一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统论文和设计

全文摘要

本实用新型公开一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统，热泵系统包括变频压缩机、减温器、冷凝器、膨胀阀、蒸发器；蒸发器分别通过管路与变频压缩机、膨胀阀连接；变频压缩机通过管路与减温器连接；冷凝器分别与减温器、膨胀阀连接；相变蓄热管路系统包括相变蓄热罐、减温器蓄热管路三通阀、减温器蓄热管路循环水泵、减温器；减温器蓄热管路三通阀分别通过管路与相变蓄热罐、减温器蓄热管路循环水泵连接；相变热泵耦合供热管路系统包括减温器蓄热管路循环水泵、第一管路循环水泵、第二管路循环水泵、冷凝器、辅助电加热器。本实用新型可避免相变蓄热设备与热泵冷凝器结合蓄热时热泵效能系数低，避免供热系统整体效率大幅度降低，降低耗电量。

主设计要求

1.一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统，其特征在于，包括多个主要次级系统，分别为热泵系统、相变蓄热管路系统、相变热泵耦合供热管路系统；所述热泵系统包括变频压缩机(4)、减温器(5)、冷凝器(6)、膨胀阀(7)、蒸发器(8)；所述蒸发器(8)分别通过管路与变频压缩机(4)、膨胀阀(7)连接；变频压缩机(4)通过管路与减温器(5)连接；冷凝器(6)分别与减温器(5)、膨胀阀(7)连接；所述相变蓄热管路系统包括相变蓄热罐(1)、减温器蓄热管路三通阀(2-1)、减温器蓄热管路循环水泵(3-1)、减温器(5)；所述减温器蓄热管路三通阀(2-1)分别通过管路与相变蓄热罐(1)、减温器蓄热管路循环水泵(3-1)连接；相变蓄热罐(1)、减温器蓄热管路循环水泵(3-1)分别通过管路接入减温器(5)；所述相变热泵耦合供热管路系统包括减温器蓄热管路循环水泵(3-1)、第一管路循环水泵(3-2)、第二管路循环水泵(3-3)、冷凝器(6)、辅助电加热器(9)；所述第一管路循环水泵(3-2)分别通过管路与冷凝器(6)、第一管路三通阀(2-2)连接；第一管路三通阀(2-2)分别通过管路与减温器蓄热管路三通阀(2-1)、第二管路三通阀(2-3)连接；第二管路三通阀(2-3)分别通过管路与辅助电加热器(9)、建筑热端回水口(11)连接；第二管路循环水泵(3-3)分别通过管路与辅助电加热器(9)、建筑热端供水口(10)连接；相变蓄热罐(1)、冷凝器(6)分别通过管路与建筑热端回水口(11)连接。

设计方案

1.一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统，其特征在于，包括多个主要次级系统，分别为热泵系统、相变蓄热管路系统、相变热泵耦合供热管路系统；

所述热泵系统包括变频压缩机(4)、减温器(5)、冷凝器(6)、膨胀阀(7)、蒸发器(8)；

所述蒸发器(8)分别通过管路与变频压缩机(4)、膨胀阀(7)连接；变频压缩机(4)通过管路与减温器(5)连接；冷凝器(6)分别与减温器(5)、膨胀阀(7)连接；

所述相变蓄热管路系统包括相变蓄热罐(1)、减温器蓄热管路三通阀(2-1)、减温器蓄热管路循环水泵(3-1)、减温器(5)；

所述减温器蓄热管路三通阀(2-1)分别通过管路与相变蓄热罐(1)、减温器蓄热管路循环水泵(3-1)连接；相变蓄热罐(1)、减温器蓄热管路循环水泵(3-1)分别通过管路接入减温器(5)；

所述相变热泵耦合供热管路系统包括减温器蓄热管路循环水泵(3-1)、第一管路循环水泵(3-2)、第二管路循环水泵(3-3)、冷凝器(6)、辅助电加热器(9)；

所述第一管路循环水泵(3-2)分别通过管路与冷凝器(6)、第一管路三通阀(2-2)连接；第一管路三通阀(2-2)分别通过管路与减温器蓄热管路三通阀(2-1)、第二管路三通阀(2-3)连接；第二管路三通阀(2-3)分别通过管路与辅助电加热器(9)、建筑热端回水口(11)连接；第二管路循环水泵(3-3)分别通过管路与辅助电加热器(9)、建筑热端供水口(10)连接；相变蓄热罐(1)、冷凝器(6)分别通过管路与建筑热端回水口(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统，其特征在于，所述相变蓄热罐(1)内部两端分别固定设有第一分流器(1-4)、第二分流器(1-5)；靠近第二分流器(1-5)的所述相变蓄热罐(1)一端外部中心固定设有相变蓄热罐进水口(1-2)，所述相变蓄热罐(1)的另一端外部中心固定设有相变蓄热罐出水口(1-3)。

3.根据权利要求1所述的一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统，其特征在于，所述相变蓄热罐(1)内部第一分流器(1-4)、第二分流器(1-5)之间的部分为相变蓄热管胶囊存放空间(1-6)，均匀的叠放填充有圆柱形相变材料胶囊(1-1)，且叠放产生的间隙空间为换热介质通道。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于暖通设备技术领域，特别涉及一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统。

背景技术

在世界范围内，为提升可再生能源的应用率，许多国家都推行了峰谷电价政策以鼓励用电户提高谷电使用比例。目前我国许多省份实行了该政策，即工商业和普通居民可享受每天谷电时段(通常为23时至次日7时)5折电价优惠。对于采用电加热器或热泵供热的用户，利用蓄热设备在谷电时段储蓄热能并在峰电时段释放该热能可以实现降低采暖费用的效果。这种供热方式不仅可为用户节省开支，也符合国家节能目标、顺应国家推行峰谷电价政策的号召，是一种具有经济潜力的供热方式。

现有的蓄热技术包括显热蓄热、相变(潜热)蓄热、及热化学蓄热。相变蓄热是一种以相变材料作为蓄热主体的高新储能技术，相比于显热蓄热，其技术优点主要体现在其较高储热密度与较小工作温度区间上。设计良好的相变蓄热装置可与建筑供热系统有效结合。用户将蓄热设备作为热负荷管理工具时，可以通过合理的控制方式减少整体供热系统的能耗或用电量。例如，将耦合的空气源热泵在更具经济性(如谷电时段)或效率更高(如室外温度较高)的工况满功率运行，并将满足热负荷以外的热量储存在相变蓄热设备中。该储蓄热量可于峰电时段或室外温度较低时段供给于建筑热端；此时热泵可停止运行，以达到在总体上节能或减少耗电量的效果。

相变材料蓄热速率与换热介质温度减去相变材料相变温度的差值呈正相关(比例)关系；该差值越高，相变材料完全蓄热所需时间越短。据现有的关于相变蓄热装置与热泵耦合技术的研究文献报道，最普遍的系统设计为蓄热装置与热泵冷凝器连接、换热介质与冷凝器被加热后流至蓄热装置与相变材料换热以进行蓄热。该设计的主要技术缺点体现在：若想换热介质以较高温度(>65℃)为相变材料蓄热时，热泵运行的冷凝温度势必要提升至60℃及以上，该工况会极大地降低通常热泵的效能系数、提升热泵及整个供热系统的耗电量。在此情况下，利用相变蓄热设备进行调峰等措施的节能或减少耗电费用的初衷反而被破坏、耦合系统的技术优势无法得到体现。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统，可避免相变蓄热设备与热泵冷凝器结合蓄热时热泵效能系数低，避免供热系统整体效率大幅度降低，降低系统的耗电量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统，包括多个主要次级系统，分别为热泵系统、相变蓄热管路系统、相变热泵耦合供热管路系统；

所述热泵系统包括变频压缩机(4)、减温器(5)、冷凝器(6)、膨胀阀(7)、蒸发器(8)；

所述蒸发器(8)分别通过管路与变频压缩机(4)、膨胀阀(7)连接；变频压缩机(4)通过管路与减温器(5)连接；冷凝器(6)分别与减温器(5)、膨胀阀(7)连接；

所述相变蓄热管路系统包括相变蓄热罐(1)、减温器蓄热管路三通阀(2-1)、减温器蓄热管路循环水泵(3-1)、减温器(5)；

所述相变热泵耦合供热管路系统包括减温器蓄热管路循环水泵(3-1)、第一管路循环水泵(3-2)、第二管路循环水泵(3-3)、冷凝器(6)、辅助电加热器(9)；

作为优选，所述相变蓄热罐(1)内部两端分别固定设有第一分流器(1-4)、第二分流器(1-5)；靠近第二分流器(1-5)的所述相变蓄热罐(1)一端外部中心固定设有相变蓄热罐进水口(1-2)，所述相变蓄热罐(1)的另一端外部中心固定设有相变蓄热罐出水口(1-3)。

作为优选，所述相变蓄热罐(1)内部第一分流器(1-4)、第二分流器(1-5)之间的部分为相变蓄热管胶囊存放空间(1-6)，均匀的叠放填充有密封完好的圆柱形相变材料胶囊(1-1)，且叠放产生的间隙空间为换热介质通道，相变蓄热罐(1)蓄热时所需热量由减温器(5)提供。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：将相变蓄热设备与热泵系统减温器连接，通过减温器为换热介质提供热量，并间接地为相变材料蓄热。与利用冷凝器蓄热的供热系统相比，热泵机组的效能系数可不受相变蓄热过程影响，供热系统整体效率得到提升，降低系统的耗电量。

通过相变蓄热装置与热泵的耦合进行调峰，在满足用户热负荷需求的前提下，扩大谷电时段供热系统的用电比例、减少峰电时期的耗电需求，达到了响应国家峰谷电价政策和为用户降低耗电费用的双赢效果。

提出了利用减温器为相变蓄热设备蓄热。

相变蓄热罐采用易维护、高储热密度、安全性高的设计，换热介质在蓄热罐内可充分均匀地与相变材料进行换热。蓄热罐与热泵供热系统易结合，可被灵活应用于有热负荷管理需求的供热系统中。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型中的蓄热流程示意图；

图3为本实用新型中的放热流程示意图；

图4为本实用新型中相变蓄热罐的结构示意图。

图中1相变蓄热罐；1-1圆柱形相变材料胶囊；1-2相变蓄热罐进水口；1-3相变蓄热罐出水口；1-4第一分流器；1-5第二分流器；1-6相变蓄热管胶囊存放空间； 2-1减温器蓄热管路三通阀；2-2第一管路三通阀；2-3第二管路三通阀；3-1减温器蓄热管路循环水泵；3-1减温器蓄热管路循环水泵；3-2第一管路循环水泵；3-3 第二管路循环水泵；4变频压缩机；5减温器；6冷凝器；7膨胀阀；8蒸发器；9辅助电加热器；10建筑热端供水口；11建筑热端回水口；12建筑生活热水供水口；13 建筑生活热水进水口。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作详细说明。

本实用新型的实施例公开了一种由相变蓄热及热泵耦合的建筑供热系统，如图所示，其包括多个主要次级系统，分别为热泵系统、相变蓄热管路系统、相变热泵耦合供热管路系统；

热泵系统包括变频压缩机4、减温器5、冷凝器6、膨胀阀7、蒸发器8；

蒸发器8分别通过管路与变频压缩机4、膨胀阀7连接；变频压缩机4通过管路与减温器5连接；冷凝器6分别与减温器5、膨胀阀7连接；

相变蓄热管路系统包括相变蓄热罐1、减温器蓄热管路三通阀2-1、减温器蓄热管路循环水泵3-1、减温器5；

减温器蓄热管路三通阀2-1分别通过管路与相变蓄热罐1、减温器蓄热管路循环水泵3-1连接；相变蓄热罐1、减温器蓄热管路循环水泵3-1分别通过管路接入减温器5；

相变热泵耦合供热管路系统包括减温器蓄热管路循环水泵3-1、第一管路循环水泵3-2、第二管路循环水泵3-3、冷凝器6、辅助电加热器9；

第一管路循环水泵3-2分别通过管路与冷凝器6、第一管路三通阀2-2连接；第一管路三通阀2-2分别通过管路与减温器蓄热管路三通阀2-1、第二管路三通阀2-3 连接；第二管路三通阀2-3分别通过管路与辅助电加热器9、建筑热端回水口11连接；第二管路循环水泵3-3分别通过管路与辅助电加热器9、建筑热端供水口10连接；相变蓄热罐1、冷凝器6分别通过管路与建筑热端回水口11连接。

本实施例中，相变蓄热罐1内部两端分别固定设有第一分流器1-4、第二分流器 1-5；靠近第二分流器1-5的相变蓄热罐1一端外部中心固定设有相变蓄热罐进水口 1-2，相变蓄热罐1的另一端外部中心固定设有相变蓄热罐出水口1-3。

本实施例中，相变蓄热罐1内部第一分流器1-4、第二分流器1-5之间的部分为相变蓄热管胶囊存放空间1-6，均匀的叠放填充有密封完好的圆柱形相变材料胶囊1-1，且叠放产生的间隙空间为换热介质通道，相变蓄热罐1蓄热时所需热量由减温器5提供。

减温器放置于压缩机和冷凝器之间，减温器连接生活冷水进水管，通过冷却高压过热制冷剂加热生活用水至60℃左右为建筑用户提供生活热水。一般情况下，热泵系统冷凝温度仍由冷凝器水侧进出口温度决定，无需刻意提升以满足减温器生活热水出口温度的要求。

冷凝器的第二流道出水口和进水口分别与建筑热端供水口和建筑热端回水口连接。

热泵机组可为一般商用或民用空气源热泵机组，其主要部件包括依次连接的蒸发器、压缩机、减温器、四通阀、冷凝器以及膨胀阀。

减温器的第二流道出水口和进水口分别与建筑生活热水供水口和建筑生活热水进水口连接；减温器的出水口和进水口亦分别与相变蓄热罐的进水口和出水口连接。减温器的第二流道出水口和进水口配置三通阀以控制减温器第二流道流向至生活热水集水器或相变蓄热罐。

耦合的建筑供热系统的蓄热放热基本运行策略为：在深夜谷电时段，用户基本没有生活热水需求，减温器第二流道与相变蓄热罐相连。热泵机组在通过冷凝器为建筑热端满足热负荷的同时，也通过减温器提供小部分制热功率为相变蓄热罐蓄热，即边蓄边供模式；在峰电时段，蓄热装置放热为建筑热端供热，此时热泵机组可停止或以小功率运行，即蓄热供热模式，以达到在峰电时段减少系统耗电量的目的。

如图2所示，在本系统蓄热过程中，建筑热端供热与相变材料蓄热同时进行，热泵系统为供热和蓄热的主要产热单元。在供暖季，为保持室内舒适环境，第二管路将经由热泵系统所加热的热水通过运行第二管路循环水泵送往建筑热端，建筑热端通过对流及辐射换热的方式再间接地将热泵系统所产出的热量传递至室内建筑空间进行供热。与此同时，第二管路的热水经由热端完成散热后温度降低，再以管路回水的形式回到热泵系统冷凝器中再次获取热泵所产生的主要热量。

在蓄热过程开始时，于减温器蓄热管路中，减温器蓄热管路循环水泵将低温热换流体(水)从相变蓄热罐输送至热泵系统中的减温器，与高温高压的气态制冷剂进行换热。加热后的高温换热介质再被输送回相变蓄热罐中，主要通过导热换热的形式与相变材料胶囊中储存的相变材料进行换热。相变材料吸收换热介质的热量，在其温度到达该材料相变温度区间时，以潜热的形式蓄热，并于材料完全熔化后发挥潜热蓄热的功能。

换热介质在热泵减温器中被加热至指定温度后，由循环水泵输送至相变蓄热罐。由于换热介质与相变材料胶囊存在温差，热量经由胶囊外壁间接传递至相变材料中，在相变材料熔化后以潜热形式储存。完成换热后的换热介质由罐体出水口流出后被输送至减温器中进行再加热。

如图2所示，建筑热端供热和相变材料蓄热所需热量由热泵系统中两个不同的热沉端换热器分别提供。当热泵系统运行时，变频压缩机将轻度过热的低压气态制冷剂压缩为高度过热的高压气态制冷剂。该状态气态制冷剂首先于减温器中与换热介质换热后温度降低，成为轻度过热的高压气态制冷剂或气液混合的制冷剂。其后，制冷剂再于冷凝器中与第二管路的回水换热，冷却至过冷液态。过冷液态制冷剂经过节流阀膨胀后成为气液混合的低压状态，再流经蒸发器吸热后，完成单次蒸汽压缩循环。

在完成图2所示的相变材料蓄热过程后，相变蓄热罐中的相变材料由固态完全熔化至液态，其以熔融潜热形式储存的热量可于其后的放热过程中释放至建筑热端，完全或部分代替热泵系统为建筑空间供热。

图3为相变材料放热过程的过程示意图；此图示意相变蓄热罐和热泵系统中冷凝器同时为建筑热端供热的过程。如图3所示，第二管路回水由三通阀分至冷凝器和已完成蓄热的相变蓄热罐中分别取热。被分别加热后，该两管路的热水先后经由第一管路三通阀汇聚、第二管路三通阀调整至适宜供热温度，最后由第二管路循环水泵传递至建筑热端供热。在放热过程中，变频压缩机可完全停止运行或以较低转速运行以达到峰电时段减少热泵系统用电量的效果；减温器蓄热管路停止循环，减温器可用作生活热水的制备。

在放热过程中，温度低于相变材料温度的换热介质流经胶囊外壁间接与液态相变材料换热；相变材料在固化过程中释出潜热、加热换热介质。换热介质被输送至建筑热端，为建筑环境提供热量冷却后再被输送回相变蓄热管。

图4为本实用新型中相变蓄热罐的具体设计示意图。在蓄热或放热过程中，换热介质经由相变蓄热罐进水口进入罐体，再先后经过第一分流器、第二分流器后在罐体圆形横截面上以匀速被分布至相变蓄热管胶囊存放空间。

在蓄热及放热过程中，相变材料与换热介质之间主要以热传导方式传热。其中，相变材料可采用市面上售卖的商用有机或无机相变材料，比如以三水醋酸钠为主要成分的商用产品，其储热密度高、效果理想。相变材料的理想熔化温度为50-60℃。

以上通过实施例对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的示例性实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。本实用新型的保护范围由权利要求书限定。凡利用本实用新型所述的技术方案，或本领域的技术人员在本实用新型技术方案的启发下，在本实用新型的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖保护范围之内。应当注意，为了清楚的进行表述，本实用新型的说明中省略了部分与本实用新型的保护范围无直接明显的关联但本领域技术人员已知的部件和处理的表述。

设计图

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