CN102102884A - 一种季节性蓄热的供热系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

一种季节性蓄热的供热系统及运行方法，属于供热领域。所述季节性蓄热的供热系统，即在外温较高的夏季和过渡季采用空气源热泵及热管复合型补热装置给蓄热体补充热量，而在冬季时再采用吸收式热泵从蓄热体中取热，为用户供热；当蓄热体温度仍较低时，通过补热装置为蓄热体预热后再进入吸收式热泵的蒸发器，进行联合供热；另外还能实现锅炉或者空气源热泵直接供热模式，提高了供热保证率。本发明的技术特征是在现有的吸收式热泵供热系统中连接了蓄热体和空气源热泵及热管复合型补热装置，实现夏季热量向冬季热量的季节性转移，扩大了现有供热系统的低品位源的来源途径，缓解了夏季热岛效应，并实现了冬季供热热量倍增，具有显著的节能效果。

Description

一种季节性蓄热的供热系统及运行方法

技术领域

本发明涉及一种季节性蓄热的供热系统及运行方法，特别适用于夏季外界温度高、冬季温度低，有集中热水需求的地区，属于供热采暖领域。

背景技术

随着经济的快速发展和人民生活水平的提高，人们对生活热水和采暖热水的需求量也不断增加。统计数据表明，我国建筑能耗占社会总能耗的比例在22％～25％之间，其中约40％用于建筑采暖，北方城镇地区采用热网集中供热或小区集中供热的能耗约占建筑采暖能耗的60％。随着生活水平的提高，目前长江流域许多新建的社区也开始采用集中供热，很多城市也在规划大规模集中供热网。可见，有集中采暖需求的地域越来越广。另外，建筑面积的快速增加，采暖需求也会随之大幅度增长，这些都使得国家的节能减排压力与日俱增。

目前的供热通常是用锅炉燃烧化石燃料烧出低温热水(60～90℃)直接供给用户采暖，或利用供热站将集中热网中130℃左右的热水(一次侧热水)转换成低温热水(二次侧热水)再供给用户采暖，虽然换热前后的热量总量没有改变，但是换热环节造成的可用能量损失却非常大，其供热效率总是小于1.0的，在长时间运行下，造成大量的采暖能耗。

而另一些采暖设备比如热泵等，从低品位能源侧取热，其效率虽然有所提高，但仍采用的是实时供热模式。即无论是空气源还是土壤源水源等，都是从当前的低温环境中取热。当热泵直接向空气取热时，冬季外界温度较低，温度波动幅度大，设备效率较低，且冬季空气源热泵蒸发器结霜问题也是无法进一步提高空气源热泵效率的一大技术难题。基于此，冬季土壤温度高于气温且相对稳定一度受到大家的青睐，然而热源并不是取之不尽用之不竭的可再生资源，热泵系统常年从地下提取热量势必会造成土壤温度的逐年下降，从而造成机组性能的大幅度衰减，甚至根本无法正常运行。

我国北方地区的气候特点是夏季、过渡季室外温度较高，尤其是中西部、中北部、西北部、东北部地区，有较长一段时间外温都远高于土壤温度。那夏季外界温度高，为何不能将夏天的热量来供给冬季使用呢？为此，一些学者转而研究季节性蓄能，然而他们的研究重心主要在于太阳能集热器蓄能和电热泵相结合的系统上。而此类系统主要存在以下方面的不足：一方面太阳能集热器本身投资就较高，且只能在太阳强度比较好的情况下能达到较好的集热效果，如果在没有太阳能或者强度较低的夏天黄昏就无法使用；另一方面，电热泵系统无法大规模的应用于集中供热系统，且其运行依附于电力供应的稳定性，随着雪灾、地震等突发事件引发大规模断电引起的断热等使得人们对电力供暖的设备望而却步。据现有的文献调研表明，目前没有采用吸收式热泵与空气源热泵/热管型季节性蓄能进行供热的方式。

发明内容

基于上述背景，本发明的目的是提出了一种季节性蓄热的供热系统及运行方法，即锅炉或者集中热网吸收式热泵供热与蓄热体及补热装置相结合的系统及其运行方式。当在外温较高的夏季和过渡季时，采用补热装置给蓄热体补充热量，而在冬季时再采用吸收式热泵从蓄热体中取热，为用户供热；当蓄热体温度不够时，采用补热装置给蓄热体预热后再进入吸收机的蒸发器，进行联合供热；还可实现锅炉或者空气源热泵直接供热模式。

本发明的技术方案如下：

一种季节性蓄热的供热系统，该供热系统包含集中热源、增热型换热机组和用户；所述的增热型换热机组由换热器、吸收式热泵、第一三通阀和第二三通阀组成；所述集中热源出口与吸收式热泵的热源入口相连，吸收式热泵的热源出口经第一三通阀分别与换热器的热端入口和集中热源的回水口相连；换热器的热端出口与集中热源的回水口相连；吸收式热泵的供热侧出口经第二三通阀分别与换热器冷端入口和换热器冷端出口相连，换热器的冷端出口经第二阀门和热水泵与用户的热水进口相连；吸收式热泵的供热侧入口经第一阀门与用户热水回水口相连；其特征在于：所述的季节性蓄热的供热系统还包括补热装置和蓄热体；所述蓄热体换热出口经蓄热侧水泵、第九阀门和第五阀门与吸收式热泵低品位源侧入口相连；吸收式热泵低品位源侧出口经第六阀门与蓄热体换热入口相连；所述的补热装置包含压缩机、第三三通阀、冷凝器、节流阀和风冷蒸发器和管路；所述的压缩机、第三三通阀、冷凝器、节流阀和风冷蒸发器顺次连接，构成空气源热泵供热环路；并在第三三通阀和压缩机的进气口间连接了一条旁通管路；所述的管路、第三三通阀、冷凝器、节流阀和风冷蒸发器顺次连接，构成热管供热环路；所述补热装置出水口经第三阀门、第十阀门和蓄热体入水口相连，所述蓄热体出水口经蓄热侧水泵、第四阀门与补热装置入水口相连；第七阀门连接在用户入口与补热装置的出口，第八阀门连接在用户出口与补热装置的入口。

本发明所述蓄热体包括蓄热介质和换热管路，所述蓄热介质为土壤、水或相变材料；所述的集中热源采用高温余热、城市热网、热电联产机组和锅炉中的一种或几种产生的蒸汽或热水。

本发明提供的一种季节性蓄热的运行方法，其特征在于：所述季节性蓄热的运行方法包括以下五种运行模式：

1)该装置运行于所述的以蓄热体为低品位热源的吸收式热泵供热模式时，关闭第七阀门、第八阀门、第十阀门、第三阀门和第四阀门，开启第六阀门、第五阀门、第一三通阀、第二三通阀第二阀门、第一阀门；集中热源驱动包含吸收式热泵和换热器的增热型换热机组从补热结束后的蓄热体中取热，并将集中热源的热量和蓄热体中的热量一并供给用户；蓄热体的出水口经第九阀门和第五阀门进入吸收式热泵的蒸发器侧，经增热型换热机组换热后，经第二阀门和热水泵供给用户；调节第一三通阀和第二三通阀的开度以改变进入换热器的热水流量，从而调节送入用户的采暖热水温度；

2)该装置运行于所述的空气源热泵补热装置直接供热模式，关闭第一阀门、第二阀门、第九阀门、第五阀门和第十阀门，断开蓄热体和吸收式热泵，仅开启第三阀门、第四阀门、第七阀门和第八阀门；所述的补热装置的冷凝器、第三阀门、第七阀门、热水泵、用户和第四阀门顺次连接，形成供热环路，并采用第三三通阀连通冷凝器和压缩机；

3)该装置运行于所述的以蓄热体和空气为低品位热源联合供热模式时，关闭第十阀门、第九阀门、第七阀门和第八阀门；吸收式热泵的蒸发器、第六阀门、蓄热体、蓄热侧水泵、第四阀门、补热机组的冷凝器、第三阀门和第五阀门顺次连接；集中热源经由增热型换热机组换热至用户；

4)该装置运行于所述的集中热源直接供热模式时，仅开启第一三通阀、第二三通阀二、第二阀门和第一阀门，关闭第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门和第十阀门；集中热源出来的热水或蒸汽经换热器直接与用户侧管路进行换热；

5)该装置运行于所述的热管补热模式，仅开启第四阀门、第三阀门和第十阀门；补热装置中，第三通阀连通冷凝器和管路，旁通压缩机，形成热泵模式；蓄热体出口侧经蓄热侧水泵、第四阀门、第三阀门与补热装置连接，再经第十阀门回到蓄热体。

本发明与现有系统及运行方法相比，具有以下优点：①采用热管进行免费补热，投资小效率高，只要存在适宜的温差，即便是没有太阳光的地方，也能给蓄热体进行蓄热；②当蓄热体温度较低时，还可以串联补热装置和蓄热体，采用空气源热泵/热管复合型补热装置给蓄热体预热后再进入吸收机的蒸发器，进行联合供热；③在极其恶劣的工况下，能实现锅炉直接供热模式，给机组的稳定运行带来了保障；④该系统有效实现夏季热量向冬季热量的季节性转移，扩大了现有供热系统的低品位源的来源，一定程度上缓解了夏季热岛效应，并且实现了冬季供热热量倍增，具有很大的节能潜力。

总的来说，本发明是一个高效节能的供热系统，在吸收式热泵供热系统中连接了蓄热体和空气源热泵及热管复合型补热装置，并在不同的外界条件和用户需求下有不同的运行模式，保证了系统的可靠性。尤其应用于冬夏温差大的地区，或者夏季还需制冷的地区，其节能效果会更加明显。

附图说明

图1为本发明公开的一种季节性蓄热的供热系统的结构示意图。

图2为本发明中以蓄热体为低品位热源的吸收式热泵供热运行模式的示意图。

图3为本发明中空气源热泵补热装置直接供热运行模式的示意图。

图4为本发明中以蓄热体和空气为低品位热源联合供热运行模式的示意图。

图5为本发明中集中热源直接供热运行模式的示意图。

图6为本发明中热管补热运行模式的示意图。

图1～图6中附图标记的名称如下：1-第一三通阀；2-第二三通阀；3-第一阀门；4-第二阀门；5-第三阀门；6-第四阀门；7-第五阀门；8-第六阀门；9-第七阀门；10-第八阀门；11-第九阀门；12-第十阀门；13-集中热源；14-换热器；15-热水泵；16-用户；17-补热装置；18-蓄热侧水泵；19-蓄热体；20-吸收式热泵；21-增热型换热机组；22-冷凝器；23-三通阀三；24-压缩机；25-节流阀；26-风冷蒸发器；27-管路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构、原理和工作过程做进一步的说明。

图1为本发明公开的一种季节性蓄热的供热系统的结构示意图，该供热系统包含集中热源13、增热型换热机组21和用户16；所述的增热型换热机组21由换热器14、吸收式热泵20、第一三通阀1和第二三通阀2组成；所述集中热源13出口与吸收式热泵20的热源入口相连，吸收式热泵的热源出口经第一三通阀1分别与换热器14的热端入口和集中热源13的回水口相连；换热器14的热端出口与集中热源13的回水口相连；吸收式热泵20的供热侧出口经第二三通阀2分别与换热器14冷端入口和换热器14冷端出口相连，换热器14的冷端出口经第二阀门4和热水泵15与用户16的热水进口相连；吸收式热泵20的供热侧入口经第一阀门3与用户16热水回水口相连；所述的季节性蓄热的供热系统还包括补热装置17和蓄热体19；所述蓄热体19包括蓄热介质和换热管路，蓄热介质可以采用土壤、水或相变材料；所述蓄热体19换热出口经蓄热侧水泵18、第九阀门11和第五阀门7与吸收式热泵20低品位源侧入口相连；吸收式热泵20低品位源侧出口经第六阀门8与蓄热体19换热入口相连；所述补热装置17中，压缩机24、第三三通阀23、冷凝器22、节流阀25和风冷蒸发器26顺次连接，构成空气源热泵供热环路，管路27将第三三通阀23的第三个连接口和压缩机24的进口连接，从而旁通了压缩机24，管路27、第三三通阀23、冷凝器22、节流阀25和风冷蒸发器26顺次连接，构成热管供热环路；所述补热装置17出水口经第三阀门5、第十阀门12和蓄热体19入水口相连，所述蓄热体19出水口经蓄热侧水泵18、第四阀门6与补热装置17入水口相连；第七阀门9连接在用户16入口与补热装置17的出口，第八阀门10连接在用户16出口与补热装置17的入口。

图2～5分别为本发明的不同供热运行模式的示意图。

图2为本发明中以蓄热体为低品位热源的吸收式热泵供热运行模式的示意图。在冬季采暖时，蓄热体的出水温度满足吸收式热泵的进水口的需求蒸发温度时，运行该模式。即集中热源13驱动包含吸收式热泵20和换热器14的增热型换热机组21从补热结束后的蓄热体19中取热，并将集中热源13的热和蓄热体19中的热量一并供给用户16。蓄热体19的出水口经第九阀门11和第五阀门7进入吸收式热泵20的蒸发器侧，经增热型换热机组24换热后，经第二阀门4和热水泵15供给用户。调节第一三通阀1和第二三通阀2的开度大小旁通进入换热器14的热水流量，可调节送入用户的采暖热水温度。所述的集中热源采用高温余热、城市热网、热电联产机组和锅炉中的一种或几种产生的蒸汽或热水。

图3为本发明中空气源热泵补热装置直接供热运行模式的示意图。当在冬季采暖时期，室外环境温度较高时，空气源热泵运行效率较高时，运行该模式。即仅开启第三阀门5、第四阀门6、第五阀门9、第八阀门10。补热装置17经由第三阀门5、第七阀门9、热水泵15、用户16和第四阀门6顺次连接，形成供热环路，补热装置17中，第三三通阀23连通冷凝器22和压缩机24，形成空气源热泵模式。

图4为本发明中以蓄热体和空气为低品位热源联合供热运行模式的示意图。当冬季供热一段时间后蓄热体由于热量被取走温度慢慢降低时，对于溴化锂/水机组会产生结晶风险，故先采用补热装置提升土壤源出水进入吸收式热泵蒸发器前的温度。不过对于氨为制冷剂的氨水吸收式机组的系统，可以不运行该模式。蓄热体19、补热机组6与吸收式热泵20的蒸发器经由第四阀门6、第三阀门5、第五阀门7、第六阀门8串联连接。集中热源13经由增热型换热机组23换热至用户16。

图5为本发明中集中热源直接供热运行模式的示意图。当冬季供热遇到极端恶劣的环境，比如蓄热体的温度和室外环境的问题都特低，吸收式热泵运行效果和空气源热泵运行效果均特别差时，可运行该模式，提高系统的可靠性。即仅开启第一三通阀1、第二三通阀2、第二阀门4和第一阀门3，其他阀门关闭。集中热源13出来的热水/蒸汽经换热器14直接与用户16侧管路进行换热。

图6为本发明中热管补热运行模式的示意图。在夏季和过渡季时运行该模式，因为此时外温较高，对蓄热体19进行补热时，补热效率高。该模式运行方法即仅开启第四阀门6、第三阀门5，第十阀门12。补热装置17中，第三三通阀23连通冷凝器22和管路27，旁通压缩机24，形成热泵模式。蓄热体19出口侧经蓄热侧水泵18、第四阀门6、第三阀门5与补热装置17连接，再经第十阀门12回到蓄热体19。

Claims (4)

1.一种季节性蓄热的供热系统，该供热系统包含集中热源(13)、增热型换热机组(21)和用户(16)；所述的增热型换热机组(21)由换热器(14)、吸收式热泵(20)、第一三通阀(1)和第二三通阀(2)组成；所述集中热源(13)出口与吸收式热泵(20)的热源入口相连，吸收式热泵的热源出口经第一三通阀(1)分别与换热器(14)的热端入口和集中热源(13)的回水口相连；换热器(14)的热端出口与集中热源(13)的回水口相连；吸收式热泵(20)的供热侧出口经第二三通阀(2)分别与换热器(14)冷端入口和换热器(14)冷端出口相连，换热器(14)的冷端出口经第二阀门(4)和热水泵(15)与用户(16)的热水进口相连；吸收式热泵(20)的供热侧入口经第一阀门(3)与用户(16)热水回水口相连；其特征在于：所述的季节性蓄热的供热系统还包括补热装置(17)和蓄热体(19)；所述蓄热体(19)换热出口经蓄热侧水泵(18)、第九阀门(11)和第五阀门(7)与吸收式热泵(20)低品位源侧入口相连；吸收式热泵(20)低品位源侧出口经第六阀门(8)与蓄热体(19)换热入口相连；所述的补热装置(17)包含压缩机(24)、第三三通阀(23)、冷凝器(22)、节流阀(25)、风冷蒸发器(26)和管路(27)；所述的压缩机(24)、第三三通阀(23)、冷凝器(22)、节流阀(25)和风冷蒸发器(26)顺次连接，构成空气源热泵供热环路；并在第三三通阀(23)和压缩机(24)的进气口间连接了一条旁通管路(27)；所述的管路(27)、第三三通阀(23)、冷凝器(22)、节流阀(25)和风冷蒸发器(26)顺次连接，构成热管供热环路；所述补热装置(17)出水口经第三阀门(5)、第十阀门(12)和蓄热体(19)入水口相连，所述蓄热体(19)出水口经蓄热侧水泵(18)、第四阀门(6)与补热装置(17)入水口相连；第七阀门(9)连接在用户(16)入口与补热装置(17)的出口，第八阀门(10)连接在用户(16)出口与补热装置(17)的入口。

2.根据权利要求1所述的一种季节性蓄热的供热系统，其特征在于：所述蓄热体(19)包括蓄热介质和换热管路，所述蓄热介质为土壤、水或相变材料。

3.根据权利要求1所述的一种季节性蓄热的供热系统，其特征在于：所述的集中热源(13)采用高温余热、城市热网、热电联产机组和锅炉中的一种或几种产生的蒸汽或热水。

4.一种采用如权利要求1所述装置的季节性蓄热的运行方法，其特征在于：所述季节性蓄热的运行方法包括以下五种运行模式：

1)该装置运行于所述的以蓄热体为低品位热源的吸收式热泵供热模式时，关闭第七阀门(9)、第八阀门(10)、第十阀门(12)、第三阀门(5)和第四阀门(6)，开启第六阀门(8)、第五阀门(7)、第一三通阀(1)、第二三通阀(2)第二阀门(4)、第一阀门(3)；集中热源(13)驱动包含吸收式热泵(20)和换热器(14)的增热型换热机组(21)从补热结束后的蓄热体(19)中取热，并将集中热源(13)的热量和蓄热体(19)中的热量一并供给用户(16)；蓄热体(19)的出水口经第九阀门(11)和第五阀门(7)进入吸收式热泵(20)的蒸发器侧，经增热型换热机组(24)换热后，经第二阀门(4)和热水泵(15)供给用户；调节第一三通阀(1)和第二三通阀(2)的开度以改变进入换热器(14)的热水流量，从而调节送入用户的采暖热水温度；

2)该装置运行于所述的空气源热泵补热装置直接供热模式，关闭第一阀门(3)、第二阀门(4)、第九阀门(11)、第五阀门(7)和第十阀门(12)，断开蓄热体(19)和吸收式热泵(21)，仅开启第三阀门(5)、第四阀门(6)、第七阀门(9)和第八阀门(10)；所述的补热装置(17)的冷凝器(22)、第三阀门(5)、第七阀门(9)、热水泵(15)、用户(16)和第四阀门(6)顺次连接，形成供热环路，并采用第三三通阀(23)连通冷凝器(22)和压缩机(24)；

3)该装置运行于所述的以蓄热体和空气为低品位热源联合供热模式时，关闭第十阀门(12)、第九阀门(11)、第七阀门(9)和第八阀门(10)；吸收式热泵(20)的蒸发器、第六阀门(8)、蓄热体(19)、蓄热侧水泵(18)、第四阀门(6)、补热机组(6)的冷凝器(22)、第三阀门(5)和第五阀门(7)顺次连接；集中热源(13)经由增热型换热机组(23)换热至用户(16)；

4)该装置运行于所述的集中热源直接供热模式时，仅开启第一三通阀(1)、第二三通阀二(2)、第二阀门(4)和第一阀门(3)，关闭第三阀门(5)、第四阀门(6)、第五阀门(7)、第六阀门(8)、第七阀门(9)、第八阀门(10)、第九阀门(11)和第十阀门(12)；集中热源(13)出来的热水或蒸汽经换热器(14)直接与用户(16)侧管路进行换热；

5)该装置运行于所述的热管补热模式，仅开启第四阀门(6)、第三阀门(5)和第十阀门(12)；补热装置(17)中，第三通阀(23)连通冷凝器(22)和管路(27)，旁通压缩机(24)，形成热泵模式；蓄热体(19)出口侧经蓄热侧水泵(18)、第四阀门(6)、第三阀门(5)与补热装置(17)连接，再经第十阀门(12)回到蓄热体(19)。

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