本发明介绍了一种实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统及其操控方法，属于热泵制热循环技术，现有CO2热泵产品不能满足高温循环式加热需求；本发明是由以中高温制冷剂为冷媒的亚临界循环回路和以CO2为冷媒的跨临界循环回路复合成的热泵系统；两个循环回路共用一个蒸发冷却器，蒸发冷却器作为跨临界循环回路的辅助气体冷却器、作为亚临界循环回路的主蒸发器。跨临界循环回路为用户提供出水温度为70‑90℃，回水温度为70‑80℃的循环热水，亚临界循环回路制取50‑60℃的热水。本发明可显著提高满足高回水温度循环式制热工况要求的跨临界CO2系统的效率，并解决单级CO2循环系统无法实现70℃以上回水温度循环式制热的技术难题。
1.实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统，其特征是：
该系统是由以中高温制冷剂为冷媒的亚临界循环回路和以CO2为冷媒的跨临界循环回路复合成的热泵系统；
所述的跨临界循环回路包括顺次连接的一个压缩机A（1）、一个气体冷却器（2）、一个蒸发冷却器（3）、一个节流阀A（4）和一个蒸发器（5），所述气体冷却器（2）用于连接到70～90℃循环热水需求用户（10）并以70～80℃的回水温度实现高回水温度，所述蒸发器（5）与一热源A（11）连接，所述蒸发冷却器（3）为该跨临界循环回路的辅助气体冷却器；
所述的亚临界循环回路包括顺次连接的一个压缩机B（6）、一个冷凝器（7）、一个节流阀B（8）、一个辅助蒸发器（9）和所述的蒸发冷却器（3），所述冷凝器（7）用于连接到50～60℃热水需求用户（13），所述辅助蒸发器与（9）一热源B（12）连接，所述蒸发冷却器为该亚临界循环回路的主蒸发器；
所述的两种制热工况要求：其一是实现所述冷凝器（7）水侧的进水温度为10-30℃，而所述气体冷却器（2）水侧的出水温度为70-90℃的制热工况要求，所述的冷凝器（7）水侧为
50～60℃热水需求用户（13）侧，所述的气体冷却器（2）水侧为70-90℃循环热水需求用户（10）侧；其二是实现气体冷却器（2）水侧的进水温度和出水温度都在70℃以上的循环式制热工况要求，所述的气体冷却器（2）水侧为70-90℃循环热水需求用户（10）侧。
2.根据权利要求1所述的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统，其特征是：所述冷凝器（7）水侧出水端与所述气体冷却器（2）水侧进水口端之间设有第一截止阀（71），所述冷凝器（7）水侧出水端与50～60℃热水需求用户（13）之间设有第二截止阀（72）。
3.根据权利要求1所述的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统，其特征是：所述的中高温制冷剂为能产生50～60℃制热水温的制冷剂。
4.根据权利要求3所述的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统，其特征是：所述的中高温制冷剂为R134a、R404A、R407C、R410A和R507C中的任何一种。
5.一种如权利要求2所述的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统的操控方法，其特征是：关闭所述第二截止阀（72），开启所述第一截止阀（71），调节所述辅助蒸发器（9）和所述蒸发器（5）热源侧的热源温度或流量，设置所述节流阀B（8）和所述节流阀A（4）的开度，控制所述气体冷却器（2）水侧的水流量，以将进水温度为10～30℃的冷水经所述冷凝器（7）加热到50～60℃，然后再经所述气体冷却器（2）加热到所需70～90℃的制热水温。
6.一种如权利要求2所述的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统的操控方法，其特征是：关闭所述第一截止阀（71），开启所述第二截止阀（72），调节所述辅助蒸发器（9）和所述蒸发器（5）热源侧的热源温度或流量，设置所述节流阀B（8）和所述节流阀A（4）的开度，控制所述气体冷却器（2）和所述冷凝器（7）水侧的水流量，以将进水温度为10～30℃的冷水经所述冷凝器（7）制取为50～60℃的热水，使得所述气体冷却器（2）提供进水温度为70～80℃、出水温度为70～90℃的循环热水。
实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系
统及其操控方法
技术领域
[0001] 本发明涉及热泵制热循环技术，尤其涉及实现一种高效的用于高回水温度循环式制热的跨临界CO2系统。
背景技术
[0002] 作为一种无臭氧层破坏和低温室效应的自然工质，CO2是供热空调领域替代氟利昂的潜在制冷剂之一，开发用于制冷、空调、供热等工商业应用场合的CO2热泵技术，已成为当前国内高校和企业的一个研究热门。尤其是跨临界CO2循环热泵系统能制取比以普通氟利昂为制冷剂的热泵系统温度更高的热水（大部分氟利昂系统制热的最高出水温度为60℃），而对于在此温度范围具有热需求（热水或热风）的场合，如屠宰、电镀、干燥等都是高耗能且急需进行传统锅炉替代的行业，因而，研制高温CO2热泵技术对实现这些行业的节能减排目标具有重要的实现意义。
[0003] 超临界CO2在气体冷却器放热过程中的温度滑移特性，可以使得水从较低温度加热到高达90℃的温度，但对于回水温度高于70℃的循环式加热方式，跨临界CO2系统的效率是非常低，甚至使用单级压缩循环根本无法实现，这样就极大地限制了跨临界CO2系统的应用，比如水箱保温热水的再加热，电镀行业中某些工艺过程等都要求高温循环式加热。目前，市场上几乎没有一款CO2热泵产品能满足高温循环式加热需求。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有CO2热泵产品不能满足高温循环式加热需求的缺陷，提供一种实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统及其操控方法
[0005] 为达到上述目的，本发明的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统，其特征是：
[0006] 该系统是由以中高温制冷剂为冷媒的亚临界循环回路和以CO2为冷媒的跨临界循环回路复合成的热泵系统；
[0007] 所述的跨临界循环回路包括顺次连接的一个压缩机A、一个气体冷却器、一个蒸发冷却器、一个节流阀A和一个蒸发器，所述气体冷却器用于连接到70～90℃循环热水需求用户并以70～80℃的回水温度实现高回水温度，所述蒸发器与一热源A连接，所述蒸发冷却器为该跨临界循环回路的辅助气体冷却器；
[0008] 所述的亚临界循环回路包括顺次连接的一个压缩机B、一个冷凝器、一个节流阀B、一个辅助蒸发器和所述的蒸发冷却器，所述冷凝器用于连接到50～60℃热水需求用户，所述辅助蒸发器与一热源B连接，所述蒸发冷却器为该亚临界循环回路的主蒸发器。
[0009] 作为本发明热泵系统的优选技术手段：所述冷凝器水侧出水端与所述气体冷却器水侧进水口端之间设有第一截止阀，所述冷凝器水侧出水端与50～60℃热水需求用户之间设有第二截止阀。
[0010] 作为本发明热泵系统的优选技术手段：所述的中高温制冷剂为能产生50～60℃制热水温的制冷剂。
[0011] 作为本发明热泵系统的优选技术手段：所述的中高温制冷剂为R134a、R404A、R407C、R410A和R507C中的任何一种。
[0012] 为达到上述目的，本发明的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统的操控方法，其一种方案是：关闭所述第二截止阀，开启所述第一截止阀，调节所述辅助蒸发器和所述蒸发器热源侧的热源温度或流量，设置所述节流阀B和所述节流阀A的开度，控制所述气体冷却器水侧的水流量，以将进水温度为10～30℃的冷水经所述冷凝器加热到50～60℃，然后再经所述气体冷却器加热到所需70～90℃的制热水温。
[0013] 为达到上述目的，本发明的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统的操控方法，其第二种方案是：关闭所述第一截止阀，开启所述第二截止阀，调节所述辅助蒸发器和所述蒸发器热源侧的热源温度或流量，设置所述节流阀B和所述节流阀A的开度，控制所述气体冷却器和所述冷凝器水侧的水流量，以将进水温度为10～30℃的冷水经所述冷凝器制取为50～60℃的热水，使得所述气体冷却器提供进水温度为70～80℃、出水温度为70～90℃的循环热水。
[0014] 本发明显著提高了满足高回水温度的循环式制热工况要求的跨临界CO2系统的效率，解决了单级CO2循环系统无法实现70℃以上回水温度循环式制热的技术难题。
附图说明
[0015] 图1为本发明实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统的系统原理图；
[0016] 图中标号说明：
[0017] 1-压缩机A，2-气体冷却器，3-蒸发冷却器，4-节流阀A，5-蒸发器；
[0018] 6-压缩机B，7-冷凝器，8-节流阀B，9-辅助蒸发器；
[0019] 10～70-90℃循环热水需求用户，11-热源A，12-热源B，13-50～60℃热水需求用户。
具体实施方式
[0020] 以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。
[0021] 本发明的实现高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统，如图1所示，该系统是由以中高温制冷剂为冷媒的亚临界循环回路和以CO2为冷媒的跨临界循环回路复合成的热泵系统；
[0022] 跨临界循环回路包括顺次连接的一个压缩机A1、一个气体冷却器2、一个蒸发冷却器3、一个节流阀A4和一个蒸发器5，气体冷却器2用于连接到70～90℃循环热水需求用户10并以70～80℃的回水温度实现高回水温度，蒸发器5与一热源A11连接，蒸发冷却器3为该跨临界循环回路的辅助气体冷却器；
[0023] 亚临界循环回路包括顺次连接的一个压缩机B6、一个冷凝器7、一个节流阀B8、一个辅助蒸发器9和蒸发冷却器3，冷凝器7用于连接到50～60℃热水需求用户13，辅助蒸发器9与一热源B12连接，蒸发冷却器为该亚临界循环回路的主蒸发器。
[0024] 进一步的，冷凝器7水侧出水端与气体冷却器2水侧进水口端之间设有第一截止阀71，冷凝器7水侧出水端与50～60℃热水需求用户13之间设有第二截止阀72。
[0025] 具体的，中高温制冷剂为能产生50～60℃制热水温的制冷剂，可以为R134a、R404A、R407C、R410A和R507C中的任何一种。
[0026] 依据上述高回水温度以及两种制热工况要求的跨临界CO2热泵系统，可以实现两种制热工况要求：
[0027] 其一是实现冷凝器7水侧（即50～60℃热水需求用户13侧）的进水温度为10-30℃，而气体冷却器2水侧（即70-90℃循环热水需求用户10侧）的出水温度为70-90℃的制热工况要求：开启第一截止阀71，关闭第二截止阀72，使得冷凝器7的水侧所进的冷水先经冷凝器7后，再经气体冷却器2，同时调节辅助蒸发器9和蒸发器5热源侧的热源温度或流量，设置节流阀B 8和节流阀A 4的开度，控制气体冷却器2水侧的水流量，以使得冷凝器7水侧进水温度为10～30℃的冷水经冷凝器7加热到50～60℃，然后再经气体冷却器2加热到所需70～90℃的制热水温。因此，50～60℃热水需求用户13、70-90℃循环热水需求用户10可以分别使用不同温度的热水。上述实施方式实现的是单独跨临界CO2循环的一次加热式制热功能，但经过本发明所述系统中各部件之间匹配的优化，可以达到比单独CO2系统更高的制热循环效率。
[0028] 其二是实现气体冷却器2水侧（即70-90℃循环热水需求用户10侧）的进水温度和出水温度都在70℃以上的循环式制热工况要求：关闭第一截止阀71，开启第二截止阀72，使得70-90℃循环热水需求用户10和50～60℃热水需求用户13所需的热水分别由跨临界循环回路的气体冷却器2和亚临界循环回路的冷凝器7制取，同时调节辅助蒸发器9和蒸发器5热源侧的热源温度或流量，设置节流阀B8和所述节流阀A4的开度，控制气体冷却器2和冷凝器7水侧的水流量，以使得冷凝器7制取50～60℃的热水，使得气体冷却器2提供进水温度为70～80℃、出水温度为70～90℃的循环热水，从而实现冷凝器7水侧（即50～60℃热水需求用户13侧）的进水温度为10～30℃时，亚临界循环回路中的冷凝器7制取50～60℃的热水，而跨临界循环回路中的气体冷却器2水侧（即70-90℃循环热水需求用户10侧）提供出水温度为70-90℃，回水温度为70-80℃的循环热水。
[0029] 本发明CO2热泵系统既可以满足冷凝器7水侧进水温度为10-30℃时，同时制取出50-60℃和70-90℃两种不同热水水温要求的制热工况，又能实现气体冷却器2的进水为70-
80℃而出水温度70-90℃的循环制热工况要求，尤其为解决单级CO2系统无法实现回水温度高于70℃的循环式制热提供了一种技术解决方案。
[0030] 尽管以上内容结合附图对本发明进行了描述，但本发明不仅局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而非限制性的，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对上述实施示例的技术方案进行修改，因而凡在本发明宗旨下所作的任何修改、等同变换等，都属于本发明的保护范围之内。
