權(quán)利要求書： 1.一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機采用兩級氣體冷卻器和中間回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)配置，第二級氣體冷卻器的熱負(fù)荷為第一級氣體冷卻器的三分之一，利用高壓側(cè)的熱量提高壓縮機的排氣溫度，實現(xiàn)在高環(huán)境溫度高出風(fēng)溫度的工況下生產(chǎn)熱風(fēng)；

所述性能優(yōu)化控制方法包括：

第一步，在跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機啟動之后，根據(jù)設(shè)定出風(fēng)溫度和排氣壓力優(yōu)化公式計算排氣壓力優(yōu)化值；

當(dāng)出風(fēng)溫度Tair,out小于75℃時，排氣壓力優(yōu)化公式為：Popt＝(0.189Tamb+60.118)(0.014Tair,out+14.819)(?0.007ηIHX+0.342)?254.546當(dāng)出風(fēng)溫度Tair,out大于等于75℃時，排氣壓力優(yōu)化公式為：Popt＝(0.312Tamb+14.531)(2.082Tair,out+7.153)(?0.008ηIHX+0.022)+25.752其中，Popt為排氣壓力優(yōu)化值，單位bar；Tamb為環(huán)境空氣溫度，單位℃；Tair,out為出風(fēng)溫度設(shè)定值，單位℃；ηIHX為回?zé)崞餍剩嬎愎綖椋浩渲?，TL,in和TL,out為回?zé)崞鞯蛪簜?cè)的入口和出口制冷劑溫度，單位℃；TH,in為回?zé)崞鞲邏簜?cè)的制冷劑入口溫度，單位℃；

第二步，基于計算得到的排氣壓力優(yōu)化值與實時測量排氣壓力，進行電子膨脹閥開度控制；

第三步，采用PID控制變頻風(fēng)機，使得出風(fēng)溫度達到設(shè)定值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，第三步中，出風(fēng)溫度PID控制采用的是差分法PID進行控制，計算公式如下：其中，F(xiàn)(n)為變頻風(fēng)機的頻率，ΔT為當(dāng)前出風(fēng)溫度與設(shè)定出風(fēng)溫度的差值，n為運算次數(shù)，KP、KI和KD分別為比例調(diào)節(jié)系數(shù)、積分調(diào)節(jié)系數(shù)和微分調(diào)節(jié)系數(shù)，取值分別為KP＝10，KI＝

0.5，KD＝3。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，還包括以下步驟：第四步，當(dāng)系統(tǒng)未停機時，延時，然后返回第一步，進入下一個運算控制循環(huán)；性能優(yōu)化控制方法不斷循環(huán)運行，直到跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機停機。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機包括：壓縮機、第一級氣體冷卻器、第二級氣體冷卻器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、回?zé)崞?、氣液分離器、變頻風(fēng)機和定頻風(fēng)機；

制冷劑側(cè)回路為：壓縮機的排氣口連接至第一級氣體冷卻器的第一換熱通道入口，第一級氣體冷卻器的第一換熱通道出口連接至回?zé)崞鞯母邏簜?cè)入口，回?zé)崞鞯母邏簜?cè)出口連接至第二級氣體冷卻器的第一換熱通道入口，第二級氣體冷卻器的第一換熱通道出口連接至電子膨脹閥入口，電子膨脹閥出口連接至蒸發(fā)器入口，蒸發(fā)器出口連接至回?zé)崞鞯蛪簜?cè)入口，回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口連接至氣液分離器，氣液分離器出口連接至壓縮機回氣口；

熱風(fēng)側(cè)回路為：環(huán)境空氣新風(fēng)從進風(fēng)口A進入第二級氣體冷卻器的第二換熱通道入口受加熱，第二級氣體冷卻器的第二換熱通道出風(fēng)經(jīng)過變頻風(fēng)機后，進入第一級氣體冷卻器的第二換熱通道入口再次受加熱，最終得到的熱風(fēng)經(jīng)由的第一級氣體冷卻器的第二換熱通道出風(fēng)口B排出。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，環(huán)境溫度范圍為10～40℃；

出風(fēng)溫度范圍為60～90℃。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機使用二氧化碳R744制冷劑。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述蒸發(fā)器配備定頻風(fēng)機，從環(huán)境空氣吸熱。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述蒸發(fā)器、第一級氣體冷卻器和第二級氣體冷卻器為翅片管式或微通道式換熱器。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的性能優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述回?zé)崞鳛榘迨綋Q熱器或套管式換熱器。

說明書： 一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機及其性能優(yōu)化控制方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于熱泵技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機及其性能優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)[0002] 由于溫室效應(yīng)的不斷加劇，近年來，社會大眾、研究機構(gòu)和政府部門都越來越關(guān)注全球變暖這一重大問題。而在制冷和熱泵領(lǐng)域，無臭氧層破壞效應(yīng)的HFC制冷劑如今正在被

廣泛應(yīng)用。但是，由于HFC制冷劑具有較高的全球變暖潛力(GWP)，對全球變暖有一定的影

響，因此進一步的環(huán)境友好型制冷劑的研究和替代工作正在如火如荼地展開。二氧化碳

(CO2)作為自然工質(zhì)，其臭氧層破壞潛能值ODP為0，全球變暖潛力值GWP為1，具有突出的環(huán)

境友好性能。CO2作為天然存在于環(huán)境中的無機化合物，安全無毒，不可燃，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，

不管是在生產(chǎn)、運輸還是在使用中均對環(huán)境無污染。同時作為制冷劑，CO2的單位容積制熱

量也是傳統(tǒng)制冷劑的3～5倍，使得CO2熱泵在相同能力下需要的壓縮機排量更小，機組充注

量更少，機組體積更小。在前國際制冷學(xué)會主席G.Lorentzen提出了跨臨界CO2循環(huán)后，CO2在

制冷熱泵系統(tǒng)領(lǐng)域的研究中逐漸受到了重視。

[0003] 在跨臨界CO2循環(huán)中，由于在高壓側(cè)放熱時存在的溫度滑移現(xiàn)象，使得其特別適合應(yīng)用于需要大溫升的加熱場景，比如水和空氣的一次直流加熱。在應(yīng)用于生產(chǎn)熱水時，跨臨

界CO2熱泵可以做到低進水溫度下直接產(chǎn)出90℃以上的熱水，這是采用傳統(tǒng)制冷劑的熱泵

無法比擬的優(yōu)勢。類似地，在熱風(fēng)機系統(tǒng)中，跨臨界CO2循環(huán)也可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)制冷劑熱泵

更高溫度的出風(fēng)，使得其可應(yīng)用的工藝領(lǐng)域大大擴展，并能取代燃煤、燃?xì)?、電加熱等傳統(tǒng)

供熱方法，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

[0004] 然而，對于跨臨界CO2熱泵循環(huán)來說，當(dāng)環(huán)境溫度較高時，蒸發(fā)溫度相應(yīng)升高，此時壓縮機的壓比較小，即使制冷劑CO2在蒸發(fā)器出口的過熱度很大，排氣溫度也無法達到較高

水平。若此時需要生產(chǎn)較高溫度的熱風(fēng)，如80℃以上，較低的排氣溫度則無法滿足在高壓側(cè)

放熱所需要的換熱溫差，導(dǎo)致出風(fēng)溫度不足，滿足不了熱風(fēng)工藝的需要。而且，由于目前跨

臨界CO2壓縮機、換熱器、閥件等系統(tǒng)部件的耐壓均存在上限值，因此采用單純升高壓縮機

排氣壓力的方式來保證排氣溫度存在應(yīng)用限制，無法滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機及其性能優(yōu)化控制方法，以解決上述提及的跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機在較高環(huán)境溫度(10～40℃)、高出風(fēng)溫度(60～90℃)

工況下存在的排氣溫度不足的問題，同時進行性能的優(yōu)化控制。

[0006] 本發(fā)明為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：[0007] 一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機，采用兩級氣體冷卻器和中間回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)配置，第二級氣體冷卻器的熱負(fù)荷為第一級氣體冷卻器的三分之一，利用高壓側(cè)的熱量提高壓縮機

的排氣溫度，實現(xiàn)在高環(huán)境溫度高出風(fēng)溫度的工況下生產(chǎn)熱風(fēng)。

[0008] 進一步的，包括：壓縮機、第一級氣體冷卻器、第二級氣體冷卻器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、回?zé)崞?、氣液分離器、變頻風(fēng)機和定頻風(fēng)機；

[0009] 制冷劑側(cè)回路為：壓縮機的排氣口連接至第一級氣體冷卻器的第一換熱通道入口，第一級氣體冷卻器的第一換熱通道出口連接至回?zé)崞鞯母邏簜?cè)入口，回?zé)崞鞯母邏簜?cè)

出口連接至第二級氣體冷卻器的第一換熱通道入口，第二級氣體冷卻器的第一換熱通道出

口連接至電子膨脹閥入口，電子膨脹閥出口連接至蒸發(fā)器入口，蒸發(fā)器出口連接至回?zé)崞?br>
低壓側(cè)入口，回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口連接至氣液分離器，氣液分離器出口連接至壓縮機回氣口；

[0010] 熱風(fēng)側(cè)回路為：環(huán)境空氣新風(fēng)從進風(fēng)口A進入第二級氣體冷卻器的第二換熱通道入口受加熱，第二級氣體冷卻器的第二換熱通道出風(fēng)經(jīng)過變頻風(fēng)機后，進入第一級氣體冷

卻器的第二換熱通道入口再次受加熱，最終得到的熱風(fēng)經(jīng)由的第一級氣體冷卻器的第二換

熱通道出風(fēng)口B排出。

[0011] 進一步的，高環(huán)境溫度為10～40℃；高出風(fēng)溫度為60～90℃。[0012] 進一步的，所述跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機使用二氧化碳R744制冷劑。[0013] 進一步的，所述蒸發(fā)器配備定頻風(fēng)機，從環(huán)境空氣吸熱。[0014] 進一步的，所述蒸發(fā)器、第一級氣體冷卻器和第二級氣體冷卻器為翅片管式或微通道式換熱器。

[0015] 進一步的，所述回?zé)崞鳛榘迨綋Q熱器或套管式換熱器。[0016] 一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機的性能優(yōu)化控制方法，包括：[0017] 第一步，在跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機啟動之后，根據(jù)設(shè)定出風(fēng)溫度和排氣壓力優(yōu)化公式計算排氣壓力優(yōu)化值；

[0018] 當(dāng)出風(fēng)溫度Tair,out小于75℃時，排氣壓力優(yōu)化公式為：[0019] Popt＝(0.189Tamb+60.118)(0.014Tair,out+14.819)(?0.007ηIHX+0.342)?254.546[0020] 當(dāng)出風(fēng)溫度Tair,out大于等于75℃時，排氣壓力優(yōu)化公式為：[0021] Popt＝(0.312Tamb+14.531)(2.082Tair,out+7.153)(?0.008ηIHX+0.022)+25.752[0022] 其中，Popt為排氣壓力優(yōu)化值，單位bar；Tamb為環(huán)境空氣溫度，單位℃；Tair,out為出風(fēng)溫度設(shè)定值，單位℃；ηIHX為回?zé)崞餍剩嬎愎綖椋?br>
[0023][0024] 其中，TL,in和TL,out為回?zé)崞鞯蛪簜?cè)的入口和出口制冷劑溫度，單位℃；TH,in為回?zé)崞鞲邏簜?cè)的制冷劑入口溫度，單位℃；

[0025] 第二步，基于計算得到的排氣壓力優(yōu)化值與實時測量排氣壓力，進行電子膨脹閥開度控制；

[0026] 第三步，采用PID控制變頻風(fēng)機，使得出風(fēng)溫度達到設(shè)定值。[0027] 進一步的，第三步中，出風(fēng)溫度PID控制采用的是差分法PID進行控制，計算公式如下：

[0028][0029] 其中，F(xiàn)(n)為變頻風(fēng)機的頻率，ΔT為當(dāng)前出風(fēng)溫度與設(shè)定出風(fēng)溫度的差值，n為運算次數(shù)，KP、KI和KD分別為比例調(diào)節(jié)系數(shù)、積分調(diào)節(jié)系數(shù)和微分調(diào)節(jié)系數(shù)，取值分別為KP＝

10，KI＝0.5，KD＝3。

[0030] 進一步的，還包括以下步驟：[0031] 第四步，當(dāng)系統(tǒng)未停機時，延時，然后返回第一步，進入下一個運算控制循環(huán)；性能優(yōu)化控制方法不斷循環(huán)運行，直到跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機停機。

[0032] 本發(fā)明與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：[0033] 1、本發(fā)明所提出的熱風(fēng)機通過采用回?zé)崞骱蛢杉墯怏w冷卻器的結(jié)構(gòu)，利用了高壓側(cè)的熱量提高壓縮機的吸氣過熱度，從而提升排氣溫度，以實現(xiàn)在較高環(huán)境溫度(10～40

℃)，高出風(fēng)溫度(60～90℃)的工況下生產(chǎn)熱風(fēng)。解決了普通跨臨界CO2熱泵循環(huán)在上述工

況下排氣溫度不足無法制取高溫?zé)犸L(fēng)的問題。同時，在提高排氣溫度的同時，降低了所需要

的排氣壓力值，使得系統(tǒng)在運行中的可靠性更強，也能滿足現(xiàn)有的CO2壓縮機產(chǎn)品的耐壓能

力。

[0034] 2、與常見的將回?zé)崞髟O(shè)置在電子膨脹閥前的配置相比，本發(fā)明通過計算設(shè)計，將回?zé)崞髦糜趦杉墯怏w冷卻器之間，實現(xiàn)從較高溫度的制冷劑中吸收熱量，提高排氣溫度。同

時，通過合理分配兩級氣體冷卻器的熱負(fù)荷，保證了兩個氣體冷卻器內(nèi)制冷劑和空氣換熱

的合適換熱溫差，提高了系統(tǒng)的匹配性。

[0035] 3、本發(fā)明提出的性能優(yōu)化方法，結(jié)合了排氣壓力的優(yōu)化控制和出風(fēng)溫度的PID控制，在保證出風(fēng)溫度的情況下實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的優(yōu)化。所提出的排氣壓力優(yōu)化值考慮了環(huán)

境空氣溫度、設(shè)定出風(fēng)溫度和回?zé)崞餍?，因此可以滿足在不同回?zé)崞鲹Q熱效率，不同運行

溫度工況和變化的運行工況下的需要，適用性廣。

附圖說明[0036] 圖1為本發(fā)明提出的一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機的結(jié)構(gòu)示意圖。[0037] 圖中標(biāo)號為：1壓縮機，2第一級氣體冷卻器，3第二級氣體冷卻器，4電子膨脹閥，5蒸發(fā)器，6回?zé)崞鳎?氣液分離器，8變頻風(fēng)機，9定頻風(fēng)機，A進風(fēng)口，B出風(fēng)口。

[0038] 圖2為本發(fā)明提出的性能優(yōu)化控制方法流程圖。[0039] 圖3為本發(fā)明提出熱風(fēng)機與普通跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)的性能對比(出風(fēng)90℃)。具體實施方式[0040] 參閱圖1所示，本發(fā)明提出一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機，包括：壓縮機1、第一級氣體冷卻器2、第二級氣體冷卻器3、電子膨脹閥4、蒸發(fā)器5、回?zé)崞?、氣液分離器7、變頻風(fēng)機8

和定頻風(fēng)機9。

[0041] 制冷劑側(cè)回路為：壓縮機1的排氣口連接至第一級氣體冷卻器2的第一換熱通道入口，第一級氣體冷卻器2的第一換熱通道出口連接至回?zé)崞?的高壓側(cè)入口，回?zé)崞?的高壓

側(cè)出口連接至第二級氣體冷卻器3的第一換熱通道入口，第二級氣體冷卻器3的第一換熱通

道出口連接至電子膨脹閥4入口，電子膨脹閥4出口連接至蒸發(fā)器5入口，蒸發(fā)器5出口連接

至回?zé)崞?低壓側(cè)入口，回?zé)崞?低壓側(cè)出口連接至氣液分離器7，氣液分離器7出口連接至

壓縮機1回氣口。

[0042] 熱風(fēng)側(cè)回路為：環(huán)境空氣新風(fēng)從進風(fēng)口A進入第二級氣體冷卻器3的第二換熱通道入口受加熱，第二級氣體冷卻器3的第二換熱通道出風(fēng)經(jīng)過變頻風(fēng)機8后，進入第一級氣體

冷卻器2的第二換熱通道入口再次受加熱，最終得到的熱風(fēng)經(jīng)由的第一級氣體冷卻器2的第

二換熱通道出風(fēng)口B排出。

[0043] 本發(fā)明所述一種跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機使用二氧化碳R744制冷劑。所述蒸發(fā)器5配備定頻風(fēng)機9，從環(huán)境空氣吸熱。所述蒸發(fā)器5、第一級氣體冷卻器2和第二級氣體冷卻器3

為翅片管式或微通道式換熱器。所述回?zé)崞?為板式換熱器或套管式換熱器。所述第二級氣

體冷卻器3的熱負(fù)荷為第一級氣體冷卻器2的三分之一。

[0044] 參見圖2，本發(fā)明針對上述跨臨界二氧化碳熱風(fēng)機，提出的性能優(yōu)化控制方法如下：

[0045] 第一步，在機組運行啟動之后，根據(jù)設(shè)定出風(fēng)溫度和排氣壓力優(yōu)化公式，計算相應(yīng)的壓縮機1排氣壓力優(yōu)化值。當(dāng)設(shè)定的出風(fēng)溫度Tair,out小于75℃時，排氣壓力Popt優(yōu)化公式

為：

[0046] Popt＝(0.189Tamb+60.118)(0.014Tair,out+14.819)(?0.007ηIHX+0.342)?254.546[0047] 當(dāng)出風(fēng)溫度Tair,out大于等于75℃時，排氣壓力優(yōu)化公式為：[0048] Popt＝(0.312Tamb+14.531)(2.082Tair,out+7.153)(?0.008ηIHX+0.022)+25.752[0049] 其中，Popt為排氣壓力優(yōu)化值，單位bar；Tamb為環(huán)境空氣溫度，單位℃；Tair,out為出風(fēng)溫度設(shè)定值，單位℃；ηIHX為回?zé)崞?效率，該效率與回?zé)崞鞯膿Q熱器結(jié)構(gòu)與換熱面積有

關(guān)，可根據(jù)熱風(fēng)機的調(diào)試運行中的參數(shù)得到，計算公式為：

[0050][0051] 其中，TL,in和TL,out為回?zé)崞鞯蛪簜?cè)的入口和出口制冷劑溫度，單位℃；TH,in為回?zé)崞鞲邏簜?cè)的制冷劑入口溫度，單位℃。

[0052] 第二步，基于計算得到的排氣壓力優(yōu)化值Popt與實時測量排氣壓力Pd，進行電子膨脹閥4開度控制。當(dāng)Pd>(Popt+ε)時，增大電子膨脹閥4開度；當(dāng)Pd<(Popt?ε)時，減小電子膨脹閥

4開度；當(dāng)(Popt?ε)≤Pd≤(Popt+ε)時，保持電子膨脹閥4開度不變。ε為允許控制誤差，取值為

1bar。

[0053] 第三步，采用PID控制變頻風(fēng)機8，使得出風(fēng)溫度達到設(shè)定值。考慮到熱風(fēng)機換熱的延遲性，采用的是差分法PID進行控制，計算公式如下：

[0054][0055] 其中，F(xiàn)(n)為變頻風(fēng)機8的頻率，ΔT為當(dāng)前出風(fēng)溫度與設(shè)定出風(fēng)溫度的差值，n為運算次數(shù)，KP、KI和KD分別為比例調(diào)節(jié)系數(shù)、積分調(diào)節(jié)系數(shù)和微分調(diào)節(jié)系數(shù)，取值分別為KP＝

10，KI＝0.5，KD＝3。

[0056] 第四步，當(dāng)系統(tǒng)未停機時，延時，然后返回第一步，進入下一個運算控制循環(huán)。性能優(yōu)化控制不斷循環(huán)運行，直到系統(tǒng)停機。

[0057] 參見圖3，根據(jù)系統(tǒng)模擬計算結(jié)果，考慮兩個氣體冷卻器散熱量之和與壓縮機功耗之比為系統(tǒng)的性能系數(shù)，與普通的跨臨界CO2熱泵循環(huán)相比，本發(fā)明所提出的熱風(fēng)機系統(tǒng)在

出風(fēng)溫度為90℃時，在環(huán)境溫度10～40℃的范圍內(nèi)，性能系數(shù)均更優(yōu)。同時，參考某型二氧

化碳壓縮機的排氣壓力上限值，普通跨臨界CO2循環(huán)在環(huán)境溫度35℃以上時存在排氣壓力

超限的問題，而本發(fā)明所提出的系統(tǒng)則在全工況下排氣壓力低于上限值，保證了壓縮機運

行的可靠性。