CN111637509A - 一种新型组合散热末端系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型组合散热末端系统，包括回水加压泵、电驱动热泵型暖风机、常规室内散热装置、小型控制柜、供水横管主路、供水第一支路、供水第二支路、回水横管第一主路、回水第一支路、回水第二支路、暖风机回水管路和回水横管第二主路。本系统利用电驱动热泵型暖风机回收二级网循环热媒的热量，大幅降低二级网回水温度，连带降低一级网回水温度，促进各类低温余热以及可再生能源的回收利用。本系统有效增大二级网的供、回水温差，降低相同热负荷条件下二级网的循环流量，显著减少循环泵耗电量；增大一级网供、回水温差，显著减少一级网循环流量和循环泵耗电量，节能效益显著。

Description

一种新型组合散热末端系统
技术领域
本发明涉及建筑供热系统，具体是一种新型组合散热末端系统。
背景技术
根据国标GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的规定，室内供暖系统的设计供回水温度：地暖系统通常为60/50℃、50/40℃，散热器系统供回水温度85/60、75/50℃。由此可见，不管室内末端装置是散热器还是地暖盘管，均高于热电厂的冷凝温度(约29℃)或其他工业余热温度(15～25℃)，因此这类低温余热无法被直接高效利用，而需要借助热泵设备。
供热系统的二级网供、回水实际温差较小，地暖盘管小于10℃，散热器小于15℃。为满足建筑用户的热负荷需求，只能大循环流量运行，因此导致循环泵耗电量较大。
供暖装置对室外温度变化的响应速度慢，无法跟随室外温度的波动变化快速调节。当采用热计量供暖时，上班出行关小阀门，室内温度降低；下班回家，无法快速提升室内空气温度至室内人员的热舒适温度，因而分户计量行为节能难以实现。另外出现寒潮天气时，室内温度响应较慢。
为了快速升温或补充寒潮天气发生时系统供热量的不足，许多用户室内安装有“热泵型空调机组”或“电热式暖风机”来快速响应热负荷的波动变化，但这两类设备分别存在下述问题：热泵型空调机组在冬季供热时以室外空气为“低温热源”，以消耗高品位电能为代价，从室外空气中提取额外的热量向室内供应。然而，当室外温度较低时(此时刚好又需要额外补充供热)，空调机组的供热系数减小，获得相同供热量将消耗更多电能，同时室外机组作为蒸发器亦存在结霜风险。电热式暖风机的供热系数略小于1，显著低于热泵型空调机组，获得相同供热量将消耗更多电能，运行费用偏高，难以大规模推广使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种新型组合散热末端系统。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种新型组合散热末端系统，其特征在于该系统包括回水加压泵、电驱动热泵型暖风机、常规室内散热装置、小型控制柜、供水横管主路、供水第一支路、供水第二支路、回水横管第一主路、回水第一支路、回水第二支路、暖风机回水管路和回水横管第二主路；
所述供水横管主路的进口端与二级网户间供水立管连接，其上设置有供水横管温度传感器，出口端分为供水第一支路和供水第二支路；供水第一支路的出口端与常规室内散热装置的入口连接，其上设置有第四电动调节阀；供水第二支路的出口端与电驱动热泵型暖风机的入口连接，其上设置有第三电动调节阀；
所述回水横管第一主路的进口端与常规室内散热装置的出口连接，出口端分为回水第一支路和回水第二支路；回水第一支路的出口端与电驱动热泵型暖风机的入口连接，其上设置有第二电动调节阀；回水第二支路的出口端与回水横管第二主路的进口端连接，其上设置有第一电动调节阀和逆止阀；暖风机回水管路的进口端与电驱动热泵型暖风机的出口连接，出口端与回水横管第二主路的进口端连接；暖风机回水管路上设置有回水加压泵；回水横管第二主路的出口端与二级网户间回水立管连接，其上设置有回水横管温度传感器和流量传感器；室外温度传感器设置于建筑物阴面外墙处，用于测量室外温度；
所述小型控制柜分别与流量传感器、回水横管温度传感器、第一电动调节阀、回水加压泵、第二电动调节阀、第三电动调节阀、电驱动热泵型暖风机、第四电动调节阀、供水横管温度传感器和室外温度传感器连接。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1.利用电驱动热泵型暖风机回收二级网循环热媒的热量，大幅降低二级网回水温度，连带降低一级网回水温度，促进各类低温余热以及可再生能源的回收利用。
2.有效增大二级网的供、回水温差，降低相同热负荷条件下二级网的循环流量，显著减少循环泵耗电量；增大一级网供、回水温差，显著减少一级网循环流量和循环泵耗电量，节能效益显著。
3.实现自然对流换热、辐射换热与强制对流换热的有机结合，兼具自然对流供暖及辐射供暖的清洁卫生、温和舒适以及强制对流散热启停灵活、响应快速的优点，赋予建筑用户更大的自主调节能力，通过强制对流换热设备电驱动热泵型暖风机快速提升室内空气温度，可对室外温度的剧烈变化(如寒潮)作出快速响应，同时促进分户供热计量的行为节能，解决自然对流辐射散热器热滞后、热惰性大、升温速度慢的问题，保障室内人员的热舒适性。
4.相比常规的空气源热泵空调机，电驱动热泵型暖风机以常规室内散热装置(散热器或地暖盘管)的低温回水作为低温热源(而不是低温室外空气)，其低温能量供应更加稳定可靠、温度更高，供热系数更大，降低末端供热设备的运行能耗。
5.小型控制柜可根据用户实时热负荷与散热装置实时供热量的偏差对执行器进行合理调控，从而满足变化的室内供热需求。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构示意图；
图中：1、二级网户间供水立管；2、二级网户间回水立管；3、流量传感器；4、回水横管温度传感器；5、逆止阀；6、第一电动调节阀；7、回水加压泵；8、第二电动调节阀；9、第三电动调节阀；10、电驱动热泵型暖风机；11、常规室内散热装置；12、第四电动调节阀；13、供水横管温度传感器；14、室外温度传感器；15、小型控制柜；16、供水横管主路；17、供水第一支路；18、供水第二支路；19、回水横管第一主路；20、回水第一支路；21、回水第二支路；22、暖风机回水管路；23、回水横管第二主路。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种新型组合散热末端系统(简称系统，参见图1)，其特征在于该系统包括回水加压泵7、电驱动热泵型暖风机10、常规室内散热装置11、小型控制柜15、供水横管主路16、供水第一支路17、供水第二支路18、回水横管第一主路19、回水第一支路20、回水第二支路21、暖风机回水管路22和回水横管第二主路23；
所述供水横管主路16的一端与二级网户间供水立管1连接，供水横管主路16上设置有供水横管温度传感器13，另一端分为供水第一支路17和供水第二支路18两个支路；供水第一支路17的末端与常规室内散热装置11的入口连接，供水第一支路17上设置有第四电动调节阀12；供水第二支路18的末端与电驱动热泵型暖风机10的入口连接，供水第二支路18上设置有第三电动调节阀9；
所述回水横管第一主路19的一端与常规室内散热装置11的出口连接，另一端分为回水第一支路20和回水第二支路21两个支路；回水第一支路20的末端与电驱动热泵型暖风机10的入口连接，回水第一支路20上设置有第二电动调节阀8；回水第二支路21的末端与回水横管第二主路23的一端连接，回水第二支路21上设置有第一电动调节阀6和逆止阀5(优选依次设置有第一电动调节阀6和逆止阀5)；暖风机回水管路22的一端与电驱动热泵型暖风机10的出口连接，另一端与回水横管第二主路23的一端连接；暖风机回水管路22上设置有回水加压泵7；回水横管第二主路23的另一端与二级网户间回水立管2连接，回水横管第二主路23上设置有回水横管温度传感器4和流量传感器3(优选依次设置有回水横管温度传感器4和流量传感器3)；室外温度传感器14设置于建筑物阴面外墙处，用于测量室外温度；
所述小型控制柜15分别与流量传感器3、回水横管温度传感器4、第一电动调节阀6、回水加压泵7、第二电动调节阀8、第三电动调节阀9、电驱动热泵型暖风机10、第四电动调节阀12、供水横管温度传感器13和室外温度传感器14连接，采集数据并控制；
所述常规室内散热装置11为散热器或地热盘管。
本发明同时提供了一种新型组合散热末端系统的运行调控方法(简称方法)，其特征在于该方法具体如下：
在常规供热模式下，第一电动调节阀6和第四电动调节阀12开启，第二电动调节阀8和第三电动调节阀9关闭，同时电驱动热泵型暖风机10和回水加压泵7关机；二级网户间供水立管1中的热媒依次流经供水横管主路16和供水第一支路17后进入常规室内散热装置11内散热，然后流经回水横管第一主路19、回水第二支路21和回水横管第二主路23后返回二级网户间回水立管2；小型控制柜15根据室外温度传感器14传回的信号计算用户实时热负荷，根据回水横管温度传感器4、供水横管温度传感器13和流量传感器3的回传数据计算常规室内散热装置11的实时供热量，并根据用户实时热负荷与常规室内散热装置11实时供热量的偏差对第四电动调节阀12或第一电动调节阀6的开度进行调整，实现供热调节，保证用户室内温度在合理范围内变化；
在暖风机强制对流换热模式下，第一电动调节阀6、第二电动调节阀8和第四电动调节阀12关闭，第三电动调节阀9开启，同时电驱动热泵型暖风机10和回水加压泵7开机；二级网户间供水立管1中的热媒依次流经供水横管主路16和供水第二支路18后进入电驱动热泵型暖风机10的蒸发器内散热，然后流经暖风机回水管路22和回水横管第二主路23后返回二级网户间回水立管2；小型控制柜15根据室外温度传感器14传回的信号计算用户实时热负荷，根据回水横管温度传感器4、供水横管温度传感器13和流量传感器3的回传数据计算电驱动热泵型暖风机10的实时供热量，并根据用户实时热负荷与电驱动热泵型暖风机10实时供热量的偏差对电驱动热泵型暖风机10、第三电动调节阀9和回水加压泵7进行调整，实现供热调节，保证用户室内温度在合理范围内变化；
在辐射、对流混合供热模式的第一种运行状态下，此状态下供热设备电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11为并联连接，进入电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11的热媒温度相等：第一电动调节阀6、第三电动调节阀9和第四电动调节阀12开启，第二电动调节阀8关闭，同时电驱动热泵型暖风机10和回水加压泵7开机；二级网户间供水立管1中的部分热媒流经供水横管主路16和供水第一支路17后进入常规室内散热装置11内散热，然后流经回水横管第一主路19、回水第二支路21和回水横管第二主路23后返回二级网户间回水立管2；二级网户间供水立管1中的另一部分热媒流经供水横管主路16和供水第二支路18后进入电驱动热泵型暖风机10的蒸发器内散热，然后流经暖风机回水管路22和回水横管第二主路23后返回二级网户间回水立管2；小型控制柜15根据室外温度传感器14传回的信号计算用户实时热负荷，根据回水横管温度传感器4、供水横管温度传感器13和流量传感器3的回传数据计算电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11的实时供热量，并根据用户实时热负荷与电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11实时供热量的偏差对电驱动热泵型暖风机10、第一电动调节阀6、第三电动调节阀9、第四电动调节阀12和回水加压泵7进行调整，实现供热调节，保证用户室内温度在合理范围内变化；
在辐射、对流混合供热模式的第二种运行状态下，此状态下供热设备电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11为混合式连接，从常规室内散热装置11流出的低温热媒部分进入电驱动热泵型暖风机10继续放热，另一部分则直接返回二级网户间回水立管2：第一电动调节阀6、第二电动调节阀8和第四电动调节阀12开启，第三电动调节阀9关闭，同时电驱动热泵型暖风机10和回水加压泵7开机；二级网户间供水立管1中的热媒依次流经供水横管主路16和供水第一支路17后进入常规室内散热装置11内散热，散热后的部分热媒经过回水横管第一主路19和回水第一支路20进入电驱动热泵型暖风机10的蒸发器内散热，然后流经暖风机回水管路22和回水横管第二主路23后返回二级网户间回水立管2；散热后的另一部分热媒直接流经回水横管第一主路19、回水第二支路21和回水横管第二主路23后返回二级网户间回水立管2；小型控制柜15根据室外温度传感器14传回的信号计算用户实时热负荷，根据回水横管温度传感器4、供水横管温度传感器13和流量传感器3的回传数据计算电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11的实时供热量，并根据用户实时热负荷与电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11实时供热量的偏差对电驱动热泵型暖风机10、第一电动调节阀6、第二电动调节阀8、第四电动调节阀12和回水加压泵7进行调整，实现供热调节，保证用户室内温度在合理范围内变化；
在辐射、对流混合供热模式的第三种运行状态下，此状态下供热设备电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11为串联连接，热媒首先全部进入常规室内散热装置11进行放热，之后再全部进入电驱动热泵型暖风机10继续放热：第二电动调节阀8和第四电动调节阀12开启，第一电动调节阀6和第三电动调节阀9关闭，同时电驱动热泵型暖风机10和回水加压泵7开机；二级网户间供水立管1中的热媒依次流经供水横管主路16和供水第一支路17后进入常规室内散热装置11内散热，散热后的全部热媒通过回水横管第一主路19和回水第一支路20后进入电驱动热泵型暖风机10的蒸发器内继续散热，最后流经暖风机回水管路22和回水横管第二主路23后返回二级网户间回水立管2；小型控制柜15根据室外温度传感器14传回的信号计算用户实时热负荷，根据回水横管温度传感器4、供水横管温度传感器13和流量传感器3的回传数据计算电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11的实时供热量，并根据用户实时热负荷与电驱动热泵型暖风机10和常规室内散热装置11实时供热量的偏差对电驱动热泵型暖风机10、第二电动调节阀8、第四电动调节阀12和回水加压泵7进行调整，实现供热调节，保证用户室内温度在合理范围内变化。
实施例1
采用本系统能够增大二级网供、回水温差，带来显著节能效益。
假设某热力站通过二级网向100个建筑用户供热，每户供热面积150m2，设计热指标为40W/m2；同时假设二级网的设计供、回水温度为60/50℃(温差10℃)。
在以上计算条件下，地板辐射供热二级网循环泵的质量流量为：
Figure BDA0002529644420000061
假设该二级网循环泵的扬程为28m，机械效率0.7，则循环泵电功率为：
Figure BDA0002529644420000062
当采用本发明所述系统并采用辐射、对流混合供热模式的第三种运行状态时，二级网回水温度可进一步降低到10℃(二级网供、回水温差增加到50℃)，在系统总负荷不变的条件下循环泵质量流量可降至：
Figure BDA0002529644420000063
根据变频水泵的相似率，循环泵电功率可降低到44.94W，仅为原始水泵功率的0.8％，一天内二级网循环泵可节约的电能总量为：
Figure BDA0002529644420000064
实施例2
本系统中的电驱动热泵型暖风机10相比常规空气源热泵空调机和电热式暖风机，在相同热量输出条件下的能耗最小，具备显著节能效果。
若某建筑用户40％的热负荷由电驱动热泵型暖风机、空气源热泵空调机或电热式暖风机所承担(总供热功率为40W/m2×150m2×40％＝2400W)；假设电驱动热泵型暖风机和空气源热泵空调机的冷凝温度均为50℃，蒸发温度分别为5℃和-15℃，机械效率均为60％，则两类设备的理想卡诺循环供热系数分别为
Figure BDA0002529644420000065
和
Figure BDA0002529644420000066
实际供热系数分别为4.3和3.0。因此，电驱动热泵型暖风机的电功率为
Figure BDA0002529644420000067
空气源热泵空调机的电功率为
Figure BDA0002529644420000068
假设供暖季共5个月(150天×24h/天＝3600h)，供热系统连续运行，则电驱动热泵型暖风机、空气源热泵空调机和电热式暖风机的供暖季总能耗分别为2008.8kWh、2880kWh和8640kWh。
Figure BDA0002529644420000069
Figure BDA0002529644420000071
可以看到，与空气源热泵空调机和电热式暖风机相比，承担相同热负荷时电驱动热泵型暖风机的供暖季总能耗最小，仅为空气源热泵空调机的69.8％、电热式暖风机的23.3％，具备很好的节能效果。
实施例3
降低一级网的回水温度，实现较大节能效益。
假设某大型区域供热系统包含300个热力站，一级网的设计供、回水温度为130/70℃；每一热力站通过二级网向100个用户供热，每户供热面积150m2，设计热指标为40W/m2。
在以上计算条件下，区域供热系统的一级网循环流量为：
Figure BDA0002529644420000072
设一级网循环泵扬程为90m，机械效率0.7，则一级网循环泵的电功率为：
Figure BDA0002529644420000073
采用本系统后，一级网的回水温度可降低至15℃(一、二级网间板式换热器的换热端差为5℃)，由此一级网的循环流量可降低至：
Figure BDA0002529644420000074
根据水泵的相似定律，一级网循环泵扬程可降低至：
Figure BDA0002529644420000075
因此，一级网流量降低后循环水泵的电功率减小为：
Figure BDA0002529644420000076
本发明所述系统仅为常规散热末端系统的14.2％，整个供暖季(150天)可节电：
Figure BDA0002529644420000081
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种新型组合散热末端系统，其特征在于该系统包括回水加压泵、电驱动热泵型暖风机、常规室内散热装置、小型控制柜、供水横管主路、供水第一支路、供水第二支路、回水横管第一主路、回水第一支路、回水第二支路、暖风机回水管路和回水横管第二主路；
所述供水横管主路的进口端与二级网户间供水立管连接，其上设置有供水横管温度传感器，出口端分为供水第一支路和供水第二支路；供水第一支路的出口端与常规室内散热装置的入口连接，其上设置有第四电动调节阀；供水第二支路的出口端与电驱动热泵型暖风机的入口连接，其上设置有第三电动调节阀；
所述回水横管第一主路的进口端与常规室内散热装置的出口连接，出口端分为回水第一支路和回水第二支路；回水第一支路的出口端与电驱动热泵型暖风机的入口连接，其上设置有第二电动调节阀；回水第二支路的出口端与回水横管第二主路的进口端连接，其上设置有第一电动调节阀和逆止阀；暖风机回水管路的进口端与电驱动热泵型暖风机的出口连接，出口端与回水横管第二主路的进口端连接；暖风机回水管路上设置有回水加压泵；回水横管第二主路的出口端与二级网户间回水立管连接，其上设置有回水横管温度传感器和流量传感器；室外温度传感器设置于建筑物阴面外墙处，用于测量室外温度；
所述小型控制柜分别与流量传感器、回水横管温度传感器、第一电动调节阀、回水加压泵、第二电动调节阀、第三电动调节阀、电驱动热泵型暖风机、第四电动调节阀、供水横管温度传感器和室外温度传感器连接。
2.根据权利要求1所述的新型组合散热末端系统，其特征在于回水第二支路上依次设置有第一电动调节阀和逆止阀。
3.根据权利要求1所述的新型组合散热末端系统，其特征在于回水横管第二主路上依次设置有回水横管温度传感器和流量传感器。
4.根据权利要求1所述的新型组合散热末端系统，其特征在于所述常规室内散热装置为散热器或地热盘管。
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