工厂储能调节型电能热泵供热系统

技术领域

本发明涉及热泵供热系统，尤其是涉及一种工厂储能调节型电能热泵供热系统。

背景技术

随着光伏、风电等可再生能源发电规模快速增长，电网绿电成分逐年提高，工业用能电气化成为工厂绿色低碳发展的重要抓手。发展高效电能热泵中低温供热（温度 40~60℃、用于采暖空调、工艺烘干、生活热水等场景），替代燃气锅炉房、市政集中供热等化石能源热源，逐渐成为工厂技改重点。电能热泵高效供热需要低成本低温热源、提高热泵能效、降低综合电价三方面条件，随着电网峰谷电价差值增大、储能需求提高、结合工业低温余热利用，如何构建一种较为通用的电能热泵高效供热系统，成为亟待解决的技术课题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种工厂储能调节型电能热泵供热系统，本发明采用余热+空气源热泵谷电制热型低温热源，电能水源热泵+储能水箱型储能，构建稳定的低成本低温热源，谷电储能削峰，降低综合电价，高效供热。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的工厂储能调节型电能热泵供热系统，包括汇热子系统、储热子系统和供热子系统。

所述汇热子系统包括由汇热水箱、取热设施和汇热循环泵依次连接而成的汇热循环管路，在汇热时所述汇热水箱为上进下出；

所述储热子系统包括储能水箱、储能水泵和储能换热器，所述储能水箱和汇热水箱通过管路连接形成低温储热循环管路，所述低温储热循环管路的供水管路上设置有冷却循环水泵，且在低温储热时储能水箱为上进下出形成上热下冷的垂直温度差；储能水箱、储能水泵和储能换热器首尾依次连接形成第一换热管路；

所述供热子系统包括水源热泵和供热循坏水泵，所述水源热泵的冷凝器、供热循环水泵和用户端通过供热循环管路连接。

其中，储能换热器通过第二换热管路并联在供热循环管路的供水管路上，储能换热器通过第三换热管路并联在供热循环管路的回水管路上；

储能水箱和汇热水箱的上接口均与水源热泵的蒸发器的循环水进口连接，且所述蒸发器的循环水出口分为两路，一路自汇热水箱的下部进入汇热水箱，另一路自储能水箱的下部进入储能水箱。

在上述方案中，本发明利用汇热子系统回收余热、谷电制热，并将热量以低温热水的形式储存在汇热水箱内，汇热水箱和储能水箱之间具有低温储热循环管路，可将低温热量传递并储存在储能水箱内，实现低温储热；储能换热器并联在供热循环管路上，在谷电时段利用供热热水与储能水箱内的水进行热交换，实现中温储热；在峰电时段，利用储能水箱的热量对进入第二换热管路的供水加热，也可以对流经第三换热管路的回水加热，实现中温放热；当储能水箱内的水温下降至40℃及以下时，还能作为水源热泵低温侧的低温热源，实现低温放热。

本发明所述方案相比常规电能热泵供热，突出优势是热源侧便于多种热源优化组合，调节灵活，适应性强；热媒侧采用梯级温差传热谷电储能，削峰降本。相比电热锅炉谷电储能供热，突出优势是热泵储能能效高、成本低。结合工业低温余热利用、峰谷电价储能需求，构建成为储能调节型电能热泵高效供热系统。

在实际施工时，取热设施包括工厂余热，如冷却循环水低温余热和排气排水低温余热。对于余热不足的工厂，取热设施还包括电能空气源热泵，确保为水源热泵提供40℃的低温热源，满足余热不够情况下的运行需求。

优选的，所述汇热水箱内的隔热板将其分为上箱体和下箱体，所述上箱体内水平设置有第一上均流导管，所述第一上均流导管靠近上箱体的顶壁；所述下箱体内水平设置有第一下均流导管，且所述第一下均流导管靠近下箱体的底壁；

所述储能水箱内水平设置有第二上均流导管和第二下均流导管，所述第二上均流导管靠近所述储能水箱的顶壁，且第二下均流导管靠近储能水箱的底壁。

有益效果是：上箱体内为与取热设施热交换后的低温热水，下箱体内为用于吸收取热设施热量的低温水（温度在25℃及其以下）；均流导管有效减缓进水和出水扰动，使汇热水箱和储能水箱形成上热下冷的垂直温差，收窄储能传热高低温度边界，提高水源热泵能效。

优选的，所述汇热循环管路的低温热水出口设置有喷淋头，所述喷淋头位于所述上箱体内。在实际安装时，喷淋头位于第一上均流导管的上方。

优选的，所述供热循环管路的供水端设置有混水器，供热循环管路的回水管路通过防过热支路与所述混水器连接，且所述防过热支路上设置有防过热阀。当输送至用户端的供水水温过高时，可将部分回水和供水混合，以稳定供水温度。

在本发明优选的实施方式中，所述第二换热管路和第三换热管路通过转向盘阀分别与所述供热循环管路连接。

在本发明优选的实施方式中，所述水源热泵为电能水源热泵；所述储能换热器为板式换热器。

与现有技术相比，本发明采用余热+空气源热泵谷电制热，不仅可作为低温热源，还能实现低温储热；水源热泵的热媒侧采用变温运行储能方式，在峰电供热时段可利用储能水箱放热，降低电能水源热泵的供热电耗，降低综合电价。储能水箱同时提高了系统的热平衡调节能力。与现有燃气锅炉和市政集中供热相比，本发明的供热成本可降低50%以上，运行成本低且节能降碳。

附图说明

图1是本发明的供热系统管路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种工厂储能调节型电能热泵供热系统，包括汇热、储能、供热三个子系统构成。与常规电能热泵供热相比，本发明的热源侧便于多种低温热源优化组合，调节灵活，适应性强；热媒侧采用梯级温差传热谷电储能，削峰降本。 与电热锅炉谷电储能供热相比，本发明的热泵储能能效高、成本低。

本发明所述的工厂储能调节型电能热泵供热系统，包括汇热子系统、储热子系统和供热子系统，汇热子系统可利用工厂低温余热和电能空气热泵补热，为水源热泵提供低温热源，也能用于低温储热；水源热泵热媒侧基于进出水变温运行、外供热恒温运行、 利用温差梯度交替换热的中温储能和中温放热，水源热泵热源侧基于汇热水箱、储能水箱并联运行放热，提高水源热泵的效率，降低能耗。

具体地，结合图1可知，供热子系统包括水源热泵1（水源热泵1为电能水源热泵1，其具有蒸发器1.1和冷凝器1.2）和供热循坏水泵P1，水源热泵1的冷凝器1.2、供热循坏水泵P1和用户端通过供热循环管路10连接。

结合图1可知，汇热子系统包括汇热水箱2、取热设施和汇热循环泵P2，汇热水箱2、取热设施和汇热循环泵P2依次连接形成汇热循环管路；

在实际安装时，汇热水箱2为方形不锈钢保温水箱，汇热水箱2中部设置带孔洞的隔热板2.1，隔热板2.1将汇热水箱2分为上热下冷两个的水箱，形成冷却供回水温差；为便于区分，两个水箱分为记作上箱体2.2和下箱体2.3，上箱体2.2内水平设置有第一上均流导管2.4，第一上均流导管2.4靠近上箱体2.2的顶壁；下箱体2.3内水平设置有第一下均流导管2.5，第一下均流导管2.5靠近下箱体2.3的底壁，均流导管具有减缓进水和出水扰动。

结合图1可知，取热设施包括工厂余热的冷却循环水低温余热和排气排水低温余热，取热设施并联，每个取热设施对应一个汇热循环泵P2。对于余热不足时，取热设施还包括电能空气源热泵（谷电制热），确保为水源热泵1提供40℃的低温热源，满足余热不够情况下的运行需求。当然，对于余热足够的工况，可以不安装电能空气源热泵。

工作时，汇热循环泵P2将下箱体2.3内的低温水（≤25℃）抽送至取热设施，吸收取热设施的余热（也可以是电能空气源热泵谷电时段补给的热量）后升温至40℃，升温后的40℃低温热水回流至上箱体2.2内，如此重复循环，进而将上箱体2.2内的水加热至40℃，为后述的水源热泵1和储能子系统提供低温热源。

结合图1可知，汇热循环管路的每个回水支路的出水口均位于上箱体2.2内腔的上部并设置喷淋头2.6。即本发明采用喷淋形式出口，减少水流扰动。

结合图1可知，储热子系统包括储能水箱3、储能水泵P3（优选离心水泵）和储能换热器4（优选板式换热器），储能水箱3采用方形不锈钢保温水箱，储能水箱3内水平设置有第二上均流导管3.1和第二下均流导管3.2，第二上均流导管3.1靠近储能水箱3的顶壁，第二下均流导管3.2靠近储能水箱3的底壁，上下设置均流导管减缓进出水扰动，水箱上热下冷形成垂直温差，收窄储能传热高低温度边界，提高水源热泵1能效；

储能水箱3和汇热水箱2通过管路连接形成低温储热循环管路5，且低温储热循环管路5的供水管路上还设置有冷却循环水泵P4。在低温储热时冷却循环水泵P4加压将上箱体2.2内的40℃热水抽送至汇热水箱2，汇热水箱2下部的低温水（≤25℃）回流至汇热水箱2的下箱体2.3内，如此重复循环，将储能水箱3内的水加热至40℃，实现低温储热。在低温储热过程中汇热水箱2为上出下进，储能水箱3为上进下出。

在实际安装时，储能水箱3和汇热水箱2的上接口均与蒸发器1.1的循环水进口连接，蒸发器1.1的循环水出口分为两路，一路自汇热水箱2的下部进入汇热水箱2，另一路自储能水箱3的下部进入储能水箱3，使汇热水箱2和储能水箱3均能与蒸发器1.1进行热交换，以满足水源热泵1对低温热源的需求。如在峰电时段，若储能水箱3内的40℃低温热水，可优先利用储能水箱3内的水与蒸发器1.1进行热交换；在谷电时段，优先利用汇热水箱2内的低温热水作为低温热源进行热交换，还可以低温储热，具体可根据工厂用户端的用热情况灵活选择。

在实际安装时，为减少连接管路的数量，汇热水箱2和储能水箱3并联为蒸发器1.1提供低温热源，且汇热水箱2的低温放热管路的供水接入冷却循环水泵P4的进口侧。

结合图1可知，储能水箱3、储能水泵P3和储能换热器4首尾依次连接形成第一换热管路6，第一换热管路6上设置有第一转向盘阀9.1；储能换热器4通过第二换热管路7并联在供热循环管路10的供水管路上，储能换热器4通过第三换热管路8并联在供热循环管路10的回水管路上；第二换热管路7和储能换热器4的通断管位以及第三换热管路8和储能换热器4的通断管位通过第二转向阀盘9.2进行切换，当第二换热管路7和储能换热器4连通时，可实现谷电时段的中温储热和峰电时段的中温放热；当第三换热管路8与储能换热器4连通时，可对供热循环管路10中的回水加热。

结合图1可知，供热循环管路10的供水端设置有混水器11，供热循环管路10的回水管路通过防过热支路与混水器11连接，且防过热支路上设置有防过热阀12。当用户端供水水温过高时，将部分回水和供水混合，以确保供水温度。

在实际安装时，汇热水箱2和储能水箱3内均安装有水位传感器，以实现回水分流控制；汇热循环管路、供热循环管路10、第二换热管路7、第三换热管路8和低温储热循环管路5的供水、回水管路上分别安装电动蝶阀。

本发明不仅能实现低温储热（即利用上箱体2.2对储能水箱3进行能量替换，将储能水箱3内的低温水加热至40℃），还能实现40-70℃中温储热、70-40℃中温放热和40-20℃低温放热。假设上箱体2.2内的水温为40℃、下箱体2.3的水温为25℃、用户端用水温度为60℃，用户端的回水温度为40℃，对本发明的汇热、低温储热、低温放热、中温储热和中温放热过程做出详细的说明。

汇热时，汇热循环泵P2工作时将下箱体2.3内的低温水（假设25℃）加压抽出并与取热设施进行热交换，吸收取热设施的余热，热交换后的水经喷淋头2.6喷洒在上箱体2.2的上部，如此重复循环，实现余热的回收利用（谷电时段可开启电能空气源热泵进行补热），使上箱体2.2内的水升温至40℃，实现温度稳定。

本发明的低温储热是将汇热水箱2和储能水箱3进行直接换热。具体地：上箱体2.2内的40℃水经冷却循环水泵P4加压后分流进入储能水箱3内的第二上均流导管3.1，储能水箱3内 20℃低温水通过下部的第二下均流导管3.2返回至下箱体2.3，如此循环一定时间，使储能水箱3内的20℃水逐渐升温至40℃，完成低温储热。在低温储热过程水源热泵1只承担正常外供热负荷，汇热水箱2高负荷放热，低温储热不限于谷电时段，余热取热量大于水源热泵1低温热源用热量工况均可运行。

本发明的中温储热选择在谷电时段运行，利用谷电增热降低水源热泵1的综合运行电价。具体地：水源热泵1供水变温运行，供水温度由60℃逐渐升至70℃，供水部分流量或全流量流经第二换热管路7流经储能换热器4，第一换热管路6中的储能水泵P3加压将储能水箱3内的水抽出与供水换热后进入第二上均流导管3.1，如此循环一定时间，使储能水箱3内的水由40℃逐渐升至70℃，即利用水源热泵1的高负荷运行完成中温储热+外供热。另外，在中温储热过程中，汇热水箱内40℃热水经冷却循环水泵P4加压后进入蒸发器1.1，经热交换后回流至下箱体2.3内的第一下均流导管2.5，即汇热水箱2高负荷低温放热，对水源热泵1提供低温热源。

本发明的中温放热包括加热供水和加热回水两个过程:

加热供水：水源热泵1供水变温运行（由 50℃逐渐升至 60℃），供水经第二换热管路7全流量流经储能换热器4，储能水箱3内的70℃水经储能换热时将热量传递给供水，供水吸热升温至 60℃供给用户端；储能水箱3内的水温由 70℃逐渐降低至 60℃；加热回水：回水经用户端换热后经第三换热管路8全流量流经储能换热器4吸热升温，使进入水源热泵1的回水升温，储能水箱3放热水温逐渐由60℃降低至40℃。

本发明的中温放热先利用储能水箱3的热量对供水加热，再对供热子系统的回水放热，可选择峰电时段运行，水源热泵1为变工况低负荷运行，减少水源热泵1峰电用量降低运行综合电价。另外，在中温放热过程中，汇热水源内的40℃经冷却循环水泵P4加压后进入蒸发器1.1，经热交换后回流至下箱体2.3内的第一下均流导管2.5，即汇热水箱2低负荷低温放热，对水源热泵1提供低温热源。

本发明的低温放热是利用储能水箱3内的40℃与汇热水箱2并联运行，为水源热泵1提供低温热源。具体地：储能水箱3和汇热水箱2内的40℃热水经冷却循环水泵P4加压输送至水源热泵1的蒸发器1.1，放热降温至 25℃后，分别返回至储能水箱3的第二下均流导管3.2和下箱体2.3的第一下均流导管2.5；当储能水箱3水温降至25℃后，可适当延长低温放热周期，使储能水箱3水温降低至 20℃，以提高储能量、调节系统热平衡。

本发明的低温储热与低温放热能够平抑低温热源与用热不平衡，避免或减少空气源热泵在非谷电时段制热，降低低温热源成本。中温储热与中温放热主要是谷电削峰降本，降低水源热泵1综合电价。汇热水箱2与储能水箱3储能调温功能提高了低温热源稳定性，提高了热泵能效，从构建低成本低温热源、提高热泵能效、降低综合电价三方面实现电能热泵高效供热。

本发明的节能性估算过程如下：假设不考虑投资及运维成本，供热直接成本低温余热近似为零、其它主要为热泵用电成本；按低温热源 50%为空气源热泵谷电制热、低温制热（环境空气温度 0℃、热泵供水温度 40℃）平均 COP 为 2.5、谷电价格0.25元/千瓦时估算，低温热源直接成本为 14元/吉焦；

按水源热泵14.5供热平均COP为5、综合电价0.5元/千瓦时、综合用电附加系数1.2估算，水源热泵14.5供热直接成本为 34元/吉焦；供热总直接成本合计48元/吉焦（折合蒸汽120元/吨）；

燃气锅炉和市政集中供热均按100元/吉焦（折合蒸汽250元/吨）的平均热价计算，供热直接成本降低 50%以上，降低运行成本，节能减排。

最后还需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。因而，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，均应包含在本发明的保护范围之内。