适用于极寒地区的CO2复叠热泵系统及其控制方法与流程

本发明涉及热泵技术领域，尤其是涉及一种适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统及其控制方法。

背景技术：

热泵是一种能将低位热源的热能转移到高位热源的装置，通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。

具体地，如图1所示，现有一种复叠热泵系统，该复叠热泵系统主要应用于食品的冷冻冷藏、农作物种子的保存以及超市制冷系统等领域，其具有两套循环系统，其中一套循环系统中包含一个室外换热器12和一个内部换热器13、一个压缩机14、一个膨胀阀11和一个制热用蒸发冷凝器15；另外一套循环系统包含一个压缩机14、一个膨胀阀11、一个主换热器16和一个蒸发冷凝器15，两套系统公用一个蒸发冷凝器15，即两套系统通过一个蒸发冷凝器15联结在一起。制冷工质分别在两套系统中循环流动，并在蒸发冷凝器处于制冷工况下实现换热、制冷的效果。

然而，本申请发明人发现，由于现有的复叠热泵系统中所消耗的能源只能用来制冷或者制热，限制了复叠系统的使用范围，因此缺少对能源的二级利用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统，以解决现有技术中存在的复叠热泵系统缺少对能源的二级利用的技术问题。

本发明提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统，包括：制冷循环和制冷同时制热水循环，所述制冷同时制热水循环包括：单向阀组，所述单向阀组与第一换热器连通，所述第一换热器通过换向阀与第一压缩机连通，所述第一压缩机通过所述换向阀与热水器连通，所述热水器与第二换热器连通，所述第二换热器与单向阀组连通。

进一步地，所述制冷循环包括第一制冷子循环和第二制冷子循环，所述第一制冷子循环包括蒸发冷凝器，所述蒸发冷凝器与所述单向阀组之间、以及所述蒸发冷凝器与所述换向阀之间分别设置有第一控制阀；所述第二制冷子循环包括第二压缩机和第三换热器，所述第二压缩机与所述蒸发冷凝器连通，所述第三换热器分别与所述第二换热器、所述第二压缩机和所述蒸发冷凝器连通。

进一步地，所述第二换热器和所述单向阀组之间、以及所述第二换热器与所述换向阀之间分别设置有第二控制阀。

进一步地，所述第一控制阀和所述第二控制阀均为电磁阀。

进一步地，所述单向阀组包括两组单向阀，每组单向阀均包括若干单向阀，每组内各单向阀依次串联连接，两组单向阀之间为并联连接。

进一步地，所述换向阀与所述第一压缩机之间设置有第一储液罐。

进一步地，所述单向阀组与第二储液罐连通，所述第二储液罐与所述单向阀组之间设置有第一膨胀阀。

进一步地，所述第二换热器和所述第三换热器之间设置有第二膨胀阀。

相对于现有技术，本发明所述的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统具有以下优势：

本发明所述的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统通过制冷循环实现制冷功能，通过制冷同时制热水循环实现在制冷的过程中同时制取热水的功能。具体地，在使用适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统制冷同时制热水功能时，制冷工质经由单向阀组后进入第一换热器，制冷工质在第一换热器中吸热后通过换向阀进入第一压缩机，制冷工质经由第一压缩机压缩后进入热水器，在热水器中进行放热，从而为热水器提供热源以制取热水。制冷工质在热水器中放热后进入第二换热器进而二次换热，以使得制冷工质的温度进一步降低，制冷工质在第二换热器中放热后进入单向阀组，从而完成一次循环过程。在这个循环过程中，由于制冷工质在第一换热器中吸热，因此可使用第一换热器制冷，例如将热水通入第一换热器，热水在第一换热器中被制冷工质吸取热量，从而温度降低变成冷水流出；由于制冷工质在经由热水器的时候进行放热，因此可使得热水器内的水温度升高，从而制取热水。

与现有技术中只能制冷或者制热的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统相比，本发明提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统可以利用制冷循环实现制冷功能，还可以利用制冷同时制热水循环实现制冷同时制热水功能，因此功能多样化，应用范围更为广泛。同时，在进行制冷同时制热水时，制冷工质在制冷过程中吸收的热量在热水器中释放用以制取热水，实现了能源的二次利用，提高了能源利用率。

本发明的另一目的在于提出一种适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的控制方法，以解决现有技术中存在的复叠热泵系统缺少对能源的二级利用的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的控制方法，用于控制如上述技术方案所述的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统，通过控制所述适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的制冷循环进行制冷，通过控制所述适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的制冷同时制热水循环进行制冷同时制热水；

控制所述制冷同时制热水循环的步骤为：

制冷工质经由单向阀组后进入第一换热器；制冷工质吸热后依次经过换向阀和所述第一压缩机后，进入热水器进行一次换热；制冷工质放热后通过第二换热器进行二次换热；制冷工质放热后回到所述单向阀组。

进一步地，当所述适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的制冷系统包括第一制冷子系统和第二制冷子系统时，所述控制所述制冷同时制热水循环的步骤还包括：关闭第一控制阀，开启第二控制阀；

控制所述制冷循环的步骤为：

关闭所述第二控制阀，开启所述第一控制阀；

在所述第一制冷子系统内：制冷工质依次流经第一换热器、换向阀、第一压缩机、蒸发冷凝器和单向阀组，并从所述单向阀组回到所述第一换热器；

在所述第二制冷子系统内：制冷工质依次流经第二换热器、第三换热器、第二压缩机和所述蒸发冷凝器，并从所述蒸发冷凝器中再次进入所述第三换热器，最后从所述第三换热器回到所述第二换热器。

所述适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的控制方法与上述适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术所述的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于制冷同时制热水工况时的流向示意图；

图4为本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于制冷工况时的流向示意图。

图中：11-膨胀阀；12-室外换热器；13-内部换热器；14-压缩机；15-制热用蒸发冷凝器；16-主换热器；2-单向阀；31-第一换热器；32-第二换热器；33-第三换热器；41-第一压缩机；42-第二压缩机；51-换向阀；52-蒸发冷凝器；53-热水器；61-第一控制阀；62-第二控制阀；71-第一储液罐；72-第二储液罐；81-第一膨胀阀；82-第二膨胀阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图2为本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的结构示意图；图3为本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于制冷同时制热水工况时的流向示意图；图4为本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于制冷工况时的流向示意图；如图2-4所示，本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统，包括：制冷循环和制冷同时制热水循环，制冷同时制热水循环包括：单向阀组，单向阀组与第一换热器31连通，第一换热器31通过换向阀51与第一压缩机41连通，第一压缩机41通过换向阀51与热水器53连通，热水器53与第二换热器32连通，第二换热器32与单向阀组连通。

本发明实施例所述的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统通过制冷循环实现制冷功能，通过制冷同时制热水循环实现在制冷的过程中同时制取热水的功能。具体地，在使用适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统制冷同时制热水功能时，制冷工质经由单向阀组后进入第一换热器31，制冷工质在第一换热器31中吸热后通过换向阀51进入第一压缩机41，制冷工质经由第一压缩机41压缩后进入热水器53，在热水器53中进行放热，从而为热水器53提供热源以制取热水。制冷工质在热水器53中放热后进入第二换热器32进而二次换热，以使得制冷工质的温度进一步降低，制冷工质在第二换热器32中放热后进入单向阀组，从而完成一次循环过程。在这个循环过程中，由于制冷工质在第一换热器31中吸热，因此可使用第一换热器31制冷，例如将热水通入第一换热器31，热水在第一换热器31中被制冷工质吸取热量，从而温度降低变成冷水流出；由于制冷工质在经由热水器53的时候进行放热，因此可使得热水器53内的水温度升高，从而制取热水。

与现有技术中只能制冷或者制热的复叠热泵系统相比，本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统可以利用制冷循环实现制冷功能，还可以利用制冷同时制热水循环实现制冷同时制热水功能，因此功能多样化，应用范围更为广泛。同时，在进行制冷同时制热水时，制冷工质在制冷过程中吸收的热量在热水器53中释放用以制取热水，实现了能源的二次利用，提高了能源利用率。

上述适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统中，制冷循环可以采用现有技术中的制冷循环，或者，如图2所示，将制冷循环与制冷同时制热水循环联结在一起，以便于调控。具体地，制冷循环包括第一制冷子循环和第二制冷子循环，第一制冷子循环包括蒸发冷凝器52，蒸发冷凝器52与单向阀组之间、以及蒸发冷凝器52与换向阀51之间分别设置有第一控制阀61；第二制冷子循环包括第二压缩机42和第三换热器33，第二压缩机42与蒸发冷凝器52连通，第三换热器33分别与第二换热器32、第二压缩机42和蒸发冷凝器52连通。

进一步地，第二换热器32和单向阀组之间、以及第二换热器32与换向阀51之间分别设置有第二控制阀62。为了实现自动控制，第一控制阀61和第二控制阀62均为电磁阀，换向阀51为四通换向阀，具体可以使用现有技术中的四通阀。

进一步地，单向阀组包括两组单向阀2，每组单向阀2均包括若干单向阀2，每组内各单向阀2依次串联连接，两组单向阀2之间为并联连接。

进一步地，换向阀51与第一压缩机41之间设置有第一储液罐71。单向阀组与第二储液罐72连通，第二储液罐72与单向阀组之间设置有第一膨胀阀81。第二换热器32和第三换热器33之间设置有第二膨胀阀82。第一储液罐71和第二储液罐72能够起到储存制冷剂的作用，还能够起到缓压和分液的作用。

如图2所示，在一种具体实施方式中，适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统包括制冷循环和制冷同时制热循环，制冷同时制热循环包括：单向阀组、第一膨胀阀81、第二储液罐72、第一换热器31、换向阀51、第一压缩机41、第一储液罐71、第二控制阀62、热水器53、第二换热器32和第三换热器33。具体地，换向阀51为四通换向阀，单向阀组包括四个单向阀2，两个单向阀2为一组，每组内两个单向阀2串联方式连接，两组单向阀2并联方式连接，单向阀组与第一膨胀阀81和第二储液罐72形成一个回路，单向阀组还与第一换热器31和第二换热器32分别连通，单向阀组与第二换热器32连通的管路上设置有一个第二控制阀62；第一换热器31与四通换向阀连通，四通换向阀与第一压缩机41和第一储液罐71形成一个回路，四通换向阀还与热水器53连通，四通换向阀与热水器53连通的管路上设置有另一个第二控制阀62；热水器53与第二换热器32连通，第一换热器31具有四个接口，其中两个接口分别为热水进口和冷水出口，另外两个接口用于分别与单向阀组和四通换向阀连通。

制冷循环包括第一制冷子循环和第二制冷子循环，其中，第一制冷子循环为普通热泵制冷循环，第二制冷子循环为二氧化碳热泵制冷循环。

第一制冷子循环包括蒸发冷凝器52，蒸发冷凝器52与单向阀组之间设置有一个第一控制阀61，蒸发冷凝器52与四通换向阀之间设置有另一个第一控制阀61。

第二制冷子循环包括第二压缩机42、第三换热器33和第二膨胀阀82，具体地，蒸发冷凝器52和第三换热器33分别具有四个接口，第二换热器32具有六个接口，蒸发冷凝器52的第一接口和第二接口分别与两个第一控制阀61连通，蒸发冷凝器52的第三接口与第三换热器33的第二接口连通，蒸发冷凝器52的第四接口与第二压缩机42连通；第三换热器33的第一接口通过第二膨胀阀82与第二换热器32的第一接口连通，第三换热器33的第三接口与第二换热器32的第二接口连通，第三换热器33的第四接口与第二压缩机42连通；第二换热器32的第三接口通过第二控制阀62与单向阀组连通，第二换热器32的第四接口与热水器53连通，第二换热器32的第五接口和第六接口分别为空气出口和空气进口。

上述适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统具有制冷模式和制冷同时制热水模式，当适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于制冷模式时，第一控制阀61开启，第二控制阀62关闭。在第一制冷子循环中，制冷工质可以为氟利昂或其他制冷工质，在第二制冷子循环中，制冷工质为二氧化碳，第二换热器32为室外换热器，第三换热器33为内部换热器，不同的制冷工质在各自所在的制冷子循环中循环流动，从而实现制冷过程。当适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于制冷同时制热模式时，第一控制阀61关闭，第二控制阀62开启。制冷工质在制冷同时制热循环内循环流动，在第一换热器31处吸收热量以实现制冷功能，在热水器53处释放热量以实现制热水功能，从而实现制冷同时制热水的功能。

本发明实施例同时提出一种适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的控制方法，用于控制上述适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统，具体地，通过控制适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的制冷循环进行制冷，通过控制适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的制冷同时制热水循环进行制冷同时制热水；

控制制冷同时制热水循环的步骤为：

制冷工质经由单向阀组后进入第一换热器31；制冷工质吸热后依次经过换向阀51和第一压缩机41后，进入热水器53进行一次换热；制冷工质放热后通过第二换热器32进行二次换热；制冷工质放热后回到单向阀组。

当适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统的制冷系统包括第一制冷子系统和第二制冷子系统时，控制制冷同时制热水循环的步骤还包括：关闭第一控制阀61，开启第二控制阀62。控制制冷循环的步骤为：关闭第二控制阀62，开启第一控制阀61；在第一制冷子系统内：制冷工质依次流经第一换热器31、换向阀51、第一压缩机41、蒸发冷凝器52和单向阀组，并从单向阀组回到第一换热器31；在第二制冷子系统内：制冷工质依次流经第二换热器32、第三换热器33、第二压缩机42和蒸发冷凝器52，并从蒸发冷凝器52中再次进入第三换热器33，最后从第三换热器33回到第二换热器32。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。