一种跨临界CO2空气源系统的制作方法

本实用新型涉及热泵系统技术领域，尤其是涉及一种跨临界co2空气源系统。

背景技术：

作为一种节能环保的供热方式，跨临界co2空气源热泵技术开发研究方面备受关注。在系统运行过程中，气冷器内制冷剂处于超临界状态，温度与压力为相互独立的参数，在整个放热过程中，制冷剂侧温度滑移特性与水温的温升过程相匹配，减少了换热过程的不可逆性，因此特别适合用于制取热水。跨临界co2空气源热泵热水系统运行时存在一些不足：水侧入口温度对系统性能影响较大。高温工况下水侧温度较高会导致气冷器换热性能变差，制热量减少，不能满足用户需求；低温工况下空气侧温度较低，系统易出现结霜现象，严重影响系统运行的稳定性和高效性。

相变材料在温度不变的情况下其物相变化过程中能提供潜热，利用高效的相变材料吸收或释放潜热进行蓄能,充分利用低谷电，具有良好的性能和经济效益。但现阶段相变材料存在以下问题：在循环过程中热物理性质的退化问题；相变材料易从基体的泄漏问题；相变材料对基体材料的作用问题。

专利cn201706780u描述了一种相变蓄能热泵热水器，冷凝器进口端与压缩机之间设有四通阀，四通阀一出口端与风冷换热器连通，另一出口端通过气液分离器与压缩机连通，实现节能、提高设备利用率，四通换向阀承压有限，应用于跨临界co2热泵系统中易出现泄露问题。

专利cn105222400a描述了一种采用相变蓄能的空气源热泵供热供冷系统，通过热泵制得的热量或冷量传送至相变蓄能装置内，经过相变蓄能装置的存储转化。在低负荷需求工况下蓄热或蓄冷可大幅度降低运行费用，空气源热泵性能影响蓄能效果，节能效果有限。

因此，为了解决跨临界co2热泵系统的问题，本实用新型提出一种高效节能的跨临界co2空气源系统，进一步解决现有技术的问题。

技术实现要素：

为了解决跨临界co2热泵系统技术的不足，本实用新型提出一种跨临界co2空气源系统，在分时优惠电价期间或低负荷需求工况运行蓄能模式，在高峰电价期间，运行供热模式。利用优惠电价或低负荷需求工况下蓄能，大幅度降低运行费用，提高跨临界co2空气源系统的稳定性。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种跨临界co2空气源系统，包括压缩机、第一蓄热模块、节流装置、第二蓄热模块和蓄冷模块，所述第一蓄热模块包括串联设置的气冷器和第一蓄热装置；所述第二蓄热模块包括蒸发器、风机和第二蓄热装置，所述第二蓄热装置通过节流装置与蒸发器串联；所述气冷器与节流装置之间并联设有第一电磁阀和第二电磁阀，第一电磁阀连通第二蓄热装置，第二电磁阀连通节流装置；所述蒸发器与蓄冷模块之间并联设有第三电磁阀和第四电磁阀，第三电磁阀连通压缩机，第四电磁阀连通蓄冷模块。

进一步地，所述第一蓄热装置的co2进料口与压缩机的出口连接，第一蓄热装置的co2出料口与气冷器的co2进料口连接；所述蓄冷模块的co2出料口与压缩机的进口连接。

进一步地，所述第一蓄热模块和蓄冷模块均设有进水口和出水口，蓄冷模块的进水口连通水源，蓄冷模块的出水口连接第一蓄热模块的进水口，第一蓄热模块的出水口连接用户端。

进一步地，所述水源连接有水泵；控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀以及风机和水泵的开闭状态，可使系统处于正常制热模式或蓄能运行模式。

进一步地，还包括室外温度传感器，用于检测室外空气温度，蓄能运行模式下，第一蓄热装置进行蓄热，蓄冷模块进行蓄冷，且当室外空气温度低于第一阈值时，第二蓄热装置开始蓄热；当室外空气温度高于第二阈值时，第二蓄热装置停止蓄热。

进一步地，所述第一蓄热装置的相变蓄热材料的相变温度为50-65℃，所述相变蓄热材料是石蜡、na2hpo4*12h2o、na2co3*10h2o中的一种。

进一步地，所述第二蓄热装置的相变蓄热材料的相变温度为22-35℃，所述相变蓄热材料是石蜡、na2hpo4*12h2o、na2co3*10h2o中的一种。

进一步地，所述蓄冷模块的相变蓄冷材料的相变温度为0-10℃，所述相变蓄冷材料是石蜡、na2hpo4*12h2o、na2co3*10h2o中的一种。

进一步地，所述第一蓄热模块中，第一蓄热装置设于气冷器上方，第一蓄热装置的底部通过集液器连通气冷器，所述气冷器采用套管式换热器；所述第二蓄热模块中，第二蓄热装置设于蒸发器和风机之间，蒸发器采用管翅式换热器。

进一步地，在分时优惠电价期间或低负荷需求工况下，开启蓄能运行模式；在高峰电价期间，开启正常制热运行模式。

相比于现有技术，本实用新型至少包括以下有益效果：

采用第一蓄热模块提供热补偿，保证出水温度维持在设定值；采用第二蓄热模块提高入风温度，避免低温工况下蒸发器结霜，同时提高蒸发压力，减少制冷剂循环量，提高系统效率；采用蓄冷模块降低水侧入口温度，提高系统效率。

本实用新型所述系统将相变蓄能技术与热泵技术相结合，解决热泵运行时电网峰负荷过大，充分利用低谷电，实现削峰填谷的目的。

本实用新型的其他优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而未本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述系统组成示意图；

图2为本实用新型的第一蓄热模块结构示意图

图3为本实用新型的第二蓄热模块结构示意图

图4为本实用新型的蓄冷模块结构示意图

图5为本实用新型所述系统蓄热运行模式下的流程示意图；

图6为本实用新型所述系统正常制热模式下的流程示意图。

附图标记：

1-压缩机，2-第一蓄热模块，21-气冷器，22-第一蓄热装置，201-机壳，202-第一蓄热材料，203-集液器，205-co2进料口，206-co2出料口，207-气冷器co2出口，208-气冷器进水口，209-气冷器出水口，210-第一蓄热装置出水口，3-节流装置，4-第二蓄热模块，41-蒸发器，42-第二蓄热装置，402-第二蓄热材料，43-风机，5-蓄冷模块，501-蓄冷模块机壳，502-蓄冷材料，503-分液器，504-蓄冷模块co2进料口，505-蓄冷模块co2出料口，506-蓄冷模块进水口，507-蓄冷模块出水口，6-第一电磁阀，7-第二电磁阀，8-第三电磁阀，9-第四电磁阀。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步描述说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，一种跨临界co2空气源系统，包括压缩机1、第一蓄热模块2、节流装置3、第二蓄热模块4和蓄冷模块5。本实施例中，节流装置3采用电子膨胀阀。

第一蓄热模块2包括串联设置的气冷器21和第一蓄热装置22；第二蓄热模块4包括蒸发器41、风机43和第二蓄热装置42，所述第二蓄热装置42通过节流装置3与蒸发器41串联；气冷器21与节流装置3之间并联设有第一电磁阀6和第二电磁阀7，第一电磁阀6连通第二蓄热装置42，第二电磁阀7连通节流装置3；蒸发器41与蓄冷模块5之间并联设有第三电磁阀8和第四电磁阀9，第三电磁阀8连通压缩机1，第四电磁阀9连通蓄冷模块5。

第一蓄热装置22的co2进料口与压缩机1的出口连接，第一蓄热装置22的co2出料口与气冷器21的co2进料口连接；所述蓄冷模块5的co2出料口与压缩机1的进口连接。

所述第一蓄热模块2和蓄冷模块5均设有进水口和出水口，蓄冷模块5的进水口连通水源，蓄冷模块5的出水口连接第一蓄热模块2的进水口，第一蓄热模块2的出水口连接用户端。

所述水源连接有水泵；控制第一电磁阀6、第二电磁阀7、第三电磁阀8、第四电磁阀9以及风机43和水泵的开闭状态，可使系统处于正常制热模式或蓄能运行模式。

如图2所示，本实施例采用的第一蓄热模块2分为上下两部分,上部为第一蓄热装置22，由第一蓄热材料202、集液器203、co2进料口205、co2出料口206、出水口210组成；下部为气冷器21，采用套管式换热器，由套管式换热器、气冷器co2出口207、气冷器进水口208、气冷器出水口209组成。第一蓄热材料202的熔点为50-65℃的有机相变材料固体石蜡。

如图3所示，本实施例采用的第二蓄热模块4分为三个部分，前部为蒸发器，采用管翅式换热器；中部为第二蓄热材料42；后部为风扇43。第二蓄热材料42的熔点为22-35℃的有机相变材料固体石蜡。

如图4所示，本实施例采用的蓄冷模块5由蓄冷模块机壳501、蓄冷材料502、分液器503、co2进料口504、co2出料口505、蓄冷模块进水口506、蓄冷模块出水口507组成。蓄冷材料5的相变温度为22-35℃的有机相变材料液体石蜡。

本实用新型所述系统进行蓄能运行模式时，流程如图5所示：

当空气侧温度低于第一阈值a时，第一阈值a的范围可取10+1℃，开启第一电磁阀6，第二蓄热模块4运行；第三电磁阀8关闭，第四电磁阀9开启，蓄冷模块5运行。水泵关闭，风扇关闭。

制冷剂co2的流程如图5实线和箭头所示，低温低压制冷剂气体在压缩机1中压缩至超临界状态，压缩机1出口端高温高压气态制冷剂经管路，在第一蓄热模块2中co2进料口205进入分液器203，均匀流进第一蓄热材料202，制冷剂co2的热量将第一蓄热材料202熔化，以潜热和少部分显热的形式储存于第一蓄热材料202。第一蓄热材料202的熔点为50-65℃的有机相变材料固体石蜡，减少对系统的腐蚀。制冷剂经集液器203聚集，通过co2出料口206进入气冷器204中，气冷器204中并未通入冷水，释放的热量全部储存于第一蓄热材料202中。制冷剂经气冷器co2出口207进入第二蓄热模块4中的第二蓄热材料42中，制冷剂co2的热量将第二蓄热材料43熔化，以潜热和少部分显热的形式储存于第二蓄热材料43。第二蓄热材料43的熔点为22-35℃的有机相变材料固体石蜡，减少对系统的腐蚀。制冷剂co2气体通过节流装置3降压，节流后的气体温度下降，部分气体液化，湿蒸汽通过蓄冷模块5中co2进料口504进入分液器503，均匀流进蓄冷材料502，蓄冷材料502吸收制冷剂的冷量。制冷剂通过集液器503聚集，通过co2出料口505进入压缩机1中。蓄冷材料的相变温度12-22℃的有机相变材料液体石蜡。

在蓄能运行模式下，调节压缩机1的功率和节流装置3的开度，控制各蓄能装置中的换热量，保证蓄热材料达到所需温度。需要注意的是，在空气温度高于第二阈值b时，第二阈值b的范围可取25+1℃，不可打开第一电磁阀6，运行第二蓄热模块4。空气侧温度过高，导致压缩机排气温度过高，易对系统产生危害。

本实用新型所述系统进行正常制热运行模式时，流程如图6所示：

第一电磁阀6关闭，第二电磁阀7开启，第二蓄热模块4停止运行；第三电磁阀8开启，第四电磁阀9关闭，蓄冷模块5停止运行。水泵开启，风扇开启。

制冷剂co2的流程如图6实线和箭头所示，压缩机1产生的高温高压的气态制冷剂，从压缩机1出口端经管路在第一蓄热模块2中co2进料口205进入分液器203，均匀流进第一蓄热材料202，制冷剂co2的热量将第一蓄热材料202熔化，以潜热和少部分显热的形式储存于第一蓄热材料202。第一蓄热材料202的熔点为50-65℃的有机相变材料固体石蜡，减少对系统的腐蚀。制冷剂经集液器203聚集，通过co2出料口206进入气冷器204中，气冷器204采用套管式换热器，制冷剂在套管式换热器中与水进行热交换被冷却后，经气冷器co2出口207进入电子膨胀阀3。制冷剂co2气体通过电子膨胀阀3降压，节流后的气体温度下降，部分气体液化，湿蒸汽进入蒸发器41中汽化。蒸发器41采用管翅式换热器。低温低压气态制冷剂回到压缩机1完成循环。

水的流程如图6中虚线和箭头所示，水源经水侧进口，通过蓄冷模块5中的进水口506进入分液器503，均匀流进蓄冷材料502，吸收蓄冷材料的冷量降低温度后，再流入分液器503聚集，通过出水口507进入第一蓄热模块2，通过气冷器21进水口208进入套管式换热器进行热交换，吸收制冷剂的热量，再经气冷器出水口209进入集液器203，均匀流进第一蓄热材料202吸收制冷剂的热量，被加热至50-65℃，通过集液器203聚集，从第一蓄热装置22的出水口210流入用户端，为用户提供热水。水源先经蓄冷模块降温，再进入第一蓄热模块内升温，可大大提高系统制热效果。

当空气侧温度低于第一阈值a时，第一阈值a的范围可取10+1℃，在蓄能模式下，开启第一电磁阀6，第二蓄热模块4运行。第二蓄热材料42吸收制冷剂的热量后温度升高；当进入正常制热模式时，低温空气通过第二蓄热模块4中的风扇43进入第二蓄热材料42中进行换热升温，避免制冷剂在蒸发器41换热进行蒸发的过程中出现结霜。利用相变蓄能材料作为除霜的低位热源，由于相变蓄能材料在除霜过程中提供了足够的热量，提高除霜速度，保证除霜期间系统稳定性。

采用相变蓄能的跨临界co2空气源系统运行正常制热模式，同时在分时优惠电价期间或低负荷需求工况运行蓄能模式，在高峰电价期间，运行制热模式。利用优惠电价或低负荷需求工况下蓄能，大幅度降低运行费用，提高跨临界co2空气源系统的稳定性。同时，本实用新型采用复合的有机相变材料，密封性好，提高换热效率，减小对系统的腐蚀。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。