CN108930996B - 一种能量梯级利用的多能互补供热系统及供热方法 - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract
本发明公开了一种能量梯级利用的多能互补供热系统及供热方法，所述供热系统包括热泵(2)、低温加热器(6)、高温加热器(5)、热用户(4)、循环泵(9)和循环管路(11)；所述热泵(2)包括热泵蒸发器(1)、热泵冷凝器(3)；所述热泵冷凝器(3)的低温侧出入口与循环管路(11)连接；所述循环管路(11)上沿管内介质流向依次设置有循环泵(9)、低温加热器(6)、高温加热器(5)和热用户(4)。本发明可在满足同样供热需求下，充分利用低品质能，实现高品质能源的最佳利用。
Description
技术领域
本发明属于供热系统领域，特别针对多能互补的供热系统技术领域，具体地，本发明涉及一种能量梯级利用的多能互补供热系统及供热方法。
背景技术
许多供热系统的供水温度较高，但供热系统回水或补水温度较低，传统加热系统多采用高品质的能源直接将供水加热到需要的高温，这会增大传热不可逆损失，造成能量品质的浪费。
通过热泵可以利用高品质的电能等驱动热力循环，来提升低品质能的品质，但热泵制热性能系数(能效比COP)受高、低温热源的温差影响，两者温差越大，制热系数越低，将同样数量的低品质能提升到高品质能所要消耗的电能等高品质能越大。近来，空气源热泵技术供热应用较多，但空气在夜间温度较低，若让热泵正常运行且达到所需的供热温度，不仅制热系数很低，且需采用两级热泵系统或中间不完全冷却的准两级热泵系统(喷气增焓等)，以降低蒸发器的工作温度，降低冷凝器入口过热度和改良压缩机工况等。高温差下工作的两级或准两级热泵系统显著增大了设备成本。
外界存在各种品级不同的能量，如果能够按不同品级优化利用，由不同热源依次加热供水，则可减少传热不可逆损失，实现能量的梯级利用，节约高品质能。
另外，供热负荷的需求是多变的，可利用的外界热源热量多少和品质也大多存在不稳定性，热源与供热负荷的需求在某时往往不完全匹配，如果不能依各种热源资源情况及时调整不同的取热量，则往往会增加高品质热源的补热量，使高品质热的降质使用增加。
发明内容
针对已有技术存在的问题，本发明开发了一种能量梯级利用的多能互补供热系统，可在满足同样供热需求下，充分利用低品质能，实现高品质能源的最佳利用。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种能量梯级利用的多能互补供热系统，所述供热系统包括热泵2、低温加热器6、高温加热器5、热用户4、循环泵9和循环管路11；
所述热泵2包括热泵蒸发器1、热泵冷凝器3；所述热泵冷凝器3的低温侧出入口与循环管路11连接；所述循环管路11上沿管内介质流向依次设置有循环泵9、低温加热器6、高温加热器5和热用户4。
所述的供热系统设有加热器旁路管路，所述加热器旁路管路的一端连接在循环管路11上的热用户4与高温加热器5之间，另一端连接在循环管路11上的低温加热器6与循环泵9之间，所述加热器旁路管路上设有后置分流阀13。
以加热器旁路管路内的介质流向为基准，介质流向的来源为前，所述加热器旁路管路在后置分流阀13前连接有前置分流管的一端，所述前置分流管的另一端连接在循环管路11上的低温加热器6和高温加热器5之间；所述前置分流管上设置有前置分流阀14。
进一步地，在加热器旁路管路与循环管路11的连接点至低温加热器6之间的循环管路11上设置有低温加热器进口调节阀7。
更进一步地，热用户4内部分组设置为高温组热用户与低温组热用户，所述高温组热用户与低温组热用户可串联连接也可并联连接；所述低温组热用户的入口连接着低温循环管路的一端，所述低温循环管路的另一端连接在循环管路11与加热器旁路管路的连接点至循环泵9之间的循环管路11上，所述低温循环管路上设置有低温循环调节阀8。
再进一步地，在所述循环管路11上的热用户4之后连接有补水管路10；在所述循环管路11上的前置分流管与循环管路11的连接点到低温加热器6之间连接有中温分供管路15；在所述循环管路11上的加热器旁路管路与循环管路11的连接点到高温加热器5之间连接有高温分供管路12；在所述循环管路11上的加热器旁路管路与循环管路11的连接点到热用户4之间连接有低温分供管路16；低温分供管路16、中温分供管路15和高温分供管路12放热后的低温水可以接入循环管路11上的热用户4后，或者接入低温循环管路上的低温循环调节阀8后，或者对外排放。
再更进一步地，所述循环管路11上的循环泵9之前连接有蓄水箱，蓄水箱为热泵出口低温蓄能装置。
优选地，供热系统采用低温加热器6兼做储水蓄能装置；
优选地，所述热泵2可采用压缩式或吸收式系统。
优选地，所述高温加热器5为具有蓄热能力的蓄热式加热器；所述蓄热式加热器的蓄热载体为循环管路11内流动的循环介质；或者所述蓄热式加热器的蓄热载体为外部蓄热介质，所述外部蓄热介质与循环管路11内流动的循环介质进行储热和放热的热交换。
优选地，高温加热器5用于产生蒸汽，热用户4为输入蒸汽供热，然后将所述蒸汽凝结为水输出；或者，高温加热器5用于产生蒸汽，高温分供管路12输入蒸汽供热。
优选地，热用户4为将热能转化为其它能量的装置。
所述高温分供管路12的供水温度大于等于中温分供管路15的供水温度；所述中温分供管路15的供水温度大于等于低温分供管路16及热用户4的供水温度。
本发明还可以简化系统，以适应对供热品质(温度和时间要求)要求不高的热用户；本发明可以仅设所述的高温加热器5或低温加热器6之一；或者，本发明可以不设置加热器旁路管路；或者高温加热器5不采用可蓄热的形式。
基于本发明系统的供热方法包括以下步骤：
高品质能量驱动热泵2进行热力循环，热泵蒸发器1从最低温的热源吸收热量，然后经热泵循环系统升温，使所吸收的热量及热泵输入的高品质能量一同随热泵循环系统工质进入热泵冷凝器3高温侧，在热泵冷凝器3内，热泵循环系统工质将所述热量传递给热泵冷凝器3低温侧的来自循环管路11内的循环介质(比如循环水)；
所述热泵冷凝器3低温侧的循环介质在循环泵9的驱动下，经低温加热器6被低温热源加热升温，然后进入高温加热器5；所述进入高温加热器5的循环介质继续被高品质能量加热升温；然后高温加热器5内的高温循环介质进入热用户4向用户供热，所述循环介质在热用户4放出热量降低温度后，进入热泵冷凝器3低温侧继续吸热，从而不断循环供热。
所述后置分流阀13根据热用户4需求的入口温度来调节开度，后置分流阀13开度增大则进入热用户4的混合水温降低；反之升高。
前置分流阀14和后置分流阀13可在低温加热器6不工作下保障向高温加热器5正常供水；调节前置分流阀14和后置分流阀13的开度，可分配进入高温加热器5和旁路的流量，从而即可调节高温加热器5的温度、负荷和蓄热能力，也可调节热用户4和低温分供管路16的供热温度。
所述低温加热器进口调节阀7根据低温加热器6的出口温度来调节开度，低温加热器进口调节阀7开度增大，则低温加热器6的出口温度降低，反之升高。在满足供热需求情况下，尽量使低温加热器6的出口温度提高，以接近或达到高温加热器5内的温度，以减少高品质能的消耗。
低温加热器6的低温热源供热量较大时，也可开大低温加热器进口调节阀7的开度，增大中温分供管路15的供热热量；同时在高温加热器5蓄热能力不足时，减小高温分供管路12的供热热量。
在热泵蒸发器1所吸收的最低温的热源温度较高时，热泵具有较高的制热系数，可用较小的电能增大热泵循环吸热量，将更多的热量存储在蓄水箱或高温加热器5、低温加热器6；反之减小循环吸热，以减低高品质能的消耗。
在不同热源供热能力不足时，高温加热器5、低温加热器6或蓄水箱的蓄热不断被释放，可以补充向热用户4和各分供管路供热；
在热用户4低温供热需求大于高温供热需求时(如供暖系统的运行初期和后期)，可开大低温循环调节阀8增加低温供热循环量，以节约更高品质的热量，并保障热泵工作参数和性能的稳定；
在向外供水不回收或系统有泄露损耗时，供热系统循环管路11内的循环水量或蓄水量不足，可通过补水管路10向系统补水。尽可能在热泵制热系数较高时进行补水，在热泵制热系数较低时消耗蓄水，以降低高品质能的消耗。
热泵可采用喷气增焓技术或变频调节等方式来调节工作范围，控制循环介质流量、冷凝温度，以便于在保障最佳的能效比下，调节与热用户的供热平衡。
本发明所述的向热泵蒸发器1传热的最低温的热源可以为空气、废热、地热等；所述向低温加热器6传热的低温热源可以为废热、地热、太阳能(低温太阳能转化装置所提供)等；所述向高温加热器5传热的高品质能可以为生物质能、化石能(煤、油、气等)、其它化学能(沼气和可燃废气等)、高温废热、高温地热、太阳能(高温太阳能转化装置所提供)或电能等；所述驱动热泵2进行热力循环工作的高品质能量可以为电力、风力、水力或其它热能等。
本发明的优点：
1、本发明的系统可按热源的不同温度等级加以利用，由不同热源依次加热供水，分别向不同温度要求的热用户供热，实现能量的梯级利用。
2、由于多级升温的方式降低了热泵冷凝器循环介质的平均温度，并在最低温热源温度较高时增加热泵循环吸热量，从而大幅减小了热泵工作时的平均冷热源温差，提高了平均制热性能系数(能效比)，减小了高品质能的消耗。降低热泵输出热量的平均温度也大大增强了热泵对低温环境的适应性，改善热泵性能，并降低热泵系统造价。
3、本发明的系统具有多能互补、多级蓄热和灵活的调节方式，可以适应气候和热源品质的变化，在满足不同温度要求的用户需求和保障供热平衡的情况下，减小高品质能的消耗，实现最佳的能量梯级利用。系统供热即可产热水，也可产蒸汽，即可为工业大型集中供热系统，也适宜做小型分布式供热系统。
4、本系统的多能互补方式可充分利用环境空气中的热量、生物质能和直接利用太阳能、风力等可再生能源以及废热、地热等，实现大幅减排。
5、本发明的供热系统可借助于热泵、可再生能源等将蓄电转为蓄热，可根据用户情况充分利用谷电，有利于电网调峰，减少风力发电的弃风和享受谷电的优惠政策，具有更好的储能经济性和综合效益。
附图说明
图1为本发明供热系统的结构示意图。
附图标记：1、热泵蒸发器；2、热泵；3、热泵冷凝器；4、热用户；5、高温加热器；6、低温加热器；7、低温加热器进口调节阀；8、低温循环调节阀；9、循环泵；10、补水管路；11、循环管路；12、高温分供管路；13、后置分流阀，14、前置分流阀；15、中温分供管路；16、低温分供管路。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种能量梯级利用的多能互补供热系统，所述供热系统包括热泵2、低温加热器6、高温加热器5、热用户4、循环泵9和循环管路11；
所述热泵2包括热泵蒸发器1、热泵冷凝器3；所述热泵冷凝器3的低温侧出入口与循环管路11连接；所述循环管路11上沿管内介质流向依次设置有循环泵9、低温加热器6、高温加热器5和热用户4。
所述的供热系统设有加热器旁路管路，所述加热器旁路管路的一端连接在循环管路11上的热用户4与高温加热器5之间，另一端连接在循环管路11上的低温加热器6与循环泵9之间，所述加热器旁路管路上设有后置分流阀13。
以加热器旁路管路内的介质流向为基准，介质流向的来源为前，所述加热器旁路管路在后置分流阀13前连接有前置分流管的一端，所述前置分流管的另一端连接在循环管路11上的低温加热器6和高温加热器5之间；所述前置分流管上设置有前置分流阀14。
在加热器旁路管路与循环管路11的连接点至低温加热器6之间的循环管路11上设置有低温加热器进口调节阀7。
热用户4内部分组设置为高温组热用户与低温组热用户，所述高温组热用户与低温组热用户可串联连接也可并联连接；所述低温组热用户的入口连接着低温循环管路的一端，所述低温循环管路的另一端连接在循环管路11与加热器旁路管路的连接点至循环泵9之间的循环管路11上，所述低温循环管路上设置有低温循环调节阀8。
在所述循环管路11上的热用户4之后连接有补水管路10；在所述循环管路11上的前置分流管与循环管路11的连接点到低温加热器6之间连接有中温分供管路15；在所述循环管路11上的加热器旁路管路与循环管路11的连接点到高温加热器5之间连接有高温分供管路12；在所述循环管路11上的加热器旁路管路与循环管路11的连接点到热用户4之间连接有低温分供管路16；低温分供管路16、中温分供管路15和高温分供管路12放热后的低温水可以接入循环管路11上的热用户4后，或者接入低温循环管路上的低温循环调节阀8后，或者对外排放。
所述循环管路11上的循环泵9之前连接有蓄水箱，蓄水箱为热泵出口低温蓄能装置。
供热系统采用低温加热器6兼做储水蓄能装置；
所述热泵2可采用压缩式或吸收式系统。
所述高温加热器5为具有蓄热能力的蓄热式加热器；所述蓄热式加热器的蓄热载体为循环管路11内流动的介质；或者所述蓄热式加热器的蓄热载体为外部蓄热介质，所述外部蓄热介质与循环管路11内流动的介质进行储热和放热的热交换。
高温加热器5用于产生蒸汽，热用户4为输入蒸汽供热，然后将所述蒸汽凝结为水输出；或者，高温加热器5用于产生蒸汽，高温分供管路12输入蒸汽供热。
热用户4为将热能转化为其它能量的装置。
所述高温分供管路12的供水温度大于等于中温分供管路15的供水温度；所述中温分供管路15的供水温度大于等于低温分供管路16及热用户4的供水温度。
本发明还可以简化系统，以适应对供热品质(温度和时间要求)要求不高的热用户；本发明可以仅设所述的高温加热器5或低温加热器6之一；或者，本发明可以不设置加热器旁路管路；或者高温加热器5不采用可蓄热的形式。
实施例2
基于实施例1系统的供热方法包括以下步骤：
高品质能量驱动热泵2进行热力循环，热泵蒸发器1从最低温的热源吸收热量，然后经热泵循环系统升温，使所吸收的热量及热泵输入的高品质能量一同随热泵循环系统工质进入热泵冷凝器3高温侧，在热泵冷凝器3内，热泵循环系统工质将所述热量传递给热泵冷凝器3低温侧的来自循环管路11内的循环介质(比如循环水)；
所述热泵冷凝器3低温侧的循环介质在循环泵9的驱动下，经低温加热器6被低温热源加热升温，然后进入高温加热器5；所述进入高温加热器5的循环介质继续被高品质能加热升温；然后高温加热器5内的高温循环介质进入热用户4向用户供热，所述循环介质在热用户4放出热量降低温度后，进入热泵冷凝器3低温侧继续吸热，从而不断循环供热。
所述后置分流阀13根据热用户4需求的入口温度来调节开度，后置分流阀13开度增大则进入热用户4的混合水温降低；反之升高。
前置分流阀14和后置分流阀13可在低温加热器6不工作下保障向高温加热器5正常供水；调节前置分流阀14和后置分流阀13的开度，可分配进入高温加热器5和旁路的流量，从而即可调节高温加热器5的温度、负荷和蓄热能力，也可调节热用户4和低温分供管路16的供热温度。
所述低温加热器进口调节阀7根据低温加热器6的出口温度来调节开度，低温加热器进口调节阀7开度增大，则低温加热器6的出口温度降低，反之升高。在满足供热需求情况下，尽量使低温加热器6的出口温度提高，以接近或达到高温加热器5内的温度，以减少高品质能的消耗。
低温加热器6的低温热源供热量较大时，也可开大低温加热器进口调节阀7的开度，增大中温分供管路15的供热热量；同时在高温加热器5蓄热能力不足时，减小高温分供管路12的供热热量。
在热泵蒸发器1所吸收的最低温的热源温度较高时，热泵具有较高的制热系数，可用较小的电能增大热泵循环吸热量，将更多的热量存储在高温加热器5或低温加热器6；反之减小循环吸热，以减低高品质能的消耗。
在不同热源供热能力不足时，高温加热器5或低温加热器6的蓄热不断被释放，可以补充向热用户4和各分供管路供热；
在热用户4低温供热需求大于高温供热需求时(如供暖的初期和后期)，可开大低温循环调节阀8增加低温供热循环量，以节约更高品质的热量，并保障热泵工作参数和性能的稳定；
在向外供水不回收或系统有泄露损耗时，供热系统循环管路11内的循环水量不足，可通过补水管路10向系统补水。
热泵可采用喷气增焓技术或变频调节等方式来增加工作范围，控制循环介质流量、出口温度和制热系数，以便于在保障最佳的能效比下，调节与热用户的供热平衡。
本发明所述的向热泵蒸发器1传热的最低温的热源可以为空气、废热、地热等；所述向低温加热器6传热的低温热源可以为废热、地热、太阳能(低温太阳能转化装置所提供)等；所述向高温加热器5传热的高品质能可以为生物质能、化石能(煤、油、气等)、其它化学能(沼气和可燃废气等)、高温废热、高温地热、太阳能(高温太阳能转化装置所提供)或电能等；所述驱动热泵2进行热力循环工作的高品质能量可以为电力、风力、水力或其它热能等。
最后所应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种能量梯级利用的多能互补供热系统，其特征在于，所述供热系统包括热泵（2）、低温加热器（6）、高温加热器（5）、热用户（4）、循环泵（9）和循环管路（11）；
所述热泵（2）包括热泵蒸发器（1）、热泵冷凝器（3）；所述热泵冷凝器（3）的低温侧出入口与循环管路（11）连接；所述循环管路（11）上沿管内介质流向依次设置循环泵（9）、低温加热器（6）、高温加热器（5）和热用户（4）；
所述供热系统还设有加热器旁路管路，所述加热器旁路管路的一端连接在循环管路（11）上的热用户（4）与高温加热器（5）之间，另一端连接在循环管路（11）上的低温加热器（6）与循环泵（9）之间，所述加热器旁路管路上设有后置分流阀（13）；
以加热器旁路管路内的介质流向为基准，介质流向的来源为前，所述加热器旁路管路在后置分流阀（13）前连接前置分流管的一端，所述前置分流管的另一端连接在循环管路（11）上的低温加热器（6）与高温加热器（5）之间；所述前置分流管上设置前置分流阀（14）；
热用户（4）内部分组设置为高温组热用户与低温组热用户，所述高温组热用户与低温组热用户为串联连接或并联连接；所述低温组热用户的入口连接着低温循环管路的一端，所述低温循环管路的另一端连接在循环管路（11）与加热器旁路管路的连接点至循环泵（9）之间的循环管路（11）上，所述低温循环管路上设置低温循环调节阀（8）；
在所述循环管路（11）上的热用户（4）之后连接有补水管路（10）；在所述循环管路（11）上的前置分流管与循环管路（11）的连接点到低温加热器（6）之间连接有中温分供管路（15）；在所述循环管路（11）上的加热器旁路管路与循环管路（11）的连接点到高温加热器（5）之间连接有高温分供管路（12）；在所述循环管路（11）上的加热器旁路管路与循环管路（11）的连接点到热用户（4）之间连接有低温分供管路（16）；低温分供管路（16）、中温分供管路（15）和高温分供管路（12）放热后的低温水可以接入热用户（4）后的循环管路（11）上，或者接入低温循环调节阀（8）后的低温循环管路上，或者对外排放；
前置分流阀（14）和后置分流阀（13）可在低温加热器（6）不工作下保障向高温加热器（5）正常供水；调节前置分流阀（14）和后置分流阀（13）的开度，可分配进入高温加热器（5）和旁路的流量，从而可调节热用户（4）和低温分供管路（16）的供热温度。
2.根据权利要求1所述能量梯级利用的多能互补供热系统，其特征在于，在加热器旁路管路与循环管路（11）的连接点至低温加热器（6）之间的循环管路（11）上设置低温加热器进口调节阀（7）。
3.根据权利要求1所述能量梯级利用的多能互补供热系统，其特征在于，供热系统采用低温加热器（6）做储水蓄能装置。
4.根据权利要求1所述能量梯级利用的多能互补供热系统，其特征在于，所述循环管路（11）上的循环泵（9）之前连接有蓄水箱，蓄水箱为热泵出口低温蓄能装置。
5.根据权利要求1所述能量梯级利用的多能互补供热系统，其特征在于，高温加热器（5）用于产生蒸汽，热用户（4）为输入蒸汽供热，然后将所述蒸汽凝结为水输出；或者，高温加热器（5）用于产生蒸汽，高温分供管路（12）输入蒸汽供热。
6.根据权利要求1所述能量梯级利用的多能互补供热系统，其特征在于，所述高温加热器（5）为具有蓄热能力的蓄热式加热器；所述蓄热式加热器的蓄热载体为循环管路（11）内流动的循环介质；或者所述蓄热式加热器的蓄热载体为外部蓄热介质，所述外部蓄热介质与循环管路（11）内流动的循环介质进行储热和放热的热交换。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述能量梯级利用的多能互补供热系统的供热方法，所述方法包括以下步骤：
能量驱动热泵（2）进行热力循环，热泵蒸发器（1）从最低温的热源吸收热量，然后经热泵循环系统升温，使所吸收的热量及热泵输入的能量一同随热泵循环系统工质进入热泵冷凝器（3）高温侧，在热泵冷凝器（3）内，热泵循环系统工质将所述热量传递给热泵冷凝器（3）低温侧的来自循环管路（11）内的循环介质；
所述热泵冷凝器（3）低温侧的循环介质在循环泵（9）的驱动下，经低温加热器（6）被低温热源加热升温，然后进入高温加热器（5）；所述进入高温加热器（5）的循环介质继续被能量加热升温；然后高温加热器（5）内的高温循环介质进入热用户（4）向用户供热，所述循环介质在热用户（4）放出热量降低温度后，进入热泵冷凝器（3）低温侧继续吸热，从而不断循环供热。
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