一种跨季节储能型冰源热泵系统的制作方法

本实用新型涉及热泵空调技术领域，特别是涉及一种跨季节储能型冰源热泵系统。

背景技术：

热泵是根据制冷原理把热量从低温环境向高温环境输送的一种装置。热泵每消耗1份电力(或其他形式的能源)，便能获得3～4份以上的热量，是一种高效率的供热技术方案。对于应用极为广泛的水源热泵和地源热泵，其基本原理是直接或间接从地表水(江河湖海之水)或地下水源中提取热量，通过热泵主机的制冷循环提升温度品位后，制取满足热用户需求的热能，解决供热采暖、生活热水等需求。由于水的冰点是0℃，当水、地源热泵装置提取热量之后的水源温度低于4℃以下时就会存在热泵蒸发器冻结的风险，因此现有的水、地源热泵机组均不允许其蒸发器水流出口温度降到4℃以下运行，按5℃的设计换热温差计算，水源入口温度不能低于9℃，这严重限制了水、地源热泵机组的运行条件。在我国长江流域，冬季地表水低于9℃乃至接近0℃的“近冰点”气候是常见的气候现象，黄河流域以及以北地区尤甚，世界上处于类似气候条件的人类居住区域也是比比皆是。对于地源热泵来说，虽然是从地下水中提取热量，但是当冬、夏季的冷、热需求悬殊时，地下水温将随着热泵的运行年份累计而逐渐降低，出现所谓的“冷堆积”现象，最终导致地下水源温度也低于9℃，从而无法正常运行热泵机组。我国的华北、西北、东北地区均属于冬季热负荷远大于夏季冷负荷的地区，因此地下水“冷堆积”现象是十分普遍的。

综上所述，水源热泵受“近冰点”气候条件的限制，地源热泵受“冷堆积”现象的限制，致使冬季热需求最旺盛的时候，热泵系统反而不能正常运行，不得不采用诸如电加热等能耗更高的临时替代手段弥补其供热能力的不足，不但增加了能源消耗，也提高了供热系统的设备和综合建设投入。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了不受“近冰点”或“冷堆积”气候环境条件限制，且能提高夏季供冷模式下系统能效比的跨季节储能型冰源热泵系统。

本实用新型的目的可以通过如下技术方案实现：一种跨季节储能型冰源热泵系统，包括热泵主机，热泵主机包括冷凝器和蒸发器，所述冷凝器的出水口通过管路依次与供热用户端、热水泵以及冷凝器的入水口连接；所述蒸发器的出液口通过管路依次与乙二醇泵、动态冰浆机组以及蒸发器的入液口连接；所述动态冰浆机组的入水口通过管路依次与冷水泵、水源连接，动态冰浆机组的出水口通过管路与跨季节储冰池连接，所述动态冰浆机组的出水口还与供冷用户端的入水口连接，供冷用户端的出水口与冷水泵的入水口连接；所述冷凝器的出水口还通过管道与跨季节储冰池的入水口连接，冷凝器的入水口通过管路依次与冷水泵以及跨季节储冰池的出水口连接。

作为优选的技术方案，所述水源的出水口与冷水泵的入水口之间设有过滤器，所述过滤器的出水口与冷水泵的入水口之间设有阀门。

作为优选的技术方案，供冷用户端的出水口与设于过滤器和冷水泵之间的阀门出水口连接。

作为优选的技术方案，所述动态冰浆机组的出水口与跨季节储冰池的入水口之间设有阀门。

作为优选的技术方案，所述动态冰浆机组的出水口与供冷用户端的入水口之间设有阀门。

作为优选的技术方案，所述冷凝器的出水口与供热用户端的入水口之间设有阀门。

作为优选的技术方案，所述冷凝器的出水口还与冷却塔的入水口连接，冷却塔的出水口与热水泵的入水口连接。

作为优选的技术方案，所述冷凝器的出水口与冷却塔的入水口之间设有阀门，冷却塔的出水口与热水泵的入水口之间设有阀门。

作为优选的技术方案，所述冷凝器的出水口与设于冷凝器与供热用户端及冷却塔间的阀门入水口之间设有阀门，冷凝器的入水口与热水泵的出水口之间设有阀门。

作为优选的技术方案，所述冷凝器的出水口与跨季节储冰池的入水口之间设有阀门，冷凝器的入水口与冷水泵的出水口之间设有阀门。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本实用新型的热泵系统中引入动态冰浆机组，在乙二醇循环中因为乙二醇溶液具有较低冰点温度，可以避免热泵蒸发器的冻结。且直接利用冬季储存在跨季节储冰池中的冰或融化后的低温水作为制冷系统冷凝器的优良冷却冷源，相当于冬季系统排向环境的冷量被储存并转移到夏季空调制冷所需，使得夏季制冷系统的运行能效比(cop)大幅提高，供冷供热的全年综合运行能耗大幅降低。

2.本实用新型的冰源热泵系统具备了在各种气候条件下全天候稳定高效运行的能力，彻底解决了传统水、地源热泵在“近冰点”气候或“冷堆积”条件下无法运行的技术难题，大幅增加气候和环境的适用范围。

附图说明

图1是本实用新型实施例中跨季节储能型冰源热泵系统结构示意图。

其中：1：热泵主机；1a：冷凝器；1b：蒸发器；2：动态冰浆机组；3：供热用户端；4：冷却塔；5：供冷用户端；6：跨季节储冰池；7：水源；8：乙二醇泵；9：热水泵；10：冷水泵；11：冷却泵；12-21：阀门；22：过滤器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，一种跨季节储能型冰源热泵系统，包括热泵主机1，热泵主机包括冷凝器1a和蒸发器1b。冷凝器1a的出水口通过管路依次与供热用户端3、热水泵9以及冷凝器1a的入水口连接，组成闭合回路。冷凝器1a的出水口与供热用户端3的入水口之间设有阀门12。冷凝器1a的出水口还与冷却塔4的入水口连接，冷却塔4的出水口与热水泵9的入水口连接。冷凝器1a的出水口与冷却塔4的入水口之间设有阀门13，冷却塔4的出水口与热水泵9的入水口之间设有阀门14。冷凝器1a的出水口与阀门12、阀门13的入水口之间设有阀门15，冷凝器1a的入水口与热水泵9的出水口之间设有阀门16。

蒸发器1b的出液口通过管路依次与乙二醇泵8、动态冰浆机组2以及蒸发器1b的入液口连接，组成闭合回路。动态冰浆机组是专门制取0℃冰浆的设备，其对水源温度没有任何限制要求，只要是液态水，无论高于9℃还是低于9℃(即使低至0℃也可以)，均可以直接被稳定高效地制取成冰浆。本实用新型中可以采用现有技术中的动态冰浆机组，如中国专利cn201520443800.0所公开的动态冰浆机组。

动态冰浆机组2的入水口通过管路依次与冷水泵10、水源7连接，水源7的出水口与冷水泵10的入水口之间设有过滤器22，过滤器22的出水口与冷水泵10的入水口之间设有阀门21。

动态冰浆机组2的出水口通过管路分别与跨季节储冰池6的入水口以及供冷用户端5的入水口连接，供冷用户端5的出水口与阀门21的出水口连接。动态冰浆机组2的出水口与跨季节储冰池6的入水口之间设有阀门20，动态冰浆机组2的出水口与供冷用户端5的入水口之间设有阀门19。供冷用户端5可以为风机盘管、组合风柜或其他换热器。冷凝器1a的出水口通过管道与跨季节储冰池6的入水口连接，冷凝器1a的入水口通过管路依次与冷水泵11、跨季节储冰池6的出水口连接。冷凝器1a的出水口与跨季节储冰池的入水口之间设有阀门17，冷凝器1a的入水口与冷水泵11的出水口之间设有阀门18。

本实用新型的弃冰型冰源热泵系统可分为冬季供热和夏季供冷两种模式运行。具体工作原理如下：

(1)冬季供热模式

阀门12、15和16开启，阀门13、14、17和18关闭，由热泵主机1的冷凝器1a、阀门15、阀门12、供热用户端3、热水泵9和阀门16通过管道依次连接组成热水循环，冷却塔4被屏蔽不参与运行，跨季节储冰池6和冷却泵11组成的取冷循环被切断不参与运行。低温热水通过水泵9送入热泵主机1的冷凝器1a，被加热到符合供热目标温度的高温热水(比如40℃或45℃以上)后，再流入供热用户端3，供热用户端3是风机盘管、暖气片或其他换热器，高温热水在此把热量传递给室内空气或生活热水等热用户端，温度降低变成低温热水(比如30℃或35℃)，然后继续经热水泵9循环送入热泵主机1的冷凝器1a升温，如此反复循环。

由热泵主机1的蒸发器1b、乙二醇泵8和动态冰浆机组2依次相连组成乙二醇循环，由于该循环的工作温度可能低于0℃，因此循环介质采用具有较低冰点温度的质量浓度为20％的乙二醇水溶液。乙二醇水溶液在热泵主机1的蒸发器1b中被冷却到-3℃(中国专利cn201520443800.0所公开的动态冰浆机组的标准参数值)，然后在乙二醇泵8的驱动下，被送入动态冰浆机组2中，在动态冰浆机组2中与制冰循环中的水换热后温度上升到-1℃，然后经管道回到蒸发器1b，在蒸发器1b中又被冷却到-3℃，如此反复循环，热泵主机1的蒸发器1b就实现了源源不断地从动态冰浆机组2获得热量的目的。

阀门20和21开启，阀门19关闭，由水源7、过滤器22、阀门21、冷水泵10、动态冰浆机组2、阀门20以及跨季节储冰池6依次相连组成制冰循环，供冷用户端5被屏蔽不参与运行。水源7是可以保证在任何气温条件下都能取到液态水的水源，比如自来水、中水、江河湖海等。跨季节储冰池6是天然岩洞、地窖、水池、或人工建造的大型水池等，固态冰在其中可以跨季节长期保存至夏季，即使有融化损失，也能形成一个具有低温水的冷源池。水源7和跨季节储冰池6之间可以是连通的(甚至是同一个水池、地窖、或江河湖海等)，也可以是隔离开的。通过冷水泵10从水源7抽取出液态水，经过滤器22进行过滤处理后送往动态冰浆机组2，在其中被前述乙二醇循环中的-3℃乙二醇水溶液冷却成0℃的流态化冰浆，冰浆再通过管道输送到跨季节储冰池6，并被长期储存在此等待夏季供冷季节再利用。

上述即完整的冰源热泵供热运行模式。在冬季，即使在冰天雪地的极寒天气下，也能方便地从江河湖海等水源的冰层下面取出液态水，因此满足本实用新型要求的水源7是易于找到或配置的。因而，不管冬季环境气温有多低，本实用新型所述的跨季节储能型冰源热泵系统都能连续稳定的长期供热运行，这使得本跨季节储能型冰源热泵系统具备了在各种气候条件下全天候稳定高效运行的能力，彻底解决了传统水、地源热泵在“近冰点”气候或“冷堆积”条件下无法运行的技术难题，而且冬季的副产物——冰——还被储存起来夏季供冷用，实现了大幅的节能效益。

(2)夏季供冷模式

在夏季供冷时，在热泵主机1的蒸发器1b侧，由热泵主机1的蒸发器1b、乙二醇泵8和动态冰浆机组2依次相连组成的乙二醇循环，其中的循环介质乙二醇水溶液负责把热泵主机1在以供冷为目的的运行中在其蒸发器1b中产生的冷量通过乙二醇循环传递到动态冰浆机组2，动态冰浆机组2再将该冷量传递到下述供冷循环中。

阀门19开启，阀门20关闭，阀门21常闭，只有在供冷循环系统管道内需要补水时才开启阀门21补水。由动态冰浆机组2、阀门19、供冷用户端5和冷水泵10依次连接组成供冷循环，在动态冰浆机组2中被上述乙二醇循环冷却的冷冻水(比如7℃)被送入供冷用户端5，通过换热把冷量传递给供冷用户的室内空气，实现空调供冷，供冷之后温度升高(比如12℃)，再经冷水泵10泵入动态冰浆机组2中循环冷却降温，如此反复循环，实现供冷运行模式。供冷用户端可以是风机盘管、组合风柜、或其他换热器。

对于一般的舒适性空调供冷应用场合，供冷用户端5的冷冻水进、出水温度一般分别是7℃和12℃，此时动态冰浆机组2的冷冻水循环侧无须进入制取冰浆的工况，因此动态冰浆机组2在夏季供冷模式下的直接供冷运行工况下仅仅相当于一个换热器。

在夏季供冷时，在热泵主机1的冷凝器1a侧，根据环境条件的不同分为以下3种运行工况：

(a)取冷循环冷却

阀门17和18开启，阀门15和16关闭，由热泵主机1的冷凝器1a、阀门17、跨季节储冰池6、冷却泵11以及阀门18依次相连组成取冷循环。通过冷却泵11从跨季节储冰池6中抽取的低温冰水被送入热泵主机1的冷凝器1a中，通过换热吸收热泵机组1在夏季供冷模式下运行时产生的大量热量，温度升高(一般制冷工况下升温至35℃以内)，再经管道流回跨季节储冰池6。跨季节储冰池6内储存了大量的冬季排放的冰，即使因为长时间的储存和保温损失融化了一部分甚至全部的冰，也是一个低温环境冷水源，因此用来冷却热泵机组1的冷凝排热是非常优质的冷源，比采用常规的冷却塔冷却的冷凝温度低得多，这使得热泵机组1在夏季供冷模式下运行的系统能效比(cop)大幅度提高，实现显著的供冷能耗节约。

(b)冷却塔冷却

阀门13至16开启，阀门12、17和18关闭，由热泵主机1的冷凝器1a、阀门15、阀门13、冷却塔4、阀门14、热水泵9和阀门16依次相连组成冷却水循环(即前述热水循环)，供热用户端3被屏蔽不参与运行，上述取冷循环也被截断不参与运行。此时的冷却水循环就是普通中央空调系统的冷却水循环，由热泵主机1在以供冷为目的的运行中在其冷凝器1a中产生的冷凝热量通过冷却水循环传递到冷却塔4并排向大气环境。

(c)联合冷却

即上述取冷循环冷却和所述的冷却塔冷却两种工况同时联合运行。此时阀门15至18全部打开，其余阀门的开启或关闭状态依其所在的循环是否运行根据前述对各循环的描述而定。在联合冷却的运行工况下，对热泵主机1的冷凝器1b的冷却由上述取冷循环冷却和冷却塔冷却各承担一部分，联合完成对冷凝器1b内产生的冷凝热的排放。

对于上述3种冷凝器侧的不同运行工况的选择要以节能为目的进行确定。一般情况下，优先选用能效最好的取冷循环冷却，此时相当于间接回收冬季排放的冷量，供冷系统运行能效最高，只有当跨季节储冰池的水温升高到不足以高效运行供冷系统的时候(比如水温高于30℃后)才切换为联合冷却甚至纯冷却塔冷却工况。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。