本發(fā)明涉及制冷空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二氧化碳復(fù)合式熱泵熱水及冷水機組及其控制方法。

背景技術(shù)：

我國華北和北方地區(qū)在冬季普遍使用燃煤供暖和提供生活熱水，燃煤產(chǎn)生大量粉塵和二氧化硫等有害氣體。使用潔凈的供暖方式迫在眉睫，空氣能熱泵以其高效率、環(huán)境友好、使用便捷等因素倍受重視，尤其在沒有集中供暖的農(nóng)村地區(qū)。

常規(guī)空氣能熱泵采用氟利昂類制冷劑，受其熱物性的制約，在低于-15℃的氣溫條件下，制熱能力嚴(yán)重不足、熱水溫度偏低，不能滿足室內(nèi)熱舒適性和生活用水水溫的需求。二氧化碳是天然環(huán)保制冷劑，具有良好的熱力特性和較高的傳熱系數(shù)，用于熱泵具有較高的熱效率和高出水溫度，但在夏季制冷時具有熱效率偏低、系統(tǒng)壓力高等不足。

中國發(fā)明專利201110312645.5提供一種改進(jìn)的熱泵系統(tǒng)，該熱泵系統(tǒng)是在現(xiàn)有的地源熱泵系統(tǒng)上增加空氣源熱泵機組，該空氣源補熱機組可以單獨與空調(diào)設(shè)備連通，從而在地源熱泵機組運行性能較差或輸出不足時，使得所述熱泵系統(tǒng)能夠單獨地或與地源熱泵機組聯(lián)合向空調(diào)系統(tǒng)供暖。但是，該熱泵系統(tǒng)功能較為單一，在寒冷地區(qū)存在著效率下降、滿足不了人們對熱水需求的問題。

中國發(fā)明專利cn201510355069.0公開了一種二氧化碳熱泵加熱裝置。該二氧化碳熱泵加熱裝置包括熱泵系統(tǒng)和水路系統(tǒng)。由于二氧化碳工質(zhì)的特性不能在夏季為用戶提供冷量，造成資源的極大浪費。

中國發(fā)明專利cn201310573821.x公開了一種熱泵熱水器，包括水箱、用于對水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱的熱泵主機、太陽能光伏板及光伏控制器組成，使用光伏發(fā)電對當(dāng)?shù)厝照找蕾囕^大，但氟利昂制冷熱泵系統(tǒng)不能解決低溫季節(jié)的供暖和供熱水需求。

中國發(fā)明專利cn201510395706.7公開了一種跨臨界循環(huán)與兩級吸收式熱泵聯(lián)產(chǎn)的復(fù)合熱泵系統(tǒng)，包括跨臨界壓縮子系統(tǒng)以及將跨臨界壓縮子系統(tǒng)作為熱源的熱泵子系統(tǒng)。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，成本較高，不利于商業(yè)推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供的一種二氧化碳復(fù)合式熱泵熱水及冷水機組及其控制方法，將氟利昂類熱泵單元與二氧化碳熱泵單元組合成復(fù)合式系統(tǒng)，不僅滿足冬季寒冷地區(qū)的供暖和供熱水需求，同時滿足夏季的供冷需求，適用于華北及其以北地區(qū)的商用和民用，也普遍適用于華東地區(qū)生產(chǎn)中高溫?zé)崴屠渌?/p>

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明二氧化碳復(fù)合式熱泵熱水及冷水機組的特點是所述機組是由二氧化碳熱泵單元、氟循環(huán)單元和水路系統(tǒng)構(gòu)成；所述機組在控制器的控制下能夠選通如下各循環(huán)回路；

第一熱泵循環(huán)回路：由二氧化碳熱泵單元構(gòu)成，自第一壓縮機的出口端依次經(jīng)第一換熱器、第一節(jié)流閥、室外第一風(fēng)冷換熱器、第一氣液分離器，返回第一壓縮機的入口端；

第二熱泵循環(huán)回路：由氟循環(huán)單元構(gòu)成，自第二壓縮機的出口端依次經(jīng)四通閥的第一端口和第二端口、第二換熱器、第二節(jié)流閥、室外第二風(fēng)冷換熱器，再依次經(jīng)四通閥的第四端口和第三端口以及第二氣液分離器返回第二壓縮機的入口端；

制冷循環(huán)回路：由氟循環(huán)單元構(gòu)成，自第二壓縮機的出口端依次經(jīng)四通閥的第一端口和第四端口、室外第二風(fēng)冷換熱器、第二節(jié)流閥、第二換熱器，再依次經(jīng)四通閥的第二端口和第三端口以及第二氣液分離器返回壓縮機的入口端；

所述第一壓縮機是以二氧化碳為制冷劑，所述第二壓縮機是以hfc氟類物質(zhì)為制冷劑；

所述水路系統(tǒng)中系統(tǒng)回水自入水口a進(jìn)入第二換熱器完成一次換熱，所述第二換熱器的出水經(jīng)三通閥兩路選通，其中一路是第二換熱器的出水經(jīng)三通閥的端口a和端口c進(jìn)入第一換熱器完成二次換熱后在出水口b出水；另一路是第二換熱器的出水經(jīng)三通閥的端口a和端口b直接在出水口b出水。

本發(fā)明二氧化碳復(fù)合式熱泵熱水及冷水機組的特點也在于：所述第一換熱器和第二換熱器為板式換熱器。

本發(fā)明二氧化碳復(fù)合式熱泵熱水及冷水機組的控制方法的特點是：利用控制器控制所述機組在如下各種不同的工作模式中運行：

第一工作模式：第一熱泵循環(huán)回路停止運行，由氟循環(huán)單元構(gòu)成的制冷循環(huán)回路投入運行，所述三通閥的a端口和b端口相連通，由入水口a引入的空調(diào)系統(tǒng)回水在第二換熱器中通過換熱完成制冷后，在出水口b提供冷水，形成制冷工作模式；

第二工作模式：第一熱泵循環(huán)回路停止運行，第二熱泵循環(huán)回路投入運行，所述三通閥的a端口和b端口相連通，形成氟熱泵循環(huán)的熱水供給工作模式；

第三工作模式：第一熱泵循環(huán)回路投入運行，氟循環(huán)單元停止運行，所述三通閥的a端口和c端口相連通，形成二氧化碳熱泵循環(huán)的熱水供給工作模式；

第四工作模式：第一熱泵循環(huán)回路和第二熱泵循環(huán)回路均投入運行，所述三通閥的a端口和c端口相連通，實現(xiàn)復(fù)合型熱水供給工作模式。

本發(fā)明二氧化碳復(fù)合式熱泵熱水及冷水機組的控制方法的特點也在于：

定義：ts1±δt為熱水模式供水溫度設(shè)定值；ts2±δt為制冷模式供水溫度設(shè)定值，δt為水溫允許偏差；t為出水口b的出水溫度，ta為室外環(huán)境溫度，tco為設(shè)定的二氧化碳熱泵單元啟動運行的上限室外環(huán)境溫度；

按如下方式實現(xiàn)制冷工作模式的能量調(diào)節(jié)和運行控制：

三通閥開啟ab通道；在t≥ts2+δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，氟循環(huán)單元運行第一工作模式，第二壓縮機開啟運行或加載；在t≤ts2-δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第二壓縮機卸載，直至停機；

按如下方式實現(xiàn)熱水供給工作模式的能量調(diào)節(jié)和運行控制：

在ta＞tco時獨立運行氟循環(huán)單元的第二工作模式，三通閥開啟ab通道，在t≤ts1-δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第二熱泵循環(huán)回路的第二壓縮機開啟運行，或加載；在t≥ts1+δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第二壓縮機卸載，直至停機；

在ta≤tco時，優(yōu)先運行第三工作模式，三通閥開啟ac通道，在t≤ts1-δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第一熱泵循環(huán)回路的第一壓縮機開啟運行或加載，若第一壓縮機達(dá)到最佳運行頻率，仍滿足t≤ts1-δt的加載條件，則氟循環(huán)單元啟動運行，機組進(jìn)入第四工作模式，直至第二壓縮機達(dá)到最佳運行頻率，之后為第一壓縮機和第二壓縮機輪流加載，直至第一壓縮機和第二壓縮機都達(dá)到上限運行頻率；在t≥ts1+δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第一壓縮機和第二壓縮機輪流減載，至第一熱泵循環(huán)回路的第一壓縮機卸載到最佳運行頻率；如仍滿足t≥ts1+δt，第二壓縮機減載，直至第二壓縮機停機，運行第三工作模式。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明為二氧化碳熱泵和氟利昂類熱泵空調(diào)的復(fù)合系統(tǒng)，二氧化碳熱泵在低溫季節(jié)可以高效運行，解決了寒冷地區(qū)傳統(tǒng)熱泵供熱能力不足的問題；在中溫和高溫季節(jié)氟利昂類熱泵空調(diào)有較高的能效比，本發(fā)明復(fù)合系統(tǒng)可同時滿足中高溫?zé)崴?yīng)和冷水需求；在寬溫區(qū)內(nèi)co2復(fù)合式熱泵熱水及空調(diào)系統(tǒng)都可以高效、可靠運行，滿足用戶熱水、供暖和冷水等各種需求。

2、本發(fā)明復(fù)合系統(tǒng)中，二氧化碳的單位容積制熱量高，屬于天然制冷劑，環(huán)保性能好，低溫季節(jié)熱泵效率高、出水溫度高，作為氟利昂類熱泵空調(diào)系統(tǒng)的補充，向下拓寬了熱泵的工作溫區(qū)，并構(gòu)成了低溫季節(jié)二次加熱模式，解決了常規(guī)熱泵在寒冷季節(jié)供暖和供熱水問題；在高溫季節(jié)運行氟單元，既可生產(chǎn)熱水，又提供冷水，具有制熱和制冷雙功能，熱效率是普通空調(diào)的兩倍以上，整機全年運行的綜合能效高，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢明顯。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程示意圖；

圖中標(biāo)號：1第一壓縮機，2室外第一風(fēng)冷換熱器；3第一節(jié)流閥；4第一換熱器；5第一氣液分離器；10四通閥；11第二壓縮機；12室外第二風(fēng)冷換熱器；13第二節(jié)流閥；14第二換熱器；15第二氣液分離器；21三通閥。

具體實施方式

參見圖1，本實施例中二氧化碳復(fù)合式熱泵熱水及冷水機組是由二氧化碳熱泵單元、氟循環(huán)單元和水路系統(tǒng)構(gòu)成；機組在控制器的控制下能夠選通如下各循環(huán)回路；

第一熱泵循環(huán)回路：由二氧化碳熱泵單元構(gòu)成，自第一壓縮機1的出口端依次經(jīng)第一換熱器4、第一節(jié)流閥3、室外第一風(fēng)冷換熱器2、第一氣液分離器5，返回第一壓縮機1的入口端。

第二熱泵循環(huán)回路：由氟循環(huán)單元構(gòu)成，自第二壓縮機11的出口端依次經(jīng)四通閥10的第一端口和第二端口、第二換熱器14、第二節(jié)流閥13、室外第二風(fēng)冷換熱器12，再依次經(jīng)四通閥10的第四端口和第三端口以及第二氣液分離器15返回第二壓縮機11的入口端。

制冷循環(huán)回路：由氟循環(huán)單元構(gòu)成，自第二壓縮機11的出口端依次經(jīng)四通閥10的第一端口和第四端口、室外第二風(fēng)冷換熱器12、第二節(jié)流閥13、第二換熱器14，再依次經(jīng)四通閥10的第二端口和第三端口以及第二氣液分離器15返回壓縮機11的入口端。

第一壓縮機1是以二氧化碳為制冷劑，第二壓縮機11是以hfc氟類物質(zhì)為制冷劑；第一換熱器4和第二換熱器14為板式換熱器。

水路系統(tǒng)中系統(tǒng)回水自入水口a進(jìn)入第二換熱器14完成一次換熱，第二換熱器14的出水經(jīng)三通閥21兩路選通，其中一路是第二換熱器14的出水經(jīng)三通閥21的端口a和端口c進(jìn)入第一換熱器4完成二次換熱后在出水口b出水；另一路是第二換熱器14的出水經(jīng)三通閥21的端口a和端口b直接在出水口b出水。在需要冷水時，三通閥21開啟ab通道；當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定的上限室外環(huán)境溫度時，中溫?zé)崴ぷ髂Ｊ较?，開啟ab通道，高溫?zé)崴ぷ髂Ｊ较麻_啟ac通道；當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定的上限室外環(huán)境溫度，中高溫?zé)崴Ｊ较戮_啟ac通道。具體實施中，二氧化碳熱泵單元運行的上限室外環(huán)境溫度可以設(shè)定為25℃。

本實施例中二氧化碳復(fù)合式熱泵熱水及冷水機組的控制方法是利用控制器控制機組在如下各種不同的工作模式中運行：

第一工作模式：第一熱泵循環(huán)回路停止運行，由氟循環(huán)單元構(gòu)成的制冷循環(huán)回路投入運行，三通閥21的a端口和b端口相連通，由入水口a引入的空調(diào)系統(tǒng)回水在第二換熱器14中通過換熱完成制冷后，在出水口b提供冷水，形成制冷工作模式；

第二工作模式：第一熱泵循環(huán)回路停止運行，第二熱泵循環(huán)回路投入運行，三通閥21的a端口和b端口相連通，形成氟熱泵循環(huán)的熱水供給工作模式；

第三工作模式：第一熱泵循環(huán)回路投入運行，氟循環(huán)單元停止運行，三通閥21的a端口和c端口相連通，形成二氧化碳熱泵循環(huán)的熱水供給工作模式；

第四工作模式：第一熱泵循環(huán)回路和第二熱泵循環(huán)回路均投入運行，三通閥21的a端口和c端口相連通，實現(xiàn)復(fù)合型熱水供給工作模式。

具體實施中，按如下方式實現(xiàn)不同的工作模式：

定義：ts1±δt為熱水模式供水溫度設(shè)定值；ts2±δt為制冷模式供水溫度設(shè)定值，δt為水溫允許偏差；t為出水口b的出水溫度，ta為室外環(huán)境溫度，tco為設(shè)定的二氧化碳熱泵單元啟動運行的上限室外環(huán)境溫度，可以設(shè)置為25℃。

按如下方式實現(xiàn)熱水供給工作模式的能量調(diào)節(jié)和運行控制：

三通閥21開啟ab通道；在t≥ts2+δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，氟循環(huán)單元運行第一工作模式，第二壓縮機11開啟運行，或加載；在t≤ts2-δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第二壓縮機11卸載，直至停機。

在ta＞tco時獨立運行氟循環(huán)單元的第二工作模式，三通閥21開啟ab通道，在t≤ts1-δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第二熱泵循環(huán)回路的第二壓縮機11開啟運行，或加載；在t≥ts1+δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第二壓縮機11卸載，直至停機。

在ta≤tco時，優(yōu)先運行第三工作模式，三通閥21開啟ac通道，在t≤ts1-δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第一熱泵循環(huán)回路的第一壓縮機1開啟運行或加載，若第一壓縮機1達(dá)到最佳運行頻率，仍滿足t≤ts1-δt的加載條件，則氟循環(huán)單元啟動運行，機組進(jìn)入第四工作模式，直至第二壓縮機11達(dá)到最佳運行頻率，之后為第一壓縮機1和第二壓縮機11輪流加載，直至第一壓縮機1和第二壓縮機11都達(dá)到上限運行頻率；在t≥ts1+δt，且持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間，第一壓縮機1和第二壓縮機11輪流減載，至第一熱泵循環(huán)回路的第一壓縮機1卸載到最佳運行頻率；如仍滿足t≥ts1+δt，第二壓縮機11減載，直至第二壓縮機11停機，運行第三工作模式。