本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种高性能二氧化碳制冷热泵系统。
背景技术：
随着全球变暖加剧，制冷空调行业目前广泛采用的强效温室气体氢氟碳化物类制冷剂(hfc)开始面临全世界范围内的限制和淘汰。2016年，中国先后签署了应对气候变化问题的《巴黎协定》、以及第28届蒙特利尔议定书缔约方就导致全球变暖的强效温室气体氢氟碳化物(hfc)消减协议-基加利修订案。另外，欧盟于2015年实施了关于温室氟化气体(f-gas)的淘汰条例，北美地区于2016年也开始了对hfc施行禁止销售的制冷剂和时间表(snap)。这就意味着目前广泛应用的r134a、r410a、r404a等hfc类制冷剂开始进入淘汰阶段。
二氧化碳的gwp＝0、odp＝1(二氧化碳主要来自化工生产的尾气提纯，如化肥工业生产合成氨过程中产生的二氧化碳废气回收，从这一点来看可认为其gwp＝0)，具有对环境友好、单位容积制冷量高、流动和换热性能好、无毒、不可燃、与润滑油和金属及非金属材料不起作用、高温下也不会分解成有害气体、价格低廉等显著优点。除此以外，二氧化碳一直存在于自然界，不会对环境、人类等产生未知的潜在风险。前国际制冷学会主席g.lorentzen先生大力提倡使用二氧化碳，首次提出了二氧化碳跨临界循环理论，并指出其将在制冷和热泵领域发挥不可替代的作用。他从工业技术文明的角度出发，提出天然制冷剂的使用应成为未来的趋势，更认为这是一种“终极的、无悔的”解决方案。二氧化碳作为替代制冷剂越来越得到广泛应用。
采用二氧化碳作为制冷剂，它的热力学参数具有的一个显著特点是：临界点温度(31℃)远低于常规制冷剂的临界点温度(如r134a的临界点温度是101.1℃)，临界点压力(73.6bar)远高于常规制冷剂的临界点压力(如r134a的临界点压力是40.7bar)，如图2所示。
当环境温度高于临界点温度31℃时，二氧化碳的制冷循环为跨临界式蒸汽压缩循环。在跨临界蒸汽压缩循环中，高压侧的冷却过程是没有相变的变温过程(如从120℃降到20℃)，进行这种冷却过程的换热器由于没有相变过程发生而被称为“气体冷却器”(简称“气冷器”)而不是“冷凝器”。
但是，采用二氧化碳的跨临界制冷热泵与传统hfc类制冷剂的亚临界循环制冷热泵相比，其性能cop较低，这也是制约该技术大力推广应用的主要原因。
技术实现要素：
本发明旨在克服上述缺陷，提供一种高性能二氧化碳制冷热泵系统。
本发明提供的一种用于提高制冷剂跨临界循环的制冷热泵系统性能的方法，其特征在于：
s1：对经压缩机后的高温高压二氧化碳气体经前气体冷却器进行冷却降温；
s2：采用s1冷却后的高压中温二氧化碳气体经压缩机壳体冷却器对压缩机壳体进行冷却降温；
s3：s2升温后的二氧化碳气体送入后气体冷却器再进行冷却降温；
s4：将s3得到的低温高压二氧化碳进行节流降温降压处理后，依次送入蒸发器和所述压缩机内实现二氧化碳制冷剂的制冷热泵循环。
进一步地，本发明提供的一种用于提高二氧化碳跨临界循环的制冷热泵系统性能的方法，还具有这样的特点：即、对s1、s2、s3、s4过程，进行前后的气体/液体压力、温度参数进行监控后，根据设定的压力、温度、压力差或温度差进行相关设备的调节。即：通过系统控制或远程控制的方法，来实现对每个设备的运行频率，控温效果，气体/液体流速等各参数的控制。
另外，本发明还提供了一种高性能制冷剂制冷热泵系统，其特征在于：包括制冷子系统；
上述制冷子系统包括压缩机、前气体冷却器、压缩机壳体冷却器、后气体冷却器、节流膨胀装置、蒸发器；
其中，制冷剂二氧化碳以循环的方式，依次流经压缩机、前气体冷却器、压缩机壳体冷却器备、后气体冷却器、节流膨胀装置、蒸发器，最后回到压缩机；
上述压缩机壳体冷却器对压缩机进行降温。
进一步地，本发明提供的一种高性能二氧化碳制冷热泵系统，还具有如下这样的结构特点：
所述压缩机的出口端与前气体冷却器的进口端相连；
所述前气体冷却器的出口端与压缩机壳体冷却器的进口端相连；
所述压缩机壳体冷却器的出口端与后气体冷却器的进口端相连；
所述后气体冷却器的出口端与节流膨胀装置的进口端相连；
所述节流膨胀装置的出口端与蒸发器的进口端相连；
所述蒸发器的出口端与所述压缩机的进口端相连。。
进一步地，本发明提供的一种高性能二氧化碳制冷热泵系统，还具有这样的结构特点：即、上述前气体冷却器和后气体冷却器上设有调节机构，用于调节前气体冷却器和后气体冷却器的换热能力。
进一步地，本发明提供的一种高性能二氧化碳制冷热泵系统，还具有这样的结构特点：即、上述制冷子系统为一级压缩式、准二级压缩式、多级压缩式、复叠式，带回热器式、不带回热器式、超临界循环式、亚临界循环式；
上述压缩机壳体冷却器包含有光管、翅片管；
上述前气体冷却器和后气体冷却器上设有调节机构，如变频风机、变频水泵等；
上述节流膨胀装置包括热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管、膨胀机、喷射器。
进一步地，本发明提供的一种高性能二氧化碳制冷热泵系统，还具有这样的结构特点：即、各设备的连接管路上均设有监测设备；
上述监测设备为温度监测/传感器，和/或压力监测/传感器。用于对各设备进口和出口的温度或压力等参数进行监测。
进一步地，本发明提供的一种高性能二氧化碳制冷热泵系统，还具有这样的结构特点：即、还包括监控系统；
上述监控系统采集各设备和各管路的温度和/或压力、流量等数据，当监测结果不符合设定的温度或压力的数值、前后的差值或范围时，对相应的设备的运行参数进行调节。
本发明的作用和效果
本发明提供了一种高性能二氧化碳制冷热泵系统，将气体冷却器分成3个：前气体冷却器、压缩机壳体冷却器、后气体冷却器，其中，根据二氧化碳跨临界制冷循环高压侧在气体冷却器内无相变的变温特性，利用前冷却器出口的高压中温二氧化碳制冷剂对压缩机壳体进行冷却降温，使压缩过程更接近等熵过程，提高压缩机效率，降低压缩机能耗，提高系统性能cop，制冷子系统的循环过程在压焓图(即p-h图)和温熵图(即t-s图)上的表示如图3所示。
附图说明
附图1、本实施例涉及的一种高性能二氧化碳制冷热泵系统；
其中，1-压缩机；
2-前气体冷却器；
3-后气体冷却器；
4-节流膨胀装置；
5-蒸发器；
6-压缩机壳体冷却器；
7-变频风机1；
8-变频风机2；
9-数据采集与控制装置。
附图2、二氧化碳的压焓图。
附图3(a)、本实施例在压焓图和温熵图上的循环过程示意图。
附图3(b)、本实施例在温熵图上的循环过程示意图。
具体实施例
如图1所示，本实施例提供了一种高性能二氧化碳制冷热泵系统，用于提高二氧化碳跨临界循环的制冷热泵系统的性能，包括：制冷子系统和数据采集与控制子系统；
在本实施例中，制冷子系统可以是任一种蒸汽压缩制冷循环系统，如一级压缩式、准二级压缩式、多级压缩式、复叠式，以及带回热器式、不带回热器式等，还可以是跨临界循环式，也可以是超临界循环式、亚临界循环式等其它循环方式。
该制冷子系统包含压缩机1，该压缩机1的出口与前气体冷却器2的进口连接，前气体冷却器2的出口与压缩机壳体冷却器6的进口连接，压缩机壳体冷却器6的出口与后气体冷却器3的进口连接，后气体冷却器3的出口与节流膨胀装置4的进口连接，节流膨胀装置4的出口与蒸发器5的进口连接，蒸发器5的出口与压缩机1的进口连接，该压缩机壳体冷却器6的制冷剂管路缠绕在该压缩机1的外壳上。
在本实施例中，制冷剂优选为二氧化碳，当然也可以是其它任何一种制冷剂。
在本实施例中，该压缩机是变频压缩机，也可以是定频压缩机。
该节流膨胀装置可以是任何一种节流机构或膨胀装置，如热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管、膨胀机、喷射器等。
在本实施例中，该制冷剂管路可以是光管、翅片管或其它任一种管路。
该前气体冷却器2和后气体冷却器3用环境空气或水等任何冷源进行冷却，采用调节机构，如：变频风机、变频水泵等对冷源流量进行调节来控制前气体冷却器2和后气体冷却器3的换热能力，在本实施例中，将变频风机7安装在所述前气体冷却器2上，采用变频风机7对前气体冷却器2进行冷却风量调节，将变频风机8安装在后气体冷却器3上，采用变频风机8对后气体冷却器3进行冷却风量调节，通过对前气体冷却器2的出口二氧化碳温度进行控制，进而控制所述压缩机壳体冷却器的冷却能力。
另外，在本实施例中，通过数据采集和控制装置，根据制冷系统的各个温度和压力测量值，通过变频风机、节流膨胀装置及压缩机对压缩机壳体冷却器的冷却降温能力、排气温度、高压侧压力、低压侧压力进行控制，结合二氧化碳跨临界循环具有最优排气压力的特性，对系统进行优化控制，除了保证系统正常稳定运行外，还可使系统在最高cop工况下运行。包含压缩机1的出口排气温度传感器和排气压力传感器，该前气体冷却器2的出口温度传感器，该压缩机壳体冷却器6的出口温度传感器，该后气体冷却器3的出口温度传感器，该节流膨胀装置4的出口温度传感器，蒸发器5的出口温度传感器和压力传感器，数据采集与控制装置。
在具体运行的过程中，该数据采集与控制装置，实时采集制冷子系统的各温度和压力传感器测量值，通过变频风机7调节前气体冷却器的出口二氧化碳温度，通过变频风机8调节所述后气体冷却器的出口二氧化碳温度，并可通过调节节流膨胀装置4和压缩机1的频率来控制制冷子系统的高压侧压力和低压侧压力。
如图3(a)和图3(b)可以看出：经前气体冷却器降温后的二氧化碳(点3)温度为25℃，进入压缩机壳体冷却器对压缩机进行降温后升到55℃(点4)，然后进入后气体冷却器继续被冷却到20℃(点5)。由于压缩机被冷却，本发明的制冷压缩过程(1-2)与没有压缩机壳体冷却器的压缩过程(1-2’)相比，更接近于等熵过程(1-2s)，其排气温度从120℃降到100℃，相应的压缩机耗功减少，因而cop得到提高。同时，由于排气温度降低，系统的高压运行范围也得到提高，系统的应用范围更广泛。