CN108592140B - 降低供热管路回水温度的*** - Google Patents

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Abstract

降低供热管路回水温度的***，其特征在于：该***包括热源(1)、热泵(2)和蓄热模块(3)，在一次侧吸收热量降低一次侧的回水温度、再将所吸收的热量转移到二次侧用于消化吸收二次侧负荷波动的干扰、实现供热***的平稳运行。利用热泵与蓄热相结合的手段，增强供热***的自适应性能、简化控制流程，实现高效、低成本运行的供热***。

Description

降低供热管路回水温度的***
技术领域
本发明涉及一种利用热泵与蓄热相结合的手段，增强供热***的自适应性能、简化控制流程，实现高效、低成本运行的供热***，属于供热***设计和控制的技术领域。
背景技术
对于集中供热***，通过降低回水温度、增加供回水温差，实现“大温差、小流量”的经济运行模式，对于降低管网输配能耗、增强热源供热能力、降低***投资、提高集中供热经济性都有着重大意义。
中国专利CN 101629733 B“一种降低供热管路回水温度的方法”中公开了一种利用吸收式热泵/制冷机降低供热管路回水温度的方法，此方法仍然存在一些问题：
1．吸收式热泵的结构比较复杂、***投资较高；
2．该方法只适用于换热站***，不能设计为小型化的家用产品为终端用户使用。
发明内容
为解决现有的集中供热***的问题，本发明的技术方案是，将热泵技术与蓄热技术结合起来、作为集中供热***的辅助调节装置，不仅可以降低供热管路的回水温度，并可以吸收***中热负荷的波动、实现移峰填谷。该***包括热源1、热泵2和蓄热模块3，在一次侧吸收热量降低一次侧的回水温度、再将所吸收的热量转移到二次侧用于消化吸收二次侧负荷波动的干扰、实现供热***的平稳运行，具体方案包括以下三种方案，以下三种方案可以独立使用或组合使用：
方案一：该***包括热泵2和蓄热模块3，热泵2中至少包括蒸发器E0和冷凝器C0，蓄热模块3中至少包括蓄热体、第一换热器E1、第二换热器E2；热泵2的蒸发器E0设置在一次侧的回水段、热泵2的冷凝器C0与蓄热模块3的第一换热器E1连接形成循环回路，热泵2以一次侧的回水为低位热源对蓄热模块3的蓄热体补充热量、并使得一次侧的回水温度降低；蓄热模块3的第二换热器E2设置在二次侧，通过蓄热模块3吸收二次侧负荷波动、实现移峰填谷；当二次侧处于高峰负荷时，将二次侧的进水段或回水段与蓄热模块3的第二换热器E2连通、由蓄热模块3的蓄热体作为辅助热源加热二次侧的进水或回水；当二次侧处于低谷负荷时，将蓄热模块3的第二换热器E2设置为断开状态。该方案主要适用于换热站***。
方案二：该***包括热泵2和蓄热模块3，热泵2中至少包括蒸发器E0和冷凝器C0，蓄热模块3中至少包括蓄热体、第一换热器E1、第二换热器E2、第三换热器E3；蓄热模块3的第三换热器E3设置在一次侧的进回水回路中、热泵2的蒸发器E0设置在一次侧的回水段、热泵2的冷凝器C0与蓄热模块3的第一换热器E1连接形成循环回路；一次侧进水或回水首先通过蓄热模块3的第三换热器E3进行热交换由蓄热体吸收热量、从而降低一次侧的回水温度，降温后的一次侧回水再通过热泵2的蒸发器E0、热泵2以降温后的一次侧的回水为低位热源对蓄热模块3的蓄热体补充热量、并进一步降低一次侧的回水温度，蓄热模块3的第二换热器E2设置在二次侧，通过蓄热模块3吸收二次侧负荷波动、实现移峰填谷；当二次侧处于高峰负荷时，将二次侧的回水段与蓄热模块3的第二换热器E2连通、由蓄热模块3的蓄热体作为辅助热源加热二次侧的回水；当二次侧处于低谷负荷时，将蓄热模块3的第二换热器E2设置为断开状态。该方案主要适用于换热站***。
方案三：该***包括热泵2和蓄热模块3，热泵2中至少包括蒸发器E0和冷凝器C0，蓄热模块3中至少包括蓄热体、第一换热器E1、第二换热器E2；蓄热模块3的第二换热器E2设置在一次侧的回水段、通过与一次侧的回水进行热交换由蓄热体吸收热量、降低一次侧的回水温度；热泵2的冷凝器C0设置在二次侧，热泵2的蒸发器E0与蓄热模块3的第一换热器E1连接形成循环回路；通过热泵2吸收二次侧负荷波动、实现移峰填谷；当二次侧处于高峰负荷或一次侧热源断开时，将二次侧的进水段或回水段与热泵2的冷凝器C0连通、热泵2以蓄热模块3为低位热源对二次侧的进水或回水进行加热，为二次侧提供热量；当二次侧处于低谷负荷时，热泵2停止运行。该方案主要适用于终端用户的家用***。
其中，热泵2为压缩式热泵或吸收式热泵，优先采用压缩式热泵。当采用压缩式热泵时，由于热泵2的低位热源是一次侧回水或蓄热模块3，能量品位适中、稳定性好，因此热泵2的能效比很高，循环性能系数COP(Coefficient of Performance)值可以做到大于6。
其中，蓄热模块3中的蓄热体是显热蓄热材料或相变蓄热材料，采用显热蓄热时可使用蓄热水箱等。由于相变蓄热材料吸热/放热温度恒定、换热温差小，因此蓄热模块3的蓄热体优先采用相变蓄热材料。
其中，当使用热泵2或蓄热模块3加热二次侧的进水或回水时，优先选用对二次侧的回水进行加热的方案，这样可以减少热泵2提升热能品位的幅度，从而提高热泵2的效率。
本发明的有益效果是：
1、热泵2的能效比很高，并且一次/二次***的主要热交换过程仍采用换热或混水的结构，热泵2只需要处理一次侧进回水温差中在现有***基础上温差增加部分所对应的热量，一般为***总供热量1/3左右，因此热泵2的总体电能能耗较低；
2、方案三应用于终端用户的家用***时，可以增强终端用户的调节能力、解决终端用户自我调节能力差的难题，降低热网调节的难度、提高用户的舒适度、并可以满足用户冬季的生活热水的需求；
3、通过蓄热模块3实现移峰填谷，提高供热***的稳定性、并有利于实现和推进“行为节能”。
附图说明
附图1：方案一***原理图
附图2：方案一***的高负荷工况图
附图3：方案一***的低负荷工况图
附图4：方案二***原理图
附图5：方案二***的高负荷工况图
附图6：方案二***的低负荷工况图
附图7：方案三***原理图
附图8：方案三***的高负荷工况图
附图9：方案三***的低负荷工况图
附图10：方案三***的生活热水加热结构图
附图11：方案一***的高负荷工况图（对应二次侧回水温度较低的情况）
图中：1：热源； 5：一次/二次换热或混水装置； 6：末端***； 7：通断控制阀；
5a：第一段一次/二次换热或混水装置；5b：第二段一次/二次换热或混水装置；
主干回路中，实线箭头方向为***供水方向、虚线箭头方向为***回水方向；分支回路由实线箭头表示方向；附图10中：W1为生活用水入口，W2为生活热水出口。
具体实施方式
实施例1：
如附图1-3所示，为方案一所对应的换热站***原理图，图中选取了一个典型的工况进行说明。
传统的换热站，热源1对应的一次侧的供水温度为110℃、回水温度为60℃、一次侧的进回水温差为50℃，经过换热站的一次/二次换热或混水装置5进行热交换后，末端***6对应的二次侧的供水温度为70℃、回水温度为55℃。
本实施例中所述的一次侧对应于集中供热***中的一次供热网，所述的二次侧集中供热***中的二次供热网，一次网与二次网之间通过换热站进行热量中转。
本实施例中，热泵2为压缩式热泵，蓄热模块3的蓄热体为相变蓄热材料，相变温度Tx选定为60℃。
本实施例中，首先将热泵2的蒸发器E0设置在一次侧的回水段，热泵2的冷凝器C0与蓄热模块3的第一换热器E1连接形成循环回路，启动热泵2以一次侧的回水（Th1a=60℃）为低位热源对蓄热模块3的蓄热体补充热量。经过蒸发器E0换热降温后，一次侧的最终回水温度Th1b下降至30℃，热泵2的冷凝器C0的输出温度Tgc为68℃、对蓄热模块3补充热量后回流温度Thc为63℃。热泵2保持持续运行状态、为提高***的稳定性可以采用多台热泵交替运行。当一次侧流量发生变化时，热泵2可以通过变频控制做适应性调节。
蓄热模块3的第二换热器E2设置在二次侧的回水段，蓄热模块3在此为间歇式工作、起到调峰的作用，此处通过三通调节阀F1进行调节、使得二次侧的回水全部或部分通过蓄热模块3的第二换热器E2进行换热升温、或者不经过第二换热器E2直接回流到一次/二次换热或混水装置5。
如图2所示，当二次侧处于高峰负荷时，末端***6的散热量增加、二次侧的回水温度下降（Th2a=50℃），此时将二次侧的回水段与蓄热模块3的第二换热器E2连通、由蓄热模块3的蓄热体作为辅助热源加热二次侧的回水、将回水温度提升（Th2b=55℃）后返回到一次/二次换热或混水装置5。
如图3所示，当二次侧处于低谷负荷时，末端***6的散热量下降、二次侧的回水温度逐步升高到55℃，此时通过三通调节阀F1将蓄热模块3的第二换热器E2设置为断开状态，二次侧的回水直接返回到一次/二次换热或混水装置5。
为便于表达，在图2、图3中隐藏了三通调节阀以及通过三通调节阀调节之后处于断开状态的线路。
当二次侧处于高峰负荷时，蓄热模块3为既蓄热又放热的状态、蓄热量小于放热量；当二次侧处于平均负荷时，蓄热模块3为既蓄热又放热的状态、蓄热量与放热量基本相当；当二次侧处于低谷负荷时，蓄热模块3为只蓄热状态。由此可见，蓄热模块3的蓄热总量较低、可以设计为日最大负荷热量的10-20%。
通过以上的措施，一次侧的回水温度下降为30℃、进回水温差从50℃增加到80℃。输配***的能力和效率都得到很大的提升。并且通过蓄热模块3实现调峰功能，***自我调节能力得以增强、二次侧的性能得到改善。
当二次侧的回水温度越低时、随着Th2a的下降Th1a也随之下降，蓄热模块3的蓄热体的相变温度就可以选择更低的温度，而热泵2的能效比有所提升、并且需要通过热泵2提升品位的热量所占比重下降。因此，如果能采取措施增加二次侧的进回水温差，则更有利于本实施例（参考实施例4）。
实施例2：
如附图4-6所示，为方案二所对应的换热站***原理图，图中选取了一个典型的工况进行说明。在方案一的基础上，为进一步降低热泵2的工作量、提高能效，对***结构进行了一些调整。
本实施例中，热泵2为压缩式热泵，蓄热模块3的蓄热体为相变蓄热材料，相变温度Tx选定为50℃，比方案一调低了10K。
本实施例中，首先将热泵2的蒸发器E0设置在一次侧的回水段，热泵2的冷凝器C0与蓄热模块3的第一换热器E1连接形成循环回路，启动热泵2以一次侧的回水（Th1a=50℃）为低位热源对蓄热模块3的蓄热体补充热量。经过蒸发器E0换热降温后，一次侧的最终回水温度Th1b下降至30℃，热泵2的冷凝器C0的输出温度Tgc为58℃、对蓄热模块3补充热量后回流温度Thc为53℃。热泵2保持持续运行状态、为提高***的稳定性可以采用多台热泵交替运行。当一次侧流量发生变化时，热泵2可以通过变频控制做适应性调节。
蓄热模块3的第二换热器E2设置在二次侧的回水段，蓄热模块3在此为间歇式工作、起到调峰的作用，此处通过三通调节阀F1进行调节、使得二次侧的回水全部或部分通过蓄热模块3的第二换热器E2进行换热升温、或者不经过第二换热器E2直接回流到第二段一次/二次换热或混水装置5b。
蓄热模块3的第三换热器E3设置在一次侧的进回水回路中，具***置根据实际应用的情况进行调整。（如图4所示）本实施例中将一次/二次换热或混水装置5分为两段即5a和5b，一次侧的进回水、二次侧的进回水都分别按顺序通过5a和5b。蓄热模块3的第三换热器E3设置在两段之间，并为间歇式工作、通过三通调节阀F2进行调节、使得蓄热模块3的第三换热器E3与一次侧的回路连通或断开。
如图5所示，当二次侧处于高峰负荷时，末端***6的散热量增加、二次侧的回水温度下降（Th2a=40℃），此时将二次侧的回水段与蓄热模块3的第二换热器E2连通、由蓄热模块3的蓄热体作为辅助热源加热二次侧的回水、将回水温度提升（Th2b=45℃）后返回到第二段一次/二次换热或混水装置5b。此时，蓄热模块3的第三换热器E3处于断开状态，使得一次/二次换热或混水装置的换热量变大以适应二次侧的高峰负荷。
如图6所示，当二次侧处于低谷负荷时，末端***6的散热量下降、二次侧的回水温度逐步升高到45℃，此时通过三通调节阀F1将蓄热模块3的第二换热器E2设置为断开状态，二次侧的回水直接返回到第二段一次/二次换热或混水装置5b。此时，蓄热模块3的第三换热器E3处于连通状态，使得一次/二次换热或混水装置的换热量变小以适应二次侧的低谷负荷。
为便于表达，在图5、图6中隐藏了三通调节阀以及通过三通调节阀调节之后处于断开状态的线路。原则上，蓄热模块3的第二换热器E2和第三换热器E3为交替工作，即同一时间点只有其中一个换热器处于连通状态、或者两个都处于断开状态，通过三通调节阀F1、F2进行切换控制。
通过以上的措施，一次侧的回水温度进回水温差为80℃。与实施例1相比热泵2的冷凝器C0的输出温度Tgc为58℃、下降了10K；并且热泵2蒸发器E0的进出口温差也下降了10K，因此热泵2不仅能效提高了，需要提升品位的热能总量也下降了1/3，节电效果明显。
实施例3：
方案三可用于换热站***，但更适合用于终端用户户用***。如附图7-10所示，为方案三所对应的终端用户户用***的原理图，图中选取了一个典型的工况进行说明。
现有的终端用户户用***，自我调节能力差、不同终端差异性大，为保证所有终端用户正常使用，不得已采用“大流量、小温差”的运行模式。运行成本高，热损耗大。即使运行良好的***一般也只能做到15K左右的进回水温差。
本实施例中所述的一次侧对应的是集中供热***中的二次供热网或楼栋管网，所述的二次侧对应的是终端用户的户内***。在终端用户热入口处通过一次/二次换热或混水装置5将终端用户***独立出来、通过设置内部循环泵8维持终端用户二次侧的水循环，并可在终端用户热入口处安装通断控制阀7。其中，热泵2为压缩式热泵，蓄热模块3的蓄热体为相变蓄热材料，相变温度Tx选定为30℃。 一次侧的供水温度Tg1为70℃、回水温度Th1a为55℃。
本实施例中，首先将蓄热模块3的第二换热器E2设置在一次侧的回水段、通过与一次侧的回水进行热交换由蓄热体吸收热量、降低一次侧的回水温度，一次侧回水温度从Th1a=55℃下降为Th1b=33℃，此处第二换热器E2保持连续工作，以保证一次侧回水温度恒定。然后，热泵2的冷凝器C0设置在二次侧的回水段，热泵2的蒸发器E0与蓄热模块3的第一换热器E1连接形成循环回路，热泵2的蒸发器E0的输入温度Tge为27℃，热泵2的蒸发器E0的输入温度The为23℃；热泵2以蓄热模块3为低位热源对二次侧回水进行加热，为二次侧提供热量，热泵2为间歇式工作或变频运行。
如图8所示，当二次侧处于高峰负荷时，末端***6的散热量增加、二次侧的回水温度下降（Th2a=50℃），此时将二次侧的回水段与热泵2的冷凝器C0连通、启动热泵2作为辅助热源加热二次侧的回水、将回水温度提升（Th2b=55℃）后返回到一次/二次换热或混水装置5。
如图9所示，当二次侧处于低谷负荷时，末端***6的散热量下降、二次侧的回水温度逐步升高到55℃，此时热泵2停止运行，二次侧的回水虽然通过热泵2的冷凝器C0但没有实际影响，即相当于二次侧的回水直接返回到一次/二次换热或混水装置5。
进一步的，当二次侧处于低谷负荷时，在条件适合的情况下，通过通断控制阀7将一次侧断开。仅以热泵2为热源，为户内供热；或者关闭热泵2，仅利用管道和散热器内的水所储存的热量为室内供热。
通过以上的措施，一次侧的回水温度下降为33℃，该方案的特点是一次侧回水温度非常稳定，对于简化末端***有重要意义。集中供热***的供水温度会根据实际情况发生变化，而本实施例的回水温度很低，因此无论集中供热***的供水温度如何变化，都可以实现末端***大温差运行。
对于终端用户的生活热水需求，采用如图10所示的结构实现。在方案三的基础上，在蓄热模块3中设置第三换热器E3，生活用水首先经过蓄热模块3的第三换热器E3预热加热到27℃左右，即可满足一般性的需求。对于洗浴用水等，将预热后的生活用水连接到热泵2的冷凝器C0再输出，启动热泵2即可将生活用水加热至40-50℃以供使用。由于生活热水需求的存在，蓄热模块3中存储的一部分热量可以直接用于生活用水的预加热、蓄热模块3中蓄热体的相变温度Tx选定为30℃变得更为合理。
采用如图10所示的特定结构是为了适应居民用户的使用特点，其特点是冬季采暖用热量比生活热水用热量大很多，但生活热水需要的瞬时功率要求则是正常采暖功率的几倍。以100平方米的住宅为例，供热负荷约为4KW、每天用热量50-100KWh；生活热水功率为16-32KW，每天用热量约为16-32KWh。采用以上结构后，热泵2可以按照较低的采暖负荷来设计，而充分利用蓄热模块3对5℃左右的生活用水的冷水进行预加热、达到27℃左右，在此基础上热泵2采用较低的功率也可以满足生活热水的加热要求。
进一步的，可以在蓄热模块3中设置电加热模块，优先利用谷电为蓄热模块3补充热量。该结构可以对应非供热季或终端用户无法连接到热源的特殊情况。例如在供热季前/后气温较低时，终端用户可以自行开启电加热模式，并开启热泵2作为热源为室内供热；同样可以在非供热季为用户提供生活热水。
实施例4：
进一步的，实施例1与实施例3可以联合使用，即在集中供热一次网与二次网之间（换热站）采用实施例1，在终端用户处采用实施例3。当终端用户***采用实施例3后，二次网的回水温度直接降低到33℃，并且可以一直维持该温度。此时，换热站***的方案在实施例1的基础上做相应的调整。
如图11所示，为***处于高峰负荷时的运行状态，蓄热模块3的蓄热体为相变蓄热材料，相变温度Tx选定为45℃，最终一次回水温度Th1b可以下降到25℃甚至更低。整个供热***全面实现“大温差、小流量”的经济运行模式、并具备很强的自我调峰能力，***的调节控制变的非常简单、实现真正意义上的“傻瓜”热网。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.降低供热管路回水温度的***，其特征在于：该***包括热源(1)、热泵(2)和蓄热模块(3)，在一次侧吸收热量降低一次侧的回水温度、再将所吸收的热量转移到二次侧用于消化吸收二次侧负荷波动的干扰、实现供热***的平稳运行，具体方案包括以下三种方案，以下三种方案可以独立使用或组合使用：
方案一：该***包括热泵(2)和蓄热模块(3)，热泵(2)中至少包括蒸发器E0和冷凝器C0，蓄热模块(3)中至少包括蓄热体、第一换热器E1、第二换热器E2；热泵(2)的蒸发器E0设置在一次侧的回水段、热泵(2)的冷凝器C0与蓄热模块(3)的第一换热器E1连接形成循环回路，热泵(2)以一次侧的回水为低位热源对蓄热模块(3)的蓄热体补充热量、并使得一次侧的回水温度降低；蓄热模块(3)的第二换热器E2设置在二次侧，通过蓄热模块(3)吸收二次侧负荷波动、实现移峰填谷；
方案二：该***包括热泵(2)和蓄热模块(3)，热泵(2)中至少包括蒸发器E0和冷凝器C0，蓄热模块(3)中至少包括蓄热体、第一换热器E1、第二换热器E2、第三换热器E3；蓄热模块(3)的第三换热器E3设置在一次侧的进回水回路中、热泵(2)的蒸发器E0设置在一次侧的回水段、热泵(2)的冷凝器C0与蓄热模块(3)的第一换热器E1连接形成循环回路；一次侧进水或回水首先通过蓄热模块(3)的第三换热器E3进行热交换由蓄热体吸收热量、从而降低一次侧的回水温度，降温后的一次侧回水再通过热泵(2)的蒸发器E0、热泵(2)以降温后的一次侧的回水为低位热源对蓄热模块(3)的蓄热体补充热量、并进一步降低一次侧的回水温度，蓄热模块(3)的第二换热器E2设置在二次侧，通过蓄热模块(3)吸收二次侧负荷波动、实现移峰填谷；
方案三：该***包括热泵(2)和蓄热模块(3)，热泵(2)中至少包括蒸发器E0和冷凝器C0，蓄热模块(3)中至少包括蓄热体、第一换热器E1、第二换热器E2；蓄热模块(3)的第二换热器E2设置在一次侧的回水段、通过与一次侧的回水进行热交换由蓄热体吸收热量、降低一次侧的回水温度；热泵(2)的冷凝器C0设置在二次侧，热泵(2)的蒸发器E0与蓄热模块(3)的第一换热器E1连接形成循环回路；通过热泵(2)吸收二次侧负荷波动、实现移峰填谷。
2.根据权利要求1所述的降低供热管路回水温度的***，其特征在于：热泵(2)为压缩式热泵或吸收式热泵。
3.根据权利要求1所述的降低供热管路回水温度的***，其特征在于：蓄热模块(3)中的蓄热体是显热蓄热材料或相变蓄热材料。
4.根据权利要求1所述的降低供热管路回水温度的***，其特征在于：对于终端用户的生活热水需求，在权利要求1的方案三的基础上、在蓄热模块(3)中设置第三换热器E3，生活用水首先经过蓄热模块(3)的第三换热器E3预加热并输出、满足一般性的需求；根据需要可将预热后的生活用水连接到热泵(2)的冷凝器C0再输出，启动热泵(2)即可将生活用水加热以供使用。
5.根据权利要求1所述的降低供热管路回水温度的***，其特征在于：在蓄热模块(3)中设置电加热模块，利用谷电为蓄热模块(3)补充热量。
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