CN107014098B - 一种二氧化碳热泵供热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二氧化碳热泵供热系统。供热系统包括第一循环回路、供热循环回路、第二循环回路和分流管路。第一循环回路内的制冷剂为二氧化碳。供热循环回路内的介质为循环水。第二循环回路内的制冷剂为氟利昂。所述第一循环回路和供热循环回路之间设置有气体冷却器，供热循环回路和第二循环回路之间设置有第二蒸发器。气体冷却器用于二氧化碳和的循环水之间的换热。第二蒸发器用于给循环水降温。采用第二循环回路对进入气体冷却器的循环水降温，加大气体冷却器的进出水温差，提升第一循环回路的跨临界循环换热效率。本发明能够在较低的环境温度下稳定和高效地运行。制热量衰减低，能效高。可以实现高温供暖或烘干。

Description

一种二氧化碳热泵供热系统
技术领域
本发明属于供热设备领域，具体涉及一种用于低温环境中的供热系统。
背景技术
目前，在低温的环境中，比如在-28℃的极端寒冷的天气环境下，为了给室内等地方供热需要能够适应环境需求的供热系统。常规的供热系统中，比如以氟利昂作为制冷剂的供热系统，根本无法在-28℃的极寒天气下稳定运行。而且伴随着环境温度的降低，这种供热系统的制热量衰减得非常厉害。
而现有的二氧化碳作为制冷剂的热泵系统虽然能够在这种超低温环境中使用。但现有的二氧化碳热泵系统的应用大多数局限于供应热水，在供暖和循环制热上很少使用。即便采用二氧化碳热泵系统也多数是在二氧化碳热泵进水温度不超过40℃左右的工况下运行。这是因为二氧化碳热泵比较适合进出水温差大的加热模式而不适合进出水温差小的加热模式。当进水温度过高会导致二氧化碳热泵系统中的压缩机排气压力、温度和气体冷却器出口温度过高，对二氧化碳热泵系统的可靠性和寿命有很大影响。而在实际采暖或烘干的应用场合，供热循环系统中用于与外界换热的循环热水的进出水温差就是比较小，比如在5-10℃，这样的高温回水是不适合再进入二氧化碳热泵系统重新加热的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够在低温环境中稳定对外界供热或用于烘干的二氧化碳热泵供热系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种二氧化碳热泵供热系统，包括控制单元，所述控制单元能够控制供热系统工作向供热区域供热。所述供热系统还包括第一循环回路、供热循环回路、第二循环回路和分流管路。
所述第一循环回路内循环流通的制冷剂为二氧化碳，所述第一循环回路用于向供热循环回路供热。
所述供热循环回路内循环流通的介质为循环水，所述供热循环回路中设置有用于向供热区域散热的散热单元，所述散热单元中具有供循环水经过的管路。
所述第二循环回路内循环流通的制冷剂为氟利昂，所述第二循环回路用于调节供热循环回路中循环水的水温。
所述第一循环回路和供热循环回路之间设置有气体冷却器，所述气体冷却器用于第一循环回路中的二氧化碳和供热循环回路中的循环水之间的换热，所述气体冷却器具有相邻设置的第一换热管路和第二换热管路，所述第一换热管路连接在所述第一循环回路中，所述第二换热管路连接在所述的供热循环回路中且位于散热单元之前，流经第一换热管路的二氧化碳放热使流经第二换热管路的循环水升温，所述第二换热管路中流出的循环水被送入散热单元中。
所述供热循环回路和第二循环回路之间设置有第二蒸发器，所述第二蒸发器用于第二循环回路中的氟利昂和供热循环回路中的循环水之间的换热，所述第二蒸发器具有相邻设置的第三换热管路和第四换热管路，所述第三换热管路连接在所述第二循环回路中，所述第四换热管路连接在所述供热循环回路中且位于散热单元之后，所述散热单元流出的循环水被送入第二换热管路中，流经第三换热管路的氟利昂吸热使流经第二换热管路的循环水降温。
所述分流管路连接在所述供热循环回路上，所述分流管路的进口接入在所述供热循环回路位于散热单元和第二蒸发器之间的管路上，所述分流管路的出口接入在所述供热循环回路位于气体冷却器和散热单元之间的管路上，所述循环水能够从分流管路的进口流出供热循环回路并从分流管路的出口流回供热循环回路。
所述第二循环回路和分流管路之间设置有冷凝器，所述冷凝器用于第二循环回路和分流管路之间的换热，所述冷凝器具有相邻设置的第五换热管路和第六换热管路，所述第五换热管路连接在所述第二循环回路中，所述第六换热管路连接在分流管路中，流经第五换热管路的氟利昂放热使流经第六换热管路的循环水升温。
具体的，所述第一循环回路设置有第一压缩机、第一蒸发器和第一节流机构，所述第一压缩机的排气口与所述第一换热管路的进口连接，所述第一节流机构设置在气体冷却器和第一蒸发器之间，所述第一换热管路的出口通过第一节流机构与所述第一蒸发器的进口连接，所述第一节流机构用于调节第一循环回路中制冷剂的流量，所述第一蒸发器的出口与所述第一压缩机的吸气口连接，所述第一蒸发器内流通的制冷剂能够吸收外界的热量。
具体的，所述第二循环回路还设置有第二压缩机和第二节流机构，所述第二压缩机的排气口与所述第五换热管路的进口连接，所述第二节流机构设置在冷凝器和第二蒸发器之间，所述第五换热管路的出口通过第二节流机构与所述第三换热管路的进口连接，所述第二节流机构用于调节第二循环回路中制冷剂的流量，所述第三换热管路的出口与所述第二压缩机的吸气口连接。
进一步的，所述供热循环回路还设置有三通阀门，所述供热循环回路通过三通阀门与分流管路的进口连接，所述三通阀门的三个阀口依次与散热单元内管路的出口、第四换热管路的进口以及第六换热管路的进口连接。
具体的，所述三通阀门为三通比例调节阀，所述三通阀门用于调节进入第四换热管路和第六换热管路中的循环水的流量。
具体的，所述供热循环回路中还设置有水箱和水泵，所述水箱具有两个进口和一个出口，所述水箱的一个进口与所述第二换热管路的出口连接，另一个进口与所述第六换热管路的出口连接，所述水箱的出口通过水泵与散热单元内管路的进口连接，所述水泵用于将水箱内的循环水送入散热单元中。
优选的，所述水泵为通过变频控制的变频水泵。
进一步的，所述供热系统还包括设置在水箱内的第一温度传感器和设置在供热区域的第二温度传感器，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别与所述控制单元连接，所述第一温度传感器反馈水箱内的水温给控制单元，所述第二温度传感器反馈供热区域的温度给控制单元。
优选的，所述散热单元为暖气片或风机盘管。
具体的，所述的第二循环回路中的氟利昂为R134a或R404a环保制冷剂。
以上所涉及到的前后等方位词，是在所述二氧化碳热泵供热系统的正常使用时制冷剂的流向的方位作定义的。
本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：采用第二循环回路对进入气体冷却器的循环水降温，加大气体冷却器的进出水温差，提升第一循环回路的跨临界循环换热效率，有效防止了循环水水温度过高导致的第一压缩机排气压力、温度过高负荷过大不能正常工作的情况出现。本发明能够在较低的环境温度下稳定和高效地运行。制热量衰减低，能效高。可以实现高温供暖或烘干。
附图说明
图1为本发明二氧化碳热泵供热系统结构原理图；
其中：1、第一压缩机；2、气体冷却器；3、第一节流机构；4、第一蒸发器；5、第二压缩机；6、冷凝器；7、第二节流机构；8、第二蒸发器；9、水箱；10、水泵；11、散热单元；12、三通阀门；21、第一换热管路；22、第二换热管路；61、第五换热管路；62、第六换热管路；81、第三换热管路；82、第四换热管路；101、第一循环回路；102、供热循环回路；103、第二循环回路；104、分流管路。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种二氧化碳热泵供热系统，包括控制单元（图未示）。所述控制单元能够控制供热系统工作向供热区域供热。所述供热系统还包括第一循环回路101、供热循环回路102、第二循环回路103和分流管路104。所述第一循环回路101和供热循环回路102之间设置有气体冷却器（2）。所述气体冷却器2具有相邻设置的第一换热管路21和第二换热管路22。所述供热循环回路102和第二循环回路103之间设置有第二蒸发器8。所述第二蒸发器8具有相邻设置的第三换热管路81和第四换热管路82。所述第二循环回路103和分流管路104之间设置有冷凝器6。所述冷凝器6具有相邻设置的第五换热管路61和第六换热管路62。所述分流管路104连接在所述供热循环回路102上。所述循环水能够从分流管路104的进口流出供热循环回路102并从分流管路104的出口流回供热循环回路102。
所述第一循环回路101内循环流通的制冷剂为二氧化碳，所述第一循环回路101用于向供热循环回路102供热。所述第一循环回路101设置有第一压缩机1、第一蒸发器4和第一节流机构3。所述第一换热管路21连接在所述第一循环回路101中。所述第一压缩机1的排气口与所述第一换热管路21的进口连接，所述第一节流机构3设置在气体冷却器2和第一蒸发器4之间。所述第一换热管路21的出口通过第一节流机构3与所述第一蒸发器4的进口连接。所述第一节流机构3用于调节第一循环回路101中制冷剂的流量。所述第一蒸发器4的出口与所述第一压缩机1的吸气口连接，所述第一蒸发器4内流通的制冷剂能够吸收外界的热量。所述第一压缩机1和第一蒸发器4均为采用变频控制的设备。
所述供热循环回路102内循环流通的介质为循环水，所述供热循环回路102中设置有用于向供热区域散热的散热单元11、三通阀门12、水箱9和水泵10。所述第二换热管路22和第四换热管路82分别连接在所述供热循环回路102中。所述散热单元11中具有供循环水经过的管路。本实施例中，所述散热单元11为暖气片或风机盘管。
所述供热循环回路102通过三通阀门12与分流管路104的进口连接。具体地说，所述三通阀门12的三个阀口依次与散热单元11内管路的出口、第四换热管路82的进口以及第六换热管路62的进口连接。本实施例中，所述三通阀门12为三通比例调节阀，所述三通阀门12用于调节进入第四换热管路82和第六换热管路62中的循环水的流量。
所述水箱9具有两个进口和一个出口。所述水箱9的一个进口与所述第二换热管路22的出口连接，另一个进口与所述第六换热管路62的出口连接。所述水箱9的出口通过水泵10与散热单元11内管路的进口连接。所述水泵10用于将水箱9内的循环水送入散热单元11中。本实施例中，所述水泵10为通过变频控制的变频水泵。
所述第二循环回路103内循环流通的制冷剂为氟利昂。本实施例中，所述的氟利昂为R134a或R404a环保制冷剂。所述第二循环回路103用于调节供热循环回路102中循环水的水温。所述第二循环回路103设置有第二压缩机5和第二节流机构7。所述第三换热管路81和第五换热管路61分别连接在所述第二循环回路103中。所述第二压缩机5的排气口与所述第五换热管路61的进口连接。所述第二节流机构7设置在冷凝器6和第二蒸发器8之间。所述第五换热管路61的出口通过第二节流机构7与所述第三换热管路81的进口连接。所述第二节流机构7用于调节第二循环回路103中制冷剂的流量，所述第三换热管路81的出口与所述第二压缩机5的吸气口连接。
所述气体冷却器2用于第一循环回路101中的二氧化碳和供热循环回路102中的循环水之间的换热。流经第一换热管路21的二氧化碳放热使流经第二换热管路22的循环水升温。所述第二换热管路22中流出的循环水被送入散热单元11中。所述第二蒸发器8用于第二循环回路103和供热循环回路102之间的换热。所述散热单元11流出的循环水被送入第二换热管路22中，流经第三换热管路81的氟利昂吸热使流经第二换热管路22的循环水降温。所述冷凝器6用于第二循环回路103和分流管路104之间的换热。所述第六换热管路62连接在分流管路104中，流经第五换热管路61的氟利昂放热使流经第六换热管路62的循环水升温。
所述供热系统还包括设置在水箱9内的第一温度传感器（图未示）和设置在供热区域的第二温度传感器（图未示）。所述第一温度传感器和第二温度传感器分别与所述控制单元连接，所述第一温度传感器反馈水箱9内的水温给控制单元，所述第二温度传感器反馈供热区域的温度给控制单元。所述控制单元内设定有水温控制值和供热区域温度控制值。当第一温度传感器检测的水温大于等于水温控制值时，所述控制单元控制第一循环回路101和第二循环回路103停止工作。当第二温度传感器检测的供热区域温度大于等于供热区域温度控制值，所述控制单元就会控制二氧化碳热泵供热系统停止工作。
本发明所述的二氧化碳热泵供热系统，通过第一循环回路101和第二循环回路103的配合调节供热循环回路102内循环水的水温进而对供热区域供热。第一循环回路101用二氧化碳作为制冷剂。二氧化碳具有无毒、不燃、成本低廉、ODP值为0、温室效应很低等优点，且其跨临界循环的放热过程伴随有较大温度滑移，与水加热时的温升相匹配，能够一次性制取高达90℃的热水，同时其在低温工况下下也能达到较高的能效比和热水温度。二氧化碳作为低温级工质，能够在超低温环境下稳定运行，制热量衰减低，能效高。二氧化碳作为低温级工质，单位容积制冷量远高于常规氟利昂工质。
供热循环回路102中循环水通过与第一循环回路101内的二氧化碳换热升温形成高温的循环水从第二换热管路22流出进入水箱9中。水箱9中的循环水通过水泵10送入散热单元11，散热单元11向供热区域散热使供热区域的环境温度上升。从散热单元11流出的循环水在三通阀门12处分成两路，一路作为第二循环回路103的第二蒸发器的水源热源，进入第二蒸发器8的第四换热管路82与第二循环回路103中的氟利昂换热，循环水水温下降后再进入第二换热管路22的进口，如此循环往复。另一路在分流管路104中流动，经过冷凝器6中的第六换热管路62与第二循环回路103中的氟利昂换热，循环水水温上升后再回到水箱9中，如此循环往复。
本发明提供的可用于烘干或供暖的二氧化碳热泵供热系统，通过第二循环回路103中的氟利昂高温工质制冷剂回收散热单元11散热后的循环水的热量，调整并降低第一循环回路101中气体冷却器2的进水温度，即加大气体冷却器2的进出水温差，提升第一循环回路101的跨临界循环换热效率，有效防止了循环水水温度过高导致的第一压缩机1排气压力、温度过高负荷过大不能正常工作的情况出现。本发明能够在较低的环境温度下稳定和高效地运行。制热量衰减低，能效高。可以实现高温供暖或烘干。
上述二氧化碳热泵供热系统中仅体现了主要的制冷部件，其他辅助部件，比如阀门件和压力容器等未示出。
如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。

Claims (7)

1.一种二氧化碳热泵供热系统，包括控制单元、第一循环回路(101)、供热循环回路(102)、第二循环回路(103)和分流管路(104)，所述第一循环回路(101)内循环流通的制冷剂为二氧化碳，所述第一循环回路(101)用于向所述供热循环回路(102)供热，所述第一循环回路(101)和供热循环回路(102)之间设置有气体冷却器(2)，所述气体冷却器(2)用于第一循环回路(101)中的二氧化碳和供热循环回路(102)中的循环水之间的换热；所述供热循环回路(102)内循环流通的介质为循环水，所述供热循环回路(102)中设置有用于向供热区域散热的散热单元(11)，所述散热单元(11)中具有供循环水经过的管路，所述供热循环回路(102)和第二循环回路(103)之间设置有第二蒸发器(8)；所述第二循环回路(103)用于调节供热循环回路(102)中循环水的水温，所述第二循环回路(103)和分流管路(104)之间设置有冷凝器(6)，所述冷凝器(6)用于第二循环回路(103)和分流管路(104)之间的换热；所述分流管路(104)连接在所述供热循环回路(102)上，所述分流管路(104)的进口接入在所述供热循环回路(102)位于散热单元(11)和第二蒸发器(8)之间的管路上，所述分流管路(104)的出口接入在所述供热循环回路(102)位于气体冷却器(2)和散热单元(11)之间的管路上，所述循环水能够从分流管路(104)的进口流出供热循环回路(102)并从分流管路(104)的出口流回供热循环回路(102)；其特征在于：
所述第二循环回路(103)内循环流通的制冷剂为氟利昂；
所述气体冷却器(2)具有相邻设置的第一换热管路(21)和第二换热管路(22)，所述第一换热管路(21)连接在所述第一循环回路(101)中，所述第二换热管路(22)连接在所述的供热循环回路(102)中且位于散热单元(11)之前，流经第一换热管路(21)的二氧化碳放热使流经第二换热管路(22)的循环水升温，所述第二换热管路(22)中流出的循环水被送入散热单元(11)中；
所述第二蒸发器(8)用于第二循环回路(103)中的氟利昂和供热循环回路(102)中的循环水之间的换热，所述第二蒸发器(8)具有相邻设置的第三换热管路(81)和第四换热管路(82)，所述第三换热管路(81)连接在所述第二循环回路(103)中，所述第四换热管路(82)连接在所述供热循环回路(102)中且位于散热单元(11)之后，所述散热单元(11)流出的循环水被送入第二换热管路(22)中，流经第三换热管路(81)的氟利昂吸热使流经第二换热管路(22)的循环水降温；所述冷凝器(6)具有相邻设置的第五换热管路(61)和第六换热管路(62)，所述第五换热管路(61)连接在所述第二循环回路(103)中，所述第六换热管路(62)连接在分流管路(104)中，流经第五换热管路(61)的氟利昂放热使流经第六换热管路(62)的循环水升温；
所述供热循环回路(102)中还设置有水箱(9)和水泵(10)，所述水箱(9)具有两个进口和一个出口，所述水箱(9)的一个进口与所述第二换热管路(22)的出口连接，另一个进口与所述第六换热管路(62)的出口连接，所述水箱(9)的出口通过水泵(10)与散热单元(11)内管路的进口连接，所述水泵(10)为通过变频控制的变频水泵，所述水泵(10)用于将水箱(9)内的循环水送入散热单元(11)中；
所述供热系统还包括设置在水箱(9)内的第一温度传感器和设置在供热区域的第二温度传感器，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别与所述控制单元连接，所述第一温度传感器反馈水箱(9)内的水温给控制单元，所述第二温度传感器反馈供热区域的温度给控制单元；
所述控制单元能够控制供热系统工作向供热区域供热，所述控制单元内设定有水温控制值和供热区域温度控制值，当第一温度传感器检测的水温大于等于水温控制值时，所述控制单元控制第一循环回路(101)和第二循环回路(103)停止工作，当第二温度传感器检测的供热区域温度大于等于供热区域温度控制值，所述控制单元就会控制二氧化碳热泵供热系统停止工作。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热泵供热系统，其特征在于，所述第一循环回路(101)设置有第一压缩机(1)、第一蒸发器(4)和第一节流机构(3)，所述第一压缩机(1)的排气口与所述第一换热管路(21)的进口连接，所述第一节流机构(3)设置在气体冷却器(2)和第一蒸发器(4)之间，所述第一换热管路(21)的出口通过第一节流机构(3)与所述第一蒸发器(4)的进口连接，所述第一节流机构(3)用于调节第一循环回路(101)中制冷剂的流量，所述第一蒸发器(4)的出口与所述第一压缩机(1)的吸气口连接，所述第一蒸发器(4)内流通的制冷剂能够吸收外界的热量。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热泵供热系统，其特征在于，所述第二循环回路(103)设置有第二压缩机(5)和第二节流机构(7)，所述第二压缩机(5)的排气口与所述第五换热管路(61)的进口连接，所述第二节流机构(7)设置在冷凝器(6)和第二蒸发器(8)之间，所述第五换热管路(61)的出口通过第二节流机构(7)与所述第三换热管路(81)的进口连接，所述第二节流机构(7)用于调节第二循环回路(103)中制冷剂的流量，所述第三换热管路(81)的出口与所述第二压缩机(5)的吸气口连接。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热泵供热系统，其特征在于，所述供热循环回路(102)还设置有三通阀门(12)，所述供热循环回路(102)通过三通阀门(12)与分流管路(104)的进口连接，所述三通阀门(12)的三个阀口依次与散热单元(11)内管路的出口、第四换热管路(82)的进口以及第六换热管路(62)的进口连接。
5.根据权利要求4所述的一种二氧化碳热泵供热系统，其特征在于，所述三通阀门(12)为三通比例调节阀，所述三通阀门(12)用于调节进入第四换热管路(82)和第六换热管路(62)中的循环水的流量。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热泵供热系统，其特征在于，所述散热单元(11)为暖气片或风机盘管。
7.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热泵供热系统，其特征在于，所述的第二循环回路(103)中的氟利昂为R134a或R404a环保制冷剂。
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