CN210399080U - 一种高温热管热泵蓄热供热系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高温热管热泵蓄热供热系统，所述供热系统包括：高温热管换热单元、中温热管换热单元、低温热管换热单元、预热器和工质控制器；水管依次通过增压泵和阀门连接高温热管换热单元的入口，高温热管换热单元通过阀门连接中温热管换热单元，中温热管换热单元通过阀门连接低温热管换热单元，低温热管换热单元的入口连接预热器，工质控制器通过线路连接高温热管换热单元、中温热管换热单元和低温热管换热单元。
Description
技术领域
本实用新型涉及能源供热技术领域，特别是涉及高温热管热泵蓄热供热系统。
背景技术
采用城市低谷电进行供热是节能减排的有效的方法，城市的用电价格在一天当中分为高峰期、平峰期和低谷期，各个时间段的电价不同，其中低谷期的价格最低，因此在仅在低谷期消耗电力进行供热是降低运行成本的有效方法，由于供热需要100℃以上的热水，而现有电动热泵因为流程和工质的限制达不到该供水温度，因此需要采用电锅炉的方式。但是电锅炉的能源转换效率根据热力学第一定量得知小于1，即1份电量最多变成1份的热量，同时由于只在低谷电期间运行，而建筑物的供热需求是全天的，所以需要配合蓄热系统联合使用。
因此希望有一种高温热管热泵蓄热供热系统能够解决现有技术中存在的问题。
实用新型内容
本实用新型公开了一种高温热管热泵蓄热供热系统，所述供热系统包括：高温热管换热单元、中温热管换热单元、低温热管换热单元、预热器和工质控制器；
水管依次通过增压泵和阀门连接高温热管换热单元的入口，高温热管换热单元通过阀门连接中温热管换热单元，中温热管换热单元通过阀门连接低温热管换热单元，低温热管换热单元的入口连接预热器，工质控制器通过线路连接高温热管换热单元、中温热管换热单元和低温热管换热单元。
优选地,所述供热系统还包括：蓄热罐，蓄热罐内设置有电加热棒，蓄热罐通过阀门连接高温热管换热单元。
优选地，所述高温热管换热单元包括：高温热管换热器、第一汽液分离器和第一冷剂罐；高温热管换热器下出口通过阀门分别连接中温热管换热单元的入口和第一汽液分离器的入口，第一汽液分离器的上出口通过第一蒸汽压缩机连接高温热管换热器的下入口，第一汽液分离器的下出口连接第一冷剂罐的入口，第一冷剂罐的出口依次通过冷剂泵和阀门连接中温热管换热单元的入口。
优选地，所述中温热管换热单元包括：中温热管换热器、第二汽液分离器和第二冷剂罐；中温热管换热器的上入口分别连接所述高温热管换热器下出口和所述第一冷剂罐的出口，中温热管换热器的上出口也通过所述第一蒸汽压缩机连接所述高温热管换热器下入口，中温热管换热器的下出口通过阀门分别连接低温热管换热单元的入口和第二汽液分离器的上入口，第二汽液分离器的上出口通过第二蒸汽压缩机连接中温热管换热器的下入口，第二汽液分离器的下出口连接第二冷剂罐的入口，第二冷剂罐的出口依次通过冷剂泵和阀门连接低温热管换热单元的入口。
优选地,所述低温热管换热单元为低温热管换热器，低温热管换热器的上入口连接所述中温热管换热器的下出口和所述第二冷剂罐的出口，低温热管换热器的下入口连接所述预热器的出口，低温热管换热器的上出口通过所述第二蒸汽压缩机连接连接所述中温热管换热器的下入口，低温热管换热器的下出口连接冷源出口。
本实用新型提出了一种高温热管热泵蓄热供热系统，该供热系统采用梯级热管电动热泵与蓄热系统耦合形成，可从地下水、土壤、空气和工业余热等低温热源提取热量，根据蓄热的存热量具有多种运行模式，并且依据热网回水温度控制电动热泵内部循环工质的充注量和配比，确保满足供热需求的前提下电动热泵处于最优的运行工况。
附图说明
图1是高温热管热泵蓄热供热系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，高温热管热泵蓄热供热系统由蒸汽压缩机1、高温热管换热器2、阀门3、中温热管换热器4、蒸汽压缩机5、低温热管换热器6、阀门7、汽液分离器8、冷剂罐9、汽液分离器10、冷剂罐11、工质控制器12、蓄热罐13、冷剂泵14、冷剂泵15、增压泵16、增压泵17、阀门18、阀门19、阀门20、阀门21、阀门22、阀门23、阀门24、阀门25、阀门26、热网回水27、热网供水28、冷源入口29、冷源出口30、预热器31、阀门32和电加热棒33构成。
该系统的连接方式为：蓄热罐13与阀门21、阀门18和增压泵17相连。
高温热管换热器2与阀门20、阀门23、阀门22、阀门3和蒸汽压缩机1相连。
中温热管换热器4与蒸汽压缩机1、蒸汽压缩机5、汽液分离器8、阀门3、阀门24、阀门7和阀门25相连。
低温热管换热器6与蒸汽压缩机5、汽液分离器10、阀门7、阀门26和预热器31相连。
冷剂罐9与汽液分离器8和冷剂泵14相连。
冷剂罐11与汽液分离器10和冷剂泵15相连。
预热器31与增压泵16、阀门32和阀门20相连。
工质控制器12为自动控制模块，通过采集热网回水温度控制阀门23、阀门24、阀门25、阀门26、冷剂泵14和冷剂泵15。
该系统中采用三级热管换热器实现电动热泵将热量从冷源提取用以加热热网水的高效运行，由于供水温度在100℃以上，而低温热源的温度一般仅有0-30℃，所以该系统采用两级蒸汽压缩机和热管换热的方式，相比现有电动热泵技术而言，采用热管换热器显著的减小了换热过程的换热温差，显著的提升了电动热泵的性能系数，进而在相同的供热量下大幅度的降低了耗电量。
该系统中的电动热泵内部循环工质由工质A、工质B、工质C和工质D构成，四种工质的密度各不相同，其中工质A和工质B组成配对，工质C和工质D组成配对。工质A和工质B组成的配对应用于高温热管换热器2和中温热管换热器4，工质C和工质D组成的配对应用于低温热管换热器6和中温热管换热器4。以工质A和工质B组成的配对为例，说明改变工质循环量和配比的方法，该混合物在高温热管换热器2中冷凝后分为两路经过阀门3和阀门23，阀门具有节流减压的供能，因此经过阀门23的一路以汽液混合物的形态进入汽液分离器8，由于工质A和工质B的密度不同，工质A的密度较高，所以汽相中工质A的比例较低，液相中工质A的比例较高，经过汽液分离器8后液相进入冷剂罐9，汽相返回蒸汽压缩机1的入口处继续循环，因此循环于高温热管换热器2和中温热管换热器4的工质总量和配比发生了改变；当需要增加工质循环量时打开阀门24和冷剂泵14将工质补充回循环内。改变工质的循环量和配比的依据来自于热网回水温度，在整个采暖季中，初末寒期的热负荷和热网回水温度较低，严寒期的热负荷和回水温度较高，因此根据热网回水温度的高低控制阀门23、阀门24和冷剂泵14的开关状态。工作于中温热管换热器4和低温热管换热器6的工质C和工质D的原理与此相同。
该系统中设有预热器31，当冷源温度过低导致电动热泵无法运行时可以将热网回水部分旁通对冷源进行预热，参与预热的热水可以通过控制阀门32的开关度实现。阀门32全开时，热网回水不进入预热器31，随着阀门32逐渐关闭，热网回水进入预热器31的流量随之增加。当该系统应用于提取环境空气的情景下，可用该运行方式解决低温热管换热器6的结霜问题。
该系统采用两级压缩过程实现从低温冷源(地下水、土壤、空气和工业余热等)提取热量制取高温热水，并在两级压缩过程各自采用不同工质搭配的混合物，采用近零温差的换热方式大幅度的提升了热泵的效率。低温热管换热器6实现工质C和工质D的混合物提取低温冷源的热量完成蒸发吸热过程，蒸汽压缩机5对工质C和工质D的混合物进行压缩提升其温度压力；中温热管换热器4实现工质A和工质B的混合物蒸发吸热和工质C和工质D的冷凝放热的换热过程，通过使用热管的方式实现蒸发温度和冷凝温度的近似相等，蒸汽压缩机1实现对工质A和工质B的混合物进行压缩提升其温度压力；高温热管换热器2实现工质A和工质B的冷凝放热加热热网水的供能。
该系统依据供热负荷和蓄热量的数量高低该系统采用以下运行方式：
(1)当蓄热罐的热量不能满足供热负荷时
①蓄热罐13中为冷水时
由于需要供热，同时需要将蓄热罐13中冷水变成热水，所以需要开启电动热泵同时给热网回水和蓄热罐13中的冷水加热。阀门18关闭，阀门21、阀门22、阀门19、阀门20和增压泵17开启，蓄热罐13中的冷水从底部离开与热网回水混合后进入高温热管换热器2被加热，被加热的热水分为两路：一路进入从蓄热罐13顶部进入蓄热罐13，其流量等于罐底部离开的冷水流量；另一路进入热网供水管路。
②蓄热罐13中为热水时
由于蓄热罐13中存储热水不足以满足该时间段的供热需求，采用蓄热罐13和电动热泵联合供热方式，阀门19和增压泵17关闭，阀门21、阀门22、阀门18和阀门20打开，热网回水分两路：一路进入蓄热罐13，蓄热罐13中存储的热水从蓄热罐13的顶部离开；另外一路进入高温热管换热器2被加热，与来自蓄热罐13的热水混合后进入热网供水管道。
(2)当蓄热罐的热量可满足供热负荷时
此时蓄热罐13存储的热水可满足该时间段的供热需求，关闭电动热泵仅采用蓄热罐13进行供热。关闭阀门20、阀门22、阀门19、阀门24和增压泵17，热网回水全部从蓄热罐13的底部进入，蓄热罐13的热水从顶部离开进入热网供水管道，进入蓄热罐13的热网回水流量等于离开蓄热罐13的热网供水流量。
(3)当蓄热罐发生故障时
此时全部供热负荷由电动热泵承担，阀门21、阀门18、阀门19和增压泵17关闭，阀门22和阀门20开启，全部热网回水进入高温热管换热器2被加热后进入热网供水管道。
(4)当热泵系统发生故障时
此时全部供热负荷由电加热棒33承担，阀门19、阀门21、阀门20、阀门22和增压泵17关闭，全部热网回水在蓄热罐13内部流动过程中被电加热棒33加热。
由于需要提取低温冷源的热量，并根据供热负荷控制热泵系统的启停，当冷源的温度过低无法开机或提取空气热量时遇到结霜无法继续运行等工况时，该系统通过预热器31利用热网回水的热量对冷源载体进行预热进而解决上述问题，预热的热量由阀门32的开度决定。阀门32的开度越小，预热的热量越高。
在一未图示实施例中，该系统采用自然分层的蓄热罐，低温冷源为土壤。工质A为R11，工质B为R114，工质C为R12，工质D为R21，四种工质密度互不相同，其中R11和R114组成工质对运行于高温热管换热器2和中温热管换热器4，R12和R21组成工质对运行与中温热管换热器4和低温热管换热器6。
工质的分离和充注取决于热网回水温度，设定热网回水温度处于35℃-45℃时进行工质的分离过程，设定热网回水温度处于55℃-65℃时进行工质的充注过程，设定热网回水温度处于45℃-55℃时停用分离和充注过程。分离过程和充注过程的运行方式为：
(1)分离过程
以R11和R114的配对为例，该混合物在高温热管换热器2中冷凝后分为两路经过阀门3和阀门23，阀门具有节流减压的供能，因此经过阀门23的一路以汽液混合物的形态进入汽液分离器8，由于R11和R114的密度不同，相同压力下工质R11的密度较高，所以汽相中R11的比例较低，液相中R11的比例较高，经过汽液分离器8后液相进入冷剂罐9，汽相返回蒸汽压缩机1的入口处继续循环，因此循环于高温热管换热器2和中温热管换热器4的工质总量减少，并且循环的工质中R11的比例有所降低。R12和R21的分离过程与此类似。
(2)充注过程
以R11和R114的配对为例，关闭阀门23停止汽液分离过程，开启阀门24和冷剂泵14将冷剂罐9储存的工质补充回循环。
依据供热负荷和蓄热量的数量高低该系统采用以下运行方式：
(1)当蓄热罐的热量不能满足供热负荷时
①蓄热罐13中为冷水时
由于需要供热，同时需要将蓄热罐13中冷水变成热水，所以需要开启电动热泵同时给热网回水和蓄热罐13中的冷水加热。阀门18关闭，阀门21、阀门22、阀门19、阀门20和增压泵17开启，蓄热罐13中的冷水从底部离开与热网回水混合后进入高温热管换热器2被加热，被加热的热水分为两路：一路进入从蓄热罐13顶部进入蓄热罐13，其流量等于罐底部离开的冷水流量；另一路进入热网供水管路。
②蓄热罐13中为热水时
由于蓄热罐13中存储热水不足以满足该时间段的供热需求，采用蓄热罐13和电动热泵联合供热方式，阀门19和增压泵17关闭，阀门21、阀门22、阀门18和阀门20打开，热网回水分两路：一路进入蓄热罐13，蓄热罐13中存储的热水从蓄热罐13的顶部离开；另外一路进入高温热管换热器2被加热，与来自蓄热罐13的热水混合后进入热网供水管道。
(2)当蓄热罐的热量可满足供热负荷时
此时蓄热罐13存储的热水可满足该时间段的供热需求，关闭电动热泵仅采用蓄热罐13进行供热。关闭阀门20、阀门22、阀门19、阀门24和增压泵17，热网回水全部从蓄热罐13的底部进入，蓄热罐13的热水从顶部离开进入热网供水管道，进入蓄热罐13的热网回水流量等于离开蓄热罐13的热网供水流量。
(3)当蓄热罐发生故障时
此时全部供热负荷由电动热泵承担，阀门21、阀门18、阀门19和增压泵17关闭，阀门22和阀门20开启，全部热网回水进入高温热管换热器2被加热后进入热网供水管道。
(4)当热泵系统发生故障时
此时全部供热负荷由电加热棒33承担，阀门19、阀门21、阀门20、阀门22和增压泵17关闭，全部热网回水在蓄热罐13内部流动过程中被电加热棒33加热。
由于该系统是提取土壤的热量，在严寒期存在土壤温度过低导致热泵无法开机的问题，在热泵开机前调整阀门32的开度，调节进入预热器31的热网回水的流量，提升地埋管的出口水温，待热泵开机后将阀门32全开停止预热功能。
最后需要指出的是：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。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种高温热管热泵蓄热供热系统，其特征在于，所述供热系统包括：高温热管换热单元、中温热管换热单元、低温热管换热单元、预热器和工质控制器；
水管依次通过增压泵和阀门连接高温热管换热单元的入口，高温热管换热单元通过阀门连接中温热管换热单元，中温热管换热单元通过阀门连接低温热管换热单元，低温热管换热单元的入口连接预热器，工质控制器通过线路连接高温热管换热单元、中温热管换热单元和低温热管换热单元。
2.根据权利要求1所述的高温热管热泵蓄热供热系统，其特征在于：所述供热系统还包括：蓄热罐，蓄热罐内设置有电加热棒，蓄热罐通过阀门连接高温热管换热单元。
3.根据权利要求2所述的高温热管热泵蓄热供热系统，其特征在于：所述高温热管换热单元包括：高温热管换热器、第一汽液分离器和第一冷剂罐；高温热管换热器下出口通过阀门分别连接中温热管换热单元的入口和第一汽液分离器的入口，第一汽液分离器的上出口通过第一蒸汽压缩机连接高温热管换热器的下入口，第一汽液分离器的下出口连接第一冷剂罐的入口，第一冷剂罐的出口依次通过冷剂泵和阀门连接中温热管换热单元的入口。
4.根据权利要求3所述的高温热管热泵蓄热供热系统，其特征在于：所述中温热管换热单元包括：中温热管换热器、第二汽液分离器和第二冷剂罐；中温热管换热器的上入口分别连接所述高温热管换热器下出口和所述第一冷剂罐的出口，中温热管换热器的上出口也通过所述第一蒸汽压缩机连接所述高温热管换热器下入口，中温热管换热器的下出口通过阀门分别连接低温热管换热单元的入口和第二汽液分离器的上入口，第二汽液分离器的上出口通过第二蒸汽压缩机连接中温热管换热器的下入口，第二汽液分离器的下出口连接第二冷剂罐的入口，第二冷剂罐的出口依次通过冷剂泵和阀门连接低温热管换热单元的入口。
5.根据权利要求4所述的高温热管热泵蓄热供热系统，其特征在于：所述低温热管换热单元为低温热管换热器，低温热管换热器的上入口连接所述中温热管换热器的下出口和所述第二冷剂罐的出口，低温热管换热器的下入口连接所述预热器的出口，低温热管换热器的上出口通过所述第二蒸汽压缩机连接连接所述中温热管换热器的下入口，低温热管换热器的下出口连接冷源出口。
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| CN201921257415.1U CN210399080U (zh) | 2019-08-05 | 2019-08-05 | 一种高温热管热泵蓄热供热系统 |
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| CN110332579A (zh) * | 2019-08-05 | 2019-10-15 | 华北电力大学 | 一种高温热管热泵蓄热供热系统 |
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| CN110332579B (zh) * | 2019-08-05 | 2024-03-08 | 北京华电东晟科技有限公司 | 一种高温热管热泵蓄热供热系统 |
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