面向变温供热需求的储热热泵集成系统及运行控制方法与流程

本发明专利涉及热泵供热，尤其涉及面向变温供热需求的储热热泵集成系统及运行控制方法。

背景技术：

1、工业领域存在大量的余热排放，包括废气余热、冷却介质余热和炉渣余热等，这些余热直接排放至环境，存在大量的可用能浪费。通过热泵技术可将余热回收，用来满足用热需求，可提高能源利用率，节能减排。

2、工业领域中，有两种常见用热需求，一种是将常温水大幅度升温至设定温度，温升大，此为加热需求；一种是高温水在使用或保存过程中，存在一定程度上的温度降低，须将高温水进行小幅度升温，保持高温水温度在设定范围内，温升小，此为保温需求。例如制造业中，核心零部件在涂装前需进行预处理工序（水洗、脱脂等），需要大量使用热水，因此使用时需要将常温水加热至用热温度后，存储于用热水箱中，该阶段为加热需求；使用热水进行预处理工作后，热水的水温呈小幅降低，热水再循环进入热水箱中，循环往复，水箱中的温度需保持在用热温度，该阶段为保温需求。由于工作用水需24小时更换一次，因此加热需求和保温需求会频繁交替。

3、加热需求和保温需求的用热端加热温区不同，若采用单一热泵机组，加热时，热泵用热端换热器进口水温低，出口水温高，温差大，冷凝器内的两相状态的制冷剂与水存在较大的换热温差，从而导致了传热不可逆损失的增加，这对于热泵系统的整体能效是不利的；而保温时，进口水温高，出口水温高，温差小，需要热泵运行在较高的冷凝温度下，冷凝压力较高，高低压差增大，节流不可逆损失较大，导致系统性能的下降。不仅如此，在加热和保温需求交替时，传统热泵需频繁变工况，热泵的稳定性和可靠性也会降低。

4、现有技术能够实现单一热泵供热不同用热温区，且匹配效果好，然而对压缩机的性能要求较高，且不能实现供热温区交替，仅能在满足大温差升温需求的同时，可选择地满足小温差温升需求；适用于同时供热不同用热温度，不能满足供热温区交替的用热需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供面向变温供热需求的储热热泵集成系统及运行控制方法。

2、为解决现有技术问题，本发明公开了面向变温供热需求的储热热泵集成系统，其特征在于，包括：热泵加热系统、热泵加热控制阀组以及储热放热系统和储热放热控制阀组；

3、所述热泵加热系统包括低温热源换热器、压气机、回热器、膨胀机、保温换热器和加热换热器；

4、低温热源换热器冷流体出口与回热器冷流体进口相连，回热器冷流体出口与压气机进口相连，压气机出口分别连接保温换热器热流体进口和加热换热器热流体进口，保温换热器热流体出口与回热器的热流体进口相连，回热器的热流体出口连接膨胀机进口，加热换热器热流体出口连接膨胀机进口，膨胀机出口连接低温热源换热器冷流体进口；

5、所述储热放热系统包括储热换热器、释热换热器、高温储热罐和低温储热罐；

6、低温储热罐出口连接储热换热器冷流体进口，储热换热器冷流体出口连接高温储热罐的进口；高温储热罐的出口连接释热换热器的热流体进口，释热换热器的热流体出口连接低温储热罐进口；储热换热器的热流体进口连接压气机出口，储热换热器的热流体出口连接回热器热流体进口；释热换热器的冷流体进口连接低温热源换热器冷流体出口，释热换热器的冷流体出口连接压气机进口。

7、进一步地，所述热泵加热控制阀组包括回热器控制阀、保温换热器控制阀和加热换热器控制阀；回热器控制阀布置在低温热源换热器和回热器的连接管路上；保温换热器控制阀布置在压气机和保温换热器的连接管路上；加热换热器控制阀布置在压气机和加热换热器的连接管路上。

8、进一步地，所述储热放热控制阀组包括储热换热器控制阀、释热换热器控制阀、高温储热罐控制阀和低温储热罐控制阀；储热换热器控制阀布置在压气机和储热换热器的连接管路上；释热换热器控制阀布置在低温热源换热器和释热换热器的连接管路上；高温储热罐控制阀布置在高温储热罐和释热换热器的连接管路上；低温储热罐控制阀布置在低温储热罐和储热换热器的连接管路上。

9、进一步地，还包括保温冷水端和保温热水端；保温冷水端连接保温换热器冷流体进口，保温热水端连接保温换热器冷流体出口。

10、进一步地，还包括加热冷水端和加热热水端；加热冷水端连接加热换热器冷流体进口，加热热水端连接加热换热器冷流体出口。

11、相应地，面向变温供热需求的储热热泵集成系统的运行控制方法，保温模式下，膨胀机出口的低温低压热泵工质在低温热源换热器中预热，温度升高，随后进入回热器中进一步吸热升温；回热器冷流体出口工质进入压气机压缩至高温高压状态，然后分流：一部分工质进入储热换热器将热量传递至储热材料，此时低温储热罐的储热材料进入储热换热器，储热材料温度升高后进入高温储热罐被存储，而工质温度降低；另一部分工质进入保温换热器加热保温冷水，工质温度降低；热泵工质在储热换热器和保温换热器的出口汇合，进入回热器放热，温度进一步降低；回热器热流体出口工质进入膨胀机膨胀做功，压力下降，完成热泵保温-储热回路。

12、加热模式下， 膨胀机出口的低温低压热泵工质在低温热源换热器中预热，温度升高，然后进入释热换热器进一步吸收储热材料释放的热量，工质温度进一步提升；此时高温储热罐的储热材料进入释热换热器放热，储热材料温度降低后进入低温储热罐；释热换热器出口工质进入压气机压缩至高温高压状态，随后流入加热换热器，加热冷水，工质温度降低；工质从加热换热器流出后，进入膨胀机做功，且压力下降，完成热泵加热-释热回路。

13、进一步地，实行保温模式的阀组控制方法为：回热器控制阀打开，储热换热器控制阀打开，保温换热器控制阀打开，低温储热罐控制阀打开；释热换热器控制阀关闭，加热换热器控制阀关闭，高温储热罐控制阀关闭。

14、进一步地，实现加热模式的阀组控制方法为：释热换热器控制阀打开，加热换热器控制阀打开，高温储热罐控制阀打开；回热器控制阀关闭，储热换热器控制阀关闭，保温换热器控制阀关闭，低温储热罐控制阀关闭。

15、进一步地，低温热源为环境或工业废热余热；热泵工质选择空气、二氧化碳、氨气、氩气、氮气中的任意一种；储热材料选择加压水、导热油、相变储热材料中的任意一种。

16、本发明具有的有益效果：

17、1、本发明采用热泵循环回收低温工业余热，将其提质并用于满足工厂用热需求，实现了废热、余热的高效利用，提高能源利用效率。

18、2、本发明通过储放热，实现不改变压缩机压比和功率也可切换回热与无回热两种热泵形式，其分别对应不同的放热区间，优化匹配了用热端保温和加热时的换热需求，减少不可逆损失，改善压缩机性能，提高系统效率。

19、3、本发明采用储热释热系统，实现热量的跨时空调配，即将保温需求外的热量存储，用于加热模式，合理灵活地利用废热余热的同时，可以实现制热量与负荷的匹配，很好地适应多温区热泵的应用需求，相比多个热泵机组而言，减少了初始投资成本，有效提高系统效率，达到既经济又节能的目的。

技术特征：

1.面向变温供热需求的储热热泵集成系统，其特征在于，包括：热泵加热系统、热泵加热控制阀组以及储热放热系统和储热放热控制阀组；

2.根据权利要求1所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统，其特征在于，所述热泵加热控制阀组包括回热器控制阀（11）、保温换热器控制阀（14）和加热换热器控制阀（15）；回热器控制阀（11）布置在低温热源换热器（1）和回热器（4）的连接管路上；保温换热器控制阀（14）布置在压气机（2）和保温换热器（6）的连接管路上；加热换热器控制阀（15）布置在压气机（2）和加热换热器（7）的连接管路上。

3.根据权利要求1所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统，其特征在于，所述储热放热控制阀组包括储热换热器控制阀（13）、释热换热器控制阀（12）、高温储热罐控制阀（16）和低温储热罐控制阀（17）；储热换热器控制阀（13）布置在压气机（2）和储热换热器（3）的连接管路上；释热换热器控制阀（12）布置在低温热源换热器（1）和释热换热器（10）的连接管路上；高温储热罐控制阀（16）布置在高温储热罐（8）和释热换热器（10）的连接管路上；低温储热罐控制阀（17）布置在低温储热罐（9）和储热换热器（3）的连接管路上。

4.根据权利要求1所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统，其特征在于，还包括保温冷水端和保温热水端；保温冷水端连接保温换热器（6）冷流体进口，保温热水端连接保温换热器（6）冷流体出口。

5.根据权利要求1所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统，其特征在于，还包括加热冷水端和加热热水端；加热冷水端连接加热换热器（7）冷流体进口，加热热水端连接加热换热器（7）冷流体出口。

6.根据权利要求1所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统的运行控制方法，其特征在于：保温模式下，膨胀机（5）出口的低温低压热泵工质在低温热源换热器（1）中预热，温度升高，随后进入回热器（4）中进一步吸热升温；回热器（4）冷流体出口工质进入压气机（2）压缩至高温高压状态，然后分流：一部分工质进入储热换热器（3）将热量传递至储热材料，此时低温储热罐（9）的储热材料进入储热换热器（3），储热材料温度升高后进入高温储热罐（8）被存储，而工质温度降低；另一部分工质进入保温换热器（6）加热保温冷水，工质温度降低；热泵工质在储热换热器（3）和保温换热器（6）的出口汇合，进入回热器（4）放热，温度进一步降低；回热器（4）热流体出口工质进入膨胀机（5）膨胀做功，压力下降，完成热泵保温-储热回路。

7. 根据权利要求1所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统的运行控制方法，其特征在于：加热模式下， 膨胀机（5）出口的低温低压热泵工质在低温热源换热器（1）中预热，温度升高，然后进入释热换热器（10）进一步吸收储热材料释放的热量，工质温度进一步提升；此时高温储热罐（8）的储热材料进入释热换热器（10）放热，储热材料温度降低后进入低温储热罐（9）；释热换热器（10）出口工质进入压气机（2）压缩至高温高压状态，随后流入加热换热器（7），加热冷水，工质温度降低；工质从加热换热器（7）流出后，进入膨胀机（5）做功，且压力下降，完成热泵加热-释热回路。

8.根据权利要求2所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统的运行控制方法，其特征在于，实现保温模式的阀组控制方法为：回热器控制阀（11）打开，储热换热器控制阀（13）打开，保温换热器控制阀（14）打开，低温储热罐控制阀（17）打开；释热换热器控制阀（12）关闭，加热换热器控制阀（15）关闭，高温储热罐控制阀（16）关闭。

9.根据权利要求3所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统的运行控制方法，其特征在于，实现加热模式的阀组控制方法为：释热换热器控制阀（12）打开，加热换热器控制阀（15）打开，高温储热罐控制阀（16）打开；回热器控制阀（11）关闭，储热换热器控制阀（13）关闭，保温换热器控制阀（14）关闭，低温储热罐控制阀（17）关闭。

10.根据权利要求6-9任一所述的面向变温供热需求的储热热泵集成系统的运行控制方法，其特征在于：

技术总结
本发明提出面向变温供热需求的储热热泵集成系统及运行控制方法，当用热端为温升较小的保温需求时，热泵机组按回热方式运行，压缩机压比和耗功减小，并通过储热将剩余功率转换为热能进行存储；当用热端为温升较大的加热需求时，通过释热系统使热泵切换至无回热方式运行，减小热泵工质与用热端介质的换热温差和不可逆损失，同时不改变压缩机和膨胀机状态，避免热泵机组频繁变工况运行。该热泵系统能够高效利用能源，具有效率高、性能高、稳定性和可靠性高等优点。

技术研发人员：刘思琦,曹晓彤,王光存
受保护的技术使用者：江苏徐工工程机械研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15