本發(fā)明涉及二氧化碳熱泵領(lǐng)域，特別是涉及一種二氧化碳復(fù)疊熱泵系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、二氧化碳作為一種自然工質(zhì)，臭氧消耗潛能值為0，全球變暖潛能值為1，成本低、易獲得、無(wú)毒且穩(wěn)定，二氧化碳熱泵相較傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵系統(tǒng)具有供熱水溫范圍廣、受環(huán)境氣溫制約小等優(yōu)勢(shì)，可有效減少化石能源的消耗、提高能源利用效率。由于二氧化碳的臨界溫度低，放熱過(guò)程不是在兩相區(qū)冷凝，而是在接近或超過(guò)臨界點(diǎn)區(qū)域的氣體冷卻器中放熱。在跨臨界循環(huán)中，有較大的溫度滑移，可得到較高溫度的熱水，作為熱水器的應(yīng)用有著巨大的潛力。

2、現(xiàn)有的二氧化碳熱泵跨臨界循環(huán)的效率取決于排氣壓力和氣冷器出口溫度，適用于大溫差熱水加熱，而對(duì)于實(shí)際的采暖循環(huán)，回水溫度較高，影響熱泵效率，因而并不適用于小溫差采暖循環(huán)，此外在復(fù)疊機(jī)組中二氧化碳系統(tǒng)作為低溫級(jí)，在亞臨界區(qū)域運(yùn)行，并沒(méi)有利用二氧化碳在跨臨界傳熱過(guò)程中的溫度滑移，制取高溫?zé)崴臒崃W(xué)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種二氧化碳復(fù)疊熱泵系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)氣冷器和氣冷閥，實(shí)現(xiàn)二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)輸出蒸汽同時(shí)在跨臨界和亞臨界運(yùn)行，利用二氧化碳溫度滑移特性對(duì)一次高溫水的二次加熱，提高熱水制取效率和二氧化碳的熱交換效率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種二氧化碳復(fù)疊熱泵系統(tǒng)，包括：熱泵子系統(tǒng)和水側(cè)換熱子系統(tǒng)；所述熱泵子系統(tǒng)包括：二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)、氣冷器、氣冷閥、中間換熱器、二氧化碳膨脹閥、蒸發(fā)器、高溫級(jí)壓縮機(jī)、冷凝器以及高溫級(jí)膨脹閥；所述水側(cè)換熱子系統(tǒng)包括：采暖循環(huán)泵、采暖回水管道、采暖供水第一管道、采暖分流管道、采暖供水第二管道；

4、所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)、所述氣冷器、所述氣冷閥、所述中間換熱器、所述二氧化碳膨脹閥以及所述蒸發(fā)器依次連接；所述高溫級(jí)壓縮機(jī)、所述冷凝器、所述高溫級(jí)膨脹閥以及所述中間換熱器依次連接；所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)的輸出端與所述氣冷器第一制冷劑側(cè)的輸入端連接；所述氣冷器第一制冷劑側(cè)的輸出端與所述氣冷閥的輸入端連接；所述氣冷閥的輸出端與所述中間換熱器第一制冷劑側(cè)的輸入端連接；所述中間換熱器第一制冷劑側(cè)的輸出端與所述二氧化碳膨脹閥的輸入端連接；所述二氧化碳膨脹閥的輸出端與所述蒸發(fā)器的輸入端連接；所述蒸發(fā)器的輸出端與所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)的輸入端連接；所述中間換熱器第二制冷劑側(cè)的輸出端與所述高溫級(jí)壓縮機(jī)的輸入端連接；所述高溫級(jí)壓縮機(jī)的輸出端與所述冷凝器第二制冷劑側(cè)的輸入端連接；所述冷凝器第二制冷劑側(cè)的輸出端與所述高溫級(jí)膨脹閥的輸入端連接；所述高溫級(jí)膨脹閥的輸出端與所述中間換熱器第二制冷劑側(cè)的輸入端連接；所述采暖循環(huán)泵的輸入端與所述采暖回水管道連接；所述冷凝器水側(cè)的輸入端與所述采暖循環(huán)泵的輸出端連接；所述冷凝器水側(cè)的輸出端與所述采暖供水第一管道連接；所述采暖供水第一管道按照供水方向依次與所述采暖分流管道和所述采暖供水第二管道連接；所述采暖分流管道與所述氣冷器水側(cè)的輸入端連接；所述氣冷器水側(cè)的輸出端與所述采暖供水第二管道連接；

5、所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)用于壓縮輸入的低溫低壓第一制冷劑蒸汽，并輸出跨臨界區(qū)域的高溫高壓第一制冷劑蒸汽；所述氣冷器用于利用所述高溫高壓第一制冷劑蒸汽對(duì)所述采暖分流管道輸入的一次高溫水進(jìn)行加熱；所述氣冷閥用于將所述高溫高壓第一制冷劑蒸汽降壓到亞臨界過(guò)熱蒸汽區(qū)，得到中溫中壓第一制冷劑蒸汽；所述中間換熱器用于通過(guò)所述中溫中壓第一制冷劑蒸汽凝結(jié)釋放的熱量對(duì)氣液混合態(tài)的低溫低壓第二制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)，得到低溫低壓第二制冷劑蒸汽和中溫中壓第一制冷劑溶液；所述二氧化碳膨脹閥用于對(duì)所述中溫中壓第一制冷劑溶液進(jìn)行降壓，得到氣液混合態(tài)的低溫低壓第一制冷劑；所述蒸發(fā)器用于對(duì)氣液混合態(tài)的所述低溫低壓第一制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)，得到所述低溫低壓第一制冷劑蒸汽；所述高溫級(jí)壓縮機(jī)用于對(duì)所述低溫低壓第二制冷劑蒸汽進(jìn)行壓縮，得到高溫高壓第二制冷劑蒸汽；所述冷凝器用于通過(guò)所述高溫高壓第二制冷劑蒸汽凝結(jié)釋放的熱量對(duì)所述采暖循環(huán)泵輸入的低溫水進(jìn)行加熱，得到一次高溫水和高溫第二制冷劑溶液；所述高溫級(jí)膨脹閥用于對(duì)所述高溫第二制冷劑溶液進(jìn)行降壓，得到氣液混合態(tài)的低溫低壓第二制冷劑；所述采暖循環(huán)泵用于將所述采暖回水管道內(nèi)的低溫水泵入所述冷凝器；所述采暖供水第一管道用于將所述一次高溫水按照預(yù)設(shè)比例通過(guò)所述采暖分流管道將所述一次高溫水輸送到所述氣冷器進(jìn)行加熱；所述采暖供水第二管道用于將所述氣冷器加熱過(guò)的一次高溫水輸送到所述采暖供水第一管道，得到混合高溫水，并將所述混合高溫水輸送給目標(biāo)供暖用戶。

6、優(yōu)選地，一種二氧化碳復(fù)疊熱泵的實(shí)現(xiàn)方法，包括：

7、利用所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)壓縮所述低溫低壓第一制冷劑蒸汽，得到所述高溫高壓第一制冷劑蒸汽；

8、利用所述氣冷閥將所述高溫高壓第一制冷劑蒸汽的壓強(qiáng)調(diào)整到亞臨界過(guò)熱蒸汽區(qū)，得到所述中溫中壓第一制冷劑蒸汽；

9、通過(guò)所述中間換熱器利用所述中溫中壓第一制冷劑蒸汽凝結(jié)釋放的熱量對(duì)氣液混合態(tài)的所述低溫低壓第二制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)，得到所述低溫低壓第二制冷劑蒸汽和所述中溫中壓第一制冷劑溶液；

10、利用所述二氧化碳膨脹閥對(duì)所述中溫中壓第一制冷劑溶液進(jìn)行降壓，得到氣液混合態(tài)所述低溫低壓第一制冷劑；

11、利用所述蒸發(fā)器對(duì)氣液混合態(tài)的所述低溫低壓第一制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)，得到所述高溫高壓第一制冷劑蒸汽；

12、利用所述高溫級(jí)壓縮機(jī)對(duì)所述低溫低壓第二制冷劑蒸汽進(jìn)行壓縮，得到所述高溫高壓第二制冷劑蒸汽；

13、通過(guò)所述冷凝器利用所述高溫高壓第二制冷劑蒸汽凝結(jié)釋放的熱量對(duì)所述采暖循環(huán)泵輸入的低溫水進(jìn)行加熱，得到所述一次高溫水和所述高溫第二制冷劑溶液；

14、利用所述高溫級(jí)膨脹閥對(duì)所述高溫第二制冷劑溶液進(jìn)行降壓，得到氣液混合態(tài)的所述低溫低壓第二制冷劑；

15、利用所述采暖循環(huán)泵將所述采暖回水管道內(nèi)的低溫水泵入所述冷凝器；

16、利用所述采暖供水第一管道和所述采暖分流管道將固定比例的所述一次高溫水輸送到所述氣冷器；

17、利用跨臨界區(qū)域的所述高溫高壓第一制冷劑蒸汽對(duì)所述一次高溫水進(jìn)行加熱，并通過(guò)所述采暖供水第二管道將所述氣冷器加熱過(guò)的一次高溫水輸送到所述采暖供水第一管道，得到混合高溫水；

18、利用所述采暖供水第一管道將所述混合高溫水輸送給目標(biāo)供暖用戶。

19、優(yōu)選地，所述高溫低壓第一制冷劑蒸汽為二氧化碳制冷劑。

20、優(yōu)選地，一種同時(shí)供水、供熱的二氧化碳復(fù)疊熱泵系統(tǒng)，包括：熱泵子系統(tǒng)和水側(cè)換熱子系統(tǒng)；所述熱泵子系統(tǒng)包括：二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)、氣冷器、氣冷閥、中間換熱器、二氧化碳膨脹閥、蒸發(fā)器、高溫級(jí)壓縮機(jī)、冷凝器以及高溫級(jí)膨脹閥；所述水側(cè)換熱子系統(tǒng)包括：采暖循環(huán)泵、熱水循環(huán)泵、采暖回水管道、采暖供水第一管道、熱水回水管道、熱水中間管道以及熱水供熱管道；

21、所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)、所述氣冷器、所述氣冷閥、所述中間換熱器、所述二氧化碳膨脹閥以及所述蒸發(fā)器依次連接；所述高溫級(jí)壓縮機(jī)、所述冷凝器、所述高溫級(jí)膨脹閥以及所述中間換熱器依次連接；所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)的輸出端與所述氣冷器第一制冷劑側(cè)的輸入端連接；所述氣冷器第一制冷劑側(cè)的輸出端與所述氣冷閥的輸入端連接；所述氣冷閥的輸出端與所述中間換熱器第一制冷劑側(cè)的輸入端連接；所述中間換熱器第一制冷劑側(cè)的輸出端與所述二氧化碳膨脹閥的輸入端連接；所述二氧化碳膨脹閥的輸出端與所述蒸發(fā)器的輸入端連接；所述蒸發(fā)器的輸出端與所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)的輸入端連接；所述中間換熱器第二制冷劑側(cè)的輸出端與所述高溫級(jí)壓縮機(jī)的輸入端連接；所述高溫級(jí)壓縮機(jī)的輸出端與所述冷凝器第二制冷劑側(cè)的輸入端連接；所述冷凝器第二制冷劑側(cè)的輸出端與所述高溫級(jí)膨脹閥的輸入端連接；所述高溫級(jí)膨脹閥的輸出端與所述中間換熱器第二制冷劑側(cè)的輸入端連接；所述采暖循環(huán)泵的輸入端與所述采暖回水管道連接；所述熱水循環(huán)泵的輸入端與所述熱水回水管道連接；所述采暖循環(huán)泵的輸出端與所述冷凝器水側(cè)的第一輸入端連接；所述熱水循環(huán)泵的輸出端與所述冷凝器水側(cè)的第二輸入端連接；所述冷凝器水側(cè)的第一輸出端與所述采暖供水第一管道連接；所述冷凝器水側(cè)的第二輸出端與所述熱水中間管道連接；所述氣冷器水側(cè)的輸入端與所述熱水中間管道連接；所述氣冷器水側(cè)的輸出端與所述熱水供熱管道連接；

22、所述二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)用于壓縮輸入的低溫低壓第一制冷劑蒸汽，并輸出跨臨界區(qū)域的高溫高壓第一制冷劑蒸汽；所述氣冷器用于利用所述高溫高壓第一制冷劑蒸汽對(duì)所述采暖分流管道輸入的一次高溫水進(jìn)行加熱；所述氣冷閥用于將所述高溫高壓第一制冷劑蒸汽降壓到亞臨界過(guò)熱蒸汽區(qū)，得到中溫中壓第一制冷劑蒸汽；所述中間換熱器用于通過(guò)所述中溫中壓第一制冷劑蒸汽凝結(jié)釋放的熱量對(duì)氣液混合態(tài)的低溫低壓第二制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)，得到低溫低壓第二制冷劑蒸汽和中溫中壓第一制冷劑溶液；所述二氧化碳膨脹閥用于對(duì)所述中溫中壓第一制冷劑溶液進(jìn)行降壓，得到氣液混合態(tài)的低溫低壓第一制冷劑；所述蒸發(fā)器用于對(duì)氣液混合態(tài)的所述低溫低壓第一制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)，得到所述低溫低壓第一制冷劑蒸汽；所述高溫級(jí)壓縮機(jī)用于對(duì)所述低溫低壓第二制冷劑蒸汽進(jìn)行壓縮，得到高溫高壓第二制冷劑蒸汽；所述冷凝器用于通過(guò)所述高溫高壓第二制冷劑蒸汽凝結(jié)釋放的熱量對(duì)所述采暖循環(huán)泵和所述熱水循環(huán)泵輸入的低溫水進(jìn)行加熱，得到一次高溫水和高溫第二制冷劑溶液；所述高溫級(jí)膨脹閥用于對(duì)所述高溫第二制冷劑溶液進(jìn)行降壓，得到氣液混合態(tài)的低溫低壓第二制冷劑；所述采暖循環(huán)泵用于將所述采暖回水管道內(nèi)的低溫水泵入所述冷凝器；所述熱水循環(huán)泵用于將所述熱水回水管道內(nèi)的低溫水泵入所述冷凝器；所述采暖供水第一管道用于將所述一次高溫水輸送給目標(biāo)供暖用戶；所述熱水中間管道用于將所述一次高溫水輸送到所述氣冷器進(jìn)行加熱；所述熱水供熱管道用于將所述氣冷器輸出的二次高溫水輸送給目標(biāo)供水用戶。

23、本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

24、本發(fā)明提供了一種二氧化碳復(fù)疊熱泵系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)氣冷器和氣冷閥，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)運(yùn)行在跨臨界和亞臨界狀態(tài)下以及二氧化碳的熱交換效率較低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)輸出蒸汽同時(shí)在跨臨界和亞臨界運(yùn)行和利用二氧化碳溫度滑移特性對(duì)一次高溫水的二次加熱。