一种跨临界CO2/R22热泵空调及热水三联供方法

摘要

本发明属于室内空调及热水循环联合使用技术领域。本发明所说的跨临界CO2/R22热泵空调及热水三联供方法，是通过A三通阀和B三通阀分别与跨临界二氧化碳热泵系统和R22空调制冷系统相连，再经过水泵接蓄热水箱，实现在两个系统之间的切换，联合跨临界CO2热泵循环系统、R22空调循环系统和热水循环实现三种运行模式。本发明综合了两个独立系统之长来弥补各自系统的不足，既能满足夏季的制冷以及全年各时期的供热水需求，又能满足冬季的供暖和供热水的需求，不但在环境保护方面具有很大的优势，而且其节能的潜力非常大，同时系统结构紧凑，还提高了设备的利用率。

说明书

技术领域

本发明属于空调热泵技术领域，是一种涉及常规制冷剂(R22)制冷循环和跨临界CO₂热泵循环的联合运行方法。

背景技术

由于全球气温变暖、气候异常等环境问题日益严重，环保和节能成为目前整个国际社会的一个重大而紧迫的课题。

目前大量使用的氟利昂户式热泵空调系统，夏季室外冷凝器的放热量大，且室外气温越高制冷效率越低，能耗越高；在北方的过渡季节或南方的冬季，室外气温较低的时候，热泵供热效率很低，需要增加辅助的电加热装置来满足需求，能耗也大大增加；另外随着人们生活水平的提高，家庭生活热水的需求量也越来越大，其所需的能耗约占家庭总能耗的30％左右，一般采用电加热或燃气加热制得热水，空调系统和热水供应系统单独设立，设备利用率低，成本高。若能将热泵空调及供热水系统合二为一，既可以提高设备的的利用率，又可以实现环保、节能的效果。

R22空调系统常用于夏季制冷，其制冷效率高，能耗低，投资小，安装方便，对周围环境的影响小等优点，使其成为当前家用空调市场中应用最为广泛的装置之  ，在我国的长江中下游、华南及西南等传统的非采暖地区得到了广泛的应用。但是该系统的热泵循环在冬季制热时从大气环境中吸取热量，在室外气温低、湿度大的天气条件下室外换热器表面会结霜，导致热泵性能下降，制热量不足、制热效率低和排气温度高等问题，严重时还会导致热泵不能正常工作。为解决该系统的热泵循环在寒冷地区的应用问题，除了采用辅助热源的方法，国内外很多学者进行了研究，从不同方面、不同程度地提高了空气源热泵在寒冷地区的适应性，但并没有完全解决存在的问题。

二氧化碳作为一种自然物质，是较为理想的制冷剂，其优点在于无毒、不燃、ODP值为零、温室效应较小、价格低廉、勿需回收、对环境没有副作用等。从1866年开始，至20世纪30年代，二氧化碳亚临界循环曾被广泛使用，但由于其效率较低，系统工作压力高，设备机械强度要求高等原因，被后来的氟利昂系统所取代。

跨临界二氧化碳循环的放热过程温度较高，且存在一个相当大的温度滑移(约80～100℃)，用于热泵循环具有独特的优势。研究表明，同样工况下，(1)将水从10℃加热到60℃，CO₂热泵热水器要比电热水器和燃气热水器节能75％；(2)CO₂热泵热水器可以生产出温度达90℃的热水，而传统热泵系统的热水温度一般低于55℃；(3)采用二氧化碳热泵为商用和住宅建筑供应热水，可使其总用能量减少20％；(4)CO₂热泵系统在低温环境下能够维持较高的供热量，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。

发明内容

本发明的目的就是将热泵空调和热水器结合组成一个系统，形成一个跨临界CO₂/R22热泵空调及热水三联供方法，发挥R22系统在制冷方面的高效性以及跨临界CO₂系统在制热方面的独特优势。

所谓跨临界CO₂循环是指CO₂在亚临界和超临界条件之间运行，在低于临界压力的蒸发器内吸热，而在超临界压力的气体冷却器内放热的循环。

为实现上述发明目的，本发明采取的具体技术方案如下：

一种跨临界CO₂/R22热泵空调及热水三联供方法，该方法是通过A三通阀和B三通阀分别与跨临界二氧化碳热泵系统和R22空调制冷系统相连，再经过水泵接蓄热水箱，实现在两个系统之间进行切换，联合临界CO₂热泵循环系统、R22空调循环系统和热水循环三种运行模式。

上述的跨临界CO₂/R22热泵空调及热水三联供方法，其中跨临界二氧化碳热泵循环系统组成包括：并联的A热水换热器和室内空气换热器、A节流阀室外空气换热器、储液器及二氧化碳压缩机通过管道串联，构成跨临界二氧化碳热泵循环管路；

上述的跨临界CO₂/R22热泵空调及热水三联供方法，其中R22空调制冷循环系统的组成包括：并联的B热水换热器和室外空气换热器、R22压缩机、室内空气换热器及B节流阀通过管道串联，构成R22空调制冷循环管路；

上述的跨临界CO₂/R22热泵空调及热水三联供方法，其中热水循环的组成包括：A三通阀和B三通阀分别与跨临界二氧化碳热泵系统的A热水换热器和R22空调制冷系统的B热水换热器相连，通过这两个三通阀在两个系统之间进行切换，再经过水泵接蓄热水箱。

上述的跨临界CO₂/R22热泵空调及热水三联供方法，常规制冷剂空调制冷系统的制冷剂除R22外，可选用其他物质，如氟利昂、(非)共沸混合物、自然工质(R290、NH₃等)，以满足不同的温度需求。

上述的跨临界CO₂/R22热泵空调及热水三联供方法，跨临界二氧化碳的工作压力为3.0-12.0MPa；工作温度在低温侧可达-20℃，高温侧可达95℃；跨临界二氧化碳热泵系统的循环管路及主要部件应满足15MPa的耐压要求。

R22空调系统和跨临界CO₂热泵系统共用一个室外换热器，并分别通过热水换热器与热水系统相连。通过对室外温、湿度的监测实现对CO₂系统和R22系统的自动切换，也可采用手动的方式来控制系统。能提供五种运行模式：制冷+供热水、制热+供热水、单独制冷、单独制热、单独供热水，满足不同气候条件和用户的不同需要，是一种集节能、环保、紧凑、高效为一体的供热、空调及热水联合供应系统。

综上所述，本发明将跨临界CO₂热泵系统和R22空调系统联合，充分发挥了R22空调系统制冷效率高、能耗低的优势和跨临界CO₂热泵循环在制热方面的独特优势，综合了两个独立系统之长来弥补各自系统的不足。既能满足夏季的制冷以及全年各时期的供热水需求，又能满足冬季的供暖和供热水的需求，不但在环境保护方面具有很大的优势，而且其节能的潜力非常大。该系统将热泵空调及供热水系统合而为一，不但系统结构紧凑，还提高了设备的的利用率。

附图说明

图1为跨临界CO₂/R22热泵空调及热水三联供系统的结构原理图。图1中各主要部件的名称为：1-R22压缩机；2、3、9、10、16-阀；4、11-热水换热器；5-室外空气换热器；6、12-节流阀；7-室内空气换热器；8-CO2压缩机；13-储液器；14-热水箱；15-水泵；17、18-三通阀。

图2为R22空调制冷+供热水系统的运行原理图，它是由R22循环系统(R22压缩机1、阀2或3开通、换热器4或5、节流阀6、室内换热器7)和热水系统(热水箱14、阀18a-c接通、换热器5、阀17a-c接通、阀16、水泵15)实现制冷和供热水的。

图3为跨临界CO₂热泵制热+供热水系统的运行原理图，它是由跨临界CO₂热泵循环(CO₂压缩机8、阀9或10开通、节流阀12、换热器5、室内换热器、储液器13)和热水系统(热水箱14、阀18a-b接通、换热器11、阀17a-b接通、阀16、水泵15)实现制热和供热水的。

具体实施方式

下面结合附图1、2和3进一步说明本发明的具体实施方式：

本发明的方法是通过联合跨临界CO₂热泵循环系统、R22空调循环系统和热水循环系统而实现发明目的的。具体的方法是：如图1所示，A热水换热器(11)和室内空气换热器(7)并联后一头连接二氧化碳压缩机(8)的出口，另外一头通过节流阀(12)后接入室外空气换热器(5)，再和储液器(13)串联接至二氧化碳压缩机(8)，构成跨临界二氧化碳热泵循环管路；另一个B热水换热器(4)和室外空气换热器(5)并联后接R22压缩机(1)的出口，另一头通过节流阀(6)后接入室内空气换热器(7)，再接至R22压缩机(8)入口，构成R22空调制冷循环管路；热水循环管路由A、B两个三通阀(17、18)分别与跨临界二氧化碳热泵系统和R22空调制冷系统的A、B两个热水换热器(11、4)相连，可以在两个系统之间进行切换，再经过水泵(15)接蓄热水箱(14)。

本发明巧妙联合跨临界CO₂热泵循环系统、R22热泵空调循环系统和热水循环系统，通过三通阀进行转换，可根据不同的气候条件及用户的不同需要，实现制冷、制热、供热水三种功能。本发明能实现5种工作模式，分别是：1)制冷+供热水工况；2)制热+供热水工况；3)单独制冷工况；4)单独制热工况；5)单独供热水工况。下面结合图1、图2、图3分别予以介绍：

1)制冷+供热水工况

开启R22系统(阀2接通)，CO₂系统处于关闭状态(阀9和阀10关闭)，开启热水系统(阀16、阀18a-c接通和阀17a-c接通)。

开启R22循环系统，即工质经R22压缩机1、阀2接通、经换热器4、节流阀6和室内换热器7完成循环，热水从热水箱14、经阀18a-c接通、经换热器4、阀17a-c接通、阀16、水泵15，回到水箱中完成热水的循环，从而实现了制冷和供热水的功能。

夏季工况下，R22循环系统产生的冷量通过室内空气换热器7送入到室内，R22循环系统中的排热在热水换热器4中加热热水，实现了余热的回收，提高了循环的效率；当水箱中的水温达到设定的温度时，阀2关闭，阀3接通，系统的排热通过室外空气换热器5排到大气中；运行原理如图2所示。

2)制热+供热水工况

开启CO₂系统(阀9和阀10接通)，R22系统处于关闭状态(阀2和阀3关闭)，开启热水系统(阀16接通、阀18a-b接通和阀17a-b接通)。

CO₂系统是跨临界运行的，放热过程温度滑移很大，放热量很大，该热量一部分用于热水换热器11中加热热水，另一部分用于室内空气换热器7中与空气进行热交换，将热量传递给室内，达到供暖的目的。

冬季工况下，开启CO₂循环系统，工质经CO₂压缩机8、阀9和阀10接通、经室内换热器7和热水换热器11、节流阀12和室外换热器5完成循环，CO₂循环系统产生的热量一部分通过室内空气换热器7送入到室内，实现供热；另一部分在热水换热器11中加热热水。热水从热水箱14、经阀18a-b接通、经换热器11、阀17a-b接通、阀16、水泵15，回到水箱中完成热水的循环，从而实现了供热水的功能。运行原理如图3所示。

3)单独制冷工况

单独开启R22系统(阀2接通)，CO₂系统处于关闭状态(阀9和阀10关闭)，热水系统关闭(阀16关闭)。

开启R22循环系统，即工质经R22压缩机1、阀3接通、经换热器5、节流阀6和室内换热器7完成循环。系统的冷凝热全部通过室外空气换热器5排到大气。此时系统的运行状态就是当前最普遍的家用空调的制冷状态。这时室外空气换热器5就是系统的冷凝器。

4)单独制热工况

只单独开启CO₂系统，R22系统和热水系统处于关闭状态。

开启CO₂系统(阀10接通)，R22系统处于关闭状态(阀2和阀3关闭)，开启热水系统(阀16关闭)。工质经CO₂压缩机8、阀10接通、经换热器7、节流阀12和室外换热器5完成循环，CO₂循环系统产生的热量通过室内空气换热器7送入到室内，实现供热；

此时CO₂系统产生的排热全部在室内空气换热器7中与空气进行热交换，将热量传递给室内。这时室外空气换热器5就是系统的蒸发器。

5)单独供热水工况

开启CO₂系统(阀9接通)和热水系统开启热水系统(阀16接通、阀18a-b接通和阀17a-b接通)，R22系统处于关闭状态(阀2和阀3关闭)。

阀9接通，CO₂循环系统从室外换热器5中吸取环境的热量，在换热器11中加热热水。热水从热水箱14、经阀18a-b接通、经换热器11、阀17a-b接通、阀16、水泵15，回到水箱中完成热水的循环，从而实现了供热水的功能。

此时该系统相当于CO₂热泵热水器，CO₂系统的排热全部用于加热热水，这一过程在热水换热器11中实现。这时室外空气换热器5就是系统的蒸发器。