CN111795423B - 一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统，包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路；还包括使得二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路中两两间耦合换热的三个双流体换热器，以及将三者耦合换热的三流体换热器。与现有技术相比，本发明中三流体换热器作为系统二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路的耦合部分，能随工况转换主要换热的两股流体，从而使一套系统能运行在机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两种状态，结合了传统机械辅助过冷系统和复叠系统的优势，在高温/严寒工况和小/大供回水温差下都能高效运行，显著提升了供暖季的整体能效。

Description

一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳热泵供暖系统，尤其是涉及一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统。

背景技术

为解决北方燃煤供暖导致的严重环境污染问题，北方供暖地区开展了“煤改电”项目，并在近年来主推空气源热泵系统。其中，采用天然工质二氧化碳作为制冷剂的二氧化碳热泵供暖系统因其环保、高效、节能受到广泛关注。

目前，节能性和实用性都较好的二氧化碳热泵供暖系统主要有机械辅助过冷的跨临界系统(CN208011829U)和复叠系统(CN106524552A、CN209857414U)两类，但都还无法保证北方供暖季的持续高效供暖，均存在优势工况覆盖范围有限和换热温度匹配不均匀的问题。其中，机械辅助过冷的跨临界系统适用于环境温度较高、供回水温差较大的工况。该系统主循环仍为单级压缩，环境温度降低后能效衰减严重。同时，二氧化碳在超临界的大温度滑移更适合大温升的加热过程(例如，末端采用散热器，将回水30℃加热到65℃)，对于小温升的加热过程换热温差损失较大。而复叠系统更适用于环境温度较低、供回水温差较小的工况。在低温环境下，由于二氧化碳亚临界循环能效一般高于跨临界循环，因此二氧化碳复叠热泵供暖系统优势明显，但在高温工况下受制于高温级冷凝侧较大的换热温差损失，能效反而不及机械辅助过冷的跨临界系统。当用于供回水温差较大的场合，会进一步增加高温级循环冷凝侧的换热损失。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统，其中引入一种三流体换热器的设计，将有助于改善上述两大问题，从而兼顾两种二氧化碳热泵供暖系统的优点，保障系统整个供暖季的高效运行。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统，包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路；

还包括使得二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路中两两间耦合换热的三个双流体换热器；

还包括使得二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路三者耦合换热的三流体换热器；

运行过程中，所述的基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统具有机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两种状态。

进一步地，三个双流体换热器包括：

二氧化碳-水换热器，耦合于二氧化碳子循环和水侧循环流路之间；

二氧化碳-制冷剂换热器，耦合于二氧化碳子循环和制冷剂子循环之间；

制冷剂-水换热器，耦合于制冷剂子循环和水侧循环流路之间。

进一步地，所述的二氧化碳子循环包括：

通过制冷剂管道顺次连接的蒸发器、二氧化碳压缩机、二氧化碳-水换热器的第二换热通道、三流体换热器的第二换热通道、二氧化碳-制冷剂换热器的第一换热通道、二氧化碳节流阀，构成循环回路。

进一步地，所述的制冷剂子循环包括：

通过制冷剂管道顺次连接的制冷剂压缩机、制冷剂-水换热器的第一换热通道、制冷剂节流阀、二氧化碳-制冷剂换热器的第二换热通道、三流体换热器的第三换热通道，构成循环回路。

进一步地，所述的水侧循环流路包括：

顺次连接的水泵、散热末端、三流体换热器的第一换热通道、制冷剂-水换热器的第二换热通道、二氧化碳-水换热器的第一换热通道，构成循环回路。在水泵的驱动下，从散热末端出来的回水依次流经三流体换热器、制冷剂-水换热器和二氧化碳-水换热器被加热，出水再送进散热末端加热外部空气。三流体换热器和二氧化碳-水换热器同时接入水侧循环流路和二氧化碳子循环，实现二者间的换热。所述的制冷剂-水换热器同时接入水侧循环流路和制冷剂子循环，实现二者间的换热。

进一步地，处于机械辅助过冷循环状态时：

所述的二氧化碳子循环作为主循环，为二氧化碳跨临界循环，承担向水侧循环流路热量的主要输出；

所述的制冷剂子循环作为辅助循环，其为机械过冷循环，实现三流体换热器出口的二氧化碳温度的过冷；

所述的二氧化碳-水换热器充当气体冷却器，

所述的三流体换热器充当气体冷却器，

所述的二氧化碳-制冷剂换热器充当过冷器。

进一步地，处于过热回收复叠循环时：

所述的二氧化碳子循环作为低温级循环，为二氧化碳亚临界循环，充当制冷剂子循环的低温热源；

所述的制冷剂子循环作为高温级循环，为制冷剂热泵循环，承担向水侧循环流路热量的主要输出。

所述的二氧化碳-水换热器充当过热器；

所述的三流体换热器充当蒸发冷凝器；

所述的二氧化碳-制冷剂换热器充当蒸发冷凝器。

进一步地，所述的三流体换热器由板片堆叠而成，相邻板片镜像对称；

所述的板片的正面为整体式流路，流入的二氧化碳布满整个板面空间，板片的反面为分割式流路，流入的水和制冷剂分别占据一侧的板面空间。

进一步地，所述的三流体换热器包括水通道、二氧化碳通道和制冷剂通道。

作为本申请的另一种实施方式，三流体换热器通过并联两个两流体换热器获得，并联的两流路作为二氧化碳通道，其余两流路为水通道和制冷剂通道，二氧化碳通道上设置有三通阀，用于系统运行中流路的切换。

三流体换热器内部包括二氧化碳、水和制冷剂三股流路，在系统不同的运行状态下的主要换热流体不同。在机械辅助过冷循环状态下，三流体换热器中以二氧化碳和水换热为主，充当气体冷却器的一部分。在过热回收复叠循环状态下，三流体换热器中以二氧化碳和制冷剂换热为主，充当蒸发冷凝器的一部分。

实施中优选的，当回水温度较低时(30℃及以下)，三流体换热器采用二氧化碳同时与水和制冷剂接触的设计，由系统状态参数保证换热优先级。具体来说，当系统运行在机械辅助过冷循环状态下，流入的制冷剂为过热状态，换热系数远小于另两股流体，因此以二氧化碳和水的换热为主；当系统运行在过热回收复叠循环状态下，此时二氧化碳子循环为亚临界循环(二氧化碳临界温度31.1℃)，三流体换热器中二氧化碳温度与水接近，与制冷剂温差更大，因此以二氧化碳和制冷剂的换热为主。当回水温度较高时，三流体换热器采用二氧化碳选择性地与水和制冷剂接触换热的设计，通过三通阀切换保证换热优先级。当系统运行在机械辅助过冷循环状态下，旁通制冷剂，二氧化碳和水换热；当系统运行在过热回收复叠循环状态下，旁通水，二氧化碳和制冷剂换热。

基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统运行在机械辅助过冷循环状态时，包括主循环二氧化碳跨临界循环(二氧化碳子循环)和辅助的机械制冷循环(制冷剂子循环)。所述主循环二氧化碳跨临界循环(二氧化碳子循环)中，低温低压的二氧化碳气体在二氧化碳压缩机中被压缩成高温高压的超临界流体，依次流经气体冷却器前半部分(二氧化碳-水换热器)、气体冷却器后半部分(三流体换热器)和过冷器(二氧化碳-制冷剂换热器)，分别被水、水和制冷剂冷却，再经过二氧化碳节流阀节流后进入蒸发器，从环境空气中吸热，重新变成低温低压的二氧化碳气体。所述辅助的机械制冷循环(制冷剂子循环)中，低温低压的制冷剂气体进入制冷剂压缩机被压缩成高温高压气体，再流经制冷剂-水换热器被水冷却，最后经过制冷剂节流阀依次流经过冷器(二氧化碳-制冷剂换热器)和气冷器后半部分(三流体换热器)从二氧化碳中吸热，重新成为低温低压的制冷剂气体。

基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统运行在过热回收复叠循环状态时，包括低温级的二氧化碳亚临界循环(二氧化碳子循环)和高温级的制冷剂热泵循环(制冷剂子循环)。所述低温级的二氧化碳亚临界循环(二氧化碳子循环)中，低温低压的二氧化碳气体在二氧化碳压缩机中被压缩成高温高压气体，依次流经过热器(二氧化碳-水换热器)、蒸发冷凝器后半部分(三流体换热器)、蒸发冷凝器前半部分(二氧化碳-制冷剂换热器)，分别被水、制冷剂和制冷剂冷却，再经过二氧化碳节流阀的节流作用后进入蒸发器，从环境空气中吸热，重新变成低温低压的二氧化碳气体。所述高温级的制冷剂热泵循环(制冷剂子循环)中，低温低压的制冷剂气体进入制冷剂压缩机被压缩成高温高压气体，再流经制冷剂-水换热器被水冷却，最后经过制冷剂节流阀依次流经蒸发冷凝器前半部分(二氧化碳-制冷剂换热器)和蒸发冷凝器后半部分(三流体换热器)从二氧化碳中吸热，重新成为低温低压的制冷剂气体。

本发明具有以下技术上的优异性能：

1、设备的先进性方面，通过引入三流体换热器，在同一套系统中实现了两种不同的热力循环(机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环)，系统紧凑，设备成本低，经济性好。

2、系统的普适性方面，配合三流体换热器中主要换热流体的切换，系统采用不同的循环状态以匹配适宜的环境工况，在环境温度大范围变化(-30～15℃)的严寒地区也能保证较高能效，拓宽了机组的使用范围。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明中三流体换热器作为系统二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路的耦合部分，能随工况转换主要换热的两股流体，从而使一套系统能运行在机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两种状态，结合了传统机械辅助过冷系统和复叠系统的优势，在高温/严寒工况和小/大供回水温差下都能高效运行，显著提升了供暖季的整体能效。

2.本发明中三流体换热器接入水侧流路，在机械辅助过冷循环状态下换热器中以二氧化碳和水换热为主，作为气体冷却器的一部分。本发明和传统的机械辅助过冷系统(两换热器水路并联)相比，水路采用了三换热器串联的形式，回水并非直接进入制冷剂子循环的冷凝器，而是先经过三流体换热器的预热，这样做好处有二：其一，回水降低了三流体换热器出口的二氧化碳温度，改善了二氧化碳循环能效，使整个制冷剂和水的换热温度场更加均匀。其二，制冷剂子循环负责将水加热到回水和供水的中间温度，而非直接加热到供水温度，因此制冷剂的冷凝温度更低，可以选配常见的普通热泵压缩机，降低机组成本，增强了实用性。

附图说明

图1为本发明中热泵供暖系统的原理示意图。

图2为本发明实施例1中三流体换热器的立体结构示意图。

图3为本发明实施例1中三流体换热器的内部爆炸图。

图4为本发明实施例1中三流体换热器的内部板片的正面示意图。

图5为本发明实施例1中三流体换热器的内部板片的反面示意图。

图6为本发明实施例2中三流体换热器的立体结构示意图。

图中：1、蒸发器，2、二氧化碳压缩机，3、二氧化碳-水换热器，4、三流体换热器，5、二氧化碳-制冷剂换热器，6、二氧化碳节流阀，7、制冷剂节流阀，8、制冷剂-水换热器，9、制冷剂压缩机，10、散热末端，11、水泵，12、水通道，13、二氧化碳通道，14、制冷剂通道，15、板片，16、三通阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中的基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统主要包括蒸发器1、二氧化碳压缩机2、二氧化碳-水换热器3、三流体换热器4、二氧化碳-制冷剂换热器5、二氧化碳节流阀6、制冷剂节流阀7、制冷剂-水换热器8、制冷剂压缩机9，参见图1。

本实施例中选用的制冷剂为人工合成类制冷剂，实施中优选R134a、R1234yf等新型环保制冷剂。

二氧化碳子循环由蒸发器1，二氧化碳压缩机2，二氧化碳-水换热器3，三流体换热器4，二氧化碳-制冷剂换热器5和二氧化碳节流阀6通过制冷剂管道顺次连接构成。制冷剂子循环由制冷剂节流阀7，二氧化碳-制冷剂换热器5，三流体换热器4，制冷剂压缩机9和制冷剂-水换热器8通过制冷剂管道顺次连接构成。

基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统还包括水侧循环流路，在水泵11的驱动下，回水依次流经三流体换热器4、制冷剂-水换热器8和二氧化碳-水换热器3被加热，出水再送进散热末端10加热外部空气。

本实施例中的散热末端10，优先选用回水温度较低的装置，如风机盘管、地暖盘管等。

在具体运行时，基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统包含机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两种运行状态，状态的切换通过控制逻辑改变完成。实施中优选的，以两种循环都具备的最优中间压力(温度)作为切换的控制变量。

在机械辅助过冷循环状态下，二氧化碳子循环为跨临界循环，承担主要的热水加热量，制冷剂子循环为辅助循环，用于三流体换热器4出口的CO₂温度的过冷。二氧化碳-水换热器3充当气体冷却器的一部分，三流体换热器4充当气体冷却器的另一部分，二氧化碳-制冷剂换热器5充当过冷器。

在过热回收复叠循环状态下，二氧化碳子循环为亚临界循环，为制冷剂子循环提供低温热源，制冷剂子循环为热泵循环，承担主要的热水加热量。二氧化碳-水换热器3充当过热器，三流体换热器4充当蒸发冷凝器的一部分，二氧化碳-制冷剂换热器5充当蒸发冷凝器的另一部分。

基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统运行在机械辅助过冷循环状态时，包括主循环二氧化碳跨临界循环(二氧化碳子循环)和辅助的机械制冷循环(制冷剂子循环)。所述主循环二氧化碳跨临界循环(二氧化碳子循环)中，低温低压的二氧化碳气体在二氧化碳压缩机2中被压缩成高温高压的超临界流体，依次流经气体冷却器前半部分(二氧化碳-水换热器3)、气体冷却器后半部分(三流体换热器4)和过冷器(二氧化碳-制冷剂换热器5)，分别被水、水和制冷剂冷却，再经过二氧化碳节流阀6的节流作用后进入蒸发器1，从环境空气中吸热，重新变成低温低压的二氧化碳气体。所述辅助的机械制冷循环(制冷剂子循环)中，低温低压的制冷剂气体进入制冷剂压缩机9被压缩成高温高压气体，再流经制冷剂-水换热器8被水冷却，最后经过制冷剂节流阀7依次流经过冷器(二氧化碳-制冷剂换热器5)和气冷器后半部分(三流体换热器4)从二氧化碳中吸热，重新成为低温低压的制冷剂气体。

基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统运行在过热回收复叠循环状态时，包括低温级的二氧化碳亚临界循环(二氧化碳子循环)和高温级的制冷剂热泵循环(制冷剂子循环)。所述低温级的二氧化碳亚临界循环(二氧化碳子循环)中，低温低压的二氧化碳气体在二氧化碳压缩机2中被压缩成高温高压气体，依次流经过热器(二氧化碳-水换热器3)、蒸发冷凝器后半部分(三流体换热器4)、蒸发冷凝器前半部分(二氧化碳-制冷剂换热器5)，分别被水、制冷剂和制冷剂冷却，再经过二氧化碳节流阀6的节流作用后进入蒸发器1，从环境空气中吸热，重新变成低温低压的二氧化碳气体。所述高温级的制冷剂热泵循环(制冷剂子循环)中，低温低压的制冷剂气体进入制冷剂压缩机9被压缩成高温高压气体，再流经制冷剂-水换热器8被水冷却，最后经过制冷剂节流阀7依次流经蒸发冷凝器前半部分(二氧化碳-制冷剂换热器5)和蒸发冷凝器后半部分(三流体换热器4)从二氧化碳中吸热，重新成为低温低压的制冷剂气体。

本实施例中的三流体换热器4，内部包括水通道12、二氧化碳通道13和制冷剂通道14，参见图2。三流体换热器内部由板片15依次堆叠而成，相邻板片15的正反面顺序相反，参见图3。板片15的正面和反面采取不同的流路设计，其中正面为整体式流路，流入的二氧化碳布满整个板面空间；反面采用分割式流路，流入的水和制冷剂分别占据一侧的板面空间，参见图4与图5。具体实施中，板片15上设置凹槽和凸起，强化两侧流体的传热。

本实施例中的三流体换热器4中，二氧化碳同时与水和制冷剂接触，三股流体间进行换热，换热优先级由系统状态参数决定。具体实施中，当系统运行在机械辅助过冷循环状态下，流入的制冷剂为过热状态，换热系数远小于另两股流体，因此以二氧化碳和水的换热为主，三流体换热器4充当气体冷却器；当系统运行在过热回收复叠循环状态下，流入的回水温度较低(30℃左右)，此时二氧化碳子循环为亚临界循环(二氧化碳临界温度31.1℃)，三流体换热器中二氧化碳温度与水接近，与制冷剂温差更大，因此以二氧化碳和制冷剂的换热为主，三流体换热器4充当蒸发冷凝器。

实施例2

本实施例的原理和系统状态与实施例1完全相同。与实施例1相比，仅三流体换热器4采取不同的设计。本实施例中三流体换热器4通过并联两流体换热器获得，并联的两流路作为二氧化碳通道13，其余两单独流路保留为水通道12和制冷剂通道14。二氧化碳通道13上设置有三通阀16，用于系统运行中流路的切换。参见图6。

具体实施中，当系统运行在机械辅助过冷循环状态下，在三流体换热器4中，三通阀16打开水通道12一侧的二氧化碳流路，关闭制冷剂通道14一侧的二氧化碳流路，制冷剂通过制冷剂通道14直接旁通，三流体换热器4内二氧化碳和水换热，充当气体冷却器；当系统运行在过热回收复叠循环状态下，在三流体换热器4中，三通阀16打开制冷剂通道14一侧的二氧化碳流路，关闭水通道12一侧的二氧化碳流路，回水通过水通道12直接旁通，三流体换热器4内二氧化碳和制冷剂换热，充当蒸发冷凝器。

本实施例的三流体换热器4中采用三通阀16切换来决定换热优先级，不依赖于系统运行参数，因此对散热末端10的回水温度没有限制，按实际需求选用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路；

还包括使得二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路中两两间耦合换热的三个双流体换热器；

还包括使得二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路三者耦合换热的三流体换热器（4）；

运行过程中，所述的基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统具有机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两种状态；

所述的二氧化碳子循环包括：通过制冷剂管道顺次连接的蒸发器（1）、二氧化碳压缩机（2）、二氧化碳-水换热器（3）的第二换热通道、三流体换热器（4）的第二换热通道、二氧化碳-制冷剂换热器（5）的第一换热通道、二氧化碳节流阀（6），构成循环回路；

所述的制冷剂子循环包括：通过制冷剂管道顺次连接的制冷剂压缩机（9）、制冷剂-水换热器（8）的第一换热通道、制冷剂节流阀（7）、二氧化碳-制冷剂换热器（5）的第二换热通道、三流体换热器（4）的第三换热通道，构成循环回路；

所述的水侧循环流路包括：顺次连接的水泵（11）、散热末端（10）、三流体换热器（4）的第一换热通道、制冷剂-水换热器（8）的第二换热通道、二氧化碳-水换热器（3）的第一换热通道，构成循环回路；

处于机械辅助过冷循环状态时：

所述的二氧化碳子循环作为主循环，为二氧化碳跨临界循环；

所述的制冷剂子循环作为辅助循环，其为机械过冷循环；

所述的二氧化碳-水换热器（3）充当气体冷却器，

所述的三流体换热器（4）充当气体冷却器，

所述的二氧化碳-制冷剂换热器（5）充当过冷器；

处于过热回收复叠循环时：

所述的二氧化碳子循环作为低温级循环，为二氧化碳亚临界循环，充当制冷剂子循环的低温热源；

所述的制冷剂子循环作为高温级循环，为制冷剂热泵循环；

所述的二氧化碳-水换热器充当过热器；

所述的三流体换热器充当蒸发冷凝器；

所述的二氧化碳-制冷剂换热器充当蒸发冷凝器。

2.根据权利要求1所述的一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，三个双流体换热器包括：

二氧化碳-水换热器（3），耦合于二氧化碳子循环和水侧循环流路之间；

二氧化碳-制冷剂换热器（5），耦合于二氧化碳子循环和制冷剂子循环之间；

制冷剂-水换热器（8），耦合于制冷剂子循环和水侧循环流路之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述的三流体换热器（4）由板片（15）堆叠而成，相邻板片（15）镜像对称；

所述的板片（15）的正面为整体式流路，流入的二氧化碳布满整个板面空间，板片（15）的反面为分割式流路，流入的水和制冷剂分别占据一侧的板面空间。

4.根据权利要求1所述的一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述的三流体换热器（4）包括水通道（12）、二氧化碳通道（13）和制冷剂通道（14）。

5.根据权利要求1所述的一种基于三流体换热器的二氧化碳热泵供暖系统，其特征在于，所述的三流体换热器（4）通过并联两个两流体换热器获得，并联的两流路作为二氧化碳通道（13），其余两流路为水通道（12）和制冷剂通道（14），二氧化碳通道（13）上设置有三通阀（16），用于系统运行中流路的切换。

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