[发明专利]使用顺序操作的热泵/空调装置

说明书

1.发明领域

本发明涉及用于提供蒸汽压缩循环的系统，例如具有热能储蓄器或储存设备的空调单元或热泵，所述热能储蓄器或储存设备具有作为蒸发器或作为气体冷却器(冷凝器)工作的双重功能，且其中操作模式取决于能量源的循环温度的温度水平、储能设备的温度、及热量要求，所有这些都被调节以优化热量产生和最小化功率消耗。此外，本发明涉及用于操作该系统的方法。

2.现有技术的描述

用于冰箱、空调或热泵目的的传统的蒸汽压缩循环系统大体上在图1中示出。该系统由压缩机1、冷凝热交换器2、节流阀或减压设备3和蒸发热交换器4组成。这些部件连接在闭合的流路11中，其中制冷剂循环。蒸汽压缩循环设备的操作原理如下：在制冷剂进入气体冷却器/冷凝器2之前，制冷剂的压力和温度由压缩机1升高，在气体冷却器/冷凝器2中制冷剂被冷却和/或冷凝，释放出热量。然后高压液体通过减压设备3被节流到蒸发器压力。在蒸发器4中，制冷剂沸腾并从其周围吸收热量。在蒸发器处的蒸汽被吸入压缩机1，完成循环。

传统的蒸汽压缩循环系统使用在亚临界压力处完全操作的制冷剂(例如R134A)。许多不同的物质或物质的混合物可用作制冷剂。制冷剂的选择除了其他因素以外还被冷凝温度影响，因为流体的临界温度设置冷凝发生的上限。为了保持合理的效率，通常期望使用临界温度高于冷凝温度20-30℃的制冷剂。尽管一些新的系统在超临界温度附近操作，但在传统的系统的设计和操作中避免在临界温度附近。这例如是在英国专利申请GB 2414289A和专利申请WO2005/106346A1中描述的热泵的情况。这两个申请都描述了R410A作为制冷剂的使用。在专利EP0424474B2中描述了使用R744(CO₂)进行跨临界热泵送的调节方法。

本专利技术在文献中被十分详细地处理，且许多专利涵盖该技术领域。由于制冷剂最终将泄漏到大气中，目前制冷剂的温室气体效应对环境造成威胁。释放到大气中的1kg的HFC制冷剂R410A在全球变暖影响中相应于1830kg的CO₂。R744(CO₂)具有1的全球变暖潜力，而普遍使用的HFC制冷剂来自1700和高到多于5000kg的CO₂等价物。因此如果R744可用作制冷剂，假定COP(性能系数)与可比较的HFC制冷剂一样好，则对环境是有益的。较低的COP将通过使用R744减少益处，因为来自功率源的CO₂排放增加。一些国家已制定预测未来禁止使用强温室气体例如当前用在制冷过程中的HFC的法规。在挪威和其他几个国家已经对使用HFC的使用征收环境税。

由于R744(CO₂)的31.2℃的低临界点，使用R744(CO₂)的热泵的COP在典型的房屋加热模式中较差。这在Stene的博士论文，Residential CO₂ heatpump systems for combined space heating and hot water heating(ISBN 82-471-6316-0)中被彻底地描述。来自给R744制冷剂热泵供能的能量源的增大的CO₂排放可能超过来自HFC制冷剂到大气的潜在释放的减小的温室气体效应。根据Stene的博士论文，为了达到良好的COP，高压热R744气体应该拒绝远低于CO₂的临界点(31.2℃)的可使用的热量。当室内温度保持在20℃以上且用于加热空间的介质(水或空气)应该具有至少30℃的温度以具有对热传递的合理的温度差时，这变得困难。对于从制冷剂流动到热分布介质的热量，制冷剂的温度因此应该在30℃以上。将在超临界条件中的压缩机高压侧的热气体冷却到远低于CO₂的临界点的水平将增大热泵效率，特别是当该热量是可使用的时。

美国4012920公开了一种可逆热泵，其具有三个线圈以作为蒸发器或冷凝器操作，并用于连接其他两个线圈中的任意一个以分别作为冷凝器或蒸发器操作，因此热量可在内部空气、外部空气和存储流体之间的任何组合中交换。然而，这三个线圈的布置可能只在冷却或加热模式中两两一起工作，且决不与同时作为气体冷却器/冷凝器的两个线圈一起工作，当储热设备准备下一阶段的操作时，这对于本发明的原理是重要的。

美国3523575公开了一种可逆热泵，其具有在冷却和加热模式中均可作为帮助的储热设备储热器。然而，该热泵仅具有两个线圈，且所存储的能量目的仅在于帮助蒸发/冷凝过程，而不起热泵的唯一热源的作用。

3.发明目的