一种采用相变蓄能的跨临界二氧化碳空气源系统

摘要

本发明提供一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，包括压缩机、第一蓄热模块、节流装置、第二蓄热模块和蓄冷模块，所述第一蓄热模块包括串联设置的气冷器和第一蓄热装置；所述第二蓄热模块包括蒸发器、风机和第二蓄热装置，所述第二蓄热装置通过节流装置与蒸发器串联；包括蓄能运行模式和正常制热模式，蓄能运行模式下，第一蓄热装置、第二蓄热装置蓄热，蓄冷器蓄冷；正常制热模式下，水源依次经蓄冷模块降温、气冷器和第一蓄热装置升温后送入用户端。本发明所述系统将相变蓄能技术与热泵技术相结合，解决热泵运行时电网峰负荷过大，充分利用低谷电，实现削峰填谷的目的。

权利要求

1.一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，其特征在于：包括压缩机(1)、第一蓄热模块(2)、节流装置(3)、第二蓄热模块(4)和蓄冷模块(5)，所述第一蓄热模块(2)包括串联设置的气冷器(21)和第一蓄热装置(22)；

所述第二蓄热模块(4)包括蒸发器(41)、风机(43)和第二蓄热装置(42)，所述第二蓄热装置(42)通过节流装置(3)与蒸发器(41)串联；

所述系统包括蓄能运行模式和正常制热模式，

蓄能运行模式下，制冷剂经压缩机(1)排出，依次进入第一蓄热装置(22)、气冷器(21)、第二蓄热装置(42)、节流装置(3)、蒸发器(41)、蓄冷模块(5)后，返回至压缩机(1)；

正常制热模式下，制冷剂经压缩机(1)排出，依次进入第一蓄热装置(22)、气冷器(21)、节流装置(3)、蒸发器(41)后，返回至压缩机；水源依次经蓄冷模块(5)、气冷器(21)和第一蓄热装置(22)后送入用户端；

所述气冷器(21)与节流装置(3)之间并联设有第一电磁阀(6)和第二电磁阀(7)，第一电磁阀(6)连通第二蓄热装置(42)，第二电磁阀(7)连通节流装置(3)；

所述蒸发器(41)与蓄冷模块(5)之间并联设有第三电磁阀(8)和第四电磁阀(9)，第三电磁阀(8)连通压缩机(1)，第四电磁阀(9)连通蓄冷模块(5)；

还包括控制器，所述水源连接有水泵；

所述控制器控制第一电磁阀(6)、第二电磁阀(7)、第三电磁阀(8)、第四电磁阀(9)以及风机(43)和水泵的开闭状态，使系统处于正常制热模式或蓄能运行模式。

2.根据权利要求1所述的一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，其特征在于，还包括室外温度传感器，室外温度传感器与控制器电性连接，蓄能运行模式下，第一蓄热装置(22)进行蓄热，蓄冷模块(5)进行蓄冷，且当室外空气温度低于第一阈值时，控制器控制第二蓄热装置(42)开始蓄热；当室外空气温度高于第二阈值时，控制器第二蓄热装置(42)停止蓄热。

3.根据权利要求1所述的一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，其特征在于，所述第一蓄热装置(22)的相变蓄热材料的相变温度为50-65℃，所述相变蓄热材料是石蜡、Na2HPO4*12H2O、Na2CO3*10H2O中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，其特征在于，所述第二蓄热装置(42)的相变蓄热材料的相变温度为22-35℃，所述相变蓄热材料是石蜡、Na2HPO4*12H2O、Na2CO3*10H2O中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，其特征在于，所述蓄冷模块(5)的相变蓄冷材料的相变温度为0-10℃，所述相变蓄冷材料是石蜡、Na2HPO4*

12H2O、Na2CO3*10H2O中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，其特征在于，所述第一蓄热模块(2)中，第一蓄热装置(22)设于气冷器(21)上方，第一蓄热装置(22)的底部通过集液器(203)连通气冷器(21)，所述气冷器(21)采用套管式换热器；

所述第二蓄热模块(4)中，第二蓄热装置(42)设于蒸发器(41)和风机(43)之间，蒸发器(41)采用管翅式换热器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，其特征在于，在分时优惠电价期间或低负荷需求工况下，开启蓄能运行模式；在高峰电价期间，开启正常制热运行模式。

说明书

一种采用相变蓄能的跨临界二氧化碳空气源系统

技术领域

[0001] 本发明涉及热泵系统技术领域，尤其是涉及一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统。

背景技术

[0002] 作为一种节能环保的供热方式，跨临界CO2空气源热泵技术开发研究方面备受关注。在系统运行过程中，气冷器内制冷剂处于超临界状态，温度与压力为相互独立的参数，
在整个放热过程中，制冷剂侧温度滑移特性与水温的温升过程相匹配，减少了换热过程的
不可逆性，因此特别适合用于制取热水。跨临界CO2空气源热泵热水系统运行时存在一些不
足：水侧入口温度对系统性能影响较大。高温工况下水侧温度较高会导致气冷器换热性能
变差，制热量减少，不能满足用户需求；低温工况下空气侧温度较低，系统易出现结霜现象，
严重影响系统运行的稳定性和高效性。

[0003] 相变材料在温度不变的情况下其物相变化过程中能提供潜热，利用高效的相变材料吸收或释放潜热进行蓄能,充分利用低谷电，具有良好的性能和经济效益。但现阶段相变
材料存在以下问题：在循环过程中热物理性质的退化问题;相变材料易从基体的泄漏问题;
相变材料对基体材料的作用问题。

[0004] 专利CN201706780U描述了一种相变蓄能热泵热水器，冷凝器进口端与压缩机之间设有四通阀，四通阀一出口端与风冷换热器连通，另一出口端通过气液分离器与压缩机连
通，实现节能、提高设备利用率，四通换向阀承压有限，应用于跨临界CO2热泵系统中易出现
泄露问题。

[0005] 专利CN105222400A描述了一种采用相变蓄能的空气源热泵供热供冷系统，通过热泵制得的热量或冷量传送至相变蓄能装置内，经过相变蓄能装置的存储转化。在低负荷需
求工况下蓄热或蓄冷可大幅度降低运行费用，空气源热泵性能影响蓄能效果，节能效果有
限。

[0006] 因此，为了解决跨临界CO2热泵系统的问题，本发明提出一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，进一步解决现有技术的问题。

发明内容

[0007] 为了解决跨临界CO2热泵系统技术的不足，本发明提出一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，在分时优惠电价期间或低负荷需求工况运行蓄能模式，在高峰电价期
间，运行供热模式。利用优惠电价或低负荷需求工况下蓄能，大幅度降低运行费用，提高跨
临界CO2空气源系统的稳定性。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，包括压缩机、第一蓄热模块、节流装置、第二蓄热模块和蓄冷模块，所述第一蓄热模块包括串联设置的气冷器和第一蓄热装置；
所述第二蓄热模块包括蒸发器、风机和第二蓄热装置，所述第二蓄热装置通过节流装置与
蒸发器串联；所述系统包括蓄能运行模式和正常制热模式，蓄能运行模式下，制冷剂经压缩
机排出，依次进入第一蓄热装置、气冷器、第二蓄热装置、节流装置、蒸发器、蓄冷器后，返回至压缩机；正常制热模式下，制冷剂经压缩机排出，依次进入第一蓄热装置、气冷器、蒸发器
后，返回至压缩机；水源依次经蓄冷模块、气冷器和第一蓄热装置后送入用户端。

[0010] 进一步地，所述气冷器与节流装置之间并联设有第一电磁阀和第二电磁阀，第一电磁阀连通第二蓄热装置，第二电磁阀连通节流装置。

[0011] 所述蒸发器与蓄冷模块之间并联设有第三电磁阀和第四电磁阀，第三电磁阀连通压缩机，第四电磁阀连通蓄冷模块。

[0012] 进一步地，所述系统还包括控制器，所述水源连接有水泵；控制器控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀以及风机和水泵的开闭状态，使系统处于正常制
热模式或蓄能运行模式。

[0013] 进一步地，还包括室外温度传感器，用于检测室外空气温度，蓄能运行模式下，第一蓄热装置进行蓄热，蓄冷模块进行蓄冷，且当室外空气温度低于第一阈值时，第二蓄热装
置开始蓄热；当室外空气温度高于第二阈值时，第二蓄热装置停止蓄热。

[0014] 进一步地，所述第一蓄热装置的相变蓄热材料的相变温度为50-65℃，所述相变蓄热材料是石蜡、Na2HPO4*12H2O、Na2CO3*10H2O中的一种。

[0015] 进一步地，所述第二蓄热装置的相变蓄热材料的相变温度为22-35℃，所述相变蓄热材料是石蜡、Na2HPO4*12H2O、Na2CO3*10H2O中的一种。

[0016] 进一步地，所述蓄冷模块的相变蓄冷材料的相变温度为0-10℃，所述相变蓄冷材料是石蜡、Na2HPO4*12H2O、Na2CO3*10H2O中的一种。

[0017] 进一步地，所述第一蓄热模块中，第一蓄热装置设于气冷器上方，第一蓄热装置的底部通过集液器连通气冷器，所述气冷器采用套管式换热器；所述第二蓄热模块中，第二蓄
热装置设于蒸发器和风机之间，蒸发器采用管翅式换热器。

[0018] 进一步地，在分时优惠电价期间或低负荷需求工况下，开启蓄能运行模式；在高峰电价期间，开启正常制热运行模式。

[0019] 相比于现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

[0020] 采用第一蓄热模块提供热补偿，保证出水温度维持在设定值；采用第二蓄热模块提高入风温度，避免低温工况下蒸发器结霜，同时提高蒸发压力，减少制冷剂循环量，提高
系统效率；采用蓄冷模块降低水侧入口温度，提高系统效率。

[0021] 本发明所述系统将相变蓄能技术与热泵技术相结合，解决热泵运行时电网峰负荷过大，充分利用低谷电，实现削峰填谷的目的。

[0022] 本发明的其他优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

[0023] 图1为本发明所述系统组成示意图；

[0024] 图2为本发明的第一蓄热模块结构示意图

[0025] 图3为本发明的第二蓄热模块结构示意图

[0026] 图4为本发明的蓄冷模块结构示意图

[0027] 图5为本发明所述系统蓄热运行模式下的流程示意图；

[0028] 图6为本发明所述系统正常制热模式下的流程示意图。

[0029] 附图标记：

[0030] 1-压缩机，2-第一蓄热模块，21-气冷器，22-第一蓄热装置，201-机壳，202-第一蓄热材料，203-集液器，204-气冷器管，205-CO2进料口，206-CO2出料口，207-气冷器CO2出口，
208-气冷器进水口，209-气冷器出水口，210-第一蓄热装置出水口，3-节流装置，4-第二蓄
热模块，41-蒸发器，42-第二蓄热装置，402-第二蓄热材料，43-风机，5-蓄冷模块，501-蓄冷模块机壳，502-蓄冷材料，503-分液器，504-蓄冷模块CO2进料口，505-蓄冷模块CO2出料口，
506-蓄冷模块进水口，507-蓄冷模块出水口，6-第一电磁阀，7-第二电磁阀，8-第三电磁阀，
9-第四电磁阀。

具体实施方式

[0031] 下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0032] 如图1所示，本发明所述采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统，包括压缩机1、第一蓄热模块2、节流装置3、第二蓄热模块4和蓄冷模块5。本实施例中，节流装置3采用电子膨
胀阀。

[0033] 第一蓄热模块2包括串联设置的气冷器21和第一蓄热装置22；第二蓄热模块4包括蒸发器41、风机43和第二蓄热装置42，所述第二蓄热装置42通过节流装置3与蒸发器41串
联；气冷器21与节流装置3之间并联设有第一电磁阀6和第二电磁阀7，第一电磁阀6连通第
二蓄热装置42，第二电磁阀7连通节流装置3；蒸发器41与蓄冷模块5之间并联设有第三电磁
阀8和第四电磁阀9，第三电磁阀8连通压缩机1，第四电磁阀9连通蓄冷模块5。

[0034] 第一蓄热装置22的CO2进料口与压缩机1的出口连接，第一蓄热装置22的CO2出料口与气冷器21的CO2进料口连接；所述蓄冷模块5的CO2出料口与压缩机1的进口连接。

[0035] 所述第一蓄热模块2和蓄冷模块5均设有进水口和出水口，蓄冷模块5的进水口连通水源，蓄冷模块5的出水口连接第一蓄热模块2的进水口，第一蓄热模块2的出水口连接用
户端。

[0036] 本实施例中，在系统中配置控制器，水源连接有水泵；通过控制器调节第一电磁阀6、第二电磁阀7、第三电磁阀8、第四电磁阀9以及风机43和水泵的开闭状态，以使系统处于
正常制热模式或蓄能运行模式。

[0037] 如图2所示，本实施例采用的第一蓄热模块2分为上下两部分, 上部为第一蓄热装置22，由第一蓄热材料202、集液器203、CO2进料口205、CO2出料口206、出水口210组成；下部为气冷器21，采用套管式换热器，由套管式换热器、气冷器CO2出口207、气冷器进水口208、
气冷器出水口209组成。第一蓄热材料202的熔点为50-65℃的有机相变材料固体石蜡。

[0038] 如图3所示，本实施例采用的第二蓄热模块4分为三个部分，前部为蒸发器，采用管翅式换热器；中部为第二蓄热材料42；后部为风扇43。第二蓄热材料42的熔点为22-35℃的
有机相变材料固体石蜡。

[0039] 如图4所示，本实施例采用的蓄冷模块5由蓄冷模块机壳501、蓄冷材料502、分液器503、CO2进料口504、CO2出料口505、蓄冷模块进水口506、蓄冷模块出水口507组成。蓄冷材料
5的相变温度为22-35℃的有机相变材料液体石蜡。

[0040] 本发明所述系统进行蓄能运行模式时，流程如图5所示：

[0041] 当空气侧温度低于第一阈值A时，第一阈值A的范围可取10+1℃，控制器开启第一电磁阀6和第四电磁阀9，关闭第二电磁阀7和第三电磁阀8，第二蓄热模块4运行,蓄冷模块5
运行；关闭水泵和风机。

[0042] 制冷剂CO2的流程如图5实线和箭头所示，低温低压制冷剂气体在压缩机1中压缩至超临界状态，压缩机1出口端高温高压气态制冷剂经管路，在第一蓄热模块2中CO2进料口
205进入集液器203，均匀流进第一蓄热材料202，制冷剂CO2的热量将第一蓄热材料202熔
化，以潜热和少部分显热的形式储存于第一蓄热材料202。第一蓄热材料202的熔点为50-65
℃的有机相变材料固体石蜡，减少对系统的腐蚀。制冷剂经集液器203聚集，通过CO2出料口
206进入气冷器管204中，气冷器管204中并未通入冷水，释放的热量全部储存于第一蓄热材
料202中。制冷剂经气冷器CO2出口207进入第二蓄热模块4中的第二蓄热材料42中，制冷剂
CO2的热量将第二蓄热材料43熔化，以潜热和少部分显热的形式储存于第二蓄热材料43。第
二蓄热材料43的熔点为22-35℃的有机相变材料固体石蜡，减少对系统的腐蚀。制冷剂CO2
气体通过节流装置3降压，节流后的气体温度下降，部分气体液化，湿蒸汽通过蓄冷模块5中
CO2进料口504进入分液器503，均匀流进蓄冷材料502，蓄冷材料502吸收制冷剂的冷量。制
冷剂通过集液器503聚集，通过CO2出料口505进入压缩机1中。蓄冷材料的相变温度12-22℃
的有机相变材料液体石蜡。

[0043] 在蓄能运行模式下，控制器调节压缩机1的功率和节流装置3的开度，控制各蓄能装置中的换热量，保证蓄热材料达到所需温度。需要注意的是，在空气温度高于第二阈值B
时，第二阈值B的范围可取25+1℃，不可打开第一电磁阀6，运行第二蓄热模块4。空气侧温度
过高，导致压缩机排气温度过高，易对系统产生危害。

[0044] 本发明所述系统进行正常制热运行模式时，流程如图6 所示：

[0045] 控制器开启第二电磁阀7和第三电磁阀8，关闭第一电磁阀6和第四电磁阀9，第二蓄热模块4停止运行，蓄冷模块5停止运行。同时，开启水泵和风机。

[0046] 制冷剂CO2的流程如图6实线和箭头所示，压缩机1产生的高温高压的气态制冷剂，从压缩机1出口端经管路在第一蓄热模块2中CO2进料口205进入集液器203，均匀流进第一
蓄热材料202，制冷剂CO2的热量将第一蓄热材料202熔化，以潜热和少部分显热的形式储存
于第一蓄热材料202。第一蓄热材料202的熔点为50-65℃的有机相变材料固体石蜡，减少对
系统的腐蚀。制冷剂经集液器203聚集，通过CO2出料口206进入气冷器管204中，气冷器21采
用套管式换热器，制冷剂在套管式换热器中与水进行热交换被冷却后，经气冷器CO2出口
207进入电子膨胀阀3。制冷剂CO2气体通过电子膨胀阀3降压，节流后的气体温度下降，部分
气体液化，湿蒸汽进入蒸发器41中汽化。蒸发器41采用管翅式换热器。低温低压气态制冷剂
回到压缩机1完成循环。

[0047] 水的流程如图6中虚线和箭头所示，水源经水侧进口，通过蓄冷模块5中的进水口506进入分液器503，均匀流进蓄冷材料502，吸收蓄冷材料的冷量降低温度后，再流入分液
器503聚集，通过出水口507进入第一蓄热模块2，通过气冷器21进水口208进入套管式换热
器进行热交换，吸收制冷剂的热量，再经气冷器出水口209进入集液器203，均匀流进第一蓄
热材料202吸收制冷剂的热量，被加热至50-65℃，通过集液器203聚集，从第一蓄热装置22
的出水口210流入用户端，为用户提供热水。本实施例中，水源先经蓄冷模块降温，可以适当
降低水侧入口温度，提高水在第一蓄热模块中的换热效率，从而提高系统制热效率。

[0048] 当空气侧温度低于第一阈值A时，第一阈值A的范围可取10+1℃，在蓄能模式下，开启第一电磁阀6，第二蓄热模块4运行。第二蓄热材料42吸收制冷剂的热量后温度升高；当进
入正常制热模式时，低温空气通过第二蓄热模块4中的风扇43进入第二蓄热材料42中进行
换热升温，避免制冷剂在蒸发器41换热进行蒸发的过程中出现结霜。利用相变蓄能材料作
为除霜的低位热源，由于相变蓄能材料在除霜过程中提供了足够的热量，提高除霜速度，保
证除霜期间系统稳定性。

[0049] 采用相变蓄能的跨临界CO2空气源系统运行正常制热模式，同时在分时优惠电价期间或低负荷需求工况运行蓄能模式，在高峰电价期间，运行制热模式。利用优惠电价或低
负荷需求工况下蓄能，大幅度降低运行费用，提高跨临界CO2空气源系统的稳定性。同时，本
发明采用复合的有机相变材料，密封性好，提高换热效率，减小对系统的腐蚀。

[0050] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为
对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0051] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个
以上。

[0052] 本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人
员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的
变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由
附属的权利要求书及其等效范围所界定。