开启，储存在贮水箱11的冷水经水泵10，由三通阀8的ac端流出，冷水流经室外换热器6（夏季为气冷器）吸收气冷器放出的热量，流经第一三通阀12的ac端，热水流入并储存在贮水箱11中，根据用户需求向用户提供生活热水，贮水箱11下层冷水则流经第一三通阀8的ac端，在室外换热器6（夏季为气冷器）中进行循环加热，如此循环往复。
冬季热水循环管路由室内换热器3，第一，二三通阀8，12，截止阀9、水泵10、贮水箱11组成，冷水储存在贮水箱11中，截止阀9开启，贮水箱11中的冷水经水泵10由第一三通阀8的ab端流出，冷水流经室内换热器3（冬季为气冷器）吸收热量，流经第二三通阀12的ab端，热水流入并储存在贮水箱11中，根据生活热水和供热需求，向用户提供热水，水箱下层冷水则流经第一三通阀8的ab端，在气冷器中进行循环加热，如此往复循环。
跨临界CO2热泵循环系统由CO2压缩机1、第一，二四通阀2、4、室内换热器3、节流阀5、室外换热器6、 储液器7组成。冬季运行时，对于CO2热泵循环系统，第一过程CO2气体被压缩为高温高压的流体，经过第一四通阀2的d、b通道，进入室内换热器3（冬季为气冷器）；第二过程在气冷器内完成，CO2被冷却，水被加热；被气冷器冷却后的CO2流过第二四通阀4的a、c通道，第三为节流过程，CO2被节流降压成液体，节流后的液体进入室外换热器6（冬季为蒸发器）；第四过程在蒸发器中完成，液态CO2吸热蒸发。流出蒸发器的CO2经过四通阀2的a、c通道进入气液分离器7，最后回到压缩机1，如此往复循环。
夏季运行时，对于CO2制冷循环系统， 第一过程CO2气体被压缩为高温高压的流体，经过第一四通阀2的d、a通道，进入室外换热器6（夏季为气冷器）；在气冷器中CO2被冷却，水被加热；被气冷器冷却后的CO2流过第二四通阀4的d、b通道，第二为节流过程，CO2被节流降压成液体，节流后的液体进入室内换热器3（夏季为蒸发器）；第三过程在蒸发器中完成，液态CO2吸热蒸发。流出蒸发器的CO2经过第一四通阀2的b、c通道进入气液分离器7，最后回到压缩机1，如此往复循环。
如图2，3所示，将自限温电热带应用在系统的两个部分，一部分是将电热带敷设在贮水箱的外部，另一部则是将电热带敷设在室外换热器的水循环管路的进水管外部。
由于自限温电热带外形扁平，便于与管道接触。根据换热量计算得电热带所需长度，由所缠绕位置及缠绕面积确定其缠绕间隔，如图2.、3所示，将自限温电热带分别均匀间隔地缠绕在室外换热器6进水管和贮水箱11的外侧。室外换热器6采用壳管式，CO2在管侧流动，水则在壳侧流动，在室外换热器6的水侧进水管外部均匀间隔地缠绕电热带，如图2所示。自限温电热带可用粘性胶带贴紧在贮水箱11和室外换热器6的进水管的表面，并且采用保温层将换热带和壁面包裹与外界进行隔热处理。所需自限温电热带的长度及布置，要根据所需换热量、加热时间及换热器、贮水箱的具体情况进行热力学和尺寸计算进行确定。
本发明中使用温控器C对自限温电热带进行开关的控制。将温控器C的温度传感器T的感应触头14分别设置在室外换热器6和贮水箱11壳体内然后与壳体一起包裹在保温层内，温控器C另一端则与自限电热带13相连，当所测温度降低到设定温度以下，则启动自限电热带13；当所测温度升高到设定温度上限，则关闭自限电热带13。

Claims (4)

1.一种带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统，由跨临界CO2热泵循环系统、冬季热水循环回路和夏季热水循环回路组成，其特征在于：所述跨临界CO2热泵循环系统包括CO2压缩机(1)、第一，二四通阀(2、4)、室内、外换热器(3，6)、节流阀(5)、室外换热器(6)、 储液器(7)，CO2压缩机(1)经第一四通阀后依次连接室内换热器(3)或夏季连接室外换热器（6），第二四通阀，节流阀（5），室外换热器(6)或夏季连接室内换热器（3），储液器(7)形成循环回路；冬季热水循环回路和夏季热水循环回路包括室，内外换热器(3，6)，第一，二三通阀(8，12)，截止阀(9)、水泵(10)、贮水箱(11)；冬季贮水箱（11）中的水经水泵（10）、截止阀（9）、第一三通阀（8）、室内换热器（3）、第二三通阀（12）流回水箱（11），形成一个加热水循环回路，贮水箱（11）另一侧则分别补给冷水及向用户提供所需供暖、生活热水；夏季贮水箱（11）中的水经水泵（10）、截止阀（9）、第一三通阀（8）、室外换热器（6）、第二三通阀（12）流回水箱（11），形成一个加热水循环回路，贮水箱（11）另一侧则分别补给冷水及向用户提供所需的生活热水。
2.根据权利要求1所述的带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统，其特征在于：所述贮水箱(11)的箱体外侧敷设自限温电热带（15）。
3.根据权利要求1所述的带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统，其特征在于：所述室外换热器（6）的进水管外部敷设自限温电热带（15）。
4.根据权利要求1所述的带有自限温电热带的跨临界CO2热泵空调系统，其特征在于：所述贮水箱(11)和室外换热器（6）内分别设有温度传感器（T）的感应触头（16），温度传感器（T）信号输出端经温控器（C）连接自限温电热带（15）。
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