CN103644612A - 一种可利用蓄冷装置辅助制热的热源塔热泵空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可利用蓄冷装置辅助制热的热源塔热泵空调系统（系统原理图见附图1～附图3），主要由制冷（热）设备1、热源塔2、蓄冷槽（内部充入相变温度为-6～7℃的相变材料）3、热源塔水泵4、循环泵5、防冻溶液泵6、换热器7、末端装置8以及用户侧水泵9所组成，利用阀门进行切换和调节。夏季，夜间利用谷值电蓄冷，白天可实现蓄冷槽单独供冷、主机单独供冷以及蓄冷槽和主机联合供冷。冬季，结合蓄冷装置，夜间利用谷值电蓄热，白天可实现蓄冷槽单独供热、热源塔热泵单独供热以及蓄冷槽与热源塔热泵联合供热。本发明避免了传统蓄冷空调蓄冷装置冬季“闲置”问题，解决了冬季机组COP低所造成的高能耗问题,增大了蓄冷装置“削峰填谷”的能力。

Description

一种可利用蓄冷装置辅助制热的热源塔热泵空调系统

技术领域

本发明涉及蓄冷装置结合热源塔热泵制冷制热技术，特别是在冬季利用蓄冷装置辅助制热。

背景技术

随着现代城市的不断发展，社会的电力需求负荷急剧增长，白天用电高峰供电能力不足与夜间低谷时段电厂负荷效率低下之间的矛盾日益突出，如何缓解该矛盾成为一个亟待解决的重要问题。

蓄冷空调在电力负荷很低的夜间采用电制冷机制冷，利用相变潜热将冷量储存起来，在白天用电高峰期释冷，以满足建筑物的空调或生产工艺的全部或部分冷量需求，从而达到对电网“削峰填谷”的目的。蓄冷空调设有蓄冷装置，在减小系统总装机容量的同时，为“低温大温差”供冷提供了可能性，有利于降低空调冷量输配系统的能耗和设备的初投资。但是，目前工程实际采用的蓄冷空调系统中，蓄冷装置仅在夏季发挥其“蓄冷-释冷”的作用，在冬季完全处于闲置状态，整个空调系统仍需要另设辅助热源实现制热，蓄冷装置投资大且使用率低。

热源塔是一种新型的热质交换设备，以空气为冷热源，通过塔体与空气的换热作用，实现制冷、供暖以及提供生活热水。夏季，利用水的蒸发散热，将空气作为冷源实现冷却；冬季，热源塔热泵直接采集室外低品位热量，利用冰点低于0℃的载体介质（防冻溶液），从相对湿度较高的低温空气中提取能量进行供热，为热泵空调提供稳定的热量来源，基本解决了传统空气源热泵冬季结霜的问题，但由于冬季换热效率低，机组COP值仍处于较低水平。

利用蓄冷装置辅助制热的热源塔热泵空调系统在充分利用空气这种廉价的可再生能源的同时，还能够提高蓄冷装置的使用率，摆脱传统蓄冷空调冬季“闲置”的局面。冬季，将热源塔与蓄冷槽串联设置，防冻溶液先流经热源塔，在换热盘管内循环，之后流入蓄冷槽，与高温相变材料换热，在提高蒸发温度的同时，明显提高了热泵机组的COP值，有利于降低机组的能耗和运行费用。

发明内容

针对现有蓄冷空调以及热源塔热泵技术所存在的不足，本发明将蓄冷装置应用于冬季辅助制热过程中，避免了传统蓄冷空调冬季“闲置”的问题，解决了冬季室外温度过低时，热源塔热泵系统换热能力下降，机组COP低所造成的高能耗问题。本发明所提出的“利用蓄冷装置辅助制热的热源塔热泵空调系统”，尤其适用于我国长江流域以南的夏热冬冷地区。夏季，水冷式的冷却方式，有利于减缓温室效应；蓄冷空调利用夜间谷值电蓄冷，有效缓解城市电网峰谷差。冬季昼间，室外气温较低时，热源塔停止运行，系统以蓄冷槽内相变材料的蓄热量为热源；夜间，本发明充分利用谷值电，优先选择在热泵机组能效高的时段，通过热源塔吸收室外低品位热能，为蓄冷槽中的相变材料蓄热。

附图说明

附图1利用蓄冷装置辅助制热的热源塔热泵空调系统原理图

附图2夏季工况空调系统原理图

附图3冬季工况空调系统原理图

具体实施方式

下面结合附图1-附图3对本发明作进一步的详细说明。

附图1为本发明的系统工作原理图，该系统主要由制冷（热）设备1、热源塔2、蓄冷槽3、热源塔水泵4、循环泵5、防冻溶液泵6、板式换热器7、末端装置8以及用户侧水泵9所组成，它们之间通过管道连接，利用阀门实现切换和调节。

附图2为夏季工况空调系统原理图，主要由蓄冷工况和释冷工况组成，其中释冷工况又包括蓄冷槽单独供冷、蓄冷槽与制冷主机同时供冷以及制冷主机单独供冷三种形式。

(1)蓄冷工况

蓄冷槽与制冷主机串联，阀门1,2,7,8,9,10,14,15开启，其余阀门处于关闭状态。防冻溶液在蒸发器侧被冷却，流经阀门7,9，被防冻溶液泵输送至蓄冷槽。防冻溶液在流经盘管的过程中吸收相变潜热，充分利用谷值电蓄冷。

(2)释冷工况

①蓄冷槽单独供冷

热源塔和制冷主机停止运行，用户所需的全部冷量均由蓄冷槽提供。开启阀门5,6,9,10,16,17,18，防冻溶液与用户末端的高温回水换热后，在循环泵的作用下，流至蓄冷槽，经过相变材料的吸热过程实现冷却，最后流经阀门11和阀门5输送至板式换热器，用户侧冷冻水经板式换热器换热后送回末端用户。

②蓄冷槽和制冷主机同时供冷

蓄冷槽和制冷主机处于并联状态运行，开启阀门1,2,5,6,7,8,9,10,16,17,18，关闭其余阀门。与用户侧高温回水换热后的防冻溶液分为两个支路，一部分流回制冷主机蒸发器，实现降温冷却；另一部分防冻溶液流入蓄冷槽，利用相变潜热实现冷却；被制冷主机冷却的防冻溶液以及在蓄冷槽内被冷却的防冻溶液经混合后送出，通过换热器换热后共同承担用户侧冷负荷。通过调节阀门7和9的开度可以控制制冷主机和蓄冷槽的供冷量。此阶段，热源塔作为制冷主机的冷却侧，仍正常运行。

③制冷主机单独供冷

开启阀门1,2,5,6,7,8,17,18，关闭其余阀门。与用户侧高温回水换热后的高温防冻溶液只进入制冷主机，经蒸发器冷却后送回用户。此阶段，热源塔作为制冷主机的冷却侧，保持正常运行。

附图3为冬季工况空调系统原理图，主要包括蓄冷槽单独供热工况、热源塔和蓄冷槽联合供热工况、热源塔单独供热工况以及蓄冷槽蓄热工况。

①蓄冷槽单独供热工况

当室外空气过低时，为了避免热源塔出现结霜，故热源塔停止工作，系统以蓄冷槽中相变材料的蓄热量为热源，从蒸发器流出的低温防冻溶液直接进入蓄冷槽吸热。此工况开启阀门3,4,5,6,7,8,16,17,18，其余阀门关闭。该运行模式能够有效解决冬季室外气温过低所导致的热源塔换热能力差以及系统能效低的问题,有利于降低系统的运行费用和能耗。

②热源塔和蓄冷槽联合供热工况

冬季，当室外空气较高且蓄冷槽内热量较为充足时，低温防冻溶液先经过热源塔吸收空气中的热量，之后再进入蓄冷槽换热，吸收相变材料蓄热量的同时进一步提升温度，最后流入蒸发器。此工况，开启阀门3,5,6,7,8,11,13,16,17,18，其余阀门关闭。从冷凝器流出的高温热水经阀门5送至换热器，产生温降后经阀门6流回冷凝器。热源塔和蓄冷槽串联运行可以进一步提高蒸发温度从而提升系统的能效。当热源塔侧出现结霜时，启动喷淋防霜系统，浓缩的防冻溶液从喷嘴喷出，润湿换热器表面，起到“融霜”的作用。

③热源塔单独供热工况

当蓄冷槽内可利用的夜间蓄热量已全部利用完毕后，低温防冻溶液流经热源塔吸收空气中的热量，然后直接进入蒸发器。此时开启阀门5,6,7,8,11,12,17,18，其余阀门关闭。当热源塔侧出现结霜时，启动喷淋防霜系统，进行“融霜”。

④蓄冷槽蓄热工况

在夜间，充分利用谷值电，优先选择在机组能效较高的时段开启热泵机组，热源塔吸收空气中的热量制备热水，利用热水为相变材料蓄热，此时只开启阀门7,8,9,10,11,12,14,15即可满足要求。低温防冻溶液流经阀门11，进入热源塔吸收空气中的热量，经过阀门12流入蒸发器。冷凝侧换热得到的热水，经过阀门9进入蓄冷槽，换热产生温降后经阀门10返回冷凝器，从而实现在夜间利用谷值电蓄热。当热源塔侧出现结霜时，启动喷淋防霜系统，进行“融霜”。

相比于现有技术，本发明具有以下优势

(1)本发明利用相变材料实现蓄冷和蓄热，相变材料热密度大，吸热放热过程温度较为稳定，有利于系统的控制运行；

(2)本发明将“蓄热”技术应用于冬季空调的制热过程中，避免了传统蓄冷空调中蓄冷装置在冬季的“闲置”问题，综合利用设备，降低设备初投资，提高了蓄冷装置的利用率；

(3)本发明夏季利用夜间谷值电蓄冷，冬季利用夜间谷值电蓄热，能够有效缓解城市电网峰谷差。利用谷值电，可节省运行成本，尤其在峰谷电价差异较大的地区，经济效益更加明显；

(4)本发明能够很好的解决热源塔热泵空调冬季能效低的问题，冬季室外气温过低时，本发明以蓄冷槽内的相变材料蓄热量作为系统的热源，在避免机组结霜的同时，有效降低了系统的能耗与运行费用；

(5)本发明在冬季室外气温相对较高且不会出现结霜问题时，采用热源塔与蓄冷槽联合供热，蓄冷槽与热源塔串联连接，防冻溶液流经热源塔后进入蓄冷槽，与相变材料换热后再流入蒸发器，能够大幅度提升机组的蒸发温度，有效提高热泵机组冬季制热运行时的COP值，有利于降低冬季的运行能耗，符合节能环保要求；

(6)本发明能够有效弥补热源塔热泵空调以及蓄冷空调系统的缺陷与不足，在我国长江流域以南的夏热冬冷地区，将两种系统形式相结合，各自发挥其优势，节能潜力巨大，经济效益明显。

Claims (2)

1.本发明公开了一种可利用蓄冷装置辅助制热的热源塔热泵空调系统。该系统主要由制冷（热）设备1、热源塔2、蓄冷槽（内部充入相变温度为-6～7℃的相变材料）3、热源塔水泵4、循环泵5、防冻溶液泵6、板式换热器7、末端装置8以及用户侧水泵9所组成，它们之间通过管道连接，利用阀门进行切换和调节。

2.本发明具有以下特征：

(1)蓄冷槽中，换热盘管外部空间充装的是相变温度在-6～7℃之间的相变材料，利用相变材料的蓄能特性，夏季蓄冷、冬季蓄热，为空调系统提供冷（热）源。

(2)夏季，夜间利用谷值电蓄冷，白天可实现蓄冷槽单独供冷、制冷主机单独供冷以及蓄冷槽和制冷主机联合供冷（二者并联连接）3种运行模式。

(3)冬季，利用蓄冷装置，夜间利用谷值电蓄热，白天可实现蓄冷槽单独供热、热源塔热泵单独供热以及蓄热槽与热源塔热泵联合供热（二者串联连接）3种运行模式。

(4)冬季低温热源可以利用热源塔、冷却塔、太阳能集热器、地埋管等设备。

(5)制冷（热）设备可以是三工况热泵机组或者双工况制冷机组加热泵机组的组合形式。

(6)末端装置8的具体形式可以是辐射板、风机盘管等形式。

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