CN117073044A - 多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统及控制方法，其中多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和供水流路；二氧化碳子循环包括主二氧化碳环路和回热器旁路；主二氧化碳环路包括依次连接的二氧化碳压缩机、二氧化碳‑水换热器Ⅰ、二氧化碳‑水换热器Ⅱ、二氧化碳‑制冷剂换热器、二氧化碳节流阀Ⅰ、二氧化碳蒸发器；供水流路通过二氧化碳‑水换热器Ⅰ和二氧化碳‑水换热器Ⅱ与所述主二氧化碳环路进行换热连接。与现有技术相比，本发明在实现系统全供暖季高效运行的同时，能够自适应匹配不同的末端工况，同时具有更为高效稳定的除霜效果及更可靠的压缩机安全保障。

Description

多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种热泵供暖系统领域，尤其是涉及一种基于多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统。

背景技术

空气源热泵作为一项高效能源利用技术得到了广泛的关注和推广。

专利CN 111336707 A提出了一种拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统，该发明能够根据环境温度的变化在机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环之间切换，保证整个供暖季的持续高效供暖。专利CN 111795423 A在此基础上提出了一种创新的水路结构，优化水侧换热匹配性，进一步提升系统能效。基于上述专利提出的循环，二氧化碳热泵对冬季供暖场景下的多变工况具有良好的适应性，在理论上能够保证全工况能效最优，是一种重要的节能技术。然而，该技术应用到实际机器中时，还将面临以下几方面的挑战。

首先，面对变化的供回水温差要求，系统在设计层面难以同时保证换热性能和合理的水侧压降。目前主流的热泵产品往往只针对特定的供回水工况进行匹配设计，但供暖场景下末端的多样化，导致供回水温差要求可能低至5K(风机盘管)，高达25K(散热器)，具有5倍的供水流量差距。这表明最大和最小流量工况之间的水阻差距高达25倍。因此，以小流量工况进行换热器设计，在大流量工况下将产生巨大的水阻，水泵功耗大幅增加。而若按大流量工况设计，在小流量工况下将可能发生换热不足的情况，系统能效也将大打折扣。

其次，二氧化碳供暖热泵低温下的除霜问题也是影响机组稳定供热的关键难题。空气源热泵常见的除霜方法有电加热除霜、热气旁通除霜以及逆循环除霜。其中，电加热和热气旁通除霜效率低，能耗大，安全可靠性较差，相较之下逆循环除霜借助制冷剂相变换热而更加高效。然而，对于二氧化碳循环，逆向化霜意味着蒸发盘管中将承担高压二氧化碳流体换热，由于蒸发盘管耐压能力有限，该方式存在较大的安全隐患。因此，有必要设计一种针对二氧化碳供暖热泵的高效稳定的除霜方式。

最后，压缩机的安全防护也是机器在实际应用中需要考虑的重要环节。在二氧化碳循环中，膨胀阀被优先用于循环高压的控制以保证高能效，而气液分离器和回热器往往组合使用以保证压缩机的吸气过热度，防止吸气带液造成的压缩机损害。回热器的加入还能提升二氧化碳循环性能。然而，二氧化碳供暖热泵将在低温和极低温环境下工作，此时压缩机的工作压比大，且制冷剂流量小，回热器造成的吸气过热度抬升将使压缩机的排气温度存在超限的风险，影响压缩机的安全运行。因此，回热器虽然避免了压缩机吸气带液，但又对压缩机排温造成威胁，其在二氧化碳供暖热泵中应用需要进一步合理考虑。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统及控制方法，在实现系统全供暖季高效运行的同时，能够自适应匹配不同的末端工况，同时具有更为高效稳定的除霜效果及更可靠的压缩机安全保障。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和供水流路；

所述二氧化碳子循环包括主二氧化碳环路和回热器旁路；

所述主二氧化碳环路包括依次连接的二氧化碳压缩机、二氧化碳-水换热器Ⅰ、二氧化碳-水换热器Ⅱ、二氧化碳-制冷剂换热器、二氧化碳节流阀Ⅰ、二氧化碳蒸发器；

所述回热器旁路位于二氧化碳-制冷剂换热器出口与二氧化碳蒸发器入口之间；

所述二氧化碳循环和制冷剂子循环通过二氧化碳-制冷剂换热器进行换热连接；

所述供水流路通过二氧化碳-水换热器Ⅰ和二氧化碳-水换热器Ⅱ与所述主二氧化碳环路进行换热连接。

进一步地，所述回热器旁路包括依次连接的回热器、二氧化碳节流阀Ⅱ，所述回热器旁路用于调节通过回热器的制冷剂流量。

进一步地，所述二氧化碳-水换热器Ⅰ、二氧化碳-水换热器Ⅱ以及制冷剂-水换热器，具备制冷剂通道和载冷剂通道，二氧化碳-制冷剂换热器和回热器具备双制冷剂通道，常见类型为板式换热器、套管换热器等；

进一步地，所述制冷剂子循环包括第一制冷剂环路与第二制冷剂旁路；

所述第一制冷剂环路包括依次连接的制冷剂压缩机、四通换向阀、制冷剂-水换热器的制冷剂通道、制冷剂节流阀Ⅰ、二氧化碳-制冷剂换热器的第一制冷剂通道；

所述第二制冷剂旁路位于制冷剂压缩机的出口和制冷剂-水换热器的制冷剂通道之间，包括依次连接的制冷剂压缩机、截止阀、化霜器、制冷剂节流阀Ⅱ、制冷剂-水换热器的制冷剂通道。

进一步地，所述二氧化碳蒸发器与化霜器共用同一组换热翅片，为整体式翅片管换热器，换热管路交叉跨排分布。

进一步地，所述供水流路包括依次连接的水泵、二氧化碳-水换热器Ⅱ的水通道、制冷剂-水换热器的水通道、二氧化碳-水换热器Ⅰ的水通道、自适应调控水旁路。

进一步地，所述自适应调控水旁路包括电动阀Ⅰ和电动阀Ⅱ；

所述电动阀Ⅰ和电动阀Ⅱ分别设置于二氧化碳-水换热器Ⅰ和二氧化碳-水换热器Ⅱ的进出水通道之间，用于对通过换热器的水流量比例调节。

进一步地，所述四通换向阀的两个接口分别与制冷剂压缩机的吸气口和排气口连通，所述四通换向阀的另两个接口分别与制冷剂-水换热器和二氧化碳-制冷剂换热器的制冷剂通道连通。

进一步地，所述二氧化碳节流阀Ⅰ、二氧化碳节流阀Ⅱ、制冷剂节流阀Ⅰ以及制冷剂节流阀Ⅱ可以为常见节流装置，用于调节制冷剂流量以实现控制目标；

本发明第二方面提供一种如上述多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统的控制方法，所述二氧化碳热泵供暖系统包括正常供暖模式，正常供暖时，根据环境温度不同，系统可选择工作在机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两者之间能效更高的状态下。

进一步地，处于机械辅助过冷循环状态时：

所述的二氧化碳子循环作为主循环，为二氧化碳跨临界循环，承担向水侧循环流路热量的主要输出；所述的制冷剂子循环作为辅助循环，其为机械过冷循环，实现二氧化碳-制冷剂换热器出口的二氧化碳温度的过冷；

进一步地，处于过热回收复叠循环状态时：

所述的二氧化碳子循环作为低温级循环，为二氧化碳亚临界循环，充当制冷剂子循环的低温热源；所述的制冷剂子循环作为高温级循环，为热泵循环，承担向供水流路热量的主要输出。

在以上两种状态下，二氧化碳子循环正常工作，辅助子循环的四通换向阀A与B接通，C与D接通，截止阀与制冷剂节流阀Ⅱ为关闭状态。

供水流路工作状态：根据供回水温差(供水流量)的不同，自适应调控水旁路可对通过二氧化碳-水换热器Ⅰ和Ⅱ的水流量比例进行动态调节，以实现压缩机和泵功的最小化。

当供回水侧温差大(即水流量小)时，电动阀Ⅰ与电动阀Ⅱ的开度减小，此时回水依次经过二氧化碳-水换热器Ⅰ、制冷剂-水换热器和二氧化碳-水换热器Ⅱ三级串联加热；当供回水温差小(即水流量大)时，电动阀Ⅰ与电动阀Ⅱ的开度增大，此时热水则主要由高温级冷凝器加热，部分热水经过二氧化碳-水换热器Ⅰ和Ⅱ被再次加热，部分热水被旁通。

进一步地，二氧化碳子循环中制冷剂的工作状态为：从回热器出来的低压低温二氧化碳气体经过二氧化碳压缩机压缩后形成高温高压气体，在经过二氧化碳-水换热器Ⅰ和二氧化碳-水换热器Ⅱ时与水侧流路进行冷却换热，之后再经过二氧化碳-制冷剂换热器，与低温制冷剂流体进行换热。从二氧化碳-制冷剂换热器出来的二氧化碳流体分为两部分，一部分经过回热器换热后再经过二氧化碳节流阀Ⅱ进行节流，形成一股低温气-液两相流体，另一部分直接进入二氧化碳节流阀Ⅰ中节流，形成另一股低温气-液两相流体。两股两相流体在制冷剂管路混合后一同进入二氧化碳蒸发器中，从外界空气中吸热变为低温低压二氧化碳气体，最后经过回热器进入二氧化碳压缩机中重新进行压缩循环。

在二氧化碳子循环中，二氧化碳节流阀Ⅰ的功能为调节循环高压，以保证高能效。当循环高压低于设定值时，二氧化碳节流阀Ⅰ的开度减小，以降低通过的制冷剂流量，使高压侧制冷剂存储量增加，从而提升高压，反之同理。二氧化碳节流阀Ⅱ的功能为调节二氧化碳压缩机的吸气过热度，以保证压缩机的安全运行。当压缩机吸气过热度低于设定值时，二氧化碳节流阀Ⅱ的开度增大，以增加通过回热器的高温二氧化碳流体的流量，从而增大吸气过热度，反之同理。

通过二氧化碳回热器旁路的设置，能够根据运行状态实时调节回热效果，既有效保障压缩机的安全运行，又能实现二氧化碳回路性能最优。

制冷剂子循环中制冷剂的工作状态为：二氧化碳-制冷剂换热器出口的低温制冷剂在制冷剂压缩机压缩后变为高温高压气体状态，经由四通换向阀进入制冷剂-水换热器中，与水路进行冷凝换热后在制冷剂节流阀Ⅰ中被节流为气-液两相状态，之后进入二氧化碳-制冷剂换热器中与二氧化碳流体进行换热，制冷剂流体蒸发吸热后变为低温低压气体状态，最后再经由四通换向阀重新进入制冷剂压缩机中。

除霜时，二氧化碳子循环不工作。制冷剂子循环的四通换向阀B与C接通，截止阀为打开状态，制冷剂节流阀Ⅱ工作，制冷剂节流阀Ⅰ为关闭状态。

制冷剂子循环中制冷剂的工作状态为：压缩机出口的高温高压制冷剂气体进入化霜器中，由于化霜器与二氧化碳蒸发器共用同一组换热翅片，制冷剂在化霜器中释放的冷凝热可直接用于对二氧化碳蒸发器融霜，冷凝后的高温级制冷剂再经制冷剂节流阀Ⅱ被节流为气-液两相状态，之后进入制冷剂-水换热器中，从供暖回水中吸热后变为低温低压气体状态，最后再经由四通换向阀重新进入制冷剂压缩机中。

供水流路工作状态：电动阀Ⅰ与电动阀Ⅱ保持全开。水侧流体依次经过电动阀Ⅱ、制冷剂-水换热器以及电动阀Ⅰ，并在制冷剂-水换热器中放热，所释放的热量用于高温级循环对二氧化碳蒸发器融霜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明针对具有理论能效优势的二氧化碳热泵供暖系统，提出了多种旁路自适应构型，在保证全供暖季高效运行的同时，能够自适应匹配不同的末端工况，同时具有更为高效稳定的除霜效果及更可靠的压缩机安全保障。

2.本发明提出了一种变温差自适应调控水侧旁路构型，在二氧化碳-水换热器Ⅰ和Ⅱ的进出水通道之间设置调控旁路，通过电动阀调节旁通比例，使系统能够在不同供回水温差(流量)下保持高效工作。水路控制的目标为实现压缩机和水泵的总能耗最小化，供回水温差大(即水流量小)时，热水几乎全部经过三级串联加热，使二氧化碳侧的温度滑移与热水升温相匹配，提高换热均匀性；供回水温差小(即水流量大)时，热水则主要由高温级冷凝器加热，二氧化碳-水换热器的部分水被旁通，以降低水泵功耗。

3.本发明提出了一种适用于复叠系统的高温级化霜旁路构型，与普通复叠系统相比，本系统在高温级循环中设置了集成在蒸发盘管上的高压化霜支路。化霜时，高温级循环换向，从供暖回水中取热融霜。相比于电加热和热气旁通，本技术方案在除霜时具有除霜效率高，除霜过程稳定的优点，可保证系统在冬季恶劣工况下的快速除霜。

4.本发明提出了一种适用于二氧化碳循环的可调回热器旁路构型，通过二氧化碳节流阀Ⅱ和回热器的组合，可在不同工况下实现不同的回热效果。相较于传统单回热器方案，既利用了回热器提高吸气过热度、改善循环性能的优势，又能通过可控调节保障压缩机的安全运行。

附图说明

图1为本发明中系统的流程示意图；

图2为本发明中系统在供暖模式下的流程示意图；

图3为本发明中系统在除霜模式下的流程示意图；

图4位本发明中系统整体式翅片管换热器的结构示意图；

图中：1-二氧化碳压缩机；2-二氧化碳-水换热器Ⅰ；3-二氧化碳-水换热器Ⅱ；4-二氧化碳-制冷剂换热器；5-回热器；6-二氧化碳节流阀Ⅱ；7-二氧化碳蒸发器；8-二氧化碳节流阀Ⅰ；9-制冷剂压缩机；10-四通换向阀；11-制冷剂-水换热器；12-制冷剂节流阀Ⅰ；13-截止阀；14-化霜器；15-制冷剂节流阀Ⅱ；16-水泵；17～40制冷剂管路；41～52水侧管路；53-电动阀Ⅱ；54-电动阀Ⅰ；55-换热管；56～57二氧化碳制冷剂进口；58-高温级制冷剂进口；59-换热管连管；60～61高温级制冷剂出口；62-二氧化碳制冷剂出口；63-换热翅片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

本实施例中的一种基于多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，其结构如图1所示，主要包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和供水流路。

二氧化碳子循环包括主二氧化碳环路和回热器旁路。主二氧化碳环路由依次连接的二氧化碳压缩机1、连接管17、二氧化碳-水换热器Ⅰ2、连接管18、二氧化碳-水换热器Ⅱ3、连接管19、二氧化碳-制冷剂换热器4、连接管20与27、二氧化碳节流阀Ⅰ8、连接管28与24、二氧化碳蒸发器7、连接管25与26构成。所述的回热器旁路位于二氧化碳-制冷剂换热器4出口与二氧化碳蒸发器7入口之间，该旁路包括依次连接的连接管21、回热器5、连接管22、二氧化碳节流阀Ⅱ6和连接管23，其中连接管21与二氧化碳-制冷剂换热器4出口管20相连，连接管23与二氧化碳蒸发器7进口管24相连，回热器5一侧由连接管21与连接管22相连，另一侧由连接管25与连接管26相连。

二氧化碳循环和制冷剂子循环通过二氧化碳-制冷剂换热器4进行换热连接。

制冷剂子循环包括第一制冷剂环路与第二制冷剂旁路。第一制冷剂环路由依次连接的制冷剂压缩机9、连接管29～30、四通换向阀10、连接管31、制冷剂-水换热器11、连接管32～33、制冷剂节流阀Ⅰ12、连接管34、二氧化碳-制冷剂换热器4、连接管35、四通换向阀10以及连接管36构成。第二制冷剂旁路位于制冷剂压缩机9出口和制冷剂-水换热器11的制冷剂通道之间，由依次连接的制冷剂压缩机9、连接管29与37、截止阀13、连接管38、化霜器14、连接管39、制冷剂节流阀Ⅱ15、连接管40与32、制冷剂-水换热器11构成。

水侧流路由依次连接的水泵16、水管路41～42、二氧化碳-水换热器Ⅱ3、水管路43～44、制冷剂-水换热器11、水管路45～46、二氧化碳-水换热器Ⅰ2、水管路47～48构成以及自适应调控水旁路构成。其中，自适应调控水旁路包括电动阀Ⅰ54、电动阀Ⅱ53和水管路49～52。电动阀Ⅰ54一端通过水管路51与二氧化碳-水换热器Ⅰ2的进水管路46相连，另一端通过水管路52与二氧化碳-水换热器Ⅰ2的出水管路47相连；电动阀Ⅱ53一端通过水管路49与二氧化碳-水换热器Ⅱ3的进水管路42相连，另一端通过水管路50与二氧化碳-水换热器Ⅱ3的出水管路43相连；

二氧化碳蒸发器7与化霜器14共用同一组换热翅片，为整体式翅片管换热器。图4展示了二氧化碳蒸发器7与化霜器14组合成的整体式翅片管换热器的一种连管实施例。二氧化碳循环流路与高温级制冷剂循环流路交叉跨排分布，以提高除霜效率。二氧化碳制冷剂从进口60和61流入，从出口56和57流出；高温级制冷剂从进口58流入，从出口62流出。两循环的换热管共用同一组换热翅片63，由此组成整体式翅片管换热器。应当说明的是，在本实施例中，整体式翅片管换热器中的连管方式包括但不限于上述方式。

本实施例中的一种基于多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，具有正常供暖和除霜两种功能：

正常供暖时，参见图2，根据运行工况不同，系统可选择工作在机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两者之间能效更高的状态下。

进一步地，处于机械辅助过冷循环状态时：

所述的二氧化碳子循环作为主循环，为二氧化碳跨临界循环，承担向水侧循环流路热量的主要输出；所述的制冷剂子循环作为辅助循环，其为机械过冷循环，实现二氧化碳-制冷剂换热器4出口的二氧化碳温度的过冷；

进一步地，处于过热回收复叠循环状态时：

所述的二氧化碳子循环作为低温级循环，为二氧化碳亚临界循环，充当制冷剂子循环的低温热源；所述的制冷剂子循环作为高温级循环，为热泵循环，承担向供水流路热量的主要输出。

在以上两种状态下，二氧化碳子循环正常工作，辅助子循环的四通换向阀10A与B接通，C与D接通，截止阀13与制冷剂节流阀Ⅱ15为关闭状态。

供水流路工作状态：根据供回水温差(供水流量)的不同，自适应调控水旁路可对通过二氧化碳-水换热器Ⅰ2和Ⅱ3的水流量比例进行动态调节，以实现压缩机和泵功的最小化。

当供回水侧温差大(即水流量小)时，电动阀Ⅰ54与电动阀Ⅱ53的开度减小，此时回水依次经过二氧化碳-水换热器Ⅱ3、制冷剂-水换热器11和二氧化碳-水换热器Ⅰ2三级串联加热；当供回水温差小(即水流量大)时，电动阀Ⅰ54与电动阀Ⅱ53的开度增大，此时热水则主要由高温级冷凝器加热，二氧化碳-水换热器中的部分水被旁通。

进一步地，二氧化碳子循环中制冷剂的工作状态为：从回热器5出来的低压低温二氧化碳气体经过二氧化碳压缩机1压缩后形成高温高压气体，在经过二氧化碳-水换热器Ⅰ2和二氧化碳-水换热器Ⅱ3时与水侧流路进行冷却换热，之后再经过二氧化碳-制冷剂换热器4，与低温制冷剂流体进行换热。从二氧化碳-制冷剂4换热器出来的二氧化碳流体分为两部分，一部分流体经过回热器5换热后再经过二氧化碳节流阀Ⅱ6进行节流，形成一股低温气-液两相流体，另一部分直接进入二氧化碳节流阀Ⅰ8中节流，形成另一股低温气-液两相流体。两股两相流体在制冷剂管路混合后一同进入二氧化碳蒸发器7中，从外界空气中吸热变为低温低压二氧化碳气体，最后经过回热器5进入二氧化碳压缩机1中重新进行压缩循环。

在二氧化碳子循环中，二氧化碳节流阀Ⅰ8的功能为调节循环高压，以保证高能效。当循环高压低于设定值时，二氧化碳节流阀Ⅰ8的开度减小，以降低通过的制冷剂流量，使高压侧制冷剂存储量增加，从而提升高压，反之同理。二氧化碳节流阀Ⅱ6的功能为调节二氧化碳压缩机1的吸气过热度，以保证压缩机的安全运行。当压缩机吸气过热度低于设定值时，二氧化碳节流阀Ⅱ6的开度增大，以增加通过回热器的高温二氧化碳流体的流量，从而增大吸气过热度，反之同理。

通过二氧化碳回热器旁路的设置，能够根据运行状态实时调节回热效果，既有效保障压缩机的安全运行，又能实现二氧化碳回路性能最优。

制冷剂子循环中制冷剂的工作状态为：二氧化碳-制冷剂换热器4出口的低温制冷剂在制冷剂压缩机9压缩后变为高温高压气体状态，经由四通换向阀10进入制冷剂-水换热器11中，与水路进行冷凝换热后在制冷剂节流阀Ⅰ12中被节流为气-液两相状态，之后进入二氧化碳-制冷剂换热器4中与二氧化碳流体进行换热，制冷剂流体蒸发吸热后变为低温低压气体状态，最后再经由四通换向阀10重新进入制冷剂压缩机9中。

除霜时，参见图3，二氧化碳子循环不工作。制冷剂子循环的四通换向阀10B与C接通，截止阀13为打开状态，制冷剂节流阀Ⅱ15工作，制冷剂节流阀Ⅰ12为关闭状态。

制冷剂子循环中制冷剂的工作状态为：压缩机9出口的高温高压制冷剂气体进入化霜器14中，由于化霜器14与二氧化碳蒸发器7共用同一组换热翅片，制冷剂在化霜器14中释放的冷凝热可直接用于对二氧化碳蒸发器7融霜，冷凝后的高温级制冷剂再经制冷剂节流阀Ⅱ15被节流为气-液两相状态，之后进入制冷剂-水换热器11中，从供暖回水中吸热后变为低温低压气体状态，最后再经由四通换向阀10重新进入制冷剂压缩机9中。

供水流路工作状态：电动阀Ⅰ54与电动阀Ⅱ53保持全开。水侧流体依次经过电动阀Ⅱ53、制冷剂-水换热器11以及电动阀Ⅰ54，并在制冷剂-水换热器11中放热，所释放的热量用于高温级循环对二氧化碳蒸发器7融霜。

需要申明，从本发明原理出发的其余布置结构，也属于本发明的保护范围。

本文中使用“第一”、“第二”等词语来限定部件，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”等词语的使用仅仅是为了便于描述上对部件进行区别。如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和供水流路；

所述二氧化碳子循环包括主二氧化碳环路和回热器旁路；

所述主二氧化碳环路包括依次连接的二氧化碳压缩机(1)、二氧化碳-水换热器Ⅰ(2)、二氧化碳-水换热器Ⅱ(3)、二氧化碳-制冷剂换热器(4)、二氧化碳节流阀Ⅰ(8)、二氧化碳蒸发器(7)；

所述回热器旁路位于二氧化碳-制冷剂换热器(4)出口与二氧化碳蒸发器(7)入口之间；

所述二氧化碳循环和制冷剂子循环通过二氧化碳-制冷剂换热器(4)进行换热连接；

所述供水流路通过二氧化碳-水换热器Ⅰ(2)和二氧化碳-水换热器Ⅱ(3)与所述主二氧化碳环路进行换热连接。

2.根据权利要求1所述的一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述回热器旁路包括依次连接的回热器(5)、二氧化碳节流阀Ⅱ(6)，所述回热器旁路用于调节通过回热器(5)的制冷剂流量。

3.根据权利要求1所述的一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述制冷剂子循环包括第一制冷剂环路与第二制冷剂旁路；

所述第一制冷剂环路包括依次连接的制冷剂压缩机(9)、四通换向阀(10)、制冷剂-水换热器(11)的制冷剂通道、制冷剂节流阀Ⅰ(12)、二氧化碳-制冷剂换热器(4)的第一制冷剂通道；

所述第二制冷剂旁路位于制冷剂压缩机(9)的出口和制冷剂-水换热器的制冷剂通道之间，包括依次连接的制冷剂压缩机(9)、截止阀(13)、化霜器(14)、制冷剂节流阀Ⅱ(15)、制冷剂-水换热器(11)的制冷剂通道。

4.根据权利要求1所述的一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述二氧化碳蒸发器(7)与化霜器(14)共用同一组换热翅片。

5.根据权利要求1所述的一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述供水流路包括依次连接的水泵(16)、二氧化碳-水换热器Ⅱ(3)的水通道、制冷剂-水换热器(11)的水通道、二氧化碳-水换热器Ⅰ(2)的水通道、自适应调控水旁路。

6.根据权利要求5所述的一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述自适应调控水旁路包括电动阀Ⅰ(54)和电动阀Ⅱ(53)；

所述电动阀Ⅰ(54)和电动阀Ⅱ(53)分别设置于二氧化碳-水换热器Ⅰ(2)和二氧化碳-水换热器Ⅱ(3)的进出水通道之间，用于对通过换热器的水流量比例调节。

7.根据权利要求3所述的一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述四通换向阀(10)的两个接口分别与制冷剂压缩机(9)的吸气口和排气口连通，所述四通换向阀(10)的另两个接口分别与制冷剂-水换热器(11)和二氧化碳-制冷剂换热器(4)的制冷剂通道连通。

8.一种如权利要求1至7中任意一项所述多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统的控制方法，其特征在于，所述二氧化碳热泵供暖系统包括正常供暖模式，所述正常供暖模式下，可进一步选择工作在机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两者之间能效更高的状态下；

选择处于机械辅助过冷循环状态时：

所述二氧化碳子循环作为主循环，且为二氧化碳跨临界循环，承担向水侧循环流路热量的主要输出；

所述制冷剂子循环作为辅助循环，且为机械过冷循环，实现二氧化碳-制冷剂换热器(4)出口的二氧化碳温度的过冷；

选择处于过热回收复叠循环状态时：

所述二氧化碳子循环作为低温级循环，且为二氧化碳亚临界循环，充当制冷剂子循环的低温热源；

所述制冷剂子循环作为高温级循环，且为热泵循环，承担向供水流路热量的主要输出。

9.根据权利要求8所述的一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统的控制方法，其特征在于，所述机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环状态下：

二氧化碳子循环正常工作，辅助子循环的四通换向阀(10)的A与B接口接通，C与D接口接通，截止阀(13)与制冷剂节流阀Ⅱ(15)为关闭状态；

所述供水流路根据供回水温差的不同，自适应调控水旁路可对通过二氧化碳-水换热器Ⅰ(2)和Ⅱ(3)的水流量比例进行动态调节，以实现压缩机和泵功的最小化；

当供回水侧温差大时，电动阀Ⅰ(54)与电动阀Ⅱ(53)的开度减小，此时回水依次经过二氧化碳-水换热器Ⅱ(3)、制冷剂-水换热器(11)和二氧化碳-水换热器Ⅰ(2)三级串联加热；

当供回水温差小时，电动阀Ⅰ(54)与电动阀Ⅱ(53)的开度增大，此时热水则主要由高温级冷凝器加热，二氧化碳-水换热器中的部分水被旁通。

10.根据权利要求9所述的一种多种旁路自适应构型的二氧化碳热泵供暖系统的控制方法，其特征在于，所述二氧化碳热泵供暖系统还包括除霜模式；

所述除霜模式下：

所述制冷剂子循环的四通换向阀(10)的B与C接口接通，截止阀(13)为打开状态，制冷剂节流阀Ⅱ(15)工作，制冷剂节流阀Ⅰ(12)为关闭状态；

所述供水流路中电动阀Ⅰ(54)与电动阀Ⅱ(53)保持全开；

水侧流体依次经过电动阀Ⅱ(53)、制冷剂-水换热器(11)以及电动阀Ⅰ(54)，并在制冷剂-水换热器(11)中放热，所释放的热量用于高温级循环对二氧化碳蒸发器(7)融霜。