CN216522486U - 一种联合热泵梯级应用系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种联合热泵梯级应用系统，是根据蒸发温度和冷凝温度，将两台以上热泵按一定方式进行串、并组合后，提供热量或冷量，或同时提供热量和冷量的多热泵联合系统。该系统提高了综合制热系数和低温热源利用效率，节能效果明显。
Description
技术领域
本实用新型涉及热泵技术领域，特别是多台压缩式热泵的梯级应用技术。
背景技术
热泵是通过消耗少量外界能量，以逆卡诺循环方式将热量从低温物体送达高温物体的机械装置。压缩式热泵主要部件有蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置。低温低压液态工质在蒸发器中通过热交换，吸收外界低温热源的热量，汽化成低温低压蒸气，再经压缩机压缩后变成高温高压蒸气。此高温高压蒸气随后在冷凝器中与被加热流体换热，放出热量后冷凝成液态，经节流装置膨胀后再次回到低温低压状态。如此循环，实现了将低温物体的热量泵到高温物体的能量搬运，有效地利用了难以应用的低品位热能，达到节能增效目的。此过程中被加热流体获得热量温度升高，低温物体失去热量温度降低。热泵的性能一般用制热系数COPH来表征，表示消耗单位能量（电能或燃烧能等）所获得的供热量。热泵的制热系数总是大于1。以电压缩式热泵生产热水为例，单级电压缩式热泵的COPH通常为3~4，冬季往往不到3，虽优于电锅炉和燃气锅炉，但仍有提升空间。
发明内容
为了进一步提高压缩式热泵的制热系数，本实用新型提出了一种联合热泵梯级应用系统。由理想热泵循环可知，其制热系数只与高温热源和低温热源的温度有关，且低温热源与高温热源温度比值越大则制热系数越高。当高温热源的温度一定时，COPH随低温热源温度的提高而增大。当低温热源温度一定时，COPH随高温热源温度的降低而增大。当同时增加低温热源温度和降低高温热源温度时，则COPH将显著提高。本实用新型提出的一种联合热泵梯级应用系统是一种为提高热泵系统综合制热系数或提高低温热源利用效率，根据蒸发温度和冷凝温度，将热泵按不同方式进行串、并组合后，提供热量或冷量，或同时提供热量和冷量的多热泵联合系统。
为实现上述目的，本实用新型一种联合热泵梯级应用系统由2台以上热泵构成，该系统根据系统内多台热泵的串、并关系分为三种形式，分别为冷串热串联合热泵系统、热串冷并联合热泵系统和冷串热并联合热泵系统。
冷串热串联合热泵系统是将n台热泵的冷水管路及热水管路分别串联，即冷水依次流经热泵1、热泵2……热泵n中的蒸发器释放热量后流出，热水依次流经热泵n、热泵n-1……热泵1中的冷凝器吸收热量后流出。这里的冷水指所有低温热源，包含但不限于地下水、湖水、用于余热回收的废水等。这里的热水指待加热的流体，包含但不限于取暖用回水、生活用水、洗浴用水等。这里的热泵指电压缩式热泵。冷串热串联合热泵系统从形式上实现了热水与冷水的全流程梯级逆流换热，与单级热泵并联系统相比减小了单台热泵的蒸发温度与冷凝温度的差值，提升了单台热泵的制热系数从而使热泵系统综合制热系数得到全面提高，在降低单位制热量所需热泵耗电量的同时，也使低温热源的热量得到充分利用。
作为本实用新型的另一种改进，热串冷并联合热泵系统是将n台热泵的热水管路依次串联，热水依次流经热泵n、热泵n-1……热泵1中的冷凝器吸收热量后流出。冷水管路并联，冷水各自流经热泵内的蒸发器为工质提供热量。从热泵n到热泵1，蒸发温度保持不变，随着热水温度逐渐升高，热泵n、n-1……1中的蒸发温度与冷凝温度的差值逐渐增大，热泵制热系数相应减小即COPHn＞COPH(n-1) ＞……＞COPH1，由于热泵n制热系数远高于热泵1，其综合COPHΣ仍大大高于单级热泵并联系统的COPH，节能显著。此联合热泵系统适用于空气源热泵、水源热泵等对低温热源没有用量和温度限制的场合。
作为本实用新型的另一种改进，冷串热并联合热泵系统是将n台热泵的冷水管路依次串联，即冷水依次流经热泵1、热泵2……热泵n中的蒸发器释放热量后流出，热水管路并联，热水各自流经热泵内的冷凝器吸收热量后输送到用户。该联合热泵系统中冷水的低品位热量得到充分回收，特别适合低温热源热量回收后用做冷源的场合，例如热电厂凝汽器冷却水等，也适用于低温热源资源紧张、热水温度要求不高的场合。
作为本实用新型的另一种改进，在每两台热泵间加入缓冲水箱，根据不同热泵的COPH分别控制其加热时长即可实现柔性匹配，由此解决现有热泵规格较少，致使冷串热串联合热泵系统中的串联热泵规格不能刚好匹配的问题。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
图1是压缩式热泵的原理图。
图2是冷串热串联合热泵系统原理图。
图3是单级热泵并联系统原理图。
图4是单级热泵应用于余热回收供应热水项目的原理图。
图5是四级冷串热串联合热泵系统应用于余热回收供应热水项目的原理图。
图6是加入缓冲水箱的冷串热串联合热泵系统原理图。
图7是热串冷并联合热泵系统原理图。
图8是四级热串冷并联合热泵系统应用于利用空气能供应热水项目的原理图。
图9是冷串热并联合热泵系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例作进一步说明。
参见图1，压缩式热泵主要部件有蒸发器1、压缩机2、冷凝器3和节流装置4。热泵中的工质依次经过蒸发器1、压缩机2、冷凝器3、节流装置4完成一个供热循环，将在蒸发器1中从低温热源吸收的热量输送至冷凝器3中向待加热流体释放，实现了将热量从低温热源到高温待加热流体的搬运。
参见图2，冷串热串联合热泵系统是将n台热泵的冷水管路5及热水管路6分别串联，即冷水依次流经热泵1、热泵2……热泵n中的蒸发器释放热量后流出，热水依次流经热泵n、热泵n-1……热泵1中的冷凝器吸收热量后流出。温度为TL1的冷水从热泵1流入，在蒸发器1内将热量释放给工质后温度降至TL2，随后依次流经热泵2、3……n中的蒸发器，充分换热后温度逐级降低，即TL1＞TL2＞……＞TLn-1＞TLn。温度为TH1的热水从热泵n流入，在冷凝器n内从工质吸收热量后温度升至TH2，随后依次流经热泵n-1、n-2……1中的冷凝器，充分换热后温度逐级升高，即TH1＜TH2＜……＜THn-1＜THn。冷串热串联合热泵系统与图3所示单级热泵并联系统相比减小了单台热泵的蒸发温度与冷凝温度的差值，提升了单台热泵的制热系数从而使热泵系统综合制热系数得到提高，在降低单位制热量所需热泵耗电量的同时，也使低温热源的热量得到充分利用，不仅提高了能源利用率也有效节约了能源。
参见图4及图5，以余热回收供应热水项目为例，低温热源为26℃回水，要求温度降至10℃后作为冷却水回输电厂。热水初始温度为15℃终了温度为55℃。热泵工质为R410A，对数平均换热温差5℃，采用图4所示的单级热泵供水，其理论COPH为4.89，采用图5所示的四级冷串热串联合热泵系统供水，各热泵理论COPH分别为5.93、7.64、9.85、13.11，综合理论COPH∑为8.38，单位能耗显著降低。
参见图6，因现有的热泵规格较少，当冷串热串联合热泵系统中的串联热泵规格不能刚好匹配时，在每两台热泵间加入缓冲水箱7和水泵8，根据不同热泵的COPH分别控制其加热时长即可实现柔性匹配。
参见图7，热串冷并联合热泵系统是将n台热泵的热水管路6依次串联，热水依次流经热泵n、热泵n-1……热泵1中的冷凝器吸收热量后流出。冷水管路并联，冷水各自流经热泵内的蒸发器为工质提供热量。温度为TH1的热水从热泵n流入，在冷凝器n内从工质吸收热量后温度升至TH2，随后依次流经热泵n-1、n-2……1中的冷凝器，充分换热后温度逐级升高，即TH1＜TH2＜……＜THn-1＜THn。冷水各自在蒸发器内将热量释放给工质后温度由TL1降至TL2。从热泵n到热泵1，蒸发温度保持不变，随着热水温度逐渐升高，热泵n、n-1……1中的蒸发温度与冷凝温度的差值逐渐增大，热泵制热系数相应减小即COPHn＞COPH(n-1)＞……＞COPH1，由于热泵n的制热系数远高于热泵1，其综合COPHΣ仍大大高于单级热泵并联系统的COPH，节能显著。
参见图8，以空气源热泵供应热水项目为例，环境温度20/15℃，热水初始温度为15℃终了温度为55℃，热泵工质为R410A，对数平均换热温差5℃，采用单级热泵供水，其理论COPH为5.25，而采用四级热串冷并联合热泵系统供水，各热泵理论COPH分别为4.97、7.02、10.46、18.35，综合理论COPH∑为8.1，远大于COPH，节能效果明显。
参见图9，冷串热并联合热泵系统是将n台热泵的冷水管路5依次串联，即冷水依次流经热泵1、热泵2……热泵n中的蒸发器释放热量后流出，热水管路并联，热水各自流经热泵内的冷凝器吸收热量后输送到用户。温度为TL1的冷水从热泵1流入，在蒸发器1内将热量释放给工质后温度降至TL2，随后依次流经热泵2、3……n中的蒸发器，充分换热后温度逐级降低，即TL1＞TL2＞……＞TLn-1＞TLn。热水各自流经热泵中的冷凝器得到热量后温度由TH1升至TH2。该联合热泵系统中冷水的低品位热量得到充分回收，特别适合低温热源热量回收后用做冷源的场合。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而非对本实用新型做任何形式上的限制，本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应包含在本实用新型的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种联合热泵梯级应用系统，由n台热泵构成，其特征在于：该联合热泵梯级应用系统根据系统内n台热泵的串、并关系分为三种形式，分别为冷串热串联合热泵系统、热串冷并联合热泵系统和冷串热并联合热泵系统，其中n≥2。
2.根据权利要求1所述的一种联合热泵梯级应用系统，其特征在于：冷串热串联合热泵系统是将n台热泵的冷水管路（5）及热水管路（6）分别串联，即冷水依次流经热泵1、热泵2……热泵n中的蒸发器释放热量后流出，热水依次流经热泵n、热泵n-1……热泵1中的冷凝器吸收热量后流出。
3.根据权利要求1所述的一种联合热泵梯级应用系统，其特征在于：热串冷并联合热泵系统是将n台热泵的热水管路（6）依次串联，热水依次流经热泵n、热泵n-1……热泵1中的冷凝器吸收热量后流出，冷水管路并联，冷水各自流经热泵内的蒸发器为工质提供热量。
4.根据权利要求1所述的一种联合热泵梯级应用系统，其特征在于：冷串热并联合热泵系统是将n台热泵的冷水管路（5）依次串联，即冷水依次流经热泵1、热泵2……热泵n中的蒸发器释放热量后流出，热水管路并联，热水各自流经热泵内的冷凝器吸收热量后输送到用户。
5.根据权利要求1所述的一种联合热泵梯级应用系统，其特征在于：在每两台热泵间加入缓冲水箱（7），根据不同热泵的制热系数分别控制其加热时长实现热泵的柔性匹配。
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2021
- 2021-12-22 CN CN202123249117.8U patent/CN216522486U/zh active Active
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