CN106979544B - 一种空气源跨临界co2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统 - Google Patents

一种空气源跨临界co2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统，包括CO2空气源热泵机组、第一变频水泵、高熔点相变蓄热装置、用户、第二变频水泵、低熔点相变蓄热装置以及多个电磁阀，其中，在CO2跨临界循环热泵供暖系统二次换热侧结合多熔点相变蓄热装置，利用低熔点相变蓄热装置吸收回水余热，降低回水温度，进而降低节流阀前工质温度，减小节流损失，使其CO2放热过程温度滑移与热水形成较好的温度匹配，充分发挥CO2跨临界循环热泵供暖系统的独特优势。此外，在电力峰价或热泵供热效率较低时，系统切换为释热模式，利用相变装置内的热量进行供热。本发明提供的供暖系统可在电力负荷波峰波谷分时段运行控制，进而提高热泵机组的综合利用性能。

Description

一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统
技术领域：
本发明属于暖通空调领域，具体涉及一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统。
背景技术：
近年来，我国雾霾污染频频爆发，程度愈加严重，不仅影响居民的身体健康及交通的安全通畅，也给社会生产和生活带来了重大负面影响。而燃煤供暖造成的污染排放是导致雾霾最主要的原因之一。因此，寻找一种高效、节能、环保的采暖设备变得尤为重要。
热泵作为一种能够有效提升热能品位的技术得到了广泛关注，其中空气源热泵以其清洁、高效、稳定等优点被广泛应用于暖通空调领域。空气源热泵以空气作为低温热源，通过少量高位电能驱动，将空气中的低位热能提升成高位热能加以利用的装置，是重要的采暖和生活热水设备之一，被认为是减少CO2排放和降低对化石燃料依赖程度最具有发展潜力的环保产品。然而，空气源热泵受室外气温波动的影响较大，且出力与供暖空调负荷大小相反，尤其是低温环境对压缩机的性能影响很大。此外，农村传统燃煤供暖的末端形式多以散热器为主，供回水温度相对较高，传统空气源热泵无法满足用户要求。第三，虽然新合成的制冷工质在替代CFCs和HCFCs类制冷剂方面具有积极作用，但研究表明，这些新工质并没有达到“长期”替代物的要求，这些物质的寿命或长或短，都会增加温室效应，或分解产生其它的副作用。从环境的长期安全性出发，重新启用自然工质是一种非常安全的选择。而以CO2作为自然工质的跨临界循环中工质高压端释热过程是个变温过程,能够实现和冷却介质之间的良好的温度匹配，正好满足热泵采暖、热水供应、干燥等应用中对梯级放热的要求。
然而，研究发现，由于二次侧换热供回水温度较高，造成气体冷却器出口温度较高，导致CO2跨临界热泵机组节流损失较大，且节流损失随节流前的温度急剧增加，最终导致CO2热泵供暖系统性能下降，且当末端换热设备为散热器时尤为突出。
纵观国内外研究现状，CO2热泵供暖技术有了很大的改进，但在实际运行过程中性能仍然难以令人满意，且在低温环境下系统的稳定性和可靠性也远没有解决。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统，包括CO2空气源热泵机组，CO2空气源热泵机组出口与第一变频水泵连通，第一变频水泵出口分为两路，一路经第一电磁阀与高熔点相变蓄热装置入口连接，另一路经第二电磁阀出口与高熔点相变蓄热装置出口混合后与用户入口连接，用户出口分为两路，一路与第三电磁阀入口连接，一路与第四电磁阀入口连接并连接第二变频水泵入口，第二变频水泵出口与第三电磁阀出口连接后与低熔点相变蓄热装置入口连接，低熔点相变蓄热装置出口分为两路，一路经第五电磁阀与高熔点相变蓄热装置入口连接，另一路与CO2空气源热泵机组侧入口连接。
本发明进一步的改进在于，高熔点相变蓄热装置其相变温度为50～65℃，低熔点相变蓄热装置其相变温度为35～45℃。
本发明进一步的改进在于，高熔点相变蓄热装置和低熔点相变蓄热装置内均设置有用于监测相变材料温度变化的温度传感器，两个温度传感器的输出端分别连接至控制器，控制器的输出端分别连接至第一电磁阀的控制端和第二电磁阀的控制端。
本发明进一步的改进在于，用户的进出口的供回水管路均设有监测水温变化的温度传感器，两个温度传感器的输出端分别连接至控制器，控制器的输出端分别连接至第一变频水泵的控制端和第二变频水泵的控制端，用于调节第一变频水泵和第二变频水泵频率。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
根据研究(见马一太，洪芳军，王景刚等，CO2跨临界双级压缩采暖热泵理论分析，大连理工大学学报，2001,11(41)s1-s8)，在蒸发压力p3＝1 000kPa,蒸发温度te＝0℃时，当节流前工质温度t2为50℃时，节流损失比约为80％(见文献图1)，当t2降低至45℃时，节流损失比约为64％，降低了约16％。因此，本发明在CO2跨临界循环热泵供暖系统二次侧结合多熔点相变蓄热装置，利用相变材料吸收回水余热，使回水温度由50℃(目前新型散热器供回水温度为 70/50℃)降低至约45℃(此时节流前工质也降低约5℃)，极大地减小节流损失，使其CO2放热过程温度滑移与热水形成较好的温度匹配，充分发挥CO2跨临界循环热泵供暖系统的独特优势。此外，在电力峰价时或空气源热泵机组性能较低时，热泵机组停止工作，利用蓄热装置内热量进行供热。该系统可在电力负荷波峰波谷分时段运行控制，进一步提高热泵机组的综合利用性能。
进一步，在高熔点相变蓄热装置和低熔点相变蓄热装置内分别设置有用于监测相变材料温度变化的温度传感器，两个温度传感器的输出端分别连接至控制器，控制器的输出端分别连接至第一电磁阀的控制端和第二电磁阀的控制端，工作时，温度传感器的测量值与控制器设定的阈值比较，产生控制信号，根据控制信号即可实现对第一电磁阀和第二电磁阀的开启和关闭。
进一步，通过在用户的进出口的供回水管路均设有监测水温变化的温度传感器，两个温度传感器的输出端分别连接至控制器，控制器的输出端分别连接至第一变频水泵的控制端和第二变频水泵的控制端，用于调节第一变频水泵和第二变频水泵频率以满足供暖负荷。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明供热模式的工作原理图；
图3为本发明释热模式的工作原理图。
图中：1为CO2空气源热泵机组，2为第一变频水泵，3为第一电磁阀， 4为第二电磁阀，5为高熔点相变蓄热装置，6为用户，7为第三电磁阀，8 为第四电磁阀，9第二变频水泵，10为低熔点相变蓄热装置，11为第五电磁阀。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明提供的一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统，包括CO2空气源热泵机组1，CO2空气源热泵机组1出口与第一变频水泵2连通，第一变频水泵2出口分为两路，一路经第一电磁阀3与高熔点相变蓄热装置5入口连接，另一路经第二电磁阀4出口与高熔点相变蓄热装置5 出口混合后与用户6入口连接，用户6出口分为两路，一路与第三电磁阀7入口连接，一路与第四电磁阀8入口连接并连接第二变频水泵9入口，第二变频水泵9出口与第三电磁阀7出口连接后与低熔点相变蓄热装置10入口连接，低熔点相变蓄热装置10出口分为两路，一路经第五电磁阀11与高熔点相变蓄热装置5入口连接，另一路与CO2空气源热泵机组1侧入口连接。
本发明在高熔点相变蓄热装置5和低熔点相变蓄热装置10内分别设置有用于监测相变材料温度变化的温度传感器，两个温度传感器的输出端分别连接至控制器，控制器的输出端分别连接至第一电磁阀3的控制端和第二电磁阀4的控制端，工作时，温度传感器的测量值与控制器设定的阈值比较，产生控制信号，根据控制信号即可实现对第一电磁阀3和第二电磁阀4的开启和关闭。
用户6的进出口的供回水管路均设有监测水温变化的温度传感器，两个温度传感器的输出端分别连接至控制器，控制器的输出端分别连接至第一变频水泵2的控制端和第二变频水泵9的控制端，用于调节第一变频水泵2和第二变频水泵9频率以满足供暖负荷。
本发明空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统运行模式有供热模式和释热模式。
以下为供热模式和释热模式的具体流程。
供热模式参见图2：第四电磁阀8和第五电磁阀11关闭，第一电磁阀3和第二电磁阀4打开。从低熔点相变蓄热装置10出口的回水在空气源热泵机组1 内与CO2工质进行热交换，为了确保释热模式下室内环境的热舒适性，与CO2空气源热泵机组1换热后，经第一变频水泵2出口的供水分为两路，一路经第一电磁阀3在高熔点相变材料蓄热装置5蓄热后，与另一流路经第二电磁阀4 后混合，进入用户6进行供热，热量释放后回水经第三电磁阀7进入低熔点相变材料10进一步冷却降温，之后在CO2空气源热泵机组1内与工质换热，完成供热循环。由于回水经过低熔点相变蓄热装置10进一步冷却，降低了节流阀前工质的温度，减小了节流损失，提高了CO2空气源热泵机组的制热性能。当电价处于峰值时或热泵制热效率较低时，系统切换为释热模式。
释热模式(图3)：热泵机组停止工作，第一电磁阀3、第二电磁阀4和第三电磁阀7关闭。从用户6供热后回水经第四电磁阀8后经第二变频水泵9进入低熔点相变蓄热装置10进行换热，之后进入高熔点相变蓄热装置5进一步换热，温度进一步升高，进入用户6进行供热，完成释热模式循环。
本发明的特点在于在：
1)本发明在供热模式下利用低熔点相变蓄热装置10对用户6出口回水的余热进行回收，降低回水温度，进而降低CO2空气源热泵节流阀前工质温度，减小热泵机组节流损失，使其CO2放热过程温度滑移与热水形成较好的温度匹配，充分发挥CO2跨临界循环热泵供暖系统的独特优势。
2)为提高释热模式下供水温度，本发明在供热系统内设有高熔点相变蓄热装置5，释热模式下回水先经过低熔点的相变蓄热装置10，再经高熔点的相变蓄热装置5后温度升高，有利于提高室内环境热舒适性。
3)本发明在高熔点相变蓄热装置5和低熔点相变蓄热装置10内设置温度传感器，供热模式下，根据相变材料介质温度的变化调节流路(第一电磁阀3- 高熔点相变蓄热装置5-用户6)和流路(第二电磁阀4-用户6)的比例分配，确保释热模式下蓄热量满足供热要求。
4)本发明在用户6进出口的供回水管路设有监测水温变化的温度传感器，，根据供回水温度变化调节第一变频水泵2和第二变频水泵9的频率，改变供水流量，以确保室内热舒适性。
5)本发明在电力峰价或空气源热泵机组供热效率较低时，可利用高熔点相变蓄热装置5和低熔点相变蓄热装置10内热量进行供热，采用电力负荷波峰波谷分时段运行控制策略，提高热泵系统的综合利用性能。

Claims (4)

1.一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统，其特征在于，包括CO2空气源热泵机组(1)，CO2空气源热泵机组(1)出口与第一变频水泵(2)连通，第一变频水泵(2)出口分为两路，一路经第一电磁阀(3)与高熔点相变蓄热装置(5)入口连接，另一路经第二电磁阀(4)出口与高熔点相变蓄热装置(5)出口混合后与用户(6)入口连接，用户(6)出口分为两路，一路与第三电磁阀(7)入口连接，一路与第四电磁阀(8)入口连接并连接第二变频水泵(9)入口，第二变频水泵(9)出口与第三电磁阀(7)出口连接后与低熔点相变蓄热装置(10)入口连接，低熔点相变蓄热装置(10)出口分为两路，一路经第五电磁阀(11)与高熔点相变蓄热装置(5)入口连接，另一路与CO2空气源热泵机组(1)侧入口连接。
2.根据权利要求1所述的一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统，其特征在于，高熔点相变蓄热装置(5)其相变温度为50～65℃，低熔点相变蓄热装置(11)其相变温度为35～45℃。
3.根据权利要求1所述的一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统，其特征在于，高熔点相变蓄热装置(5)和低熔点相变蓄热装置(10)内均设置有用于监测相变材料温度变化的温度传感器，两个温度传感器的输出端分别连接至控制器，控制器的输出端分别连接至第一电磁阀(3)的控制端和第二电磁阀(4)的控制端。
4.根据权利要求1所述的一种空气源跨临界CO2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统，其特征在于，用户(6)的进出口的供回水管路均设有监测水温变化的温度传感器，两个温度传感器的输出端分别连接至控制器，控制器的输出端分别连接至第一变频水泵(2)的控制端和第二变频水泵(9)的控制端，用于调节第一变频水泵(2)和第二变频水泵(9)频率。
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