[发明专利]一种跨临界二氧化碳复合热泵系统的控制方法

说明书

本发明公开了一种跨临界二氧化碳复合热泵系统的控制方法，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。本发明根据回水温度包括两种工作模式，使得机组应用范围更广，满足日常需要；本发明中只有一个制冷剂与水的换热器，相比较现有的临界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；本发明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。

技术领域

本发明属于热泵技术领域，特别涉及一种跨临界二氧化碳复合热泵系统的控制方法。

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。