CN108151368A - 一种储能式高效空气源热泵供暖系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能式高效空气源热泵供暖系统及方法，系统包括储能子系统、空气预热器、输配电子系统和空气源热泵。空气压缩机、储热/换热器、储气室、回热器、加热器、透平膨胀机依次连通构成储能子系统；透平膨胀机与发电机连接，发电机通过输配电子系统与空气源热泵电动机连接；储热/换热器排水口与空气预热器进水口连通，空气预热器排水口经循环泵与储热/换热器进水口连通。可将夜间电网低谷电转变成空气压力能存储，同时利用压缩热预热空气源热泵进口空气以提高夜间低温下热泵能效，白天用电高峰时段将存储的空气压力能转换成电能驱动空气源热泵。能够有效降低空气源热泵运行电费，并能解决夜间低温环境下空气源热泵能效不高问题。
Description
技术领域
本发明涉及清洁供暖技术领域，具体的说，是涉及一种储能式高效空气源热泵供暖系统及方法。
背景技术
目前所采用的储能式供暖技术主要是蓄热电锅炉，它利用夜间低谷电将蓄热介质(水或固体材料)加热到一定温度储存热量，在平电时段和峰电时段利用所储存的热量供暖。由此，可以大幅降低电供暖费用，但蓄热电锅炉仅仅利用峰谷电差价，并不具有节能效益，若计入蓄热介质散热损失，其电热转换效率低于普通电锅炉。
空气源热泵是采用电能驱动，以环境空气作为低品位热源供暖，具有能效高、系统简单、操作维护方便的特点。与电锅炉相比，空气源热泵的COP值通常高于2，即1kW电能可产生 2kW以上热量，具有较好的节能效益，是煤改电的重要技术选择。然而，现阶段空气源热泵技术还存在以下问题：1)能效受环境空气温度影响大。北方地区冬季昼夜温差较大，白天室外环境温度通常在0℃以上，空气源热泵COP值可达到2.8以上，而夜间环境温度逐渐降至约-10℃以下，COP值低于2。此外，在低于0℃环境下，蒸发器结霜现象严重，需要不断除霜，一旦出现这种情况，COP值甚至会低于1以致不能运行。2)不适合与现有储热技术联用。空气源热泵只能产生约60℃热水，由于温度较低，能量密度低，若以之用作蓄热则所需蓄热介质容量极大，经济性差。
因而，有必要设计一种新型的储能式高效空气源热泵供暖系统，来解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种储能式高效空气源热泵供暖系统及方法，其能克服现有空气源热泵供暖技术的不足。该系统可将夜间电网低谷电转变成空气压力能存储，同时利用压缩热预热空气源热泵进口空气以提高夜间低温下热泵能效，在白天用电高峰时段将存储的空气压力能转换成电能驱动空气源热泵。
为了解决以上问题，本发明的技术方案为：
一种储能式高效空气源热泵供暖系统，包括低压空气压缩机、储热/换热器、高压空气压缩机、第一冷却管束、第二冷却管束、储气室、回热器、加热器、透平膨胀机、电机、空气源热泵、空气预热器和低压配电子系统；
其中，低压空气压缩机的进气口与空气连通，排气口与第一冷却管束的一端连接，第一冷却管束的另一端与高压空气压缩机的进气口连接，高压空气压缩机的排气口与第二冷却管束的一端连接，第二冷却管束的另一端通过止回阀与储气室连接，第一冷却管束和第二冷却管束均设置于储热/换热器中；储热/换热器的空腔提供盛放储热介质的空间；
储气室与回热器的冷介质入口连接，回热器的冷介质出口与加热器的进气口连接，加热器的排气口与透平膨胀机的进气口连接，透平膨胀机的排气口与回热器的热介质入口连接，回热器的热介质出口与空气连通；
透平膨胀机与电机连接，电机通过低压配电子系统与局域电网连接；
空气预热器设置于空气源热泵的气体进口处，空气预热器的进口与储热/换热器的上端连接，空气预热器的出口与储热/换热器的下端连接；
空气源热泵与供暖回水管路连接；
低压配电子系统与空气源热泵连接。
通过空气压缩机将夜间低谷电转变成空气压力能存储，而在白天电网负荷高峰时段将压缩空气重新转换为电能驱动空气源热泵，达到三个有益效果：一是符合电网“削峰填谷”和夜间风电并网消纳需求；二是借助热泵COP值高于1的特性实现低谷电的节能利用；三是有效降低空气源热泵运行电费。
回收空气压缩过程的压缩热并用于夜间预热空气源热泵进口空气，达到两个有益效果：一是通过降低高压空气压缩机进气口温度减少压缩过程能耗，从而提高电-电转换效率；二是通过提高空气源热泵低温热源温度，使得夜间较低气温下空气源热泵COP值增加。
将压缩空气储能子系统并网运行，可避免储能子系统启停操作等对热泵运行的影响，从而使得系统电能调度更灵活、设备集成度高、易于操作维护。
优选的，所述第一冷却管束和第二冷却管束设置于储热/换热器的下端，且第二冷却管束位于第一冷却管束的下端。
低压空气压缩机排出的高温空气在第一冷却管束的管内流动，流动方向由上向下，高压空气压缩机排出的高温空气在第二冷却管束的管内流动，流动方向由上向下，储热/换热器内下部的低温水被中间冷却管束和后部冷却管束以自然对流换热方式加热并流向储热/换热器上部，利于热能的储存。
优选的，所述回热器为板式换热器、管壳式换热器、热管式换热器中的一种。
优选的，储热/换热器内的储热介质为水。
优选的，所述加热器为管壳式换热器、热管式换热器中的一种，加热介质为导热油，热源为槽式太阳能集热器收集的太阳能。
优选的，所述加热器为燃烧室。以天然气为燃料，通过燃烧加热。
优选的，所述空气预热器为管式空气预热器。热水在管内流动，低温空气从管外流过被加热。
优选的，所述空气预热器的进水口和出水口管道上均布置有切断阀。白天气温较高时切断空气预热器水路，直接采用环境空气作为空气源热泵低温热源。
所述储能系统采取并网运行模式，发出电能接入低压配电网，低压空气压缩机、高压空气压缩机与空气源热泵运行所需电能从低压配电网获取。
一种储能式高效空气源热泵供暖方法，包括如下步骤：
1)夜晚时，空气进入低压空气压缩机被压缩成低压高温空气，进入第一冷却管束中被冷却为低压低温空气，然后进入高压空气压缩机，被压缩为高压高温空气，进入第二冷却管束被冷却为高压低温空气，同时将储热/换热器中的储热介质加热，高压低温空气进入储气室储存；将来自电网的电能转化为空气压力能、空气显热能和储热介质的显热能；
储热/换热器中被加热的储热介质被泵入空气预热器中，对进入空气源热泵的空气进行预热，冷却后的储热介质自储热/换热器底部的进口循环回储热/换热器，同时空气源热泵由电网电能驱动；
2)白天时，储气室中的高压低温空气经节流阀减压为中压低温空气后进入回热器加热，然后进入加热器加热后，进入透平膨胀机做功，透平膨胀机输出的功驱动发电机发电，发出的电力接入低压配电子系统，驱动空气源热泵。
优选的，步骤1)中，低压空气压缩机和高压空气压缩机压缩后的空气的压力范围为 2-6MPa。依据选取的系统内压缩空气压力，空气压缩机采用2级或3级压缩，相应的在各级空气压缩机之间布置中间冷却管束，在最后一级空气压缩机后部布置后部冷却管束；
本发明的有益效果为：
1)通过空气压缩机将夜间低谷电转变成空气压力能存储，而在白天电网负荷高峰时段将压缩空气重新转换为电能驱动空气源热泵，达到三个有益效果：一是符合电网“削峰填谷”和夜间风电并网消纳需求；二是借助热泵COP值高于1的特性实现低谷电的节能利用；三是有效降低空气源热泵运行电费。
2)回收空气压缩过程的压缩热并用于夜间预热空气源热泵进口空气，达到两个有益效果：一是通过降低高压空气压缩机进气口温度减少压缩过程能耗，从而提高电-电转换效率；二是通过提高空气源热泵低温热源温度，使得夜间较低气温下空气源热泵COP值增加。
3)将压缩空气储能子系统并网运行，可避免储能子系统启停操作等对热泵运行的影响，从而使得系统电能调度更灵活、设备集成度高、易于操作维护。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例的结构示意图。
其中，1、低压空气压缩机；2、高压空气压缩机；3、储热/换热器；4a、中间冷却管束；4b、后部冷却管束；5、截止阀；6、储气室；7、节流阀；8、回热器；9、加热器；10、透平膨胀机；11、发电机；12、循环泵；13a、第一切断阀；13b、第二切断阀；14、空气源热泵；15、空气预热器；16、低压配电子系统；17、环境空气；18、透平排气；19、空气预热器给水；20、空气预热器回水；21、供热回水；22、供热给水；23、高温导热油； 24、中温导热油。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，一种储能式高效空气源热泵供暖系统，其包括低压空气压缩机1、高压空气压缩机2、储热/换热器3、储气室6、回热器8、加热器9、透平膨胀机10、空气预热器 17及空气源热泵14。
环境空气17依次进入低压空气压缩机1被压缩为低压高温空气，进入布置在储热/换热器3下部的中间冷却管束4a中被冷却为低压低温空气，进入高压空气压缩机2被压缩为高压高温空气，进入布置在中间冷却器4a下方的后部冷却器4b中被冷却为高压低温空气后进入储气室6内储存。中间冷却管束4a和后部冷却管束4b外作为储热介质的水被加热，加热后的热水在浮升力作用下上升至储热/换热器3上部储存。后部冷却器4b排气口与储气室6进气口间的管道上布置截止阀5，防止储气室6内高压空气回流。这一过程中，输入所述低压空气压缩机、高压空气压缩机的电能被转换成空气压力能、空气显热能和储热/换热器内水的显热能。
储气室6中的高压空气经节流阀7减压为中压低温空气后进入回热器8回收透平膨胀机10排出的常压空气中的热能，升温后的空气进入加热器9的进气口，被来自太阳能槽式集热器的高温导热油23加热后进入透平膨胀机10做功，高温导热油23被冷却为中温导热油24后被送回槽式太阳能集热器加热。透平膨胀机10排气经回热器8冷却为常压低温空气排入环境，透平膨胀机10输出的功量驱动与透平膨胀机10连接的发电机11发电，发出的电力接入低压配电子系统16。上述压缩空气储能子系统构成所述储能式高效空气源热泵供暖系统的电能存储单元，利用该子系统可将电能转换为储气室6中空气的压力能和储热/ 换热器3中水的显热能存储，并在需要时重新将压缩空气压力能和外部热能耦合释放出电能并输配至空气源热泵14使用。
储热/换热器3上部的热水19经循环泵12被输送至布置在空气源热泵15进气口处的空气预热器15进水口用于预热空气源热泵14的进口空气，被冷却后的水从空气预热器15的排水口排出被输送至储热/换热器3底部的进水口。上述子系统构成压缩热回收利用回路，利用该回路储能子系统产生的空气压缩热被用于预热空气源热泵14进口空气。空气源热泵 14接入低压配电子系统16，在电网高峰时段其驱动电力由储能子系统释放出的电力提供。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：包括低压空气压缩机、储热/换热器、高压空气压缩机、第一冷却管束、第二冷却管束、储气室、回热器、加热器、透平膨胀机、电机、空气源热泵、空气预热器和低压配电子系统；
其中，低压空气压缩机的进气口与空气连通，排气口与第一冷却管束的一端连接，第一冷却管束的另一端与高压空气压缩机的进气口连接，高压空气压缩机的排气口与第二冷却管束的一端连接，第二冷却管束的另一端通过止回阀与储气室连接，第一冷却管束和第二冷却管束均设置于储热/换热器中；储热/换热器的空腔提供盛放储热介质的空间；
储气室与回热器的冷介质入口连接，回热器的冷介质出口与加热器的进气口连接，加热器的排气口与透平膨胀机的进气口连接，透平膨胀机的排气口与回热器的热介质入口连接，回热器的热介质出口与空气连通；
透平膨胀机与电机连接，电机通过低压配电子系统与局域电网连接；
空气预热器设置于空气源热泵的气体进口处，空气预热器的进口与储热/换热器的上端连接，空气预热器的出口与储热/换热器的下端连接；
空气源热泵与供暖回水管路连接；
低压配电子系统与空气源热泵连接。
2.根据权利要求1所述的储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：所述第一冷却管束和第二冷却管束设置于储热/换热器的下端，且第二冷却管束位于第一冷却管束的下端。
3.根据权利要求1所述的储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：所述回热器为板式换热器、管壳式换热器、热管式换热器中的一种。
4.根据权利要求1所述的储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：储热/换热器内的储热介质为水。
5.根据权利要求1所述的储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：所述加热器为管壳式换热器、热管式换热器中的一种，加热介质为导热油，热源为槽式太阳能集热器收集的太阳能。
6.根据权利要求1所述的储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：所述加热器为燃烧室。
7.根据权利要求1所述的储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：所述空气预热器为管式空气预热器。热水在管内流动，低温空气从管外流过被加热。
8.根据权利要求1所述的储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：所述空气预热器的进水口和出水口管道上均布置有切断阀。
9.一种储能式高效空气源热泵供暖方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)夜晚时，空气进入低压空气压缩机被压缩成低压高温空气，进入第一冷却管束中被冷却为低压低温空气，然后进入高压空气压缩机，被压缩为高压高温空气，进入第二冷却管束被冷却为高压低温空气，同时将储热/换热器中的储热介质加热，高压低温空气进入储气室储存；将来自电网的电能转化为空气压力能、空气显热能和储热介质的显热能；
储热/换热器中被加热的储热介质被泵入空气预热器中，对进入空气源热泵的空气进行预热，冷却后的储热介质自储热/换热器底部的进口循环回储热/换热器，同时空气源热泵由电网电能驱动；
2)白天时，储气室中的高压低温空气经节流阀减压为中压低温空气后进入回热器加热，然后进入加热器加热后，进入透平膨胀机做功，透平膨胀机输出的功驱动发电机发电，发出的电力接入低压配电子系统，驱动空气源热泵。
10.根据权利要求9所述的储能式高效空气源热泵供暖方法，其特征在于：步骤1)中，低压空气压缩机和高压空气压缩机压缩后的空气的压力范围为2-6MPa。
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2018
- 2018-01-05 CN CN201810010718.7A patent/CN108151368A/zh active Pending
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