CN106918100B - 一种太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统 - Google Patents

一种太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统 Download PDF

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Abstract

一种太阳能辅助冰蓄热海水源热泵空调系统，其主要是在冰蓄冷海水源空调系统中，加入太阳能集热装置，与现有海水换热端并联，并再加一条并联支路，将冰蓄冷设备并联在热源管路系统中。该系统优势主要体现在供热中期，解决海水换热器结冰时系统运行效率低的问题。在太阳能可利用时段，热泵机组通过换热装置从海水中获取热量，同时太阳能和冰蓄能系统开始运行，融冰蓄热。太阳能不可利用时段，海水源热泵机组从冰蓄能系统获取热量，同时海水换热系统停止运行，换热器结冰状况得以改善。太阳能融冰蓄热系统不仅利用了冰吸收太阳热能融化成水的潜热来蓄热，利于减小蓄热介质体积，而且融冰过程在介质温度为0℃时完成，换热温差大，效率高。

Description

一种太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统
技术领域
本发明涉及一种暖通空调系统，特别是用于我国北方沿海地区建筑的热泵空调系统。
背景技术
海水源热泵技术是沿海地区建筑物空调系统选用的一种冷热源节能技术。该技术通过热泵实现可再生能源海水热能的利用，为建筑物提供冷量和热量。近些年，海水源热泵系统与其他节能技术的综合利用成为了可再生能源在建筑领域应用研究的热点。比如：夏季，海水源热泵系统与冰蓄冷技术结合为建筑物提供冷量，合理利用峰谷电价差；冬季，与太阳能技术结合应用，利用不同可再生能源的互补优势，保证供暖系统高效稳定运行。但是，我国北方海域冬季海水温度过低，并且在相当长的一段时间内，地表海水温度接近冰点，海水无法直接进入机组参与换热，而是采用海水换热器获取海水热能。但是，海水换热器处于结冰工况运行时，随冰层厚度增加，换热效率显著降低，即使与太阳能一起应用，在最冷月热泵机组也无法作为单一热源为建筑物提供所需热量。此外，夏季若采用冰蓄冷装置为热泵空调系统储能，在冬季供热时该装置处于闲置状态，不利于资源利用最大化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在最冷月热泵机组仍可作为单一热源为建筑物提供所需热量而且可再生能源利用率较高的海水源热泵空调系统。本发明主要是在海水源热泵空调系统中，加入太阳能集热装置，与现有海水换热端并联，并再加一条并联支路，将冰蓄冷设备也并联在热源管路系统中。
本发明所采用的技术方案是：该热泵空调系统主要包括海水源热泵机组(以下简称热泵机组)、海水换热器、用户端换热器、冰蓄冷装置及太阳能集热装置。其中，热泵机组的一组进、出水接口通过带阀的管路与海水换热器两端相连构成循环回路，并且在热泵机组进水循环回路上设有水泵；热泵机组的另一组进、出水接口通过带阀的管路与用户端换热器一条通道及冰蓄冷装置串连构成循环回路，并且在热泵机组设有带阀的旁通管路、用户端换热器一条通道设有带阀的旁通管路及冰蓄冷装置上设有带阀的旁通管路，另在冰蓄冷装置出水循环回路上设有水泵，用户端换热器另一条通道分别与用户供水和回水管相连。同时又在上述热泵空调系统中加入太阳能集热装置，该太阳能集热装置主要包括太阳能集热器、水泵和带阀的管路。太阳能集热器出水管路上设有阀门和水泵，并设带阀的旁通管路，该出水管一支通过带阀的管路与海水换热器一端及热泵机组的一端相连，另一支通过带阀的管路与冰蓄能装置的一端相连，太阳能集热器的进水管路一支与海水换热器一端及热泵机组的一端相连，另一支通过带阀的管路与冰蓄能装置的另一端相连。
本发明的工作过程大致如下：
a、冰蓄冷－海水源空调系统运行模式。在夏季供冷期，该系统采用冰蓄冷－海水源空调系统运行模式，机组以海水作为冷源，其他则与传统冰蓄冷空调原理一致，冷源分为制冰模式和制冷模式，用冷端分为融冰供冷模式和机组直接供冷模式，尤其是在用电波谷期进行制冰，实现较低费用的蓄冷，在用电波峰期，融冰供冷，系统具有很好的经济效益，该发明中冷源采用温度较低且波动较小的海水，使得机组具有更高的运行效率且运行更加稳定；
b、太阳能－海水源热泵系统运行模式。该模式是冬季供暖前期和后期采用的供暖方式，海水温度一般大于2℃，太阳能集热器与海水换热器并联，双热源使得机组进水温度提高，整个热泵系统运行效率也相应提高；
c、太阳能融冰蓄热－海水源热泵系统运行模式。在冬季供暖中期，海水温度接近冰点或处于冰点时，太阳能和冰蓄冷系统相结合实现太阳能融冰蓄热，辅助海水源热泵系统一起为建筑物提供热量。该系统以海水源热泵运行为主，当海水换热器结冰厚度增加换热温差过小时，启用冰蓄能系统为热泵机组提供热源；与此同时，海水中的换热器间歇运行，海水冲刷换热器使其冰层融化。在太阳能可利用的时间里，通过太阳能集热器获取热量将冰蓄冷装置中的冰融化，即将太阳热能储存在水里。海水换热器和冰蓄能系统交替为热泵机组提供热源，保证机组更长时间的安全、有效运行。
本发明与现有技术相比具有如下优点：首先，太阳能融冰蓄热技术采用冰蓄冷装置为太阳能提供热量储存，利用了水的相变蓄热，储热量大；其次，融冰过程是在储热介质0℃条件下获取太阳热能，换热温差大，储热效率高；再次，海水换热器的间歇运行使其结冰工况得以改善，利于解决冬季海水源热泵系统中海水换热系统结冰后运行效率低的问题；最后，冬季采用冰蓄冷装置进行蓄热，还解决了设备季节性闲置问题，提高了设备利用率。本发明对冬夏两用海水源热泵空调系统进行优化改造，利用太阳能融冰蓄热技术，实现海水和太阳能热量的有效利用，使系统仅增加了一台水泵和一些水管和阀门，即可实现系统供暖时间的增加，保证供暖的连续性，提高供暖的安全性，使海水结冰工况期海水源热泵系统平稳运行。
附图说明
图1为本发明示意简图。
图2为本发明夏季运行示意简图。
图3为本发明冬季运行示意简图。
图中：1、海水换热器，2、冰蓄冷装置，3、太阳能集热器，4、热泵机组，5、用户端换热器，6、水泵A，7、水泵B，8、水泵C，9、阀A，10、阀B，11、阀C，12、阀D，13、阀E，14、阀门组A，15、阀门组B，16、阀门组C，17、阀门组D，18、阀门组E，19、阀门组F。
具体实施方式
在图1所示的太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统示意简图中，热泵机组4的一组进出水接口通过阀门组B15的管路与海水换热器1两端相连构成循环回路，并且在热泵机组进水循环回路上设有水泵B7；热泵机组的另一组设有阀门组D17的进、出水接口通过阀门组C16的管路与用户端换热器5一条通道及通过阀门组A14的管路与冰蓄冷装置2串连构成循环回路，并且在热泵机组设有带阀C11的旁通管路、用户端换热器一条通道设有带阀B10的旁通管路及冰蓄冷装置上设有带阀A9的旁通管路，另在冰蓄冷装置出水循环回路上设有水泵A6，用户端换热器另一条通道分别与用户供水和回水管相连。太阳能集热器3出水管路上设有阀门D12和水泵C8，并设带阀E13的旁通管路，该出水管通过设阀门组E18之一的管路与海水换热器一端及热泵机组的一端相连，另一支通过设阀门组F19之一的管路与冰蓄能装置的一端相连，太阳能集热器的进水管路一支与海水换热器一端及热泵机组的一端相连，另一支通过设阀门组F19之一的管路与冰蓄能装置的另一端相连。
在图2所示的太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统夏季运行的示意简图中，(关闭图1中的阀门组E18、F19)，
1、制冷工况
开启阀A9和阀门组B15、C16、D17，其他阀门关闭；水泵A6和水泵B7开启；热泵机组开启制冷，为用户直接提供冷冻水。
2、制冰工况
开启阀B10和阀门组A14、B15、D17，其他阀门关闭；水泵A6和水泵B7开启；海水源热泵机组开启制冰。冰蓄冷装置开始蓄冷，用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中。
3、单融冰供冷模式
开启阀C11和阀门组A14、C16，其他阀门关闭；泵A6开启，泵B7关闭；热泵机组关闭，冰蓄冷装置开启融冰供冷，白天融冰将所储存冷量释放出来为用户提供冷冻水。
在图3所示的太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统冬季运行的示意简图中，(关闭图1中的阀门组A14、开启阀门A9)，
1、供热前期和末期(非结冰工况)
关闭阀B10、C11、D12和阀门组F19，其他阀门开启；泵A6和B7开启，泵C8关闭；热泵机组开启制热，蒸发器侧从海水和太阳能中获取热能，冷凝器制备热水供给热用户。
2、供热中期(结冰工况)白天蓄热模式
太阳能可利用时段，关闭阀B10、C11、E13和阀门组E18，其他阀门开启；水泵A6、B7、C8开启；热泵机组供热的同时太阳能和冰蓄冷装置开始运行，融冰蓄热。
3、供热中期(结冰工况)晚上释放蓄热模式
太阳能不可利用时段，关闭阀B10、C11、D12、E13和阀门组B15，其他阀门开启；水泵A6、B7开启，泵C8关闭；热泵机组开启制热，蒸发器侧换热对象是冰蓄冷装置内的水，水结冰后释放相变潜热，冷凝器制备热水供给热用户。同时海水换热系统停止运行，换热器结冰状况得以改善。
从上述太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统结构上看，冬季运行时比夏季多了太阳能集热系统，且利用冰蓄冷设备实现太阳能热量储存。太阳能融冰蓄热系统不仅利用了水的潜热蓄热，另外融冰过程是在0℃获取太阳热能，换热温差大，效率高。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的系统模式，而得到的其他系统设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统，包括海水源热泵机组(4)、海水换热器(1)、用户端换热器(5)、冰蓄冷装置(2)及太阳能集热器(3)，其特征在于：海水源热泵机组(4)的一组进、出水接口通过带阀门组B(15)的管路与海水换热器(1)两端相连构成循环回路，并且在热泵机组进水循环回路上设有水泵B(7)；热泵机组的另一组进、出水接口通过带阀门组D(17)、C(16)的管路与用户端换热器(5)一条通道及带阀门组A(14)的管路与冰蓄冷装置(2)串连构成循环回路，并且在热泵机组设有带阀C(11)的旁通管路、用户端换热器一条通道设有带阀B(10)的旁通管路及冰蓄冷装置上设有带阀A(9)的旁通管路，另在冰蓄冷装置出水循环回路上设有水泵A(6)，用户端换热器另一条通道分别与用户供水和回水管相连；太阳能集热器出水管路上设有阀门D(12)和水泵C(8)，并设带阀E(13)的旁通管路，该出水管一支通过带阀门组E(18)的管路与海水换热器一端及热泵机组的一端相连，另一支通过带阀门组F(19)的管路与冰蓄冷装置的一端相连，太阳能集热器的进水管路一支与海水换热器一端及热泵机组的一端相连，另一支通过带阀门组F(19)的管路与冰蓄冷装置的另一端相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能辅助冰蓄能海水源热泵空调系统，其特征是：冬季运行供热中期，结冰工况下白天蓄热模式：太阳能可利用时段，关闭阀B(10)、C(11)、E(13)和阀门组E(18)，其他阀门开启：水泵A(6)、B(7)、C(8)开启；晚上释放蓄热模式：太阳能不可利用时段，关闭阀B(10)、C(11)、D(12)、E(13)和阀门组B(15)，其他阀门开启：水泵A(6)、B(7)开启，水泵C(8)关闭。
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