CN205245304U - 一种提高供热效率的热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种提高供热效率的热泵系统，包括与供热末端相连的热泵机构，所述热泵机构包括热泵机组、第一储水罐、第二储水罐，所述第一储水罐、第二储水罐均通过机组供热管道、末端供热管道分别与所述热泵机组和供热末端相连接，所述机组供热管道、末端供热管道均包括供水管道和回水管道，所述供水管道和回水管道中均设有阀门，所述机组供热管道、末端供热管道上分别设有第一水泵、第二水泵。本实用新型的热泵系统使得热泵机组能够长时间运行在能效比较高的工况，提高了整个系统的能效比，进而提高了供热效率。

Description

一种提高供热效率的热泵系统

技术领域

本实用新型涉及一种热泵系统，特别是涉及一种提高供热效率的热泵系统。

背景技术

在中国广大的北方地区，城市冬季采暖基本以集中供热为主，但是天然气管道和城市热网并非覆盖全城，有的地方也开始采用分户式采暖。为经济考虑，在难以集中供热的区域依旧采用分户式小锅炉采暖。相比集中供暖，分户式供暖灵活，使用时间由业主自己灵活掌控。然而采用燃煤锅炉将带来严重的环境污染，而采用电锅炉则运行费用过高。

近年来，随着能源形势和环保压力的日趋紧张，热泵空调行业得到了迅猛发展，大量的办公楼、宾馆，别墅甚至是住宅采用了地源热泵、太阳能以及空气源热泵系统。热泵供暖更便于分户管理，更容易实现行为节能，更无损于环境和资源保护，属于可再生能源的范畴，在集中热网和天然气管道不能覆盖地区建筑的供暖、供冷、生活热水领域有极大的优势。

目前，阻碍以空气源热泵为代表的热泵机组用于建筑采暖的重要主要原因就是采暖散热器要求热水的温度在60℃～80℃，在这种状态下，空气源热泵能效比较低，不经济。当前解决上述问题的主流方式依然在于提高热泵本身的运行效率，如采用更加先进的压缩方式、更加先进的换热方式等等，而在供热系统结构上的研究很少。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种提高供热效率的热泵系统，以解决当前采用热泵为散热器或盘管等末端进行供热所导致的供热系统整体效率较低的难题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种提高供热效率的热泵系统，包括与供热末端相连的热泵机构，所述热泵机构包括热泵机组、第一储水罐、第二储水罐，所述第一储水罐、第二储水罐均通过机组供热管道、末端供热管道分别与所述热泵机组和供热末端相连接，所述机组供热管道、末端供热管道均包括供水管道和回水管道，所述供水管道和回水管道中均设有阀门，所述机组供热管道、末端供热管道上分别设有第一水泵、第二水泵；当所述第一储水罐对所述供热末端供热时，所述热泵机组对所述第二储水罐制热。

优选地，所述第一储水罐与第二储水罐内的顶部、底部均设有布水器。

优选地，所述第一储水罐与第二储水罐内均交错设置有至少两块隔板，并且所述隔板的宽度小于储水罐的内径。

优选地，所述第一储水罐与第二储水罐的顶部、底部均设有温度传感器。

优选地，所述阀门均为电磁阀，所述电磁阀与控制机构相连，所述控制机构与所述温度传感器相连，并且所述控制机构根据所述温度传感器的温度对所述电磁阀的开闭状态进行控制。

优选地，所述第一储水罐或第二储水罐中的传热介质温度达到设定供热温度时，对所述供热末端进行供热；所述第一储水罐或第二储水罐中的传热介质温度降为设定回水温度时，所述热泵机组(R1)对所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)进行制热。

优选地，所述第一储水罐或第二储水罐中的传热介质温度达到45℃～60℃时，对所述供热末端进行供热；所述第一储水罐或第二储水罐中的传热介质温度降为30℃～40℃时，所述热泵机组(R1)对所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)进行制热。

优选地，温度达到45℃～60℃的所述第一储水罐或第二储水罐中任意一个储水罐进行供热的同时，所述热泵机组(R1)对另一个储水罐进行制热。

基于上述技术方案，本实用新型的优点是：

本实用新型的提高供热效率的热泵系统通过采用分别与热泵机组、供热末端相连的两个储水罐，交替进行供热、制热，使得热泵机组能够长时间运行在能效比较高的工况，提高了整个系统的能效比，进而提高了供热效率。

另一方面，通过采用本实用新型的热泵系统对供热末端进行供热，相比于常规的热泵直接与供热末端相连的方式，不仅使得热泵机组能够长时间运行在能效比较高的工况，而且能够显著降低末端水泵的负荷，使得整个供热系统的能效比进一步提高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为提高供热效率的热泵系统示意图；

其中，R1～热泵机组；R2～供热末端；C1～第一储水罐；C2～第二储水罐；T1～第一储水罐顶部温度传感器；T2～第一储水罐底部温度传感器；T3～第二储水罐顶部温度传感器；T4～第二储水罐底部温度传感器；F1～第一储水罐与供热末端之间供水管道中的阀门；F2～第二储水罐与供热末端之间供水管道中的阀门；F3～第一储水罐与热泵机组之间进水管道中的阀门；F4～第二储水罐与热泵机组之间进水管道中的阀门；F5～第一储水罐与热泵机组之间回水管道中的阀门；F6～第二储水罐与热泵机组之间回水管道中的阀门；F7～第一储水罐与供热末端之间回水管道中的阀门；F8～第二储水罐与供热末端之间回水管道中的阀门。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型提供了一种提高供热效率的热泵系统，如图1所示，其中示出了本实用新型热泵系统的一种优选实施例。具体地，所述热泵系统包括与供热末端R2相连的热泵机构，所述热泵机构包括热泵机组R1、第一储水罐C1、第二储水罐C2，所述第一储水罐C1、第二储水罐C2均通过机组供热管道、末端供热管道分别与所述热泵机组R1和供热末端R2相连接，所述机组供热管道、末端供热管道均包括供水管道和回水管道，所述供水管道和回水管道中均设有阀门，所述机组供热管道、末端供热管道上分别设有第一水泵B1、第二水泵B2；当所述第一储水罐C1对所述供热末端R2供热时，所述热泵机组R1对所述第二储水罐C2制热，并且所述第一储水罐(C1)与第二储水罐(C2)向所述供热末端(R2)交替供热。

本实用新型的提高供热效率的热泵系统通过采用分别与热泵机组、供热末端相连的两个储水罐，交替进行供热、制热，使得热泵机组能够长时间运行在能效比较高的工况，提高了整个系统的能效比，进而提高了供热效率。本实用新型中的储水罐包括所述第一储水罐C1或第二储水罐C2，当然本领域技术人员可以知晓，所述第一储水罐C1或第二储水罐C2的实际规格可以相同或不同，但是其在本实用新型中并无实质性的区别，本实用新型中为便于描述，将两个储水罐分别称为第一储水罐C1与第二储水罐C2。

本实用新型中所述供热末端R2至少包括散热器、风机盘管、热交换器等供热末端设备。换而言之，供热形式可直接采用散热器进行散热供暖，也可以连接风机盘管进行供热。当然，所述热泵系统还可以与热交换器连接，以制取热水，供生活或其他用途使用。

优选地，所述第一储水罐C1与第二储水罐C2内的顶部、底部均设有布水器。采用布水器能够使得所述第一储水罐C1、第二储水罐C2在进水时，能够在与储水罐顶面或底面相平行的工作面上均匀布水，使得第一储水罐C1、第二储水罐C2中上层的传热介质如水、防冻液等与下层的传热介质难以混合，最终实现第一储水罐C1、第二储水罐C2中传热介质依据温度梯度出现明显的分层。

当然，为了使得第一储水罐C1、第二储水罐C2中传热介质依据温度梯度实现更好的分层，所述第一储水罐C1与第二储水罐C2内均交错设置有至少两块隔板，并且所述隔板的宽度小于储水罐的内径。相邻所述隔板的开口位置错位设置，以此增大传热介质混合的路径长度，进一步延缓上下层传热介质的混合。

优选地，所述第一储水罐C1与第二储水罐C2的周围设有隔热保温层。所述隔热保温层可采用聚氨酯发泡材料发泡，或者直接采用橡塑保温材料包覆，或者采用酚醛泡沫等保温材料。采用隔热保温层能够对第一储水罐C1与第二储水罐C2有效保温，提升所述第一储水罐C1与第二储水罐C2的蓄热性能，提升系统的能效比。

进一步，所述第一储水罐C1或第二储水罐C2中的传热介质温度达到设定供热温度时，对所述供热末端R2进行供热；所述第一储水罐C1或第二储水罐C2中的传热介质温度降为设定回水温度时，所述热泵机组R1对所述第一储水罐C1或第二储水罐C2进行制热。

具体地，所述第一储水罐C1与第二储水罐C2的顶部、底部均设有温度传感器。具体地，如图1所示，第一储水罐顶部温度传感器T1用于探测第一储水罐C1顶部传热介质的温度，第一储水罐底部温度传感器T2用于探测第一储水罐C1底部传热介质的温度；当第一储水罐C1底部传热介质的温度达到设定供热温度时，所述第一储水罐C1通过第二水泵B2和阀门控制对所述供热末端R2进行供热，直到所述第一储水罐C1底部传热介质的温度降为设定回水温度时，通过调整阀门的开闭状态，切断供热。此后，所述热泵机组R1和第一水泵B1开启重新对所述第一储水罐C1进行制热，直到第一储水罐底部温度传感器T2探测的温度达到供热设定温度时停止制热，如此往复循环。

同理，第二储水罐顶部温度传感器T3用于探测第二储水罐C2顶部传热介质的温度，第二储水罐底部温度传感器T4用于探测第二储水罐C2底部传热介质的温度。当第二储水罐C2底部传热介质的温度达到设定供热温度时，所述第二储水罐C2通过第二水泵B2和阀门控制对所述供热末端R2进行供热，直到所述第二储水罐C2底部传热介质的温度降为设定回水温度时，通过调整阀门的开闭状态，切断供热。此后，所述热泵机组R1和第一水泵B1开启重新对所述第二储水罐C2进行制热，直到第一储水罐底部温度传感器T4探测的温度达到供热设定温度时停止制热，如此往复循环。

优选地，所述阀门均为电磁阀，所述电磁阀与控制机构相连，所述控制机构与所述温度传感器相连，并且所述控制机构根据所述温度传感器的温度对所述电磁阀的开闭状态进行控制。本实施例中的阀门均为电磁阀，以便于实现热泵系统的智能化控制。将所述控制机构可采用PLC等方式编程控制，或者直接采用常规电控设备进行控制。通过与所述温度传感器相连，所述控制机构实时监控所述第一储水罐C1、第二储水罐C2上下层的温度数值，并根据预设的供热温度以及回水温度自动控制相应的电磁阀，以实现所述第一储水罐C1与第二储水罐C2交替向所述供热末端R2供热，并且通过热泵机组R1交替进行制热升温。

进一步，本实用新型的热泵系统通过设定合理的供热温度和回水温度，能够使得热泵系统的整体能效比最大化。优选地，所述第一储水罐C1或第二储水罐C2中的传热介质温度达到45℃～60℃时，对所述供热末端R2进行供热；所述第一储水罐C1或第二储水罐C2中的传热介质温度降为30℃～40℃时，通过所述热泵机组R1进行制热升温。本实用新型的热泵系统采用大温差换热，供水温度达到45℃～60℃，回水温度为30℃～40℃，温差在15～20℃以上。

更进一步，温度达到45℃～60℃的所述第一储水罐C1或第二储水罐C2中任意一个储水罐进行供热的同时，所述热泵机组R1对另一个储水罐进行制热。本实用新型利用所述第一储水罐C1、第二储水罐C2交替进行供热、制热，通过储水箱进而使得热泵机组能够长时间运行在能效比较高的工况，提高了整个系统的能效比。

本实用新型的热泵系统能够实现上述工况和效果的技术原理如下：

通过设置所述第一储水罐C1与第二储水罐C2，并且在进水时使第一储水罐C1与第二储水罐C2中传热介质依据温度梯度出现明显的分层；在热泵系统运行时，所述第一储水罐C1与第二储水罐C2交替向所述供热末端R2供热，同时所述第二储水罐C2与所述第一储水罐C1通过热泵机组R1交替进行制热。在制热过程中，由于储热罐上下层按温度梯度分层，使得储热罐中传热介质温度逐步提高，使得热泵机组中工质换热状态长时间处于高效状态，进而使得热泵机组能够长时间运行在能效比较高的工况，提高了整个系统的能效比，进而提高了供热效率。

本实用新型的热泵系统可采用如下方法对末端设备进行供热：具体地，采用所述热泵系统对供热末端R2进行供热。

当所述热泵系统运行时，通过开闭所述阀门控制所述第一储水罐C1向所述供热末端R2供热，直到所述第一储水罐C1内的温度降低到回水温度，同时所述第二储水罐C2通过热泵机组R1进行制热，直到所述第二储水罐C2内的温度上升到供热温度时，所述第二储水罐C2向所述供热末端R2供热；并且所述第一储水罐C1与第二储水罐C2向所述供热末端R2交替供热。

优选地，所述热泵机组R1对第一储水罐C1制热温度上升到供热温度所需的时间小于或等于所述第二储水罐C2向所述供热末端R2供热温度降低到回水温度所需的时间。上述设置可以通过计算储水罐容量、第二水泵流量、制热时间的匹配进行设定，使得制热时间小于或等于供热时间。更优选地，为了获得最佳的效果，所述制热时间应当比供热时间短5～10分钟，以获得更高的制热效率，不仅使得所述热泵系统能够应对供热面积小规模改变的需求，同时还能够是热泵系统留有供热余量，能够应对更加极端的温度环境。

如图1所示，在供热运行时，所述第二储水罐C2与所述第一储水罐C1通过热泵机组R1交替进行制热。当然，本领域技术人员应当理解，无论是采用所述第二储水罐C2先供热还是采用所述第一储水罐C1进行供热，并无任何影响。

为便于说明书本实用新型供热方法的工作过程，在本实施例中，以先采用第一储水罐C1制热，在达到供热温度后采用第一储水罐C1供热，并在所述第一储水罐C1对所述供热末端R2供热的同时，热泵机组R1对所述第二储水罐C2进行制热；制热完成之后再采用所述第二储水罐C2对所述供热末端R2供热，同时所述热泵机组R1对所述第一储水罐C1进行制热，如此往复循环，其具体工作过程如下：

在本实施例中，采用一种优选的供回水温度，其中供热温度为55℃，回水温度为35℃。并且通过储水罐容量、第二水泵流量、制热时间的匹配设定，使得制热一个储水罐所需的时间小于一个储水罐的供热时间。

热泵系统在首次制热时，开启第一储水罐与热泵机组之间进水管道中的阀门F3、第一储水罐与热泵机组之间供水管道中的阀门F5，关闭其余阀门，并开启所述热泵机组R1、第一水泵B1，所述热泵机组R1开始对第一储水罐C1进行加热。当然，本领域技术人员根据本实用新型的方法亦可在首次制热时同时开启第二储水罐与热泵机组之间进水管道中的阀门F4、第二储水罐与热泵机组之间回水管道中的阀门F6，同时对所述第一储水罐C1和第二储水罐C2进行制热。

所述热泵机组R1在对第一储水罐C1进行制热的过程中，传热介质从上至下逐渐升温。当第一储水罐底部温度传感器T2探测的温度达到55℃时，关闭第一储水罐与热泵机组之间进水管道中的阀门F3、第一储水罐与热泵机组之间供水管道中的阀门F5、第二储水罐与供热末端之间供水管道中的阀门F2、第二储水罐与供热末端之间回水管道中的阀门F8，开启第一储水罐与供热末端之间供水管道中的阀门F1、第一储水罐与供热末端之间回水管道中的阀门F7、第二储水罐与热泵机组之间进水管道中的阀门F4、第二储水罐与热泵机组之间回水管道中的阀门F6，并开启所述第二水泵B2。此时所述第一储水罐C1通过所述第二水泵B2向所述供热末端R2供热，同时所述热泵机组R1对所述第二储水罐C2进行制热。

由于所述第一储水罐C1通过所述第二水泵B2向所述供热末端R2不断供热，所述第一储水罐C1中传热介质的温度由下至上不断下降，而所述第二储水罐C2中传热介质的温度由上至下不断上升。由于通过储水罐容量、第二水泵流量、制热时间的匹配，使得制热一个储水罐所需的时间小于一个储水罐的供热时间，所以热泵机组R1对所述第二储水罐C2制热先完成。

当第二储水罐底部温度传感器T4探测的温度达到55℃时，关闭第二储水罐与热泵机组之间进水管道中的阀门F4、第二储水罐与热泵机组之间回水管道中的阀门F6，并且关闭热泵机组R1、第一水泵B1。

之后，由于所述第一储水罐C1中传热介质的温度由下至上不断下降，当第一储水罐顶部温度传感器T1探测的温度降为35℃时，关闭第一储水罐与供热末端之间供水管道中的阀门F1、第一储水罐与供热末端之间回水管道中的阀门F7，开启第二储水罐与供热末端之间供水管道中的阀门F2、第二储水罐与供热末端之间回水管道中的阀门F8，并同时开启所述热泵机组R1、第一水泵B1。此时工况与上述工况反转，所述第二储水罐C2通过所述第二水泵B2向所述供热末端R2供热，同时所述热泵机组R1对所述第一储水罐C1进行制热。

此时，由于所述第二储水罐C2通过所述第二水泵B2向所述供热末端R2不断供热，所述第二储水罐C2中传热介质的温度由下至上不断下降，而所述第一储水罐C1中传热介质的温度由上至下不断上升。由于通过储水罐容量、第二水泵流量、制热时间的匹配，使得制热一个储水罐所需的时间小于一个储水罐的供热时间，所以热泵机组R1对所述第一储水罐C1制热先完成。

当第一储水罐底部温度传感器T2探测的温度达到55℃时，关闭第一储水罐与热泵机组之间进水管道中的阀门F3、第一储水罐与热泵机组之间供水管道中的阀门F5，并且关闭热泵机组R1、第一水泵B1。

由于所述第二储水罐C2中传热介质的温度由下至上不断下降，当第二储水罐顶部温度传感器T3探测的温度降为35℃时，关闭第二储水罐与供热末端之间供水管道中的阀门F2、第二储水罐与供热末端之间回水管道中的阀门F8，开启第一储水罐与供热末端之间供水管道中的阀门F1、第一储水罐与供热末端之间回水管道中的阀门F7，并同时开启所述热泵机组R1、第一水泵B1。此时工况与再次与上述工况反转，所述第一储水罐C1通过所述第二水泵B2向所述供热末端R2供热，同时所述热泵机组R1对所述第二储水罐C2进行制热。

本实用新型的供热方法通过上述工作模式，通过开闭所述阀门控制所述第一储水罐C1与第二储水罐C2交替向所述供热末端R2供热，并且同时所述第二储水罐C2与所述第一储水罐C1通过热泵机组R1交替进行制热，不断往复循环运行，实现供热需求。

由于本实用新型的供热方式采用大温差供热，供水、回水温差在20℃～30℃，所以使得所述第二水泵B2的流量非常小，进而使得所述第二水泵B2的能耗极低，有利于提高供热系统的整体能效比，提高供热效率。

当然，本领域技术人员应当知晓，若制热一个储水罐所需的时间等于一个储水罐的供热时间，则热泵机组R1对所述第一储水罐C1或第二储水罐C2制热与第二储水罐C2或第一储水罐C1向供热末端R2供热同时完成。此时，系统运行方式与上述运行方式基本相同，其不同之处仅仅在于所述热泵机组R1、第一水泵B1一直运行，并且阀门在所有供热管道和所有回水管道上分别关闭或开启，控制更为简单，可参考上述工作过程，在此不再赘述。

通过采用本实用新型的供热方法对供热末端进行供热，相比于常规的热泵直接与供热末端相连的方式，不仅使得热泵机组能够长时间运行在能效比较高的工况，而且能够显著降低末端水泵的负荷，使得整个供热系统的能效比进一步提高。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种提高供热效率的热泵系统，包括与供热末端(R2)相连的热泵机构，其特征在于：所述热泵机构包括热泵机组(R1)、第一储水罐(C1)、第二储水罐(C2)，所述第一储水罐(C1)、第二储水罐(C2)均通过机组供热管道、末端供热管道分别与所述热泵机组(R1)和供热末端(R2)相连接，所述机组供热管道、末端供热管道均包括供水管道和回水管道，所述供水管道和回水管道中均设有阀门，所述机组供热管道、末端供热管道上分别设有第一水泵(B1)、第二水泵(B2)；当所述第一储水罐(C1)对所述供热末端(R2)供热时，所述热泵机组(R1)对所述第二储水罐(C2)制热。

2.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于：所述第一储水罐(C1)与第二储水罐(C2)内的顶部、底部均设有布水器。

3.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于：所述第一储水罐(C1)与第二储水罐(C2)内均交错设置有至少两块隔板，并且所述隔板的宽度小于储水罐的内径。

4.根据权利要求2或3所述的热泵系统，其特征在于：所述第一储水罐(C1)与第二储水罐(C2)的顶部、底部均设有温度传感器。

5.根据权利要求4所述的热泵系统，其特征在于：所述阀门均为电磁阀，所述电磁阀与控制机构相连，所述控制机构与所述温度传感器相连，并且所述控制机构根据所述温度传感器的温度对所述电磁阀的开闭状态进行控制。

6.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于：所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)中的传热介质温度达到设定供热温度时，对所述供热末端(R2)进行供热；所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)中的传热介质温度降为设定回水温度时，所述热泵机组(R1)对所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)进行制热。

7.根据权利要求6所述的热泵系统，其特征在于：所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)中的传热介质温度达到45℃～60℃时，对所述供热末端(R2)进行供热；所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)中的传热介质温度降为30℃～40℃时，所述热泵机组(R1)对所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)进行制热。

8.根据权利要求7所述的热泵系统，其特征在于：温度达到45℃～60℃的所述第一储水罐(C1)或第二储水罐(C2)中任意一个储水罐进行供热的同时，所述热泵机组(R1)对另一个储水罐进行制热。