CN116293976A - 一种新型低温区域供热供冷系统 - Google Patents

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CN116293976A CN202310207128.4A CN202310207128A CN116293976A CN 116293976 A CN116293976 A CN 116293976A CN 202310207128 A CN202310207128 A CN 202310207128A CN 116293976 A CN116293976 A CN 116293976A
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王琮瑜
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王泽楷
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Abstract

本发明涉及一种新型低温区域供热供冷系统，包括分别用于承载高温和低温工作介质的暖管和冷管；具有多组的第一热泵单元和第二热泵单元，每一组第一热泵单元均连接在暖管和冷管之间，并通过管道与用户的换热设备连接；每一组第二热泵单元与用户换热设备连接；暖管中的高温工作介质经第一热泵单元向对应用户的换热设备提供热源，释放热量后的工作介质进入冷管中；用户所在区域的余热通过第二热泵单元送入用户的换热设备中；冷管中的低温工作介质经第一热泵单元向对应用户的换热设备提供冷源，吸收热量后的工作介质进入暖管中；第二热泵单元将用户换热设备中多余的热量转移至用户所在区域中的空气、水和土壤中。

Description

一种新型低温区域供热供冷系统
技术领域
本发明涉及能源技术领域，具体为一种新型低温区域供热供冷系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前的供暖系统通常为集中供热模式，即以热电企业的锅炉(能源站)为热源，通过供水管路携带一次能量到达集中供热的区域，再由集中供热区域内的换热站将携带二次能量的水送达各用户。
此种方式系统结构简单，机制成熟，但供热区域内分布式的热水，地热，热空气等余热资源无法被有效利用，只能以热电企业和换热站内的设备(通常为锅炉)作为热源，制约了整体能量利用效率的提升。
其次，能源站通过高温蒸汽加热低温回水，较大的温差换热造成巨大
Figure BDA0004111322290000011
损。
此外，集中供热投资巨大，管网热损耗严重，只能实现供热，无法转换为供冷。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种新型低温区域供热供冷系统，利用冷管和暖管代替传统集中供热模式中的供水管道和回水管道，每一个用户的第一热泵单元接入冷管和暖管，根据用户的需求，通过第一热泵单元与水泵调用工作介质，使介质由暖管经热泵单元流动至冷管实现制热，或由冷管经热泵单元和水源热泵流动至暖管实现制冷，使每一个用户成为能源的产消者而不是单一的消费者。每个区域的热泵单元包含水源热泵、地源热泵、空气源热泵的一种或几种，与前述吸收暖管热量的水源热泵配合运行，以满足用户多种品位的热/冷需求。通过热电联产单元、补能与储热、储冷单元平衡系统冷热负荷，维持系统长期稳定运行。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种新型低温区域供热供冷系统，包括：
暖管和冷管，分别用于承载高温和低温工作介质；
第一热泵单元和第二热泵单元，均具有多组，每一组第一热泵单元均连接在暖管和冷管之间，并通过管道与用户的换热设备连接；每一组第二热泵单元与用户换热设备连接；
暖管中的高温工作介质经第一热泵单元向对应用户的换热设备提供热源，释放热量后的工作介质进入冷管中；用户所在区域的余热通过第二热泵单元送入用户的换热设备中；
冷管中的低温工作介质经第一热泵单元向对应用户的换热设备提供冷源，吸收热量后的工作介质进入暖管中；第二热泵单元将用户换热设备中多余的热量转移至用户所在区域的环境中。
多组第一热泵单元之间相互并联。
第一热泵单元为水源热泵，包括通过管道连接的压缩机、膨胀阀、换向阀、第一换热器和第二换热器；第一换热器与暖管和冷管连接，第二换热器与用户的换热设备连接。冬季供暖时，第一换热器为蒸发器，第二换热器为冷凝器；夏季供冷时，第一换热器为冷凝器，第二换热器为蒸发器。
第二热泵单元包括水源热泵、地源热泵和气源热泵中的至少一种。
还具有储热单元和储冷单元，储热单元与暖管连接，储冷单元与冷管连接。
还具有连接在暖管上的补能单元，补能单元通过余热源向暖管补充热量；余热源是数据中心余热、工业余热、太阳能余热、污水余热、地铁站余热中的至少一种，通过换热器获取余热送入到暖管中。
还具有热电联产单元，包括通过管道连接的锅炉、汽轮机、凝汽器和回热单元，汽轮机与发电机连接；锅炉产生蒸汽驱动汽轮机带动发电机实现发电，乏汽通过管道进入凝汽器内凝结，再进入回热单元重新升温后返回锅炉中。
凝汽器分别与暖管和冷管连接，利用冷管中的低温介质吸收凝汽器中蒸汽凝结时产生的热量，在水泵的带动下，使得到的高温工作介质进入暖管中。
还具有辅助热泵，分别与暖管、冷管和回热单元连接，将暖管中高温介质携带的热量送入回热单元中，辅助热泵产生的低温工作介质送入冷管中。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、连接在冷管和暖管之间多组第一热泵单元形成去中心化的分布式方式，配合区域内为每个用户配备的第二热泵单元能够因地制宜的选取适用的类型，从而充分利用区域内的热水、地热以及空气等余热资源，提升能量利用效率的同时，还能满足用户多种品位的热/冷需求，并使得暖管与冷管中工作介质的温差降低，从而减少
Figure BDA0004111322290000041
损。
2、由于利用了区域中的余热，暖管与冷管的温度较低，可以降低工作介质传输期间的热量损耗，甚至无需使用保温材料，能够代替传统集中供热模式中的供水管道和回水管道。
3、在同一个管路系统中实现冬季供热，夏季供冷，系统中的用户是能源的产消者而非单一的消费者。
4、通过热电联产单元平衡系统冷热负荷，冬季系统内热负荷过大时，热电联产单元的凝汽器充当冷用户，将冷管中的冷介质加热成热介质后送入暖管，以供热用户使用；夏季系统内冷负荷过大时，热电联产单元的回热系统充当热用户，暖管中的高温介质经热泵将热量放给回热单元，随后作为低温介质流入冷管，以供冷用户使用。
5、系统内的补能与储热、储冷单元能够进一步平衡冷热负荷。其中，补能单元采用工业余热、太阳能余热、数据中心余热、污水余热与地铁站余热，能够进一步提升区域内余热利用水平。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明提供的新型低温区域供热供冷系统实现供热时的系统运行状态示意图；
图2为本发明提供的新型低温区域供热供冷系统实现供冷时的系统运行状态示意图；
图3为本发明提供的系统实现供热时的第一热泵单元运行状态示意图；
图4为本发明提供的系统实现供冷时的第一热泵单元运行状态示意图；
图中，1、锅炉；2、汽轮机；3、发电机；4、凝汽器；5、回热单元；6、储热单元；7、储冷单元；8、余热源；9、第一热泵单元；90、第一换热器；91、压缩机；92、第二换热器；93、膨胀阀；10、用户1；11、水源热泵；12、用户2；13、地源热泵；14、用户3；15、气源热泵；16、用户i；17、第二热泵单元；18、水泵；19、辅助热泵
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，现有的集中供热模式无法利用区域内的余热资源，导致整体能量利用效率不高；为满足供热需求会采取大温差的方式输送工作介质，则会造成大量
Figure BDA0004111322290000061
损。
因此，以下实施例给出一种新型低温区域供热供冷系统，通过去中心化的低温供热方式，利用冷管和暖管代替传统集中供热模式中的供水管道和回水管道，每一个用户的第一热泵单元接入冷管和暖管，根据用户的需求，通过第一热泵单元和水泵调用工作介质，使工作介质由暖管经第一热泵单元流动至冷管实现制热，或由冷管经第一热泵单元流动至暖管实现制冷。在供热或供冷的过程中，为应对用户多种品位的热/冷需求，第二热泵单元可利用区域内余热对所需的供热、供冷温度作出调整。使每一个用户成为能源的产消者而不是单一的消费者。通过热电联产单元、补能与储热、储冷单元平衡系统冷热负荷，维持系统长期稳定运行。
实施例一：
一种新型低温区域供热供冷系统，包括：
暖管，用于承载高温工作介质；
冷管，用于承载低温工作介质；
第一热泵单元，具有多组，每一组第一热泵单元均连接在暖管和冷管之间，并通过管道与用户的换热设备连接；
第二热泵单元，具有多组，每一组第二热泵单元与用户换热设备连接；
暖管中的高温工作介质经第一热泵单元向对应用户的换热设备提供热源，释放热量后的工作介质进入冷管中；用户所在区域中的空气、水和土壤中的余热通过第二热泵单元送入用户的换热设备中；
冷管中的低温工作介质经第一热泵单元向对应用户的换热设备提供冷源，吸收热量后的工作介质进入暖管中；第二热泵单元将用户换热设备中多余的热量转移至用户所在区域中的空气、水和土壤中。
本实施例中的“高温”和“低温”是为便于阐述方案的相对概念，表示不同的温度区间，不具有明确的温度范围。
如图1-2所示，暖管和冷管可以是环绕城市的管道，并以水作为工作介质，每一个用户通过对应的第一热泵单元利用暖管或冷管中的介质实现供热或供冷，供热后第一热泵单元因放热产生的低温水送入冷管中，供冷后第一热泵单元因吸热产生的高温水送入暖管中。各第二热泵单元根据用户所在区域选取适宜的类型利用余热与暖管中的高温介质的热量共同实现供热，与冷管中的低温介质共同实现制冷后将用户的热量排到环境中。
多组第一热泵单元之间相互并联。
第一热泵单元9为水源热泵，第二热泵单元17包括水源热泵、地源热泵和气源热泵中的至少一种，具体的热泵类型取决于用户的需求和用户所在区域的实际情况选择，本实施例不做限制。
例如，某用户所在的区域地热资源丰富，则选择地源热泵(机组)与区域内连接暖管与冷管的水源热泵协同供热。
例如，某用户所在的区域高温空气资源丰富，则选择气源热泵(机组)与区域内连接暖管与冷管的水源热泵协同供热。
本实施例中，用户1(10)配备水源热泵11，用户2(12)配备地源热泵13，用户3(14)配备气源热泵15；即用户i(16)配备第二热泵单元17。
还具有储热单元6和储冷单元7，储热单元6与暖管连接，储冷单元7与冷管连接，用于调节暖管和冷管之间不平衡的负荷，在工作介质为水时，通常选用储水罐，根据系统负荷需求进行补热与补冷，保证系统安全稳定运行。
还具有连接在暖管上的补能单元，补能单元通过余热源8向暖管补充热量，余热源8是数据中心余热、工业余热、太阳能余热、污水余热、地铁站余热等中的至少一种，通过换热器获取余热送入到暖管中，以保障热负荷较大时系统的稳定运行。
还具有热电联产单元，包括通过管道连接的锅炉1、汽轮机2、凝汽器4和回热单元5，汽轮机2与发电机3连接，锅炉1产生蒸汽驱动汽轮机2带动发电机3实现发电，产生的乏汽通过管道进入凝汽器4内凝结，再进入回热单元5重新升温后返回锅炉1中。
其中凝汽器4分别与暖管和冷管连接，利用冷管中的低温介质吸收凝汽器4中蒸汽凝结时产生的热量，在水泵18的带动下，使得到的高温工作介质进入暖管中。
还具有辅助热泵19，分别与暖管、冷管和回热单元5连接，将暖管中高温介质携带的热量送入回热单元5中，辅助热泵19产生的低温工作介质送入冷管中。
辅助热泵19为水源热泵。
本实施例中，第一热泵单元包括通过管道连接的第一换热器90、压缩机91、第二换热器92、膨胀阀93及换向阀；第一换热器90与暖管和冷管连接，第二换热器92与用户i16连接。
制冷剂经压缩机压缩为高温、高压后，通过其中一换热器降温为常温、高压，经膨胀阀减压膨胀后转换为低温、常压，再利用另一换热器吸收热量回到常温气态从而实现循环。
循环过程中，通过换向阀改变制冷剂在两换热器之间的流动方向，从而使暖管和冷管中的热量实现调用，进而使用户i16接收所需的热量和冷量。
如图3所示，供热时，制冷剂减压膨胀后进入第一换热器90，吸收暖管中的工作介质(水)的热量，经压缩机91压缩后进入第二换热器92将热量送入用户i16实现制热。随后，制冷剂经膨胀阀93减压膨胀后再次进入第一换热器90吸收暖管中介质的热量，并返回初始状态。来自暖管的工作介质(水)在第一换热器90完成换热后流入到冷管中。供热时，上述第一换热器90为蒸发器，第二换热器92为冷凝器。
如图4所示，供冷时，经过换向阀动作改变制冷剂的流向，经膨胀阀93减压膨胀后的制冷剂进入第二换热器92，吸收用户i16的热量实现制冷。随后，制冷剂减经压缩机91压缩后进入第一换热器90，将热量放给来自冷管的工作介质(水)。来自冷管的工作介质(水)在第一换热器90完成换热后温度升高，流入到暖管中。供冷时，上述第一换热器90为冷凝器，第二换热器92为蒸发器。
气源热泵利用空气中的热量作为热源，经过冷凝器或蒸发器进行热交换，然后通过循环系统，提取或释放热能，利用机组循环系统将能量转移到所需的地方。
本实施例中，气源热泵包括压缩机、膨胀阀、换向阀、第三换热器和第四换热器；第三换热器与用户i16连接，第四换热器为空气换热器。
制冷剂经压缩机压缩为高温、高压后，通过其中一换热器降温为常温、高压，经膨胀阀减压膨胀后转换为低温、常压，再利用另一换热器吸收热量回到常温气态从而实现循环。
供热时，换向阀动作切换制冷剂流向，制冷剂在空气换热器内吸收空气的热量，经压缩后将热量通过第三换热器传至用户i16，配合第一热泵单元实现制热。流出第三换热器的制冷剂减压膨胀后利用空气换热器吸收空气中的热量返回初始状态。供热时，第三换热器为冷凝器。
供冷时，经过换向阀动作改变制冷剂的流向，制冷剂经减压膨胀后进入第三换热器，吸收用户i16的热量，配合第一热泵单元实现制冷。流出第三换热器的制冷剂压缩后进入空气换热器，将热量排放给空气后返回初始状态。供冷时，第三换热器为蒸发器。
水源热泵利用地表浅层的水源，如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低品位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一类热泵。
本实施例中，水源热泵包括压缩机、膨胀阀、换向阀、第五换热器和第六换热器；第五换热器与用户i16连接，第六换热器为水源换热器。
水源热泵的工作原理与气源热泵相似，本实施例不再赘述，通过水源换热器与地表浅层水源实现热量交换，吸收地表浅层水源中的热量后放热给用户实现制热，或是将从用户处吸收的热量释放到地表浅层水源中实现制冷。
地源热泵为使用大地作为冷热源的热泵，通过输入少量的高品位能源(电能)，即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。
本实施例中，地源热泵包括压缩机、膨胀阀、换向阀、第七换热器和第八换热器；第七换热器与用户i16连接，第八换热器为地源换热器。
地源热泵基于同样的原理实现制冷剂的循环，其中的地源换热器为埋入地下的装置，用于与地热能产生热交换，在制冷/制热模式切换时，同样通过换向阀改变制冷剂的流动方向。
系统用于冬季供暖时，示例的工作过程如下：
区域1,2,3内，暖管中25℃的介质(水)通过水泵进入第一热泵单元，向用户放热后介质(水)温降至10℃，流入冷管。
区域1,2,3内，水源热泵、地源热泵或空气源热泵，吸收排水余热、地热或空气余热，向热用户放热。通过协调多个热泵运行满足热用户多种品位的热需求。
冷管水流入热电厂中热电联产机组的凝汽器，在吸收低压缸排汽余热后，水温从10℃升至25℃，随后流入暖管，供给各区域内用户使用，从而实现系统内水循环。
系统内的余热源用于维持冬季系统内热源的充足。当检测到暖管温度低于25℃时，补热装置启动，利用中心余热、工业余热与太阳能余热、污水余热、地铁站余热将暖管温度维持在25℃。
储热单元6用于平衡系统内实时的冷热负荷。冬季供暖条件下，当系统热负荷较小，暖管中热量充足时，储热单元6将多余的热量储存；当系统热负荷较大时将储热单元6中的存热放出，供给热用户使用。
系统用于夏季供冷时，示例的工作过程如下：
区域1,2,3内，冷管中15℃的水通过水泵进入水源热泵，向冷用户供冷后介质(水)温升至30℃，流入冷管。
区域1,2,3内，水源热泵、地源热泵、空气源热泵吸收冷用户热量后，将热量分别传递给水体、土壤、空气。通过协调多个热泵运行满足热用户多种品位的冷需求。
暖管水通过水泵流入设置于热电厂内部逆向循环的辅助热泵19，放热至机组回热系统后，水温降至15℃后流入冷管，供给各区域冷用户使用，从而实现系统内水循环。
储冷单元7用于平衡系统内实时的冷热负荷。夏季供冷条件下，当系统冷负荷较小，冷管中冷量充足时，利用储冷单元7将多余的冷量储存；当系统冷负荷较大时候将储冷单元7中的冷量放出，供给用户使用。
由于采用了去中心化的分布式热泵单元，每个用户的热泵单元能够因地制宜的选取适用的类型，从而充分利用区域内的热水、地热以及空气等余热资源，提升能量利用效率的同时，使得暖管与冷管中工作介质的温差降低，从而减少
Figure BDA0004111322290000131
损。
由于利用了区域中的余热，则暖管与冷管的温度较低，可以降低工作介质传输期间的热量损耗，甚至无需使用保温材料，可以为环绕整个城市的循环管道，能够代替传统集中供热模式中的供水管道和回水管道，并且使用低成本的塑料管道即可。
在同一个管路系统中实现冬季供热，夏季供冷，系统中的用户是能源的产消者而非单一的消费者，系统内的储能单元、补能单元以及热电联产单元，能够平衡系统内冷热负荷以维系系统长期稳定运行。
通过热电联产单元实时平衡系统冷热负荷。冬季系统内热负荷过大时，热电联产单元的凝汽器充当冷用户，将冷管中的冷介质加热成热介质后送入暖管，以供热用户使用；夏季系统内冷负荷过大时，热电联产单元的回热系统充当热用户，暖管中的高温介质经热泵将热量放给回热单元，随后作为冷介质流入冷管，以供冷用户使用。
系统内的补能与储热、储冷单元能够进一步平衡冷热负荷。其中，补能单元采用工业余热、太阳能余热、数据中心余热、污水余热、地铁站余热，能够进一步提升区域内余热利用水平。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，包括：
暖管和冷管，分别用于承载高温和低温工作介质；
第一热泵单元和第二热泵单元，均具有多组，每一组第一热泵单元均连接在暖管和冷管之间，并通过管道与用户的换热设备连接；每一组第二热泵单元与用户换热设备连接；
暖管中的高温工作介质经第一热泵单元向对应用户的换热设备提供热源，释放热量后的工作介质进入冷管中；用户所在区域的余热通过第二热泵单元送入用户的换热设备中；
冷管中的低温工作介质经第一热泵单元向对应用户的换热设备提供冷源，吸收热量后的工作介质进入暖管中；第二热泵单元将用户换热设备中多余的热量转移至用户所在区域的环境中。
2.如权利要求1所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，多组第一热泵单元之间相互并联。
3.如权利要求1所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，所述第一热泵单元为水源热泵，包括通过管道连接的压缩机、膨胀阀、换向阀、第一换热器和第二换热器；第一换热器与暖管和冷管连接，第二换热器与用户的换热设备连接；冬季供暖时，第一换热器作为蒸发器，第二换热器作为冷凝器；夏季供冷时，第一换热器作为冷凝器，第二换热器作为蒸发器。
4.如权利要求1所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，所述第二热泵单元包括水源热泵、地源热泵和气源热泵中的至少一种。
5.如权利要求1所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，还具有储热单元和储冷单元，储热单元与暖管连接，储冷单元与冷管连接。
6.如权利要求1所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，还具有连接在暖管上的补能单元，补能单元通过余热源向暖管补充热量。
7.如权利要求5所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，所述余热源为数据中心余热、工业余热、太阳能余热、污水余热、地铁站余热中的至少一种，通过换热器获取余热送入到暖管中。
8.如权利要求1所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，还具有热电联产单元，包括通过管道连接的锅炉、汽轮机、凝汽器和回热单元，汽轮机与发电机连接；锅炉产生蒸汽驱动汽轮机带动发电机实现发电，乏汽通过管道进入凝汽器内凝结，再进入回热单元重新升温后返回锅炉中。
9.如权利要求7所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，所述凝汽器分别与暖管和冷管连接，利用冷管中的低温介质吸收凝汽器中蒸汽凝结时产生的热量，在水泵的带动下，使得到的高温工作介质进入暖管中。
10.如权利要求1所述的一种新型低温区域供热供冷系统，其特征在于，还具有辅助热泵，分别与暖管、冷管和回热单元连接，将暖管中高温介质携带的热量送入回热单元中，辅助热泵产生的低温工作介质送入冷管中。
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