一种串并联合压缩式热泵供热系统及其投切方法

技术领域

本发明属于热泵供热系统的技术领域，具体的说，涉及一种串并联合压缩式热泵供热系统及其投切方法。

背景技术

近年来在城市建设中，城市建筑的不断增加，导致外界热负荷需求逐年增加，在集中供热区域需要供热管网为更多的建筑供暖，而原供热机组以及供热管网鉴于初始设计难以满足新增采暖热负荷需求，因此大部分采用新增热源、余热回收、大温差供热等方式缓解城市采暖供热用能的矛盾，而其中的大温差供热技术，通过增加热泵降低回水温度增大供回水温差，在不增加循环水量的前提下，可以满足提高管网的输热能力，同时降低回水温度以增加热电机组的排汽余热利用率，从而力求实现改造收益的最大化。目前常用的热泵主要有压缩式和吸收式两种，而压缩式热泵因其具有适用范围广、COP系数高等特点开始在供暖领域得到了推广应用。申请号为 201410833292.7的专利公开了一种蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法及装置，其系统设置上采用吸收式热泵和压缩式热泵并联运行，整体的热泵运行效率会相对较低。申请号为201621158588.4的专利公开了一种串联式复合型大温差热泵供热系统，其通过压缩式+吸收式热泵的串联方式，实现了低温热源的大温差利用，但在应用场合上存在一定的限制，尤其是吸收式热泵，需要蒸汽作为驱动热源，而在远离热源点的隔压站或者二次站，较难实现；另外由于蒸发侧和冷凝侧均是串联组合，涉及到一、二次热网循环水量匹配的问题，会导致热泵的低温水出口温度与高温水的出口温度温差过大，而在现实应用中，热泵的效率会急剧降低甚至无法实现制热功能。

发明内容

本发明提供一种串并联合压缩式热泵供热系统及其投切方法，用以降低管网回水温度，提高一次网的供热能力；提高热泵运行的经济性；随供暖负荷的变化，可实现灵活性的调节。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种串并联合压缩式热泵供热系统，升温侧依次串联的压缩式热泵，一次网供水管线与热网换热器连接并经一次网回水热泵系统入口管线分别与各压缩式热泵降温侧的进口并联，各压缩式热泵降温侧的出口与一次网回水管线连通，二次网回水管线与第一个压缩式热泵的升温侧进口连接，位于最后的压缩式热泵的升温侧出口与二次网回水热泵系统出口管线连接。

进一步的，各所述压缩式热泵升温侧的进出口经旁通管连通，于各旁通管上分别安装有旁通阀，各旁通管依次串联后与二次网供水管线连接。

进一步的，所述二次网回水管线还与热网换热器的二次网侧入口连接，并通过设置在二者之间的热网换热器二次网侧入口调阀调节水量，热网换热器二次网侧出口与二次网供水管线连接，并通过设置在二者之间的热网换热器二次网侧出口调阀调节水量。

进一步的，所述一次网回水热泵系统入口管线与一次网回水管线连通，并与二者之间安装有一次网回水旁路阀。

本发明还公开了一种串并联合压缩式热泵供热系统的投切方法，本系统的压缩式热泵数量为n个，n＞2，本系统的设计输出热负荷为Q，单台压缩式热泵的设计输出热负荷为Q/n，实际热负荷-原系统设计热负荷＝△Q；

当△Q≤0时，关闭二次网回水管线与压缩式热泵连通的阀门，使得各压缩式热泵处于不投入供热状态，打开一次网回水旁路阀，全开热网换热器二次网侧入口调阀、热网换热器二次网侧出口调阀，整个热泵系统不投入运行；

当0＜△Q≤Q/n时，打开第一个压缩式热泵，关闭其他压缩式热泵，调节热网换热器二次网侧入口调阀和热网换热器二次网侧出口调阀的开度，使一个压缩式热泵投入运行，其他压缩式热泵不投入使用；

当0＜△Q≤2Q/n时，打开前两个压缩式热泵，关闭其他压缩式热泵，调节热网换热器二次网侧入口调阀和热网换热器二次网侧出口调阀的开度，使两个压缩式热泵投入运行，其他压缩式热泵不投入使用；

当0＜△Q≤mQ/n时，m≤n，且m为整数，打开前m个压缩式热泵，关闭剩余的压缩式热泵，调节热网换热器二次网侧入口调阀和热网换热器二次网侧出口调阀的开度，使m个压缩式热泵投入运行，n-m个压缩式热泵不投入使用。

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：本发明的所述的系统及投切方法，相较并联式热泵系统或者单个的热泵其效率更高；相较吸收式热泵，在某些场合更易实现，比如说隔压站，缺少蒸汽等驱动热源时，可采用电能替代；降低管网回水温度，提高一次网的供热能力；提高热泵运行的经济性；随供暖负荷的变化，可实现灵活性的调节。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明一种串并联合压缩式热泵供热系统的结构布置图。

标注部件：1-压缩式热泵Ⅰ；2-压缩式热泵Ⅱ；3-压缩式热泵Ⅲ；4-压缩式热泵Ⅰ降温侧入口调阀；5-压缩式热泵Ⅱ降温侧入口调阀；6-压缩式热泵Ⅲ降温侧入口调阀；7-一次网回水旁路阀；8-压缩式热泵Ⅰ升温侧入口调阀；9-压缩式热泵Ⅱ升温侧入口调阀；10-压缩式热泵Ⅲ升温侧入口调阀；11-压缩式热泵Ⅰ升温侧旁路调阀；12- 压缩式热泵Ⅱ升温侧旁路调阀；13-压缩式热泵Ⅲ升温侧旁路调阀；14-热网换热器； 15-热网换热器二次网侧入口调阀；16-热网换热器二次网侧出口调阀；101-一次网供水管线；102-一次网回水管线；111-一次网回水热泵系统入口管线；201-二次网回水管线；202-二次网供水管线；211-二次网回水热泵系统入口管线；212-二次网回水热泵系统出口管线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种串并联合压缩式热泵供热系统，如图1所示，升温侧依次串联的压缩式热泵，一次网供水管线与热网换热器连接并经一次网回水热泵系统入口管线分别与各压缩式热泵降温侧的进口并联，各压缩式热泵降温侧的出口与一次网回水管线连通，二次网回水管线与第一个压缩式热泵的升温侧进口连接，位于最后的压缩式热泵的升温侧出口与二次网回水热泵系统出口管线连接。本发明的工作原理及优势在于：相较并联式热泵系统或者单个的热泵其效率更高；相较吸收式热泵，在某些场合更易实现，比如说隔压站，缺少蒸汽等驱动热源时，可采用电能替代；降低管网回水温度，提高一次网的供热能力；提高热泵运行的经济性；随供暖负荷的变化，可实现灵活性的调节。

作为本发明一个优选的实施例，压缩式热泵的数量为3个，分别为压缩式热泵Ⅰ1、压缩式热泵Ⅱ2、压缩式热泵Ⅲ3。在该系统中，一次网供水管线101与热网换热器14连接，一次网供水换热后经一次网回水热泵系统入口管线111分出四个支线，分别通过压缩式热泵Ⅰ1降温侧入口调阀4、压缩式热泵Ⅱ2降温侧入口调阀5、压缩式热泵Ⅲ3降温侧入口调阀6、一次网回水旁路阀7与压缩式热泵Ⅰ1、压缩式热泵Ⅱ2、压缩式热泵Ⅲ3、一次网回水管线102进行连接，实现三台压缩式热泵蒸发侧的并联连接；二次网回水管线201在换热前分为两个支路，一路通过热网换热器二次网侧入口调阀15、热网换热器二次网侧出口调阀16与热网换热器进行连接；另外一路经热泵系统入口管线211通过压缩式热泵Ⅰ升温侧入口调阀8与压缩式热泵Ⅰ1连接，在压缩式热泵Ⅰ1换热后的二次网回水经压缩式热泵Ⅱ2升温侧入口调阀9进入压缩式热泵Ⅱ2进一步换热，换热后再经压缩式热泵Ⅲ3升温侧入口调阀10进入压缩式热泵Ⅲ3加热后接入二次网回水热泵系统出口管线212，从而实现压缩式热泵冷凝侧的串联连接，另外每台压缩式换热器冷凝侧的进出水管线分别经压缩式热泵Ⅰ1升温侧旁路调阀11、压缩式热泵Ⅱ2升温侧旁路调阀12、压缩式热泵Ⅲ3升温侧旁路调阀13进行旁路连接，便于实现随热负荷变化三个压缩式热泵的投切运行；两路二次网回水经换热后再汇集到二次网供水管线202供给到热用户。

本发明还公开了一种串并联合压缩式热泵供热系统的投切方法，具体的分为下列情况：

上述系统的压缩式热泵数量为n个，n＞2，本系统的设计输出热负荷为Q，单台压缩式热泵的设计输出热负荷为Q/n，实际热负荷-原系统设计热负荷＝△Q；

当△Q≤0时，关闭二次网回水管线与压缩式热泵连通的阀门，使得各压缩式热泵处于不投入供热状态，打开一次网回水旁路阀，全开热网换热器二次网侧入口调阀、热网换热器二次网侧出口调阀，整个热泵系统不投入运行；

当0＜△Q≤Q/n时，打开第一个压缩式热泵，关闭其他压缩式热泵，调节热网换热器二次网侧入口调阀和热网换热器二次网侧出口调阀的开度，使一个压缩式热泵投入运行，其他压缩式热泵不投入使用；

当0＜△Q≤2Q/n时，打开前两个压缩式热泵，关闭其他压缩式热泵，调节热网换热器二次网侧入口调阀和热网换热器二次网侧出口调阀的开度，使两个压缩式热泵投入运行，其他压缩式热泵不投入使用；

当0＜△Q≤mQ/n时，m≤n，且m为整数，打开前m个压缩式热泵，关闭剩余的压缩式热泵，调节热网换热器二次网侧入口调阀和热网换热器二次网侧出口调阀的开度，使m个压缩式热泵投入运行，n-m个压缩式热泵不投入使用。

本实施例以某隔压站新增此热泵系统为例，该系统具有三个压缩式热泵，原系统仅通过热网换热器14换热以满足热用户的热负荷需求，随着热负荷的增长，原一次网管线供热能力有限，因此在隔压站扩建热泵系统，降低一次网回水温度，提高原系统的输热能力。

定义整个新建热泵系统的设计输出热负荷为Q，单台压缩式热泵的设计输出热负荷为Q/3，实际热负荷-原系统设计热负荷＝ΔQ；

整个供暖期，随着热负荷的变化，考虑投入压缩式热泵的台数，当满足ΔQ≤0，关闭压缩式热泵Ⅰ1降温侧入口调阀4、压缩式热泵Ⅱ2降温侧入口调阀5、压缩式热泵Ⅲ3降温侧入口调阀6、压缩式热泵Ⅰ1升温侧入口调阀8、压缩式热泵Ⅲ3升温侧入口调阀10、压缩式热泵Ⅰ1升温侧旁路调阀11、压缩式热泵Ⅲ3升温侧旁路调阀 13，打开一次网回水旁路阀7，全开热网换热器二次网侧入口调阀15、热网换热器二次网侧出口调阀16，整个热泵系统不投入运行；

随着热负荷的增加，当0＜ΔQ≤Q/3时，打开压缩式热泵Ⅰ1降温侧入口调阀4、压缩式热泵Ⅰ1升温侧入口调阀8、压缩式热泵Ⅱ2升温侧旁路调阀12、压缩式热泵Ⅲ3升温侧旁路调阀13，关闭压缩式热泵Ⅱ2降温侧入口调阀5、压缩式热泵Ⅲ3降温侧入口调阀6、一次网回水旁路阀7、压缩式热泵Ⅱ2升温侧入口调阀9、压缩式热泵Ⅲ3升温侧入口调阀10，调节热网换热器二次网侧入口调阀15、热网换热器二次网侧出口调阀16开度，投入压缩式热泵Ⅰ1运行，压缩式热泵Ⅱ2、压缩式热泵Ⅲ3 暂不投入；

当满足Q/3＜ΔQ≤2Q/3时，打开压缩式热泵Ⅰ1降温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅱ 2降温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅰ1升温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅱ2升温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅲ3升温侧旁路调阀，关闭压缩式热泵Ⅲ3降温侧入口调阀、一次网回水旁路阀、压缩式热泵Ⅲ3升温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅰ1升温侧旁路调阀、压缩式热泵Ⅱ2升温侧旁路调阀，调节热网换热器二次网侧入口调阀、热网换热器二次网侧出口调阀开度，压缩式热泵Ⅰ1、压缩式热泵Ⅱ2投入运行，压缩式热泵Ⅲ3暂不投入；

当满足2Q/3＜ΔQ≤Q时，打开压缩式热泵Ⅰ1降温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅱ2 降温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅲ3降温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅰ1升温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅱ2升温侧入口调阀、压缩式热泵Ⅲ3升温侧入口调阀，关闭一次网回水旁路阀、压缩式热泵Ⅰ1升温侧旁路调阀、压缩式热泵Ⅱ2升温侧旁路调阀、压缩式热泵Ⅲ3升温侧旁路调阀，调节热网换热器二次网侧入口调阀、热网换热器二次网侧出口调阀开度，压缩式热泵Ⅰ1、压缩式热泵Ⅱ2、压缩式热泵Ⅲ3均投入运行。

实施案例：

某隔压站，原一次网循环水量10000t/h，供回水温度100/50℃，为满足供热负荷的增长增加热泵系统降低一次网回水温度到30℃，即设计蒸发侧一次网回水温度从50℃降低到30℃，冷凝侧二次网回水温度从45℃提高到75℃，则此压缩式热泵系统组合方式较并联的压缩式热泵的组合方式COP与能耗对比如下：

由上表可知在回收相同余热的前提下，串并联合压缩式热泵系统较并联组合的压缩式热泵系统综合COP指数，输入能耗降低约22％。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。