CN105509125A - 一种带有快速除霜功能的跨临界co2热泵供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，包括第一蒸发器、第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀、蒸发冷凝器、第二压缩机、气体冷却器和第二膨胀阀；运用两组独立热泵系统，采用跨临界CO2热泵系统将来自暖气片的低温回水加热值暖气片供暖蓄热温度；本发明通过调节跨临界CO2热泵中气体冷却器进口水温，保证热泵系统以制热能效比最大运行；本发明采用蒸发冷凝器，设置四个电磁阀，通过调节电磁阀的开启/关闭，改变系统流程，实现跨临界CO2热泵供暖系统的快速除霜功能，同时能够有效地对供暖回水进行加热，不会对供暖用户产生不利影响，提高了跨临界CO2热泵供暖系统在低环境温度下的能效比。

Description

一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统
【技术领域】
本发明属于热泵技术领域，涉及一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统。
【背景技术】
热泵技术是通过消耗一定的高位能，如机械能、电能，并通过热力循环，把低位能转移至高位能的手段。目前的热泵技术主要由机械压缩式为主，主要部件包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。热泵按照低温热源的不同可以分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵等，其中空气源热泵是以室外空气为热源进行供暖或供应热水，其安装使用方便，对环境污染较小，其节能效果要明显高于电加热等采暖方式。但是由于空气源热泵在低温环境下运行存在着一些不足：如随着环境温度的降低，蒸发压力也随之降低，压缩机压比增大，排气温度升高，容易引起压缩机过热保护而停机；特别是当环境温度低于0℃时，空气源热泵极易结霜，严重影响了热泵性能，空气源热泵在我国北方大部分地区尚未得到普遍应用。
CO2属于惰性气体，无毒无刺激；良好的安全性和化学稳定性，安全无毒，不可燃，即便在高温下也不分解产生有害气体；其对全球变暖潜力指数GWP为1，CO2不需要工业合成，只需要在大气中提取就可以，使用方便；同时，它对大气臭氧层无任何破环作用，ODP为0。并且，CO2本身优越的热物理特性以及良好的迁移特性也适合其作为制冷工质，导热系数以及定压比热高，蒸汽密度小，动力粘度小，表面张力小，这些特点为机组的小型化以及成本节省提供了前提。CO2临界温度为30.98℃，临界压力为7.38MPa，在跨临界区与外部介质换热时不发生相变，因此跨临界CO2循环不存在潜热交换和冷凝过程。考虑到CO2较高的临界压力，在相同的条件下，跨临界CO2热泵能够将水加热到更高的温度。
跨临界CO2热泵将热泵的高效节能作用和CO2的优秀环保性能结合在一起，符合目前世界范围内的环保要求，具有重要的节能环保意义，而且应用范围特别广，特别是在低环境温度条件下的供暖和供热水问题，然而，在低环境温度下，跨临界CO2热泵系统存在结霜问题，对于具有工作压力高和跨临界传热特性的空气源CO2热泵系统来说，传统的除霜方法并不适用，因此，如何快速除霜成为限制跨临界CO2热泵广泛应用的一个重要因素。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，以解决现有供暖热泵系统采用CO2工质时存在的问题，使跨临界CO2热泵系统在极低环境温度下能够高效稳定地应用于暖气片形式供暖，同时为解决跨临界CO2热泵系统在极低环境温度下的运行时的结霜现象提供一种快速除霜的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，包括第一蒸发器、第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、蒸发冷凝器、第二压缩机、气体冷却器和第二膨胀阀；：第一蒸发器、第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀组成第一热泵系统；蒸发冷凝器、第二压缩机、气体冷却器和第二膨胀阀组成第二热泵系统，第二热泵系统为跨临界CO2热泵系统；
暖气片的回水管路分为两路，一路连接第一冷凝器的回水入口，另一路连接第一蒸发器的回水入口；第一冷凝器的回水出口连接混合器的第一入口，第一蒸发器的回水出口连接气体冷却器的回水入口，气体冷却器的回水出口连接混合器的第二入口，混合器的出口连接暖气片供暖系统的供水管路；
第一压缩机的工质出口分为两路，一路连接第一冷凝器的工质入口，第一冷凝器的工质出口通过第一膨胀阀连接第一蒸发器的工质入口，第一蒸发器的工质出口连接第一压缩机的工质入口；另一路连接蒸发冷凝器的第一工质入口，蒸发冷凝器的第一工质出口通过第一膨胀阀连接第一蒸发器的工质入口；
第二压缩机的出口连接气体冷却器的工质入口，气体冷却器的工质出口通过第二膨胀阀连接蒸发冷凝器的第二工质入口，蒸发冷凝器的第二工质出口连接第二压缩机的工质入口。
本发明进一步的改进在于：第一冷凝器的工质入口设有第一电磁阀，第一冷凝器的工质出口设有第二电磁阀和第一膨胀阀；蒸发冷凝器的第一工质入口设有第三电磁阀，蒸发冷凝器的第一工质出口设有第四电磁阀。
本发明进一步的改进在于：来自暖气片的回水分为两部分后，一部分进入第一冷凝器中升温，另一部分进入第一蒸发器中降温，第一冷凝器升温后的热水进入混合器中，第一蒸发器中被冷却的冷水进入气体冷却器中被加热后进入混合器，热水在混合器中混合后进入暖气片供暖系统的供水管路。
本发明的进一步改进在于：第二压缩机将高温高压的跨临界状态CO2排入气体冷却器中，加热暖气片回水后温度降低，通过第二膨胀阀进入蒸发冷凝器的第二工质入口，在蒸发冷凝器中蒸发吸热，产生的气体通过蒸发冷凝器的第二工质出口进入第二压缩机。
本发明的进一步改进在于：第一电磁阀、第二电磁阀开启，第三电磁阀、第四电磁阀关闭，第一热泵系统和第二热泵系统正常制热运行；第一电磁阀、第二电磁阀关闭，第三电磁阀、第四电磁阀开启，第一热泵系统中第一冷凝器停用，第一压缩机经第三电磁阀连接蒸发冷凝器的第一工质入口，蒸发冷凝器的第一工质出口经第四电磁阀、第一膨胀阀连接第一蒸发器的工质入口，第一蒸发器的工质出口连接第一压缩机。
本发明进一步的改进在于：第一电磁阀、第二电磁阀关闭，第三电磁阀、第四电磁阀开启，来自第一压缩机的高温高压气体经第三电磁阀进入蒸发冷凝器的第一工质入口，在蒸发冷凝器中与第二工质进行换热，完成对第二热泵系统的除霜，温度降低后，经第四电磁阀和第一膨胀阀进入第一蒸发器中，在第一蒸发器中吸收暖气片回水中的热量，进入第一压缩机。
本发明进一步的改进在于：所述带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统中选用的工质为天然工质CO2。
本发明进一步的改进在于：所述蒸发冷凝器为带风机式蒸发冷凝器；在正常制热运行中，风机开启，控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀的开启/关闭，蒸发冷凝器中第一工质停止运行，CO2从空气中吸收热量；在低环境温度下运行进行除霜时，风机关闭，控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀的开启/关闭，第一冷凝器停用，CO2在蒸发冷凝器中与第一工质进行换热，快速融化翅片上的霜层，吸热后的过热CO2蒸气进入第二压缩机，被压缩后进入气体冷却器中，加热被第一蒸发器冷凝的供暖回水。
本发明进一步的改进在于：蒸发冷凝器内部布管方式为第一工质与第二工质逆向交叉布置，第一工质运行时，与第二工质逆向换热；第一工质停止运行时，第二工质通过风机与空气换热。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过合理设置系统流程，将跨临界CO2热泵系统应用于暖气片形式供暖，极大的提升了热泵系统循环效率，使得新型环保工质能应用于房间供暖，同时，本发明为跨临界CO2热泵系统在冬季低环境温度下出现的结霜现象提供了一种快速除霜的方法，能够有效地融化蒸发器翅片上产生的霜层，提升热泵制热性能，对于冬季供暖基础设施节能减排改造具有极大的实际意义。
本发明跨临界CO2热泵系统蒸发器设计采用带风机式蒸发冷凝器，在正常制热运行中，风机开启，蒸发冷凝器中第一工质停止运行，CO2从空气中吸收热量；在低环境温度下运行需要除霜时，风机关闭，第一冷凝器停用，CO2在蒸发冷凝器中与第一工质进行换热，快速融化翅片上的霜层，吸热后的过热CO2蒸气进入压缩机，被压缩后进入气体冷却器中，加热来自第一蒸发器中的回水，在保证快速除霜的情况下能够有效地对供暖回水进行加热，不会对供暖用户产生不利影响。
本发明中通过设置四个电磁阀保证热泵系统在环境温度改变时均能满足使用要求。当环境温度较高时，控制电磁阀开启/关闭，第一热泵系统与第二热泵系统均正常工作，第一工质在第一蒸发器中吸热进入第一压缩机，经压缩后进入第一冷凝器，在第一冷凝器中对部分供暖回水进行加热，冷却后的第一工质流经第一膨胀阀后进入第一蒸发器；第二工质CO2在蒸发冷凝器中与空气换热，吸热后进入第二压缩机，经压缩后进入气体冷却器，在气体冷却器中加热被第一蒸发器冷却的供暖回水，冷却后的CO2流经第二膨胀阀进入蒸发冷凝器；当环境温度较低，跨临界CO2热泵系统需要除霜时，控制电磁阀开启/关闭，使第一冷凝器停用，第一热泵系统中第一工质流经蒸发冷凝器，在蒸发冷凝器中与CO2进行换热，对跨临近CO2热泵系统进行除霜，工质流经第一膨胀阀进入第一蒸发器中，完成蒸发吸热后进入第一压缩机。
【附图说明】
图1是本发明一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统的结构示意图；
图2和图3是本发明的两种蒸发器布置方式示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1至图3所示，本发明一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，包括第一蒸发器1、第一压缩机2、第一冷凝器3、第一膨胀阀4、蒸发冷凝器9、第二压缩机10、气体冷却器11、第二膨胀阀12。第一蒸发器1、第一压缩机2、第一冷凝器3、第一膨胀阀4组成第一热泵系统，蒸发冷凝器9、第二压缩机10、气体冷却器11和第二膨胀阀12组成第二热泵系统，第二热泵系统为跨临界CO2热泵系统。
暖气片的回水管路分为两路，一路连接第一冷凝器3的回水入口，另一路连接第一蒸发器1的回水入口；第一冷凝器3的回水出口连接混合器13的第一入口，第一蒸发器1的回水出口连接气体冷却器11的回水入口，气体冷却器11的回水出口连接混合器13的第二入口，混合器13的出口连接暖气片供暖系统的供水管路。
第一压缩机2的工质出口分为两路，一路通过第一电磁阀5连接第一冷凝器3的工质入口，第一冷凝器3的工质出口通过第二电磁阀6和第一膨胀阀4连接第一蒸发器1的工质入口，第一蒸发器1的工质出口连接第一压缩机2的工质入口；另一路通过第三电磁阀7连接蒸发冷凝器9的第一工质入口，蒸发冷凝器9的第一工质出口通过第四电磁阀8和第一膨胀阀4连接第一蒸发器1的工质入口，第一蒸发器1的工质出口连接第一压缩机2的工质入口。
第二压缩机10的出口连接气体冷却器11的工质入口，气体冷却器11的工质出口通过第二膨胀阀12连接蒸发冷凝器9的第二工质入口，蒸发冷凝器9的第二工质出口连接第二压缩机10的工质入口。
第一冷凝器3的工质入口设有第一电磁阀5，第一冷凝器3的工质出口设有第二电磁阀6和第一膨胀阀4；蒸发冷凝器9的第一工质入口设有第三电磁阀7，蒸发冷凝器9的第一工质出口设有第四电磁阀8；气体冷却器11的工质出口设有第二膨胀阀12。
来自暖气片供暖系统的低温回水分为两部分，一部分进入第一冷凝器3中升温，另一部分进入第一蒸发器1中降温，第一冷凝器3升温后的热水进入混合器13中，第一蒸发器1中被冷却的冷水进入气体冷却器11中被加热后进入混合器13，热水在混合器13中混合后进入暖气片供暖系统。
跨临界CO2热泵供暖系统工作流程为：第二压缩机10将高温高压的跨临界状态CO2排入气体冷却器11中，加热暖气片回水后温度降低，通过第二膨胀阀12进入蒸发冷凝器9的第二工质入口，在蒸发冷凝器9中蒸发吸热，产生的气体通过蒸发冷凝器9的第二工质出口进入第二压缩机10。
第一热泵系统与第二热泵系统搭配使用，通过调整混合器13，实现水路系统流量的不同分配方案；通过改变进入第一蒸发器1和第一冷凝器3中的水流量，改变第一蒸发器1的出口水温，保证了进入气体冷却器11中的水温远低于供暖回水温度，该设计较好地吻合了气体冷却器11中CO2气体与冷却水换热特性，保证了跨临界CO2热泵系统能运行在高制热能效比下，将跨临界CO2热泵的应用拓展至暖气片供暖领域。
为保证系统在环境温度改变时满足供热需求，并解决跨临界CO2热泵供暖系统在冬季低环境温度下容易结霜的问题，本发明设置了两种运行模式：
1、第一热泵系统与第二热泵系统均为制热运行模式，运行流程如图1中实线所示，此时，第一电磁阀5、第二电磁阀6开启，第三电磁阀7、第四电磁阀8关闭，蒸发冷凝器9中风机开启，第一压缩机2经第一电磁阀5连接第一蒸发器3，第一蒸发器3经第二电磁阀6和第一膨胀阀4连接第一蒸发器1，第一蒸发器1连接第一压缩机2。
2、除霜工况下，第二热泵系统仍然保持制热运行模式，第一热泵系统循环如图1中虚线所示。此时，第一电磁阀5、第二电磁阀6关闭，第三电磁阀7、第四电磁阀8开启，蒸发冷凝器9中风机关闭，第一压缩机2经第三电磁阀7连接蒸发冷凝器9第一工质入口，在蒸发冷凝器9中将热量传递给CO2融化霜层，蒸发冷凝器9第一工质出口经第四电磁阀8和第一膨胀阀4连接第一蒸发器1，第一蒸发器1连接第一压缩机2。
为解决跨临界CO2热泵供暖系统在冬季低环境温度下容易结霜的问题，本发明跨临界CO2热泵系统蒸发器设计采用带风机式蒸发冷凝器9，通过设置四个电磁阀(5、6、7、8)保证热泵系统在环境温度改变时均能满足使用要求。在正常制热运行中，风机开启，控制电磁阀开启/关闭，蒸发冷凝器中第一工质停止运行，CO2从空气中吸收热量；在低环境温度下运行需要除霜时，风机关闭，控制电磁阀开启/关闭，第一冷凝器停用，CO2在蒸发冷凝器中与第一工质进行换热，快速融化翅片上的霜层，吸热后的过热CO2蒸气进入压缩机，被压缩后进入气体冷却器中，加热被第一蒸发器冷凝的供暖回水，在保证快速除霜的情况下能够有效地对供暖回水进行加热，不会对供暖用户产生不利影响。本发明能够在满足供暖需求的条件下，实现对跨临界CO2热泵系统蒸发器翅片的快速除霜功能，能够有效提高跨临界CO2热泵系统制热能效比，在低环境温度下效果更为显著。
请参阅图2及图3所示，蒸发冷凝器9内部布管方式为第一工质与第二工质逆向交叉布置，第一工质运行时，与第二工质逆向换热；第一工质停止运行时，第二工质通过风机与空气换热。

Claims (9)

1.一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于，包括第一蒸发器(1)、第一压缩机(2)、第一冷凝器(3)、第一膨胀阀(4)、蒸发冷凝器(9)、第二压缩机(10)、气体冷却器(11)和第二膨胀阀(12)；第一蒸发器(1)、第一压缩机(2)、第一冷凝器(3)和第一膨胀阀(4)组成第一热泵系统，蒸发冷凝器(9)、第二压缩机(10)、气体冷却器(11)和第二膨胀阀(12)组成第二热泵系统，第二热泵系统为跨临界CO2热泵系统；
暖气片的回水管路分为两路，一路连接第一冷凝器(3)的回水入口，另一路连接第一蒸发器(1)的回水入口；第一冷凝器(3)的回水出口连接混合器(13)的第一入口，第一蒸发器(1)的回水出口连接气体冷却器(11)的回水入口，气体冷却器(11)的回水出口连接混合器(13)的第二入口，混合器(13)的出口连接暖气片供暖系统的供水管路；
第一压缩机(2)的工质出口分为两路，一路连接第一冷凝器(3)的工质入口，第一冷凝器(3)的工质出口通过第一膨胀阀(4)连接第一蒸发器(1)的工质入口，第一蒸发器(1)的工质出口连接第一压缩机(2)的工质入口；另一路连接蒸发冷凝器(9)的第一工质入口，蒸发冷凝器(9)的第一工质出口通过第一膨胀阀(4)连接第一蒸发器(1)的工质入口；
第二压缩机(10)的出口连接气体冷却器(11)的工质入口，气体冷却器(11)的工质出口通过第二膨胀阀(12)连接蒸发冷凝器(9)的第二工质入口，蒸发冷凝器(9)的第二工质出口连接第二压缩机(10)的工质入口。
2.根据权利要求1所述的一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于：第一冷凝器(3)的工质入口设有第一电磁阀(5)，第一冷凝器(3)的工质出口设有第二电磁阀(6)；蒸发冷凝器(9)的第一工质入口设有第三电磁阀(7)，蒸发冷凝器(9)的第一工质出口设有第四电磁阀(8)。
3.根据权利要求1所述的一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于：来自暖气片的回水分为两部分后，一部分进入第一冷凝器(3)中升温，另一部分进入第一蒸发器(1)中降温，第一冷凝器(3)升温后的热水进入混合器(13)中，第一蒸发器(1)中被冷却的冷水进入气体冷却器(11)中被加热后进入混合器(13)，热水在混合器(13)中混合后进入暖气片供暖系统的供水管路。
4.根据权利要求1所述的一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于：第二压缩机(10)将高温高压的跨临界状态CO2排入气体冷却器(11)中，加热暖气片回水后温度降低，通过第二膨胀阀(12)进入蒸发冷凝器(9)的第二工质入口，在蒸发冷凝器(9)中蒸发吸热，产生的气体通过蒸发冷凝器(9)的第二工质出口进入第二压缩机(10)。
5.根据权利要求2所述的一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于：
第一电磁阀(5)、第二电磁阀(6)开启，第三电磁阀(7)、第四电磁阀(8)关闭时，第一热泵系统和第二热泵系统正常制热运行；
第一电磁阀(5)、第二电磁阀(6)关闭，第三电磁阀(7)、第四电磁阀(8)开启时，第一热泵系统中第一冷凝器(3)停用，第一压缩机(2)经第三电磁阀(7)连接蒸发冷凝器(9)的第一工质入口，蒸发冷凝器(9)的第一工质出口经第四电磁阀(8)、第一膨胀阀(4)连接第一蒸发器(1)的工质入口，第一蒸发器(1)的工质出口连接第一压缩机(2)。
6.根据权利要求2所述的一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于：第一电磁阀(5)、第二电磁阀(6)关闭，第三电磁阀(7)、第四电磁阀(8)开启时，来自第一压缩机(2)的高温高压气体经第三电磁阀(7)进入蒸发冷凝器(9)的第一工质入口，在蒸发冷凝器(9)中与第二工质进行换热，完成对第二热泵系统的除霜，温度降低后，经第四电磁阀(8)和第一膨胀阀(4)进入第一蒸发器(1)中，在第一蒸发器(1)中吸收暖气片回水中的热量，进入第一压缩机(2)。
7.根据权利要求1所述的一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于：所述跨临界CO2热泵系统中选用的工质为天然工质CO2。
8.根据权利要求2所述的一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于：所述蒸发冷凝器(9)为带风机式蒸发冷凝器；
在正常制热运行中，风机开启，控制第一电磁阀(5)、第二电磁阀(6)、第三电磁阀(7)和第四电磁阀(8)的开启/关闭，蒸发冷凝器中第一工质停止运行，CO2从空气中吸收热量；
在低环境温度下运行进行除霜时，风机关闭，控制第一电磁阀(5)、第二电磁阀(6)、第三电磁阀(7)和第四电磁阀(8)的开启/关闭，第一冷凝器停用，CO2在蒸发冷凝器中与第一工质进行换热，快速融化翅片上的霜层，吸热后的过热CO2蒸气进入第二压缩机，被压缩后进入气体冷却器中，加热被第一蒸发器冷凝的供暖回水。
9.根据权利要求1所述的一种带有快速除霜功能的跨临界CO2热泵供暖系统，其特征在于：蒸发冷凝器(9)内部布管方式为第一工质与第二工质逆向交叉布置，第一工质运行时，与第二工质逆向换热；第一工质停止运行时，第二工质通过风机与空气换热。
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