本发明涉及非共沸工质机械辅助过冷的CO2制冷制热一体化系统。
背景技术：
随着北京携手张家口成功申办2022年冬奥会，我国冰雪运动迎来前所未有的发展机遇。为了实现“三亿人参与冰雪运动”目标，冰雪运动会逐步向大众普及。随着参与冰雪运动的人越来越多，冰雪运动场馆和设施也会飞速增加。大型体育馆会同时设有人工滑冰场、游泳池以及并且冬夏有供暖和供冷的需求。要保证大型体育场馆的正常运转，需要通过制冷设备为滑冰场提供冷量，并且为游泳池以及供暖设备提供热量。为了同时满足制冷和制热的需求，可将滑冰场制冰设备冷凝器侧排放的热量进行回收，为游泳池以及供暖设备提供热量，以提高制冷系统综合能效，达到节能减排的目的。
为保证游泳池水温温度为26～28℃，水温热到50℃左右再注入泳池中，为循环加热。而对于北方地区的体育场馆的供暖系统，其末端通常采用暖气片，要求一般暖气片进水温度60～85℃，回水温度50～75℃，供回水温差较小，也为循环加热。并且采暖方式都是依靠燃煤，其燃烧产生的污染物更多，对环境的危害大，也是导致北方冬季雾霾的一大诱因。为治理北方冬季雾霾问题，政府也提出采用煤改电等措施解决北方冬季供暖，即通过用电、燃气等清洁能源代替传统的燃煤供热，需要对体育场馆的供暖系统进行改造。如采用热泵系统取代燃煤锅炉后，如不改造供热末端(暖气片)的话，其供回水温度应保持不变。
然而目前市场上销售的满足这一工况条件的热泵产品使用的制冷剂主要为HFC或HCFC类人工合成制冷剂，这些制冷剂GWP值较高，具有较强的温室效应。2016年10月全球达成的《蒙特利尔议定书基加利修正案》提出要重点削减HFC类化合物。因此，自然工质CO2逐渐引起了人们的广泛关注。采用CO2系统既可以用来制冷也可以用来制热。然而，CO2热泵系统适用于供回水温差大的系统(比如用于热泵热水器系统)，如采用CO2热泵用于供暖，其能效较低。并且CO2节流损失较大，导致其在制冷工况下，能效也较低。
如采用CO2系统为滑冰场进行供冷，并且对气体冷却器的放热量进行回收用于游泳池以及供暖，就需要克服以下问题：1)减小CO2节流不可逆损失，增加制冷量；2)在降低供回水温差的前提下，保证CO2系统较高的能效；3)保证系统安全环保。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种非共沸工质机械辅助过冷CO2跨临界制冷制热一体化系统，其中机械过冷热泵系统为传统的蒸汽压缩制冷循环，制冷剂为R32/R152a或R32/R11234ze(E)温度滑移合理的非共沸制冷剂。
本发明所采取的技术方案是：一种非共沸工质机械辅助过冷CO2跨临界制冷制热一体化系统，包括非共沸工质机械辅助过冷热泵系统和膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统；
非共沸工质机械辅助过冷热泵系统包括辅助循环压缩机、冷凝器、辅助循环节流阀和冷却蒸发器；冷却蒸发器流出的制冷剂经辅助循环压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，进入冷凝器与回水进行换热，换热后的制冷剂经过辅助循环节流阀膨胀节流后进入冷却蒸发器，对CO2气体冷却器出口的CO2流体进行冷却；
膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统包括压缩机、气体冷却器、膨胀机、蒸发器和联轴器组成；CO2经蒸发器流出经过压缩机后进入气体冷却器与回水进行换热，后经过膨胀机膨胀节流后流入蒸发器吸收冷却液的热量，冷却液从蒸发器流出经盘管再流入蒸发器，膨胀机通过联轴器与压缩机同轴联接；
暖气片的回水流经三通阀，分为两路，一路流过机械辅助过冷系统的冷凝器，另一路回水流至CO2循环的气体冷却器，最终两路热水流至混合罐，混合后的热水输送至暖气片。
非共沸工质机械辅助过冷热泵系统中辅助循环压缩机将非共沸制冷剂压缩成高温高压气体，进入冷凝器与回水进行换热。之后制冷剂经过辅助循环节流阀膨胀节流后变为低温低压的气液两相流体，通过冷却蒸发器对CO2气体冷却器出口的CO2流体进行冷却达到过冷效果。
膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统中CO2热泵系统内充注的工质为CO2，压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，进入气体冷却器与回水进行换热，后经过膨胀机膨胀后变为低温低压的气液两相流体，然后流入蒸发器进行吸热，变为低温低压气体后吸入压缩机入口，蒸发器对外界环境吸热降温，实现制冷，完成循环。膨胀机通过联轴器与压缩机同轴连接，回收的膨胀功为压缩机提供动能，减少压缩机输入功。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)CO2制冷制热一体化系统的制冷剂为自然工质CO2。CO2的GWP为1，ODP为0，安全无毒不可燃、廉价易获取。辅助循环使用的制冷剂为R32/R152a或R32/R11234ze(E)温度滑移合理的GWP较低的非共沸制冷剂。CO2循环和辅助循环的制冷剂均为环境友好工质。
(2)机械过冷循环制冷剂在蒸发冷凝过程中存在温度滑移，根据Lorenz循环的概念，非共沸混合工质蒸发过程与超临界过冷CO2流体形成较好的温度匹配。非共沸混合工质冷凝过程与热水升温过程形成良好的温度匹配。CO2气体冷却器出口温度较高，与热水的加热过程的温度匹配较好。实现了热水入水回水温差较小的工况前提下，合理减少了换热过程中的不可逆损失，提升CO2制冷制热一体化系统的整体能效。
(3)对于回水，分为两路，一路流过辅助循环的冷凝器进行加热，另一路流经CO2循环的气体冷却器进行加热。加热后的两路热水进入混合罐进行混合，之后供给暖气片采暖或游泳池加热使用，两路回水的进出口温差较小，在保证暖气片供热工况的前提下，保证系统能效，通过热泵取代燃煤锅炉进行制热。
(4)通过机械过冷系统对CO2系统气体冷却器出口的CO2进行过冷，降低进入节流阀前CO2温度，减小节流损失，并进一步降低CO2运行高压；通过膨胀机对CO2膨胀过程中的膨胀功进行回收，膨胀机与压缩机通过联轴器相连，回收功由于驱动压缩机做功，减少压缩机的输入功，保证CO2热泵系统高效运行。
(5)充分利用CO2制冷制热一体化系统制取的冷热量，蒸发器对冷却液吸热降温，通过冷却液对滑冰场冰面进行制冷。
附图说明
图1是本发明的温熵图；
图2为本发明的系统示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，附图详细说明如下：
非共沸混合工质机械辅助过冷热泵系统和膨胀机辅助CO2制冷制热系统的温熵图如图1所示，其中细虚线为CO2跨临界循环(1-2-3-4-1)，细实线为非共沸工质循环(1’-2’-3’-4’-1’)，粗实线为水的升温过程，粗虚线为冷却液降温过程。
请参阅图2，一种非共沸工质机械辅助过冷CO2跨临界制冷制热一体化系统。对于回水，分为两路，一路流过辅助循环(制冷剂采用非共沸工质)的冷凝器进行加热，另一路流经CO2循环的气体冷却器进行加热，加热后的两路热水进入混合罐进行混合，之后供给用户采暖使用，此时CO2系统气体冷却器出口的CO2温度较高(由于回水温度较高)通过辅助系统对CO2进行过冷，可降低进入节流阀前CO2温度，这样就可以起到减小节流不可逆损失，降低CO2运行高压的效果。在供回水温差较小的工况条件下，CO2热泵系统仍然能够高效运行。辅助循环使用的制冷剂为R32/R152a或R32/R11234ze(E)温度滑移合理的GWP较低的非共沸制冷剂。在CO2热泵系统中，利用蒸发器中制冷剂吸热，对冷却液制冷降温。
其具体实施方式为：
第一步：回水通过三通阀1后一路流经冷凝器2换热，一路流经气体冷却器9换热后到达混合罐10进行混合，再经暖气片或换热器12进行供热或加热游泳池，如此往复循环。
第二步：辅助循环压缩机5吸入冷却蒸发器4出口处的低温低压的制冷剂气体，将其压缩成高温高压的气体，与热水进行换热后温度降低，之后流经辅助循环节流阀3节流降压，变为气液两相状态。再经冷却蒸发器4蒸发吸热后成为过热气体进入辅助循环压缩机5，完成辅助循环。
第三步：压缩机8吸收蒸发器7出口处的低温低压CO2气体，将其压缩为高温高压的超临界流体，经气体冷却器9与管道中水进行换热，再经冷却蒸发器4进行过冷，经过膨胀机6膨胀后变为低温低压的气液两相状态，经蒸发器7蒸发后再进入压缩机8中，如此往复循环。膨胀机6与压缩机8通过联轴器13连接，膨胀机6输出的膨胀功用来驱动压缩机8实现CO2流体的压缩。
第四步：蒸发器7中CO2蒸发吸收冷却液的热量，冷却液流经盘管11，实现制冷。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。