一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统、控制及设计方法

技术领域

本发明属于清洁能源利用技术领域，具体涉及一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统、控制及设计方法。

背景技术

冬季供暖时，煤、石油、天然气等生物质能源越来越受到限制，可再生清洁能源供暖得到广泛关注和支持。空气源热泵、水源热泵作为可再生能源的一种，得到大力的推广和应用。然而，一天内室外温度成正弦变化规律，在我国室外温度较低的严寒和寒冷地区，白天室外温度较高，夜间室外温度较低。空气源热泵是利用逆卡诺循环提取室外空气中的热量，制备成热风或者热水，其制热量及能效比，随着室外温度的降低而显著减低，随着出水温度的升高而显著降低。

机组额定制热量一定的情况下，室外温度较高时，空气源热泵供热量能力大，机组能效比(COP)高，但此时建筑所需热负荷较小；室外温度较低时，空气源热泵供热量小，机组的能效比(COP)低，但此时所需热负荷较大。故传统空气源热泵系统的工作原理致使空气源热泵采暖时，会出现空气源热泵供热能力与建筑热负荷呈现出剪刀差，出现不匹配等问题。另外，空气源热供暖还存在当室外温度降低时，其吸气压力的降低，排气压力增加，造成其压缩比增大，容易出现高压保护等停机现象，稳定性差；室外湿度较大时，容易出现融霜时无法供热，供热不稳定等现象。

因此，传统的空气源热泵采暖存在气候适应性差，供热受室外温度的影响大，稳定性差，而且随着室外温度的降低，供水温度的提高能效显著降低，能耗大等特点，使得空气源热泵采暖时整个系统COP偏低，不能充分发挥其清洁能源供暖的优势。而传统的水源热泵也存在诸多地质条件限制，打井费用高，井水回灌难，容易污染地下水等特点，其地区适应性也受到限制。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统、控制及设计方法，既能充分利用冬季室外高温时段，提高空气源热泵COP，又能降低空气源热泵的出水温度，进一步提高空气源热泵的COP；实现了室外高温时段制热、蓄热，室外低温时段用热，解决单独的空气源热泵供热量和建筑热负荷不匹配，供热不稳定，系统能效低等系列问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统，其特征在于：包括三个循环环路：

第一循环环路为空气源热泵制热蓄热循环，包括第一压缩机、第一蒸发器、第一节流膨胀阀和第一冷凝器以及第一循环水泵；

第二循环环路为水环热泵增温循环，包括第二压缩机、第二蒸发器、第二节流膨胀阀、第二冷凝器、第二循环水泵及低温相变蓄热罐；第三循环环路为供热循环，包括第三循环水泵和用户末端散热装置。

进一步，第一循环环路中，第一节流膨胀阀设置于第一冷凝器流向第一蒸发器的路径上；第一压缩机设置于第一蒸发器流向第一冷凝器的路径上；第一循环水泵设置于第一冷凝器和低温相变蓄热罐路径上；

进一步，第二循环水泵设置于低温相变蓄热罐与第二蒸发器构成的环路上；第二节流膨胀阀设置于第二冷凝器流向第二蒸发器的路径上；第二压缩机设置于第二蒸发器流向第二冷凝器的路径上；

进一步，用户散热末端与第二冷凝器之间通过第三循环水泵构成循环环路。

进一步，低温相变蓄热罐内储存有10水硫酸钠或6水氯化钙等低温相变材料，相变蓄热材料的熔点低于35℃。

一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统的控制方法，其特征在于：根据典型气象日室外温度的高低，把室外温度分为“高温时段(T1～T2)”和“低温时段(T2～T1)”；

高温时段(T1～T2)运行方法：根据每天的气温预测情况，提前计算空气源热泵高温段运行时间，在高温时段(T1～T2)开启第一循环环路空气源热泵制热蓄热循环，利用逆卡诺循环提取室外温度的热量，低温相变蓄热罐内的低温相变蓄热材料蓄热至35℃；于此同时，开启第二循环环路水环热泵增温循环，利用逆卡诺循环提取低温相变蓄热材料的热量，加热第三循环环路供热循环中的回水，将35～40℃的回水，温增至45～50℃后，利用第三循环水泵送至用户散热末端，满足用户的采暖需求；

低温时段(T2～T1)运行方法：此阶段仅运行第二循环环路水环热泵增温循环和第三循环环路供热循环；开启第二循环环路水环热泵增温循环，利用逆卡诺循环提取高温时段(T1～T2)提前储存在低温相变蓄热材料的热量，加热第三循环环路供热循环中的回水，将35～40℃的回水，温增至45～50℃后，利用第三循环水泵(3-1)送至用户散热末端，满足用户的采暖需求。

一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统的设计方法，其特征在于：具体如下：

1)第一循环环路空气源热泵制热蓄热循环设计方法：

根据当地气候条件，确定典型日室外温度变化曲线L1，并以此计算出典型日建筑物耗热量曲线L2及建筑总耗热量M0，综合确定典型日室外温度变化曲线L1与典型日建筑物耗热量曲线L2，根据所选第一循环空气源热泵性能，确定高温运行时段(T1～T2)，计算出高温时段内单位时间所需理论制热量Q0，进一步计算所选空气源热泵名义制热量Q，并以此计算出第一循环水泵流量G1；

理论制热量Q0为：

空气源热泵名义制热量Q为：

式中，K1为高温时段内融霜修正系数，K2为高温时段内温度修正系数；

第一循环水泵流量G1为：

式中，t

2)第二循环环路水环热泵增温循环和第三循环环路供热循环设计方法：

根据当地气候条件，按照当地冬季采暖冬季设计温度，计算建筑物的冬季采暖热负荷Q1，并结合所选水环热泵性能，计算所选第二循环水环热泵的名义制热量Qs，并以此计算出计算第二循环水泵流量G2和第三循环水泵流量G3；

第二循环水环热泵的名义制热量Qs为：

式中，K3为水环热泵进水温度修改系数；

第二循环水泵流量G2为：

式中，t

第三循环水泵流量G3为：

式中，t

3)低温相变蓄热罐设计方法：

根据上述计算出的建筑总耗热量M0，结合所选低温相变蓄热材料的熔点、液体下的比热容及熔化潜热计算所需低温相变蓄热材料的理论质量m，具体为：

式中，Cs为低温相变蓄热材料液体下比热容，Kj/(kg.℃)；

ts为低温相变蓄热材料熔点；

rs为低温相变蓄热材料熔化潜热(KJ/kg)。

本发明的有益效果：

1)本发明利用每天室外温度正弦变化规律，第一循环制热蓄热循环只在高温度时段运行，提高空气源热泵能效比(COP)，并大大提高空气源热泵环境适应性；

2)本发明降低了空气源热泵出水温度，空气源热泵出水温度仅为35℃，大大提高了空气源热泵的COP，减少空气源热泵容量配置；

3)本发明第一循环空气源制热蓄热循环，仅在高温时段运行，解决了空气源热泵在低温运行下的稳定性差、衰减高及融霜时不制热等问题；第二循环增温循环系统为水环热泵，由于第二蒸发器入口水温经过低温相变蓄热罐内换热后，水温稳定，且远远高于其额定进水温度，极大的提高水环热泵的供热稳定性，能效比(COP)也大大提高，节能效果显著；

4)本发明能有效降低空气源热泵出水温度，显著提高空气源热泵能效比和整个供暖系统能效比，提高了空气源热泵的适用范围，运行稳定性可靠，并且采用相变蓄热，大大减少了机房的占地面积，减少一次投资。

附图说明

图1为本发明相变蓄热型高效清洁能源供暖系统的结构图；

图2为本发明设计方法流程图；

图3为室外温度变化及建筑物耗热量曲线图；

图中，1-1、第一压缩机，1-2、第一蒸发器，1-3、第一节流膨胀阀，1-4、第一冷凝器，1-5、第一循环水泵，2-1、第二压缩机，2-2、第二蒸发器，2-3、第二节流膨胀阀，2-4、第二冷凝器，2-5、第二循环水泵，2-6、低温相变蓄热罐，3-1、第三循环水泵，3-2、用户散热末端。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

1)相变蓄热型高效清洁能源供暖系统

如图1所示，本发明的相变蓄热型高效清洁能源供暖系统，包括三个循环环路：

a)第一循环环路为空气源热泵制热蓄热循环，包括第一压缩机1-1、第一蒸发器1-2、第一节流膨胀阀1-3和第一冷凝器1-4以及第一循环水泵1-5；第一循环环路中，第一节流膨胀阀1-3设置于第一冷凝器1-4流向第一蒸发器1-2的路径上；第一压缩机1-1设置于第一蒸发器1-2流向第一冷凝器1-4的路径上；第一循环水泵1-5设置于第一冷凝器1-4和低温相变蓄热罐2-6路径上；

第一循环根据逆卡诺循环原理组成空气源热泵循环制热蓄热系统，此空气源热泵系统的冷凝器第一冷凝器1-4与低温相变蓄热罐2-6相连，第一循环运行过程中制备35℃左右的低温热水，与低温相变蓄热罐2-6进行换热，将低温相变蓄热材料由固态熔化为液态的工质，进行蓄热；在严寒地区，第一循环空气源热泵制热循环的工质可以是R744；在寒冷地区，第一循环的内工质可以是R134a。第一循环连接第一冷凝器1-4和低温相变蓄热罐2-6的循环工质寒冷地区可以是水，严寒地区可以是防冻液；

传统的空气源热泵采暖，热水温度需50℃以上，随着室外温度的降低，出水温度的提高，能效比(COP)下降，制热量减少，为了满足供暖需要，需要加大容量配置，而本系统空气源热泵出水温度仅为35℃，大大提高了空气源热泵的COP，减少空气源热泵容量配置。

b)第二循环环路为水环热泵增温循环，包括第二压缩机2-1、第二蒸发器2-2、第二节流膨胀阀2-3、第二冷凝器2-4、第二循环水泵2-5及低温相变蓄热罐2-6；第二循环水泵2-5设置于低温相变蓄热罐2-6与第二蒸发器2-2构成的环路上；第二节流膨胀阀2-3设置于第二冷凝器2-4流向第二蒸发器2-2的路径上；第二压缩机2-1设置于第二蒸发器2-2流向第二冷凝器2-4的路径上；低温相变蓄热罐2-6内储存有10水硫酸钠或6水氯化钙等低温相变材料，相变蓄热材料的熔点低于35℃；

第二循环增温循环系统为水环热泵，由于第二蒸发器入口水温经过低温相变蓄热罐内换热后，水温稳定，且远远高于其额定进水温度，极大的提高水环热泵的供热稳定性，能效比(COP)也大大提高，节能效果显著；

此水环热泵换热系统的第二蒸发器2-2与低温相变蓄热罐2-6相连，进行换热，提取低温相变蓄热罐2-6储存的热量，经过第二冷凝器2-4增温后，输送到用户换热端；第二循环的内冷媒工质可以是R134a等。

c)第三循环环路为供热循环，包括第三循环水泵3-1和用户末端散热装置3-2；用户散热末端3-2与第二冷凝器2-4之间通过第三循环水泵3-1构成循环环路；第三循环为供热循环系统，循环的介质为水，第二冷凝器2-4流向散热末端3-2的路径上设置有用户端热水循环水泵3-1；冷凝器2-4产生45～50℃后，利用第三循环水泵3-1送至用户散热末端3-2，经热用户散热末端3-2散热后，降为35～40℃的回水，然后再经温冷凝器2-4增温至45～50℃后送出，周而复始循环。

上述设备包括两个蒸发器、两个压缩机、两个冷凝器、两个节流膨胀阀、三个水泵、低温相变蓄热材料及散热末端，均可采用本领域常用的设备。

2)相变蓄热型高效清洁能源供暖系统的控制方法

根据典型气象日室外温度的高低，把室外温度分为“高温时段(T1～T2)”和“低温时段(T2～T1)”；

高温时段(T1～T2)运行方法：根据每天的气温预测情况，提前计算空气源热泵高温段运行时间，在高温时段(T1～T2)开启第一循环环路空气源热泵制热蓄热循环，利用逆卡诺循环提取“高温”室外温度的热量，低温相变蓄热罐2-6内的低温相变蓄热材料蓄热至35℃；于此同时，开启第二循环环路水环热泵增温循环，利用逆卡诺循环提取低温相变蓄热材料的热量，加热第三循环环路供热循环中的回水，将35～40℃的回水，温增至45～50℃后，利用第三循环水泵3-1送至用户散热末端3-2，满足用户的采暖需求；

传统的空气源热泵采暖系统为24小时运行，且高温时段，由于其建筑热负荷低，使用效率不能充分发挥，低温时段，制热效率低；为有效解决此问题，本发明第一循环制热蓄热循环只在高温度时段运行，可提高空气源热泵能效比(COP)，并大大提高空气源热泵环境适应性。

低温时段(T2～T1)运行方法：此阶段仅运行第二循环环路水环热泵增温循环和第三循环环路供热循环；开启第二循环环路水环热泵增温循环，利用逆卡诺循环提取高温时段(T1～T2)提前储存在低温相变蓄热材料的热量，加热第三循环环路供热循环中的回水，将35～40℃的回水，温增至45～50℃后，利用第三循环水泵3-1送至用户散热末端3-2，满足用户的采暖需求。

3)相变蓄热型高效清洁能源供暖系统的设计方法

a)第一循环环路空气源热泵制热蓄热循环设计方法：

根据当地气候条件，确定典型日室外温度变化曲线L1，并以此计算出典型日建筑物耗热量曲线L2及建筑总耗热量M0(kJ)，如图3所示；综合确定典型日室外温度变化曲线L1与典型日建筑物耗热量曲线L2，根据所选第一循环空气源热泵性能，确定高温运行时段(T1～T2)，计算出高温时段内单位时间所需理论制热量Q0(kW)，进一步计算所选空气源热泵名义制热量Q(kW)，并以此计算出第一循环水泵流量G1(m3/h)；

理论制热量Q0为：

空气源热泵名义制热量Q为：

式中，K1为高温时段内融霜修正系数，K2为高温时段内温度修正系数；

第一循环水泵流量G1为：

式中，t

b)第二循环环路水环热泵增温循环和第三循环环路供热循环设计方法：

根据当地气候条件，按照当地冬季采暖冬季设计温度，计算建筑物的冬季采暖热负荷Q1(kW)，并结合所选水环热泵性能，计算所选第二循环水环热泵的名义制热量Qs(kW)，并以此计算出计算第二循环水泵流量G2(m3/h)和第三循环水泵流量G3(m3/h)；

循环水环热泵的名义制热量Qs为：

式中，K3为水环热泵进水温度修改系数；

第二循环水泵流量G2为：

式中，t

第三循环水泵流量G3为：

式中，t

c)低温相变蓄热罐设计方法：

根据上述计算出的建筑总耗热量M0(kJ)，结合所选低温相变蓄热材料的熔点、液体下的比热容及熔化潜热计算所需低温相变蓄热材料的理论质量m(kg)，具体为：

式中，Cs为低温相变蓄热材料液体下比热容，Kj/(kg.℃)；

ts为低温相变蓄热材料熔点；

rs为低温相变蓄热材料熔化潜热，(kJ/kg)

本发明工作过程如下：

1)高温时段(T1～T2)运行过程

在高温时段(T1～T2)开启第一循环制热蓄热循环，利用逆卡诺循环提取“高温”室外空气的热量，加热相变蓄热罐2-6中低温相变蓄热材料至其熔点；于此同时，开启第二循环增温循环，利用逆卡诺循环提相变蓄热罐2-6里的热量，加热供热循环中的回水，将35～40℃的回水，温增至45～50℃后，利用第三循环水泵3-1送至用户散热末端3-2，满足用户的采暖需求；

具体工作过程如下：

将来自第一蒸发器1-2的低压制冷剂蒸汽，通过第一压缩机1-1的做功变成高压高温的制冷剂蒸汽，经过第一冷凝器1-4加热来自低温相变蓄热罐2-6的循环水，将循环水的温度由t1加热到t2；制冷剂蒸汽温度降低后，通过第一节流阀1-3变成低温低压的液体冷媒，通过第一蒸发器1-2与外界“高温”空气进行换热，吸收室外空气热量变成低温低压气体后进入第一压缩机1-1；这样周而复始，将室外高温空气的热量储存到低温相变蓄热罐2-6内；低温相变蓄热罐2-6的低温热水由第一循环泵1-5提供循环动力，完成其与第一冷凝器1-4的循环；

将来自第二蒸发器2-2的低压制冷剂蒸汽，通过第二压缩机2-1的做功变成高压高温的制冷剂蒸汽，经过第二冷凝器2-4加热来自热用户3-4的回水，将回水的温度由t5加热到t6；制冷剂蒸汽温度降低后，通过第二节流阀2-3变成低温低压的液体冷媒，通过第二蒸发器2-2与低温相变蓄热罐2-6的低温相变蓄热材料进行换热，吸收低温相变蓄热材料的热量后变成低温低压气体后进入第二压缩机2-1，这样周而复始，满足末端用户的供暖需求；

由第二循环泵2-5为流经低温相变蓄罐2-6的低温热水提供循环动力，完成其与第二蒸发器2-2的循环；第二冷凝器2-4产生的高温热水t6由第三循环泵3-1提供循环动力送至用户散热末端3-2散热后，温度降低到t5至第二冷凝器2-4。

2)低温时段(T2～T1)运行过程

此阶段仅运行第二循环环路水环热泵增温循环和第三循环环路供热循环；开启第二循环环路水环热泵增温循环，利用逆卡诺循环提取高温时段(T1～T2)提前储存在低温相变蓄热材料的热量，过程中低温相变材料发生相变释放热量，加热第三循环环路供热循环中的回水，将35～40℃的回水，温增至45～50℃后，利用第三循环水泵3-1送至用户散热末端3-2，满足用户的采暖需求。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。