一种CO2跨临界冷热耦合联供系统及调控方法与流程

一种co2跨临界冷热耦合联供系统及调控方法
技术领域
1.本发明涉及供冷、供热、二氧化碳热泵技术领域，具体涉及一种co2跨临界冷热耦合联供系统及调控方法。


背景技术：

2.在日渐严峻的能源和环境背景下，为推进碳达峰以及碳中和的实现，需要加快可再生能源对化石能源的替代，而可再生能源由于受地域、时间等限制并不便于直接远距离的使用。所以可再生能源的电气化具有不可阻挡的发展趋势。供冷与供热作为满足人类生活的基本需求之一，在建筑运行能耗中占有较大比例，因此，利用高能效的热泵技术进行电气化供冷与供热，对于实现碳中和具有重要意义。
3.相较于传统热泵，跨临界co2热泵技术因环境友好性、高温制热性、低温适应性以及系统结构更为紧凑等优势，开始受到越来越多的关注。(cn108253659a、cn211146673u、cn110030756a、cn211451438u)指出跨临界二氧化碳冷热联供系统可应用于家用热水器、洗浴热水、超市多温区制冷、食品加工等领域。(cn105371516a、cn110849013a、cn111141051a)等在跨临界二氧化碳冷热联供的基础上，通过以膨胀机代替节流阀、在回热器与压缩机之间安装换热器、增加吸收压缩引射复合梯级过冷循环等方式对系统进行改进以提升能效比。以上co2冷热联供系统存在的不足在于，当有单独用热或用冷需求时，或用能比例不匹配时，会由于系统蒸发器和气体冷却器均为水-工质换热器而造成大量额外的能量消耗，很大程度上降低了联供系统的能效和经济性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种co2跨临界冷热耦合联供系统及调控方法，以解决现有技术中当有单独用热或用冷需求时，或用能比例不匹配时，会由于系统蒸发器和气体冷却器均为水-工质换热器而造成大量额外的能量消耗的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
6.一种co2跨临界冷热耦合联供系统，包括：
7.压缩管路，用于将循环工质压缩为高温高压的气体；
8.气体冷却器，与所述压缩管路的出口连接，所述气体冷却器用于将高温高压的气体等压冷却为低温高压气体；
9.节流管路，与所述气体冷却器的出口连接，所述节流管路用于将低温高压气体节流降压为低温低压液体；
10.蒸发器，连接在所述节流管路和所述压缩管路之间，所述蒸发器用于将经所述节流管路降压后的低温低压液体转化为气态并回收至所述压缩管路内；
11.空气-工质换热器，所述的空气-工质换热器的一端开口通过第一换流组件可选择性地接入所述节流管路的入口和所述气体冷却器之间或者所述节流管路的出口和所述蒸发器之间，所述空气-工质换热器的另一端出口通过第二换流组件可选择性地接入所述压
缩管路的出口和所述气体冷却器之间或者所述压缩管路的入口和所述蒸发器之间；
12.所述第一换流组件和所述第二换流组件能够切换其接入位点以使得所述气体冷却器、所述蒸发器、所述空气-工质换热器两两构成循环回路；
13.在所述气体冷却器和所述蒸发器形成循环回路时，所述气体冷却器对外供热且所述蒸发器对外供冷；
14.在所述蒸发器和所述空气-工质换热器构成循环回路时，所述蒸发器对外供冷；
15.在所述气体冷却器和所述空气-工质换热器构成循环回路时，所述气体冷却器对外供热。
16.作为本发明的一种优选方案，所述压缩管路包括压缩机、油分离器和气液分离器；
17.所述压缩机用于将循环工质压缩为高温高压的气体；
18.所述油分离器的入口与所述压缩机的出口连接，经所述油分离器分离后的油回到所述压缩机，所述油分离器的气体出口与所述气体冷却器连接以使得分离后的气态工质被等压冷却为低温高压气体；
19.所述气液分离器连接在所述压缩机和所述蒸发器之间，所述气液分离器用于回收自所述蒸发器流出的气态工质并输送至所述压缩机内进行再次压缩。
20.作为本发明的一种优选方案，所述节流管路包括干燥过滤器和节流阀，所述干燥过滤器的进口与所述气体冷却器连接，所述干燥过滤器的出口与所述节流阀的进口连接，所述节流阀的出口与所述蒸发器连接，所述节流阀用于对经所述干燥过滤器处理后的低温高压气态工质进行节流降压。
21.作为本发明的一种优选方案，所述第一换流组件包括三向阀ⅵ、三向阀ⅱ和三向阀ⅲ；
22.所述三向阀ⅵ的三个出口一对一地和所述三向阀ⅱ的一个出口、所述三向阀ⅲ的一个出口以及所述空气-工质换热器连接；
23.所述三向阀ⅱ的另外两个出口分别与所述气体冷却器以及所述节流管路的入口连接；
24.所述三向阀ⅲ的另外两个出口分别与所述节流管路的出口以及所述蒸发器连接。
25.作为本发明的一种优选方案，所述第二换流组件包括三向阀
ⅴ
、三向阀ⅰ和三向阀ⅳ；
26.所述三向阀
ⅴ
的三个出口一对一地和空气-工质换热器、所述三向阀ⅰ的一个出口以及所述三向阀ⅳ的一个出口连接；
27.所述三向阀ⅰ的另外两个出口分别和所述压缩管路的出口以及所述气体冷却器连接；
28.所述三向阀ⅳ的另外两个出口分别和所述压缩管路的进口以及所述蒸发器连接。
29.本发明还提供了上述co2跨临界冷热耦合联供系统的第一种调控方法，包括如下步骤：
30.s100、切断空气-工质换热器两端开口的所有连接位点以使得气体冷却器和蒸发器构成循环管路；
31.s200、打开压缩机将循环工质压缩为高温高压的气体；
32.s300、打开气体冷却器将高温高压的气体等压冷却并对外供热以使得高温高压的
气体转化为低温高压气体；
33.s400、利用节流管路将低温高压的气体节流降温为低温低压液态；
34.s500、将低温低压液态工质导入蒸发器中吸收潜热并对外供冷以使得工质由液态变为气态；
35.s600、压缩管路回收蒸发器内低温低压的气态工质并进行再次压缩。
36.本发明还提供了上述co2跨临界冷热耦合联供系统的第二种调控方法，包括如下步骤：
37.t100、导通空气-工质换热器与节流管路的进口以及压缩管路的出口之间的连接，并切断气体冷却器的所有连接位点，以使得空气-工质换热器和蒸发器构成循环管路；
38.t200、打开压缩机将循环工质压缩为高温高压的气体；
39.t300、打开空气-工质换热器将高温高压的气体等压冷却为低温高压气体；
40.t400、将低温高压气体导入节流管路以使得低温高压的气体节流降温为低温低压液态；
41.s500、将低温低压液态工质导入蒸发器中吸收潜热并对外供冷以使得工质由液态变为气态；
42.s600、压缩管路回收蒸发器内低温低压的气态工质并进行再次压缩。
43.本发明还提供了上述co2跨临界冷热耦合联供系统的第三种调控方法，包括如下步骤：
44.p100、导通空气-工质换热器与节流管路的出口以及压缩管路的进口之间的连接，并切断蒸发器的所有连接位点，以使得气体换热器和空气-工质换热器构成循环管路；
45.p200、打开压缩机将循环工质压缩为高温高压的气体；
46.p300、打开气体冷却器将高温高压的气体等压冷却并对外供热以使得高温高压的气体转化为低温高压气体；
47.p400、将低温高压气体导入节流管路以使得低温高压的气体节流降温为低温低压液态；
48.p500、将低温低压液态工质导入空气-工质换热器中与空气换热以使得工质由液态变为气态；
49.p600、压缩管路回收空气-工质换热器内低温低压的气态工质并进行再次压缩。
50.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
51.本发明在基础冷热联供系统中增设一套空气-工质换热装置，在保证系统高效性的前提下，可以根据用能需求，通过调节管路中用于改变工质流向的三向阀，实现运行系统更为便捷地切换为冷热耦合联供模式、单独供冷模式或单独供热模式，大大减少了传统联供系统在用能需求与系统设计值不匹配时，系统因换热设备换热量固定，无法灵活调整冷热供应比例而造成的能源浪费。此种高效冷热耦合联供系统具有较好的经济性和实用性，对于推进碳中和的实现具有重要意义。
附图说明
52.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅
仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
53.图1为本发明实施例提供的冷热耦合联供系统的结构示意图；
54.图2为本发明实施例提供的冷热耦合联供循环系统的运行示意图；
55.图3为本发明实施例提供的单独供冷循环系统的运行示意图；
56.图4为本发明实施例提供的单独供热循环系统的运行示意图。
57.图中的标号分别表示如下：
58.1、压缩机；2、油分离器；3、气体冷却器；4、干燥过滤器；5、节流阀；6、蒸发器；7、气液分离器；8、空气-工质换热器；9-1、三向阀ⅰ；9-2、三向阀ⅱ；9-3、三向阀ⅲ；9-4、三向阀ⅳ；9-5、三向阀
ⅴ
；9-6、三向阀ⅵ。
具体实施方式
59.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
60.如图1所示，本发明提供了一种co2跨临界冷热耦合联供系统，包括：
61.压缩管路，用于将循环工质压缩为高温高压的气体；
62.气体冷却器3，与所述压缩管路的出口连接，所述气体冷却器3用于将高温高压的气体等压冷却为低温高压气体；
63.节流管路，与所述气体冷却器3的出口连接，所述节流管路用于将低温高压气体节流降压为低温低压液体；
64.蒸发器6，连接在所述节流管路和所述压缩管路之间，所述蒸发器6用于将经所述节流管路降压后的低温低压液体转化为气态并回收至所述压缩管路内；
65.空气-工质换热器8，所述的空气-工质换热器8的一端开口通过第一换流组件可选择性地接入所述节流管路的入口和所述气体冷却器3之间或者所述节流管路的出口和所述蒸发器6之间，所述空气-工质换热器8的另一端出口通过第二换流组件可选择性地接入所述压缩管路的出口和所述气体冷却器3之间或者所述压缩管路的入口和所述蒸发器6之间；
66.所述第一换流组件和所述第二换流组件能够切换其接入位点以使得所述气体冷却器3、所述蒸发器6、所述空气-工质换热器8两两构成循环回路；
67.在所述气体冷却器3和所述蒸发器6形成循环回路时，所述气体冷却器3对外供热且所述蒸发器6对外供冷；
68.在所述蒸发器6和所述空气-工质换热器8构成循环回路时，所述蒸发器6对外供冷；
69.在所述气体冷却器3和所述空气-工质换热器8构成循环回路时，所述气体冷却器3对外供热。
70.本发明实施例区别于现有技术的特征之处在于，在基础冷热联供系统上，增设一套空气-工质换热装置，可以根据用能单位的不同用能需求，通过调节管路的连接，实现冷热耦合联供、单独供冷、以及单独供热模式的切换，当只有供冷需求或供冷需求量较大时，
4b口通过管道连接，三向阀9-4c口与蒸发器6工质出口通过管道连接，三向阀9-4a口与气液分离器7入口通过管道连接，气液分离器7气体出口与压缩机1进口通过管道连接。
85.具体地，上述系统中涉及的换热器均使用间壁式换热器，主要包括套管式换热器、管壳式换热器、交叉流换热器以及板式换热器等，其中气体冷却器、蒸发器为水-工质换热器，系统增设用于实现供能模式切换的换热器为空气-工质换热器(如翅片式换热器等)。
86.本发明实施例涉及循环系统的三个供能模式，分别是冷热耦合联供模式、单独供冷模式和单独供热模式。当同时需要冷热量时，系统为冷热耦合联供模式，气体冷却器和蒸发器为正常使用状态，系统同时供应热水和冷水。当长期有单一供能需求或伴随季节变化需要冷暖切换时，通过调节三向阀实现单独供冷或供热模式的切换，其中，单独供冷模式下，调节三向阀并停用气体冷却器，将空气-工质换热器接入系统作为气体冷却器，进行工质与空气换热，向外界放热；单独供热模式下，调节三向阀并停用蒸发器，将空气-工质换热器接入系统作为蒸发器，吸收空气热量。
87.模式一、冷热耦合联供
88.调控步骤为：
89.s100、切断空气-工质换热器两端开口的所有连接位点以使得气体冷却器和蒸发器构成循环管路；
90.s200、打开压缩机将循环工质压缩为高温高压的气体；
91.s300、打开气体冷却器将高温高压的气体等压冷却并对外供热以使得高温高压的气体转化为低温高压气体；
92.s400、利用节流管路将低温高压的气体节流降温为低温低压液态；
93.s500、将低温低压液态工质导入蒸发器中吸收潜热并对外供冷以使得工质由液态变为气态；
94.s600、压缩管路回收蒸发器内低温低压的气态工质并进行再次压缩。
95.具体地系统描述如下：
96.依次打开三向阀9-1、9-2和9-3的a、b口，以及三向阀9-4的a、c口。此时，压缩机1出口通过管道与油分离器2入口导通，油分离器2顶部气体出口通过管道与三向阀9-1的a口导通，三向阀9-1的b口通过管道与气体冷却器3工质入口导通，与油分离后的工质进入气体冷却器3；气体冷却器3工质出口通过管道与三向阀9-2的b口导通，三向阀9-2的a口通过管道与干燥过滤器4入口导通，干燥过滤器4出口通过管道与节流阀5入口导通，工质流入节流阀5；节流阀5出口通过管道与三向阀9-3的a口导通，三向阀9-3的b口通过管道与蒸发器6工质入口导通，工质流入蒸发器6中；蒸发器6工质出口通过管道与三向阀9-4的c口导通，三向阀9-4的a口通过管道与气液分离器7入口导通，气液分离器7气体出口通过管道与压缩机1入口导通，分离后的气态工质回到压缩机1完成循环。系统的循环流程示意图如图2所示。
97.基本循环过程：
98.调控步骤为：
99.循环工质在压缩机内被压缩为高温高压的气体后进入油分离器，分离后的油回到压缩机，分离后的气态工质输送至气体冷却器中被等压冷却为低温高压气体，同时对冷却水进行加热实现供热；离开气体冷却器的低温高压气态工质经过干燥过滤器后，进入节流阀被节流降压为低温低压液态，随后工质进入蒸发器中吸收潜热由液态变为气态，同时对
冷冻水进行冷却实现供冷；最后，低温低压气态工质经气液分离器分离后回到压缩机进行再次压缩，如此反复，完成冷热联供的循环过程。
100.模式二：单独供冷：
101.调控步骤：
102.t100、导通空气-工质换热器与节流管路的进口以及压缩管路的出口之间的连接，并切断气体冷却器的所有连接位点，以使得空气-工质换热器和蒸发器构成循环管路；
103.t200、打开压缩机将循环工质压缩为高温高压的气体；
104.t300、打开空气-工质换热器将高温高压的气体等压冷却为低温高压气体；
105.t400、将低温高压气体导入节流管路以使得低温高压的气体节流降温为低温低压液态；
106.t500、将低温低压液态工质导入蒸发器中吸收潜热并对外供冷以使得工质由液态变为气态；
107.t600、压缩管路回收蒸发器内低温低压的气态工质并进行再次压缩。
108.具体地系统描述如下：
109.依次打开三向阀9-1的a、c口，三向阀9-5的a、b口，三向阀9-6、9-2的a、c口，三向阀9-3的a、b口和三向阀9-4的a、c口。此时，压缩机1出口通过管道与油分离器2入口导通，油分离器2顶端气体出口通过管道与三向阀9-1的a口导通，三向阀9-1的c口通过管道与三向阀9-5的b口导通，三向阀9-5的a口通过管道与空气-工质换热器8工质入口导通，与油分离后的工质进入空气-工质换热器8；空气-工质换热器8工质出口通过管道与三向阀9-6的a口导通，三向阀9-6的c口通过管道与三向阀9-2的c口导通，三向阀9-2的a口通过管道与干燥过滤器4入口导通，干燥过滤器4出口通过管道与节流阀5入口导通，工质流入节流阀5；节流阀5出口通过管道与三向阀9-3的a口导通，三向阀9-3的b口通过管道与蒸发器6工质入口导通，工质流入蒸发器6；蒸发器6工质出口通过管道与三向阀9-4的c口导通，三向阀9-4的a口通过管道与气液分离器7入口导通，气液分离器7气体出口通过管道与压缩机1入口导通，分离后的气态工质回到压缩机1完成循环。系统的循环流程示意图如图3所示。
110.基本循环过程：
111.此模式下，空气-工质换热器将作为气体冷却器。循环工质在压缩机内被压缩为高温高压的气体后进入油分离器，分离后的油回到压缩机，分离后的气态工质输送至空气-工质换热器中被等压冷却为低温高压气体，此时工质直接与空气换热；离开空气-工质换热器的低温高压气态工质经过干燥过滤器后，进入节流阀被节流降压为低温低压液态，随后工质进入蒸发器中吸收潜热由液态变为气态，同时对冷冻水进行冷却实现供冷；最后，低温低压的气态工质经气液分离器分离后回到压缩机进行再次压缩，如此反复，完成单独供冷的循环过程。
112.模式三：单独供热
113.调控步骤为：
114.p100、导通空气-工质换热器与节流管路的出口以及压缩管路的进口之间的连接，并切断蒸发器的所有连接位点，以使得气体换热器和空气-工质换热器构成循环管路；
115.p200、打开压缩机将循环工质压缩为高温高压的气体；
116.p300、打开气体冷却器将高温高压的气体等压冷却并对外供热以使得高温高压的
气体转化为低温高压气体；
117.p400、将低温高压气体导入节流管路以使得低温高压的气体节流降温为低温低压液态；
118.p500、将低温低压液态工质导入空气-工质换热器中与空气换热以使得工质由液态变为气态；
119.p600、压缩管路回收空气-工质换热器内低温低压的气态工质并进行再次压缩。
120.具体地系统描述如下：
121.依次打开三向阀9-1、9-2的a、b口，三向阀9-3的a、c口，三向阀9-6的a、b口，三向阀9-5的a、c口和三向阀9-4的a、b口。此时，压缩机1出口通过管道与油分离器2入口导通，油分离器2顶端气体出口通过管道与三向阀9-1的a口导通，三向阀9-1的b口通过管道与气体冷却器3工质入口导通，与油分离后的工质进入气体冷却器3；气体冷却器3工质出口通过管道与三向阀9-2的b口导通，三向阀9-2的a口通过管道与干燥过滤器4入口导通，干燥过滤器4出口通过管道与节流阀5入口导通，工质进入节流阀5；节流阀5出口通过管道与三向阀9-3的a口导通，三向阀9-3的c口通过管道与三向阀9-6的b口导通，三向阀9-6的a口通过管道与空气-工质换热器8工质入口导通，工质进入空气-工质换热器8；空气-工质换热器8出口通过管道与三向阀9-5的a口导通，三向阀9-5的c口通过管道与三向阀9-4的b口导通，三向阀9-4的a口通过管道与气液分离器7入口导通，气液分离器7出口通过管道与压缩机1进口导通，分离后的气态工质回到压缩机1完成循环。系统的循环流程示意图如图4所示。
122.基本循环过程：
123.此模式下，空气-工质换热器将作为蒸发器。循环工质在压缩机内被压缩为高温高压的气体后进入油分离器，分离后的油回到压缩机，分离后的气态工质输送至气体冷却器中被等压冷却为低温高压气体，同时对冷却水进行加热实现供热；离开气体冷却器的低温高压气态工质经过干燥过滤器后，进入节流阀被节流降压为低温低压液态，随后工质进入空气-工质换热器中与空气换热，吸收潜热由液态变为气态；最后，低温低压的气态工质经气液分离器分离后回到压缩机进行再次压缩，如此反复，完成单独供热的循环过程。
124.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。