一种跨临界二氧化碳热泵空调系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，尤其是涉及一种跨临界二氧化碳热泵空调系统及其控制方法。

背景技术

目前，随着能源短缺与环境恶化问题的加剧，人们开始研究更加环保节能的新技术。在此基础上，跨临界CO

然而，相比于传统循环，跨临界CO

专利CN 216644604 U公开了一种跨临界二氧化碳单双级压缩的热水系统，该系统可实现在变工况下单双级跨临界运行的智能切换，通过给定的最优高压关联式以及膨胀阀对开度大小的控制，从而改善跨临界二氧化碳循环排气温度过高的问题。但是，该技术方案必须使用两台二氧化碳压缩机，系统形式非常复杂。

专利CN 109579377 A公开了一种跨临界二氧化碳热泵系统电子膨胀阀控制方法，该发明采用以电子膨胀阀开度调节和排气温度变化的配合，实现对排气压力控制的方法。但以上发明均是通过控膨胀阀来完成对排气压力的控制，是在系统控制上进行处理的技术方案，实际操作中难以对系统进行精确有效地控制。同时，上述方案适用于没有回热器的二氧化碳热泵系统，对于有回热器的系统排气温度控制效果较差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种跨临界二氧化碳热泵空调系统及其控制方法，仅通过控制单个阀件实现回热器旁通或接入系统，并结合压缩机的可靠性提出适用于跨临界CO

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供了一种跨临界二氧化碳热泵空调系统，包括制冷剂环路和旁通回路；

所述制冷剂环路包括依次连接的压缩机、气体冷却器、回热器第一换热通道、节流装置、板式换热器、回热器换热器第二换热通道，所述换热器第二换热通道与压缩机连接，构成循环；

进一步地，所述气体冷却器与回热器的第一入口相连、节流装置与回热器的第一出口相连；所述板式换热器与回热器的第二入口相连，压缩机与回热器的第二出口相连。

进一步地，所述旁通回路并联于所述回热器第一换热通道的两端，所述旁通回路上设有电磁旁通阀；

进一步地，所述旁通回路上设置有电磁旁通阀，其一端连在气体冷却器与回热器相连的连接管上，另一端连在回热器与节流装置之间的连接管上；

所述气体冷却器和板式换热器均与外部冷却水流路连接，通过两侧的外部冷却水流路的切换，实现对外部制热与制冷的模式切换。

本技术方案中的节流装置为毛细管、节流短管或电子膨胀阀中的一种，为了有利于实现自动化控制，本技术方案优选电子膨胀阀。

进一步地，所述的气体冷却器出口的制冷剂管路上设有第一温度传感器，用于监测气体冷却器出口制冷剂温度；

所述压缩机排气管路上设有第二温度传感器，用于监测压缩机排气温度。

进一步地，所述压缩机吸气管路上设有第一压力传感器，用于监测压缩机吸气压力。

所述压缩机排气管路上设有第二压力传感器，用于监测压缩机排气压力。

本发明第二方面提供了一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法。在考虑系统实际运行情况下，通过系统内部的控制策略完成对回热器状态的改变以及对系统排气高压的优化，从而在保证系统安全的前提下寻找最优性能。

根据电磁旁通阀开关状态的不同，本发明中跨临界CO

1、当电磁旁通阀开启时，系统制冷剂环路的工作状态为：制冷剂经过压缩机压缩后形成的高温高压气体，再经过气体冷却器被冷却，之后全部通过电磁旁通阀进入节流装置，在节流装置中被节流形成低温气-液两相制冷剂，之后进入板式换热器中吸热变为低温低压制冷剂气体，最后经由回热器后重新进入压缩机中。

2、当电磁旁通阀关闭时，系统制冷剂环路的工作状态为：制冷剂经过压缩机压缩后形成的高温高压气体，再经过气体冷却器被冷却，之后全部流入回热器中，制冷剂在回热器中过冷后进入节流装置，在节流装置中被节流形成低温气-液两相制冷剂，之后进入板式换热器中吸热变为低温低压制冷剂气体，最后经由回热器吸热变为过热状态后重新进入压缩机中。

本发明中系统内部的控制策略为：

制冷模式

在夏季制冷工况下，回热器能够显著降低CO

系统开始工作时，首先将压缩机排气压力置为8500kPa，电磁旁通阀关闭，回热器接入系统，同时利用第一温度传感器、第二温度传感器、第一压力传感器以及第二压力传感器对气体冷却器出口温度、压缩机排气温度、压缩机吸气压力、压缩机排气压力进行监测；

首先判断排气温度是否超限：当系统监测到此时的排气温度小于系统所允许的排气温度最大值时，继续对气体冷却器出口温度进行判断，反之，排气压力目标值即为系统当前排气压力减去500kPa。

当气体冷却器出口温度大于制冷模式下气体冷却器出口温度临界值时，回热器工作状态信号置为1，根据第一函数关系式计算出此时的最优排气高压；否则，将回热器工作状态信号置为0，根据第二函数关系式计算出此时的最优排气高压。然后，进行压缩机排气压力校核，当计算出的最优排气高压小于系统所允许的排气压力最大值且计算出的最优高压值与系统此时吸气压力的比值小于压缩机所允许的最大压比时，排气压力目标值为计算所得的最优排气高压值；否则，排气压力目标值为压缩机所允许的排气压力最大值。

最终，根据判断结束后的排气压力目标值和回热器工作状态信号输出排气压力和回热器的控制结果。当回热器工作状态信号最终值为0时，电磁旁通阀开启，回热器被旁通；当回热器工作状态信号最终值为1时，电磁旁通阀关闭，回热器接入系统参与循环。

制热模式

在冬季制热模式下，由于系统工作压比较大，回热器对压缩机排气温度存在较大影响，故默认回热器为旁通状态，再根据运行结果判断是否接入系统。系统内部具体的控制流程如下：

系统开始工作时，首先将压缩机排气压力置为8000kPa，电磁旁通阀开启，回热器被旁通，同时利用第一温度传感器、第二温度传感器、第一压力传感器以及第二压力传感器对气体冷却器出口温度、压缩机排气温度、压缩机吸气压力、压缩机排气压力进行监测；

首先仍然需要判断排气温度是否超限：当系统监测到此时的排气温度小于系统所允许的排气温度最大值时，继续对气体冷却器出口温度进行判断，反之，排气压力目标值即为系统当前排气压力减去500kPa。

当气体冷却器出口温度大于制热模式下气体冷却器出口温度临界值时，回热器工作状态信号置为1，否则，将回热器工作状态信号置为0。当回热器工作状态信号置为1时，再进行排气温度判断系统能否接入回热器：当此时压缩机排气温度与排温上限的差值大于给定的回热度值时，说明系统的排气温度存在合理的余量，故回热器工作状态信号置为1，同时根据第三函数关系式计算出此时的最优排气高压，再通过系统对压缩机排气压力的校核输出系统最终的排气压力值；当排气温度差值小于回热度值时，说明接入回热器后会使系统排气温度超限，故将回热器工作状态信号置为0，再根据第四函数关系式计算出此时的最优排气高压，然后通过系统对压缩机排气压力的校核输出系统最终的排气压力值。

系统对排气压力进行校核流程与系统制冷时的排气压力进行校核流程一致。

针对以上控制策略中涉及到的相关表述进行进一步地详细说明：

气体冷却器出口温度临界值：以往的实际经验和文献相关数据表明，采用回热器的系统并不能在所有工况点下均提升系统性能。以气体冷却器出口温度值作为判别依据，发现总是存在一个临界温度值，当气体冷却器出口温度大于该临界温度值时，采用回热器的系统有助于提升系统性能；反之，则会使系统性能发生衰减。这里的临界温度值即为本发明中的气体冷却器出口温度临界值。由于同一系统在制冷与制热模式下的差异，其气体冷却器出口温度临界值也有所不同。

系统给定的回热度值：相比于无回热器系统，采用回热器系统会提高压缩机的吸气过热度，而吸气过热度的提升会使压缩机排气温度得到增加，一般来说，可以近似地认为会使排气温度得到相同幅度的增加。系统给定的回热度值即为采用回热器后压缩机吸气过热度的增加值，本发明中可取40K。该值的定义用于通过对系统排气温度的校核，判断回热器的旁通与否。具体判定原理为：在系统无回热器的情况下，当系统所允许的排气温度最大值与此时系统排气温度之差大于系统给定的回热度值时，说明此时系统采用回热器后排气温度仍然在系统所允许的排气温度最大值以下，满足系统的安全运行条件，可以使回热器接入系统中；反之，则说明此时系统采用回热器后排气温度已经超出系统所允许的排气温度最大值，不满足系统的安全运行条件，不能使回热器接入系统中。

函数关系式：在大量的实验数据和文献资料的基础上，可以根据气体冷却器的出口温度和系统的最优排气压力拟合出一个由气体冷却器出口温度确定最优排气压力的关联式，即为所述的函数关联式。由于系统中是否采用回热器以及系统的制冷制热模式下控制的不同，函数关联式也有所差异。因此本发明中，第一函数关系式为制冷模式下采用回热器时，最优排气压力与气体冷却器出口温度之间的关联式；第二函数关系式为制冷模式下不采用回热器时，最优排气压力与气体冷却器出口温度之间的关联式；第三函数关系式为制热模式下采用回热器时，最优排气压力与气体冷却器出口温度之间的关联式；第四函数关系式为制热模式下不采用回热器时，最优排气压力与气体冷却器出口温度之间的关联式；

本发明中跨临界CO

设有带电磁旁通阀的旁通回路：仅通过单个电磁旁通阀即可实现系统回热器旁通或将回热器接入系统，结构简单而且能够避免采用回热器的系统在部分工况点发生性能衰减的情况，有利于使系统性能在不同工况点下均能得到提升。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本技术方案中考虑到回热器的使用并不能一直帮助提升系统能效，在系统中设置带有电磁旁通阀的旁通回路，仅通过单个电磁旁通阀的开启关闭实现回热器旁通与否，相比于传统不加回热器旁通结构的系统，本技术方案不仅结构简单，而且有助于系统持续运行在最佳能效点。

2.本技术方案中在保证系统安全运行的前提下，提出了适用于跨临界CO

3.本技术方案针对制冷与制热模式分别提出了一套回热器和高压控制方法，根据系统在不同模式运行限制的不同输出相应的回热器与高压控制信号，使系统能够根据实际情形运行在相应模式下的最佳能效点。同时，本技术方案中在考量制热模式下回热器是否接入系统时提出了一种近似判据，相比于传统方案，本技术方案在满足不同模式控制需求的基础上更方便可行。

附图说明

图1为本发明中跨临界CO

图2为本发明中跨临界CO

图3为本发明中跨临界CO

图4为本发明中跨临界CO

图5为本发明中跨临界CO

图6为本发明中跨临界CO

图中：1-压缩机；2-气体冷却器；3-电磁旁通阀；4-节流装置；5-板式换热器；6-回热器；7～16制冷剂连接管；17～20水路连接管；21-第一温度传感器；22-第一压力传感器；23-第二温度传感器；24-第二压力传感器；P

针对上述相关名词进行进一步地详细说明：

气体冷却器2出口温度临界值T

系统给定的回热度值ΔT

函数关系式f

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

结合图1～图5，对第一实施方式进行说明。本实施例中的一种跨临界CO

本实施例中压缩机1，连接管7，气体冷却器2，连接管8、9，回热器6，连接管10、13，节流装置4，连接管14，板式换热器5，连接15，回热器6，连接管16按顺序依次相连形成制冷剂环路。同时，该制冷剂环路上的回热器6高压侧并联一旁通回路，该旁通回路由连接管11、电磁旁通阀3、连接管12构成，其中一端通过连接管11与气体冷却器2出口连接管8相连，另一端通过连接管12与节流装置4进口管13相连。

根据电磁旁通阀3开关状态的不同，本发明一种跨临界CO

1、当电磁旁通阀3开启时，系统制冷剂环路的工作状态为：制冷剂经过压缩机1压缩后形成的高温高压气体，再经过气体冷却器2被冷却，之后绝大部分通过电磁旁通阀3进入节流装置4，可能会有少部分制冷剂通过回热器6流入节流装置4中，但此时回热器6中制冷剂流体间的换热可忽略不计。制冷剂流体在节流装置4中被节流形成低温气-液两相制冷剂，之后进入板式换热器5中吸热变为低温低压制冷剂气体，最后经由回热器6后重新进入压缩机1中。

2、当电磁旁通阀3关闭时，系统制冷剂环路的工作状态为：制冷剂经过压缩机1压缩后形成的高温高压气体，再经过气体冷却器2被冷却，之后全部流入回热器6中，制冷剂在回热器6中过冷后进入节流装置4，在节流装置4中被节流形成低温气-液两相制冷剂，之后进入板式换热器5中吸热变为低温低压制冷剂气体，最后经由回热器6变为过热状态后重新进入压缩机1中。

本发明中一种跨临界CO

(a)系统制冷时：

在夏季制冷工况下，回热器6能够显著降低CO

系统开始工作时，首先将压缩机1排气压力P

首先判断排气温度T

当气体冷却器2出口温度T

最终，根据判断结束后的排气压力目标值P

(a)制热模式

在冬季制热模式下，由于系统工作压比较大，回热器6对压缩机1排气温度T

系统开始工作时，首先将压缩机1排气压力P

首先仍然需要判断排气温度T

当气体冷却器2出口温度T

系统对排气压力P

实施例2

结合图6，对第二实施方式进行说明。在第二实施方式中没有特别地说明的结构、作用、效果与第一实施方式相同，以下仅对与上述的实施方式不同的点进行说明。

本实施例中的一种跨临界CO

根据电磁旁通阀3开关状态的不同，本发明一种跨临界CO

1、当电磁旁通阀3开启时，系统制冷剂环路的工作状态为：制冷剂经过压缩机1压缩后形成的高温高压气体，再经过气体冷却器2被冷却，之后通过回热器6进入节流装置4，在节流装置4中被节流形成低温气-液两相制冷剂，之后进入板式换热器5中吸热变为低温低压制冷剂气体，最后绝大部分经由电磁旁通阀3后重新进入压缩机1中，可能会有少部分制冷剂通过回热器6流入压缩机1中，但此时回热器6中制冷剂的换热可忽略不计。

2、当电磁旁通阀3关闭时，系统制冷剂环路的工作状态为：制冷剂经过压缩机1压缩后形成的高温高压气体，再经过气体冷却器2被冷却，之后流入回热器6中，制冷剂在回热器6中过冷后进入节流装置4，在节流装置4中被节流形成低温气-液两相制冷剂，之后进入板式换热器5中吸热变为低温低压制冷剂气体，最后全部经由回热器6变为过热状态后重新进入压缩机1中。

本实施例中系统内部的控制策略与第一实施例相同。

需要申明，从本发明原理出发的其余布置结构，也属于本发明的保护范围。

本文中使用“第一”、“第二”等词语来限定部件，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”等词语的使用仅仅是为了便于描述上对部件进行区别。如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。