CN107328103B - 二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组及其控制方法 - 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冷水机组及其控制方法，由以二氧化碳为制冷剂的二氧化碳热泵单元、以HFC氟类物质为制冷剂的氟循环单元和水路系统构成；在控制器的控制下能够选通各不同的循环回路，包括由二氧化碳热泵单元构成的第一热泵循环回路，由氟循环单元构成的第二热泵循环回路和制冷循环回路；系统回水能够经过二次换热出水。本发明能够实现供冷、供暖和供高温热水等多种应用功能；将传统的氟利昂热泵技术与二氧化碳热泵技术融合，构成复合式制冷热泵系统，在较宽的温区内高效、可靠工作，满足全天候供暖、制冷和热水需求。
Description
技术领域
本发明涉及制冷空调技术领域，具体涉及一种二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组及其控制方法。
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，制热能力严重不足、热水温度偏低，不能满足室内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，但在夏季制冷时具有热效率偏低、系统压力高等不足。
中国发明专利201110312645.5提供一种改进的热泵系统，该热泵系统是在现有的地源热泵系统上增加空气源热泵机组，该空气源补热机组可以单独与空调设备连通，从而在地源热泵机组运行性能较差或输出不足时，使得所述热泵系统能够单独地或与地源热泵机组联合向空调系统供暖。但是，该热泵系统功能较为单一，在寒冷地区存在着效率下降、满足不了人们对热水需求的问题。
中国发明专利CN201510355069.0公开了一种二氧化碳热泵加热装置。该二氧化碳热泵加热装置包括热泵系统和水路系统。由于二氧化碳工质的特性不能在夏季为用户提供冷量，造成资源的极大浪费。
中国发明专利CN201310573821.X公开了一种热泵热水器，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组成，使用光伏发电对当地日照依赖较大，但氟利昂制冷热泵系统不能解决低温季节的供暖和供热水需求。
中国发明专利CN201510395706.7公开了一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，包括跨临界压缩子系统以及将跨临界压缩子系统作为热源的热泵子系统。此系统结构过于复杂，成本较高，不利于商业推广。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供的一种二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组及其控制方法，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，不仅满足冬季寒冷地区的供暖和供热水需求，同时满足夏季的供冷需求，适用于华北及其以北地区的商用和民用，也普遍适用于华东地区生产中高温热水和冷水。
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冷水机组的特点是所述机组是由二氧化碳热泵单元、氟循环单元和水路系统构成；所述机组在控制器的控制下能够选通如下各循环回路；
第一热泵循环回路：由二氧化碳热泵单元构成，自第一压缩机的出口端依次经第一换热器、第一节流阀、室外第一风冷换热器、第一气液分离器，返回第一压缩机的入口端；
第二热泵循环回路：由氟循环单元构成，自第二压缩机的出口端依次经四通阀的第一端口和第二端口、第二换热器、第二节流阀、室外第二风冷换热器，再依次经四通阀的第四端口和第三端口以及第二气液分离器返回第二压缩机的入口端；
制冷循环回路：由氟循环单元构成，自第二压缩机的出口端依次经四通阀的第一端口和第四端口、室外第二风冷换热器、第二节流阀、第二换热器，再依次经四通阀的第二端口和第三端口以及第二气液分离器返回压缩机的入口端；
所述第一压缩机是以二氧化碳为制冷剂，所述第二压缩机是以HFC氟类物质为制冷剂；
所述水路系统中系统回水自入水口A进入第二换热器完成一次换热，所述第二换热器的出水经三通阀两路选通，其中一路是第二换热器的出水经三通阀的端口a和端口c进入第一换热器完成二次换热后在出水口B出水；另一路是第二换热器的出水经三通阀的端口a和端口b直接在出水口B出水。
本发明二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组的特点也在于：所述第一换热器和第二换热器为板式换热器。
本发明二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组的控制方法的特点是：利用控制器控制所述机组在如下各种不同的工作模式中运行：
第一工作模式：第一热泵循环回路停止运行，由氟循环单元构成的制冷循环回路投入运行，所述三通阀的a端口和b端口相连通，由入水口A引入的空调系统回水在第二换热器中通过换热完成制冷后，在出水口B提供冷水，形成制冷工作模式；
第二工作模式：第一热泵循环回路停止运行，第二热泵循环回路投入运行，所述三通阀的a端口和b端口相连通，形成氟热泵循环的热水供给工作模式；
第三工作模式：第一热泵循环回路投入运行，氟循环单元停止运行，所述三通阀的a端口和c端口相连通，形成二氧化碳热泵循环的热水供给工作模式；
第四工作模式：第一热泵循环回路和第二热泵循环回路均投入运行，所述三通阀的a端口和c端口相连通，实现复合型热水供给工作模式。
本发明二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组的控制方法的特点也在于：
定义：Ts1±ΔT为热水模式供水温度设定值；Ts2±ΔT为制冷模式供水温度设定值，ΔT为水温允许偏差；T为出水口B的出水温度，Ta为室外环境温度，Tco为设定的二氧化碳热泵单元启动运行的上限室外环境温度；
按如下方式实现制冷工作模式的能量调节和运行控制：
三通阀开启ab通道；在T≥Ts2+ΔT，且持续时间达到设定时间，氟循环单元运行第一工作模式，第二压缩机开启运行或加载；在T≤Ts2-ΔT，且持续时间达到设定时间，第二压缩机卸载，直至停机；
按如下方式实现热水供给工作模式的能量调节和运行控制：
在Ta＞Tco时独立运行氟循环单元的第二工作模式，三通阀开启ab通道，在T≤Ts1-ΔT，且持续时间达到设定时间，第二热泵循环回路的第二压缩机开启运行，或加载；在T≥Ts1+ΔT，且持续时间达到设定时间，第二压缩机卸载，直至停机；
在Ta≤Tco时，优先运行第三工作模式，三通阀开启ac通道，在T≤Ts1-ΔT，且持续时间达到设定时间，第一热泵循环回路的第一压缩机开启运行或加载，若第一压缩机达到最佳运行频率，仍满足T≤Ts1-ΔT的加载条件，则氟循环单元启动运行，机组进入第四工作模式，直至第二压缩机达到最佳运行频率，之后为第一压缩机和第二压缩机轮流加载，直至第一压缩机和第二压缩机都达到上限运行频率；在T≥Ts1+ΔT，且持续时间达到设定时间，第一压缩机和第二压缩机轮流减载，至第一热泵循环回路的第一压缩机卸载到最佳运行频率；如仍满足T≥Ts1+ΔT，第二压缩机减载，直至第二压缩机停机，运行第三工作模式。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明为二氧化碳热泵和氟利昂类热泵空调的复合系统，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，本发明复合系统可同时满足中高温热水供应和冷水需求；在宽温区内CO2复合式热泵热水及空调系统都可以高效、可靠运行，满足用户热水、供暖和冷水等各种需求。
2、本发明复合系统中，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、出水温度高，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，解决了常规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，又提供冷水，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为本发明系统结构流程示意图；
图中标号：1第一压缩机，2室外第一风冷换热器；3第一节流阀；4第一换热器；5第一气液分离器；10四通阀；11第二压缩机；12室外第二风冷换热器；13第二节流阀；14第二换热器；15第二气液分离器；21三通阀。
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冷水机组是由二氧化碳热泵单元、氟循环单元和水路系统构成；机组在控制器的控制下能够选通如下各循环回路；
第一热泵循环回路：由二氧化碳热泵单元构成，自第一压缩机1的出口端依次经第一换热器4、第一节流阀3、室外第一风冷换热器2、第一气液分离器5，返回第一压缩机1的入口端。
第二热泵循环回路：由氟循环单元构成，自第二压缩机11的出口端依次经四通阀10的第一端口和第二端口、第二换热器14、第二节流阀13、室外第二风冷换热器12，再依次经四通阀10的第四端口和第三端口以及第二气液分离器15返回第二压缩机11的入口端。
制冷循环回路：由氟循环单元构成，自第二压缩机11的出口端依次经四通阀10的第一端口和第四端口、室外第二风冷换热器12、第二节流阀13、第二换热器14，再依次经四通阀10的第二端口和第三端口以及第二气液分离器15返回压缩机11的入口端。
第一压缩机1是以二氧化碳为制冷剂，第二压缩机11是以HFC氟类物质为制冷剂；第一换热器4和第二换热器14为板式换热器。
水路系统中系统回水自入水口A进入第二换热器14完成一次换热，第二换热器14的出水经三通阀21两路选通，其中一路是第二换热器14的出水经三通阀21的端口a和端口c进入第一换热器4完成二次换热后在出水口B出水；另一路是第二换热器14的出水经三通阀21的端口a和端口b直接在出水口B出水。在需要冷水时，三通阀21开启ab通道；当环境温度高于设定的上限室外环境温度时，中温热水工作模式下，开启ab通道，高温热水工作模式下开启ac通道；当环境温度低于设定的上限室外环境温度，中高温热水模式下均开启ac通道。具体实施中，二氧化碳热泵单元运行的上限室外环境温度可以设定为25℃。
本实施例中二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组的控制方法是利用控制器控制机组在如下各种不同的工作模式中运行：
第一工作模式：第一热泵循环回路停止运行，由氟循环单元构成的制冷循环回路投入运行，三通阀21的a端口和b端口相连通，由入水口A引入的空调系统回水在第二换热器14中通过换热完成制冷后，在出水口B提供冷水，形成制冷工作模式；
第二工作模式：第一热泵循环回路停止运行，第二热泵循环回路投入运行，三通阀21的a端口和b端口相连通，形成氟热泵循环的热水供给工作模式；
第三工作模式：第一热泵循环回路投入运行，氟循环单元停止运行，三通阀21的a端口和c端口相连通，形成二氧化碳热泵循环的热水供给工作模式；
第四工作模式：第一热泵循环回路和第二热泵循环回路均投入运行，三通阀21的a端口和c端口相连通，实现复合型热水供给工作模式。
具体实施中，按如下方式实现不同的工作模式：
定义：Ts1±ΔT为热水模式供水温度设定值；Ts2±ΔT为制冷模式供水温度设定值，ΔT为水温允许偏差；T为出水口B的出水温度，Ta为室外环境温度，Tco为设定的二氧化碳热泵单元启动运行的上限室外环境温度，可以设置为25℃。
按如下方式实现热水供给工作模式的能量调节和运行控制：
三通阀21开启ab通道；在T≥Ts2+ΔT，且持续时间达到设定时间，氟循环单元运行第一工作模式，第二压缩机11开启运行，或加载；在T≤Ts2-ΔT，且持续时间达到设定时间，第二压缩机11卸载，直至停机。
在Ta＞Tco时独立运行氟循环单元的第二工作模式，三通阀21开启ab通道，在T≤Ts1-ΔT，且持续时间达到设定时间，第二热泵循环回路的第二压缩机11开启运行，或加载；在T≥Ts1+ΔT，且持续时间达到设定时间，第二压缩机11卸载，直至停机。
在Ta≤Tco时，优先运行第三工作模式，三通阀21开启ac通道，在T≤Ts1-ΔT，且持续时间达到设定时间，第一热泵循环回路的第一压缩机1开启运行或加载，若第一压缩机1达到最佳运行频率，仍满足T≤Ts1-ΔT的加载条件，则氟循环单元启动运行，机组进入第四工作模式，直至第二压缩机11达到最佳运行频率，之后为第一压缩机1和第二压缩机11轮流加载，直至第一压缩机1和第二压缩机11都达到上限运行频率；在T≥Ts1+ΔT，且持续时间达到设定时间，第一压缩机1和第二压缩机11轮流减载，至第一热泵循环回路的第一压缩机1卸载到最佳运行频率；如仍满足T≥Ts1+ΔT，第二压缩机11减载，直至第二压缩机11停机，运行第三工作模式。
Claims (2)
1.一种二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组，其特征是所述机组是由二氧化碳热泵单元、氟循环单元和水路系统构成；所述机组在控制器的控制下能够选通如下各循环回路；
第一热泵循环回路：由二氧化碳热泵单元构成，自第一压缩机(1)的出口端依次经第一换热器(4)、第一节流阀(3)、室外第一风冷换热器(2)、第一气液分离器(5)，返回第一压缩机(1)的入口端；
第二热泵循环回路：由氟循环单元构成，自第二压缩机(11)的出口端依次经四通阀(10)的第一端口和第二端口、第二换热器(14)、第二节流阀(13)、室外第二风冷换热器(12)，再依次经四通阀(10)的第四端口和第三端口以及第二气液分离器(15)返回第二压缩机(11)的入口端；
制冷循环回路：由氟循环单元构成，自第二压缩机(11)的出口端依次经四通阀(10)的第一端口和第四端口、室外第二风冷换热器(12)、第二节流阀(13)、第二换热器(14)，再依次经四通阀(10)的第二端口和第三端口以及第二气液分离器(15)返回第二压缩机(11)的入口端；
所述第一压缩机(1)是以二氧化碳为制冷剂，所述第二压缩机(11)是以HFC氟类物质为制冷剂；
所述水路系统中系统回水自入水口A进入第二换热器(14)完成一次换热，所述第二换热器(14)的出水经三通阀(21)两路选通，其中一路是第二换热器(14)的出水经三通阀(21)的端口a和端口c进入第一换热器(4)完成二次换热后在出水口B出水；另一路是第二换热器(14)的出水经三通阀(21)的端口a和端口b直接在出水口B出水；
利用控制器控制所述机组在如下各种不同的工作模式中运行：
第一工作模式：第一热泵循环回路停止运行，由氟循环单元构成的制冷循环回路投入运行，所述三通阀(21)的a端口和b端口相连通，由入水口A引入的空调系统回水在第二换热器(14)中通过换热完成制冷后，在出水口B提供冷水，形成制冷工作模式；
第二工作模式：第一热泵循环回路停止运行，第二热泵循环回路投入运行，所述三通阀(21)的a端口和b端口相连通，形成氟热泵循环的热水供给工作模式；
第三工作模式：第一热泵循环回路投入运行，氟循环单元停止运行，所述三通阀(21)的a端口和c端口相连通，形成二氧化碳热泵循环的热水供给工作模式；
第四工作模式：第一热泵循环回路和第二热泵循环回路均投入运行，所述三通阀(21)的a端口和c端口相连通，实现复合型热水供给工作模式；
定义：Ts1±ΔT为热水模式供水温度设定值；Ts2±ΔT为制冷模式供水温度设定值，ΔT为水温允许偏差；T为出水口B的出水温度，Ta为室外环境温度，Tco为设定的二氧化碳热泵单元启动运行的上限室外环境温度；
按如下方式实现制冷工作模式的能量调节和运行控制：
三通阀(21)开启ab通道；在T≥Ts2+ΔT，且持续时间达到设定时间，氟循环单元运行第一工作模式，第二压缩机(11)开启运行或加载；在T≤Ts2-ΔT，且持续时间达到设定时间，第二压缩机(11)卸载，直至停机；
按如下方式实现热水供给工作模式的能量调节和运行控制：
在Ta＞Tco时独立运行氟循环单元的第二工作模式，三通阀(21)开启ab通道，在T≤Ts1-ΔT，且持续时间达到设定时间，第二热泵循环回路的第二压缩机(11)开启运行，或加载；在T≥Ts1+ΔT，且持续时间达到设定时间，第二压缩机(11)卸载，直至停机；
在Ta≤Tco时，优先运行第三工作模式，三通阀(21)开启ac通道，在T≤Ts1-ΔT，且持续时间达到设定时间，第一热泵循环回路的第一压缩机(1)开启运行或加载，若第一压缩机(1)达到最佳运行频率，仍满足T≤Ts1-ΔT的加载条件，则氟循环单元启动运行，机组进入第四工作模式，直至第二压缩机(11)达到最佳运行频率，之后为第一压缩机(1)和第二压缩机(11)轮流加载，直至第一压缩机(1)和第二压缩机(11)都达到上限运行频率；在T≥Ts1+ΔT，且持续时间达到设定时间，第一压缩机(1)和第二压缩机(11)轮流减载，至第一热泵循环回路的第一压缩机(1)卸载到最佳运行频率；如仍满足T≥Ts1+ΔT，第二压缩机(11)减载，直至第二压缩机(11)停机，运行第三工作模式。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳复合式热泵热水及冷水机组，其特征是：所述第一换热器(4)和第二换热器(14)为板式换热器。
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