本實(shí)用新型屬于熱泵技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵。

背景技術(shù)：

熱泵可以吸收環(huán)境空氣中的熱量，通過工質(zhì)循環(huán)，將熱量傳遞給循環(huán)水，起到加熱的作用。傳統(tǒng)的熱泵大多使用R134a，R410a等傳統(tǒng)工質(zhì)，環(huán)保性較差，面臨逐漸淘汰的趨勢(shì)。

前國際制冷學(xué)會(huì)主席G Lorentzen提出了CO₂跨臨界循環(huán)理論，指出其在熱泵領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O其廣闊的發(fā)展前景。CO₂的臨界溫度很低，為31.1℃，故CO₂熱泵系統(tǒng)一般采用跨臨界循環(huán)。CO₂跨臨界循環(huán)壓縮機(jī)排氣溫度較高(可達(dá)100℃以上)，且在跨臨界區(qū)內(nèi)，CO₂在冷卻過程中存在較大的溫度滑移，這種溫度滑移正好與所需的變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?，可以將水一次加熱到很高的溫度并保持極高的效率，尤其適合于家用生活熱水領(lǐng)域。

CO₂跨臨界循環(huán)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的亞臨界循環(huán)系統(tǒng)之間的區(qū)別在于：在傳統(tǒng)亞臨界系統(tǒng)中，制冷劑在冷凝器中大部分區(qū)域內(nèi)溫度保持不變，而在CO₂跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中，超臨界壓力區(qū)內(nèi)并無兩相區(qū)存在，溫度和壓力為相互獨(dú)立的變量，高壓側(cè)壓力變化對(duì)制冷量、壓縮機(jī)功耗和COP值也會(huì)產(chǎn)生影響。

跨臨界CO₂熱泵循環(huán)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其放熱過程溫度較高且存在一個(gè)相當(dāng)大的溫度滑移(約80～100℃)。研究表明：(1)在蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)，水溫可以從0℃加熱到60℃，其熱泵COP可達(dá)到4.3，比電熱水器和燃?xì)鉄崴髂芎慕档?5％上。在寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)空氣源熱泵的制熱量和效率隨環(huán)境溫度的降低下降很快，熱泵的使用受到限制。而CO₂熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能維持較高的供熱量及很高的出水溫度，大大節(jié)約輔助加熱設(shè)備所耗費(fèi)的能量。

跨臨界二氧化碳熱泵熱水器的性能嚴(yán)重受制于氣體冷卻器出口溫度，氣體冷卻器出口溫度越低，系統(tǒng)性能越好。當(dāng)水循環(huán)系統(tǒng)中的回水溫度足夠低(20℃甚至低于20℃)時(shí)，跨臨界二氧化碳熱泵熱水器的氣體冷卻器出口溫度也能夠被循環(huán)水冷卻到相當(dāng)?shù)偷臏囟龋@個(gè)時(shí)候系統(tǒng)的性能優(yōu)異。然而當(dāng)回水溫度高于25℃時(shí)(考慮到換熱溫差，氣體冷卻器出口二氧化碳溫度可能達(dá)到30℃)，系統(tǒng)的性能隨著回水溫度的升高會(huì)劇烈下降，當(dāng)回水溫度高于40℃時(shí)二氧化碳熱泵系統(tǒng)的性能極差，制熱COP甚至在1.5以下。

現(xiàn)有的跨臨界CO₂復(fù)合熱泵回水分為兩路，第一路回水進(jìn)輔助循環(huán)的氣體冷卻器，然后回到出水口，第二路環(huán)的回水進(jìn)輔助循蒸發(fā)器，冷卻后的水進(jìn)入主循環(huán)的氣體冷卻器，然后回到出水口。第一路出水與第二路出水混合后一起供水給用戶?，F(xiàn)有的跨臨界CO₂復(fù)合熱泵需要三個(gè)制冷劑與水的換熱器，水路分布與連接會(huì)極其復(fù)雜，并容易出現(xiàn)故障。

現(xiàn)有的定頻熱泵系統(tǒng)采用定頻壓縮機(jī)，回路流量不能改變，尤其針對(duì)主副級(jí)復(fù)合型的熱泵產(chǎn)品，固定的壓縮機(jī)流量比難以適應(yīng)多變的運(yùn)行工況，造成非設(shè)計(jì)工況下的能源浪費(fèi)或性能降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供了一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵，以解決現(xiàn)有跨臨界CO₂復(fù)合熱泵性能嚴(yán)重受制于氣體冷卻器出口溫度、水路分布與連接復(fù)雜且能源浪費(fèi)的問題。本實(shí)用新型熱泵分為主回路和輔助回路；在一般工況下，回水溫度較低時(shí)(30℃或者低于30℃)，運(yùn)行直熱型制熱模式；當(dāng)回水溫度較高時(shí)(高于30℃)，轉(zhuǎn)換為循環(huán)型制熱模式。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵，包括CO₂主路壓縮機(jī)、氣冷-氣冷復(fù)合器、過冷-蒸發(fā)復(fù)合器、蒸發(fā)器和CO₂輔助壓縮機(jī)；氣冷-氣冷復(fù)合器包含CO₂主路、CO₂輔路和水路三個(gè)通路；過冷-蒸發(fā)復(fù)合器包含CO₂主路過冷段和CO₂輔路蒸發(fā)段兩個(gè)通路；所述一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵包含主回路和輔助回路兩個(gè)回路；主回路：CO₂主路壓縮機(jī)的出口連接氣冷-氣冷復(fù)合器的CO₂主路的進(jìn)口，氣冷-氣冷復(fù)合器的CO₂主路的出口連接過冷-蒸發(fā)復(fù)合器的CO₂主路過冷段進(jìn)口，過冷-蒸發(fā)復(fù)合器的CO₂主路過冷段的出口連接蒸發(fā)器的進(jìn)口，蒸發(fā)器的出口連接CO₂主路壓縮機(jī)的進(jìn)口；輔助回路：CO₂輔助壓縮機(jī)的出口連接氣冷-氣冷復(fù)合器的CO₂輔路的進(jìn)口，氣冷-氣冷復(fù)合器CO₂輔路的出口連接過冷-蒸發(fā)復(fù)合器的CO₂輔路蒸發(fā)段的進(jìn)口，過冷-蒸發(fā)復(fù)合器的CO₂輔路蒸發(fā)段的出口連接CO₂輔助壓縮機(jī)的進(jìn)口。

進(jìn)一步的，主回路上過冷-蒸發(fā)復(fù)合器和蒸發(fā)器之間設(shè)置有CO₂主路膨脹閥。

進(jìn)一步的，輔助回路上氣冷-氣冷復(fù)合器和過冷-蒸發(fā)復(fù)合器之間設(shè)置有CO₂輔助膨脹閥。

進(jìn)一步的，蒸發(fā)器上還安裝有風(fēng)扇。

進(jìn)一步的，CO₂輔助壓縮機(jī)采用變頻壓縮機(jī)。

進(jìn)一步的，氣冷-氣冷復(fù)合器包括三個(gè)內(nèi)管和一個(gè)外管，兩個(gè)內(nèi)管路作為CO₂主回路，一個(gè)內(nèi)管路作為CO₂輔路，外管和三個(gè)內(nèi)管之間的通路為水路。

進(jìn)一步的，所述一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵包括兩種工作模式：直熱型制熱模式時(shí)，CO₂主回路壓縮機(jī)處于開啟狀態(tài)，主回路打開；CO₂輔助壓縮機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，輔助回路關(guān)閉；風(fēng)扇處于開啟狀態(tài)；循環(huán)型制熱模式時(shí)，CO₂主回路壓縮機(jī)處于開啟狀態(tài)，主回路打開；CO₂輔助壓縮機(jī)處于開啟狀態(tài)，輔助回路打開；風(fēng)扇處于開啟狀態(tài)。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型有以下有益效果：

當(dāng)回水溫度較高時(shí)(高于30℃)，運(yùn)行循環(huán)型制熱模式，主路壓縮機(jī)工作，主回路打開，輔助路壓縮機(jī)工作，輔助回路打開，風(fēng)扇處于開啟狀態(tài)；在輔助回路的第一過冷-蒸發(fā)復(fù)合器中，輔助回路的CO₂蒸發(fā)吸熱，對(duì)主回路中的CO₂進(jìn)行第二次降溫，使主回路中的CO₂達(dá)到合適的出口溫度，保證較高的系統(tǒng)性能。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型中只有一個(gè)制冷劑與水的換熱器，也就是氣冷-氣冷復(fù)合器。相比較現(xiàn)有的跨臨界CO₂復(fù)合熱泵中的三個(gè)水和制冷劑的換熱器，本循環(huán)水路為一進(jìn)一出的單一回路，系統(tǒng)簡單，降低了故障率。

進(jìn)一步的，根據(jù)實(shí)際中回水溫度的不同，通過控制兩個(gè)壓縮機(jī)，進(jìn)行直熱型制熱模式和循環(huán)型制熱模式的轉(zhuǎn)換，使熱泵機(jī)組的應(yīng)用范圍更廣，性能更高。

進(jìn)一步的，CO₂屬于惰性氣體，無毒無刺激；良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，安全無毒，不可燃，即便在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體；其對(duì)全球變暖潛力指數(shù)GWP為1，CO₂不需要工業(yè)合成，只需要在大氣中提取就可以，使用方便；同時(shí)，它對(duì)大氣臭氧層無任何破環(huán)作用，ODP為0。并且，CO₂本身優(yōu)越的熱物理特性以及良好的遷移特性也適合其作為制冷工質(zhì)。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型制熱方式采用CO₂熱泵型式，能源利用率更高，更加節(jié)能。CO₂蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量高，具有優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱特性，可顯著減小系統(tǒng)的尺寸，使整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊。

進(jìn)一步的，跨臨界CO₂熱泵循環(huán)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其放熱過程溫度較高且存在一個(gè)相當(dāng)大的溫度滑移(約80～100℃)。其熱泵COP可達(dá)到4.3，比電熱水器和燃?xì)鉄崴髂芎慕档?5％以上。在寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)空氣源熱泵的制熱量和效率隨環(huán)境溫度的降低下降很快，熱泵的使用受到限制。而CO₂熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能維持較高的供熱量，大大節(jié)約輔助加熱設(shè)備所耗費(fèi)的能量。

進(jìn)一步的，輔助回路采用變頻壓縮機(jī)可以使熱泵熱水器系統(tǒng)能夠在更寬負(fù)荷和溫度條件下長時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行，降低電能消耗，還可以降低壓縮機(jī)的啟動(dòng)電流。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵機(jī)組直熱型制熱模式下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵機(jī)組直熱型制熱模式下的循環(huán)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵機(jī)組循環(huán)型制熱模式下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵機(jī)組循環(huán)型制熱模式下的循環(huán)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵機(jī)組氣冷-氣冷復(fù)合器的內(nèi)部管路布置示意圖；

其中：1、CO₂主路壓縮機(jī)；2、氣冷-氣冷復(fù)合器；3、過冷-蒸發(fā)復(fù)合器；4、CO₂主路膨脹閥；5、蒸發(fā)器；6、CO₂輔助壓縮機(jī)；7、CO₂輔助膨脹閥；8、風(fēng)扇；9、CO₂主路；10、CO₂輔路；11、水路；12、CO₂主路過冷段；13、CO₂輔路蒸發(fā)段；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)用新型一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵，包括CO₂主路壓縮機(jī)1、包含CO₂主路9、CO₂輔路10和水路11三個(gè)通路的氣冷-氣冷復(fù)合器2、包含CO₂主路過冷段12和CO₂輔路蒸發(fā)段13兩個(gè)通路的過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3、蒸發(fā)器5、CO₂輔助壓縮機(jī)6；

本實(shí)用新型一種跨臨界CO₂復(fù)合熱泵包含主回路和輔助回路兩個(gè)回路；

主回路：CO₂主路壓縮機(jī)1的出口連接氣冷-氣冷復(fù)合器2的CO₂主路9的進(jìn)口，氣冷-氣冷復(fù)合器2的CO₂主路9的出口連接過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3的CO₂主路過冷段12進(jìn)口，過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3的CO₂主路過冷段12的出口連接蒸發(fā)器5的進(jìn)口，蒸發(fā)器5的出口連接CO₂主路壓縮機(jī)1的進(jìn)口；

輔助回路：CO₂輔助壓縮機(jī)6的出口連接氣冷-氣冷復(fù)合器2的CO₂輔路10的進(jìn)口，氣冷-氣冷復(fù)合器2的CO₂輔路10的出口連接過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3的CO₂輔路蒸發(fā)段13的進(jìn)口，過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3的CO₂輔路蒸發(fā)段13的出口連接CO₂輔助壓縮機(jī)6的進(jìn)口。

主回路上過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3和蒸發(fā)器5之間設(shè)置有CO₂主路膨脹閥4；輔助回路上氣冷-氣冷復(fù)合器2和過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3之間設(shè)置有CO₂輔助膨脹閥7。

蒸發(fā)器5上還安裝有風(fēng)扇8，通過改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)節(jié)合適的換熱系數(shù)。

CO₂輔助壓縮機(jī)6采用變頻壓縮機(jī)。

請(qǐng)參閱圖6所示，氣冷-氣冷復(fù)合器2包括三個(gè)內(nèi)管和一個(gè)外管，兩個(gè)內(nèi)管路作為CO₂主回路9，一個(gè)內(nèi)管路作為CO₂輔路10，外管和三個(gè)內(nèi)管之間的通路為水路11。

為了保證機(jī)組在回水溫度改變時(shí)，能保證合適的CO₂的冷卻溫度，從而保證較高的系統(tǒng)性能，本實(shí)用新型設(shè)置了兩種運(yùn)行模式：

直熱型制熱模式(回水溫度為30℃或者低于30℃)：請(qǐng)參閱圖2和圖3，CO₂主回路壓縮機(jī)1工作，主回路打開；CO₂輔助壓縮機(jī)6關(guān)閉，輔助回路關(guān)閉；風(fēng)扇處于開啟狀態(tài)。主回路：CO₂工質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)a經(jīng)過CO₂主路壓縮機(jī)1的壓縮后達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)b，進(jìn)入氣冷-氣冷復(fù)合器2的CO₂主路9中，對(duì)水路11中的循環(huán)水進(jìn)行加熱，并且自身冷卻到合適的溫度達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)c，然后流經(jīng)過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3的CO₂主路過冷段12狀態(tài)不改變，依舊為狀態(tài)點(diǎn)c，然后進(jìn)入CO₂主路膨脹閥4進(jìn)行膨脹，膨脹后的低壓工質(zhì)達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)d，進(jìn)入到蒸發(fā)器5進(jìn)行蒸發(fā)，吸收熱量，回到狀態(tài)點(diǎn)a，最后回到CO₂主路壓縮機(jī)1的進(jìn)口。

循環(huán)型制熱模式(回水溫度高于30℃)：請(qǐng)參閱圖4和圖5，CO₂主回路壓縮機(jī)1工作，主回路打開，CO₂輔助壓縮機(jī)6工作，輔助回路打開；風(fēng)扇處于開啟狀態(tài)。主回路：CO₂工質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)a經(jīng)過CO₂主路壓縮機(jī)1的壓縮后達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)b，進(jìn)入氣冷-氣冷復(fù)合器2的CO₂主路9中，對(duì)水路11中的循環(huán)水進(jìn)行加熱，并且自身冷卻到合適的溫度達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)c，然后流經(jīng)過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3的CO₂主路過冷段12，與CO₂輔路蒸發(fā)段進(jìn)行換熱，進(jìn)一步冷卻降溫，達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)d，然后進(jìn)入CO₂主路膨脹閥4進(jìn)行膨脹，膨脹后的低壓工質(zhì)達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)e，進(jìn)入到蒸發(fā)器5進(jìn)行蒸發(fā)，吸收熱量，回到狀態(tài)點(diǎn)a，最后回到CO₂主路壓縮機(jī)1的進(jìn)口。

輔助回路：CO₂工質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)f經(jīng)過CO₂輔助壓縮機(jī)6的壓縮后達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)g，進(jìn)入氣冷-氣冷復(fù)合器2的CO₂輔路10中，對(duì)水路11中的循環(huán)水進(jìn)行加熱，并且自身冷卻降溫達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)h，接著進(jìn)入CO₂輔路膨脹閥7進(jìn)行膨脹達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)i，膨脹后的低壓工質(zhì)進(jìn)入過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3的CO₂輔路蒸發(fā)段13，與CO₂主路過冷段12換熱，進(jìn)一步冷卻CO₂主路過冷段12，自身蒸發(fā)吸熱達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)f，最后回到CO₂輔助壓縮機(jī)6的進(jìn)口。

在氣冷-氣冷復(fù)合器2中，主路CO₂工質(zhì)在CO₂主路9中冷卻放熱，輔路CO₂工質(zhì)在CO₂輔路10中冷卻放熱，循環(huán)水吸收熱量，達(dá)到合適的溫度。在過冷-蒸發(fā)復(fù)合器3中，主路CO₂工質(zhì)在CO₂主路過冷段12進(jìn)一步冷卻放熱，達(dá)到合適溫度，輔路CO₂工質(zhì)在CO₂輔路蒸發(fā)段13蒸發(fā)吸熱，CO₂輔路蒸發(fā)段13與CO₂主路過冷段12換熱，保持熱量平衡。