CN113432175A - 一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统。主要包括水/冰可切换储热蓄冷装置、相变储热装置、电加热器、双功能热泵、换热器、水泵、阀门和管道等组成。本发明采用潜热储热蓄冷模式减小建筑侧输热蓄冷系统容积。系统在采暖季以相变储热满足采暖负荷储热需求，水/冰可切换储热蓄冷装置转换为以水储热模式的生活热水储热装置；系统在制冷季，水/冰可切换储热蓄冷装置转换为冰蓄冷系统，以满足建筑制冷蓄冷需求，相变储热装置转换为生活热水储热系统。系统运行模式包括直接供热/供冷、储热/蓄冷及供/储耦合等模式，有效解决建筑负荷与电网负荷的峰值高度重叠的问题，构建紧凑型、低成本、高效率、稳定运行的建筑侧储热/蓄冷和供热制冷新模式。

Description

一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统
技术领域
本发明涉及建筑采暖供冷和能源优化利用领域，具体涉及一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统，利用相变储热和水/冰可切换储热蓄冷，通过多途径为住宅供应热能及冷能的多功能供能系统。
背景技术
建筑空调负荷和热负荷占建筑能耗的50％以上，在可再生能源电力发展和清洁能源供暖等政策下，面向建筑侧用能的电能化发展前景广阔，但是建筑负荷与可再生电力输出时序不匹配，建筑负荷与电网负荷的峰值高度重叠的问题日益突显。建筑侧储热蓄冷是推动分布式可再生能源电力高效利用、强化谷电消纳、降低建筑用能成本的有效手段。现行的建筑侧储热蓄冷系统具有储能密度低、功能单一、使用时间短、能源利用效率低等诸多问题，影响了建筑侧储热蓄冷系统的应用与发展。
专利CN108981189A提供了一种储热蓄冷循环系统，该系统利用水作为储能介质，用于调控建筑室内温度，但储能密度较低，难以对分布式可再生能源电力做到高效利用。专利CN110195991A提供了一种跨季节混合储热冷热联供系统，该系统采用相变材料作为储能介质，提高了系统的储能密度，但制冷装置与制热装置相互独立，系统较为复杂。专利CN208091014U给出了一种相变储热式多能耦合智能供热供冷系统，采用多种设备联合获取冷量及热量并储存到相变储能装置中并供给用户使用，但该系统较为复杂，不利于日常保养维护。
发明内容
本发明的目的在于克服建筑负荷与可再生电力输出时序不匹配和建筑负荷与电网负荷的峰值高度重叠、传统建筑侧储热蓄冷装置和系统储能密度低、功能单一、运行时数短、经济性差等问题，提供一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统。
本发明提供了一种基于相变储热和水/冰可切换储热蓄冷的建筑侧高密度储热系统，包括水/冰可切换储热蓄冷装置、相变储热装置、电加热器、双功能热泵、换热器以及水泵、用户等。
本发明采用如下技术方案：
一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统，其特征在于，所述的系统包括换热器1、双功能热泵2、水/冰可切换储热蓄冷装置3、相变储热装置4、电加热器5、用户6以及水泵和阀门；
所述的换热器1通过阀门k20与阀门l21和双功能热泵2相连接；所述的换热器1通过阀门i18与水泵c9相连接；所述的水泵c9通过阀门j19与用户6相连接；所述的用户6通过阀门c12与电加热器5相连接；所述的电加热器5通过阀门d13与相变储热装置4相连接；所述的相变储热装置4通过阀门e14与水泵a7相连接；所述的水泵a7通过阀门f15与水/冰可切换储热蓄冷装置3相连接；所述的水泵a7通过阀门g16与换热器1相连接；
所述的水/冰可切换储热蓄冷装置3与用户6通过阀门o24相连通；所述的水/冰可切换储热蓄冷装置3通过阀门a10与循环水泵b8相连；所述的循环水泵b8通过阀门b11与用户6相连；所述的水/冰可切换储热蓄冷装置3通过阀门m22与阀门n23和双功能热泵2相连；
换热器1经过阀门h17与补水管道直接相连接；
水/冰可切换储热蓄冷装置3经过阀门p25和补水管道直接相连接。
本发明以相变储热装置和水/冰可切换储热蓄冷装置为基础，结合基于双功能热泵的电热/电冷转换装置，以及基于电价及冷热负荷变化等的系统运行控制，通过不同的运行模式和设备的功能转换，实现向用户供热、供冷及提供生活热水。
本发明的相变储热装置利用低谷电，冬季时以相变储热满足冬季采暖负荷储热需求，夏季时转换为生活热水储热系统，通过功能切换提升储热系统利用时数，综合降低建筑侧储热系统容量，并降低系统储热成本。
本发明的水/冰可切换储热蓄冷装置利用低谷电，夏季时通过水/冰的相变进行冷量存储，冬季时转换为以水显热储热模式的生活热水储热装置，一方面提供生活热水储热，同时可作为相变储热装置放热缓冲系统，平抑相变储热装置放热功率变化对供热稳定性的影响。
本发明的双功能热泵在制冷季热泵系统采用双水源模式运行，通过换热器有效回收热泵制冷过程的废热用于生活热水供应，有效提升能源利用效率；在供热季，系统采用空气源热泵运行模式，有效利用空气热能用于建筑采暖，并提升电热转换效率。
本发明的电加热器可保障整个系统在极端气候环境下供热供暖的安全性。
采用基于相变储热和水/冰可切换储热蓄冷装置耦合的储热蓄冷设计，在采暖季以相变储热满足采暖负荷储热需求，水/冰可切换储热蓄冷装置转换为以水为显热储热模式的生活热水储热装置，同时可作为相变储热装置放热缓冲装置，平抑相变储热装置放热功率变化对供热稳定性的影响；在制冷季，水/冰可切换储热蓄冷装置转换为水/冰相变蓄冷系统，以满足建筑制冷蓄冷需求，相变储热装置转换为生活热水储热系统，通过功能切换提升储热系统利用时数，综合降低建筑侧储热系统容量，降低系统储热成本。
冬季采用相变温度较高的相变材料储热以满足寒冷季节供暖需求，夏季采用部分相变温度较低的相变材料储热以满足夏季的生活热水供应；水/冰可切换储热蓄冷装置由水/冰相变进行冷量的存储。
系统可以根据电价及冷热负荷变化等情况综合控制，实现直接供热/供冷、储热/蓄冷、供/储耦合等模式，构建紧凑型、低成本、高效率、稳定运行的建筑侧储热/蓄冷和供热制冷新模式。
本发明采用水/冰可切换储热蓄冷装置及相变储热装置作为储能装置，可以在用电负荷较低时进行储热蓄冷，在用电高峰时给建筑侧供热供冷，有效解决了建筑负荷和电网负荷的峰值高度重合的问题，降低了建筑用能成本。系统具有多种运行模式和运行回路，具有多种功能，运行方式切换灵活可靠程度高，可在复杂环境下有效满足用户多种需求。
附图说明
图1是本发明一种新型的紧凑型复合建筑储热蓄冷系统原理图。
图中：1换热器；2双功能热泵；3水/冰可切换储热蓄冷装置；4相变储热装置；5电加热器；6用户；7水泵a；8水泵b；9水泵c；10阀门a；11阀门b；12阀门c；13阀门d；14阀门e；15阀门f；16阀门g；17阀门h；18阀门i；19阀门j；20阀门k；21阀门l；22阀门m；23阀门n；24阀门o；25阀门p。
图2是本发明双功能热泵系统的原理图。
图中：2-1压缩机；2-2冷凝器；2-3膨胀阀；2-5蒸发器1；2-8蒸发器2；2-4、2-6、2-7、2-9控制阀。
具体实施方式：
本发明的本发明是通过以下技术方案实现的。
如图1所示，本发明一种新型的紧凑型复合建筑储热蓄冷系统,主要包括换热器1、双功能热泵2、水/冰可切换储热蓄冷装置3、相变储热装置4、电加热器5、用户6以及水泵、阀门、管道和控制等辅助部件。
所述的换热器1通过阀门k20与阀门l21和双功能热泵2相连接；所述的换热器1通过阀门i18与水泵c9相连接；所述的水泵c9通过阀门j19与用户6相连接；所述的用户6通过阀门c12与电加热器5相连接；所述的电加热器5通过阀门d13与相变储热装置4相连接；所述的相变储热装置4通过阀门e14与水泵a7相连接；所述的水泵a7通过阀门f15与水/冰可切换储热蓄冷装置3相连接；所述的水泵a7通过阀门g16与换热器1相连接。
所述的水/冰可切换储热蓄冷装置3与用户6通过阀门o24相连通；所述的水/冰可切换储热蓄冷装置3通过阀门a10与循环水泵b8相连；所述的循环水泵b8通过阀门b11与用户6相连；所述的水/冰可切换储热蓄冷装置3通过阀门m22和阀门n 23和双功能热泵2相连。
换热器1经过阀门h17与补水管道直接相连接。
水/冰可切换储热蓄冷装置3经过阀门p25与补水管道直接相连接。
本发明主要涉及有三种运行模式：冷热联供模式、单一热源供热模式、多热源联合供热模式。
冷热联供运行模式：冷热联供模式可以分为供冷和生活热水供应两个循环回路。在采用此运行模式时，需要开启阀门a10、阀门b11、阀门c12、阀门d13、阀门e14、阀门g16、阀门i18、阀门j19、阀门k20、阀门l21、阀门m22、阀门n23、阀门o24，关闭阀门f15；双功能热泵2中开启阀门2-4和2-6，关闭阀门2-7和2-9。
供冷循环回路：当电网负荷处于低谷用电时，其中双功能热泵2的蒸发器12-5将冷量输送并储存在水/冰可切换储热蓄冷装置3中，当用户6需要供冷时，水/冰可切换储热蓄冷装置3中的低温冷水经由阀门a10、水泵b8通过阀门b11进入用户，低温冷水在用户6经过冷量释放后变为常温水再经过阀门o24返回水/冰可切换储热蓄冷装置3中完成循环。
生活热水供应循环回路：在该回路下可选择使用双功能热泵2或相变储热装置4进行供应生活热水或二者综合供给生活热水；
当选择双功能热泵2进行生活热水供应时：双功能热泵2中的蒸发器12-5利用低谷电获取热量或回收热泵机组制冷中的废热，将热量输送并与换热器1进行热量交换，经过换热器1中的热水再经由阀门i18通过水泵c9再经过阀门j19送入用户6中，热水从用户6离开后经由阀门c12进入电加热器5，此时可根据用户6需求决定是否开启电加热器5来进一步加热水，水从电加热器5离开后经由阀门d13进入相变储热装置4中，并经由阀门e14、水泵a7、阀门g16回到换热器1中完成循环；
当选择使用相变储热装置进行生活热水供应时：在低谷用电期间可利用电加热器5或者双功能热泵1给相变储热装置4提供热量，并将热量储存在相变储热装置中，在需要供应生活热水时再释放相变储热装置4中的热量，水从相变储热装置4中吸收热量通过阀门e14、水泵a7、阀门g16、换热器1、阀门i18、水泵c9、阀门j19，随后给用户6生活热水供应，从用户6离开后经过阀门c12回到电加热器5中完成循环；
当二者综合供给生活热水时，首先可由双功能热泵2供给的生活热水从用户6热量交换完毕，回流的低温水再由相变储热装置4释放热量加热热水，供给用户6；若该回路双功能热泵2制热量可满足用户6需求或相变储热装置4储热量足够不需要额外进行储热时，电加热器5关闭，若双功能热泵2提供的热量无法满足用户6需求或相变储热装置4储热量不足需要额外进行储热时，可开启电加热器5，提高水的温度，再供给用户6。
单一热源供热模式下系统有热泵供热回路、相变储热装置4供热回路，电加热供热循环回路，三种循环回路。
当采用该热泵供热回路时，在采用此种运行模式时，需要开启阀门c12、阀门d13、阀门e14、阀门g16、阀门i18、阀门j19、阀门k20及阀门l21，关闭阀门a10、阀门b11、阀门f15、阀门m22、阀门n23、阀门o24；双功能热泵2中开启阀门2-7和2-9，关闭阀门2-4和2-6此时热泵机组由蒸发器22-8吸收空气热能提供热量，双功能热泵2与换热器1进行热量交换，被加热后的水从换热器1中离开，经过阀门i18通过水泵c9、阀门j19到达用户6，从用户6离开后经由阀门c12、电加热器5、阀门d13、相变储热装置4、阀门e14、水泵a7、阀门g16回到换热器1继续热量交换完成循环。
当采用储热相变供热回路时需要开启阀门a10、阀门b11、阀门c12、阀门d13、阀门e14、阀门f15，关闭阀门g16、阀门h17、阀门i18、阀门j19、阀门k20、阀门l21、阀门m22、阀门n23、阀门o24。在低谷用电期间可利用电加热器5或者双功能热泵2给相变储热装置4提供热量，并将热量储存在相变储热装置4中，当用户6需要供热时，水从相变储热装置4中吸收热量经由阀门e14、水泵a7、阀门f15进入水/冰可切换储热蓄冷装置3中，此时水/冰可切换储热蓄冷装置中作为水的显热储热装置，并可作为相变储热装置4的放热缓冲装置，平抑相变储热装置4放热功率变化对供热稳定性的影响；随后经过阀门a10、水泵b8、阀门b11输送到用户6中，进行热量交换后从阀门c12、电加热器5、阀门d13回到相变储热装置4中完成循环。
当采用电加热供热回路时，此时相变储热装置4的储热量以及双功能热泵2的供热量均不满足用户6的需求；需要开启阀门a10、阀门b11、阀门c12、阀门d13、阀门e14、阀门f15，关闭阀门g16、阀门h17、阀门i18、阀门j19、阀门k20、阀门l21、阀门m22、阀门n23、阀门o24。当用户6需要供热时，由电加热器将水加热，通过阀门d13、相变储热装置4、阀门e14、水泵a7、阀门f15进入水/冰可切换储热蓄冷装置3中，在进行显热热量存储及热量平抑后，热水从阀门a10、水泵b8、阀门b11进入用户6中，在用户6中热量交换后从阀门c12回到电加热器5中完成循环。
热源联合供热模式为多热源相变储热装置供热回路，可供给生活热水以及供暖需求。
当生活热水供应与供暖需求一体化时：此时需要开启阀门a10、阀门b11、阀门c12、阀门d13、阀门e14、阀门f15、阀门m22、阀门n23，关闭阀门g16、阀门h17、阀门i18、阀门j19、阀门k20、阀门l21、阀门o24；双功能热泵2中开启阀门2-7和2-9，关闭阀门2-4和2-6。首先双功能热泵2以空气为热源将获取的热量输送并储存在水/冰可切换储热蓄冷装置3中，水/冰可切换储热蓄冷装置3中的水经由阀门a10、水泵b8、阀门b11、进入用户6中，此时在冬季可作为生活热水供应；另一边水从相变储热装置4进行热量交换，此前利用低谷电储存在相变储热装置4中的热量释放出来，经过阀门e14、水泵a7、阀门f15进入水/冰可切换储热蓄冷装置3中，该部分热量可用于冬季供暖需求，随后通过阀门a10、水泵b8、阀门b11进入用户6，热能供应完成后经过阀门c12进入电加热器5中，此时可根据用户6需要决定是否开启电加热器5，在水离开电加热器5后，在经由阀门d13进入相变储热装置4中，完成循环。
当分别供暖和生活热水时：此时需要开启阀门a10、阀门b11、阀门c12、阀门d13、阀门e14、阀门f15、阀门g16、阀门i18、阀门j19、阀门k20、阀门l21，关闭阀门m22、阀门n23及阀门o24；双功能热泵2中开启阀门2-7和2-9，关闭阀门2-4和2-6。首先双功能热泵2以空气为热源将获取的热量通过阀门l21、阀门k20与换热器1进行热量交换，从换热器1处获取热水后，通过阀门i18、水泵c9和阀门j19进入用户6中供给生活热水，随后经过阀门c12、电加热器5、阀门d13、相变储热装置4、阀门e14、水泵a7和阀门g16回到换热器1；另一边水从相变储热装置4进行热量交换，此前利用低谷电储存在相变储热装置4中的热量释放出来，经过阀门e14、水泵a7、阀门f15进入水/冰可切换储热蓄冷装置3中，该部分热量可用于冬季供暖需求，随后通过阀门a10、水泵b8、阀门b11进入用户6，热能供应完成后经过阀门c12进入电加热器5中，此时可根据用户6需要决定是否开启电加热器5，在水离开电加热器5后，在经由阀门d13进入相变储热装置4中，完成循环。
本发明采用基于相变储热和水/冰可切换储热蓄冷装置3耦合的储热蓄冷设计，在采暖季以相变储热满足采暖负荷储热需求，水/冰可切换储热蓄冷装置3转换为以水为显热储热模式的生活热水储热装置，同时可作为相变储热装置4放热缓冲装置，平抑相变储热装置4放热功率变化对供热稳定性的影响；在制冷季，水/冰可切换储热蓄冷装置3转换为水/冰相变蓄冷系统，以满足建筑制冷蓄冷需求，相变储热装置4转换为生活热水储热系统，通过功能切换提升储热系统利用时数，综合降低建筑侧储热系统容量，降低系统储热成本。
冬季采用相变温度较高的相变材料储热以满足寒冷季节供暖需求，夏季采用部分相变温度较低的相变材料储热以满足夏季的生活热水供应；水/冰可切换储热蓄冷装置3由水/冰相变进行冷量的存储。
系统采用双功能热泵2，在制冷季热泵系统采用双水源模式运行，通过换热器1有效回收热泵制冷过程的废热用于生活热水供应，有效提升能源利用效率；在供热季，系统采用空气源热泵运行模式，有效利用空气热能用于建筑采暖，并提升电热转换效率。
系统配置电加热器5可保障系统在极端气候条件下电热转化稳定性与供热安全性。
系统可以根据电价及冷热负荷变化等情况综合控制，实现直接供热/供冷、储热/蓄冷、供/储耦合等模式，构建紧凑型、低成本、高效率、稳定运行的建筑侧储热/蓄冷和供热制冷新模式。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统，其特征在于，所述的系统包括换热器(1)、双功能热泵(2)、水/冰可切换储热蓄冷装置(3)、相变储热装置(4)、电加热器(5)、用户(6)以及水泵和阀门；
所述的换热器(1)通过阀门k(20)与阀门l(21)和双功能热泵(2)相连接；所述的换热器(1)通过阀门i(18)与水泵c(9)相连接；所述的水泵c(9)通过阀门j(19)与用户(6)相连接；所述的用户(6)通过阀门c(12)与电加热器(5)相连接；所述的电加热器(5)通过阀门d(13)与相变储热装置(4)相连接；所述的相变储热装置(4)通过阀门e(14)与水泵a(7)相连接；所述的水泵a(7)通过阀门f(15)与水/冰可切换储热蓄冷装置(3)相连接；所述的水泵a(7)通过阀门g(16)与换热器(1)相连接；
所述的水/冰可切换储热蓄冷装置(3)与用户(6)通过阀门o(24)相连通；所述的水/冰可切换储热蓄冷装置(3)通过阀门a(10)与循环水泵b(8)相连；所述的循环水泵b(8)通过阀门b(11)与用户(6)相连；所述的水/冰可切换储热蓄冷装置(3)通过阀门m(22)与阀门n(23)和双功能热泵(2)相连；
换热器(1)经过阀门h(17)与补水管道直接相连接；
水/冰可切换储热蓄冷装置(3)经过阀门p(25)和补水管道直接相连接。
2.如权利1要求所述的一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统，其特征在于，采用基于相变储热和水/冰可切换储热蓄冷装置(3)耦合的储热蓄冷设计，在采暖季以相变储热满足采暖负荷储热需求，水/冰可切换储热蓄冷装置(3)转换为以水为显热储热模式的生活热水储热装置，同时作为相变储热装置(4)放热缓冲装置，平抑相变储热装置(4)放热功率变化对供热稳定性的影响；在制冷季，水/冰可切换储热蓄冷装置(3)转换为水/冰相变蓄冷系统，以满足建筑制冷蓄冷需求，相变储热装置(4)转换为生活热水储热系统，通过功能切换提升储热系统利用时数，综合降低建筑侧储热系统容量，降低系统储热成本。
3.如权利1要求所述的一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统，其特征在于，相变储热装置(4)，冬季采用相变材料储热以满足寒冷季节供暖需求，夏季采用相变材料储热以满足夏季的生活热水供应；冬季采用的相变材料的相变温度高于夏季采用的相变材料的相变温度；水/冰可切换储热蓄冷装置(3)由水/冰相变进行冷量的存储。
4.如权利1要求所述的一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统，其特征在于，系统采用双功能热泵(2)，在制冷季热泵系统采用双水源模式运行，通过换热器(1)有效回收热泵制冷过程的废热用于生活热水供应，有效提升能源利用效率；在供热季，系统采用空气源热泵运行模式，有效利用空气热能用于建筑采暖，并提升电热转换效率。
5.如权利1要求所述的一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统，其特征在于，系统配置电加热器(5)可保障系统在极端气候条件下电热转化稳定性与供热安全性。
6.如权利1要求所述的一种紧凑型复合建筑储热蓄冷系统，其特征在于，系统可以根据电价及冷热负荷变化等情况综合控制，实现直接供热/供冷、储热/蓄冷或供/储耦合模式。
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