CN107328102A - 一种二氧化碳复合式热泵热水及空调系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳复合式热泵热水及空调系统及其控制方法，其系统是由二氧化碳热泵单元、氟循环单元和储水箱构成；二氧化碳热泵单元是以二氧化碳为制冷剂，形成第一热泵循环回路；氟循环单元是以氟里昂为制冷剂，利用四通阀和各切换阀构成可选通的第二热泵循环回路、热泵与制冷循环回路和制冷空调循环回路。本发明能够全年在较宽的温区内分别实现供暖、供冷和供热水的不同工作模式，并确保系统平稳可靠和节能运行。
Description
技术领域
本发明涉及制冷空调技术领域，具体涉及二氧化碳热泵单元与氟利昂热泵空调单元复合的热泵热水及空调系统及其控制方法。
背景技术
我国华北和北方地区在冬季普遍使用燃煤供暖和提供生活热水，燃煤产生大量粉尘和二氧化硫等有害气体，使用洁净的供暖和生活热水生产方式迫在眉睫，空气能热泵以其高效率、环境友好、使用便捷等因素倍受重视，尤其在没有集中供暖的农村地区。
常规空气能热泵采用氟利昂类制冷剂，受其热物性的制约，在低于-15℃的气温条件下，制热能力和制热效率衰减严重，不能满足室内的热舒适性和生活用水水温的需求。二氧化碳是天然环保制冷剂，具有良好的热力特性和较高的传热系数，用于热泵具有较高的热效率和高出水温度，但在夏季制冷时存在热效率偏低、系统压力高等不足。
中国发明专利CN201310573821.X公开了一种热泵热水器，其包括水箱、用于对水箱内的水进行加热的热泵主机、太阳能光伏板及光伏控制器，使用光伏发电对日照依赖较大，氟利昂制冷热泵系统不能满足低温季节的供暖和供热水需求。
中国发明专利CN201510200855.3公开一种复合型热泵机组，其包括吸收式热泵、水-水换热器和压缩式制冷机。但吸收式热泵机组由于其体型大、效率低，不适宜用于家庭供暖，成本效益及其商业性不佳。
中国发明专利CN201510355069.0公开了一种二氧化碳热泵加热装置，但由于二氧化碳热力特性的限制，不适宜夏季空调供冷。
中国发明专利CN201610832626公开了一种太阳能热泵热水系统及方法，其同样受到日照强度和日照时间的限制，并且只能制备热水，功能单一。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种二氧化碳复合式热泵热水及空调系统及其控制方法，将氟利昂类热泵单元与二氧化碳热泵单元组合成复合式系统，以满足冬季寒冷地区的供暖和供热水需求，也能满足夏季的空调供冷和兼供热水，特别适用于华北及其以北地区的商用和民用，也能适用于华东地区生产高温热水和空调制冷。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的特点是所述系统是由二氧化碳热泵单元、氟循环单元和储水箱构成；
所述二氧化碳热泵单元是以二氧化碳为制冷剂，第一换热器设置在二氧化碳制冷压缩机的出口管路中，第一室外换热器设置在二氧化碳制冷压缩机的入口管路中，在所述第一换热器和第一室外换热器之间设置第一节流阀，形成第一热泵循环回路；
所述氟循环单元是以氟里昂为制冷剂，利用四通阀和各切换阀构成如下可选通的各循环回路：
第二热泵循环回路：自压缩机的出口端依次经四通阀的第一端口和第二端口、第二切换阀、第二换热器、第三切换阀、第三节流阀进入第二室外换热器，再经四通阀的第四端口和第三端口返回压缩机的入口端；
热泵与制冷循环回路：自压缩机的出口端依次经四通阀的第一端口和第二端口、第二切换阀、第二换热器、第三切换阀、第四切换阀、第二节流阀、室内空气冷却器，第一切换阀，再经四通阀的第四端口和第三端口返回压缩机的入口端；
制冷空调循环回路：自压缩机的出口端依次经四通阀的第一端口和第四端口、第二室外换热器、切换阀、第二节流阀、室内空气冷却器、第一切换阀、第二切换阀，再经四通阀的第二端口和第三端口返回压缩机的入口端；
第一换热器和第二换热器共同设置在储水箱中。
本发明二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的结构特点也在于：所述氟里昂为环保型制冷剂，可以是R410、R32或R134a。
本发明二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的结构特点也在于：所述室内空气冷却器为室内侧空调末端，可以是一个或多个。
本发明二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的结构特点也在于：所述储水箱为柱状体，所述第一换热器和第二换热器分别位于柱状体内腔的上部和下部，在所述柱状体的下部设置补水口C和回水口B，在柱状体的顶部设置热水出水口A，以热水出水满足室内供暖和生活热水供给的需求。
本发明二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的控制方式的特点是利用控制器控制所述系统按如下不同的模式进行工作：
第一工作模式为制冷工作模式：由所述二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通所述氟循环单元在制冷空调循环回路中运行；以所述室内空气冷却器作为氟循环单元的蒸发器，为室内空气降温和除湿，以所述第二室外换热器作为氟循环单元的冷凝器向室外放热；
第二工作模式为制冷和热水供给工作模式：由所述二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通所述氟循环单元在热泵与制冷循环回路中运行，以所述室内空气冷却器作为氟循环单元的蒸发器，为室内空气降温和除湿，以所述第二换热器作为氟循环单元的冷凝器，放热并生产热水；
第三工作模式为热水供给模式M1：由所述二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通所述氟循环单元在第二热泵循环回路中运行，以所述第二换热器作为氟循环回路的冷凝器，放热并生产热水，以所述第二室外换热器作为蒸发器从室外空气中吸热；
第四工作模式为热水供给模式M2：所述氟循环单元停止运行；由所述二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路投入运行；以所述第一换热器作为二氧化碳热泵循环回路的气体冷却器，放热并加热热水，以所述第一室外换热器作为蒸发器从室外空气中吸热；
第五工作模式为热水供给模式M3：当室外温度Ta低于设定的上限室外环境温度Tco，单独以第二热泵循环回路运行不能满足供水水温要求时，设置第一热泵循环回路和第二热泵循环回路协同运行的双循环复合热泵工作模式。
本发明二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的控制方式的特点也在于：针对所述第五工作模式，按如下方式控制第一热泵循环回路和第二热泵循环回路的协同运行：
利用温度传感器分别检测获得热水出水口A的出水温度T以及室外温度Ta；
供水温度设定值为Ts±ΔTs，其中ΔTs为供水温度的允许偏差；
设定二氧化碳热泵单元启动运行的上限室外环境温度为Tco；
在Ta≤Tco时：当T≤Ts–ΔT，且第二热泵循环回路的持续运行时长达到t1时，启动第一热泵循环回路运行；当T≥Ts+ΔT，且第一热泵循环回路持续运行时长达到t2时，停止第一热泵循环回路的运行；其中t1、t2为设定值。
与已有技术相比，本发明有益效果主要体现在：
1、本发明集成了二氧化碳热泵技术和氟利昂类热泵空调技术。二氧化碳热泵在低温季节可以高效运行，解决了寒冷地区传统热泵供热能力不足的问题；在中温和高温季节氟利昂类热泵空调有较高的能效比，系统能同时满足热水供应和制冷空调的需求，在宽温区内高效可靠地运行，满足用户热水、供暖和空调制冷等多种需求。
2、二氧化碳的单位容积制热量高，属于天然制冷剂，环保性能好，低温季节热泵效率高、生产的热水温度高，本发明以其作为氟利昂类热泵空调系统的补充，向下拓宽了热泵的工作温区，并构成了低温季节二次加热模式，有效解决了常规氟利昂类热泵在寒冷季节供暖和供热水问题；在高温季节运行氟单元，既可生产热水，又提供空调制冷，具有制热和制冷双功能，热效率是普通空调的两倍以上，整机全年运行的综合能效高，节能环保优势明显。
附图说明
图1为本发明系统构成示意图；
图中标号：1二氧化碳制冷压缩机；2第一室外换热器；3第一节流阀；4第一换热器；10第二压缩机；11四通阀；12室内空气冷却器；13第二节流阀；14第二换热器；15第一切换阀、25第二切换阀、35第三切换阀、45第四切换阀；20储水箱；22第二室外换热器，A热水出水口、B回水口、C补水口。
具体实施方式
参见图1，本实施例中二氧化碳复合式热泵热水及空调系统是由二氧化碳热泵单元、氟循环单元和储水箱20构成；
二氧化碳热泵单元是以二氧化碳为制冷剂，第一换热器4设置在二氧化碳制冷压缩机1的出口管路中，第一室外换热器2设置在二氧化碳制冷压缩机1的入口管路中，在第一换热器4和第一室外换热器2之间设置第一节流阀3，形成第一热泵循环回路；氟循环单元是以氟里昂为制冷剂，利用四通阀11和各切换阀构成如下可选通的各循环回路：
第二热泵循环回路：自压缩机10的出口端依次经四通阀11的第一端口和第二端口、第二切换阀25、第二换热器14、第三切换阀35、第三节流阀23进入第二室外换热器22，再经四通阀11的第四端口和第三端口返回压缩机10的入口端。
热泵与制冷循环回路：自压缩机10的出口端依次经四通阀11的第一端口和第二端口、第二切换阀25、第二换热器14、第三切换阀35、第四切换阀45、第二节流阀13、室内空气冷却器12，第一切换阀15，再经四通阀11的第四端口和第三端口返回压缩机10的入口端。
制冷空调循环回路：自压缩机10的出口端依次经四通阀11的第一端口和第四端口、第二室外换热器22、切换阀45、第二节流阀13、室内空气冷却器12、第一切换阀15、第二切换阀25，再经四通阀11的第二端口和第三端口返回压缩机10的入口端。
其中，与压缩机10的出口端即排气口相连接的四通阀11的端口记为第一端口，自第一端口起，按顺时针方向依次为第二端口、第三端口和第四端口，第一换热器4和第二换热器14共同设置在储水箱20中。
具体实施中，氟里昂为环保型制冷剂，如R410、R32，或R134a等；室内空气冷却器12为室内侧空调末端，为管片式结构的蒸发器，可以是一个或多个，通过室内空气冷却器12释放冷量，为室内降温除湿；储水箱20为柱状体，第一换热器4和第二换热器14分别位于柱状体内腔的上部和下部，在柱状体的下部设置补水口C和回水口B，在柱状体的顶部设置热水出水口A，以热水出水满足室内供暖和生活热水供给的需求。
本实施例中二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的控制方式是利用控制器控制系统按如下不同的模式进行工作：
第一工作模式为夏季运行的制冷工作模式：由二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通氟循环单元在制冷空调循环回路中运行；以室内空气冷却器12作为氟循环单元的蒸发器，为室内空气降温和除湿，以第二室外换热器22作为氟循环单元的冷凝器向室外放热。
第二工作模式为夏季运行的制冷和热水供给工作模式，在为室内降温除湿的同时提供生活热水，由二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通氟循环单元在热泵与制冷循环回路中运行，以室内空气冷却器12作为氟循环单元的蒸发器，为室内空气降温和除湿，以第二换热器14作为氟循环单元的冷凝器，放热并生产热水。
第三工作模式为热水供给模式M1：由二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通氟循环单元在第二热泵循环回路中运行，以第二换热器14作为氟循环回路的冷凝器，放热并生产热水，以第二室外换热器22作为蒸发器从室外空气中吸热。
第四工作模式为热水供给模式M2：氟循环单元停止运行；由二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路投入运行；以第一换热器4作为二氧化碳热泵循环回路的气体冷却器，放热并加热热水，以第一室外换热器2作为蒸发器从室外空气中吸热。
第五工作模式为热水供给模式M3：当室外温度Ta低于设定的上限室外环境温度Tco，单独以第二热泵循环回路运行不能满足供水水温要求时，设置第一热泵循环回路和第二热泵循环回路协同运行的双循环复合热泵工作模式；针对第五工作模式，按如下方式控制第一热泵循环回路和第二热泵循环回路的协同运行：
利用温度传感器分别检测获得热水出水口A的出水温度T以及室外温度Ta；供水温度设定值为Ts±ΔTs，其中ΔTs为供水温度的允许偏差；为了避免二氧化碳热泵单元在较高室外温度下低效运行，设定二氧化碳热泵单元启动运行的上限室外环境温度为Tco，则：在Ta≤Tco时：当T≤Ts–ΔT，且第二热泵循环回路的持续运行时长达到t1时，启动第一热泵循环回路运行；当T≥Ts+ΔT，且第一热泵循环回路持续时长达到t2时，停止第一热泵循环回路的运行；其中t1、t2为设定值。
具体实施中，设置控制器用于检测系统的运行参数，并控制压缩机的启动、停止和运行中的能力调节，通过各切换阀选通相应的循环回路，满足全年在较宽的温区内分别实现供暖、供冷和供热水的不同工作模式。
Claims (6)
1.一种二氧化碳复合式热泵热水及空调系统，其特征是所述系统是由二氧化碳热泵单元、氟循环单元和储水箱(20)构成；
所述二氧化碳热泵单元是以二氧化碳为制冷剂，第一换热器(4)设置在二氧化碳制冷压缩机(1)的出口管路中，第一室外换热器(2)设置在二氧化碳制冷压缩机(1)的入口管路中，在所述第一换热器(4)和第一室外换热器(2)之间设置第一节流阀(3)，形成第一热泵循环回路；
所述氟循环单元是以氟里昂为制冷剂，利用四通阀(11)和各切换阀构成如下可选通的各循环回路：
第二热泵循环回路：自压缩机(10)的出口端依次经四通阀(11)的第一端口和第二端口、第二切换阀(25)、第二换热器(14)、第三切换阀(35)、第三节流阀(23)进入第二室外换热器(22)，再经四通阀(11)的第四端口和第三端口返回压缩机(10)的入口端；
热泵与制冷循环回路：自压缩机(10)的出口端依次经四通阀(11)的第一端口和第二端口、第二切换阀(25)、第二换热器(14)、第三切换阀(35)、第四切换阀(45)、第二节流阀(13)、室内空气冷却器(12)，第一切换阀(15)，再经四通阀(11)的第四端口和第三端口返回压缩机(10)的入口端；
制冷空调循环回路：自压缩机(10)的出口端依次经四通阀(11)的第一端口和第四端口、第二室外换热器(22)、切换阀(45)、第二节流阀(13)、室内空气冷却器(12)、第一切换阀(15)、第二切换阀(25)，再经四通阀(11)的第二端口和第三端口返回压缩机(10)的入口端；
第一换热器(4)和第二换热器(14)共同设置在储水箱(20)中。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳复合式热泵热水及空调系统，其特征是：所述氟里昂为环保型制冷剂，可以是R410、R32或R134a。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳复合式热泵热水及空调系统，其特征是：所述室内空气冷却器(12)为室内侧空调末端，可以是一个或多个。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳复合式热泵热水及空调系统，其特征是：所述储水箱(20)为柱状体，所述第一换热器(4)和第二换热器(14)分别位于柱状体内腔的上部和下部，在所述柱状体的下部设置补水口C和回水口B，在柱状体的顶部设置热水出水口A，以热水出水满足室内供暖和生活热水供给的需求。
5.一种权利要求1所述的二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的控制方式，其特征是利用控制器控制所述系统按如下不同的模式进行工作：
第一工作模式为制冷工作模式：由所述二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通所述氟循环单元在制冷空调循环回路中运行；以所述室内空气冷却器(12)作为氟循环单元的蒸发器，为室内空气降温和除湿，以所述第二室外换热器(22)作为氟循环单元的冷凝器向室外放热；
第二工作模式为制冷和热水供给工作模式：由所述二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通所述氟循环单元在热泵与制冷循环回路中运行，以所述室内空气冷却器(12)作为氟循环单元的蒸发器，为室内空气降温和除湿，以所述第二换热器(14)作为氟循环单元的冷凝器，放热并生产热水；
第三工作模式为热水供给模式M1：由所述二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路停止运行；选通所述氟循环单元在第二热泵循环回路中运行，以所述第二换热器(14)作为氟循环回路的冷凝器，放热并生产热水，以所述第二室外换热器(22)作为蒸发器从室外空气中吸热；
第四工作模式为热水供给模式M2：所述氟循环单元停止运行；由所述二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路投入运行；以所述第一换热器(4)作为二氧化碳热泵循环回路的气体冷却器，放热并加热热水，以所述第一室外换热器(2)作为蒸发器从室外空气中吸热；
第五工作模式为热水供给模式M3：当室外温度Ta低于设定的上限室外环境温度Tco，单独以第二热泵循环回路运行不能满足供水水温要求时，设置第一热泵循环回路和第二热泵循环回路协同运行的双循环复合热泵工作模式。
6.根据权利要求5所述的二氧化碳复合式热泵热水及空调系统的控制方式，其特征是：针对所述第五工作模式，按如下方式控制第一热泵循环回路和第二热泵循环回路的协同运行：
利用温度传感器分别检测获得热水出水口A的出水温度T以及室外温度Ta；
供水温度设定值为Ts±ΔTs，其中ΔTs为供水温度的允许偏差；
设定二氧化碳热泵单元启动运行的上限室外环境温度为Tco；
在Ta≤Tco时：当T≤Ts–ΔT，且第二热泵循环回路的持续运行时长达到t1时，启动第一热泵循环回路运行；当T≥Ts+ΔT，且第一热泵循环回路持续运行时长达到t2时，停止第一热泵循环回路的运行；其中t1、t2为设定值。
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