CN115405983A - 热泵系统、热泵控制系统及控制方法、热网系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵系统、热泵控制系统及控制方法、热网系统，本发明的热源系统产生的高温热源(大于80摄氏度)流经换热器先与用户供暖系统的供暖水进行一次换热，高温热源温度降低后在流入热泵系统的蒸发器，再次与用户供暖系统的供暖水换热，解决了现有热泵系统无法以高温流体作为热源的弊端，降低了用户侧的热水使用成本，并且该控制方法可以协调热源系统、用户供暖系统和热泵系统三者协调工作，以使余热达到最大利用率。

Description

热泵系统、热泵控制系统及控制方法、热网系统

技术领域

本发明涉及余热控制技术领域，尤其涉及一种热泵系统、热泵控制系统及控制方法、热网系统。

背景技术

当前，热泵系统是一种利用空气、地下水、地表水等低温热源，以水为传热介质，采用热泵技术进行加热生活用水的供应系统。低温热源的温度通常不高于40℃。

实际生产过程中，常会产生温度大于40℃的高温流体，这一部分流体需要先经过降温处理再应用于热泵系统，导致能源极大地浪费。

另外，当前热泵系统与热源供应系统均为独立的工作模块，工作之间无关联性，对于热源的分配存在随机性，热源利用率比较低。

如何提高热源在热泵系统中利用率，是本领域内技术人员一直关注的技术问题。

发明内容

本发明的目的为提供一种能够提高热源利用率且协调工作性强的热泵系统、热泵控制系统及控制方法、热网系统。

本发明提供一种热泵系统，包括换热器和热泵单元，所述热泵单元至少包括压缩机、冷凝器和蒸发器，三者能够形成冷媒循环回路；

所述换热器具有能够热量交换的第一换热流道和第二换热流道；所述换热器的第一换热流道与热源系统的热源出口管连接的进口管设置有流量阀，所述第一换热流道出口与所述蒸发器的换热介质流道的进口连通；

所述第二换热流道和所述冷凝器的换热介质流道串联或者并联或者串并联以连接于用户供暖系统的主管路；

所述流量阀的开度根据所述用户供暖系统的热量需求值控制，以使流出所述蒸发器的热源出口温度处于预设范围。

本发明中热源系统产生的高温热源(大于80摄氏度)流经换热器先与用户供暖系统的供暖水进行一次换热，高温热源温度降低后在流入热泵系统的蒸发器，再次与用户供暖系统的供暖水换热，解决了现有热泵系统无法以高温流体作为热源的弊端，降低了用户侧的热水使用成本，具有较好的经济效益。

并且本发明根据用户供暖系统的热量需求值能够调节热源侧进入换热器的热源流量，使得经过热泵系统之后的热源出口温度位于预设范围，此处的预设范围是指设计人员根据当前热源最大化利用率而设定的温度值，也就是说，热源在流经换热器和蒸发器换热后其热量被供暖水最大化吸收，利用率相对比较高。

可选的，所述换热器的第一换热流道进口设置有第一温度传感器，用于检测流入所述换热器的热源进口温度；所述蒸发器的换热介质流道的出口还设置有第二温度传感器，用于测量由所述蒸发器流出热源出口温度。

可选的，还包括压力计，用于检测所述蒸发器的换热介质流道出口的热源压力。

可选的，所述冷凝器的换热介质流道和所述第二换热流道并行连接于所述外部供暖主管路，并且所述冷凝器的换热介质流道的进口和出口分别设置有第一开关阀和第二开关阀。

尤其地，当换热器与冷凝器的换热管道并联时，这样二者换热之间运行独立，便于对热泵冷凝器的维护，并且当冷凝器维护时，换热器可以正常工作，避免完全停止供暖对用户生活造成较大影响；另外，本申请中换热器与冷凝器的换热管道并联接入供暖水路中，用户侧需要加热的供暖水直接流入冷凝器，水温比较低，冷凝温度可以相对比较低，降低压缩机的压比，能效较高。

再者，在使用侧供暖负荷降低的时候，可以适当降低进入冷凝器内部的供暖水，增大进入换热器的水流量，这样可以降低热泵系统负载，从而降低压缩机运行频率，增加换热器的换热量，减少整套系统的耗电量。

此外，本发明还提供了一种控制方法，用于上述任一项所述的热泵系统的控制，包括:

获取当前时刻用户供暖系统的热量需求值；

根据所述当前时刻用户供暖系统的热量需求值调节所述流量阀的开度，以使流出所述蒸发器的热源出口温度处于预设范围。

可选的，还包括：获取所述换热器的第一换热流道进口的热源进口温度、流量值以及所述蒸发器的换热介质流道出口的热源压力值，根据所述热源进口温度、所述热源出口温度、所述流量值以及所述热源压力值计算热源实际消耗值，并将热源实际消耗值传送至热源系统的控制平台用于调节所述热源系统的工况参数。

可选的，所述当前时刻的热量需求值来自用户供暖系统的控制系统的反馈。

此外本发明还提供了一种热泵控制系统，具有上述任一项所述的控制方法。

再者，本发明还提供了一种热网系统，包括热源系统、用户供暖系统和至少一个上述任一项所述的热泵系统，所述热源系统的供热量根据与其连接的所有所述热泵系统所反馈的热源实际消耗值总和调节。

可选的，所述热源系统包括热电厂设备。

本发明的热泵控制系统、控制方法是以热网系统为基础，热网系统具有上述热泵系统，故二者也具有热泵系统的上述技术效果。

附图说明

图1为本发明一种实施例中热泵系统的结构示意图；

图2为本发明一种实施例中热网系统的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中热泵系统的控制方法流程图；

图4为本发明一种实施例中热网系统的结构框图。

其中，图1至图2中附图标记与部件名称之间一一对应关系如下：

100热泵系统；1换热器；1-1第一换热流道；1-2第二换热流道；

2蒸发器；3冷凝器；4压缩机；31第一管路；32第二管路；5第一开关阀；6第二开关阀；7流量控制阀；8干燥过滤器；9节流元件；10球阀；11止逆阀；12流量阀；13水量调节阀；14压力计；15流量计；16第一温度传感器；17第二温度传感器；

200用户供暖系统；

300热源系统。

具体实施方式

针对背景技术中所提及的热泵系统的压缩机能效比较低的技术问题，本发明进行了深入研究，提出了一种解决上述技术问题的技术方案。

在本申请的描述中，需要说明的是，在本申请实施例中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1、图2和图4，图1为本发明一种实施例中热泵系统的结构示意图；图2为本发明一种实施例中热网系统的结构示意图；图4为本发明一种实施例中热网系统的结构框图。

本发明提供了一种热网系统，包括热源系统300、用户供暖系统200和至少一个热泵系统100，请参考图4，图中示出了N个热泵系统100：第一热泵系统、第二热泵系统、……、第N热泵系统，分别用于对第一用户供暖系统、第二用户供暖系统、……、第N用户供暖系统供热。在一种示例中，热源系统300包括热电厂设备，发电机组包括发电机、锅炉、烟囱等部件，石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，通过发电机组(包括电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置)转换成电能。煤炭或天然气等燃烧后会形成高温烟气，经过发电机组的高温蒸汽会形成蒸汽与水的混合热源，温度比较高，均高于80℃。发电机组形成的系统通常称为一次管网系统。

通常一个热网系统中包括多于一个热泵系统100，即包括N个热泵系统100，N为大于或者等于2的自然数。图1中仅示出了一个热泵系统100的一种具体实施例方式。热泵系统100所处的管网称为二次管网。

本发明中的热泵系统100包括换热器1和热泵单元，其中热泵系统100中可以具有一个换热器1也可以具有大于或者等于两个的换热器1，同样热泵单元的数量可以为一个，也可以为两个或者两个以上。

本申请中的换热器1具有能够热量交换的第一换热流道1-1和第二换热量流道1-2，其中，第一换热流道1-1的进口通过管路连通发电机组的余热水管或烟气出口管热泵系统100。第一换热流道1-1和第二换热流道1-2的具体结构可以根据换热器1类型不同而有所差异，换热器1可以为板式换热器，也可以为管壳换热器或翅片换热器，当然也可以为板式换热器、管壳换热器或者翅片换热器的几者组合。换热器1还可以为其他具有以上功能的结构类型，本文不做一一列举。

本发明中的热泵单元至少包括压缩机4、冷凝器3和蒸发器2，压缩机4、冷凝器3和蒸发器2三者能够形成冷媒循环回路，当然冷媒循环回路中还可以进一步设置节流元件9，例如膨胀阀等部件，其中节流元件9位于蒸发器2和冷凝器3之间。当然，为了除去冷媒循环回路中冷媒中水分，冷媒循环回路中还可以设置干燥过滤器8，干燥过滤器8中的干燥物质可以为固体颗粒，干燥过滤器8的具体类型和结构本文不做过多介绍。附图1中示出了干燥过滤器8安装于蒸发器2和冷凝器3之间的一种具体实施方式。

当然为了便于维护冷媒循环回路中的各零部件，还可以在冷媒循环回路的各管段中设置开关阀，例如球阀10，以实现该段管路的连通或者断开。开关阀可以为手动形式，也可以为自动形式。

本发明中的蒸发器2和冷凝器3内部均包括能够热量交换的冷媒流道和换热介质流道；蒸发器2主要用于对流经其内部的冷媒介质和高温换热介质(外界余热，如上所述的发电机组的高温烟气或者蒸汽热水混合物)进行换热，以加热冷媒介质；冷凝器3主要用于对流经其内部的高温冷媒介质和低温换热介质进行换热，以使低温换热介质(供给用户侧的水)加热升温。关于蒸发器2和冷凝器3的具体结构形式本文不做具体介绍。

本发明的换热器1的第一换热流道1-1与蒸发器2的换热介质流道串联连接于用户供暖系统200，即换热器1的第一换热流道1-1进口与热源系统300的热源出口管连接，第一换热流道1-1出口与蒸发器2的换热介质流道的进口连通，图1中示出了换热器1与蒸发器2串联的具体实施方式。换热器1的第一换热流道1-1进口与热源系统300的热源出口管连接。

第二换热流道1-2和冷凝器3的换热介质流道串联或者并行连接或串并联于用户供暖系统200的主管路，图1中示出了二者并行连接的示例，该示例中第二换热流道1-2的进口和出口分别连接外部供暖的出口主管和回流主管，冷凝器3的换热介质流道的进口和出口也分别连接外部供暖的出口主管和回流主管，这样外部供暖的出口主管的供暖水能够分成两股，分别经过支管路进入换热器1和冷凝器3内部，两股供暖水分别经换热器1和冷凝器3加热后，再流回汇流主管进入供暖系统，为用户提供供暖水。

换热器1的第二换热流道1-2的出口管路可以进一步设置水量调节阀13，以进一步对流过换热器1的供暖水流量调节，并且便于系统你维护。

热泵系统100工作时，经压缩机4压缩后的高温冷媒流入冷凝器3，在冷凝器3内部与来自用户侧的低温供暖水的其中一股进行换热，低温供暖水被加热然后流回供暖系统，冷媒冷凝温度降低，自冷凝器3流出的冷媒流入蒸发器2，在蒸发器2内部与外界的余热(发电机组的高温烟气或者高温蒸汽或热水)进行换热，冷媒介质吸收余热的热量升温，然后进入压缩机4再次被压缩升温。

用户侧低温供暖水的另一股进入换热器1与外界余热进行换热，被加热后的供暖水直接流回供暖系统。

与换热器1与冷凝器3串联相比，本发明中换热器1与冷凝器3的换热管道并联，这样二者换热之间运行独立，便于对热泵冷凝器3的维护，并且当冷凝器3维护时，换热器1可以正常工作，避免完全停止供暖对用户生活造成较大影响；另外，本申请中换热器1与冷凝器3的换热管道并联接入供暖水路中，用户侧需要加热的供暖水直接流入冷凝器3，水温比较低，冷凝温度可以相对比较低，降低压缩机4的压比，能效较高。

再者，在使用侧供暖负荷降低的时候，可以适当降低进入冷凝器3内部的供暖水，增大进入换热器1的水流量，这样可以降低热泵系统100负载，从而降低压缩机4运行频率，增加换热器1的换热量，减少整套系统的耗电量。

本发明中热源系统300产生的高温热源(大于80摄氏度)流经换热器1先与用户供暖系统200的供暖水进行一次换热，高温热源温度降低后在流入热泵系统100的蒸发器2，再次与用户供暖系统200的供暖水换热，解决了现有热泵系统100无法以高温流体作为热源的弊端，降低了用户侧的热水使用成本，具有较好的经济效益。

本发明中位于换热器1的第一换热流道1-1进口的流量阀12的开度根据用户供暖系统200的热量需求值控制，以使流出蒸发器2的热源出口温度处于预设范围。

当与热泵系统100相连的用户供暖系统200的热量需求值发生变化时，在热泵单元自身控制逻辑不变的情况下，压缩机4的功率必然会发生变化，进而蒸发器2侧的工作参数也发生变化，流出蒸发器2的热源温度参数相应也发生变化。本文通过调节流量阀12的开度使流出蒸发器2的热源出口温度处于预设范围，这样热源的利用率可以处于最佳值，提高热源的利用率。

请参考图3，本发明还提供了换热器1的第一换热流道1-1与蒸发器2串联的热泵系统100形成的热网系统的控制方法，其包括以下步骤：

S1、获取当前时刻用户供暖系统200的热量需求值；

S2、根据用户供暖系统200当前时刻的热量需求值调节流量阀12的开度，以使流出蒸发器2的热源出口温度处于预设范围。

本发明的控制方法本发明根据用户供暖系统200的热量需求值能够调节热源侧进入换热器1的热源流量，使得经过热泵系统100之后的热源出口温度位于预设范围，此处的预设范围是指设计人员根据当前热源最大化利用率而设定的温度值，也就是说，热源在流经换热器1和蒸发器2换热后其热量被供暖水最大化吸收，利用率相对比较高。

上述控制方法还包括：获取换热器1的第一换热流道1-1进口的热源进口温度、流量值以及1蒸发器2的换热介质流道出口的热源压力值，根据热源进口温度、热源出口温度、流量值以及所述热源压力值计算热源实际消耗值，并将热源实际消耗值传送至热源系统300的控制平台用于调节所述热源系统300的工况参数。

热源实际消耗值的计算公式为Q＝CM(ti-to)，C为水比热容(可由热源出口温度和热源压力值查表确定)，m为热源质量(依流量值和管道管径计算)，ti为热源进口温度，to为热源出口温度。

其中，控制平台可以为智慧平台，或者热源系统300的控制器。

上述热源进口温度、热源出口温度可以由设置在相应位置的位置传感器检测获得，例如蒸发器2的换热介质流道的出口设置有第二温度传感器17，用于测量由蒸发器2流出热源出口温度；同样换热器1的进口设置第一温度传感器16以检测热源进口温度。

同样，热泵系统100中可以进一步设置压力计14，用于检测蒸发器2的换热介质流道出口的热源压力。流量值由热泵系统100中设置的流量计15检测。

该控制方法将热源系统300、用户供暖系统200和热泵系统100三者协调控制，热源系统300可以根据用户供暖系统200设定合适工况，使热源系统300产生的热量与用户供暖系统200所需相适配，尽量使热量不浪费。

上述控制方法中，当前时刻的热量需求值可以来源于用户供暖系统200的控制系统。

再者，本发明还提供了一种包括上述控制方法的热泵控制系统。

本发明的热泵系统100的冷凝器3的换热介质流道和所述第二换热流道1-2并行连接于外部供暖主管路，并且冷凝器3的换热介质流道的进口和出口分别设置有第一开关阀5和第二开关阀6，例如冷凝器3的换热介质流道的进口通过第一管路31连通外部供暖主管路的出口主管，第一管路31上设置有第一开关阀5，用于控制第一管路31的连通或断开。第一开关阀5可以为蝶阀或者球阀或者其他能够起到连通或者断开的作用。第一开关阀5可以为手动阀，也可以为电控阀以实现系统的自动控制。

上述示例中，第一管路31上设置第一开关阀5可以实现第一管路31上流量的调节，可以根据用户侧需求灵活调节进入冷凝器3的供暖水，提高系统的使用灵活性，并且可以便于冷凝器3的维护。

进一步地，冷凝器3的换热介质流道的出口通过第二管路32连通外部供暖主管路的回流主管，第二管路32上设置有第二开关阀6，用于控制第二管路32的连通或断开。同样，第二开关阀6可以为蝶阀或者球阀或者其他能够起到连通或者断开的作用。第二开关阀6可以为手动阀，也可以为自动阀。

第二开关阀6的设置可以便于冷凝器3的维护。

上述实施例中，热泵系统100中的第二管路32上还设置有流量控制阀7，位于第二开关阀6下游管段，流量控制阀7用于控制流经第二管路32的流量。流量控制阀7可以进一步提高系统工作的灵活性。

上述各实施例中，位于冷凝器3和蒸发器2之间的冷媒循环回路管段上还设置有球阀，以关闭或连通相应管段，以提高系统维护性能。

再者，位于冷凝器3和压缩机4之间的冷媒循环回路管段上还设置有止逆阀11，止逆阀11相当于单向阀，主要是防止压缩机4停机后高温高压制冷剂到灌进入冷凝器3造成热损。

上述各实施例中，第一换热流道1-1与蒸发器2的换热介质流道串联，并且第一换热流道1-1位于蒸发器2的上游。这样，发电机组所产生的高温余热经过换热器1换热后进入热泵单元的蒸发器2。现有技术中二次管网供回水小温差供热系统(地暖型)，从用户侧进水35℃，用户侧出水给用户使用的水温可能只能达到40℃。而采用了本发明的方案，用户侧进水35℃，用户侧出水可能只能达到45℃被用户使用。提高了从热电厂进入的热量利用率。同理：(散热片型)，也是按照上述逻辑，提高了热量利用率。

二次管网在热源侧热源进温度120℃回温度20℃、使用侧45℃供水条件下，压缩机4能效比COP可达到5.5以上，远超溴化锂吸收式制热系统。

上述各实施例，热泵系统100的换热器1的第一换热流道1-1的进口位置还设置有流量阀12，用于控制进入第一换热流道1-1的流量，这样可以根据热泵单元、供暖侧需求调节进入换热器1的热源流量。

本发明的热网系统具有上述热泵系统100，故也具有热泵系统100的上述技术效果。

热网系统的其他结构请参考现有技术，本文不做赘述。

以上对本发明所提供的一种热泵系统、热泵控制系统及控制方法、热网系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热泵系统，其特征在于，包括换热器和热泵单元，所述热泵单元至少包括压缩机、冷凝器和蒸发器，三者能够形成冷媒循环回路；

所述换热器具有能够热量交换的第一换热流道和第二换热流道；所述换热器的第一换热流道与热源系统的热源出口管连接的进口管设置有流量阀，所述第一换热流道出口与所述蒸发器的换热介质流道的进口连通；

所述第二换热流道和所述冷凝器的换热介质流道串联或者并联或者串并联以连接于用户供暖系统的主管路；

所述流量阀的开度根据所述用户供暖系统的热量需求值控制，以使流出所述蒸发器的热源出口温度处于预设范围。

2.如权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述换热器的第一换热流道进口设置有第一温度传感器，用于检测流入所述换热器的热源进口温度；所述蒸发器的换热介质流道的出口还设置有第二温度传感器，用于测量由所述蒸发器流出热源出口温度。

3.如权利要求2所述的热泵系统，其特征在于，还包括压力计，用于检测所述蒸发器的换热介质流道出口的热源压力。

4.如权利要求1至3任一项所述的热泵系统，其特征在于，所述冷凝器的换热介质流道和所述第二换热流道并行连接于所述外部供暖主管路，并且所述冷凝器的换热介质流道的进口和出口分别设置有第一开关阀和第二开关阀。

5.一种控制方法，用于权利要求1至4任一项所述的热泵系统的控制，其特征在于，包括:

获取当前时刻用户供暖系统的热量需求值；

根据所述当前时刻用户供暖系统的热量需求值调节所述流量阀的开度，以使流出所述蒸发器的热源出口温度处于预设范围。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：获取所述换热器的第一换热流道进口的热源进口温度、流量值以及所述蒸发器的换热介质流道出口的热源压力值，根据所述热源进口温度、所述热源出口温度、所述流量值以及所述热源压力值计算热源实际消耗值，并将热源实际消耗值传送至热源系统的控制平台用于调节所述热源系统的工况参数。

7.如权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述当前时刻的热量需求值来自用户供暖系统的控制系统的反馈。

8.一种热泵控制系统，其特征在于，具有权利要求5至权7任一项所述的控制方法。

9.一种热网系统，其特征在于，包括热源系统、用户供暖系统和至少一个权利要求1至4任一项所述的热泵系统，所述热源系统的供热量根据与其连接的所有所述热泵系统所反馈的热源实际消耗值总和调节。

10.如权利要求9所述的热网系统，其特征在于，所述热源系统包括热电厂设备。

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