CN219454050U - 一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，在主回水管道和主供水管道之间设置与燃气锅炉设备并联设置的热泵设备，热泵设备包括两级热泵机构，通过将第一级和第二级的热泵机构串联，由此使热泵机构与燃气锅炉设备的供回水温差更加匹配；同时将热泵设备与燃气锅炉设备进行并联，使得供热系统能够同时具有二者单独运行和二者共同运行的三种运作模式，从而实现燃气锅炉设备和热泵设备的高度耦合，在二者并联，共同运行供热时，各个设备皆可按设计工况进行最高效运行，同时整体系统的可调控范围和幅度也相较其他系统大幅提升。

Description

一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统

技术领域

本实用新型涉及供热系统的技术领域，特别涉及一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统。

背景技术

近年来国家大力推进北方地区冬季清洁取暖，正在逐步淘汰已有的燃煤锅炉供暖，按照宜气则气，宜电则电，尽可能的提升热源站中的清洁能源占比。

针对已有老旧燃煤锅炉供热建筑实施煤改气、煤改电；针对新建建筑优先使用燃气、电等清洁热源。随着清洁供热的持续推进，燃气、电供暖所涉及到的建设投资大、运行成本高、配套条件多等问题亦逐步凸显，造成供热单位和用热用户的经济负担加大，所以迫切需要一种新技术，在保障用户供暖需求和环保清洁供暖的前提下，更要降低系统建设成本、降低系统运行成本、提高系统运行稳定性和供暖系统效率。

目前普遍大规模应用的清洁能源供暖技术路线主要有：天然气锅炉、空气源热泵、水源和/或污水源热泵、地源热泵、地热能、太阳能、电蓄热等，但是市场上出现的这些清洁能源集中供暖替代方案都或多或少的存在一些缺陷，燃气锅炉存在运行成本波动大，尤其近年燃气价格大幅上涨造成供暖成本高企；空气源热泵供暖存在结霜、噪音、极端低温出力不足的问题；水源/污水源热泵对配套要求高适用性小且投资大；地源热泵针对住宅建筑会造成地下温度失衡；地热能资源少投资大，且存在回水回灌难的问题；太阳能供暖前期投资大，占地面积大，系统效能低；电蓄热采暖运行成本较高，且对电力配套需有很大的电容量。

目前行业内还存在一些多能互补供暖系统，系统耦合度低且运行稳定性、适用性较差，难以做到完美契合取长补短，仍有较大改进优化空间。

本实用新型即是针对现有技术的不足而研究提出。

实用新型内容

针对上述提到的现有技术中的供暖系统的系统耦合度低、运行稳定性、适用性较差的技术问题。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：

一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，包括依次连接的主回水管道、燃气锅炉设备以及主供水管道，主回水管道和燃气锅炉设备之间设有第一阀门，燃气锅炉设备和主供水管道之间设有第二阀门；

主回水管道和主供水管道之间还设有热泵设备，热泵设备与燃气锅炉设备并联设置；

热泵设备包括串联设置的一级热泵机构和二级热泵机构，一级热泵机构与主回水管道之间设有第三阀门，二级热泵机构与主供水管道之间设有第四阀门。

为了确保热泵设备能够稳定工作，一级热泵机构包括多个并联设置的一级空气源热泵，二级热泵机构包括多个并联设置的二级空气源热泵，一级空气源热泵和二级空气源热泵一一对应。

为了确保燃气锅炉设备能够稳定工作，燃气锅炉设备包括多个并联设置的天然气热水锅炉。

为了确保主回水管道的水体能够稳定的输送至燃气锅炉设备和热泵设备处，主回水管道上设有循环水泵。

为了确保主回水管道能够将足够的水体输送至燃气锅炉设备和热泵设备处，主回水管道和循环水泵之间设有补水装置。

为了确保补水装置能够正常运作，补水装置包括依次连接的补水管道、软水器、补水箱以及补水泵，补水泵与主回水管道连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，在主回水管道和主供水管道之间设置与燃气锅炉设备并联设置的热泵设备，热泵设备包括两级热泵机构，通过将第一级和第二级的热泵机构串联，由于一级热泵机构的设计供回水温差为5℃，两级热泵机构串联后，能使热泵设备的供回水温差达到10℃，由此使热泵机构与燃气锅炉设备的供回水温差更加匹配；同时将热泵设备与燃气锅炉设备进行并联，使得供热系统能够同时具有热泵设备和燃气锅炉设备单独运行，或二者同时运行的三种模式，根据不同的使用需求转换使用状态，从而实现燃气锅炉设备和热泵设备的高度耦合，在二者并联，共同运行供热时，各个设备皆可按设计工况进行最高效运行，同时整体系统的可调控范围和幅度也相较其他系统大幅提升。

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式作详细说明。

如图1所示，本实施例的一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，包括依次连接的主回水管道1、燃气锅炉设备2以及主供水管道3，具体的，在主回水管道1和燃气锅炉设备2之间设置第一阀门11，在燃气锅炉设备2和主供水管道3之间设置第二阀门12，并且在主回水管道1和主供水管道3之间设置与燃气锅炉设备2并联设置的热泵设备；

具体的，热泵设备包括串联设置的一级热泵机构4和二级热泵机构5，在一级热泵机构4与主回水管道1之间设置第三阀门13，在二级热泵机构5与主供水管道3之间设置第四阀门14；

具体的，本方案中的热泵设备包括两级热泵机构，通过将第一级和第二级的热泵机构串联，同时热泵设备与燃气锅炉设备进行并联，由于一级热泵机构的设计供回水温差为5℃，两级热泵机构串联后，能使热泵设备的供回水温差达到10℃，由此燃气锅炉设备的供回水温差更加匹配，从而实现燃气锅炉设备和热泵设备的高度耦合，在二者并联，共同运行供热时，各个设备皆可按设计工况进行最高效运行，同时整体系统的可调控范围和幅度也相较其他系统大幅提升。

如图1所示，本实施例的一级热泵机构4包括多个并联设置的一级空气源热泵41，二级热泵机构5包括多个并联设置的二级空气源热泵51，一级空气源热泵41和二级空气源热泵51一一对应，所以热泵设备内的空气源热泵数量只能为偶数；

具体的，因为空气源热泵最佳的设定供回水温差就是5℃，如果只有一级，那么只能把水温加热升高5℃；

例如，现在主回水管道1的水温是30℃，这个水进入运行的一级空气源热泵41被加热后的出水温度变为35℃，升高了5℃；

如果现在是两级空气源热泵串联运行，初始主回水管道1的水温为30℃，进入一级空气源热泵41被加热后的温度变为35℃，然后加热后的35℃的水依次流入二级空气源热泵51内，被二级空气源热泵51加热后的管道水温变为40℃，整体看，水温从初始的30℃，然后经过两级空气源热泵加热后变为40℃，所以主回水管道1或燃气锅炉设备2内的水经过热泵设备加热后，即可使水温温差达到10℃。

如图1所示，本实施例的燃气锅炉设备2包括多个并联设置的天然气热水锅炉21，所述天然气热水锅炉的数量无需与空气源热泵的数量对应，天然气热水锅炉的数量是根据项目的实际情况进行灵活配比，比如A项目可以是一台燃气热水炉搭配十台空气源热泵，B项目可以是三台燃气热水炉搭配十八台空气源热泵，天然气热水锅炉的数量跟空气源热泵的数量没有必然的对应关系。

由于整个冬季供暖期各个时段的气温不同，根据每个供暖期的天然气价格的波动情况不同，使得每天各个时段的电费标准不同，在保证供热效果的前提下，可灵活调控本供热系统的运作方式，从而实现供暖系统的最低运行成本，从而降低热力企业经营成本。

例如，当在初寒、末寒阶段室外气温较高时，以空气源热泵运行为主，天然气热水锅炉运行为辅，在此阶段中，第三阀门13和第四阀门14在白天阶段处于常开状态，在夜间处于少开状态，第一阀门11和第二阀门12在白天处于常闭状态，在夜间处于常开状态，以降低燃气锅炉设备2的运行时间，适当增加热泵设备的运行时间；

在极寒阶段室外气温较低时，第三阀门13和第四阀门14在夜间处于常闭状态，第一阀门11和第二阀门12在夜间处于常开状态，在白天处于少开状态，以此适当增加燃气锅炉设备2的运行时间，适当降低热泵设备的运行时间；

当天然气价波动大幅上涨时，因此增加热泵设备的运行时长，减少燃气锅炉设备2的运行时间，此时第三阀门13和第四阀门14处于常开状态，而第一阀门11和第二阀门12处于少开或常闭状态；

当处于峰电时段时，应降低热泵设备的运行时间，或将热泵设备停机，并根据供热需求，以操控燃气锅炉设备2的运行条件，此时第三阀门13和第四阀门14处于少开状态或常闭状态，第一阀门11和第二阀门12处于少开状态；

具体的，一级空气源热泵和二级空气源热泵是一一对应的，比如一级空气源热泵有n台，那么二级空气源热泵必然也有n台，当空气源热泵串联运行时，运行的和待机未运行的空气源热泵也是数量相同的，即一级空气源热泵运行状态有m台，二级空气源热泵运行状态也有m台，未运行的一级空气源热泵有n-m台，未运行的二级空气源热泵也有n-m台；

基于此，一天中峰电时段，空气源热泵降低运行时间或停机是根据当时的用热负荷决定的，如果当时用热负荷较低，只需开启天然气热水锅炉即可满足热负荷的话，那么一级和二级空气源热泵皆可以停机；

如果当时用热负荷较大，只开启天然气热水锅炉无法满足热负荷时，则热负荷缺口部分则需要由热泵设备进行弥补，根据缺口负荷大小，从而确定开启空气源热泵的数量，比如此时需要开X台空气源热泵才能满足缺口负荷，那么一级空气源热泵开X÷2台，二级空气源热泵也开X÷2台。如果此时根据缺口负荷计算出的空气源热泵台数X为奇数，则将整体开X+1台空气源热泵，一级空气源热泵开(X+1)÷2台，二级空气源热泵也开(X+1)÷2台，从而满足供热系统的热负荷，确保供热量。

具体的，空气源热泵的最佳供回水运行温差为5℃，也可调节为10℃，但10℃供回水温差会降低空气源热泵设备效率；天然气热水锅炉供回水温差可达到20℃甚至更高，

具体的，通过将两级空气源热泵机构串联后可与天然气热水锅炉供回水温差更加匹配，

使得整个系统的供回水温度差调控范围从原有的0℃～10℃，变为0℃～20℃。

优选的，第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门均为电磁阀。

如图1所示，本实施例的主回水管道1上设有能够分别为燃气锅炉设备2和热泵设备输送水体的循环水泵15，便于提高主回水管道的送水效率。

如图1所示，本实施例的主回水管道1和循环水泵15之间设有补水装置6；

优选的，补水装置6包括依次连接的补水管道61、软水器62、补水箱63以及补水泵64，补水泵64与主回水管道1连接，以使供热系统能够从外界补充水体，使供热系统具有足够的供热水体。

本方案中的供热系统通过采用天然气热水锅炉与空气源热泵的串并联设计，以解决空气源热泵与天然气热水锅炉供回水温差不同的问题，使整个系统与供暖管网及末端匹配度更高，更能达到系统高效运行工况，空气源热泵系统与天然气热水锅炉系统负荷占比可根据项目情况自由搭配，可组成空气源热泵高负荷比例系统，天然气热水锅炉小负荷配比调峰；亦可组成天然气热水锅炉高负荷比例系统，空气源热泵小负荷配比调峰；还可组成空气源热泵热泵与天然气热水锅炉负荷相当的搭配比例，实现空气源热泵和天然气热水锅炉的高度耦合，使得供热系统的运行方案更多，根据实际需求调整供热系统的运行方案，供暖系统的运行更稳定，能够匹配更多运行工况，实现进一步提升供暖系统的运行效率；

相较于采用单一空气源热泵的供暖系统，本方案的供热系统的初投资更低，相较于采用单一天然气热水锅炉的供暖系统，本方案的供热系统的整体运行效率更高，运行成本更低。

在直供热水管网系统，末端为地热盘管时，系统最高效供回水温差为10℃；而末端为散热器时，系统最高效供回水温差为20℃；

在间供热水管网系统时，一次网最高效供回水温差为20℃；本方案设计能扩展设备的供回水温度，使之与系统供回水最佳工况温差匹配，从而实现最高效的系统效率

具体可根据项目需求和配套条件灵活搭配，例如当项目初投资为主要考虑因素时，由于天然气热水锅炉投资较低，因此可适当增加天然气热水锅炉的负荷占比，从而降低整套供暖系统的投资强度；

当项目运行效率为主要考虑因素时，由于空气源热泵的供暖输出功率效率更高，因此可适当增加空气源热泵的负荷占比，从而提高整套供暖系统的运行效率；

且本方案中的供热系统的系统构成简单，便于施工建设，自动化程度高，便于后期运行管控，既适用于热水直供系统，又适用于热水间供系统。

上述仅以实施例来进一步说明本实用新型的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本实用新型的实施方式仅限于此，任何依本实用新型所做的技术延伸或再创造，均受本实用新型的保护。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，其特征在于：包括依次连接的主回水管道(1)、燃气锅炉设备(2)以及主供水管道(3)，所述主回水管道(1)和燃气锅炉设备(2)之间设有第一阀门(11)，所述燃气锅炉设备(2)和主供水管道(3)之间设有第二阀门(12)；

所述主回水管道(1)和主供水管道(3)之间还设有热泵设备，所述热泵设备与燃气锅炉设备(2)并联设置；

所述热泵设备包括串联设置的一级热泵机构(4)和二级热泵机构(5)，所述一级热泵机构(4)与主回水管道(1)之间设有第三阀门(13)，所述二级热泵机构(5)与主供水管道(3)之间设有第四阀门(14)。

2.根据权利要求1所述的一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，其特征在于：所述一级热泵机构(4)包括多个并联设置的一级空气源热泵(41)，所述二级热泵机构(5)包括多个并联设置的二级空气源热泵(51)，所述一级空气源热泵(41)和二级空气源热泵(51)一一对应。

3.根据权利要求1所述的一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，其特征在于：所述燃气锅炉设备(2)包括多个并联设置的天然气热水锅炉(21)。

4.根据权利要求1所述的一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，其特征在于：所述主回水管道(1)上设有能够分别为燃气锅炉设备(2)和热泵设备输送水体的循环水泵(15)。

5.根据权利要求4所述的一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，其特征在于：所述主回水管道(1)和循环水泵(15)之间设有补水装置(6)。

6.根据权利要求5所述的一种燃气锅炉和空气源热泵的耦合供热系统，其特征在于：所述补水装置(6)包括依次连接的补水管道(61)、软水器(62)、补水箱(63)以及补水泵(64)，所述补水泵(64)与主回水管道(1)连接。