CN106802024B - 一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统，利用两种相变材料在不同温度区间的储能耦合热泵空调及太阳能热水。该联合系统包括热泵空调单元、相变储能单元和太阳能热水单元；热泵空调单元包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、换热器，相变储能单元包括高温相变室、低温相变室、绝热层、进出口切换管路，太阳能热水单元包括太阳能集热器、电辅热、储水箱。该系统在夏季供冷，冬季供热，常年需生活热水的场所，通过相变储能单元内同时对高温与低温的储能与释能，实现在时间上转移热泵空调单元产生的能量，达到对用电量‘削峰填谷’的目的；实现在时间和空间上转移热泵空调单元与太阳能热水单元产生的能量。

Description

一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统

技术领域

本发明公开了一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统，属于空调及能源技术领域。

背景技术

发电厂发电能力通常是固定的，不轻易改变，但是用电高峰在白天，晚上则是低谷。针对此现象，电力系统就把一部分高峰负荷挪到晚上低谷期，从而就利用了晚上多余的电力，也就达到了节约能源的目的。国内多省市实行峰谷电价即实行差别性峰谷电价，同时调高高峰电价，调低低谷用电价，使得供需均衡。

近年来，相变储能成为国内外能源利用和材料科学方面研究的热点。相变储能技术可以解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，是提高能源利用率的有效手段。

热泵低温热源的温度随室外气候的变化而变化，当室外温度降低时，热泵的供热量及效率也随之下降，换热效果恶化，严重时机组甚至会损坏。

夏季制冷工况下的热泵机组，既提供空调系统所需的冷负荷，又需要将冷凝器中产生的大量冷凝热排出，保持冷凝压力稳定。一般情况下，这些冷凝热通过循环冷却水系统直接排放到大气中，造成了能源浪费。

由于受到昼夜、季节等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的应用增加了难度。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的问题是针对上述背景技术中的不足，提供一种一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统。

技术方案：本发明为实现上述发明目的采取如下技术方案：

本发明为一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统，该联合系统包括热泵空调单元、相变储能单元和太阳能热水单元；热泵空调单元包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、换热器，相变储能单元包括高温相变室、低温相变室、绝热层、进出口切换管路，太阳能热水单元包括太阳能集热器、电辅热、储水箱。其中：压缩机的出端，万向四通阀，第一换热器、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、压缩机的进端顺序链接成有一个回路。

压缩机的出端，万向四通阀，第一换热器、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、压缩机的进端顺序链接成有一个回路。

相变储能罐中的高温相变室出端分两路，一路顺序通过电动阀j和第一水泵接第一换热器的入端，第一换热器的出端通过电动阀a接回相变储能罐的入端，相变储能罐中的高温相变室出端的另一路通过电动阀d接蒸发器，蒸发器的出端通过第二水泵接电动阀h接回高温相变室热泵侧入端；相变储能罐中的高温相变室的出端通过电动阀k接第四水泵，第四水泵的出端接太阳能集热器、太阳能集热器的出端接电辅热、电辅热的出端接储水箱。

相变储能罐中的低温相变室热泵侧出端分两路，一路顺序通过电动阀g接第一水泵，另一路接第二换热器，相变储能罐中的低温相变室入端分两路，一路接第二水泵，另一路接第一换热器；相变储能罐中的低温相变室的另一个出端通过电动阀p、第三水泵接空调末端，空调末端的出端通过电动阀q接回相变储能罐中的低温相变室。

所述热泵空调单元中，换热器设置于冷凝器和压缩机之间，制冷工况下作为冷凝热回收装置；制热工况下相较于冷凝器作为二级蒸发器；所述热泵机组冷凝器接室外空气源；所述换热器与冷凝器在热泵空调单元制冷及制热工况下的优先级和换热比例，通过控制器调节。

所述相变储能单元中，相变储能罐中高温相变室与低温相变室，具备同时储存高温热量和低温热量的能力，其中：

所述高温相变室进口接换热器和蒸发器，出口接太阳能热水单元和空调末端。

所述低温相变室进口接太阳能热水单元和蒸发器，出口接换热器和空调末端。

所述相变储能罐中绝热层采用抽真空技术或填充隔热材料以避免高温相变室与低温相变室的热交换。

所述相变储能罐中高温相变室与低温相变室进出口与热泵空调单元连接的载热介质均为适用温度范围于0-60℃的乙二醇溶液。

所述太阳能热水单元中，太阳能集热器进口接自来水管路和高温相变室出口；太阳能集热器出口接生活热水用户和低温相变室入口，其中：

所述太阳能集热器出口与低温相变室连接管路上设置相应传感器，经控制器分析决策，调节电动阀门s，控制冬季热泵空调单元制热工况下对低温相变室的储热量。

有益效果：本发明采用上述设计方案，具有以下有益效果：通过相变储能单元对热泵空调单元的产热与产冷储存及释放，实现夜间开机，白天用能，从而对用电量‘削峰填谷’并更好的利用峰谷电价政策，节约运行成本。通过夜间对热泵空调单元制冷工况下冷凝热的回收储存并于白天释放给太阳能热水单元，对集热器进水预热，提高能源利用效率和集热效率，减少不必要的能源损失。另一方面为更好的应对自然冷热源时间分配不均，即热泵空调制热工况下低温冷源的温度过低影响循环效率。通过相变储能单元，在白天对太阳能热储存，夜间作为热泵空调制热工况下低温冷源。过渡季节，热泵空调单元作为太阳能热水单元的补充，缓解太阳能热水系统存在的稳定性问题。从而实现热泵空调系统及热水系统的优势互补。

附图说明

图1为基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统的示意图。

图中有：压缩机1，万向四通阀2，第一换热器3、第二换热器6，第一水泵4、第二水泵7、第三水泵15、第四水泵16，相变储能罐5，蒸发器8，冷凝器9，电子膨胀阀10，太阳能集热器11，储水箱12，电辅热13，空调末端14，电动阀a-t。

具体实施方式

结合附图对该发明的技术方案及具体实施做详细说明：

板式换热器3与高温相变室构成储热Ⅰ循环回路，与低温相变室接口构成取热Ⅰ循环回路。蒸发器8与高温相变室接口构成储热Ⅱ循环回路，与低温相变室接口构成储冷Ⅰ循环回路。

太阳能热水系统与高温相变室接口构成取热Ⅱ循环回路，与低温相变室接口构成储热Ⅲ循环回路。空调末端14与高温相变箱接口构成取热Ⅲ循环回路，与低温温相变室接口构成取冷Ⅰ循环回路。

蒸发器接口除与相变储能罐相连接外，还与换热器6连接，换热器6另一侧与空调末端14连接。

该联合系统包括热泵空调单元、相变储能单元和太阳能热水单元；热泵空调单元包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、换热器，相变储能单元包括高温相变室、低温相变室、绝热层、进出口切换管路，太阳能热水单元包括太阳能集热器、电辅热、储水箱。其中：压缩机1的出端，万向四通阀2，第一换热器3、冷凝器9、电子膨胀阀10、蒸发器8、压缩机1的进端顺序链接成有一个回路。

相变储能罐5中的高温相变室出端分两路，一路顺序通过电动阀j和第一水泵4接第一换热器3的入端，第一换热器3的出端通过电动阀a接回相变储能罐5的入端，相变储能罐5中的高温相变室出端的另一路通过电动阀d接蒸发器8，蒸发器8的出端通过第二水泵7接电动阀h接回高温相变室热泵侧入端；相变储能罐5中的高温相变室的出端通过电动阀k接第四水泵16，第四水泵16的出端接太阳能集热器11、太阳能集热器11的出端接电辅热13、电辅热13的出端接储水箱12。

相变储能罐5中的低温相变室热泵侧出端分两路，一路顺序通过电动阀g接第一水泵4，另一路接第二换热器6，相变储能罐5中的低温相变室入端分两路，一路接第二水泵7，另一路接第一换热器3；相变储能罐5中的低温相变室的另一个出端通过电动阀p、第三水泵15接空调末端14，空调末端14的出端通过电动阀q接回相变储能罐5中的低温相变室。

所述热泵空调单元中，换热器3设置于冷凝器9和压缩机1之间，制冷工况下作为冷凝热回收装置；制热工况下相较于冷凝器9作为二级蒸发器；所述热泵机组冷凝器9接室外空气源；所述换热器3与冷凝器9在热泵空调单元制冷及制热工况下的优先级和换热比例，通过控制器调节。

所述相变储能单元中，相变储能罐5中高温相变室与低温相变室，具备同时储存高温热量和低温热量的能力，其中：

所述高温相变室进口接换热器3和蒸发器8，出口接太阳能热水单元和空调末端14。

所述低温相变室进口接太阳能热水单元和蒸发器8，出口接换热器3和空调末端14。

所述相变储能罐5中绝热层采用抽真空技术，或填充隔热材料以避免高温相变室与低温相变室的热交换。

所述相变储能罐5中高温相变室与低温相变室进出口与热泵空调单元连接的载热介质均为适用温度范围于0-60℃的乙二醇溶液。

所述太阳能热水单元中，太阳能集热器11进口接自来水管路和高温相变室出口；太阳能集热器11出口接生活热水用户和低温相变室入口，其中：

所述太阳能集热器出口与低温相变室连接管路上设置相应传感器，经控制器分析决策，调节电动阀门s，控制冬季热泵空调单元制热工况下对低温相变室的储热量。

本发明所述的基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统的工作原理如下：

空调制冷与供生活热水工况：通过万向四通阀2实现热泵机组侧的管路切换，夜间，打开阀门a、j，关闭阀门d、f、h、g，实现换热器3与高温相变室连接，于高温相变室内储热；打开阀门c、e，实现蒸发器8与低温相变室连接，于低温相变室内储冷。白天，打开阀门l、o，关闭阀门m、n，实现太阳能热水系统与高温相变室5c、5d接口连接，实现对太阳能集热器进水预热；打开阀门p、q，关闭阀门s，实现空调末端14与低温温相变室5e、5f接口连接，实现对空调房间供冷。如需夜间制冷，可通过调节阀门i、r实现冷量在低温相变室和空调末端之间的分配。

空调制热与供生活热水工况：通过万向四通阀2实现热泵机组侧的管路切换，夜间，打开阀门f、g，关闭阀门a、c、e、j，实现换热器3与与低温相变室5h、5g接口连接，于低温相变箱取热；打开阀门h、d，实现蒸发器3与高温相变室5a、5b接口连接，于高温相变室储热；白天，打开阀门m、n，关闭阀门l、p、q、o，实现空调末端14与高温相变室5c、5d接口连接，实现对空调房间供热；打开阀门k，调节阀门s，实现太阳能热水系统与低温温相变室5e、5f接口连接，白天于低温相变室储热。如需夜间供热，可通过调节阀门i，r实现热量分配。

过渡季与供生活热水工况：利用预测控制方法，对次日的生活热水使用情况，天气状况，太阳能辐射热量综合分析。若生活热水的需热量与太阳能集热器所能提供热量偏离较小，此时仅需开启太阳能生活热水系统，即打开阀门k，t，关闭其余阀门，利用太阳能集热器对生活用水加热，如温度不满足使用要求则开启电辅热装置。

若生活热水的需热量与太阳能集热器所能提供热量偏离较大，此时，夜间开启热泵制热工况，对高温相变室进行储热，白天生活热水从高温相变室取热，再经过太阳能集热器，电辅热设备加热后送入末端用户。此时关闭低温相变室进出口阀门，热泵空调单元侧管路切换与制热工况时相同，太阳能热水单元侧打开阀门l，o，关闭其余阀门。

本发明可以通过管路切换与高低温相变储能材料于不温度区间的储热与储冷的模式切换，满足不同工作状况下的空调及生活热水的需求。与此同时，利用高低温相变储能材料实现对不同能级的热(冷)量分级储存，充分利用制冷工况下热泵机组冷凝热，和制热工况下太阳能辐射热，耦合热泵空调系统和太阳能热水系统，提升系统效率，还有效的解决了自然冷热源温度随时间分布不均衡的问题。

Claims (4)

1.一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统，其特征在于，该联合系统包括热泵空调单元、相变储能单元和太阳能热水单元；热泵空调单元包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、换热器，相变储能单元包括高温相变室、低温相变室、绝热层、进出口切换管路，太阳能热水单元包括太阳能集热器、电辅热、储水箱； 其中：压缩机（1）的出端，万向四通阀（2），第一换热器（3）、冷凝器（9）、电子膨胀阀（10）、蒸发器（8）、压缩机（1）的进端顺序链接成有一个回路；

相变储能罐（5）中的高温相变室出端分两路，一路顺序通过电动阀j和第一水泵（4）接第一换热器（3）的入端，第一换热器（3）的出端通过电动阀a接回相变储能罐（5）的入端，相变储能罐（5）中的高温相变室出端的另一路通过电动阀d接蒸发器（8），蒸发器（8）的出端通过第二水泵（7）接电动阀h接回高温相变室热泵侧入端；相变储能罐（5）中的高温相变室的另一个出端通过电动阀k接第四水泵（16），第四水泵（16）的出端接太阳能集热器（11）、太阳能集热器（11）的出端接电辅热（13）、电辅热（13）的出端接储水箱（12）；

相变储能罐（5）中的低温相变室热泵侧出端分两路，一路顺序通过电动阀g接第一水泵（4），另一路接第二换热器（6），相变储能罐（5）中的低温相变室入端分两路，一路接第二水泵（7），另一路接第一换热器（3）；相变储能罐（5）中的低温相变室的另一个出端通过电动阀p、第三水泵（15）接空调末端（14），空调末端（14）的出端通过电动阀q接回相变储能罐（5）中的低温相变室。

2.按照权利要求1所述的一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统，其特征在于，所述热泵空调单元中，换热器（3）设置于冷凝器（9）和压缩机（1）之间，制冷工况下作为冷凝热回收装置；制热工况下相较于冷凝器（9）作为二级蒸发器；所述热泵机组冷凝器（9）接室外空气源；所述换热器（3）与冷凝器（9）在热泵空调单元制冷及制热工况下的优先级和换热比例，通过控制器调节。

3.按照权利要求1所述的一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统，其特征在于，所述相变储能单元中，相变储能罐（5）中高温相变室与低温相变室，具备同时储存高温热量和低温热量的能力，其中：

所述高温相变室进口接换热器（3）和蒸发器（8），出口接太阳能热水单元和空调末端（14）；

所述低温相变室进口接太阳能热水单元和蒸发器（8），出口接换热器（3）和空调末端（14）；

所述相变储能罐（5）中绝热层采用抽真空技术或填充隔热材料以避免高温相变室与低温相变室的热交换；

所述相变储能罐（5）中高温相变室与低温相变室进出口与热泵空调单元连接的载热介质均为适用温度范围于0-60℃的乙二醇溶液。

4.按照权利要求1所述的一种基于相变储能的热泵空调及生活热水联合系统，其特征在于，所述太阳能热水单元中，太阳能集热器（11）进口接自来水管路和高温相变室出口；太阳能集热器（11）出口接生活热水用户和低温相变室入口，其中：

所述太阳能集热器出口与低温相变室连接管路上设置相应传感器，经控制器分析决策，调节电动阀门s，控制冬季热泵空调单元制热工况下对低温相变室的储热量。