CN111692628B - 一种基于供暖管网的热泵供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于供暖管网的热泵供暖系统，包括制冷剂循环回路、供暖水循环回路、新小区供水循环回路；所述供暖水循环回路中的热水由热电厂输出，并流经老小区供暖管网，最后流返热电厂，所述供暖水循环回路通过直接连接或间接换热的方式向新小区供水循环回路提供热量；所述制冷剂循环分别与供暖水循环回路与新小区供水循环回路换热式连接，以此将所述供暖水循环回路中的热量回收，并加热所述新小区供水循环回路。与现有技术相比，本发明基于热泵系统的特点，对供暖管网中的余热进行二次回收，转化为高温热能，不仅可以在不改变供暖管网输配能力的情况下实现扩容，还可以保证用户使用时的热舒适性，而且该方案还不受地域以及气候的限制。

Description

一种基于供暖管网的热泵供暖系统
技术领域
本发明涉及热泵系统领域，特别是涉及一种基于供暖管网的热泵供暖系统。
背景技术
目前，北方供暖系统中常采用的城市供暖管网示意图如图1所示，热电厂通过废热制取供热水通过供暖管网输送给用热小区进行供暖，供暖结束后的回水需经过冷却塔冷却至15℃以下才能再进入热电厂进行加热。该系统在实际使用时主要存在以下矛盾：一方面老小区采暖设备陈旧，回水温度高（40-50℃附近），热电厂复用前需二次冷却至较低温度，导致大量能源浪费，供暖水能量利用率较低；另一方面，现有供暖管网输配能力饱和，新小区难以接入管网获取供暖热水。如果新小区能够利用老小区的余热供暖，将有效解决上述矛盾。
为了解决供暖管网输配能力饱和，新小区供暖难的问题，目前市场上的解决方案主要为电加热补热、空气源热泵补热、燃气锅炉补热、可再生能源补热四种方案，这四种方案本身均采用的是清洁能源，且不需对管网的输配能力进行扩容即可实现新小区的供暖，但也存在很多不足之处。电加热补热方案虽然结构简单，但是将高品质的能量以低品质的形式使用，导致能效过低，能耗过高。空气源热泵补热可以一定程度上改善能效过低的不足，但因为冬季工况温度较低，能效仍然不够理想。燃气锅炉补热是一种比较理想的补热方式，直接使用的是一次能源，弥补了能效过低的不足，但是针对暂未铺设燃气管网以及燃气不足的区域，该方案无法实现；可再生能源供暖是最为环保的一种补热方式，但是可再生能源受环境因素影响较大，有着极强的波定性，因此能源供给的稳定性不足。上述问题严重影响了新小区的扩建以及用户的热舒适体验。
与本发明最接近的技术方案主要包括：中国专利CN 109764387 A提出了一种利用区域热网进行冷热联供的系统及控制方法，其是利用用户侧夏季制冷时产出的废热排入区域热网的水中储存起来，然后冬季时热泵再以此为热源实现余热回收进行供暖，但该技术的核心在于将区域热网作为一种蓄能装置，将夏季废热储存至冬天使用，而不是将热网中的余热取光用尽以提高其能量利用率；中国专利CN 204593527 U提出了一种供热管网热泵调节系统，通过架设换热器使得供热管网中的高温侧热量可以向低温侧转移，使得热网内温度分布均匀，但该技术的核心在于实现热网内末端用户取热时的水温均匀，而非提高热网的能量利用率。
发明内容
本发明的目的是为了充分利用供暖管网系统中的余热，解决了当前供暖管网输配能力饱和、新小区入网难与原有供暖水能量利用率低的问题，进而提供一种不受地域以及气候限制的基于现有供暖管网输配能力下的供暖能力扩容的技术方案。
本发明基于热泵系统的特点，对供暖管网中的余热进行二次回收，转化为高温热能，不仅可以在不改变供暖管网输配能力的情况下实现扩容，还可以保证用户使用时的热舒适性，而且该方案还不受地域以及气候的限制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明中基于供暖管网的热泵供暖系统，基于热泵装置可以使低温余热转化为高温热能的原理，实现原有供暖管网热量的二次回收以及供暖面积的扩容。
基于供暖管网的热泵供暖系统主要有五种热回收的结构形式：
本发明中基于供暖管网的热泵供暖系统，包括制冷剂循环回路、供暖水循环回路、新小区供水循环回路；
所述供暖水循环回路中的热水由热电厂输出，并流经老小区供暖管网，最后流返热电厂，所述供暖水循环回路通过直接连接或间接换热的方式向新小区供水循环回路提供热量；
所述制冷剂循环分别与供暖水循环回路与新小区供水循环回路换热式连接，以此将所述供暖水循环回路中的热量回收，并加热所述新小区供水循环回路。
进一步地，所述制冷剂循环回路包括依次连接的压缩机、冷凝器的制冷剂通路、节流装置、蒸发器的制冷剂通路，所述蒸发器的制冷剂通路与压缩机连接，构成循环；
所述新小区供水循环回路包括依次连接的第二水泵、新小区供暖管网、冷凝器的水通路，所述冷凝器的水通路与所述第二水泵连接，构成循环；
所述老小区供暖管网的出口处设有第一水泵，第一水泵与蒸发器的水通路连接。
进一步地，所述供暖水循环回路直接与所述新小区供水循环回路连接，所述新小区供暖管网出水的第一部分参与新小区供水循环回路的循环，另一部分流出新小区供水循环回路并流返流返热电厂，实现供暖水循环回路的循环；
所述制冷剂循环对新小区供水循环回路中的回水进行加热后，通过混水阀与经由老小区供暖管网的出水进行混流，之后重新输入新小区供水循环回路中。
作为本发明的第一种实施方式，所述混水阀的第一接口、第二接口、第三接口分别与第一水泵的出口端、第二水泵的入口端、冷凝器的水通路出口端连接。
作为本发明的第二种实施方式，所述混水阀的第一接口、第二接口、第三接口分别与冷凝器的水通路入口端、第一水泵的出口端、新小区供暖管网出口端连接。
区别于上述方案，本发明中下面三种实施方式基于：制冷剂循环回路分别与供暖水循环回路、新小区供水循环回路换热式连接。
作为本发明的第五种实施方式，所述蒸发器的水通路的两端分别与第一水泵和热电厂连接；所述冷凝器水通路的两端分别与第二水泵和新小区供暖管网连接。在本实施方式中，仅通过制冷剂循环回路仅分别与供暖水循环回路、新小区供水循环回路换热式连接，不进行其他换热式连接。
作为本发明的第三种实施方式，所述供暖水循环回路还与所述新小区供水循环回路换热式连接，所述新小区供水循环回路上还并联设有板式换热器；
所述板式换热器的第一水通路接于供暖水循环回路中；
所述板式换热器的第二水通路一端与所述第二水泵的入口端连接，另一端与新小区供暖管网出口端连接，所述板式换热器的第一水通路一端与第一水泵的出口端连接，另一端与蒸发器的水通路入口端连接。
作为本发明的第四种实施方式，所述板式换热器的水通路一端与所述蒸发器的水通路出口端连接，另一端与热电厂连接。
对于制冷剂循环，上述五种结构形式工作原理相同，中温低压的制冷剂经过压缩机的压缩变为高温高压的制冷剂，然后通过冷凝器放热给供暖水变为中温高压的制冷剂，经过节流装置节流为低温低压的状态，最后经蒸发器吸取供暖水中的余热最终变回中温低压的制冷剂。
对于供暖水循环回路，第一种结构形式下，老小区供暖结束后的中温水经过第一水泵输送至混水阀，混水阀通过混合老小区传输过来的中温水以及经冷凝器加热后的高温水得到适宜末端供暖的高温水，经第二水泵输送给新小区，新小区供暖结束后的中温水分为两路，一路进入冷凝器进行二次加热然后在混水阀内与之前老小区供暖结束后的中温水进行混合，另一路进入蒸发器进行热量回收，最后作为低温水排入总供暖管网的回水管中。
第二种结构形式下，供暖水循环回路与第一种结构形式的循环类似，其与第一种结构形式的区别为改为老小区供暖结束后的中温水与新小区供暖结束后的中温水先进行混合然后再进入冷凝器中加热。
第三种结构形式下，包括老小区供暖水循环及新小区供水循环回路两个供暖水循环。老小区供暖水循环内，老小区供暖结束后的中温水经过蒸发器热回收后变为中低温水，经过板式换热器进行二次热回收后变为低温水，排入供暖管网的回水管。新小区供水循环回路内，新小区供暖结束后的低温水分为两路，一路经过冷凝器加热为高温水，另一路经过板式换热器加热后变为高温水，两路合并后经第二水泵输送给新小区进行供暖。
第四种结构形式下，供暖水循环回路与第三种结构形式的循环类似，其与第三种结构形式的区别为老小区供暖水循环内，先通过板式换热器进行热回收，然后再进入蒸发器内进行热回收。
第五种结构形式下，供暖水循环回路与第三种结构形式的循环类似，其与第三种结构形式的区别为在老小区供暖水循环内，老小区供暖结束后的中温水经蒸发器热回收后直接进入供暖管网的回水管，新小区供水循环回路内，取消了板式换热器这一路换热。
基于上述技术方案，本发明具有以下技术上的先进性：
1. 本技术方案实现了供暖管网与热泵系统的结合，实现了对供暖管网余热的热回收，提高了供暖管网的能源利用率；
2.本技术方案提出了五种具体的热泵与供暖管网结合使用的组合方案，可以根据不同工况及不同需求选择不同的方案，完成供暖管网与热泵的结合；
3.组合方案综合了主动取热技术与间接取热技术两种方案的特性，兼备了两种取热技术的优点；
4.该技术方案在原有供暖管网方案上省却了冷却塔或其他冷却装置。
与现有技术相比，本发明具有以下明显的优势：
1.本技术方案适应性强，只要有供暖管网的地方均可使用本方案，不受气候以及地域的限制，而且热泵机器本身占地面积小，使用能源为电能，容易获得，总体方案易于实施；
2.本技术方案无需再使用冷却塔或其他冷却装置冷却之前供暖管网的余热，而是将其充分回收利用，方案能耗较低，节能性好；
3.因为该方案下供暖管网能源利用率高，供暖管网内设定的供暖水温可以进一步提高，从而降低供暖水流量，节省供暖管网的泵功，提升传输管网能效。
4.本技术方案在不改变供暖管网输配能力的情况下完成了对供暖面积的扩容，实施过程无需大规模土建改造，初投资较小，同时运行成本低，利润空间较大。
5. 本技术方案回收的热量为供暖余热，使用的能源为电能，均为清洁能源，符合节能环保的理念。
附图说明
图1为目前现有技术中供暖系统中常采用的城市供暖管网示意图。
图2为本发明一种基于供暖管网的热泵供暖系统采用热泵+混水模式实现回热供暖的结构示意图；
图3为本发明一种基于供暖管网的热泵供暖系统采用混水+热泵模式实现回热供暖的结构示意图；
图4为本发明一种基于供暖管网的热泵供暖系统采用热泵+板式换热器模式实现回热供暖的结构示意图；
图5为本发明一种基于供暖管网的热泵供暖系统采用板式换热器+热泵模式实现回热供暖的结构示意图；
图6为本发明一种基于供暖管网的热泵供暖系统采用单热泵模式实现回热供暖的结构示意图；
图中：1、第一水泵，2、混水阀，3、第二水泵，4、冷凝器，5、压缩机，6、节流装置，7、蒸发器，8、板式换热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例中为采用热泵+混水模式实现回热供暖的结构示意图，如图2所示，包括：
制冷剂循环回路：冷凝器4、节流装置6、蒸发器7以及压缩机5通过制冷剂管依次相连。
供暖水循环回路：第一水泵1入口端与老小区回水管通过水管连接，混水阀2的第一接口、第二接口、第三接口分别与第一水泵1出口端、第二水泵3入口端以及冷凝器4通过水管连接，第二水泵3出口端与新小区的供水管通过水管连接，冷凝器4、蒸发器7、新小区回水管分别接于三通的三个接口通过水管进行连接，蒸发器7与供暖管网的回水管通过水管连接。
具体运行过程中：
图2所示为采用热泵+混水模式实现回热供暖的工作过程：
制冷剂循环：中温低压的制冷剂经过压缩机5的压缩变为高温高压的制冷剂，然后通过冷凝器4放热给供暖水变为中温高压的制冷剂，经过节流装置6节流为低温低压的状态，最后经蒸发器7吸取供暖水中的余热最终变回中温低压的制冷剂。
供暖水循环：老小区供暖结束后的中温水经过第一水泵1输送至混水阀2，混水阀2通过混合老小区传输过来的中温水以及经冷凝器4加热后的高温水得到适宜末端供暖的高温水，经第二水泵3输送给新小区，新小区供暖结束后的中温水分为两路，一路进入冷凝器4进行二次加热然后在混水阀2内与之前老小区供暖结束后的中温水进行混合，另一路进入蒸发器7进行热量回收，最后作为低温水排入总供暖管网的回水管中并回流至热电厂处。
实施例2
本实施例中为采用混水+热泵模式实现回热供暖的结构示意图，如图3所示，其与实施例1的区别为将混水阀的三个接口改为分别与冷凝器4、第一水泵1以及连接新小区回水管与蒸发器7的三通通过水管连接。
在运行过程中与实施例1的区别为改为老小区供暖结束后的中温水与新小区供暖结束后的中温水先进行混合然后再进入冷凝器4中加热。
实施例3
本实施例中为采用热泵+板式换热器模式实现回热供暖的结构示意图，如图4所示。
制冷剂循环回路：与实施例1相同。
供暖水循环回路： 有供暖水循环回路及新小区供水循环回路两个供暖水循环，供暖水循环回路中，第一水泵1入口端、出口端分别与老小区回水管、蒸发器7通过水管连接，板式换热器8分别与蒸发器7、供暖管网的回水管通过水管连接；新小区供水循环回路中，第二水泵3入口端、冷凝器4以及板式换热器8分别与三通的三个接口通过水管连接，第二水泵3出口端与新小区供水管通过水管连接，冷凝器4、板式换热器8、新小区回水管分别与三通的三个接口通过水管连接。
具体运行过程中：
图4所示为采用热泵+板式换热器模式实现回热供暖的工作过程：
制冷剂循环：与例1相同。
供暖水循环：包括供暖水循环回路及新小区供水循环回路两个供暖水循环。供暖水循环回路内，老小区供暖结束后的中温水经过蒸发器7热回收后变为中低温水，经过板式换热器8进行二次热回收后变为低温水，排入供暖水循环回路中供暖管网的回水管。新小区供水循环回路中，新小区供暖结束后的低温水分为两路，一路经过冷凝器4加热为高温水，另一路经过板式换热器8加热后变为高温水，两路合并后经第二水泵3输送给新小区进行供暖。
实施例4
本实施例中为采用板式换热器+热泵模式实现回热供暖的结构示意图，如图5所示，其与实施例3的区别为，板式换热器8移至第一水泵1出口端与蒸发器7的中间，蒸发器7与供暖管网的回水管直接相连。
在运行过程中与实施例3的区别为供暖水循环回路内，先通过板式换热器8进行热回收，然后再进入蒸发器7内进行热回收。
实施例5
本实施例中为采用板式换热器+热泵模式实现回热供暖的结构示意图，如图6所示，其与实施例3的区别为，在供暖水循环回路中，蒸发器7与供暖管网回水管通过水管直接相连，在新小区供水循环回路中，取消实施例3中板式换热器8的所有连接。
在运行过程中与实施例3的区别为在供暖水循环回路内，老小区供暖结束后的中温水经蒸发器7热回收后直接进入新小区供暖管网的回水管，新小区供水循环回路内，取消了板式换热器8这一路换热。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于供暖管网的热泵供暖系统，其特征在于，包括制冷剂循环回路、供暖水循环回路、新小区供水循环回路；
所述供暖水循环回路中的热水由热电厂输出，并流经老小区供暖管网，最后流返热电厂，所述供暖水循环回路通过直接连接或间接换热的方式向新小区供水循环回路提供热量；
所述制冷剂循环分别与供暖水循环回路与新小区供水循环回路换热式连接，以此将所述供暖水循环回路中的热量回收，并加热所述新小区供水循环回路；
所述制冷剂循环回路包括依次连接的压缩机（5）、冷凝器（4）的制冷剂通路、节流装置（6）、蒸发器（7）的制冷剂通路，所述蒸发器（7）的制冷剂通路与压缩机（5）连接，构成循环；
所述新小区供水循环回路包括依次连接的第二水泵（3）、新小区供暖管网、冷凝器（4）的水通路，所述冷凝器（4）的水通路与所述第二水泵（3）连接，构成循环；
所述老小区供暖管网的出口处设有第一水泵（1），第一水泵（1）与蒸发器（7）的水通路连接；
所述供暖水循环回路直接与所述新小区供水循环回路连接，所述新小区供暖管网出水的第一部分参与新小区供水循环回路的循环，另一部分流出新小区供水循环回路并流返流返热电厂，实现供暖水循环回路的循环；
所述制冷剂循环对新小区供水循环回路中的回水进行加热后，通过混水阀（2）与经由老小区供暖管网的出水进行混流，之后重新输入新小区供水循环回路中。
2.根据权利要求1所述的一种基于供暖管网的热泵供暖系统，其特征在于， 所述混水阀（2）的第一接口、第二接口、第三接口分别与第一水泵（1）的出口端、第二水泵（3）的入口端、冷凝器（4）的水通路出口端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于供暖管网的热泵供暖系统，其特征在于，所述混水阀（2）的第一接口、第二接口、第三接口分别与冷凝器（4）的水通路入口端、第一水泵（1）的出口端、新小区供暖管网出口端连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于供暖管网的热泵供暖系统，其特征在于，所述制冷剂循环回路分别与供暖水循环回路、新小区供水循环回路换热式连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于供暖管网的热泵供暖系统，其特征在于，所述蒸发器（7）的水通路的两端分别与第一水泵（1）和热电厂连接；
所述冷凝器（4）水通路的两端分别与第二水泵（3）和新小区供暖管网连接。
6.根据权利要求4所述的一种基于供暖管网的热泵供暖系统，其特征在于，所述供暖水循环回路还与所述新小区供水循环回路换热式连接，所述新小区供水循环回路上还并联设有板式换热器（8）；
所述板式换热器（8）的第一水通路接于供暖水循环回路中；
所述板式换热器（8）的第二水通路一端与所述第二水泵（3）的入口端连接，另一端与新小区供暖管网出口端连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于供暖管网的热泵供暖系统，其特征在于，所述板式换热器（8）的第一水通路一端与第一水泵（1）的出口端连接，另一端与蒸发器（7）的水通路入口端连接。
8.根据权利要求6所述的一种基于供暖管网的热泵供暖系统，其特征在于，所述板式换热器（8）的水通路一端与所述蒸发器（7）的水通路出口端连接，另一端与热电厂连接。
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