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，功能单一，限制了复叠系统的使用范围。

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功能单一的技术问题。

本发明提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统，包括：制冷循环和制热循环，

所述制冷循环包括：第一换热器，所述第一换热器具有水进口和水出口，所述第一换热器通过换向阀与第一压缩机连通，所述第一换热器通过所述换向阀与第二换热器连通，所述第二换热器与第一毛细管连通，所述第一毛细管与所述第一换热器连通；

所述制热循环包括：蒸发冷凝器，所述蒸发冷凝器与所述第一换热器之间设置有第二毛细管，所述蒸发冷凝器通过换向阀与第一换热器连通，所述蒸发冷凝器与第二换热器之间设置有第三换热器，所述第三换热器与所述蒸发冷凝器之间设置有第二压缩机。

进一步地，所述蒸发冷凝器与所述换向阀之间、以及所述第二毛细管与所述第一换热器之间均设置有第一控制阀，所述第一毛细管与所述第一换热器之间、以及所述第二换热器与所述换向阀之间均设置有第二控制阀。

进一步地，所述第一控制阀为电磁阀。

进一步地，所述第二控制阀为电磁阀。

进一步地，所述换向阀为四通换向阀。

进一步地，所述第一压缩机与所述换向阀之间设置有第一储液罐。

进一步地，所述第一毛细管与所述第一换热器之间设置有第二储液罐。

进一步地，所述第二毛细管与所述第一换热器之间设置有第三储液罐。

进一步地，所述第二换热器与所述第三换热器之间设置有第一膨胀阀。

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复叠热泵系统具有冬季制热和夏季制冷两种工况，通过制热循环实现冬季制热，通过制冷循环实现夏季制冷。当适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于夏季制冷工况时，制冷工质经由第一毛细管进入第一换热器，在第一换热器内吸热，吸热后经过换向阀进入第一压缩机，经第一压缩机压缩后进入第二换热器，并从第二换热器回到第一毛细管，从而完成一个循环过程。由于制冷工质在第一换热器内吸热，因此将吸取流经第一换热器的水的热量，使得流经第一换热器的水的温度下降，从而达到制冷效果。

当适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于冬季制热工况时，制冷工质分为低温段制冷工质和高温段制冷工质，低温段制冷工质进入第二换热器，吸热后进入第三换热器，换热后进入第二压缩机，经第二压缩机压缩后进入蒸发冷凝器，放热后回到所述第三换热器，从而完成低温段制冷工质的一个循环过程；高温段制冷工质经由第二毛细管进入蒸发冷凝器，吸热后经由换向阀后进入第一压缩机，经第一压缩机压缩后进入第一换热器，放热后回到第二毛细管，从而完成高温段制冷工质的一个循环过程。由于高温段制冷工质在第一换热器内进行放热，放出的热量被流经第一换热器的水吸收，从而使得水的温度升高，以达到制热效果。

综上所述，本发明提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统具有制冷和制热两种功能，可以在夏季制冷和冬季制热两种工况间进行切换，功能多样化，应用范围更广泛。

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功能单一的技术问题。

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复叠热泵系统的制热循环进行制热；

在所述制冷循环内：制冷工质经由第一毛细管进入第一换热器，吸热后经过换向阀和第一压缩机，经所述第一压缩机压缩后进入第二换热器，并从所述第二换热器回到所述第一毛细管；

在所述制热循环内：低温段制冷工质进入第二换热器，吸热后进入第三换热器，换热后进入第二压缩机，经所述第二压缩机压缩后进入蒸发冷凝器，放热后经由所述第三换热器回到所述第二换热器；高温段制冷工质经由第二毛细管进入所述蒸发冷凝器，吸热后经由所述换向阀后进入第一压缩机，经所述第一压缩机压缩后进入所述第一换热器，放热后回到所述第二毛细管。

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复叠热泵系统处于冬季制热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复叠热泵系统处于夏季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；21-第一换热器；22-第二换热器；23-第三换热器；31-第一毛细管；32-第二毛细管；41-第一压缩机；42-第二压缩机；51-换向阀；52-蒸发冷凝器；61-第一控制阀；62-第二控制阀；71-第一储液罐；72-第二储液罐；73-第三储液罐；8-第一膨胀阀。

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复叠热泵系统处于冬季制热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复叠热泵系统处于夏季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：制冷循环和制热循环，其中：

制冷循环包括：第一换热器21，第一换热器21具有水进口和水出口；第一换热器21通过换向阀51与第一压缩机41连通；第一换热器21通过换向阀51与第二换热器22连通；第二换热器22与第一毛细管31连通，第一毛细管31与第一换热器21连通。

制热循环包括：蒸发冷凝器52，蒸发冷凝器52与第一换热器21之间设置有第二毛细管32，蒸发冷凝器52通过换向阀51与第一换热器21连通，蒸发冷凝器52与第二换热器22之间设置有第三换热器23，第三换热器23与蒸发冷凝器52之间设置有第二压缩机42。

本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统具有冬季制热和夏季制冷两种工况，通过制热循环实现冬季制热，通过制冷循环实现夏季制冷。当适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于夏季制冷工况时，制冷工质经由第一毛细管31进入第一换热器21，在第一换热器21内吸热，吸热后经过换向阀51进入第一压缩机41，经第一压缩机41压缩后进入第二换热器22，并从第二换热器22回到第一毛细管31，从而完成一个循环过程。由于制冷工质在第一换热器21内吸热，因此将吸取流经第一换热器21的水的热量，使得流经第一换热器21的水的温度下降，从而达到制冷效果。

当适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统处于冬季制热工况时，制冷工质分为低温段制冷工质和高温段制冷工质，低温段制冷工质进入第二换热器22，吸热后进入第三换热器23，换热后进入第二压缩机42，经第二压缩机42压缩后进入蒸发冷凝器52，放热后回到所述第三换热器23，从而完成低温段制冷工质的一个循环过程；高温段制冷工质经由第二毛细管32进入蒸发冷凝器52，吸热后经由换向阀51后进入第一压缩机41，经第一压缩机41压缩后进入第一换热器21，放热后回到第二毛细管32，从而完成高温段制冷工质的一个循环过程。由于高温段制冷工质在第一换热器21内进行放热，放出的热量被流经第一换热器21的水吸收，从而使得水的温度升高，以达到制热效果。

综上所述，本发明实施例提供的适用于极寒地区的CO₂复叠热泵系统具有制冷和制热两种功能，可以在夏季制冷和冬季制热两种工况间进行切换，功能多样化，应用范围更广泛。

为便于在夏季制冷工况和冬季制热工况之间进行切换，进一步地，蒸发冷凝器52与换向阀51之间、以及第二毛细管32与第一换热器21之间均设置有第一控制阀61，第一毛细管31与第一换热器21之间、以及第二换热器22与换向阀51之间均设置有第二控制阀62。

为便于实现自动控制，第一控制阀61为电磁阀，第二控制阀62为电磁阀，换向阀51为四通换向阀，可使用现有技术中的四通阀。

进一步地，第一压缩机41与换向阀51之间设置有第一储液罐71，第一毛细管31与第一换热器21之间设置有第二储液罐72，第二毛细管32与第一换热器21之间设置有第三储液罐73，第二换热器22与第三换热器23之间设置有第一膨胀阀8。第一储液罐71、第二储液罐72和第三储液罐73能够起到储存制冷工质的作用，还能够起到缓压和分液的作用。

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热循环，其中：

制冷循环包括第一毛细管31、第二储液罐72、第二控制阀62、第一换热器21、换向阀51、第一储液罐71、第一压缩机41和第一膨胀阀8。具体地，第一换热器21具有四个接口，分别为第一接口、第二接口、水进口和水出口，在制冷循环中，水进口进入的是热水，水出口流出的是冷水，第一换热器21的第一接口与换向阀51连通，第一换热器21的第二接口与第二储液罐72连通；换向阀51与第一压缩机41和第一储液罐71之间连成一条回路，两个第二控制阀62中，其中一个第二控制阀62设置于第二储液罐72与第一换热器21之间连通的管路上，另一个第二控制阀62设置于第二换热器22与换向阀51连通的管路上。

制热循环包括蒸发冷凝器52、第二毛细管32、第三储液罐73、第一控制阀61和第三换热器23，具体地，第二毛细管32和第三储液罐73连通，第三储液罐73和第一换热器21的第二接口连通，蒸发冷凝器52和第三换热器23分别具有四个接口，第二换热器22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第二毛细管32和换向阀51连通，蒸发冷凝器52的第三接口与第三换热器23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23的第一接口通过第一膨胀阀8与第二换热器22的第一接口连通，第三换热器23的第三接口与第二换热器22的第二接口连通，第三换热器23的第四接口与第二压缩机42连通；第二换热器22的第三接口与第一毛细管31连通，第二换热器22的第四接口与换向阀51连通，第二换热器22的第五接口和第六接口分别为空气出口和空气进口，两个第一控制阀61中，其中一个第一控制阀61设置于第三储液罐73与第一换热器21连通的管路上，另一个第一控制阀61设置于蒸发冷凝器52与换向阀51连通的管路上。

此外，换向阀51为四通换向阀，第一控制阀61和第二控制阀62均为电磁阀，第二换热器22为室外换热器，第三换热器23为内部换热器。

在运行制冷循环的过程中，关闭第一控制阀61，开启第二控制阀62，将换向阀51调整为制冷模式，制冷工质经由第一毛细管31和第二储液罐72进入第一换热器21，吸热后经过换向阀51、第一储液罐71和第一压缩机41，经第一压缩机41压缩后进入第二换热器22，并从第二换热器22回到第一毛细管31，从而完成一个循环过程。同时，热水经由第一换热器21的水进口进入，在第一换热器21中，制冷工质吸取热水的热量，从而使得热水的温度降低，变成冷水后从水出口流出，从而完成制冷过程。

在运行制热循环的过程中，制冷工质分为两部分，分别为高温段制冷工质和低温段制冷工质，高温段制冷工质可以为氟利昂或其他制冷工质，低温段制冷工质为二氧化碳。在从夏季制冷工况切换为冬季制热工况时，需要关闭第二控制阀62，开启第一控制阀61，因为制热循环和制冷循环中制冷工质的流向不同，因此还需将换向阀51调整到制热模式。低温段制冷工质经第一膨胀阀8进入第二换热器22，吸收室外热量后进入第三换热器23，换热后进入第二压缩机42，经第二压缩机42压缩后进入蒸发冷凝器52，放热后经第三换热器23和第二换热器22回到第一膨胀阀8，从而完成低温段制冷工质的一个循环过程；高温段制冷工质经由第二毛细管32进入蒸发冷凝器52，吸热后经由换向阀51、第一储液罐71后进入第一压缩机41，经第一压缩机41压缩后进入第一换热器21，放热后经由第三储液罐73回到第二毛细管32，从而完成高温段制冷工质的一个循环。同时，冷水经由第一换热器21的水进口进入，在第一换热器21中吸收高温段制冷工质放出的热量后温度升高，变为热水后从水出口流出，从而完成制热过程。

本发明实施例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，用于控制上述实施例提供的适用于极寒地区的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复叠热泵系统的制热循环进行制热。

在制冷循环内：制冷工质经由第一毛细管31进入第一换热器21，吸热后经过换向阀51和第一压缩机41，经第一压缩机41压缩后进入第二换热器22，并从第二换热器22回到第一毛细管31。

在制热循环内：低温段制冷工质进入第二换热器22，吸热后进入第三换热器23，换热后进入第二压缩机42，经第二压缩机42压缩后进入蒸发冷凝器52，放热后回到第三换热器23；高温段制冷工质经由第二毛细管32进入蒸发冷凝器52，吸热后经由换向阀51后进入第一压缩机41，经第一压缩机41压缩后进入第一换热器21，放热后回到第二毛细管32。

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。

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。