[发明专利]一种基于带预冷器的跨临界CO2

说明书

本发明公开一种基于带预冷器的跨临界CO₂热泵系统及水路两通阀控制方法，将常规跨临界CO₂热泵系统辅助以预冷器系统；通过三通分水阀和三通汇水阀将循环水路在系统内部分为两个部分，并通过水路两通调节阀和水路旁通阀进行连接；同时配以环境温度传感器、蒸发器翅片温度传感器和蒸发压力传感器，并采用可编程逻辑控制器为采集、运算和控制核心。通过以上系统配置和妥善制定的温度、压力和时间联合控制方法，可以实现跨临界CO₂热泵系统向供暖领域的推广，弥补高回水温度对跨临界CO₂系统的性能衰减，妥善控制机组的进入和退出除霜，并解决跨临界CO₂热泵系统在相对较长的除霜时间内停止供热，循环水系统平均温度迅速下降的问题。

技术领域

本发明属于暖通制冷及热泵技术领域，涉及一种跨临界CO₂热泵系统。

背景技术

近年来，随着国民经济的飞速发展，大量不健康的能源供给方式和环境友好性并不完备的技术开发引发了日益严重的环境问题和能源危机，这是当前中国面上经济发展前景和背后负面效应承载能力这对永恒存在的矛盾所面临的最为严重的问题。由于近十年来国民经济发展的基础方向逐渐从工业向第三产业及居民生活条件支持性产业方面进行转变，因而工商业及民用背景下能源的输出领域也有了潜移默化的转变。据报道，工商业和民用背景下的暖通行业的能源消耗量目前已经占据全国能源消耗量的首位，其中尤以供暖能源消耗为甚。

由于在传统的供暖行业中往往采用分布式的小型燃煤锅炉、燃气锅炉或电锅炉作为供暖能源的直接来源，因此这些锅炉供暖方式的低效率与高污染的特点便得以在全国范围为基数加以放大，称为了能源低效率使用和环境初级污染的罪魁祸首之一。因此，近年来许多学者们投入到了热泵系统在供暖领域的使用，其中首推跨临界CO₂热泵系统。首先，作为完全来自于大气环境的纯天然制冷剂，CO₂具有其他制冷剂不可比拟的环境友好性与安全性，况且其良好的低温流动性也很适合于寒冷地区冬季的运行工况。另外，在超临界的工作条件下，无相变过程的CO₂在气体冷却器中以巨大的温度滑移作用对循环水放热，可以将循环水直接从低温条件提升到超过80℃的高温条件，十分适合供暖领域的温度要求。因此，结合跨临界CO₂热泵系统良好的低环境温度适应性和高出水温度能力，这种热泵系统十分值得在供暖领域进行推广和使用。

当然，跨临界CO₂热泵在供暖领域的实地应用过程中同样也是存在一些实际问题与技术难点的。这些难点主要可以归结为两点：高回水温度对跨临界CO₂系统的性能衰减和跨临界 CO₂系统除霜过程的特殊性。由于供暖领域应用背景下水循环系统的回水温度(也就是热泵系统的进水温度)一般高于40℃，如果直接将这样的中温水通入跨临界CO₂热泵系统的气体冷却器内与CO₂气体进行换热，会造成CO₂气体被冷却后的温度较高，系统的供热潜能难以被完全体现，造成系统的运行效率较低。另外一方面，由于跨临界CO₂系统的排气压力很高，市面上少有符合承压要求的四通换向阀出现，因此该热泵系统不能像常规用于供暖领域的普通制冷剂热泵系统那样通过四通换向阀换向的方式来进行除霜，而是要将排气口的热气通过减温降压之后通入蒸发器，这也就造成了蒸发器内除霜流体的温度本身并不足够高，除霜时间相比于常规制冷剂系统更长。由于热泵系统本身在除霜的过程中是无法进行常规供热的，因此较长的除霜时间势必会造成水路循环系统内平均水温的大幅下降，带来供暖水源温度的波动。另一方面，由于除霜时间加长，则要求机组控制系统对于除霜与否的判断逻辑要求更加精确，保持机组在的确积霜严重时才进入除霜过程，而在除霜完成后及时反应回归正常供暖过程。

综上所述，现有跨临界CO₂热泵系统在供暖领域的实际应用中面临三项主要技术难题：高温回水直接进入CO₂气体冷却器会降低系统效率，除霜的进入和退出判断条件和控制逻辑应当更加准确和严谨，较长时间的除霜过程中应尽量避免循环水系统的温度波动。