[发明专利]一种拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统

说明书

本发明涉及一种拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统，包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路；运行过程中，所述的拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统包括机械辅助过冷循环状态和过热回收复叠循环状态。与现有技术相比，本发明中水路采用串联形式，降低了制冷剂的冷凝温度，可以选配常见的热泵压缩机，降低机组成本，增强了实用性；增设二氧化碳‑水换热器作为过热器，减小了二氧化碳的排气热损失，提升了系统能效；构建的拓扑同胚循环能够根据环境温度的变化在机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环之间切换，始终运行在更高的能效，保证整个供暖季的持续高效供暖。

技术领域

本发明涉及热泵供暖系统领域，尤其是涉及一种拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统。

背景技术

为解决北方燃煤供暖导致的严重环境污染问题，北方供暖地区开展了“煤改电”项目，并在近年来主推空气源热泵系统。其中，采用天然工质二氧化碳作为制冷剂的二氧化碳热泵供暖系统因其环保、高效、节能受到广泛关注。

目前，节能性和实用性都较好的二氧化碳热泵供暖系统主要有两类：(1)机械辅助过冷的二氧化碳跨临界热泵供暖系统(CN208011829U)，其中辅助机械循环采用常规制冷剂，对二氧化碳系统气体冷却器出口的二氧化碳进行过冷，降低进入节流阀前二氧化碳的温度，减小节流损失提升能效。(2)二氧化碳复叠热泵供暖系统(CN106524552A、CN209857414U)，这类系统包括二氧化碳热泵制冷循环(低温级)和热泵制冷循环(高温级)，可以分别选用最合适的制冷剂，能应对单机压缩循环不能胜任的严寒工况。

但以上两类系统都无法保证北方供暖季的持续高效供暖：机械辅助过冷的二氧化碳热泵供暖系统在环境温度较高时表现更好，但由于系统主循环仍为二氧化碳单级压缩，在北方严寒工况下性能会严重衰减。此外，此类系统采取水路并联的形式，用于北方供暖最常见的出水温度较高(65℃)的散热器时，辅助循环冷凝温度较高，需要选配更高成本的中高温专用压缩机。而二氧化碳复叠热泵供暖系统低温环境下优势明显，但在高温工况下受制于高温级冷凝侧较大的换热温差损失，能效反而不及机械辅助过冷的二氧化碳热泵供暖系统。

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拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统，其中构建了一种新的拓扑同胚循环将有助于兼顾以上两种二氧化碳热泵供暖系统的优点，从而保证整个供暖季系统都处在高效运行状态。

本发明中的拓扑同胚循环，是指两种不同的热力循环对应的系统部件结构及连接顺序都完全一致，在拓扑意义上是同胚的。因此，通过合理的部件设计和系统控制，可以使同一套系统在不同的热力循环状态间切换，以匹配适宜的环境工况。

本发明提出一种拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统，能在同一套系统中运行在机械辅助过冷循环和过热回收复叠循环两种不同的状态。两种循环状态对应的部件结构及连接而成的系统形式完全一致，通过控制逻辑的调整实现状态参数的过渡。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中的拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统，包括相互换热式连接的二氧化碳子循环、制冷剂子循环和水侧循环流路；

运行过程中，所述的拓扑同胚循环的二氧化碳热泵供暖系统包括机械辅助过冷循环状态和过热回收复叠循环状态。

进一步地，所述的二氧化碳子循环包括蒸发器、二氧化碳压缩机、二氧化碳-水换热器、二氧化碳-制冷剂换热器和二氧化碳节流阀。

进一步地，所述的制冷剂子循环包括制冷剂节流阀、制冷剂-水换热器和制冷剂压缩机，所述的二氧化碳-制冷剂换热器接入制冷剂子循环，实现制冷剂子循环与二氧化碳子循环间的换热。

进一步地，所述的水侧循环流路包括散热器和水泵，所述的制冷剂-水换热器接入水侧循环流路，实现水侧循环流路与制冷剂子循环间的换热，所述的二氧化碳-水换热器接入水侧循环流路，实现水侧循环流路与二氧化碳子循环间的换热。