CN103742966A - 一种co2热泵与太阳能互补运行集中供热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，该系统由太阳能热水子系统、CO2热泵子系统、蓄热装置、供热和回水子系统以及控制系统组成，采用1台或多台CO2热泵并联运行、一组或多组联而成的太阳能集热器并联运行；1台或多台CO2热泵与蓄热装置中的高温区及中温区组成循环系统，CO2热泵给水由冷水箱供给、1组或多组太阳能集热器与蓄热装置中温区组成循环系统，给水采用混水调节阀实施给水温度控制，回水采用时段或温度控制，回水回至中温区设置的膨胀区。本发明提高了太阳能的利用率、合理运行CO2热泵达到使用效率最大化、降低能源使用量，从而提高系统效率和能源利用率。

Description

一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统
技术领域
本发明属于建筑物集中供热应用技术领域，涉及到CO2热泵与太阳能联合运行高效节能集中供热系统，具体来说是一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统。 
背景技术
目前，国内高层建筑供热采用分户式和集中式二种方式，其中分户式热水供应以燃气和电热水器为主，集中式以燃气锅炉、燃油锅炉、电锅炉和太阳能为主。 
(1) 采用燃气热水器和电热水器的分户式热水供应，其优点是控制简单、使用方便。缺点是投资大、能耗高以及有安全性问题。 
(2) 燃气锅炉和燃油锅炉集中供热，其优点是加热速度快。缺点是能耗高、效率低、污染大、成本高、有安全性问题。 
(3) 电锅炉集中供热，其优点是投资小、控制简单、无污染。缺点是能耗高，需电力增容，有安全性问题。 
(4) 太阳能集中供热，其优点是节能环保。不足之处在于受楼顶面积的制约热水量有限，且受天气影响，不能保证全天候的热水供应。 
(5) 太阳能与燃油、燃气、电加热的组合供热，虽能弥补单太阳能供热方式的不足，但仍不能很好的解决能耗、环保、安全等方面的问题。 
    因此，需要一种新的热泵与太阳能互补运行高效节能技术来解决高层建筑的集中热水供应，不仅可以确保全天候运行，而且在环保、节能、运行成本、太阳能利用、安全性等方面具有较大优势，满足日益发展的人民物质需要。 
发明内容
本发明的目的在于设计一种一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，它是利用太阳能可再生能源利用与高效节能CO2热泵的互补式集中供热系统，太阳能连接为串并联方式，系统热水供应以太阳能为主，CO2热泵为辅，热水采用高温区与中温区热水混合至目标水温分区供给，同时可对温度或时间进行回水循环控制，本系统能很好解决了季节、阴雨天和昼夜的影响，保证热水的供给。关键技术是要保证压力稳定、温度恒定、热水容量充足，最终解决高层建筑、医院、学校、住宅、酒店等集中供热系统中做为热源的方式。 
本发明通过如下技术方案予以实现：一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，该系统由太阳能热水子系统、CO2热泵子系统、蓄热装置、供热和回水子系统以及控制系统组成。 
蓄热装置包括蓄热水箱（4）的高温区（41）、中温区（42）和排污阀（44），中温区（42）中设置有膨胀区（43），高温区提高了蓄热量，减小了水箱体积，降低了建筑物承载，该蓄热水箱可以是一个或多个分区构成；高温区（41）设置有高温区水位传感器（11）和高温区温度传感器（12），中温区（42）设置有中温区温度传感器（13）； 
所述的太阳能热水子系统包括太阳能集热器（3）、中温区（42）、太阳能循环管路（25）、太阳能循环管温度传感器（10）、太阳能循环水泵（24）、太阳能循环管电磁阀（9）、温差控制器（8）、补水阀（20）和太阳能补水管路（28），所述的太阳能集热器（3）采用多个串联为一组后与中温区（42）通过太阳能循环管路（25）连接组成太阳能循环系统，太阳能循环管路（25）上设置有太阳能循环管温度传感器（10）、太阳能循环水泵（24）、太阳能循环管电磁阀（9）和温差控制器（8），中温区（42）连接安装有补水阀（20）的太阳能补水管路（28）；
所述的CO2热泵子系统包括CO2热泵（5）、高温区（41）、中温区（42）、高温区保温加热电磁阀（22）、中温区保温加热电磁阀（21）、热泵保温加热管路（29）、热泵高温出水管路（30）、市政给水闸阀（1）、冷水箱（2）和电动三通阀（23），一台CO2热泵（5）或多台CO2热泵（5）并联运行，并与高温区（41）及中温区（42）组成热泵循环系统，高温区（41）通过安装有高温区保温加热电磁阀（22）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），中温区（42）通过安装有中温区保温加热电磁阀（21）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），冷水箱（2）通过安装有中温区保温加热电磁阀（21）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），冷水箱（2）与市政给水闸阀（1）连接，CO2热泵（5）通过安装有电动三通阀（23）的热泵高温出水管路（30）连接回高温区（41）及中温区（42）；
所述的供热和回水子系统包括热水供水闸阀（14）、混水调节阀（15）、热水给水温度传感器（16）、回水闸阀（17）、回水温度传感器（18）、回水电磁阀（19）、热水供水管路（26）和热水回水管路（27），高温区（41）及中温区（42）通过热水供水管路（26）给用户供水，热水供水管路（26）上设置有供水闸阀（14）、混水调节阀（15）和热水给水温度传感器（16），热水回水管路（27）连接膨胀区（43），热水回水管路（27）上设置有回水闸阀（17）、回水温度传感器（18）和回水电磁阀（19）；
所述的控制系统包括系统控制器（7），系统控制器（7）连接太阳能热水子系统、CO2热泵子系统、蓄热装置、供热和回水子系统；
运行模式如下：
(1) 春夏秋季太阳辐射充足时以太阳能供热为主，CO2热泵为辅；
(2) 短时阴雨天或太阳辐射较低时，太阳能和CO2热泵根据水温和水位由控制系统调节运行，水温和水位按季节可控制调节；
(3) 冬季或长时间阴雨天气以CO2热泵供热为主，并对太阳能中温区低温水进行循环加热；
（4）CO2热泵均生产65-90℃高温热水，该温度由控制系统进行调节。
作为本发明进一步的优选方案： 
所述太阳能循环系统采用温差△T强制循环方式，可以充分发挥和利用太阳能资源，设置灵活、使用方便。
所述的太阳能循环系统采用多组串联的太阳能集热器（3）并联运行. 
所述热泵循环系统，CO2热泵（5）生产65-90℃高温热水储存至高温区（41），同时在阴雨天气CO2热泵（5）可以对中温区（42）进行加热。
所述控制系统设置有用于检测日照度的光敏传感器。 
本发明提高了太阳能的利用率、合理运行CO2热泵达到使用效率最大化、降低能源使用量，从而提高系统效率和能源利用率，并且结构简单、安装方便，适合中、小型集中供热系统使用，可用于加热、储存热量、供给用户生活热水。 
附图说明
图1是本发明的结构示意图； 
图中标号为：市政给水闸阀1、冷水箱2、太阳能集热器3、蓄热水箱4，高温区41、中温区42、膨胀区43、排污阀44、CO2热泵5、集热器循环水泵6、系统控制器7、温差控制器8、太阳能循环管电磁阀9、太阳能循环管温度传感器10、    高温区水位传感器11、高温区温度传感器12、中温区温度传感器13、热水供水闸阀14、混水调节阀15、热水给水温度传感器16、回水闸阀17、回水温度传感器18、回水电磁阀19、补水阀20、高温区保温加热电磁阀21、中温区保温加热电磁阀22、电动三通阀23、太阳能循环水泵24、太阳能循环管路25、热水供水管路26、热水回水管路27、太阳能补水管路28、热泵保温加热管路29、热泵高温出水管路30。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。 
如图1所示，本发明的一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，该系统包括太阳能热水子系统、CO2热泵子系统、蓄热装置、供热和回水子系统以及控制系统。 
蓄热装置包括蓄热水箱（4）的高温区（41）、中温区（42）和排污阀（44），中温区（42）中设置有膨胀区（43），高温区提高了蓄热量，减小了水箱体积，降低了建筑物承载，该蓄热水箱可以是一个或多个分区构成；高温区（41）设置有高温区水位传感器（11）和高温区温度传感器（12），中温区（42）设置有中温区温度传感器（13）； 
太阳能热水子系统包括太阳能集热器（3）、中温区（42）、太阳能循环管路（25）、太阳能循环管温度传感器（10）、太阳能循环水泵（24）、太阳能循环管电磁阀（9）和温差控制器（8）、补水阀（20）和太阳能补水管路（28），一组串联的太阳能集热器（3）或多组串联的太阳能集热器（3）并联运行，并与中温区（42）通过太阳能循环管路（25）连接组成太阳能循环系统，太阳能循环管路（25）上设置有太阳能循环管温度传感器（10）、太阳能循环水泵（24）、太阳能循环管电磁阀（9）和温差控制器（8），中温区（42）连接安装有补水阀（20）的太阳能补水管路（28）；
CO2热泵子系统包括CO2热泵（5）、高温区（41）、中温区（42）、高温区保温加热电磁阀（22）、中温区保温加热电磁阀（21）、热泵保温加热管路（29）、热泵高温出水管路（30）、市政给水闸阀（1）、冷水箱（2）和电动三通阀（23）。一台CO2热泵（5）或多台CO2热泵（5）并联运行，并与高温区（41）及中温区（42）组成热泵循环系统，高温区（41）通过安装有高温区保温加热电磁阀（22）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），中温区（42）通过安装有中温区保温加热电磁阀（21）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），冷水箱（2）通过安装有中温区保温加热电磁阀（21）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），冷水箱（2）与市政给水闸阀（1）连接，CO2热泵（5）通过安装有电动三通阀（23）的热泵高温出水管路（30）连接回高温区（41）及中温区（42）；
供热和回水子系统包括热水供水闸阀（14）、混水调节阀（15）、热水给水温度传感器（16）、回水闸阀（17）、回水温度传感器（18）、回水电磁阀（19）、热水供水管路（26）和热水回水管路（27），高温区（41）及中温区（42）通过热水供水管路（26）给用户供水，热水供水管路（26）上设置有供水闸阀（14）、混水调节阀（15）和热水给水温度传感器（16），热水回水管路（27）连接膨胀区（43），热水回水管路（27）上设置有回水闸阀（17）、回水温度传感器（18）和回水电磁阀（19）；
控制系统包括系统控制器（7），系统控制器（7）连接太阳能热水子系统、CO2热泵子系统、蓄热装置、供热和回水子系统；
所述太阳能循环系统采用温差△T强制循环方式，可以充分发挥和利用太阳能资源，并且设置灵活、使用方便。
所述热泵循环系统，CO2热泵（5）生产65-90℃高温热水储存至高温区（41），同时在阴雨天气CO2热泵（5）可以对中温区（42）进行加热。 
所述控制系统设置有用于检测日照度的光敏传感器。 
本发明CO2热泵与太阳能互补运行集中热水供给的运行模式为： 
(1) 春夏秋季太阳辐射充足时以太阳能供热为主，CO2热泵为辅；
(2)短时阴雨天或太阳辐射较低时，太阳能和CO2热泵可根据水温和水位由控制系统调节运行，水温和水位按季节可调；
(3) 冬季或长时间阴雨天气以CO2热泵供热为主，并对太阳能中温区低温水进行循环加热。
在上述运行模式中，CO2热泵均生产65-90℃高温热水，该温度可根据季节控制调节。 
给水采用高温区（41）热水与中温区（42）热水通过混水调节阀（15）混合至目标水温供给用户。灵活的混水温度设置控制模式，可满足用户在春、夏、秋、冬季对热水温度不同的需求，最大限度的降低了能源消耗；混水调节装置提供了太阳能热水优先使用的原则，同时最大限度的利用了太阳能的低品位热能，提高了太阳能利用率。 
CO2热泵（5）的给水由冷水箱（2）供给，克服了CO2热泵（5）对高温水加热效率低的特性，提高了热泵的运行效率。  充分利用了CO2热泵的高温加热能力，提高了系统运行效率。 
在蓄热装置中温区（42）设置了回水膨胀区（43），可有效利用回水的低品位热水而不需二次加热，有效的节约能源消耗。 
控制系统采用光敏传感器用于检测日照度，可自动甄别阴雨天气。 

Claims (5)

1.一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，其特征在于，该系统由太阳能热水子系统、CO2热泵子系统、蓄热装置、供热和回水子系统以及控制系统组成，
所述的蓄热装置包括蓄热水箱（4）的高温区（41）、中温区（42）和排污阀（44），中温区（42）中设置有膨胀区（43），高温区（41）中设置有高温区水位传感器（11）和高温区温度传感器（12），中温区（42）中设置有中温区温度传感器（13）；
所述的太阳能热水子系统包括太阳能集热器（3）、中温区（42）、太阳能循环管路（25）、太阳能循环管温度传感器（10）、太阳能循环水泵（24）、太阳能循环管电磁阀（9）、温差控制器（8）、补水阀（20）和太阳能补水管路（28），所述的太阳能集热器（3）采用多个串联为一组后与中温区（42）通过太阳能循环管路（25）连接组成太阳能循环系统，太阳能循环管路（25）上设置有太阳能循环管温度传感器（10）、太阳能循环水泵（24）、太阳能循环管电磁阀（9）和温差控制器（8），中温区（42）连接安装有补水阀（20）的太阳能补水管路（28）；
所述的CO2热泵子系统包括CO2热泵（5）、高温区（41）、中温区（42）、高温区保温加热电磁阀（22）、中温区保温加热电磁阀（21）、热泵保温加热管路（29）、热泵高温出水管路（30）、市政给水闸阀（1）、冷水箱（2）和电动三通阀（23），一台CO2热泵（5）或多台CO2热泵（5）并联运行，并与高温区（41）及中温区（42）组成热泵循环系统，高温区（41）通过安装有高温区保温加热电磁阀（22）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），中温区（42）通过安装有中温区保温加热电磁阀（21）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），冷水箱（2）通过安装有中温区保温加热电磁阀（21）的热泵保温加热管路（29）连接CO2热泵（5），冷水箱（2）与市政给水闸阀（1）连接，CO2热泵（5）通过安装有电动三通阀（23）的热泵高温出水管路（30）连接回高温区（41）及中温区（42）；
所述的供热和回水子系统包括热水供水闸阀（14）、混水调节阀（15）、热水给水温度传感器（16）、回水闸阀（17）、回水温度传感器（18）、回水电磁阀（19）、热水供水管路（26）和热水回水管路（27），高温区（41）及中温区（42）通过热水供水管路（26）给用户供水，热水供水管路（26）上设置有供水闸阀（14）、混水调节阀（15）和热水给水温度传感器（16），热水回水管路（27）连接膨胀区（43），热水回水管路（27）上设置有回水闸阀（17）、回水温度传感器（18）和回水电磁阀（19）；
所述的控制系统包括系统控制器（7），系统控制器（7）连接太阳能热水子系统、CO2热泵子系统、蓄热装置、供热和回水子系统；
运行模式如下：
(1) 春夏秋季太阳辐射充足时以太阳能供热为主，CO2热泵为辅；
(2) 短时阴雨天或太阳辐射较低时，太阳能和CO2热泵根据水温和水位由控制系统调节运行，水温和水位按季节可控制调节；
(3) 冬季或长时间阴雨天气以CO2热泵供热为主，并对太阳能中温区低温水进行循环加热；
（4）CO2热泵均生产65-90℃高温热水，该温度由控制系统进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，其特征在于，所述太阳能循环系统采用温差△T强制循环方式。
3.根据权利要求1所述的一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，其特征在于，所述的太阳能循环系统采用多组串联的太阳能集热器（3）并联运行。
4.根据权利要求1所述的一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，其特征在于，所述CO2热泵（5）生产65-90℃高温热水。
5. 根据权利要求1所述的一种CO2热泵与太阳能互补运行集中供热系统，其特征在于，所述控制系统设置有用于检测日照度的光敏传感器。
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