一种跨临界CO2复合热泵的制作方法

本实用新型属于热泵技术领域，特别涉及一种跨临界CO₂复合热泵。

背景技术：

热泵可以吸收环境空气中的热量，通过工质循环，将热量传递给循环水，起到加热的作用。传统的热泵大多使用R134a，R410a等传统工质，环保性较差，面临逐渐淘汰的趋势。

前国际制冷学会主席G Lorentzen提出了CO₂跨临界循环理论，指出其在热泵领域将具有极其广阔的发展前景。CO₂的临界温度很低，为31.1℃，故CO₂热泵系统一般采用跨临界循环。CO₂跨临界循环压缩机排气温度较高(可达100℃以上)，且在跨临界区内，CO₂在冷却过程中存在较大的温度滑移，这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，可以将水一次加热到很高的温度并保持极高的效率，尤其适合于家用生活热水领域。

CO₂跨临界循环系统与传统的亚临界循环系统之间的区别在于：在传统亚临界系统中，制冷剂在冷凝器中大部分区域内温度保持不变，而在CO₂跨临界循环系统中，超临界压力区内并无两相区存在，温度和压力为相互独立的变量，高压侧压力变化对制冷量、压缩机功耗和COP值也会产生影响。

跨临界CO₂热泵循环具有独特的优势，其放热过程温度较高且存在一个相当大的温度滑移(约80～100℃)。研究表明：(1)在蒸发温度为0℃时，水温可以从0℃加热到60℃，其热泵COP可达到4.3，比电热水器和燃气热水器能耗降低75％上。在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制。而CO₂热泵系统在低温环境下能维持较高的供热量及很高的出水温度，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。

跨临界二氧化碳热泵热水器的性能严重受制于气体冷却器出口温度，气体冷却器出口温度越低，系统性能越好。当水循环系统中的回水温度足够低(20℃甚至低于20℃)时，跨临界二氧化碳热泵热水器的气体冷却器出口温度也能够被循环水冷却到相当低的温度，这个时候系统的性能优异。然而当回水温度高于25℃时(考虑到换热温差，气体冷却器出口二氧化碳温度可能达到30℃)，系统的性能随着回水温度的升高会剧烈下降，当回水温度高于40℃时二氧化碳热泵系统的性能极差，制热COP甚至在1.5以下。

现有的跨临界CO₂复合热泵回水分为两路，第一路回水进辅助循环的气体冷却器，然后回到出水口，第二路环的回水进辅助循蒸发器，冷却后的水进入主循环的气体冷却器，然后回到出水口。第一路出水与第二路出水混合后一起供水给用户。现有的跨临界CO₂复合热泵需要三个制冷剂与水的换热器，水路分布与连接会极其复杂，并容易出现故障。

现有的定频热泵系统采用定频压缩机，回路流量不能改变，尤其针对主副级复合型的热泵产品，固定的压缩机流量比难以适应多变的运行工况，造成非设计工况下的能源浪费或性能降低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供了一种跨临界CO₂复合热泵，以解决现有跨临界CO₂复合热泵性能严重受制于气体冷却器出口温度、水路分布与连接复杂且能源浪费的问题。本实用新型热泵分为主回路和辅助回路；在一般工况下，回水温度较低时(30℃或者低于30℃)，运行直热型制热模式；当回水温度较高时(高于30℃)，转换为循环型制热模式。

为了实现上述的目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种跨临界CO₂复合热泵，包括CO₂主路压缩机、气冷-气冷复合器、过冷-蒸发复合器、蒸发器和CO₂辅助压缩机；气冷-气冷复合器包含CO₂主路、CO₂辅路和水路三个通路；过冷-蒸发复合器包含CO₂主路过冷段和CO₂辅路蒸发段两个通路；所述一种跨临界CO₂复合热泵包含主回路和辅助回路两个回路；主回路：CO₂主路压缩机的出口连接气冷-气冷复合器的CO₂主路的进口，气冷-气冷复合器的CO₂主路的出口连接过冷-蒸发复合器的CO₂主路过冷段进口，过冷-蒸发复合器的CO₂主路过冷段的出口连接蒸发器的进口，蒸发器的出口连接CO₂主路压缩机的进口；辅助回路：CO₂辅助压缩机的出口连接气冷-气冷复合器的CO₂辅路的进口，气冷-气冷复合器CO₂辅路的出口连接过冷-蒸发复合器的CO₂辅路蒸发段的进口，过冷-蒸发复合器的CO₂辅路蒸发段的出口连接CO₂辅助压缩机的进口。

进一步的，主回路上过冷-蒸发复合器和蒸发器之间设置有CO₂主路膨胀阀。

进一步的，辅助回路上气冷-气冷复合器和过冷-蒸发复合器之间设置有CO₂辅助膨胀阀。

进一步的，蒸发器上还安装有风扇。

进一步的，CO₂辅助压缩机采用变频压缩机。

进一步的，气冷-气冷复合器包括三个内管和一个外管，两个内管路作为CO₂主回路，一个内管路作为CO₂辅路，外管和三个内管之间的通路为水路。

进一步的，所述一种跨临界CO₂复合热泵包括两种工作模式：直热型制热模式时，CO₂主回路压缩机处于开启状态，主回路打开；CO₂辅助压缩机处于关闭状态，辅助回路关闭；风扇处于开启状态；循环型制热模式时，CO₂主回路压缩机处于开启状态，主回路打开；CO₂辅助压缩机处于开启状态，辅助回路打开；风扇处于开启状态。

与现有的技术相比，本实用新型有以下有益效果：

当回水温度较高时(高于30℃)，运行循环型制热模式，主路压缩机工作，主回路打开，辅助路压缩机工作，辅助回路打开，风扇处于开启状态；在辅助回路的第一过冷-蒸发复合器中，辅助回路的CO₂蒸发吸热，对主回路中的CO₂进行第二次降温，使主回路中的CO₂达到合适的出口温度，保证较高的系统性能。

进一步的，本实用新型中只有一个制冷剂与水的换热器，也就是气冷-气冷复合器。相比较现有的跨临界CO₂复合热泵中的三个水和制冷剂的换热器，本循环水路为一进一出的单一回路，系统简单，降低了故障率。

进一步的，根据实际中回水温度的不同，通过控制两个压缩机，进行直热型制热模式和循环型制热模式的转换，使热泵机组的应用范围更广，性能更高。

进一步的，CO₂属于惰性气体，无毒无刺激；良好的安全性和化学稳定性，安全无毒，不可燃，即便在高温下也不分解产生有害气体；其对全球变暖潜力指数GWP为1，CO₂不需要工业合成，只需要在大气中提取就可以，使用方便；同时，它对大气臭氧层无任何破环作用，ODP为0。并且，CO₂本身优越的热物理特性以及良好的迁移特性也适合其作为制冷工质。

进一步的，本实用新型制热方式采用CO₂热泵型式，能源利用率更高，更加节能。CO₂蒸发潜热较大，单位容积制冷量高，具有优良的流动和传热特性，可显著减小系统的尺寸，使整个系统非常紧凑。

进一步的，跨临界CO₂热泵循环具有独特的优势，其放热过程温度较高且存在一个相当大的温度滑移(约80～100℃)。其热泵COP可达到4.3，比电热水器和燃气热水器能耗降低75％以上。在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制。而CO₂热泵系统在低温环境下能维持较高的供热量，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。

进一步的，辅助回路采用变频压缩机可以使热泵热水器系统能够在更宽负荷和温度条件下长时间稳定可靠运行，降低电能消耗，还可以降低压缩机的启动电流。

附图说明

图1是本实用新型一种跨临界CO₂复合热泵机组的结构示意图；

图2是本实用新型一种跨临界CO₂复合热泵机组直热型制热模式下的结构示意图；

图3是本实用新型一种跨临界CO₂复合热泵机组直热型制热模式下的循环示意图；

图4是本实用新型一种跨临界CO₂复合热泵机组循环型制热模式下的结构示意图；

图5是本实用新型一种跨临界CO₂复合热泵机组循环型制热模式下的循环示意图；

图6是本实用新型一种跨临界CO₂复合热泵机组气冷-气冷复合器的内部管路布置示意图；

其中：1、CO₂主路压缩机；2、气冷-气冷复合器；3、过冷-蒸发复合器；4、CO₂主路膨胀阀；5、蒸发器；6、CO₂辅助压缩机；7、CO₂辅助膨胀阀；8、风扇；9、CO₂主路；10、CO₂辅路；11、水路；12、CO₂主路过冷段；13、CO₂辅路蒸发段；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

请参阅图1，本实用新型一种跨临界CO₂复合热泵，包括CO₂主路压缩机1、包含CO₂主路9、CO₂辅路10和水路11三个通路的气冷-气冷复合器2、包含CO₂主路过冷段12和CO₂辅路蒸发段13两个通路的过冷-蒸发复合器3、蒸发器5、CO₂辅助压缩机6；

本实用新型一种跨临界CO₂复合热泵包含主回路和辅助回路两个回路；

主回路：CO₂主路压缩机1的出口连接气冷-气冷复合器2的CO₂主路9的进口，气冷-气冷复合器2的CO₂主路9的出口连接过冷-蒸发复合器3的CO₂主路过冷段12进口，过冷-蒸发复合器3的CO₂主路过冷段12的出口连接蒸发器5的进口，蒸发器5的出口连接CO₂主路压缩机1的进口；

辅助回路：CO₂辅助压缩机6的出口连接气冷-气冷复合器2的CO₂辅路10的进口，气冷-气冷复合器2的CO₂辅路10的出口连接过冷-蒸发复合器3的CO₂辅路蒸发段13的进口，过冷-蒸发复合器3的CO₂辅路蒸发段13的出口连接CO₂辅助压缩机6的进口。

主回路上过冷-蒸发复合器3和蒸发器5之间设置有CO₂主路膨胀阀4；辅助回路上气冷-气冷复合器2和过冷-蒸发复合器3之间设置有CO₂辅助膨胀阀7。

蒸发器5上还安装有风扇8，通过改变风扇的转速，可以调节合适的换热系数。

CO₂辅助压缩机6采用变频压缩机。

请参阅图6所示，气冷-气冷复合器2包括三个内管和一个外管，两个内管路作为CO₂主回路9，一个内管路作为CO₂辅路10，外管和三个内管之间的通路为水路11。

为了保证机组在回水温度改变时，能保证合适的CO₂的冷却温度，从而保证较高的系统性能，本实用新型设置了两种运行模式：

直热型制热模式(回水温度为30℃或者低于30℃)：请参阅图2和图3，CO₂主回路压缩机1工作，主回路打开；CO₂辅助压缩机6关闭，辅助回路关闭；风扇处于开启状态。主回路：CO₂工质由状态点a经过CO₂主路压缩机1的压缩后达到状态点b，进入气冷-气冷复合器2的CO₂主路9中，对水路11中的循环水进行加热，并且自身冷却到合适的温度达到状态点c，然后流经过冷-蒸发复合器3的CO₂主路过冷段12状态不改变，依旧为状态点c，然后进入CO₂主路膨胀阀4进行膨胀，膨胀后的低压工质达到状态点d，进入到蒸发器5进行蒸发，吸收热量，回到状态点a，最后回到CO₂主路压缩机1的进口。

循环型制热模式(回水温度高于30℃)：请参阅图4和图5，CO₂主回路压缩机1工作，主回路打开，CO₂辅助压缩机6工作，辅助回路打开；风扇处于开启状态。主回路：CO₂工质由状态点a经过CO₂主路压缩机1的压缩后达到状态点b，进入气冷-气冷复合器2的CO₂主路9中，对水路11中的循环水进行加热，并且自身冷却到合适的温度达到状态点c，然后流经过冷-蒸发复合器3的CO₂主路过冷段12，与CO₂辅路蒸发段进行换热，进一步冷却降温，达到状态点d，然后进入CO₂主路膨胀阀4进行膨胀，膨胀后的低压工质达到状态点e，进入到蒸发器5进行蒸发，吸收热量，回到状态点a，最后回到CO₂主路压缩机1的进口。

辅助回路：CO₂工质由状态点f经过CO₂辅助压缩机6的压缩后达到状态点g，进入气冷-气冷复合器2的CO₂辅路10中，对水路11中的循环水进行加热，并且自身冷却降温达到状态点h，接着进入CO₂辅路膨胀阀7进行膨胀达到状态点i，膨胀后的低压工质进入过冷-蒸发复合器3的CO₂辅路蒸发段13，与CO₂主路过冷段12换热，进一步冷却CO₂主路过冷段12，自身蒸发吸热达到状态点f，最后回到CO₂辅助压缩机6的进口。

在气冷-气冷复合器2中，主路CO₂工质在CO₂主路9中冷却放热，辅路CO₂工质在CO₂辅路10中冷却放热，循环水吸收热量，达到合适的温度。在过冷-蒸发复合器3中，主路CO₂工质在CO₂主路过冷段12进一步冷却放热，达到合适温度，辅路CO₂工质在CO₂辅路蒸发段13蒸发吸热，CO₂辅路蒸发段13与CO₂主路过冷段12换热，保持热量平衡。