專利名稱：跨臨界CO₂/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于空調(diào)熱泵技術(shù)領(lǐng)域，是一種涉及常規(guī)制冷劑(R22)制冷循 環(huán)和跨臨界C02熱泵循環(huán)的聯(lián)合運行方法。
背景技術(shù)：
由于全球氣溫變暖、氣候異常等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，環(huán)保和節(jié)能成為目前整 個國際社會的一個重大而緊迫的課題。
目前大量使用的氟利昂戶式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，夏季室外冷凝器的放熱量大， 且室外氣溫越高制冷效率越低，能耗越高；在北方的過渡季節(jié)或南方的冬季，室 外氣溫較低的時候，熱泵供熱效率很低，需要增加輔助的電加熱裝置來滿足需求， 能耗也大大增加；另外隨著人們生活水平的提高，家庭生活熱水的需求量也越來 越大，其所需的能耗約占家庭總能耗的30%左右， 一般采用電加熱或燃?xì)饧訜嶂?得熱水，空調(diào)系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)單獨設(shè)立，設(shè)備利用率低，成本高。若能將熱 泵空調(diào)及供熱水系統(tǒng)合二為一，既可以提高設(shè)備的的利用率，又可以實現(xiàn)環(huán)保、 節(jié)能的效果。
R22空調(diào)系統(tǒng)常用于夏季制冷，其制冷效率高，能耗低，投資小，安裝方便， 對周圍環(huán)境的影響小等優(yōu)點，使其成為當(dāng)前家用空調(diào)市場中應(yīng)用最為廣泛的裝置 之一，在我國的長江中下游、華南及西南等傳統(tǒng)的非采暖地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。 但是該系統(tǒng)的熱泵循環(huán)在冬季制熱時從大氣環(huán)境中吸取熱量，在室外氣溫低、濕 度大的天氣條件下室外換熱器表面會結(jié)霜，導(dǎo)致熱泵性能下降，制熱量不足、制熱效率低和排氣溫度高等問題，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致熱泵不能正常工作。為解決該系 統(tǒng)的熱泵循環(huán)在寒冷地區(qū)的應(yīng)用問題，除了采用輔助熱源的方法，國內(nèi)外很多學(xué) 者進行了研究，從不同方面、不同程度地提高了空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的適應(yīng)性， 但并沒有完全解決存在的問題。
二氧化碳作為一種自然物質(zhì)，是較為理想的制冷劑，其優(yōu)點在于無毒、不燃、
0DP值為零、溫室效應(yīng)較小、價格低廉、勿需回收、對環(huán)境沒有副作用等。從1866 年開始，至20世紀(jì)30年代，二氧化碳亞臨界循環(huán)曾被廣泛使用，但由于其效率 較低，系統(tǒng)工作壓力高，設(shè)備機械強度要求高等原因，被后來的氟利昂系統(tǒng)所取 代。
跨臨界二氧化碳循環(huán)的放熱過程溫度較高，且存在一個相當(dāng)大的溫度滑移 (約80 100°C),用于熱泵循環(huán)具有獨特的優(yōu)勢。研究表明，同樣工況下，(1) 將水從1(TC加熱到6(TC， C02熱泵熱水器要比電熱水器和燃?xì)鉄崴鞴?jié)能75X;
(2) C02熱泵熱水器可以生產(chǎn)出溫度達9(TC的熱水，而傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的熱水溫 度一般低于55°C; (3)采用二氧化碳熱泵為商用和住宅建筑供應(yīng)熱水，可使其 總用能量減少20%; (4) C02熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能夠維持較高的供熱量，大 大節(jié)約輔助加熱設(shè)備所耗費的能量。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的就是將熱泵空調(diào)和熱水器結(jié)合組成一個系統(tǒng)，形成一個跨 臨界C02/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，發(fā)揮R22系統(tǒng)在制冷方面的高效性以 及跨臨界C02系統(tǒng)在制熱方面的獨特優(yōu)勢。
所謂跨臨界C02循環(huán)是指C02在亞臨界和超臨界條件之間運行，在低于臨界壓力的蒸發(fā)器內(nèi)吸熱，而在超臨界壓力的氣體冷卻器內(nèi)放熱的循環(huán)。 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的具體技術(shù)方案如下
一種跨臨界C02/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)聯(lián)合跨臨界C02熱 泵循環(huán)系統(tǒng)、R22空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)系統(tǒng)三種運行模式，
其中跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)系統(tǒng)組成是并聯(lián)的A熱水換熱器(11)和室 內(nèi)空氣換熱器(7)、 A節(jié)流闊(12)、室外空氣換熱器(5)、儲液器(13)及二 氧化碳壓縮機(8)通過管道串聯(lián)，構(gòu)成跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)管路；
R22空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)的組成是并聯(lián)的B熱水換熱器(4)和室外空氣換 熱器(5)、 R22壓縮機(1)、室內(nèi)空氣換熱器(7)及B節(jié)流閥(6)通過管道串 聯(lián)，構(gòu)成R22空調(diào)制冷循環(huán)管路；
熱水循環(huán)系統(tǒng)的組成是A三通閥(17)和B三通閥(18)分別與跨臨界二 氧化碳熱泵系統(tǒng)的A熱水換熱器(11)和R22空調(diào)制冷系統(tǒng)的B熱水換熱器(4) 相連，通過這兩個三通閥在兩個系統(tǒng)之間進行切換，再經(jīng)過水泵(15)接蓄熱水 箱(14)。
R22空調(diào)系統(tǒng)和跨臨界C02熱泵系統(tǒng)共用一個室外換熱器，并分別通過熱水 換熱器與熱水系統(tǒng)相連。通過對室外溫、濕度的監(jiān)測實現(xiàn)對C02系統(tǒng)和R22系統(tǒng) 的自動切換，也可采用手動的方式來控制系統(tǒng)。能提供五種運行模式制冷+供 熱水、制熱+供熱水、單獨制冷、單獨制熱、單獨供熱水，滿足不同氣候條件和 用戶的不同需要，是一種集節(jié)能、環(huán)保、緊湊、高效為一體的供熱、空調(diào)及熱水 聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)。
綜上所述，本系統(tǒng)將跨臨界C02熱泵系統(tǒng)和R22空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合，充分發(fā)揮了 R22空調(diào)系統(tǒng)制冷效率高、能耗低的優(yōu)勢和跨臨界C02熱泵循環(huán)在制熱方面的獨特優(yōu)勢，綜合了兩個獨立系統(tǒng)之長來彌補各自系統(tǒng)的不足。既能滿足夏季的制冷 以及全年各時期的供熱水需求，又能滿足冬季的供暖和供熱水的需求，不但在環(huán) 境保護方面具有很大的優(yōu)勢，而且其節(jié)能的潛力非常大。該系統(tǒng)將熱泵空調(diào)及供 熱水系統(tǒng)合而為一，不但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，還提高了設(shè)備的的利用率。


圖1為跨臨界C02 / R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖1中 各主要部件的名稱為1 - R22壓縮機；2、 3、 9、 10、 16-閥；4、 11-熱水換 熱器；5-室外空氣換熱器；6、 12-節(jié)流閥；7-室內(nèi)空氣換熱器；8- C02壓縮 機；13-儲液器；14-熱水箱；15-水泵；17、 18-三通閥。
圖2為R22空調(diào)制冷+供熱水系統(tǒng)的運行原理圖，它是由R22循環(huán)系統(tǒng)(R22 壓縮機l、閥2或3開通、換熱器4或5、節(jié)流閥6、室內(nèi)換熱器7)和熱水系統(tǒng) (熱水箱14 、閥18a-c接通、換熱器5、閥17a-c接通、閥16、水泵15)實現(xiàn) 制冷和供熱水的。
圖3為跨臨界C02熱泵制熱+供熱水系統(tǒng)的運行原理圖，它是由跨臨界C02熱 泵循環(huán)(C02壓縮機8、閥9或10開通、節(jié)流閥12、換熱器5、室內(nèi)換熱器、儲 液器13 )和熱水系統(tǒng)(熱水箱14 、閥18a-b接通、換熱器11、閥17a-b接通、 閥16、水泵15)實現(xiàn)制熱和供熱水的。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖1進一步說明本實用新型的具體實施方式
如附圖1所示，本實用新型的跨臨界C02/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，聯(lián)合跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)、R22空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)三種運行 模式。
其中跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)系統(tǒng)組成是并聯(lián)的A熱水換熱器(11)和室
內(nèi)空氣換熱器(7)、 A節(jié)流閥(12)、室外空氣換熱器(5)、儲液器(13)及二 氧化碳壓縮機(8)通過管道串聯(lián)，構(gòu)成跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)管路；
R22空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)的組成是并聯(lián)的B熱水換熱器(4)和室外空氣換 熱器(5)、 R22壓縮機(1)、室內(nèi)空氣換熱器(7)及B節(jié)流閥(6)通過管道串 聯(lián)，構(gòu)成R22空調(diào)制冷循環(huán)管路；
熱水循環(huán)系統(tǒng)的組成是A三通閥(17)和B三通閥(18)分別與跨臨界二 氧化碳熱泵系統(tǒng)的A熱水換熱器(11)和R22空調(diào)制冷系統(tǒng)的B熱水換熱器(4) 相連，通過這兩個三通閥在兩個系統(tǒng)之間進行切換，再經(jīng)過水泵(15)接蓄熱水 箱(14)。
本系統(tǒng)包括跨臨界C02熱泵循環(huán)系統(tǒng)、R22熱泵空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)系 統(tǒng)?？筛鶕?jù)不同的氣候條件及用戶的不同需要，實現(xiàn)制冷、制熱、供熱水三種功 能。該系統(tǒng)有5種工作模式，分別是1)制冷+供熱水工況；2)制熱+供熱水 工況；3)單獨制冷工況；4)單獨制熱工況；5)單獨供熱水工況。下面結(jié)合圖
1、圖2、圖3分別予以介紹
1)制冷+供熱水工況
開啟R22系統(tǒng)(閥2接通)，C02系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)(閥9和閥10關(guān)閉)，開 啟熱水系統(tǒng)(閥16、閥18a-c接通和閥17a-c接通)。
開啟R22循環(huán)系統(tǒng)，即工質(zhì)經(jīng)R22壓縮機1、閥2接通、經(jīng)換熱器4、節(jié)流 閥6和室內(nèi)換熱器7完成循環(huán)，熱水從熱水箱14 、經(jīng)閥18a-c接通、經(jīng)換熱器4、閥17a-c接通、閥16、水泵15,回到水箱中完成熱水的循環(huán)，從而實現(xiàn)了制 冷和供熱水的功能。
夏季工況下，R22循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量通過室內(nèi)空氣換熱器7送入到室內(nèi)， R22循環(huán)系統(tǒng)中的排熱在熱水換熱器4中加熱熱水，實現(xiàn)了余熱的回收，提高了 循環(huán)的效率；當(dāng)水箱中的水溫達到設(shè)定的溫度時，閥2關(guān)閉，閥3接通，系統(tǒng)的 排熱通過室外空氣換熱器5排到大氣中；運行原理如圖2所示。
2) 制熱+供熱水工況
開啟C02系統(tǒng)(閥9和閥10接通)，R22系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)(閥2和閥3關(guān)閉)， 開啟熱水系統(tǒng)(閥16接通、閥18a-b接通和閥17a-b接通)。
C02系統(tǒng)是跨臨界運行的，放熱過程溫度滑移很大，放熱量很大，該熱量一 部分用于熱水換熱器11中加熱熱水，另一部分用于室內(nèi)空氣換熱器7中與空氣 進行熱交換，將熱量傳遞給室內(nèi)，達到供暖的目的。
冬季工況下，開啟C02循環(huán)系統(tǒng)，工質(zhì)經(jīng)C02壓縮機8、閥9和閥10接通、 經(jīng)室內(nèi)換熱器7和熱水換熱器11、節(jié)流閥12和室外換熱器5完成循環(huán)，C02循 環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量一部分通過室內(nèi)空氣換熱器7送入到室內(nèi)，實現(xiàn)供熱；另一部 分在熱水換熱器11中加熱熱水。熱水從熱水箱14 、經(jīng)閥18a-b接通、經(jīng)換熱 器ll、閥17a-b接通、閥16、水泵15，回到水箱中完成熱水的循環(huán)，從而實現(xiàn) 了供熱水的功能。運行原理如圖3所示。
3) 單獨制冷工況
單獨開啟R22系統(tǒng)(閥2接通)，C02系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)(閥9和閥10關(guān)閉)， 熱水系統(tǒng)關(guān)閉(閥16關(guān)閉)。
開啟R22循環(huán)系統(tǒng)，即工質(zhì)經(jīng)R22壓縮機1、閥3接通、經(jīng)換熱器5、節(jié)流閥6和室內(nèi)換熱器7完成循環(huán)。系統(tǒng)的冷凝熱全部通過室外空氣換熱器5排到大 氣。此時系統(tǒng)的運行狀態(tài)就是當(dāng)前最普遍的家用空調(diào)的制冷狀態(tài)。這時室外空氣 換熱器5就是系統(tǒng)的冷凝器。
4) 單獨制熱工況
只單獨開啟C02系統(tǒng)，R22系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。
開啟C02系統(tǒng)(閥IO接通)，R22系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)(閥2和閥3關(guān)閉)，開
啟熱水系統(tǒng)(閥16關(guān)閉)。工質(zhì)經(jīng)C02壓縮機8、閥10接通、經(jīng)換熱器7、節(jié)流
閥12和室外換熱器5完成循環(huán)，C02循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量通過室內(nèi)空氣換熱器
7送入到室內(nèi)，實現(xiàn)供熱。
此時C02系統(tǒng)產(chǎn)生的排熱全部在室內(nèi)空氣換熱器7中與空氣進行熱交換，將
熱量傳遞給室內(nèi)。這時室外空氣換熱器5就是系統(tǒng)的蒸發(fā)器。
5) 單獨供熱水工況
開啟C02系統(tǒng)(閥9接通)和熱水系統(tǒng)開啟熱水系統(tǒng)(閥16接通、閥18a-b 接通和閥17a-b接通)，R22系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)(閥2和閥3關(guān)閉)。
閥9接通，C02循環(huán)系統(tǒng)從室外換熱器5中吸取環(huán)境的熱量，在換熱器11中 加熱熱水。熱水從熱水箱14 、經(jīng)閥18a-b接通、經(jīng)換熱器ll、閥17a-b接通、 閥16、水泵15，回到水箱中完成熱水的循環(huán)，從而實現(xiàn)了供熱水的功能。
此時該系統(tǒng)相當(dāng)于C02熱泵熱水器，C02系統(tǒng)的排熱全部用于加熱熱水，這一 過程在熱水換熱器n中實現(xiàn)。這時室外空氣換熱器5就是系統(tǒng)的蒸發(fā)器。
權(quán)利要求1、一種跨臨界CO2/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)聯(lián)合跨臨界CO2熱泵循環(huán)系統(tǒng)、R22空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)三種運行模式其中跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)系統(tǒng)組成是并聯(lián)的A熱水換熱器(11)和室內(nèi)空氣換熱器(7)、A節(jié)流閥(12)、室外空氣換熱器(5)、儲液器(13)及二氧化碳壓縮機(8)通過管道串聯(lián)，構(gòu)成跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)管路；R22空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)的組成是并聯(lián)的B熱水換熱器(4)和室外空氣換熱器(5)、R22壓縮機(1)、室內(nèi)空氣換熱器(7)及B節(jié)流閥(6)通過管道串聯(lián)，構(gòu)成R22空調(diào)制冷循環(huán)管路；熱水循環(huán)系統(tǒng)的組成是A三通閥(17)和B三通閥(18)分別與跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的A熱水換熱器(11)和R22空調(diào)制冷系統(tǒng)的B熱水換熱器(4)相連，通過這兩個三通閥在兩個系統(tǒng)之間進行切換，再經(jīng)過水泵(15)接蓄熱水箱(14)。
2、 如權(quán)利要求1所述的跨臨界C(VR22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征 在于，制冷+供熱水工況時R22空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)開啟，跨臨界二氧化 碳熱泵循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，閥18a-c接通和閥17a-c接通，熱水循環(huán)系統(tǒng)開啟。
3、 如權(quán)利要求1所述的跨臨界C02/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征 在于，制熱+供熱水工況時跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，R22空調(diào) 制冷循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，B三通閥a-b接通和A三通閥a-b接通，熱水循環(huán)系 統(tǒng)開啟。
4、 如權(quán)利要求1所述的跨臨界C02/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征 在于，單獨制冷工況時R22空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)開啟，跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，熱水系統(tǒng)關(guān)閉。
5、 如權(quán)利要求1所述的跨臨界C02/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征 在于，單獨制熱工況時R22空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，跨臨界二氧化碳熱 泵循環(huán)系統(tǒng)開啟，熱水系統(tǒng)關(guān)閉。
6、 如權(quán)利要求1所述的跨臨界C02/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征 在于，單獨供熱水工況時R22空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，跨臨界二氧化碳 熱泵循環(huán)系統(tǒng)開啟，B三通閥a-b接通和A三通閥a-b接通，熱水系統(tǒng)開 啟。
專利摘要本實用新型屬于室內(nèi)空調(diào)及熱水循環(huán)聯(lián)合使用技術(shù)領(lǐng)域。本實用新型所說的跨臨界CO₂/R22熱泵空調(diào)及熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，是通過A三通閥和B三通閥分別與跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)和R22空調(diào)制冷系統(tǒng)相連，再經(jīng)過水泵接蓄熱水箱，實現(xiàn)在兩個系統(tǒng)之間的切換，聯(lián)合跨臨界CO₂熱泵循環(huán)系統(tǒng)、R22空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)和熱水循環(huán)實現(xiàn)三種運行模式。本實用新型綜合了兩個獨立系統(tǒng)之長來彌補各自系統(tǒng)的不足，既能滿足夏季的制冷以及全年各時期的供熱水需求，又能滿足冬季的供暖和供熱水的需求，不但在環(huán)境保護方面具有很大的優(yōu)勢，而且其節(jié)能的潛力非常大，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，還提高了設(shè)備的利用率。
文檔編號F24D17/02GK201237404SQ20082015051
公開日2009年5月13日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者靜 呂, 周傳煜, 王偉峰 申請人:上海理工大學(xué)