复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统

1.本发明涉及建筑用制冷供热系统领域，具体地，涉及一种复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统。


背景技术：

2.在用户侧的用能需求中，用热用冷的需求占50％左右。以化石能源为主要能量来源的热能系统迎来转型，同时气候危机的到来导致供热制冷需求激增。在供需两侧均受压的情况下，许多国家面临能源短缺的问题。现有的供热制冷设备多为利用电能的电加热供暖设备或空调，存在设备独立，冬夏交替使用的问题，且能耗较大，在高峰用电时间电价较高，以至于运行成本高。
3.热泵是一种利用高位能使热量从低位流向高位的装置。供热时，低温热量进入热泵的蒸发器，利用电能通过热泵循环实现品位提升，达到建筑采暖的供水温度或提供生活热水。制冷时，热泵切换为制冷机运行工况，从低温热源吸收热量，并释放热量至环境热沉。双级热泵应用两级压缩耦合技术，实现大温升来满足严寒地区的工况及高温采暖需求。相变储热装置通过相变储热材料将谷电制备出来的热能储存起来，通常用于峰电时的供暖需要，从而实现低成本的供热。
4.现有公开号为cn113883580a的中国专利，其公开了一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统。包括中深层封闭式循环井，中深层封闭式循环井与至少两个高温水源热泵相并联，至少一个高温水源热泵与低温空气源热泵相连，至少一个高温水源热泵通过电储热锅炉与高温热水供热端相连和/或高温水源热泵中至少一个高温水源热泵直接与高温热水供热端相连。
5.现有公开号为cn109341139a的中国专利，其公开了一种可替换传统空调系统的制热制冷双工况热泵空调系统，涉及热能技术领域，为解决在制热或制冷过程中出现的能耗大以及交替使用不便的问题。所述可替换传统空调系统的制热制冷双工况热泵空调系统包括：导热介质存储装置、制冷装置、第一输送管路、第二输送管路、第三输送管路、第四输送管路、第一换热器、第二换热器、第三换热器以及蓄能装置。
6.发明人认为现有设计难以与用户侧需求相匹配。用户用热用冷温度差异明显且需求较为灵活，而现有热泵与储热装置的集成系统面向场景单一且单级热泵在大温差条件下能效不高。通过双级热泵以及热泵的工况转换可以实现高效的制热制冷，然而储热装置存储温度的灵活性不高，双储热装置或分区储热装置导致整个系统较复杂和成本较高，且存在冬夏季交替使用的问题。因此，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统。
8.根据本发明提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统,包
括：压缩机、二位四通换向阀、相变储热装置、用户侧以及外部环境，所述用户侧与所述外部环境并联设置；所述压缩机、所述二位四通换向阀、所述相变储热装置以及所述用户侧依次连通形成有第一循环管路；所述压缩机、所述二位四通换向阀、所述相变储热装置以及所述外部环境依次连通形成有第二循环管路。
9.优选地，所述用户侧与所述外部环境并联设置的两个连接处分别设置有第一三通阀、第二三通阀；所述第一三通阀与所述二位四通换向阀连通；所述第一三通阀和所述相变储热装置连通，且二者之间设置有电子膨胀阀。
10.根据本发明提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统,采用上述的复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统，其特征在于，还包括：第一换热模块和第二换热模块；所述第一换热模块、所述压缩机、所述二位四通换向阀以及所述第二换热模块依次连通形成有第三循环管路；所述第二换热模块与相变储热装置连通形成有第四循环管路；所述第一换热模块与外部环境连通形成有第五循环管路；所述第一换热模块与用户侧连通形成有第六循环管路。
11.优选地，所述二位四通换向阀包括电磁阀，所述二位四通换向阀设置有a口、b口、 p口以及t口；所述p口与所述压缩机的出口连通，所述t口与所述压缩机的入口连通。
12.优选地，所述二位四通换向阀包括第一操作位置和第二操作位置；当所述二位四通换向阀处于第一操作位置时，所述p口与所述a口连通，所述b口与所述t口连通；当所述二位四通换向阀处于第二操作位置时，所述p口与所述b口连通，所述a口与所述t口连通。
13.优选地，所述二位四通换向阀电连接有控制器，所述控制器用于切换所述二位四通换向阀的第一操作位置和第二操作位置；所述控制器与所述压缩机电连接。
14.优选地，所述相变储热装置包括保温外壳、储热工质以及换热管，所述相变储热装置内填充有相变温度为12-20℃的低温相变材料。
15.优选地，所述用户侧与所述外部环境并联设置的两个连接处分别设置有第一三通阀、第二三通阀，所述第一换热模块的两侧分别与所述第一三通阀、所述第二三通阀连通；所述第一换热模块与所述第一三通阀之间设置有第一循环泵、第一调节阀。
16.优选地，所述第一换热模块与所述第二换热模块之间设置有电子膨胀阀。
17.优选地，所述第二换热模块与所述相变储热装置之间设置有第二循环泵、第二调节阀。
18.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
19.1、本发明通过采用相变储热装置作为中间热能载体，降低了系统的压比与功耗，通过循环管路的切换，解决了用户用冷用热双需求，通过相变储热装置实现热能在谷电时段储存，峰电时段根据不同末端冷热负荷的需求情况利用第二级热泵灵活调控，起到削峰填谷作用，降低了用户外购电力成本，提高了用户侧用能的灵活性。
20.2、本发明通过采用相变储热装置作为中间热能载体，将一级热泵两级利用，每级热泵温差减小，降低了系统的压比与功耗，提高了系统的能效并保证了系统高效稳定的运行，避免了空气源热泵系统在大温差条件下，制热量或制冷量降低，制热或制冷效果差的问题。
21.3、本发明通过相变储热装置使用相变温度为12-20℃的相变材料，既可实现冬季的中间储热，也可作为夏季中间储冷载体，避免了冬夏季交替使用的问题，减少了设备量，
降低了热泵与储热装置的初投资，减小了设备占地面积，降低了系统复杂程度与设备安装难度。
附图说明
22.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
23.图1为本发明主要体现实施例一提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵系统一级供热工况示意图；
24.图2为本发明主要体现实施例一提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵系统二级供热工况示意图；
25.图3为本发明主要体现实施例一提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵系统一级制冷工况示意图；
26.图4为本发明主要体现实施例一提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵系统二级制冷工况示意图；
27.图5为本发明主要体现实施例二提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵系统一级供热工况示意图；
28.图6为本发明主要体现实施例二提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵系统二级供热工况示意图；
29.图7为本发明主要体现实施例二提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵系统一级制冷工况示意图；
30.图8为本发明主要体现实施例二提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵系统二级制冷工况示意图；
31.图9为本发明主要体现的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统控制方法框图。
32.图中所示：
33.第一换热模块1
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压缩机2
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控制器3
34.二位四通换向阀4
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第二换热模块5
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相变储热装置6
35.第二循环泵7
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第二调节阀8
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电子膨胀阀9
36.第一三通阀10
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第一调节阀11
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第一循环泵12
37.用户侧13
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外部环境14
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第二三通阀15
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
39.实施例1
40.如图1-4所示，根据本发明提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统，包括压缩机2、二位四通换向阀4、相变储热装置6、用户侧13以及外部环境 14，用
户侧13与外部环境14并联设置；压缩机2、二位四通换向阀4、相变储热装置6 以及用户侧13依次连通形成有第一循环管路；压缩机2、二位四通换向阀4、相变储热装置6以及外部环境14依次连通形成有第二循环管路。
41.用户侧13与外部环境14并联设置的两个连接处分别设置有第一三通阀10、第二三通阀15；第一三通阀10与二位四通换向阀4连通；第一三通阀10和相变储热装置6 连通，且二者之间设置有电子膨胀阀9。
42.二位四通换向阀4包括电磁阀，二位四通换向阀4设置有a口、b口、p口以及t 口；p口与压缩机2的出口连通，t口与压缩机2的入口连通。二位四通换向阀4包括第一操作位置和第二操作位置；当二位四通换向阀4处于第一操作位置时，p口与a口连通，b口与t口连通；当二位四通换向阀4处于第二操作位置时，p口与b口连通，a 口与t口连通。
43.二位四通换向阀4电连接有控制器3，控制器3用于切换二位四通换向阀4的第一操作位置和第二操作位置；控制器3与压缩机2电连接。
44.相变储热装置6包括保温外壳、储热工质以及换热管，相变储热装置6内填充有相变温度为12-20℃的低温相变材料，成本低廉，作为中间储热载体，兼具冬季储热和夏季储冷功能。优选地，相变储热装置6内管为蛇形管，材料为紫铜，翅片材料为铝翅片。相变储热装置6内填充的相变材料为石蜡正十六烷、正十六烷-1-癸醇、正十七烷
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正二十三烷二元混合物、正十七烷-正十五烷二元混合物等，其相变温度区间为12-20℃，相变潜热为130-236j/g
45.本技术用于建筑供热和空调制冷，能够有效提高能效并减少成本。在供热或制冷时均实现两级供能，谷电时段运行第一级工况，峰电时段运行第二级工况，灵活供能，利用峰谷差电价，减少外部购电成本。循环管路内流通有制冷剂，制冷剂在相变储热装置 6内通过换热管和翅片和储热工质交换热量，制冷剂流经外部环境和外部环境换热，或者制冷剂流经用户侧和用户侧换热。
46.本实施例的供热运行如下：
47.如图1所示，在一级供热工况下，即谷电时段，开启第一三通阀10、第二三通阀 15、控制器3，第二循环管路流通，管路内的制冷剂自外部环境14流向二位四通换向阀 4，再流向相变储热装置6，最后回到外部环境14形成循环。控制器3控制二位四通换向阀4处于第一操作位置。通过调节第一三通阀10和第二三通阀15，使得制冷剂流经外部环境14，从外部环境14中吸收低品位热能。利用热泵循环在谷电时段提高品位后，制冷剂流经相变储热装置6向相变材料放热，相变材料由固体变为液体，相变储热装置 6实现储热，相变储热装置6内部温度稳定在相变材料的相变温度附近。
48.如图2所示，在二级供热工况下，即峰电时段，开启第一三通阀10、第二三通阀 15、控制器3，第一循环管路流通，管路内的制冷剂自用户侧13流向相变储热装置6，再流向二位四通换向阀4，最后回到用户侧13形成循环。控制器3控制二位四通换向阀 4处于第二操作位置，制冷剂改变流向。制冷剂流经相变储热装置6从相变材料中吸收热量，相变材料由液体变为固体，相变储热装置6实现释热。通过调节第一三通阀10 和第二三通阀15，使得制冷剂流经用户侧13，向用户侧13释放热量。
49.本实施例的制冷运行如下：
50.如图3所示，在一级制冷工况下，即谷电时段，开启第一三通阀10、第二三通阀 15、
控制器3，第二循环管路流通，管路内的制冷剂自外部环境14流向相变储热装置6，再流向二位四通换向阀4，最后回到外部环境14形成循环。控制器3控制二位四通换向阀4处于第二操作位置。通过调节第一三通阀10和第二三通阀15，使得制冷剂流经外部环境14，实现向外部环境14释放热量。在制冷循环中，制冷剂流经相变储热装置6 从相变材料中吸收热量，相变材料由液体变为固体，相变储热装置6实现储冷，相变储热装置6内部温度稳定在相变材料的相变温度附近。
51.如图4所示，在二级制冷工况下，即峰电时段，开启第一三通阀10、第二三通阀 15、控制器3，第一循环管路流通，管路内的制冷剂自用户侧13流向二位四通换向阀4，再流向相变储热装置6，最后回到用户侧13形成循环。控制器3控制二位四通换向阀4 处于第一操作位置。制冷剂流经相变储热装置6向相变材料释放热量，相变材料由固体变为液体，相变储热装置6实现释冷。通过调节第一三通阀10和第二三通阀15，使得制冷剂流经用户侧13，向用户释放冷量。
52.实施例2
53.如图5-8所示，根据本发明提供的一种复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统，基于实施例1的复合相变储热装置的双工况双级热泵供热制冷系统，还包括：第一换热模块1和第二换热模块5，第一换热模块1和第二换热模块5构成本实施例的热泵机组。在本实施例中，第一换热模块1、压缩机2、二位四通换向阀4以及第二换热模块5依次连通形成有第三循环管路，第三循环管路内流通有制冷剂。第二换热模块5与相变储热装置6连通形成有第四循环管路；第一换热模块1与外部环境14连通形成有第五循环管路；第一换热模块1与用户侧13连通形成有第六循环管路。
54.二位四通换向阀4包括电磁阀，二位四通换向阀4设置有a口、b口、p口以及t 口；p口与压缩机2的出口连通，t口与压缩机2的入口连通。二位四通换向阀4包括第一操作位置和第二操作位置；当二位四通换向阀4处于第一操作位置时，p口与a口连通，b口与t口连通；当二位四通换向阀4处于第二操作位置时，p口与b口连通，a 口与t口连通。
55.二位四通换向阀4电连接有控制器3，控制器3用于切换二位四通换向阀4的第一操作位置和第二操作位置；控制器3与压缩机2电连接。实现在供热或制冷时热泵在第一级和第二级工况切换。
56.相变储热装置6包括保温外壳、储热工质以及换热管，相变储热装置6内填充有相变温度为12-20℃的低温相变材料，成本低廉，作为中间储热载体，兼具冬季储热和夏季储冷功能。优选地，相变储热装置6内管为蛇形管，材料为紫铜，翅片材料为铝翅片。相变储热装置6内填充的相变材料为石蜡正十六烷、正十六烷-1-癸醇、正十七烷
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正二十三烷二元混合物、正十七烷-正十五烷二元混合物等，其相变温度区间为12-20℃，相变潜热为130-236j/g。
57.用户侧13与外部环境14并联设置的两个连接处分别设置有第一三通阀10、第二三通阀15，第一换热模块1的两侧分别与第一三通阀10、第二三通阀15连通；第一换热模块1与第一三通阀10之间设置有第一循环泵12、第一调节阀11。第一换热模块1通过第一三通阀10、第二三通阀15与外部环境14换热。
58.优选地，第一换热模块1为板式换热器。第一换热模块1通过第一三通阀10、第二三通阀15与外部环境14连通形成第五循环管路，第五循环管路内流通有传热工质，传热工质
和外部环境14交换热量，第一循环泵12用于循环第五循环管路的传热工质，第一调节阀11用于调节第五循环管路传热工质的流量。
59.第一换热模块1通过第一三通阀10、第二三通阀15与用户侧13连通形成第六循环管路，第六循环管路内流通有传热工质，传热工质和用户侧13交换热量，第一循环泵 12用于循环第六循环管路的传热工质，第一调节阀11用于调节第六循环管路传热工质的流量。
60.第一换热模块1与第二换热模块5之间设置有电子膨胀阀9。
61.第二换热模块5与相变储热装置6之间设置有第二循环泵7、第二调节阀8。第二换热器5用于与相变储热装置6换热，相变储热装置6作为热泵机组的蒸发器或冷凝器进行充放热。第二换热模块5为板式换热器，其与相变储热装置6的进热管和放热管连接形成第四循环管路，第四循环管路内流通有传热工质，传热工质在相变储热装置6内通过换热管和翅片和储热工质交换热量，第二循环泵7用于循环第四循环管路的传热工质，第二调节阀8用于调节第四循环管路传热工质的流量。
62.优选地，传热工质中加入防止传热工质凝固的防冻剂。
63.本实施例中，单级热泵机组通过与中间相变储热装置6复合，在供热或制冷时均实现两级供能，谷电时段运行第一级工况，峰电时段运行第二级工况，灵活供能，利用峰谷差电价，减少外部购电成本。第二换热模块5用于与相变储热装置6换热；第一换热模块1用于与外部环境14或用户侧13换热；相变储热装置6使用12-20℃低温相变材料，作为中间储热载体，兼具冬季储热与夏季储冷中间体储能的功能，结合热泵实现高效供热或制冷。本技术复合相变储热装置6，通过控制热泵机组在不同工况下切换，实现单级热泵的双级使用，提升系统能效和供能灵活性。
64.本实施例的供热运行如下：
65.如图5所示，在一级供热工况下，即谷电时段，开启第一三通阀10、第二三通阀 15、第二调节阀11、第二循环泵12、第一调节阀8、第一循环泵7、控制器3，第三循环管路、第四循环管路以及第五循环管路均流通。控制器3控制二位四通换向阀4处于第一操作位置。通过第一三通阀10和第二三通阀15，第一换热模块1和外部环境14 相连，形成第五循环管路，传热工质从外部环境14中吸收低品位热能。利用热泵循环在谷电时段提高品位后，第二换热模块5通过第四循环管路向相变材料放热，相变材料由固体变为液体，相变储热装置6实现储热，相变储热装置6内部温度稳定在相变材料的相变温度附近。
66.如图6所示，在二级供热工况下，即峰电时段，开启第一三通阀10、第二三通阀 15、第二调节阀11、第二循环泵12、第一调节阀8、第一循环泵7、控制器3，第三循环管路、第四循环管路以及第六循环管路均流通。控制器3控制二位四通换向阀4处于第二操作位置，第一循环泵12、第二循环泵7改变传热工质的流向。第二换热模块5 通过第四循环管路从相变材料中吸收热量，相变材料由液体变为固体，相变储热装置6 实现释热。根据用户的热负荷需求调节第一调节阀11和第二调节阀8。通过第一三通阀 10和第二三通阀15，第一换热模块1和用户侧13流通，传热工质向用户侧13释放热量。
67.本实施例的制冷运行如下：
68.如图7所示，在一级制冷工况下，即谷电时段，开启第一三通阀10、第二三通阀 15、第二调节阀11、第二循环泵12、第一调节阀8、第一循环泵7、控制器3，第三循环管路、第四循环管路以及第五循环管路均流通。控制器3控制二位四通换向阀4处于第二操作位置。热泵
机组切换为制冷机运行工况。在制冷循环中，第二换热模块5通过第四循环管路从相变材料中吸收热量，相变材料由液体变为固体，相变储热装置6实现储冷，相变储热装置6内部温度稳定在相变材料的相变温度附近。通过第一三通阀10 和第二三通阀15，第一换热模块1和外部环境14相连，形成第五循环管路，传热工质向外部环境14释放热量。
69.如图8所示，在二级制冷工况下，即峰电时段，开启第一三通阀10、第二三通阀 15、第二调节阀11、第二循环泵12、第一调节阀8、第一循环泵7、控制器3，第三循环管路、第四循环管路以及第六循环管路均流通。控制器3控制二位四通换向阀4处于第一操作位置。热泵机组为制冷机运行工况，第一循环泵7、第二循环泵12改变传热工质的流向。第二换热模块5通过第四循环管路向相变材料释放热量，相变材料由固体变为液体，相变储热装置5实现释冷。根据用户的冷负荷需求调节第一调节阀8和第二调节阀11。通过第一三通阀10和第二三通阀15，第一换热模块1和用户侧13连通，形成第六循环管路，传热工质向用户释放冷量。
70.如图9所示，通过相变储热装置6作为跨时间中间热能载体，将一级热泵两级利用，每级热泵温差减小，降低了系统的压比与功耗，提高了系统的能效并保证了系统高效稳定的运行，避免了空气源热泵系统在大温差条件下，制热量或制冷量降低，制热或制冷效果差的问题。通过管路的切换，使得热泵机组转化为制冷机组，解决了用户用冷用热双需求。
71.基于实施例1和实施例2，本技术通过相变储热装置6实现热能在谷电时段储存，峰电时段根据不同末端冷热负荷的需求情况利用第二级热泵灵活调控，起到削峰填谷作用，降低了用户外购电力成本，提高了用户侧用能的灵活性。进一步的，相变储热装置 6使用相变温度为12-20℃的相变材料，既可实现冬季的中间储热，也可作为夏季中间储冷载体，避免了冬夏季交替使用的问题，减少了设备量，降低了热泵与储热装置的初投资，减小了设备占地面积。更进一步的，使用低温相变材料石蜡作为储热工质，相变温度范围窄，温度稳定，不存在过冷问题，化学性质稳定，可以长期使用，价格低廉、制备工艺简单，可以降低生产与使用成本；所需储热工质相变潜热大，所需质量小，相变储热装置体积小，占地面积小，降低了系统复杂程度与设备安装难度。
72.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
73.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。