CN107355841A - 一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，该采暖系统包括呈循环回路的导热管，所述导热管依次经过空气源热泵、加热单元及多级储能单元，所述导热管内填充导热介质，所述多级储能单元中铺设传热导管，并通过传热导管中的传热介质将多级储能单元中的热量传递给热用户。与现有技术相比，本发明利用电辅助加热、空气预热的方法可以实现空气源热泵全天候的高效使用，采用低谷电以及高低温梯级储热释热的方法提高能源利用效率，采用高密度相变储热装置获得更低的空间需求和稳定的温度输出，具有体积小、高效率、全天候自适应以及良好经济性的优点。

Description

一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统

技术领域

本发明涉及热泵空调供暖领域，具体涉及一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统。

背景技术

随着社会的不断变革与进步，能源已成为人类赖以生存与发展的基石。工业革命以来，化石燃料消耗的迅猛增加对能源安全、环境保护提出了巨大挑战。在能源消耗中，建筑能耗庞大，而其中最大的能源消耗来自于制冷空调以及供暖领域。为了节约能源减少碳排放，高效的节能技术不断被提出。

相比于目前日趋成熟的空调制冷技术，家庭及工业供热效率普遍不高，依然存在大量电加热、燃气加热等低效率高污染的产热方式。而近些年来随着雾霾问题的突出，人们逐渐认识到节能环保的空气源热泵具有广阔应用前景，但其供热温度普遍低于50℃、蒸发温度受制于环境温度以及水箱体积庞大等一系列问题对空气源热泵的推广提出了挑战。因此，以太阳能热、地热源为代表的新能源辅助空气源热泵受到广泛关注，但新能源的低密度、间歇性以及不稳定性致使其并不能完美地辅助空气源热泵热水系统。相比之下，低谷电的利用具有更好的可靠性和经济性。在此背景下，一种利用低谷电驱动与高密度储热相结合的空气源热泵多模式采暖方法及系统被提出，用以克服传统空气源热泵的不足、提高能源利用效率且具有良好的经济性。

经查阅现有相关专利文献，中国专利申请号为CN201420352471.4的“太阳能季节性蓄热复合低谷电驱动空气源热泵系统”综合利用了太阳能以及低谷电，该系统较新颖但各种能源难以完美匹配且系统复杂导致经济性较差。中国专利申请号为CN201420641206.8的“谷电储能热泵热水装置”提出了一种利用谷电储能的热水装置，但依然没有克服传统空气源热泵在低温环境中效率低下甚至无法使用的问题，且没有提出详细具体的运行方法和应用说明。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种经济性好、能量利用率高、适应性强的低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，所述采暖系统包括呈循环回路的导热管，所述导热管依次经过空气源热泵、加热单元及多级储能单元，所述导热管内填充导热介质，所述多级储能单元中铺设传热导管，并通过传热导管中的传热介质将多级储能单元中的热量传递给热用户。

本发明利用夜间价格低廉的低谷电驱动空气源热泵产生热水与高密度相变储能装置换热从而实现高密度热量的储存，采用高密度的相变储能材料大幅降低传统水箱体积。此外，在寒冷的冬季夜晚，传统的空气源热泵性能下降，使用低谷电驱动空气源热泵的同时，低谷电辅助加热单元加热空气源热泵出口热水，以达到相变储能材料相变所需温度。在极寒冷的冬季夜晚，传统空气源热泵无法工作，则采用完全电加热方式从而保证系统的全天候可运行。在白天，空气源热泵停止工作，高密度的相变储能装置向热用户供热，热用户中采用循环水通过风机盘管供暖以及地板供暖，而有一定余热的生活废水则流向低温相变储热装置用于在夜间预热空气源热泵中的循环水以提高能源利用效率。

所述的导热管上设有循环泵，所述导热介质为水。

所述的加热单元包括电热器，该电热器主要是利用低谷电进行驱动，价格更低。

所述的多级储能单元包括至少两级相变储能装置，所述导热管从上一级相变储能装置出来后连接三通换向阀的入口，所述三通换向阀的一个出口直接通过导热管与进入空气源热泵的导热管连通，三通换向阀的另一个出口连接的导热管进入下一级相变储能装置，其中，多级相变储能装置的分布按照填充的相变材料的相变温度高低进行，即高温的相变材料填充在上一级相变储能装置中，低温的相变材料填充在下一级相变储能装置中。高温的相变材料以三水合醋酸钠为代表，低温的相变材料以十水合硫酸钠为代表。

优选的，所述的多级储能单元为两级储能单元，包括高温相变储能装置和低温相变储能装置，所述导热管从空气源热泵中出发，经过加热单元后进入所述高温相变储能装置，然后连接三通换向阀的入口，所述三通换向阀的一个出口通过导热管回到空气源热泵，所述三通换向阀另一个出口连接的导热管经过低温箱变储能装置后回到空气源热泵。

所述的空气源热泵包括蒸发器和冷凝器，所述导热管经过冷凝器，所述蒸发器的热流管程通过空气管连通大气，且所述空气管经过至少一级相变储能装置。

一种传热导管的布置方式如下：所述的传热导管为水管，所述水管的一端通入冷自来水，冷自然水经过第一级相变储能装置后变成热水被热用户使用，使用后的废水通过水管依次流经后续相变储能装置后排出。

另一种传热导管的布置方式如下：所述的传热导管为循环水管，所述循环水管上设置采暖循环水泵，所述循环水管依次经过某一级相变储能装置、采暖盘管和地板采暖管。两种传热导管的布置方式可单独存在，也可同时存在，且如有其它的传热导管布置方式，也是可以的。

该系统根据不同的气候条件可以实现以下四种夜间储热白天供热模式，以两级储能单元为例进行说明：夏季夜晚气温较高时，利用廉价的低谷电驱动空气源热泵产生高温热水，通过换热后储存在高温相变储热装置中，此时循环水不流入低温相变储热装置，白天使用高温相变储热装置仅向热用户提供热水；春秋季夜晚气温较低时，空气源热泵输出热源通过水换热后分别存储在高温相变储热装置和低温相变储热装置中，低温相变储热装置中供暖水循环工作提供风机盘管采暖和地板采暖，同时预热流经空气源热泵蒸发器的空气从而提高工作效率和输出温度；在寒冷的冬季夜晚，空气源热泵的输出温度大幅下降，低温相变储能装置的预热已经不能满足工作需求，使用辅助电加热装置加热，提高出口水温以达到高温相变储热材料的相变温度。在北方极其寒冷的冬季夜晚，空气源热泵完全失效停止工作时，仅采用低谷电加热循环水，将热量储存在相变储能装置中以供白天使用。以上四种模式均采用夜间加热储热，白天放热的方法，具体如下：

当所述系统运行模式为夏季模式时，夜晚，空气源热泵工作，冷凝器与电加热器之间的循环泵工作，电加热器不工作，高温相变储热装置出口的三通阀与冷凝器相连，低温储热装置与风机盘管之间的采暖循环水泵关闭，相变储热装置温度超过相变温度后所有设备停止工作。白天，所有设备停止工作，热水用户打开旋拧阀门即可得到热水。

当所述系统运行模式为春秋季模式时，夜晚，空气源热泵工作，冷凝器与电加热器之间的循环泵工作，电加热器不工作，高温相变储热装置出口三通阀与低温储热装置相连，相变储热装置温度超过相变温度后所有设备停止工作，仅保持低温储热装置与风机盘管之间的采暖循环水泵工作。白天，仅打开低温储热装置与风机盘管之间的采暖循环水泵，其余设备停止工作，热水用户可打开旋拧阀门得到热水。

当所述系统运行模式为冬季模式时，夜晚，空气源热泵工作，冷凝器与电加热器之间的循环泵工作，系统检测到高温相变储热装置入口温度低于相变材料相变温度时，电加热器开始工作，高温相变储热装置出口三通阀与低温储热装置相连，相变储热装置温度超过相变温度后所有设备停止工作，仅保持低温储热装置与风机盘管之间的采暖循环水泵工作。白天，仅打开低温储热装置与风机盘管之间的采暖循环水泵，其余设备停止工作，热水用户可打开旋拧阀门得到热水。

当所述系统运行模式为极寒冷冬季模式时，夜晚，空气源热泵无法运行，冷凝器与电加热器之间的循环泵工作，电加热器工作，高温相变储热装置出口三通阀与低温储热装置相连，相变储热装置温度超过相变温度后所有设备停止工作，仅保持低温储热装置与风机盘管之间的采暖循环水泵工作。白天，仅打开低温储热装置与风机盘管之间的采暖循环水泵，其余设备停止工作，热水用户可打开旋拧阀门得到热水。

本发明的四种功能模式工作流程如下：

第一种模式：夏季工况下，环境温度高，空气源热泵效率高，使用夜间储热，白天放热的方法。具体有以下两个过程：

(1)夜间，利用廉价的低谷电能驱动空气源热泵提供高温输出热源，空气源热泵的冷凝换热器出口的循环泵工作，通过水循环将冷凝器中的热量传输到高温相变储能装置中储存，由于夏季不需要采暖因此高温相变储热装置出口水通过三通阀直接与冷凝器相连，低温储热装置不储热从而降低储热消耗，此时采暖水循环不工作。当高温储热装置中相变材料超过相变温度后即热量已经储满，系统停止工作。

(2)白天，空气能热泵停止工作，储热水循环停止。热水用户打开高温相变储热装置出口的旋拧阀，自来水流经高温相变储热装置换热后温度升高，以供洗澡等生活用水使用。由于夏季温度高，不需要室内采暖，采暖系统不工作。

第二种模式：春秋季工况下，环境温度较低，空气源热泵效率开始下降，使用低温相变储热材料预热空气从而提高系统性能。具体有以下两个过程：

(1)夜间，利用廉价的低谷电能驱动空气源热泵提供高温输出热源，空气源热泵的冷凝换热器出口的循环泵工作，通过水循环将冷凝器中的热量传输到高温相变储能装置中储存，由于春秋季夜间气温较低导致空气源热泵输出温度下降，高温储热装置出口通过三通阀与低温储热装置相连，低温储热装置储热一部分提供夜间采暖使用一部分用于预热空气从而提高空气源热泵输出温度和使用效率另一部分储存下来以供白天采暖使用，夜间采暖循环水泵工作，采暖风机盘管工作。当高温储热装置中相变材料超过相变温度后即热量已经储满，系统停止工作，室内采暖水循环继续工作。

(2)白天，空气能热泵停止工作，储热水循环停止。热水用户打开高温相变储热装置出口的旋拧阀，自来水流经高温相变储热装置换热后温度升高，以供洗澡等生活用水使用，尚有一定余热的生活废水流入低温相变储热装置中以回收余热。室内采暖循环水泵工作，将低温相变储能装置中的热量传输至风机盘管以及地板采暖中。

第三种模式：冬季工况下，环境温度很低，空气源热泵效率大幅下降，使用低温相变储热材料预热空气已不能满足储热要求，使用电加热辅助储热。具体有以下两个过程：

(1)夜间，利用廉价的低谷电能驱动空气源热泵提供高温输出热源，空气源热泵的冷凝换热器出口的循环泵工作，通过水循环将冷凝器中的热量传输到高温相变储能装置中储存，由于南方季夜间气温较低导致空气源热泵输出温度大幅下降，开启辅助电加热器通过测试高温相变储热装置入口水温从而调节电加热功率，控制高温储热装置入口水温达到储热要求，高温储热装置出口通过三通阀与低温储热装置相连，低温储热装置储热一部分提供夜间采暖使用一部分用于预热空气从而提高空气源热泵输出温度和使用效率另一部分储存下来以供白天采暖使用，夜间采暖循环水泵工作，采暖风机盘管工作。当高温储热装置中相变材料超过相变温度后即热量已经储满，系统停止工作，室内采暖水循环继续工作。

(2)白天，使用与春秋季类似。

第四种模式：在极寒冷的冬季工况下，环境温度极低，空气源热泵无法工作，使用夜间低谷电加热储热。具体有以下两个过程：

(1)夜间，空气源热泵停止工作，开启电加热器，通过测试高温相变储热装置入口水温从而调节电加热功率，控制高温储热装置入口水温达到储热要求，高温储热装置出口通过三通阀与低温储热装置相连，低温储热装置储热一部分提供夜间采暖，另一部分储存下来以供白天采暖使用，夜间采暖循环水泵工作，采暖风机盘管工作。当高温储热装置中相变材料超过相变温度后即热量已经储满，系统停止工作，室内采暖水循环继续工作。

(2)白天，使用与春秋季类似。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)采用夜间低谷电驱动空气源热泵产热的方式提高电能使用效率降低经济成本，其经济效益是传统直接电加热供热的六倍以上。在大范围的使用情况下，对电网而言起到了削峰填谷以及减小电网波动的作用；

(2)采用低谷电辅助加热空气源热泵以及相变储热材料预热空气的方法，可以实现空气源热泵的全天候工作，克服传统空气源热泵热水器受制于环境温度的缺陷，从而拓展了空气源热泵热水系统的使用范围；

(3)采用高密度的水合盐相变储热材料替代传统的水箱储热，大幅减小系统的体积，可以将原有水箱体积缩小一半以上。采用相变材料储热不仅可以实现能源跨时间的调节还获得了更稳定的输出温度，让热用户获得更好的体验。另外，采用高低温两个相变储热装置实现热能的梯级利用，大幅提高热能利用效率。

附图说明

图1为本发明采暖系统的连接示意图；

图2为夏季模式原理示意图；

图3为春秋季模式原理示意图；

图4为冬季模式原理示意图；

图5为极寒冷冬季模式原理示意图。

其中，1为空气源热泵，2为电热器，3为高温相变储能装置，4为热水用户，5为采暖盘管，6为地板采暖管，7为冷凝器，8为蒸发器，9为低温相变储能装置，10为循环泵，11为旋拧阀，12为三通换向阀，13为采暖循环水泵。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其结构如图1所示，包括：空气源热泵1，循环水10，电热器2，高温相变储能装置3，旋拧阀11，热水用户4，采暖盘管5，地板采暖管6，采暖循环水泵13，低温相变储热装置9，三通换向阀12。空气源热泵1包括冷凝器7和蒸发器8，空气源热泵1的冷凝器7出口与循环泵10的入口相通，循环泵10的出口与电热器2的入口相通，电热器2的出口与高温相变储热装置3的入口相通，高温相变储热装置3的出口与三通换向阀12的入口相通，三通换向阀12的出口分别与低温相变储热装置9的入口以及冷凝器7的入口相通，低温相变储热装置9的出口与冷凝器7的入口相通，高温相变储热装置3与外部自来水相通其出口与热水用户4的旋拧阀11入口相通，旋拧阀11出口为热水用户4，热水用户4的废水出口与低温相变储热装置9的入口相通，生活废水经低温相变储热装置9与下水管道入口相通，低温相变储热装置9的另一出口与采暖循环水泵13的入口相通，采暖循环水泵13的出口与采暖盘管5入口相通，采暖盘管5出口与地板采暖管6的入口相通，地板采暖管6的出口与低温相变储热装置9的入口相通，外部空气通过管道与低温相变储热装置99的新风入口相通，其出口与蒸发器8风道入口相通。

本发明专利包括以下几种工作模式：

如图2所示，夏季工况模式，此工况下环境温度高空气源热泵空调性能良好。在夜晚，低谷电驱动空气源热泵1工作，在冷凝器7中产生高温热水，循环泵10工作，驱动热水流经高温相变装置3，并将热量传递到高温相变储热装置3中储存，三通换向阀12转向与冷凝器7直接连接，当高温相变储热装置3的温度高于相变材料相变温度时，空气源热泵1与循环泵10停止工作。此模式中，电热器2、低温相变储热装置9以及采暖循环水泵13均不工作。白天，空气源热泵1与循环泵10均不工作，热水用户4通过打开旋拧阀11使得自来水流经高温相变储热装置3从而获得高温热水，采暖循环水泵13不工作。

如图3所示，春秋季工况模式，夜间气温较低使得空气源热泵1输出温度小幅下降。与夏季工况类似，利用夜间廉价低谷电驱动空气源热泵1工作，在冷凝器7中产生较高温热源，循环泵10工作，驱动水循环将冷凝器7中的热量传递到高温相变储热装置3中储存，此模式中电热器2不工作，采暖循环水泵13根据用户需求选择是否工作。白天，空气源热泵1与循环泵10均不工作，热水用户4通过打开旋拧阀11使得自来水流经高温相变储热装置3从而获得高温热水，采暖循环水泵13根据用户采暖需求选择是否工作。

如图4所示，冬季工况模式，夜间气温很低使得空气源热泵1输出温度大幅下降。在夜间，利用廉价低谷电驱动空气源热泵1工作，在冷凝器7中产生低温热源，循环泵10工作，驱动水循环将冷凝器7中的热量传递到电热器2中加热，通过调节电热器2的加热功率加热循环水获得高于相变材料相变温度的水温，随后流入高温相变储热装置3中储热，三通换向阀12转向与低温相变储热装置7相通，低温相变储热装置9预热进入蒸发器8的新风，从而提高冷凝器7输出温度，当高温相变储热装置3与低温相变储热装置9的温度高于相变材料相变温度时，空气源热泵1、循环泵10以及电热器2停止工作，采暖循环水泵13、采暖盘管5与地板采暖管6根据用户需求选择是否工作。白天，空气源热泵1与循环泵10以及电热器2均不工作，热水用户4通过打开旋拧阀11使得自来水流经高温相变储热装置3从而获得高温热水，采暖循环水泵13、采暖盘管5与地板采暖管6根据用户采暖需求选择是否工作。

如图5所示，极寒冷冬季工况，夜间气温极低致使空气源热泵1完全无法工作。在夜间仅利用廉价低谷电驱动电热器2，循环泵10工作，通过调节电热器2的加热功率加热循环水获得高于相变材料相变温度的水温，随后流入高温相变储热装置3中储热，三通换向阀12转向与低温相变储热装置7相通，当高温相变储热装置3与低温相变储热装置9的温度高于相变材料相变温度时，空气源热泵1、循环泵10以及电热器2停止工作，采暖循环水泵13、采暖盘管5与地板采暖管6始终保持工作。白天，空气源热泵1与循环泵10以及电热器2均不工作，热水用户4通过打开旋拧阀11使得自来水流经高温相变储热装置3从而获得高温热水，采暖循环水泵13工作，采暖盘管5与地板采暖管6工作。

与传统空气源热泵热水器相比，本发明采用夜间低谷电驱动空气源热泵1的方式提高电能使用效率降低经济成本，其经济效益是传统直接电加热供热的六倍以上。在大范围的使用情况下，对电网而言起到了削峰填谷以及减小电网波动的作用

与传统空气源热泵热水器相比，本发明采用低谷电辅助加热空气源热泵1以及利用低温相变储热装置预热空气的方法，可以实现空气源热泵的全天候工作，克服传统空气源热泵热水器受制于环境温度的缺陷，从而拓展了空气源热泵热水系统的使用范围。

与传统空气源热泵热水器相比，本发明采用高密度的水合盐相变储热材料作为高温相变储热装置中储热材料替代传统的水箱中水储热，大幅减小系统的体积，可以将原有水箱体积缩小一半以上。采用相变材料储热不仅可以实现能源跨时间的调节还获得了更稳定的输出温度，让热用户获得更好的体验。另外，采用高温储能装置与低温储能装置两个相变储热装置实现热能的梯级利用，大幅提高热能利用效率。

Claims (8)

1.一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其特征在于，所述采暖系统包括呈循环回路的导热管，所述导热管依次经过空气源热泵、加热单元及多级储能单元，所述导热管内填充导热介质，所述多级储能单元中铺设传热导管，并通过传热导管中的传热介质将多级储能单元中的热量传递给热用户。

2.根据权利要求1所述的一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其特征在于，所述的导热管上设有循环泵，所述导热介质为水。

3.根据权利要求1所述的一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其特征在于，所述的加热单元包括电热器。

4.根据权利要求1所述的一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其特征在于，所述的多级储能单元包括至少两级相变储能装置，所述导热管从上一级相变储能装置出来后连接三通换向阀的入口，所述三通换向阀的一个出口直接通过导热管与进入空气源热泵的导热管连通，三通换向阀的另一个出口连接的导热管进入下一级相变储能装置。

5.根据权利要求4所述的一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其特征在于，所述的多级储能单元为两级储能单元，包括高温相变储能装置和低温相变储能装置，所述导热管从空气源热泵中出发，经过加热单元后进入所述高温相变储能装置，然后连接三通换向阀的入口，所述三通换向阀的一个出口通过导热管回到空气源热泵，所述三通换向阀另一个出口连接的导热管经过低温箱变储能装置后回到空气源热泵。

6.根据权利要求4所述的一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其特征在于，所述的空气源热泵包括蒸发器和冷凝器，所述导热管经过冷凝器，所述蒸发器的热流管程通过空气管连通大气，且所述空气管经过至少一级相变储能装置。

7.根据权利要求4所述的一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其特征在于，所述的传热导管为水管，所述水管的一端通入冷自来水，冷自然水经过第一级相变储能装置后变成热水被热用户使用，使用后的废水通过水管依次流经后续相变储能装置后排出。

8.根据权利要求4所述的一种低谷电驱动的空气源热泵多模式采暖系统，其特征在于，所述的传热导管为循环水管，所述循环水管上设置采暖循环水泵，所述循环水管依次经过任一级相变储能装置、采暖盘管和地板采暖管。