本實用新型屬于熱能轉(zhuǎn)換和利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵。

背景技術(shù)：

近年來，隨著“煤改電”的推行，空氣源熱泵逐漸進入人們的生活，但目前的空氣源熱泵很難滿足在-25℃以下的超低溫環(huán)境運行。現(xiàn)有技術(shù)中的空氣源熱泵在使用過程中當(dāng)環(huán)境溫度較低時(例如在寒冷地區(qū)的東北、內(nèi)蒙古、新疆等)，無法充分地吸取環(huán)境中的熱量用于供暖或制取熱水，從而導(dǎo)致整個熱泵系統(tǒng)的能效比較低，能耗較大，且還極易出現(xiàn)結(jié)霜等不利現(xiàn)象，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的工作性能變差，無法滿足用戶供暖、制取熱水的需求。現(xiàn)有技術(shù)中跨臨界CO₂，技術(shù)在供暖領(lǐng)域中，由于回水溫度一般高于31℃，無法利用CO₂在臨界點較高比熱容所制取的熱量，因此能效比不高；氟利昂系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱量急劇衰減，并且單一氟利昂制冷劑的工作范圍較小，氟利昂復(fù)疊系統(tǒng)需要多級復(fù)疊才能滿足寒冷地區(qū)供暖要求，成本較高，COP值較低，因此急需要研制出一種新型的熱泵系統(tǒng)，以改善上述的不利情況。由于現(xiàn)有技術(shù)中的熱泵供暖/供水系統(tǒng)均存在低溫環(huán)境溫度下性能衰減嚴重，制取出的熱水溫度不高，寒冷地區(qū)常規(guī)復(fù)疊熱泵的COP較低或成本較高等技術(shù)問題，因此本實用新型研究設(shè)計出一種適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本實用新型要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的熱泵供暖系統(tǒng)存在在低溫環(huán)境溫度下性能衰減嚴重、制取熱水溫度不高、常規(guī)復(fù)疊熱泵的COP 較低和成本較高的缺陷，從而提供一種適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵。

本實用新型提供一種適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵，其包括CO₂熱泵系統(tǒng)和第二熱泵系統(tǒng)，其中，所述CO₂熱泵系統(tǒng)為低溫級，其包括依次連接的CO₂壓縮機、氣體冷卻器、蒸發(fā)冷卻器、第一節(jié)流裝置、閃蒸器、第二節(jié)流裝置、蒸發(fā)器和油液氣分離器；所述第二熱泵系統(tǒng)為高溫級，其包括依次連接的第二壓縮機、第二冷凝器、第三節(jié)流裝置和蒸發(fā)冷卻器；所述CO₂熱泵系統(tǒng)與所述第二熱泵系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷卻器復(fù)疊組合在一起，所述CO₂熱泵系統(tǒng)通過所述蒸發(fā)冷卻器放熱，所述第二熱泵系統(tǒng)通過所述蒸發(fā)冷卻器吸熱；并且所述閃蒸器還與所述CO₂壓縮機相連以對其進行補充中溫中壓的CO₂。優(yōu)選地，所述閃蒸器為所述CO₂壓縮機補充的CO₂氣體的溫度為35-50℃，壓力為4-6MPa。優(yōu)選地，所述CO₂熱泵系統(tǒng)還包括回?zé)崞鳎浞謩e與所述CO₂壓縮機、蒸發(fā)冷卻器、第一節(jié)流裝置和油液氣分離器連接。優(yōu)選地，所述氣體冷卻器設(shè)置在所述蒸發(fā)冷卻器的制冷劑上游端。優(yōu)選地，所述第二熱泵系統(tǒng)中采用R245fa、R134a作為制冷劑。優(yōu)選地，第一節(jié)流裝置、第二節(jié)流裝置和第三節(jié)流裝置為節(jié)流閥或噴射器。

本實用新型提供的一種適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵具有如下有益效果：

1.本實用新型專利所述CO₂系統(tǒng)循環(huán)為準(zhǔn)雙級循環(huán)，首次將補氣增焓技術(shù)應(yīng)用在CO2 跨臨界熱泵系統(tǒng)，在超低溫工況下，增加了氣體冷卻器內(nèi)的質(zhì)量流量，突破傳統(tǒng)CO₂跨臨界熱泵系統(tǒng)低溫運行能效比低、排氣壓力高等弊端，能夠在-35℃的超低溫環(huán)境溫度下供暖并提供生活熱水，保持較高的COP，此外，由于系統(tǒng)采用了補氣增焓技術(shù)，減少一臺壓縮機的使用，因此其較常規(guī)的CO₂雙級循環(huán)大大降低了成本。

2.本實用新型提供的適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵采用兩段式氣體冷卻器，第二熱泵系統(tǒng)的制冷劑循環(huán)利用了CO₂臨界端的低品位能量，既提高了CO₂跨臨界熱泵系統(tǒng)(CO₂氣冷器出口溫度降到臨界點以下)的COP又選用合適的制冷劑(根據(jù)制冷劑物性)將低品位能量轉(zhuǎn)化為高品位能量，實現(xiàn)了超低溫工況下高溫出水、高溫回水；

3.本實用新型提供的適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵采用閃蒸器模式進行補氣增焓，使得處于高壓的零部件數(shù)量降到了最低，降低了成本；

4.本實用新型提供的適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵，可在-35℃的寒冷條件下運行，實現(xiàn)供暖的同時還能提供高溫生活熱水；

5.本實用新型提供的適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵，通過冷凝器與氣冷器依次逐步加熱熱水，梯級利用能源，始終保持制冷劑與水有較小的溫差，減少了 (火用)損失。

附圖說明

圖1是本實用新型的一種適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中附圖標(biāo)記表示為：

1—CO2壓縮機，2-氣體冷卻器，3-蒸發(fā)冷卻器，4-回?zé)崞鳎?—第一節(jié)流裝置，6—閃蒸器，7—第二節(jié)流裝置，8—蒸發(fā)器，9—油液氣分離器，10-第二壓縮機，11-第二冷凝器，12-第三節(jié)流裝置，13-管殼式換熱器。

具體實施方式

本實用新型提供了一種適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵，其能夠在寒冷地區(qū)運行，實現(xiàn)供暖需求并提供生活熱水。

圖1示出了本實用新型所述適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其包括CO₂熱泵系統(tǒng)和第二熱泵系統(tǒng)，其中，所述CO₂熱泵系統(tǒng)為低溫級，其包括依次連接的CO₂壓縮機1、氣體冷卻器2、蒸發(fā)冷卻器3、第一節(jié)流裝置5、閃蒸器6、第二節(jié)流裝置7、蒸發(fā)器8和油液氣分離器9；所述第二熱泵系統(tǒng)為高溫級，其包括依次連接的第二壓縮機10、第二冷凝器11、第三節(jié)流裝置12和蒸發(fā)冷卻器3；所述CO₂熱泵系統(tǒng)與所述第二熱泵系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷卻器3復(fù)疊組合在一起；其中所述第二熱泵系統(tǒng)通過所述蒸發(fā)冷卻器3蒸發(fā)吸熱，所述CO₂熱泵系統(tǒng)通過所述蒸發(fā)冷卻器3冷卻放熱(即CO₂熱泵系統(tǒng)與第二熱泵循環(huán)系統(tǒng)共用所述蒸發(fā)冷卻器3)。第二冷凝器11的進口連接供暖系統(tǒng)進口，出口連接CO₂氣冷器2，CO₂氣冷器2出口連接管殼式換熱器13，管殼式換熱器13出口連接供暖系統(tǒng)，為用戶提供供暖需求。管殼式換熱器13內(nèi)有盤管進口連接自來水進口，出口連接用戶，為用戶提供生活熱水。在所述CO₂熱泵系統(tǒng)中，所述CO₂壓縮機1與油液氣分離器9的連接具體為：CO₂壓縮機1的進口連接油液氣分離器9的出氣口，回油口連接油液氣分離器9底部油分離口。此外，所述閃蒸器6還與所述CO₂壓縮機1相連以對其進行CO₂氣體的補充，實現(xiàn)補氣增焓的功能。本實用新型的適用于寒冷地區(qū)的補氣增焓CO₂部分復(fù)疊熱泵采用復(fù)疊式的CO₂熱泵系統(tǒng)和第二熱泵系統(tǒng)，并在CO₂熱泵系統(tǒng)中采用氣體冷卻器和蒸發(fā)冷卻器兩級式放熱的連接方式，實現(xiàn)了高溫出水、高溫回水，克服了現(xiàn)有CO₂熱泵系統(tǒng)回水溫度高時COP較低的缺陷。系統(tǒng)低溫端采用CO₂冷媒，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中的熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境溫度下性能衰減嚴重的缺陷，使得系統(tǒng)性能穩(wěn)定且系統(tǒng)能效始終維持在較高的水平，CO₂在低溫工況具有優(yōu)越的熱物理性質(zhì)：CO₂的蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量高(-40℃時，單位容積制冷量是NH3的9.43倍)；CO₂的運動粘度低(-40℃時飽和液體的運動粘度只有NH3的67％)；CO₂的導(dǎo)熱系數(shù)高，液體密度和蒸氣密度的比值小，節(jié)流后各回路間制冷劑的分配較均勻，因此系統(tǒng)可適應(yīng) -30℃以下的超低溫環(huán)境溫度。最關(guān)鍵地，創(chuàng)造性地將補氣增焓技術(shù)應(yīng)用在CO₂跨臨界熱泵系統(tǒng)，在超低溫工況下，增加了氣體冷卻器內(nèi)的質(zhì)量流量，突破傳統(tǒng)CO₂跨臨界熱泵系統(tǒng)低溫運行弊端，極大限度的提高COP，且該熱泵能夠解決極寒地區(qū)的供暖問題并提供高溫生活熱水。此外，本實用新型中使用閃蒸器為CO₂熱泵系統(tǒng)補氣增焓，只用一臺CO₂壓縮機能滿足系統(tǒng)運行需求，使得處于高壓的部件降到最少，降低了成本。優(yōu)選地，所述閃蒸器6為所述CO₂壓縮機1補充的CO₂氣體的溫度為35-50℃，壓力為4-6MPa。所述CO₂熱泵系統(tǒng)為跨臨界循環(huán)，所述閃蒸器6中間補氣口連接CO₂壓縮機1補氣口，為其補充上述中間壓力中間溫度的CO₂氣體。該氣體進入CO₂壓縮機1的補氣口再壓縮，從而減少了CO₂壓縮機1的功耗，達到了補氣增焓的效果，提高了系統(tǒng)COP。所述補氣增焓在0℃以下打開閃蒸器進行補氣增焓的。優(yōu)選地，所述CO₂熱泵系統(tǒng)還包括回?zé)崞?，其分別與所述CO₂壓縮機1、蒸發(fā)冷卻器3、第一節(jié)流裝置5和油液氣分離器9連接。具體地，如圖1所示，所述回?zé)崞?的一側(cè)進口連接蒸發(fā)冷卻器3，出口連接第一節(jié)流裝置5，另一側(cè)進口連接油液氣分離器9，出口連接CO₂壓縮機1的吸氣口。通過設(shè)置該回?zé)崞?，能夠減少壓縮機的功耗，進一步提高系統(tǒng)的COP。優(yōu)選地，所述氣體冷卻器2設(shè)置在所述蒸發(fā)冷卻器3的制冷劑上游端。這樣使得氣體冷卻器構(gòu)成為第一級冷卻器，蒸發(fā)冷卻器構(gòu)成為第二級冷卻器，形成二級串聯(lián)式的冷卻放熱方式，能夠有效利用CO₂熱泵系統(tǒng)的高排氣溫度從而產(chǎn)生高溫?zé)崴?，同時降低了蒸發(fā)冷卻器的功率和第二熱泵系統(tǒng)的能耗；能夠通過第一級冷卻器(氣體冷卻器)釋放高溫?zé)崃繉Φ诙淠鞒隹跓崴M行再加熱，實現(xiàn)逐步加熱熱水，較少了(火用)損失，且能夠通過蒸發(fā)冷卻器(第二級冷卻器)與第二熱泵循環(huán)系統(tǒng)進行換熱，具體地，由于第二熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度足夠低，從而有效降低了CO₂熱泵系統(tǒng)制冷劑的溫度，進而經(jīng)過節(jié)流膨脹后能夠到達更低的溫度。優(yōu)選地，所述第二熱泵系統(tǒng)中采用R245fa、R134a作為制冷劑。本實用新型專利的CO₂熱泵系統(tǒng)采用CO₂作為制冷劑，能夠利用CO₂冷媒在低溫工況下優(yōu)良的流動性能與換熱性能，制取高溫?zé)崴?。而第二熱泵系統(tǒng)的循環(huán)利用了CO₂臨界端的低品位能量，既提高了CO₂跨臨界熱泵系統(tǒng)的COP又選用上述合適的制冷劑(根據(jù)制冷劑物性)將低品位能量轉(zhuǎn)化為高品位能量(氟系統(tǒng)循環(huán)COP較高)，提高了供暖回水溫度。例如，在環(huán)境溫度 -35℃時，所述蒸發(fā)器8的蒸發(fā)溫度-40℃；采用R245fa作為制冷劑時，復(fù)疊高溫級的第二冷凝器65℃進水，70℃出水(冷凝溫度75℃)，此時，CO₂氣體冷卻器2可達到70℃進水，80℃出水，既能達到供暖要求又能達到生活用水要求。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，除了上述制冷劑其他現(xiàn)有的中高溫制冷劑也適用于本實用新型第二熱泵系統(tǒng)。優(yōu)選地，第一節(jié)流裝置(5)、第二節(jié)流裝置(7)和第三節(jié)流裝置(12) 為節(jié)流閥或噴射器。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，其他的節(jié)流裝置也適用于本實用新型。

本實用新型專利所提供的CO₂熱泵可在環(huán)境溫度-35℃的寒冷條件下運行，所述蒸發(fā)器 8內(nèi)CO₂蒸發(fā)溫度可達-40℃；實現(xiàn)供暖要求時，COP在2.5以上。本實用新型專利利用了CO₂熱泵跨臨界技術(shù)，使CO₂熱泵蒸發(fā)冷卻器3出口溫度低于29℃，充分利用了CO₂熱泵跨臨界的能量，并且選擇諸如R245fa、R134a的中高溫工質(zhì)作為蒸發(fā)冷卻器3的蒸發(fā)工質(zhì)，使得系統(tǒng)COP高于普通復(fù)疊機組，而且能夠?qū)⒍趸嫉蜏靥幍牡推肺荒芰刻嵘秊楦咂肺荒芰?，從而實現(xiàn)極寒地區(qū)的供暖需求并提供生活熱水，滿足寒冷地區(qū)用戶的供暖需求和生活用水需求，并將初投資、運行費用降到了最低，克服現(xiàn)有熱泵存在的不足。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的是，在不沖突的前提下，上述各有利方式可以自由地組合、疊加。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。