CN106642297A - 一种基于热泵的供能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热泵的供能系统及其控制方法，涉及热泵供能的领域。为解决现有技术中太阳能热泵系统供能时不稳定的问题而发明。本发明一种基于热泵的供能系统包括多个热源热泵装置和供能管路，热源热泵装置包括热泵以及与热泵的输入端连通的集热结构，集热结构为太阳能集热结构、空气源集热结构、地源集热结构或水源集热结构；且热源热泵装置包括太阳能热泵装置，以及空气源热泵装置、地源热泵装置和水源热泵装置中的一个或多个；供能管路呈闭环状态且内部充有循环水，供能管路与热源热泵装置均进行换热后向用户端供能。本发明用于向用户端供能。

Description

一种基于热泵的供能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热泵供能的技术领域，尤其涉及一种基于热泵的供能系统及其控制方法。

背景技术

随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，我国正面临着越来越大的能源压力，特别是用于采暖、空调建筑能耗的增加，已成为我国不少城市缺电的诱因。空调和采暖能耗在我国建筑能耗中的比重大幅度地提高，逐步发展成为建筑能耗中的一个主要部分，给能源和环境带来更大的压力。而太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源，用太阳能补充常规能源驱动空调和采暖系统对于节能和环保都具有十分重要的意义，目前国内已经建成了数套太阳能热泵供暖/供冷的空调示范系统。

热泵可以把低品位热能转化为高品位热能，作为一种充分利用低品位热能的高效节能装置，热泵技术得到了广泛认可。虽然热泵运转需要消耗一部分高品位能，但只是它所能提供能量的一部分，因此具有显著的技术效果，对提高能源利用效率、减轻环境污染具有重要意义。目前已有热泵用于供暖/供冷实现区域型热泵供暖/供冷的系统。太阳能是一种清洁和可再生的能源，太阳能热泵用于供暖/供冷系统，利用太阳辐射热能进行建筑供能，将会大大提高能源利用效率，但是太阳能能源的供应容易受到环境的影响，如夜晚、阴天、下雨及下雪等恶劣天气会导致系统供能不稳定。

发明内容

本发明的实施例提供一种基于热泵的供能系统，能够利用太阳能稳定向用户端供能。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种基于热泵的供能系统，包括多个热源热泵装置和供能管路，所述热源热泵装置包括热泵以及与所述热泵的输入端连通的集热结构，所述集热结构为太阳能集热结构、空气源集热结构、地源集热结构或水源集热结构；且所述热源热泵装置包括太阳能热泵装置，以及空气源热泵装置、地源热泵装置和水源热泵装置中的一个或多个；所述供能管路呈闭环状态且内部充有循环水，所述供能管路与所述热源热泵装置均进行换热后向用户端供能。

相较于现有技术，本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统，用户端需要供能时，太阳能热泵装置开始工作，将收集到的太阳能传递至供能管路，使供能管路中的循环水吸收太阳能，然后将这部分吸收了太阳能的循环水输送至用户端附近并与用户端进行换热，从而满足用户端的负荷需求。若用户端的负荷需求大于太阳能热泵装置的供能能力，则在开启太阳能热泵装置的前提下，再次开启其余热源热泵装置，使多个热源热泵装置同时向供能管路供能，以满足用户端的负荷需求。本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统，采用了多能源互补的方式，不仅提高了能源利用率，而且能够有效补偿太阳能能流密度较低且具有间歇性的缺点，使得该供能系统不会因外界环境的变化影响供能，从而实现向用户稳定供能的目的。同时，本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统，由于各热源热泵装置可单独向供能管路供能，因而该供能系统在使用过程中能够根据用户端的实际负荷需求来选择开启一个或多个热源热泵装置，不会造成能源浪费。

该供能系统中还设置有回流管路，所述回流管路呈闭环状态且内部充有循环水；所述供能管路和所述回流管路之间设置有可与所述热源热泵装置换热的第一换热管，所述第一换热管的入口端与所述回流管路连通，出口端与所述供能管路连通，所述回流管路中的循环水经所述第一换热管与所述热源热泵装置换热后流入所述供能管路中；所述供能管路和所述回流管路之间还设置有可与所述用户端换热的第二换热管，所述第二换热管的入口端与所述供能管路连通，出口端与所述回流管路连通，所述供能管路中的循环水经所述第二换热管与所述用户端换热后流入所述回流管路中，以使所述供能管路和所述回流管路中的循环水形成动态平衡。

所述第二换热管上靠近所述入口端处设置有变频泵。使热源热泵装置产生的能量恰好满足用户端的负荷需求，不会产生能量的浪费。

还包括储能装置，所述储能装置可与所述供能管路换热。储能装置可收集并储存热源热泵装置产生的多余能量，也可将收集储存的能量传递至供能管路。

还包括可与所述储能装置换热的第三换热管，所述第三换热管的一端与所述供能管路连通，另一端与所述回流管路连通；所述储能装置收集所述供能管路的能量时，所述供能管路中的循环水经所述第三换热管与所述储能装置换热后流入所述回流管路中；所述储能装置向所述供能管路供能时，所述回流管路中的循环水经所述第三换热管与所述热源热泵装置换热后流入所述供能管路中。

所述第三换热管包括供能换热管和集热换热管，所述供能换热管的入口端与所述回流管路连通，出口端与所述供能管路连通；所述集热换热管的入口端与所述供能管路连通，出口端与所述回流管路连通。实现储能装置既能够收集并储存能量，又能够向供能管路供能的目的。

所述供能管路上设置有循环泵。减少了能量传递过程中的热损失，确保了该供能系统对能量的利用率。

所述回流管路上设置有循环泵。循环泵可强制回流管路中的循环水产生流动，从而有利于换热管与热源热泵装置进行换热。

所述循环泵的入口处设置有电动阀，出口处沿循环水的流动方向依次设置有温度控制器、流量控制器、流量计以及压力控制器。确保了供能管路和回流管路中的循环水的压力和流量的稳定性。

本发明实施例还提出一种基于热泵的供能系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、检测所述用户端的负荷需求；

S2、将所述用户端的负荷需求与所述太阳能热泵装置的供能能力进行比较，若所述用户端的负荷需求小于所述太阳能热泵装置的供能能力，则仅开启所述太阳能热泵装置；若所述用户端的负荷需求大于所述太阳能热泵装置的供能能力，则完全开启所述太阳能热泵装置，并根据用户端的负荷需求选择完全开启或部分开启其余所述热源热泵装置中的一个或多个。

根据用户的实际负荷需求来选择开启热源热泵装置的数目，能够实现对能源的有效利用，不会出现能源浪费的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统的第一种实施方式的系统框架图；

图2为本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统的第一种实施方式的系统图；

图3为本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统的第二种实施方式的系统框架图。

标号说明：

1、热源热泵装置

11、太阳能热泵装置

111、太阳能集热结构

12、空气源热泵装置

121、空气源集热结构

13、地源热泵装置

131、地源集热结构 132、地源热泵

14、水源热泵装置

141、水源集热结构 142、水源热泵

2、供能管路

21、第一换热管 22、第二换热管

221、变频泵

23、第三换热管

231、供能换热管

3、用户端

4、回流管路

5、储能装置

6、循环泵

61、电动阀 62、温度控制器

63、流量控制器 64、流量计

65、压力控制器

具体实施方式

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。

例如，太阳能热泵装置就是通过太阳能集热结构吸收太阳能，然后由电力驱动热泵，将集热结构吸收到的太阳能转化为可被利用的热能。同理，空气源热泵装置、地源热泵装置以及水源热泵装置也是通过不同的集热结构收集热源处的热能，再由热泵转化后供向供能管路，用户端在需要使用时，供能管路与用户端进行热交换，从而实现对热源的利用。

本发明的实施例提供了一种基于热泵的供能系统，如图1和图2所示，包括多个热源热泵装置1和供能管路，热源热泵装置1包括热泵以及与热泵的输入端连通的集热结构，集热结构为太阳能集热结构111、空气源集热结构121、地源集热结构131或水源集热结构141；且热源热泵装置1包括太阳能热泵装置11，以及空气源热泵装置12、地源热泵装置13和水源热泵装置14中的一个或多个；供能管路2呈闭环状态且内部充有循环水，供能管路2与热源热泵装置1均进行换热后向用户端3供能。

相较于现有技术，本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统，用户端3需要供能时，太阳能热泵装置11开始工作，将收集到的太阳能传递至供能管路2，使供能管路2中的循环水吸收太阳能，然后将这部分吸收了太阳能的循环水输送至用户端3附近并与用户端3进行换热，从而满足用户端3的负荷需求。若用户端3的负荷需求大于太阳能热泵装置11的供能能力，则在开启太阳能热泵装置11的前提下，再次开启其余热源热泵装置1，使多个热源热泵装置1同时向供能管路2供能，以满足用户端3的负荷需求。本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统，采用了多能源互补的方式，不仅提高了能源利用率，而且能够有效补偿太阳能能流密度较低且具有间歇性的缺点，使得该供能系统不会因外界环境的变化影响供能，从而实现向用户稳定供能的目的。同时，本发明实施例提供的一种基于热泵的供能系统，由于各热源热泵装置1可单独向供能管路2供能，因而该供能系统在使用过程中能够根据用户端3的实际负荷需求来选择开启一个或多个热源热泵装置1，不会造成能源浪费。

供能管路2从热源热泵装置1中吸收热量后向用户端3供给，从而满足用户端3的需求，具体地，如图1和图2所示，该供能系统中还设置有回流管路4，回流管路4呈闭环状态且内部充有循环水；供能管路2和回流管路4之间设置有可与热源热泵装置1换热的第一换热管21，第一换热管21的入口端与回流管路4连通，出口端与供能管路2连通，回流管路4中的循环水经第一换热管21与热源热泵装置1换热后流入供能管路2中；供能管路2和回流管路4之间还设置有可与用户端3换热的第二换热管22，第二换热管22的入口端与供能管路2连通，出口端与回流管路4连通，供能管路2中的循环水经第二换热管22与用户端3换热后流入回流管路4中，以使供能管路2和回流管路4中的循环水形成动态平衡。当该供能系统启动时，热源热泵装置1工作，将吸收到的能量传递至第一换热管21，第一换热管21内的水吸收这部分能量后向供能管路2流动，从而使供能管路2中的循环水携带有能量，当用户端3产生负荷需求时，供能管路2中携带有能量的循环水经第二换热管22流动至用户端3换热器附近，与用户端3的换热器进行换热，由用户端3的换热器将这部分能量加以利用，实现制热/制冷的目的。同时，第二换热管22中的循环水将能量传递至用户端3的换热器后流动至回流管路4中，使得供能管路2中流动的仅为携带有能量的循环水，从而确保了能量的利用率。

为实现对能源的合理利用，用户端3产生负荷需求时，供能系统的供能能力应该与用户端3的符合需求以及换热损失持平，因此，如图1和图2所示，第二换热管22上靠近入口端处设置有变频泵221。当用户端3产生负荷需求时，供能系统根据用户端3的实际负荷需求以及换热损失的百分比调整变频泵221的流量，使热源热泵装置1产生的能量恰好满足用户端3的负荷需求，不会产生能量的浪费。

该供能系统开启时，若用户端3的负荷需求小于热源热泵装置1的供能能力，则热源热泵装置1会产生多余能量，未避免这部分能量被浪费，该供能系统中还设置有储能装置5，如图1和图2所示，当热源热泵装置1的供能能力大于用户负荷需求时，储能装置5启动，与供能管路2进行换热，将供能管路2中的多余能量吸收并储存起来，避免造成能量的浪费。而当热源热泵装置1的供能能力小于用户负荷需求时，储能装置5启动，与供能管路2进行换热，将储能装置5中储存的能量传递至供能管路2，再由供能管路2将这部分能量传递至用户端3，从而满足用户端3的负荷需求。

具体地，如图1和图2所示，供能管路2和回流管路4之间设置有可与储能装置5换热的第三换热管23，第三换热管23的一端与供能管路2连通，另一端与回流管路4连通，当热源热泵装置1的供能能力大于用户端3的负荷需求时，供能管路2中携带有能量的循环水经第三换热管23流动至储能装置5附近，并与储能装置5进行换热，使储能装置5将供能管路2中的能量收集并储存，与储能装置5进行热交换之后的循环水沿第三换热管23流动至回流管路4中。当热源热泵装置1的供能能力小于用户端3的负荷需求时，储能装置5启动，此时回流管路4中的循环水经第三换热管23流动至储能装置5附近，并与储能装置5进行换热，使第三换热管23中的循环水携带有储能装置5中的能量并沿第三换热管23流动至供能管路2中，再由供能管路2将这部分能量传递至用户端3，从而满足用户端3的负荷需求。

可选地，储能装置5为溴化锂储冷/热装置，包括发生器、冷凝蒸发器、屏蔽泵、抽气管、蒸汽压缩机、阀门、传热管、温度表、压力表及分离器。其原理是利用溴化锂溶液的低水蒸气压的特性来实现热量的存储和释放。它可以把低温余热收集起来进行储存，并在需要的时候可以将热量释放并加以利用，产生生活所需的热水或冷水。储存的潜能可以转化成热能，或者转化成热能的同时还可以产生冷能，以满足用户的不同需求。

为满足储能装置5既能够收集并储存能量，又能够向供能管路2供能的目的，如图2所示，第三换热管23包括供能换热管231和集热换热管(图中未示出)，供能换热管231的入口端与回流管路4连通，出口端与供能管路2连通；集热换热管的入口端与供能管路2连通，出口端与回流管路4连通。当储能装置5收集供能系统中的多余能量时，供能换热管231关闭，集热换热管导通，使供能管路2中的循环水与储能装置5换热后向回流管路4中流动；当储能装置5向供能管路2供能时，集热换热管关闭，供能换热管231导通，使回流管路4中的循环水与储能装置5换热后向供能管路2中流动

可选地，第三换热管23也可仅为一根管，为实现储能装置5的集热与供能两项功能，可在第三换热管23上设置有双向泵。当储能装置5收集供能系统中的多余能量时，双向泵正转，使供能管路2中的循环水与储能装置5换热后向回流管路4中流动；当储能装置5向供能管路2供能时，双向泵反转，使回流管路4中的循环水与储能装置5换热后向供能管路2中流动。

供能管路2中的循环水携带有能量后，需将能量传递至用户端3或是储能装置5，为减小能量传递过程中的损失，如图1和图2所示，供能管路2上设置有循环泵6。循环泵6在工作时可使供能管路2中的循环水流动起来，因而，携带有能量的循环水能够更为快速地运动至用户端3或是储能装置5处，从而减少能量传递过程中的热损失，确保了该供能系统对能量的利用率。

当热源热泵装置1启动时，回流管中的循环水需经换热管与热源热泵装置1换热，如图1和图2所示，回流管路4上设置有循环泵6。循环泵6可强制回流管路4中的循环水产生流动，从而有利于换热管与热源热泵装置1进行换热。

供能管路2和回流管路4在热源热泵装置1开启程度不同时，管内循环水的流量也相应变化，为此，供能管路2和回流管路4的流量必须可调，如图2所示，循环泵6的入口处设置有电动阀61，出口处沿循环水的流动方向依次设置有温度控制器62、流量控制器63、流量计64以及压力控制器65。供能系统根据用户的负荷需求选择部分开启热源热泵装置1时，电动阀61通过调整其开度，来确保管路中的压力和流量的稳定，同时，温度控制器62、流量控制器63以及压力控制器65辅助调节，以确保供能管路2和回流管路4中的循环水的压力和流量的稳定性。

可选地，供能管路2和回流管路4上设置有多个阀门，当管路需要检修或出现问题时，技术人员可将设置于待检修管段两端或是出现问题的管段两端的阀门闭合，然后对待检修管段进行检修或是对出现问题的管段进行维修或更换。

优选地，如图1和图2所示，本发明的实施例提供的一种基于热泵的供能系统，其热源热泵装置1包括太阳能热泵装置11、空气源热泵装置12、地源热泵装置13以及水源热泵装置14。太阳能热泵装置11包括太阳能集热结构111和太阳能热泵(图中未示出)；空气源热泵装置12包括空气源集热结构121和空气源热泵(图中未示出)；地源热泵装置13包括地源集热结构131和地源热泵132；水源热泵装置14包括水源集热结构141和水源热泵142。

太阳能是清洁和可再生的能源，但是太阳能能源的供应容易受到环境的影响，如夜晚、阴天、下雨及下雪等恶劣天气会导致装置供能不稳定。空气能是分散能源，制热速度慢，热效率不高；此外，空气源热泵容易出现结霜问题，受地域限制，能源利用率不高。地源热泵装置13(也称地热泵)是利用地下常温土壤相对稳定的特性，通过深埋底下的管路系统来实现向建筑物供暖/供冷的需求；但地源热泵装置13有着一定的地域限制。水源热泵装置14利用吸收了太阳辐射能量而形成的温度稳定的地球表面浅层水源，以实现供暖/供冷的需求；但水源热泵装置14对水质要求较高，维护成本较高。将地源、水源、空气源和太阳能进行优势互补，形成多能互补的热泵供暖/供冷系统。这种供能系统不仅提高了能源利用率，而且能够有效地补偿太阳能能流密度较低、间歇性的缺点，从而使供能系统稳定性得到提高。

示例地，如图3所示，本发明的实施例提供的一种基于热泵的供能系统，其热源热泵装置1包括太阳能热泵装置11和地源热泵装置13。地源热泵装置13的能量来源较为稳定，能够补偿太阳能热泵装置11供能具有间歇性的缺点，从而保障了该供能系统的供能稳定性。

本发明实施例还提出一种基于热泵的供能系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、检测用户端3的负荷需求；

S2、将用户端3的负荷需求与太阳能热泵装置11的供能能力进行比较，若用户端3的负荷需求小于太阳能热泵装置11的供能能力，则仅开启太阳能热泵装置11；若用户端3的负荷需求大于太阳能热泵装置11的供能能力，则完全开启太阳能热泵装置11，并根据用户端3的负荷需求选择完全开启或部分开启其余热源热泵装置1中的一个或多个。

由于用户的实际需求负荷存在峰值和谷值，因而用户的负荷需求并非一成不变，因此，根据用户的实际负荷需求来选择开启热源热泵装置1的数目，才能够在满足用户负荷需求的前提下实现对能源的有效利用，不会出现能源浪费的情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于热泵的供能系统，其特征在于，包括

多个热源热泵装置，所述热源热泵装置包括热泵以及与所述热泵的输入端连通的集热结构，所述集热结构为太阳能集热结构、空气源集热结构、地源集热结构或水源集热结构；且所述热源热泵装置包括太阳能热泵装置，以及空气源热泵装置、地源热泵装置和水源热泵装置中的一个或多个；

供能管路，所述供能管路呈闭环状态且内部充有循环水，所述供能管路与所述热源热泵装置进行换热后向用户端供能。

2.根据权利要求1所述的基于热泵的供能系统，其特征在于，还包括回流管路，所述回流管路呈闭环状态且内部充有循环水；

所述供能管路和所述回流管路之间设置有可与所述热源热泵装置换热的第一换热管，所述第一换热管的入口端与所述回流管路连通，出口端与所述供能管路连通，所述回流管路中的循环水经所述第一换热管与所述热源热泵装置换热后流入所述供能管路中；

所述供能管路和所述回流管路之间还设置有可与所述用户端换热的第二换热管，所述第二换热管的入口端与所述供能管路连通，出口端与所述回流管路连通，所述供能管路中的循环水经所述第二换热管与所述用户端换热后流入所述回流管路中，以使所述供能管路和所述回流管路中的循环水形成动态平衡。

3.根据权利要求2所述的基于热泵的供能系统，其特征在于，所述第二换热管上靠近所述入口端处设置有变频泵。

4.根据权利要求2所述的基于热泵的供能系统，其特征在于，还包括储能装置，所述储能装置可与所述供能管路换热。

5.根据权利要求3所述的基于热泵的供能系统，其特征在于，还包括可与所述储能装置换热的第三换热管，所述第三换热管的一端与所述供能管路连通，另一端与所述回流管路连通；所述储能装置收集所述供能管路的能量时，所述供能管路中的循环水经所述第三换热管与所述储能装置换热后流入所述回流管路中；所述储能装置向所述供能管路供能时，所述回流管路中的循环水经所述第三换热管与所述热源热泵装置换热后流入所述供能管路中。

6.根据权利要求4所述的基于热泵的供能系统，其特征在于，所述第三换热管包括供能换热管和集热换热管，所述供能换热管的入口端与所述回流管路连通，出口端与所述供能管路连通；所述集热换热管的入口端与所述供能管路连通，出口端与所述回流管路连通。

7.根据权利要求1所述的基于热泵的供能系统，其特征在于，所述供能管路上设置有循环泵。

8.根据权利要求2所述的基于热泵的供能系统，其特征在于，所述回流管路上设置有循环泵。

9.根据权利要求7或8所述的基于热泵的供能系统，其特征在于，所述循环泵的入口处设置有电动阀，出口处沿循环水的流动方向依次设置有温度控制器、流量控制器、流量计以及压力控制器。

10.一种基于热泵的供能系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、检测所述用户端的负荷需求；

S2、将所述用户端的负荷需求与所述太阳能热泵装置的供能能力进行比较，若所述用户端的负荷需求小于所述太阳能热泵装置的供能能力，则仅开启所述太阳能热泵装置；若所述用户端的负荷需求大于所述太阳能热泵装置的供能能力，则完全开启所述太阳能热泵装置，并根据用户端的负荷需求选择完全开启或部分开启其余所述热源热泵装置中的一个或多个。