本实用新型属于热能转换和利用技术领域，具体涉及一种超低温环境下供暖供热热泵系统。
背景技术：
现有技术中的空气源热泵在使用过程中当环境温度较低时(例如在寒冷地区、比如我国东北等地区)，无法充分地吸取环境中的热量用于制热、供暖或制取热水，导致整个热泵系统的能效较低，COP值较低，能耗较大，且还极大可能地会出现结霜等不利现象，导致整个系统的工作性能较差，无法满足用户正常使用(例如供暖、制热、或制取热水)的需求；而且制出的热水温度范围要么较高、要么较低，制取热水的温度范围有限，不能满足用户所需热水温度的需求和供暖需求。现有技术中跨临界CO2技术在供暖领域CO2出气冷器温度较高，能效比不高；氟利昂系统在低温环境下热量急剧衰减，并受自身性质影响，很难制出高温热水。因此急需要研制出一种新型的热泵系统，以改善上述的不利情况。
由于现有技术中的空气源热泵在使用过程中当环境温度较低时存在系统的能效较低，COP值较低，能耗较大，以及供暖热水和/或制取热水温度范围不能满足用户需求等技术问题，因此本实用新型研究设计出一种超低温环境下供暖供热热泵系统。
技术实现要素：
因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的空气源热泵存在制取热水温度范围受限、不能满足用户需求的缺陷，从而提供一种超低温环境下供暖供热热泵系统。
本实用新型提供一种超低温环境下供暖供热热泵系统，其包括由第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀、蒸发器组成的主循环回路，所述第一冷凝器用于与第一水管换热以制取热水或供暖，其中在所述第一冷凝器和所述第一膨胀阀之间的管路上还设置有第二冷凝器，还包括通过所述第二冷凝器与所述主循环回路复叠连接的辅助循环回路，所述辅助循环回路用于与第二水管进行换热以制取热水或进行供暖。
优选地，所述辅助循环回路包括第二压缩机、第二膨胀阀、第三冷凝器和所述第二冷凝器，所述第二冷凝器作为所述辅助循环回路的蒸发器，且所述第三冷凝器连接所述第二水管以对其进行换热。
优选地，在所述主循环回路中、位于所述第一冷凝器和所述第二冷凝器之间还设置有涡流管，所述涡流管的进口连至所述第一冷凝器，第一出口连至所述第二冷凝器，第二出口连接有能用于制取热水或供暖的旁通支路。
优选地，所述第一出口为所述涡流管的低温出口，所述第二出口为所述涡流管的高温出口。
优选地，所述旁通支路上还设置有第四冷凝器，所述第四冷凝器连接有第三水管并与该第三水管进行换热以制取热水或供暖。
优选地，所述旁通支路上位于所述第四冷凝器的下游端还设置有第三膨胀阀，该旁通支路的另一端连回至所述第一压缩机的吸气端。
优选地，所述第一水管、所述第二水管和所述第三水管汇合后连接至输出水管，且在所述第一水管、所述第二水管、所述第三水管中的至少一个上设置有控制水路通断的调节阀。
优选地，所述第三水管连接至所述第一水管，且所述第一水管和所述第二水管通过混水阀进行水路汇合，所述混水阀的输出端连接至所述输出水管，且所述混水阀还包括与自来水相连通的进水管。
优选地，在所述主循环回路上、位于所述第一冷凝器的下游端或位于所述第二冷凝器的下游端还设置有回热器，形成所述回热器的一换热侧，所述蒸发器的下游管路贯穿所述回热器、形成所述回热器的另一换热侧。
优选地，在所述主循环回路上、位于所述第一压缩机的吸气端处还设置有油气液分离器，所述油气液分离器包括气体出口端和油出口端，所述气体出口端连至所述第一压缩机的吸气端，所述油出口端连至所述第一压缩机的油池中。
优选地，所述主循环回路中以及旁通支路中的冷媒为CO2，所述辅助循环回路中的冷媒为R134a。
本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热热泵系统具有如下有益效果：
1.通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热热泵系统，通过在原有热泵热水系统的循环回路中的冷凝器的下游端增设一低温级的冷凝器、并且采用辅助循环回路相复叠的方式，能够进一步地吸收从高温级冷凝器中放完热的冷媒中的热量，使得能够通过复叠辅助循环回路能够进一步制取温度较低的水，与第一冷凝器制取的温度较高的水一起，能够使得制取热水的温度范围大大地扩宽，实现了水温的智能化调节，能够满足不同用户对热水的不同温度的需求；
2.通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热热泵系统，通过复叠系统的第二冷凝器换热后使得冷媒继续被冷却，有效地增大了过冷度，经过膨胀阀二次节流后比较容易使CO2冷媒膨胀至低温工况，在超低温工况工作能够提高与蒸发器的换热效率，并且结合两次节流均有效地提升了系统的能效，减小了能耗，提高了系统的COP值；
3.通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热热泵系统，通过在第一和第二冷凝器之间设置涡流管和与涡流管出口相接的旁通支路的形式，能够旁通一部分经过放热冷凝的冷媒至旁通支路中进而用于放热制取热水或供暖，能够提供另外一部分不同温度区间的热水，使得原有的热水温度范围进一步地得到增大，更优地满足不同用户对热水的不同温度的需求；
4.通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热热泵系统，通过在第一和第二冷凝器之间设置涡流管和与涡流管出口相接的旁通支路的形式，并使旁通支路的另一端连回至第一压缩机的吸气端，能够通过该旁通支路形成主循环回路的补气增焓回路，能够在室外环境温度较低时继续保证循环回路中的冷媒循环流动，防止蒸发器不工作而导致冷媒无法回流至压缩机的情况的发生，并且有效地利用了涡流管热端的热量，提升了系统的能效，减小了能耗，提高COP值，且还能优化结霜情况的出现。
5.通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热热泵系统，通过将第一、第二、第三水管进行汇合以及在每个水管上设置阀且配合自来水管的形式，能够根据用户的对水温高低的不同需要调节和混合处满足用户需要的水温的热水，从而适用性更广，消费者满意程度更高。
6.通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热热泵系统，利用了跨临界CO2较高能效比与出高温热水的优势，并且采用在循环回路中冷凝器下游端增设一低温级的冷凝器、采用辅助循环回路相复叠的方式实现了循环水进水温度较高(>40℃)并且CO2温度降低到临界点(31℃)以下，充分利用了跨临界CO2热泵系统的优势与CO2在超低温度优越的流动性能与换热性能，实现了超低温空气源热泵供暖需求。
附图说明
图1是本实用新型的一种超低温环境下供暖供热热泵系统的结构示意图。
图中附图标记表示为：
1—第一压缩机(或称CO2压缩机)，2—第一冷凝器(或称CO2气冷器)，3—回热器，4—涡流管，5—第二冷凝器(或称低温气冷器)，6—第一膨胀阀(或称第一节流阀)，7—蒸发器，8—油气液分离器，81—气体出口端，82—油出口端，9—第二压缩机(或称R134a压缩机)，10—第三冷凝器(或称R134a冷凝器)，11—第二膨胀阀(或称第二节流阀)，12—第四冷凝器(或称换热器)，13—第三膨胀阀(或称第三节流阀)，14—调节阀，15—混水阀，16—第一水管，17—第二水管，18—第三水管，19—旁通支路，20—输出水管，21—进水管。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型提供一种超低温环境下供暖供热(可调水温)热泵系统，其包括由第一压缩机1、第一冷凝器2、第一膨胀阀6、蒸发器7组成的主循环回路，所述第一冷凝器2用于与第一水管16换热以制取热水或供暖，其中在所述第一冷凝器2和所述第一膨胀阀6之间的管路上还设置有第二冷凝器5，还包括通过所述第二冷凝器5与所述主循环回路复叠连接的辅助循环回路，所述辅助循环回路用于与第二水管17进行换热以制取热水或进行供暖。
通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热(可调水温)热泵系统，通过在原有热泵热水系统的循环回路中的冷凝器的下游端增设一低温级的冷凝器、并且采用辅助循环回路相复叠的方式，能够进一步地吸收从高温级冷凝器中放完热的冷媒中的热量，使得能够通过复叠辅助循环回路能够进一步制取温度较低的水，与第一冷凝器制取的温度较高的水一起，能够使得制取热水的温度范围大大地扩宽，能够满足不同用户对热水的不同温度的需求。这里需要解释一下的就是，之所以采用复叠辅助循环回路，是因为如果在第二冷凝器上相连接一水管路，由于此时冷媒的温度较低，不一定能够保证冷媒能对水进行放热从而制取热水，但是采用了复叠辅助循环回路之后，便可以通过压缩机的功耗带动辅助循环回路从第二冷凝器处不断地吸取热量、以用于制取热水了，这是本实用新型的一大改进，不仅能够制取不同温度区间的热水，还能从温度较低的冷媒处持续不断地制取热水，以用于制热或供暖。
并且本实用新型通过采用复叠系统的第二冷凝器换热后使得冷媒继续被冷却，有效地增大了其过冷度(能优选被冷却至0℃左右)，经过膨胀阀二次节流后比较容易使CO2冷媒膨胀至低温工况(能优选达到至-40℃左右左右)，在超低温工况工作能够提高与蒸发器的换热效率，提高系统的COP值。
优选地，所述辅助循环回路包括第二压缩机9、第二膨胀阀11、第三冷凝器10和所述第二冷凝器5，所述第二冷凝器5作为所述辅助循环回路的蒸发器，且所述第三冷凝器10连接所述第二水管17以对其进行换热。通过将辅助循环回路包括第二压缩机、第二膨胀阀、第三冷凝器和第二冷凝器，能够使其形成一制冷或热泵循环回路，并且通过第二冷凝器与主循环回路之间进行热交换，通过压缩机做功，使得辅助循环回路从主循环回路上吸收热量，再通过辅助循环回路上的第三冷凝器10对水进行加热，从而达到制取与第一冷凝器不同温度区间的热水，以提高供暖热水或制热热水的所需温度范围，满足用户的广泛的要求。
优选地，在所述主循环回路中、位于所述第一冷凝器2和所述第二冷凝器5之间还设置有涡流管4，所述涡流管4的进口连至所述第一冷凝器2，第一出口连至所述第二冷凝器5，第二出口连接有能用于制取热水或供暖的旁通支路19。
通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热(可调水温)热泵系统，通过在第一和第二冷凝器之间设置涡流管和与涡流管出口相接的旁通支路的形式，能够旁通一部分经过放热冷凝的冷媒至旁通支路中进而用于放热制取热水或供暖，能够提供另外一部分不同温度区间的热水，使得原有的热水温度范围进一步地得到增大，更优地满足不同用户对热水的不同温度的需求。
优选地，所述第一出口为所述涡流管4的低温出口，所述第二出口为所述涡流管4的高温出口。通过将涡流管的第一出口选择为其低温出口能够使得与第二冷凝器相连接的管路中的冷媒为中压低温的冷媒，将第二出口选择为高温出口能够使得进入旁通支路中的冷媒为中压高温的冷媒，从而使得进入旁通支路中的冷媒具有热量、进而能够对水管中的水进行加热，使得加热制取热水的过程能够得以持续地进行。
优选地，所述旁通支路19上还设置有第四冷凝器12，所述第四冷凝器12连接有第三水管18并与该第三水管18进行换热以制取热水或供暖。这是本实用新型的可调水温的热泵热水系统的能够进一步制取不同温度区间的热水的优选实施方式，通过在旁通支路上设置第四冷凝器和第三水管，能够通过第四冷凝器对第三水管进行换热，从而制取第三水管中的热水用于制热或供暖。
优选地，所述旁通支路19上位于所述第四冷凝器12的下游端还设置有第三膨胀阀13，该旁通支路19的另一端连回至所述第一压缩机1的吸气端。
通过本实用新型提供的一种超低温环境下供暖供热(可调水温)热泵系统，通过在旁通支路上位于第三冷凝器的下游端设置第三膨胀阀的形式，并使旁通支路的另一端连回至第一压缩机的吸气端，能够通过该旁通支路形成主循环回路的补气增焓回路，能够在室外环境温度较低时继续保证循环回路中的冷媒循环流动，防止蒸发器不工作而导致冷媒无法回流至压缩机的情况的发生，有效地提升了系统的能效，减小了能耗，提高COP值，且还能防止结霜情况的出现。
优选地，所述第一水管16、所述第二水管17和所述第三水管18汇合后连接至输出水管20，且在所述第一水管16、所述第二水管17、所述第三水管18中的至少一个上设置有控制水路通断的调节阀。将三个水管汇合能够对三个不同温度区间的热水进行有效地混合，并且结合在三个水管中的至少一个上设置调节阀的形式，优选三个水管上均设置调节阀，能够根据实际需求热水的温度的不同，打开或关闭相应的水管，从而形成热水的不同混合，以满足实际热水温度的需求，提高了热泵热水系统的适用性能，提高消费者的满意度。
优选地，所述第三水管18连接至所述第一水管16，且所述第一水管16和所述第二水管17通过混水阀15进行水路汇合，所述混水阀15的输出端连接至所述输出水管20，且所述混水阀15还包括与自来水相连通的进水管21。通过混水阀的结构形式能够有效地实现对多路以上的水管路进行混合，且通过还设置与自来水相连通的进水管的结构形式，能够对前述三路水管再混合注入自来水(即冷水)，从而能够对前述的混合热水进行降温，进而进一步更加有效地调节热水的温度，实现热水温度大小调节的可控性和更加优化的效果。
优选地，在所述主循环回路上、位于所述第一冷凝器2的下游端或位于所述第二冷凝器5的下游端还设置有回热器3，形成所述回热器3的一换热侧，所述蒸发器7的下游管路贯穿所述回热器3、形成所述回热器3的另一换热侧。通过设置回热器，第一能够降低冷媒的冷凝温度，即降低进入蒸发器前的温度，从而有效地提高蒸发效果、提高整个系统的热泵效率，第二还能够有效地提高进入压缩机吸气端的冷媒温度，防止进入压缩机中的冷媒带液从而形成液击的现象的发生。
优选地，在所述主循环回路上、位于所述第一压缩机1的吸气端处还设置有油气液分离器8，所述油气液分离器8包括气体出口端81和油出口端82，所述气体出口端81连至所述第一压缩机1的吸气端，所述油出口端82连至所述第一压缩机1的油池中。通过在第一压缩机吸气端设置油气液分离器的结构形式，能够对进入压缩机中的冷媒进行油气和气液的分离，防止进入压缩机吸气口中的气体带油和带液，防止液击，也防止了压缩机其他需要润滑的部位缺油的情况的发生。
优选地，所述主循环回路中以及旁通支路19中的冷媒为CO2，所述辅助循环回路中的冷媒为R134a。这是本实用新型的冷媒的优选种类，将主循环回路和旁通支路中的冷媒选择为CO2，是因为该两回路所工作的环境是在极寒工况下，CO2冷媒在跨临界工况下可以制取高温热水并且在-40℃依然保持较低的粘度，优越的流动性能和传热性能，其恰好符合要求，使用CO2能够使得本实用新型的热泵热水系统能够正常且良好地工作在室外低温环境下，且维持吸热制取热水用以供暖或制热；而辅助循环回路由于其属于复叠系统中的类似于高温级，其吸热环境(即第二冷凝器)的温度相对来说较高，因此使用常规的冷媒便可以保证其循环运转。
利用了跨临界CO2较高能效比与出高温热水的优势，并且采用在循环回路中冷凝器下游端增设一低温级的冷凝器、采用辅助循环回路相复叠的方式实现了循环水进水温度较高(>40℃)并且CO2温度降低到临界点(31℃)以下，充分利用了跨临界CO2热泵系统的优势与CO2在超低温度优越的流动性能与换热性能，实现了超低温空气源热泵供暖需求。
下面介绍一下本实用新型的工作原理和优选实施例
本实用新型一种带涡流管可调水温的高效R134a/CO2(跨临界)热泵系统，其包括CO2压缩机1、CO2气冷器2、回热器3、涡流管4、低温气冷器5、第一节流阀6、蒸发器7、油液气分离器8组成的CO2热泵系统，包括R134a压缩机9、R134a冷凝器10、第二节流阀11、低温气冷器5组成的R134a热泵系统，包括涡流管4、换热器12、第三节流阀13、油液气分离器8组成的涡流管旁路系统，包括CO2气冷器2、R134a冷凝器10、换热器12、调节阀14、混水阀15组成的水路系统。
所述CO2压缩机1进口连接油液气分离器8的气出口，回油口连接油液气分离器8底部油分离口，出口连接CO2气冷器2制冷剂进口；所述CO2气冷器2一侧进口连接CO2压缩机1，出口连接回热器3进口，另一侧进口连接自来水，出口连接混水阀15；所述回热器3一侧进口连接蒸发器7出口，出口连接油液气分离器8进口，回热器3另一侧进口连接CO2气冷器2，出口连接涡流管4；所述涡流管4进口为中温的气体，热端出口连接换热器12进口，冷端出口连接低温气冷器5一侧进口；所述低温气冷器5一侧进口连接涡流管4冷端出口，出口连接第一节流阀6，低温气冷器5另一侧进口连接第二节流阀11出口连接R134a压缩机9；所述第一节流阀6进口连接低温气冷器5，出口连接蒸发器7；所述蒸发器7一侧连接环境，另一侧进口连接第一节流阀6，出口连接回热器3；所述回热器3一侧进口连接蒸发器7出口，出口连接油液气分离器8进口，回热器3另一侧进口连接CO2气冷器2，出口连接涡流管4；所述油液气分离器8进气口连接回热器3出口与节流阀13出口，所述油液气分离器8气出口连接压缩机1吸气口，油液气分离器8油出口连接压缩机1回油口。
所述R134a冷凝器10一侧进口连接R134a压缩机9排气口，出口连接第二节流阀11，另一侧进口连接自来水，出口连接混水阀15。
本实用新型专利可在环境温度-30℃运行，所述蒸发器7所处环境温度可达-35℃；复叠高温级的R134a冷凝器10可达到60℃进水，70℃出水；所述CO2气冷器2可达到40℃进水，95℃出水；所述CO2热泵系统为跨临界循环，所述CO2热泵系统含有涡流管4与低温气冷器5，所述换热器12可由涡流管4热端出口CO2气体与自来水换热，使较高温度的水进入气冷器2的热水主路，继而连接混水阀15；所述CO2热泵系统含有两个气冷器，并且低温气冷器与R134a复叠，所述混水阀13可由95℃进水、70℃进水与自来水进水混合，用户可通过调节不同阀门开度达到不同的水温。
比如在环境温度-30℃时，所述蒸发器7蒸发温度-35℃；复叠高温级的R134a冷凝器10可达到40℃进水，70℃出水；所述CO2气冷器2可达到40℃进水，95℃出水；所述CO2热泵系统为跨临界循环，所述涡流管4进口为高压，50℃的状态，热端出口为70℃(质量流量减小)进入换热器12与水换热使较高温度的水进入气冷器2的热水主路，继而连接混水阀15；所述CO2热泵系统含有两个气冷器，并且低温气冷器与R134a复叠，所述混水阀13可由95℃进水、70℃进水与自来水进水混合，用户可通过调节不同阀门开度达到不同的水温。
以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围，比如回热器(3)的删减、节流阀的替换等，低温气冷器复叠端并不局限于R134a，其他中高温制冷剂也在保护范围之内。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。