CN102620476A - 太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，包括压缩机、室内换热器、、室外换热器、生活水箱换热器、回热器、四通换向阀、节流转换系统和太阳能集热系统，太阳能集热系统包括太阳能集热器和制冷剂-水换热器或太阳能集热系统包括太阳能集热/蒸发器。本发明采用了非常简洁和经济可靠的方式将跨临界二氧化碳热泵系统和热水器结合在一起，充分利用太阳能，特别适用于太阳能丰富，尤其同时需要冷暖空调和大量高温热水供应的场合。本发明提高能源利用率和设备的使用率，减轻环境污染。

Description

太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统

技术领域

本发明属于热泵型空调、热泵热水器以及热能利用领域，尤其涉及一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统。

背景技术

太阳能辅助热泵是利用太阳能集热系统将太阳能补充到热泵蒸发器侧，提高蒸发温度来实现更高效地供热。太阳能集热系统与空气源跨临界二氧化碳循环系统相结合的综合利用太阳能-空气源的跨临界二氧化碳热泵热水与空调系统，不仅可实现热泵型空调器的制冷、制热功能，还可回收冷凝热，向用户提供高温热水。

二氧化碳是地球生物圈的组成物质之一，它无毒、无臭、无污染、不爆不燃无腐蚀，破坏臭氧层潜能ODP＝0，温室效应潜能值WGP＝1；物理化学稳定性好；单位容积制冷量大，有利于减少装置容积；在超临界条件下，它的流动传热性能好；此外，二氧化碳容易获取，价格低廉，不需要回收。因此，许多研究者认为二氧化碳将是“21世纪最具前景的制冷剂”。

但由于二氧化碳的临界温度只有31℃，处于常温范围，所以通常采用跨临界循环。在二氧化碳跨临界循环中，压缩机的排气温度比较高，一般会在80℃以上，并且二氧化碳的放热过程在超临界压力下进行，因此有较大温度滑移，这个特性特别适合提供高温热水。

虽然公开号为CN102183104A的专利提出了一种间膨式太阳能辅助多功能热泵系统，该热泵系统包括制冷剂循环系统和太阳能集热系统，制冷剂循环系统具有依次连接的压缩机、室内外换热器、制冷剂-水换热器和太阳能集热器。但该热泵系统若采用二氧化碳作为制冷剂，性能较低，特别是在运行普通制冷和普通制冷兼热泵制热水两种功能模式时。为使得此种系统可较好的使用二氧化碳作为制冷剂，解决方案之一为在此系统的基础上增加回热器。为保证太阳能辅助二氧化碳多功能热泵系统的可靠性，回热器的设置方式尤为重要。

将带有冷凝盘管的生活水箱换热器和其它换热器组合，同时作为二氧化碳回路的冷凝器，利用压缩机排气中的那部分高温显热来制取高温水。本发明可通过普通室内制冷+制热水、制热水、太阳能辅助制热水、双热源制热水四种工作流程制取高温水，不仅能保证热水的温度，还可减小空调对环境的不良影响，提高能源的利用率。

太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统根据太阳能集热系统的不同可分为直膨式和间膨式两种。在间膨式系统中，太阳能集热器中的集热介质为水，利用太阳能辐射热加热水箱中的热水，并可在不需生活热水时将太阳能集热器水箱中的热水间接作为多功能热泵的蒸发器热源。在直膨式系统中，制冷剂作为太阳能集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝热释放给加热物体，可提高集热效率，但不能像间膨式系统一样，直接利用太阳能辐射热制取生活热水。

发明内容

本发明提供了一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，该系统保证了生活用水的温度保持相对稳定，使得太阳能与热泵技术的结合更加贴近实际生活的要求；特别适用于太阳能资源丰富，同时需要冷暖空调和热水供应的场合，具有良好的应用前景。

一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，包括压缩机、第一四通换向阀、第二四通换向阀、室内换热器、室外换热器、回热器、生活水箱换热器的冷凝盘管、太阳能集热系统以及节流转换系统；

其中，所述的压缩机的出口与第一四通换向阀的第一端口之间通过生活水箱换热器的冷凝盘管或第四截止阀连通，压缩机的进口与回热器的第三端口相连；所述的第一四通换向阀的第二端口与室外换热器的第二端口相连，第一四通换向阀的第四端口与第二四通换向阀的第一端口相连；所述的第二四通换向阀的第二端口与室内换热器的第一端口相连；所述的回热器的第四端口分别与第一四通换向阀的第三端口和第二四通换向阀的第三端口相连；所述的第二四通换向阀的第四端口与所述太阳能集热系统的第一端口相连；其中，回热器的第三端口与第四端口连通，回热器的第一端口与第二端口连通；

所述的节流转换系统包括三条节流支路，三条节流支路分别为第一节流支路、第二节流支路和第三节流支路：第一节流支路由依次串联设置的第一截止阀和第一节流元件组成，第一节流元件的第一端口与第一截止阀的第二端口相连，第一节流元件的第二端口分别与第一单向截止阀的进口端和室内换热器的第二端口相连；第二节流支路由依次串联设置的第二截止阀和第二节流元件组成，第二节流元件的第一端口与第二截止阀的出口端相连，第二节流元件的第二端口分别与第二单向截止阀的进口端和室外换热器的第一端口相连；第三节流支路由依次串联设置的第三截止阀和第三节流元件组成，第三节流元件的第一端口与第三截止阀的第二端口相连；室内换热器的第二端口与第二节流元件的第二端口相连，室外换热器的第一端口与第三节流元件的第二端口相连，太阳能集热系统的第二端口与第三节流元件的第二端口相连。

所述的太阳能集热系统包括制冷剂-水换热器和太阳能集热器，所述热泵系统还包括生活水箱换热器的内腔，所述的生活水箱换热器的内腔依次连接太阳能集热系统水阀、太阳能集热器的出水端，太阳能集热器的换热管路与制冷剂-水换热器的水管路相连，两者之间的连接管路上设有循环水泵，三者依次串联连接并形成循环回路，所述制冷剂-水换热器的制冷剂管路分别与太阳能集热系统的第一端口和第二端口连通。

或者，所述的太阳能集热系统包括太阳能集热/蒸发器，太阳能集热/蒸发器的两个端口分别与太阳能集热系统的第一端口和第二端口连通。

当所述太阳能集热系统包括制冷剂-水换热器和太阳能集热器，所述的生活水箱换热器的内腔依次连接太阳能集热系统水阀、太阳能集热器的出水端，太阳能集热器的换热管路与制冷剂-水换热器的水管路相连，两者之间的连接管路上设有循环水泵三者依次串联连接并形成循环回路，所述制冷剂-水换热器的制冷剂管路分别与太阳能集热系统的第一端口和第二端口相连时，本发明是一种间膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统；而当所述的太阳能集热系统包括太阳能集热/蒸发器，太阳能集热/蒸发器的两个端口分别与太阳能集热系统的第一端口和第二端口相连时，本发明是一种直膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，因此，本发明已涵盖这两种方式。

所述热泵系统还包括膨胀罐和干燥过滤器，所述的回热器的第二端口依次串联膨胀罐和干燥过滤器，干燥过滤器分别与第一节流元件、第二节流元件和第三节流元件相连。通过膨胀罐、干燥过滤器的设置可使整个系统中制冷剂的循环稳定。

所述的第一节流元件、第二节流元件和第三节流元件为手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

所述的第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀和第四截止阀为双向截止阀。

本发明中节流转换系统的设置，保证了本发明的热泵系统可以实现多种工作模式，可以满足不同场合的需要；同时实际使用过程中，仅需通过开闭相应的按钮就可实现多种工作模式的转换，容易实施，实用性强。

所述的节流元件可选择市场上常见的手动节流阀、自动节流阀或毛细管，以起到节流降温的作用。所述的第一单向截止阀或第二单向截止阀为手动截止阀或自动截止阀，以起到单向截流的作用，保证节流转换系统的正常运行；采用手动截止阀时，需要根据实际应用场合不同，对制冷剂的流向进行实时控制。为保证系统的正常运行，所述的截止阀一般需要选用双向截止阀，以满足制冷剂双向流动的需要。

所述的制冷剂-水换热器可选择套管式换热器、板式换热器、套片式换热器或光管沉浸式换热器。所述的室内换热器和室外换热器可选择风冷换热器或水冷换热器。

本发明与现有技术相比具有的有益效果为：

(1)环保性。本发明采用无毒、无臭无污染不爆不燃无腐蚀的二氧化碳作为制冷剂，其破坏臭氧层潜能值ODP＝0，温室效应潜能值WGP＝1。

(2)节能性。本发明能够通过热泵系统蒸发器有效利用太阳能，大幅提高热泵系统在冬季运行的性能系数，弥补普通热泵空调冬季运行存在制热系数很低的缺点；本发明能够在制冷的同时实现制热水，具有更好的节能性；本发明可以实现双热源制热和双热源制热水，可延长太阳能高效辅助制热的时间。

(2)实用性。本发明采用了非常简洁的方式将跨临界二氧化碳热泵型空调和热水器结合在一起，可以在家用冷暖空调、风冷热泵、冷水机组等多种空调系统中实现与太阳能的结合，应用面较广，具有九种功能模式，可满足多种场合一年四季对制冷、制热和制热水等多种需求。而且，跨临界CO₂系统在高压侧的较大温度变化(约80-100℃)的放热过程，非常适合用于热水加热。

(3)经济性。本发明的一体化设计，提高了系统设备利用率和电能利用率，与单一功能产品相比，有着明显的成本优势和运行费用优势。跨临界二氧化碳热泵空调器与热水器的结合采用已大批量商业化的普通四通换向阀和普通二通截止阀，可大幅降低控制系统成本，系统结构简单，运行方便，非常有利于推广。

(4)可靠性。在寒冷季节，本发明可有效利用太阳能，减少普通热泵空调系统因蒸发温度过低而导致的各类故障。本发明的热水源可用于室外风冷蒸发器的快速除霜，提高系统的稳定性和室内舒适性。分别用三个节流元件独立控制进入三个换热器的制冷剂流量，并在每个节流元件前用一个普通二通截止阀控制节流元件的停用，可以很好地适应功能模式之间的转化。已大批量商业化电控阀门的使用，进一步提高了系统运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明的间膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统的结构示意图。

图2为本发明的直膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种间膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统包括压缩机1、第一四通换向阀2、第二四通换向阀3、室内换热器4、室外换热器5、回热器8、膨胀罐11、干燥过滤器12、带有冷凝盘管及内腔的生活水箱换热器20、太阳能集热系统以及节流转换系统。

其中，第一四通换向阀2的四个端口分别为：第一端口2a、第二端口2b、第三端口2c和第四端口2d；第二四通换向阀3的四个端口分别为：第一端口3a、第二端口3b、第三端口3c和第四端口3d。其中，回热器8的第三端口8c与第四端口8d连通，回热器8的第一端口8a与第二端口8b连通。

压缩机1的出口1a与第一四通换向阀2的第一端口2a之间通过生活水箱换热器20的冷凝盘管(包括进口20a和出口20b)或第四截止阀22(包括端口22a与22b)连通，压缩机1的进口1b与回热器8的第三端口8c相连；第一四通换向阀2的第二端口2b与室外换热器5的第二端口5b相连，第一四通换向阀2的第四端口2d与第二四通换向阀3的第一端口3a相连；第二四通换向阀3的第二端口3b与室内换热器4的第一端口4a相连；回热器8的第四端口8d分别与第一四通换向阀2的第三端口2c和第二四通换向阀3的第三端口3c相连；第二四通换向阀3的第四端口3d与太阳能集热系统的第一端口23a相连。

太阳能集热系统(图上以A来表示)包括制冷剂-水换热器6和太阳能集热器7，热泵系统还包括生活水箱换热器20的内腔，生活水箱换热器20的内腔通过端口20c依次连接太阳能集热系统水阀21(包括端口21b与21a)、太阳能集热器7的出水端7c，太阳能集热器7的换热管路(包括端口7a与7b)与制冷剂-水换热器6的水管路(包括端口6c和6d)相连，太阳能集热器7与制冷剂-水换热器6两者之间的连接管路上设有循环水泵19，太阳能集热器7、制冷剂-水换热器6及循环水泵19三者依次串联连接并形成循环回路，制冷剂-水换热器6的制冷剂管路(包括端口6a和6b)分别与太阳能集热系统的第一端口23a和第二端口23b连通。

节流转换系统包括三条节流支路，三条节流支路分别为第一节流支路、第二节流支路和第三节流支路：第一节流支路由依次串联设置的第一截止阀13和第一节流元件16组成，第一节流元件16的第一端口16a与第一截止阀13的第二端口13b相连，第一节流元件16的第二端口16b分别与第一单向截止阀9的进口端9a和室内换热器4的第二端口4b相连。第二节流支路由依次串联设置的第二截止阀14和第二节流元件17组成，第二节流元件17的第一端口17a与第二截止阀14的出口端14b相连，第二节流元件17的第二端口17b分别与第二单向截止阀10的进口端10a和室外换热器5的第一端口5a相连；第三节流支路由依次串联设置的第三截止阀15和第三节流元件18组成，第三节流元件18的第一端口18a与第三截止阀15的第二端口15b相连。膨胀罐11进口11a与回热器8的第二端口8b相连，膨胀罐11的出口11b与干燥过滤器12的进口12a相连；干燥过滤器12的出口12b分别与第一截止阀13、第二截止阀14、第三截止阀15各自的第一端口13a、14a、15a相连。室内换热器4的第二端口4b与第一节流元件16的第二端口16b相连。室外换热器5的第一端口5a与第二节流元件17的第二端口17b相连。

本实施例中的第一节流元件16、第二节流元件17和第三节流元件18可选择市场上常见的手动节流阀、自动节流阀或毛细管，以起到节流降温的作用。

本实施例中的第一单向截止阀9、第二单向截止阀10可选用手动截止阀或自动截止阀，以起到单向截流的作用，保证节流转换系统的正常运行；采用手动截止阀时，需要根据实际应用场合不同，对制冷剂的流向进行实时控制。

本实施例中，为保证系统的正常运行，第一截止阀13、第二截止阀14、第三截止阀15和第四截止阀22可选用双向截止阀，以满足制冷剂双向流动的需要。

本实施例中的制冷剂-水换热器6可选择套管式换热器、板式换热器、套片式换热器或光管沉浸式换热器。室内换热器4和室外换热器5可选择风冷换热器或水冷换热器。

本实施例中的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统采用分体式结构，室内换热器4需安装在室内，制冷剂-水换热器6、室外换热器5、循环水泵19、和压缩机1可安装于离太阳能集热器7不远的地方。

本实施例中的间膨式太阳能辅助多功能热泵系统可以实现的主要功能有：普通室内制热、太阳能辅助室内制热、双热源室内制热、普通室内制冷、室内制冷+制热水、制热水、太阳能辅助制热水、双热源制热水和冬季除霜。以下是这九种功能模式的详细工作流程：

(1)普通室内制热

在没有太阳能可以利用时，系统按照普通空调供热循环运行。室内换热器4做冷凝器，室外换热器5作为蒸发器使用，制冷剂-水换热器6和生活水箱换热器20不使用。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体依次通过第四截止阀22、第一四通换向阀2和第二四通换向阀3，由第二四通换向阀3的第二个端口3b流向室内换热器4的第一个端口4a，在室内换热器4内冷凝放热后，从第一单向截止阀9流进回热器8进一步降温，二氧化碳从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12、第二截止阀14和第二节流元件17，进入室外换热器5，在室外换热器5中蒸发后，经过第一四通换向阀2的第二个端口2b、第一四通换向阀2的第三个端口2c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述CO₂循环运行的同时，循环水泵19不工作。

(2)太阳能辅助室内制热

有充足的太阳能热可利用时，将系统中的制冷剂-水换热器6作为蒸发器使用，室内换热器4作冷凝器，室外换热器5和生活水箱换热器20不使用。太阳能集热器水箱的热水通过生活用水循环为蒸发器源源不断提供蒸发所需热量，可大大提高热泵的制热效率。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体依次通过第四截止阀22、第一四通换向阀2和第二四通换向阀3，由第二四通换向阀3的第二个端口3b流向室内换热器4的第一个端口4a，在室内换热器4内冷凝放热后，经过第一单向截止阀9流进回热器8进一步降温，CO₂从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12、第三截止阀15和第三节流元件18，进入制冷剂-水换热器6，在制冷剂-水换热器6中蒸发后，经过第二四通换向阀3的第四个端口3d、第二四通换向阀3的第三个端口3c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，循环水泵19开启，太阳能集热器水箱7中的水经过循环水泵19，进入制冷剂-水换热器6，放热后回到太阳能集热器水箱7。

(3)双热源室内制热模式

当可利用的太阳能热不充足时，将系统中的室外换热器5和制冷剂-水换热器6同时作为蒸发器用，室内换热器4作冷凝器，循环水泵19启用，生活水箱换热器20不使用。太阳能热和室外环境同时为蒸发器提供蒸发所需热量，与普通室内制热模式相比，仍可较大程度地提高热泵的制热效率。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体依次通过第四截止阀22、第一四通换向阀2和第二四通换向阀3，由第二四通换向阀3的第二个端口3b流向室内换热器4的第一个端口4a，在室内换热器4内冷凝放热后，从第一单向截止阀9流进回热器8进一步降温，CO₂从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12、二氧化碳被分为两路：一路经第二截止阀14和第二节流元件17，进入室外换热器5，在室外换热器5中蒸发后，经过第一四通换向阀2的第二个端口2b、第一四通换向阀2的第三个端口2c，进入回热器8，最后回到压缩机1；另一路经第三截止阀15和第三节流元件18，进入制冷剂-水换热器6，在制冷剂-水换热器6中蒸发后，经过第二四通换向阀3的第四个端口3d、第二四通换向阀3的第三个端口3c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，循环水泵19开启，太阳能集热器水箱7中的水经过循环水泵23，进入制冷剂-水换热器6，放热后回到太阳能集热器水箱7。

(4)普通室内制冷

系统按照普通空调制冷循环进行。系统中的室内换热器4作蒸发器，室外换热器5作冷凝器，制冷剂-水换热器6和生活水箱换热器20不使用。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体依次通过第四截止阀22、第一四通换向阀2，由第一四通换向阀2的第二个端口2b流向室外换热器5的第二个端口5b，在室外换热器5内冷凝放热后，从第二单向阀10流进回热器8进一步降温，二氧化碳从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12、第一截止阀13和第一节流元件16，进入室内换热器4，在室内换热器4中蒸发后，经过第二四通换向阀3的第二个端口3b、第二四通换向阀3的第三个端口3c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，循环水泵19不工作。

(5)室内制冷+制热水

室内制冷的同时制取高温热水。系统中生活水箱换热器20和室外换热器5做冷凝器，室内换热器4作蒸发器，制冷剂-水换热器6不使用，第四截止阀22关闭。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体通过生活水箱换热器20加热生活热水，再经第一四通换向阀2，由第一四通换向阀2的第二个端口2b流向室外换热器5的第二个端口5b，在室外换热器5内冷凝后，从第二单向阀10流进回热器8进一步降温，二氧化碳从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12、第一截止阀13和第一节流元件16，进入室内换热器4，在室内换热器4中蒸发吸热，产生制冷效应后，经过第二四通换向阀3的第二个端口3b、第二四通换向阀3的第三个端口3c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述循环运行的同时，循环水泵19不工作。

(6)制热水

(i)有充足的太阳能热可利用时，由太阳能辐射热产生的热水可满足用户生活热水的需求，实现太阳能制热水功能模式。

(ii)当无辅助热源可利用时，开启该模式制热水。系统中的室外换热器5作蒸发器使用，生活水箱换热器20和室内换热器4作冷凝器，制冷剂-水换热器6不使用，第四截止阀22关闭。此时的系统功能与普通热泵热水器相似。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体通过生活水箱换热器20加热生活热水，再依次经过第一四通换向阀2和第二四通换向阀3，由第二四通换向阀3的第二个端口3b流向室内换热器4的第一个端口4a，在室内换热器4内冷凝后，从第一单向截止阀9流进回热器8进一步降温，二氧化碳从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12、第二截止阀14和第二节流元件17，进入室外换热器5，在室外换热器5中蒸发后，经过第一四通换向阀2的第二个端口2b、第一四通换向阀2的第三个端口2c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述循环运行的同时，循环水泵19不工作。

(7)太阳能辅助制热水

有充足的太阳能热可利用时，将系统中的制冷剂-水换热器6作为蒸发器使用，生活水箱换热器20和室内换热器4作冷凝器，循环水泵19启用，室外换热器5不使用，第四截止阀22关闭。太阳能集热器水箱的热水通过生活用水循环为蒸发器源源不断提供蒸发所需热量，可大大提高热泵的制热效率。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体通过生活水箱换热器20加热生活热水，再依次通过第一四通换向阀2和第二四通换向阀3，由第二四通换向阀3的第二个端口3b流向室内换热器4的第一个端口4a，在室内换热器4内冷凝后，从第一单向截止阀9流进回热器8进一步降温，二氧化碳从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12、第三截止阀15和第三节流元件18，进入制冷剂-水换热器6，在制冷剂-换热器中蒸发吸热，经过第二四通换向阀3的第四个端口3d、第二四通换向阀3的第三个端口3c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述制冷循环运行的同时，循环水泵19开启，太阳能集热器水箱7中的水经过循环水泵19，进入制冷剂-水换热器6，放热后回到太阳能集热器水箱7。

(8)双热源制热水

当可利用的太阳能热不充足时，将系统中的室外换热器5和制冷剂-水换热器6同时作为蒸发器用，生活水箱换热器20和室内换热器4作冷凝器，循环水泵19启用，第四截止阀22关闭。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体通过生活水箱换热器20加热生活热水，再依次通过第一四通换向阀2和第二四通换向阀3，由第二四通换向阀3的第二个端口3b流向室内换热器4的第一个端口4a，在室内换热器4内冷凝后，从第一单向截止阀9流进回热器8进一步降温，二氧化碳从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12，然后制冷剂分为两路：一路由第三截止阀15、第三节流元件18，进入制冷剂-水换热器6，在制冷剂-水换热器6中蒸发后，经过第二四通换向阀3的第四个端口3d、第二四通换向阀3的第三个端口3c，进入回热器8，最后回到压缩机1；另一路由第二截止阀14、第二节流元件17，进入室外换热器5，在室外换热器5中蒸发后，经过第一四通换向阀2的第二个端口2b、第一四通换向阀2的第三个端口2c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，循环水泵19开启，太阳能集热器水箱7中的水经过循环水泵19，进入制冷剂-水换热器6，放热后回到太阳能集热器水箱7。

(9)冬季除霜

本发明采用优于普通空调的热水源除霜循环，能快速高效地进行除霜。此时系统中的室外换热器5作为冷凝器，制冷剂在其中冷凝放热融霜，而制冷剂-水换热器6作为蒸发器，其中的热水提供蒸发潜热的热源，循环水泵19启用，室内换热器4不使用。

具体工作流程：从压缩机1出来的高温高压CO₂气体依次通过第一四通换向阀2，由第一四通换向阀2的第二个端口2b，流向室外换热器5的第二个端口5b，在室外换热器5内冷凝放热后，从第二单向阀10流进回热器8进一步降温，二氧化碳从回热器8流出后，依次经过膨胀罐11、干燥过滤器12、第三截止阀15和第一节流元件16，进入制冷剂-水换热器6，在制冷剂-水换热器6中蒸发后，经过第二四通换向阀3的第四个端口3d、第二四通换向阀3的第三个端口3c，进入回热器8，最后回到压缩机1。在上述制冷剂循环运行的同时，循环水泵19开启，太阳能集热器水箱7中的水经过循环水泵19，进入制冷剂-水换热器6，放热后回到太阳能集热器水箱7。

实施例2

如图2所示，一种直膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，包括压缩机1、第一四通换向阀2、第二四通换热器3、室内换热器4、室外换热器5、回热器8、膨胀罐11、干燥过滤器12、带有冷凝盘管的生活水箱换热器20、太阳能集热系统以及节流转换系统。

其中，第一四通换向阀2的四个端口分别为：第一端口2a、第二端口2b、第三端口2c和第四端口2d；第二四通换向阀3的四个端口分别为：第一端口3a、第二端口3b、第三端口3c和第四端口3d。其中，回热器8的第三端口8c与第四端口8d连通，回热器8的第一端口8a与第二端口8b连通。生活水箱换热器20的冷凝盘管包括进口20a和出口20b。

压缩机1的出口1a与第一四通换向阀2的第一端口2a之间通过生活水箱换热器20的冷凝盘管(包括进口20a和出口20b)或第四截止阀22(包括端口22a与22b)连通，压缩机1的进口1b与回热器8的第三端口8c相连；第一四通换向阀2的第二端口2b与室外换热器5的第二端口5b相连，第一四通换向阀2的第四端口2d与第二四通换向阀3的第一端口3a相连；第二四通换向阀3的第二端口3b与室内换热器4的第一端口4a相连；回热器8的第四端口8d分别与第一四通换向阀2的第三端口2c和第二四通换向阀3的第三端口3c相连；第二四通换向阀3的第四端口3d与太阳能集热系统的第一端口23a相连。

太阳能集热系统(图上以A来表示)包括太阳能集热/蒸发器6-1，太阳能集热/蒸发器6-1的两个端口(包括端口6-1b与6-1a)分别与太阳能集热系统的第一端口23a和第二端口23b连通。

节流转换系统包括三条节流支路，三条节流支路分别为第一节流支路、第二节流支路和第三节流支路：第一节流支路由依次串联设置的第一截止阀13和第一节流元件16组成，第一节流元件16的第一端口16a与第一截止阀13的第二端口13b相连，第一节流元件16的第二端口16b分别与第一单向截止阀9的进口端9a和室内换热器4的第二端口4b相连。第二节流支路由依次串联设置的第二截止阀14和第二节流元件17组成，第二节流元件17的第一端口17a与第二截止阀14的出口端14b相连，第二节流元件17的第二端口17b分别与第二单向截止阀10的进口端10a和室外换热器5的第一端口5a相连；第三节流支路由依次串联设置的第三截止阀15和第三节流元件18组成，第三节流元件18的第一端口18a与第三截止阀15的第二端口15b相连。膨胀罐11进口11a与回热器8的第二端口8b相连，膨胀罐11的出口11b与干燥过滤器12的进口12a相连；干燥过滤器12的出口12b分别与第一截止阀13、第二截止阀14、第三截止阀15各自的第一端口13a、14a、15a相连。室内换热器4的第二端口4b与第一节流元件16的第二端口16b相连。室外换热器5的第一端口5a与第二节流元件17的第二端口17b相连。

本实施例中的第一节流元件16、第二节流元件17和第三节流元件18可选择市场上常见的手动节流阀、自动节流阀或毛细管，以起到节流降温的作用。

本实施例中的第一单向截止阀9、第二单向截止阀10可选用手动截止阀或自动截止阀，以起到单向截流的作用，保证节流转换系统的正常运行；采用手动截止阀时，需要根据实际应用场合不同，对制冷剂的流向进行实时控制。

本实施例中，为保证系统的正常运行，第一截止阀13、第二截止阀14、第三截止阀15和第四截止阀22可选用双向截止阀，以满足制冷剂双向流动的需要。

室内换热器4和室外换热器5可选择风冷换热器或水冷换热器。

本实施例中的直膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统采用分体式结构，室内换热器4需安装在室内，室外换热器5和压缩机1可安装于离太阳能集热/蒸发器6-1不远的地方。

本实施例中的直膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统可以实现的主要功能有：普通室内制热、太阳能辅助室内制热、双热源室内制热、普通室内制冷、室内制冷+制热水、制热水、双热源制热水和冬季除霜。其具体工作流程与以上间膨式太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统类似，但由于其集热介质为二氧化碳，不能直接利用太阳能辐射制取生活热水，所以比实施例1少了太阳能制热水功能模式。

Claims (9)

1.一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于：

所述热泵系统包括压缩机(1)、第一四通换向阀(2)、第二四通换向阀(3)、室内换热器(4)、室外换热器(5)、回热器(8)、带有冷凝盘管的生活水箱换热器(20)、太阳能集热系统以及节流转换系统；

其中，所述的压缩机(1)的出口(1a)与第一四通换向阀(2)的第一端口(2a)之间通过生活水箱换热器(20)的冷凝盘管或第四截止阀(22)连通，压缩机(1)的进口(1b)与回热器(8)的第三端口(8c)相连；所述的第一四通换向阀(2)的第二端口(2b)与室外换热器(5)的第二端口(5b)相连，第一四通换向阀(2)的第四端口(2d)与第二四通换向阀(3)的第一端口(3a)相连；所述的第二四通换向阀(3)的第二端口(3b)与室内换热器(4)的第一端口(4a)相连；所述的回热器(8)的第四端口(8d)分别与第一四通换向阀(2)的第三端口(2c)和第二四通换向阀(3)的第三端口(3c)相连；所述的第二四通换向阀(3)的第四端口(3d)与所述太阳能集热系统的第一端口(23a)相连；其中，回热器(8)的第三端口(8c)与第四端口(8d)连通，回热器(8)的第一端口(8a)与第二端口(8b)连通；

所述的节流转换系统包括三条节流支路，三条节流支路分别为第一节流支路、第二节流支路和第三节流支路：第一节流支路由依次串联设置的第一截止阀(13)和第一节流元件(16)组成，第一节流元件(16)的第一端口(16a)与第一截止阀(13)的第二端口(13b)相连，第一节流元件(16)的第二端口(16b)分别与第一单向截止阀(9)的进口端(9a)和室内换热器(4)的第二端口(4b)相连；第二节流支路由依次串联设置的第二截止阀(14)和第二节流元件(17)组成，第二节流元件(17)的第一端口(17a)与第二截止阀(14)的出口端(14b)相连，第二节流元件(17)的第二端口(17b)分别与第二单向截止阀(10)的进口端(10a)和室外换热器(5)的第一端口(5a)相连；第三节流支路由依次串联设置的第三截止阀(15)和第三节流元件(18)组成，第三节流元件(18)的第一端口(18a)与第三截止阀(15)的第二端口(15b)相连；室内换热器(4)的第二端口(4b)与第二节流元件(16)的第二端口(16b)相连，室外换热器(5)的第一端口(5a)与第三节流元件(17)的第二端口(17b)相连，太阳能集热系统的第二端口(23b)与第三节流元件(18)的第二端口(18b)相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述的太阳能集热系统包括制冷剂-水换热器(6)和太阳能集热器(7)，所述热泵系统还包括生活水箱换热器(20)的内腔，所述的生活水箱换热器(20)的内腔依次连接太阳能集热系统水阀(21)、太阳能集热器(7)的出水端，太阳能集热器(7)的换热管路与制冷剂-水换热器(6)的水管路相连，两者之间的连接管路上设有循环水泵(19)，三者依次串联连接并形成循环回路，所述制冷剂-水换热器(6)的制冷剂管路分别与太阳能集热系统的第一端口(23a)和第二端口(23b)连通。

3.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述的太阳能集热系统包括太阳能集热/蒸发器(6-1)，太阳能集热/蒸发器(6-1)的两个端口分别与太阳能集热系统的第一端口(23a)和第二端口(23b)连通。

4.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述热泵系统还包括膨胀罐(11)和干燥过滤器(12)，所述的回热器(8)的第二端口(8b)依次串联膨胀罐(11)和干燥过滤器(12)，干燥过滤器(12)分别与第一节流元件(13)、第二节流元件(14)和第三节流元件(15)相连。

5.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述的第一节流元件(13)、第二节流元件(14)和第三节流元件(15)为手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

6.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述的第一单向截止阀(9)和第二单向截止阀(10)为手动截止阀或自动截止阀。

7.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述的第一截止阀(13)、第二截止阀(14)、第三截止阀(15)和第四截止阀(22)为双向截止阀。

8.根据权利要求2所述的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述的制冷剂-水换热器(6)为套管式换热器、板式换热器、套片式换热器或光管沉浸式换热器。

9.根据权利要求1所述的所述的太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳多功能热泵系统，其特征在于，所述的室内换热器(4)和室外换热器(5)为风冷换热器或水冷换热器。

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