[發明專利]一種拓撲同胚循環的二氧化碳熱泵供暖系統

有效

• 申請號: 202010131918.5
• 申請日: 2020-02-29
• 公開（公告）號: CN111336707B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 張春路;成家豪
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: F25B7/00
• 分類號: F25B7/00;F25B9/00;F25B41/20;F25B41/30;F24D3/18
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 楊元焱

本發明涉及一種拓撲同胚循環的二氧化碳熱泵供暖系統，包括相互換熱式連接的二氧化碳子循環、制冷劑子循環和水側循環流路；運行過程中，所述的拓撲同胚循環的二氧化碳熱泵供暖系統包括機械輔助過冷循環狀態和過熱回收復疊循環狀態。與現有技術相比，本發明中水路采用串聯形式，降低了制冷劑的冷凝溫度，可以選配常見的熱泵壓縮機，降低機組成本，增強了實用性；增設二氧化碳?水換熱器作為過熱器，減小了二氧化碳的排氣熱損失，提升了系統能效；構建的拓撲同胚循環能夠根據環境溫度的變化在機械輔助過冷循環和過熱回收復疊循環之間切換，始終運行在更高的能效，保證整個供暖季的持續高效供暖。

技術領域

本發明涉及熱泵供暖系統領域，尤其是涉及一種拓撲同胚循環的二氧化碳熱泵供暖系統。

背景技術

為解決北方燃煤供暖導致的嚴重環境污染問題，北方供暖地區開展了“煤改電”項目，并在近年來主推空氣源熱泵系統。其中，采用天然工質二氧化碳作為制冷劑的二氧化碳熱泵供暖系統因其環保、高效、節能受到廣泛關注。

目前，節能性和實用性都較好的二氧化碳熱泵供暖系統主要有兩類：(1)機械輔助過冷的二氧化碳跨臨界熱泵供暖系統(CN208011829U)，其中輔助機械循環采用常規制冷劑，對二氧化碳系統氣體冷卻器出口的二氧化碳進行過冷，降低進入節流閥前二氧化碳的溫度，減小節流損失提升能效。(2)二氧化碳復疊熱泵供暖系統(CN106524552A、CN209857414U)，這類系統包括二氧化碳熱泵制冷循環(低溫級)和熱泵制冷循環(高溫級)，可以分別選用最合適的制冷劑，能應對單機壓縮循環不能勝任的嚴寒工況。

但以上兩類系統都無法保證北方供暖季的持續高效供暖：機械輔助過冷的二氧化碳熱泵供暖系統在環境溫度較高時表現更好，但由于系統主循環仍為二氧化碳單級壓縮，在北方嚴寒工況下性能會嚴重衰減。此外，此類系統采取水路并聯的形式，用于北方供暖最常見的出水溫度較高(65℃)的散熱器時，輔助循環冷凝溫度較高，需要選配更高成本的中高溫專用壓縮機。而二氧化碳復疊熱泵供暖系統低溫環境下優勢明顯，但在高溫工況下受制于高溫級冷凝側較大的換熱溫差損失，能效反而不及機械輔助過冷的二氧化碳熱泵供暖系統。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種拓撲同胚循環的二氧化碳熱泵供暖系統，其中構建了一種新的拓撲同胚循環將有助于兼顧以上兩種二氧化碳熱泵供暖系統的優點，從而保證整個供暖季系統都處在高效運行狀態。

本發明中的拓撲同胚循環，是指兩種不同的熱力循環對應的系統部件結構及連接順序都完全一致，在拓撲意義上是同胚的。因此，通過合理的部件設計和系統控制，可以使同一套系統在不同的熱力循環狀態間切換，以匹配適宜的環境工況。

本發明提出一種拓撲同胚循環的二氧化碳熱泵供暖系統，能在同一套系統中運行在機械輔助過冷循環和過熱回收復疊循環兩種不同的狀態。兩種循環狀態對應的部件結構及連接而成的系統形式完全一致，通過控制邏輯的調整實現狀態參數的過渡。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

本發明中的拓撲同胚循環的二氧化碳熱泵供暖系統，包括相互換熱式連接的二氧化碳子循環、制冷劑子循環和水側循環流路；

運行過程中，所述的拓撲同胚循環的二氧化碳熱泵供暖系統包括機械輔助過冷循環狀態和過熱回收復疊循環狀態。

進一步地，所述的二氧化碳子循環包括蒸發器、二氧化碳壓縮機、二氧化碳-水換熱器、二氧化碳-制冷劑換熱器和二氧化碳節流閥。

進一步地，所述的制冷劑子循環包括制冷劑節流閥、制冷劑-水換熱器和制冷劑壓縮機，所述的二氧化碳-制冷劑換熱器接入制冷劑子循環，實現制冷劑子循環與二氧化碳子循環間的換熱。

進一步地，所述的水側循環流路包括散熱器和水泵，所述的制冷劑-水換熱器接入水側循環流路，實現水側循環流路與制冷劑子循環間的換熱，所述的二氧化碳-水換熱器接入水側循環流路，實現水側循環流路與二氧化碳子循環間的換熱。