一種季節性蓄熱的供熱系統及運行方法

2023-06-07 00:07:51 2

專利名稱：一種季節性蓄熱的供熱系統及運行方法
技術領域：
本發明涉及一種季節性蓄熱的供熱系統及運行方法，特別適用於夏季外界溫度 高、冬季溫度低，有集中熱水需求的地區，屬於供熱採暖領域。
背景技術：
隨著經濟的快速發展和人民生活水平的提高，人們對生活熱水和採暖熱水的需求 量也不斷增加。統計數據表明，我國建築能耗佔社會總能耗的比例在22% 25%之間，其 中約40%用於建築採暖，北方城鎮地區採用熱網集中供熱或小區集中供熱的能耗約佔建築 採暖能耗的60%。隨著生活水平的提高，目前長江流域許多新建的社區也開始採用集中供 熱，很多城市也在規劃大規模集中供熱網。可見，有集中採暖需求的地域越來越廣。另外， 建築面積的快速增加，採暖需求也會隨之大幅度增長，這些都使得國家的節能減排壓力與 日俱增。目前的供熱通常是用鍋爐燃燒化石燃料燒出低溫熱水(60 90°C )直接供給用戶 採暖，或利用供熱站將集中熱網中130°C左右的熱水(一次側熱水)轉換成低溫熱水(二次 側熱水)再供給用戶採暖，雖然換熱前後的熱量總量沒有改變，但是換熱環節造成的可用 能量損失卻非常大，其供熱效率總是小於1. 0的，在長時間運行下，造成大量的採暖能耗。而另一些採暖設備比如熱泵等，從低品位能源側取熱，其效率雖然有所提高，但仍 採用的是實時供熱模式。即無論是空氣源還是土壤源水源等，都是從當前的低溫環境中取 熱。當熱泵直接向空氣取熱時，冬季外界溫度較低，溫度波動幅度大，設備效率較低，且冬季 空氣源熱泵蒸發器結霜問題也是無法進一步提高空氣源熱泵效率的一大技術難題。基於 此，冬季土壤溫度高於氣溫且相對穩定一度受到大家的青睞，然而熱源並不是取之不盡用 之不竭的可再生資源，熱泵系統常年從地下提取熱量勢必會造成土壤溫度的逐年下降，從 而造成機組性能的大幅度衰減，甚至根本無法正常運行。我國北方地區的氣候特點是夏季、過渡季室外溫度較高，尤其是中西部、中北部、 西北部、東北部地區，有較長一段時間外溫都遠高於土壤溫度。那夏季外界溫度高，為何不 能將夏天的熱量來供給冬季使用呢？為此，一些學者轉而研究季節性蓄能，然而他們的研 究重心主要在於太陽能集熱器蓄能和電熱泵相結合的系統上。而此類系統主要存在以下方 面的不足一方面太陽能集熱器本身投資就較高，且只能在太陽強度比較好的情況下能達 到較好的集熱效果，如果在沒有太陽能或者強度較低的夏天黃昏就無法使用；另一方面，電 熱泵系統無法大規模的應用於集中供熱系統，且其運行依附於電力供應的穩定性，隨著雪 災、地震等突發事件引發大規模斷電引起的斷熱等使得人們對電力供暖的設備望而卻步。 據現有的文獻調研表明，目前沒有採用吸收式熱泵與空氣源熱泵/熱管型季節性蓄能進行 供熱的方式。

發明內容
基於上述背景，本發明的目的是提出了一種季節性蓄熱的供熱系統及運行方法，即鍋爐或者集中熱網吸收式熱泵供熱與蓄熱體及補熱裝置相結合的系統及其運行方式。當 在外溫較高的夏季和過渡季時，採用補熱裝置給蓄熱體補充熱量，而在冬季時再採用吸收 式熱泵從蓄熱體中取熱，為用戶供熱；當蓄熱體溫度不夠時，採用補熱裝置給蓄熱體預熱後 再進入吸收機的蒸發器，進行聯合供熱；還可實現鍋爐或者空氣源熱泵直接供熱模式。本發明的技術方案如下一種季節性蓄熱的供熱系統，該供熱系統包含集中熱源、增熱型換熱機組和用戶； 所述的增熱型換熱機組由換熱器、吸收式熱泵、第一三通閥和第二三通閥組成；所述集中熱 源出口與吸收式熱泵的熱源入口相連，吸收式熱泵的熱源出口經第一三通閥分別與換熱器 的熱端入口和集中熱源的回水口相連；換熱器的熱端出口與集中熱源的回水口相連；吸收 式熱泵的供熱側出口經第二三通閥分別與換熱器冷端入口和換熱器冷端出口相連，換熱器 的冷端出口經第二閥門和熱水泵與用戶的熱水進口相連；吸收式熱泵的供熱側入口經第一 閥門與用戶熱水回水口相連；其特徵在於所述的季節性蓄熱的供熱系統還包括補熱裝置 和蓄熱體；所述蓄熱體換熱出口經蓄熱側水泵、第九閥門和第五閥門與吸收式熱泵低品位 源側入口相連；吸收式熱泵低品位源側出口經第六閥門與蓄熱體換熱入口相連；所述的補 熱裝置包含壓縮機、第三三通閥、冷凝器、節流閥和風冷蒸發器和管路；所述的壓縮機、第 三三通閥、冷凝器、節流閥和風冷蒸發器順次連接，構成空氣源熱泵供熱環路；並在第三三 通閥和壓縮機的進氣口間連接了一條旁通管路；所述的管路、第三三通閥、冷凝器、節流閥 和風冷蒸發器順次連接，構成熱管供熱環路；所述補熱裝置出水口經第三閥門、第十閥門和 蓄熱體入水口相連，所述蓄熱體出水口經蓄熱側水泵、第四閥門與補熱裝置入水口相連；第 七閥門連接在用戶入口與補熱裝置的出口，第八閥門連接在用戶出口與補熱裝置的入口。本發明所述蓄熱體包括蓄熱介質和換熱管路，所述蓄熱介質為土壤、水或相變材 料；所述的集中熱源採用高溫餘熱、城市熱網、熱電聯產機組和鍋爐中的一種或幾種產生的 蒸汽或熱水。本發明提供的一種季節性蓄熱的運行方法，其特徵在於所述季節性蓄熱的運行 方法包括以下五種運行模式1)該裝置運行於所述的以蓄熱體為低品位熱源的吸收式熱泵供熱模式時，關閉第 七閥門、第八閥門、第十閥門、第三閥門和第四閥門，開啟第六閥門、第五閥門、第一三通閥、 第二三通閥第二閥門、第一閥門；集中熱源驅動包含吸收式熱泵和換熱器的增熱型換熱機 組從補熱結束後的蓄熱體中取熱，並將集中熱源的熱量和蓄熱體中的熱量一併供給用戶； 蓄熱體的出水口經第九閥門和第五閥門進入吸收式熱泵的蒸發器側，經增熱型換熱機組換 熱後，經第二閥門和熱水泵供給用戶；調節第一三通閥和第二三通閥的開度以改變進入換 熱器的熱水流量，從而調節送入用戶的採暖熱水溫度；2)該裝置運行於所述的空氣源熱泵補熱裝置直接供熱模式，關閉第一閥門、第二 閥門、第九閥門、第五閥門和第十閥門，斷開蓄熱體和吸收式熱泵，僅開啟第三閥門、第四閥 門、第七閥門和第八閥門；所述的補熱裝置的冷凝器、第三閥門、第七閥門、熱水泵、用戶和 第四閥門順次連接，形成供熱環路，並採用第三三通閥連通冷凝器和壓縮機；3)該裝置運行於所述的以蓄熱體和空氣為低品位熱源聯合供熱模式時，關閉第十 閥門、第九閥門、第七閥門和第八閥門；吸收式熱泵的蒸發器、第六閥門、蓄熱體、蓄熱側水 泵、第四閥門、補熱機組的冷凝器、第三閥門和第五閥門順次連接；集中熱源經由增熱型換熱機組換熱至用戶；4)該裝置運行於所述的集中熱源直接供熱模式時，僅開啟第一三通閥、第二三通 閥二、第二閥門和第一閥門，關閉第三閥門、第四閥門、第五閥門、第六閥門、第七閥門、第八 閥門、第九閥門和第十閥門；集中熱源出來的熱水或蒸汽經換熱器直接與用戶側管路進行 換熱；5)該裝置運行於所述的熱管補熱模式，僅開啟第四閥門、第三閥門和第十閥門； 補熱裝置中，第三通閥連通冷凝器和管路，旁通壓縮機，形成熱泵模式；蓄熱體出口側經蓄 熱側水泵、第四閥門、第三閥門與補熱裝置連接，再經第十閥門回到蓄熱體。本發明與現有系統及運行方法相比，具有以下優點①採用熱管進行免費補熱，投 資小效率高，只要存在適宜的溫差，即便是沒有太陽光的地方，也能給蓄熱體進行蓄熱；② 當蓄熱體溫度較低時，還可以串聯補熱裝置和蓄熱體，採用空氣源熱泵/熱管複合型補熱 裝置給蓄熱體預熱後再進入吸收機的蒸發器，進行聯合供熱；③在極其惡劣的工況下，能實 現鍋爐直接供熱模式，給機組的穩定運行帶來了保障；④該系統有效實現夏季熱量向冬季 熱量的季節性轉移，擴大了現有供熱系統的低品位源的來源，一定程度上緩解了夏季熱島 效應，並且實現了冬季供熱熱量倍增，具有很大的節能潛力。總的來說，本發明是一個高效節能的供熱系統，在吸收式熱泵供熱系統中連接了 蓄熱體和空氣源熱泵及熱管複合型補熱裝置，並在不同的外界條件和用戶需求下有不同的 運行模式，保證了系統的可靠性。尤其應用於冬夏溫差大的地區，或者夏季還需製冷的地 區，其節能效果會更加明顯。


圖1為本發明公開的一種季節性蓄熱的供熱系統的結構示意圖。圖2為本發明中以蓄熱體為低品位熱源的吸收式熱泵供熱運行模式的示意圖。圖3為本發明中空氣源熱泵補熱裝置直接供熱運行模式的示意圖。圖4為本發明中以蓄熱體和空氣為低品位熱源聯合供熱運行模式的示意圖。圖5為本發明中集中熱源直接供熱運行模式的示意圖。圖6為本發明中熱管補熱運行模式的示意圖。圖1 圖6中附圖標記的名稱如下1-第一三通閥；2-第二三通閥；3-第一閥門； 4-第二閥門；5-第三閥門；6-第四閥門；7-第五閥門；8-第六閥門；9-第七閥門；10-第 八閥門；11-第九閥門；12-第十閥門；13-集中熱源；14-換熱器；15-熱水泵；16-用戶； 17-補熱裝置；18-蓄熱側水泵；19-蓄熱體；20-吸收式熱泵；21-增熱型換熱機組；22-冷 凝器；23-三通閥三；24-壓縮機；25-節流閥；26-風冷蒸發器；27-管路。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的結構、原理和工作過程做進一步的說明。圖1為本發明公開的一種季節性蓄熱的供熱系統的結構示意圖，該供熱系統包含 集中熱源13、增熱型換熱機組21和用戶16 ；所述的增熱型換熱機組21由換熱器14、吸收 式熱泵20、第一三通閥1和第二三通閥2組成；所述集中熱源13出口與吸收式熱泵20的 熱源入口相連，吸收式熱泵的熱源出口經第一三通閥1分別與換熱器14的熱端入口和集中熱源13的回水口相連；換熱器14的熱端出口與集中熱源13的回水口相連；吸收式熱泵20 的供熱側出口經第二三通閥2分別與換熱器14冷端入口和換熱器14冷端出口相連，換熱 器14的冷端出口經第二閥門4和熱水泵15與用戶16的熱水進口相連；吸收式熱泵20的 供熱側入口經第一閥門3與用戶16熱水回水口相連；所述的季節性蓄熱的供熱系統還包括 補熱裝置17和蓄熱體19 ；所述蓄熱體19包括蓄熱介質和換熱管路，蓄熱介質可以採用土 壤、水或相變材料；所述蓄熱體19換熱出口經蓄熱側水泵18、第九閥門11和第五閥門7與 吸收式熱泵20低品位源側入口相連；吸收式熱泵20低品位源側出口經第六閥門8與蓄熱 體19換熱入口相連；所述補熱裝置17中，壓縮機M、第三三通閥23、冷凝器22、節流閥25 和風冷蒸發器26順次連接，構成空氣源熱泵供熱環路，管路27將第三三通閥23的第三個 連接口和壓縮機M的進口連接，從而旁通了壓縮機對，管路27、第三三通閥23、冷凝器22、 節流閥25和風冷蒸發器沈順次連接，構成熱管供熱環路；所述補熱裝置17出水口經第三 閥門5、第十閥門12和蓄熱體19入水口相連，所述蓄熱體19出水口經蓄熱側水泵18、第四 閥門6與補熱裝置17入水口相連；第七閥門9連接在用戶16入口與補熱裝置17的出口， 第八閥門10連接在用戶16出口與補熱裝置17的入口。圖2 5分別為本發明的不同供熱運行模式的示意圖。圖2為本發明中以蓄熱體為低品位熱源的吸收式熱泵供熱運行模式的示意圖。在 冬季採暖時，蓄熱體的出水溫度滿足吸收式熱泵的進水口的需求蒸發溫度時，運行該模式。 即集中熱源13驅動包含吸收式熱泵20和換熱器14的增熱型換熱機組21從補熱結束後的 蓄熱體19中取熱，並將集中熱源13的熱和蓄熱體19中的熱量一併供給用戶16。蓄熱體 19的出水口經第九閥門11和第五閥門7進入吸收式熱泵20的蒸發器側，經增熱型換熱機 組M換熱後，經第二閥門4和熱水泵15供給用戶。調節第一三通閥1和第二三通閥2的 開度大小旁通進入換熱器14的熱水流量，可調節送入用戶的採暖熱水溫度。所述的集中熱 源採用高溫餘熱、城市熱網、熱電聯產機組和鍋爐中的一種或幾種產生的蒸汽或熱水。圖3為本發明中空氣源熱泵補熱裝置直接供熱運行模式的示意圖。當在冬季採暖 時期，室外環境溫度較高時，空氣源熱泵運行效率較高時，運行該模式。即僅開啟第三閥門 5、第四閥門6、第五閥門9、第八閥門10。補熱裝置17經由第三閥門5、第七閥門9、熱水泵 15、用戶16和第四閥門6順次連接，形成供熱環路，補熱裝置17中，第三三通閥23連通冷 凝器22和壓縮機M，形成空氣源熱泵模式。圖4為本發明中以蓄熱體和空氣為低品位熱源聯合供熱運行模式的示意圖。當冬 季供熱一段時間後蓄熱體由於熱量被取走溫度慢慢降低時，對於溴化鋰/水機組會產生結 晶風險，故先採用補熱裝置提升土壤源出水進入吸收式熱泵蒸發器前的溫度。不過對於氨 為製冷劑的氨水吸收式機組的系統，可以不運行該模式。蓄熱體19、補熱機組6與吸收式熱 泵20的蒸發器經由第四閥門6、第三閥門5、第五閥門7、第六閥門8串聯連接。集中熱源 13經由增熱型換熱機組23換熱至用戶16。圖5為本發明中集中熱源直接供熱運行模式的示意圖。當冬季供熱遇到極端惡劣 的環境，比如蓄熱體的溫度和室外環境的問題都特低，吸收式熱泵運行效果和空氣源熱泵 運行效果均特別差時，可運行該模式，提高系統的可靠性。即僅開啟第一三通閥1、第二三 通閥2、第二閥門4和第一閥門3，其他閥門關閉。集中熱源13出來的熱水/蒸汽經換熱器 14直接與用戶16側管路進行換熱。
圖6為本發明中熱管補熱運行模式的示意圖。在夏季和過渡季時運行該模式，因 為此時外溫較高，對蓄熱體19進行補熱時，補熱效率高。該模式運行方法即僅開啟第四閥 門6、第三閥門5，第十閥門12。補熱裝置17中，第三三通閥23連通冷凝器22和管路27， 旁通壓縮機24，形成熱泵模式。蓄熱體19出口側經蓄熱側水泵18、第四閥門6、第三閥門5 與補熱裝置17連接，再經第十閥門12回到蓄熱體19。
權利要求
1.一種季節性蓄熱的供熱系統，該供熱系統包含集中熱源(13)、增熱型換熱機組 和用戶(16)；所述的增熱型換熱機組由換熱器(14)、吸收式熱泵(20)、第一三通閥 (1)和第二三通閥( 組成；所述集中熱源(1 出口與吸收式熱泵OO)的熱源入口相連， 吸收式熱泵的熱源出口經第一三通閥(1)分別與換熱器(14)的熱端入口和集中熱源(13) 的回水口相連；換熱器(14)的熱端出口與集中熱源(13)的回水口相連；吸收式熱泵OO) 的供熱側出口經第二三通閥( 分別與換熱器(14)冷端入口和換熱器(14)冷端出口相 連，換熱器(14)的冷端出口經第二閥門⑷和熱水泵(15)與用戶(16)的熱水進口相連；吸 收式熱泵OO)的供熱側入口經第一閥門C3)與用戶(16)熱水回水口相連；其特徵在於所 述的季節性蓄熱的供熱系統還包括補熱裝置(17)和蓄熱體(19)；所述蓄熱體(19)換熱出 口經蓄熱側水泵(18)、第九閥門(11)和第五閥門(7)與吸收式熱泵OO)低品位源側入口 相連；吸收式熱泵OO)低品位源側出口經第六閥門(8)與蓄熱體(19)換熱入口相連；所述 的補熱裝置(17)包含壓縮機(M)、第三三通閥(23)、冷凝器(22)、節流閥(25)、風冷蒸發 器06)和管路(XT)；所述的壓縮機(M)、第三三通閥(23)、冷凝器(22)、節流閥0 和風 冷蒸發器06)順次連接，構成空氣源熱泵供熱環路；並在第三三通閥03)和壓縮機04) 的進氣口間連接了一條旁通管路(XT)；所述的管路(XT)、第三三通閥、冷凝器02)、節 流閥0 和風冷蒸發器06)順次連接，構成熱管供熱環路；所述補熱裝置(17)出水口經 第三閥門(5)、第十閥門(1 和蓄熱體(19)入水口相連，所述蓄熱體(19)出水口經蓄熱側 水泵(18)、第四閥門(6)與補熱裝置(17)入水口相連；第七閥門(9)連接在用戶(16)入 口與補熱裝置(17)的出口，第八閥門(10)連接在用戶(16)出口與補熱裝置(17)的入口。
2.根據權利要求1所述的一種季節性蓄熱的供熱系統，其特徵在於所述蓄熱體(19) 包括蓄熱介質和換熱管路，所述蓄熱介質為土壤、水或相變材料。
3.根據權利要求1所述的一種季節性蓄熱的供熱系統，其特徵在於所述的集中熱源 (13)採用高溫餘熱、城市熱網、熱電聯產機組和鍋爐中的一種或幾種產生的蒸汽或熱水。
4.一種採用如權利要求1所述裝置的季節性蓄熱的運行方法，其特徵在於所述季節 性蓄熱的運行方法包括以下五種運行模式1)該裝置運行於所述的以蓄熱體為低品位熱源的吸收式熱泵供熱模式時，關閉第七閥 門(9)、第八閥門(10)、第十閥門(12)、第三閥門(5)和第四閥門(6)，開啟第六閥門(8)、第 五閥門(7)、第一三通閥(1)、第二三通閥(2)第二閥門G)、第一閥門(3)；集中熱源(13) 驅動包含吸收式熱泵OO)和換熱器(14)的增熱型換熱機組從補熱結束後的蓄熱體 (19)中取熱，並將集中熱源(13)的熱量和蓄熱體(19)中的熱量一併供給用戶(16)；蓄熱 體(19)的出水口經第九閥門(11)和第五閥門(7)進入吸收式熱泵OO)的蒸發器側，經增 熱型換熱機組04)換熱後，經第二閥門(4)和熱水泵(1 供給用戶；調節第一三通閥(1) 和第二三通閥( 的開度以改變進入換熱器(14)的熱水流量，從而調節送入用戶的採暖熱 水溫度；2)該裝置運行於所述的空氣源熱泵補熱裝置直接供熱模式，關閉第一閥門(3)、第二 閥門(4)、第九閥門(11)、第五閥門(7)和第十閥門(12)，斷開蓄熱體(19)和吸收式熱泵 (21)，僅開啟第三閥門(5)、第四閥門(6)、第七閥門(9)和第八閥門(10)；所述的補熱裝置 (17)的冷凝器(22)、第三閥門(5)、第七閥門(9)、熱水泵(15)、用戶(16)和第四閥門(6) 順次連接，形成供熱環路，並採用第三三通閥連通冷凝器0 和壓縮機04)；3)該裝置運行於所述的以蓄熱體和空氣為低品位熱源聯合供熱模式時，關閉第十閥門 (12)、第九閥門(11)、第七閥門(9)和第八閥門(10)；吸收式熱泵(20)的蒸發器、第六閥門 (8)、蓄熱體(19)、蓄熱側水泵(18)、第四閥門(6)、補熱機組(6)的冷凝器(22)、第三閥門 (5)和第五閥門(7)順次連接；集中熱源(13)經由增熱型換熱機組(23)換熱至用戶(16)；4)該裝置運行於所述的集中熱源直接供熱模式時，僅開啟第一三通閥(1)、第二三通 閥二 (2)、第二閥門(4)和第一閥門(3)，關閉第三閥門(5)、第四閥門(6)、第五閥門(7)、第 六閥門(8)、第七閥門(9)、第八閥門(10)、第九閥門(11)和第十閥門(12)；集中熱源(13) 出來的熱水或蒸汽經換熱器(14)直接與用戶(16)側管路進行換熱；5)該裝置運行於所述的熱管補熱模式，僅開啟第四閥門(6)、第三閥門( 和第十閥門 (12)；補熱裝置(17)中，第三通閥(23)連通冷凝器(22)和管路(27)，旁通壓縮機(24), M 成熱泵模式；蓄熱體(19)出口側經蓄熱側水泵(18)、第四閥門(6)、第三閥門( 與補熱裝 置(17)連接，再經第十閥門(12)回到蓄熱體(19)。
全文摘要
一種季節性蓄熱的供熱系統及運行方法，屬於供熱領域。所述季節性蓄熱的供熱系統，即在外溫較高的夏季和過渡季採用空氣源熱泵及熱管複合型補熱裝置給蓄熱體補充熱量，而在冬季時再採用吸收式熱泵從蓄熱體中取熱，為用戶供熱；當蓄熱體溫度仍較低時，通過補熱裝置為蓄熱體預熱後再進入吸收式熱泵的蒸發器，進行聯合供熱；另外還能實現鍋爐或者空氣源熱泵直接供熱模式，提高了供熱保證率。本發明的技術特徵是在現有的吸收式熱泵供熱系統中連接了蓄熱體和空氣源熱泵及熱管複合型補熱裝置，實現夏季熱量向冬季熱量的季節性轉移，擴大了現有供熱系統的低品位源的來源途徑，緩解了夏季熱島效應，並實現了冬季供熱熱量倍增，具有顯著的節能效果。
文檔編號F24D11/02GK102102884SQ201110066319
公開日2011年6月22日 申請日期2011年3月18日 優先權日2011年3月18日
發明者吳偉, 張曉靈, 李先庭, 李筱, 王寶龍, 石文星, 韓宗偉 申請人:清華大學