一种储能式高效空气源热泵供暖系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种储能式高效空气源热泵供暖系统及方法，系统包括储能子系统、空气预热器、输配电子系统和空气源热泵。空气压缩机、储热/换热器、储气室、回热器、加热器、透平膨胀机依次连通构成储能子系统；透平膨胀机与发电机连接，发电机通过输配电子系统与空气源热泵电动机连接；储热/换热器排水口与空气预热器进水口连通，空气预热器排水口经循环泵与储热/换热器进水口连通。可将夜间电网低谷电转变成空气压力能存储，同时利用压缩热预热空气源热泵进口空气以提高夜间低温下热泵能效，白天用电高峰时段将存储的空气压力能转换成电能驱动空气源热泵。能够有效降低空气源热泵运行电费，并能解决夜间低温环境下空气源热泵能效不高问题。

A energy storage type high efficiency air source heat pump heating system

The utility model discloses a energy storage type high efficiency air source heat pump heating system and a method. The system comprises a energy storage subsystem, an air preheater, a transmission and distribution electronic system and an air source heat pump. The air compressor, heat storage / heat exchanger, gas storage room, regenerator, heater and turbine expander are connected in turn to form a energy storage subsystem; the turbine expander is connected with the generator, the generator is connected to the air source heat pump motor through the transmission and distribution system; the heat storage / heat exchanger drain port is connected with the air preheater inlet, and the air is preformed. The outlet of the heat exchanger is communicated with the inlet of the heat storage / heat exchanger through the circulating pump. At the same time, the low valley electricity can be converted into air pressure to be stored, and the compressed heat preheating air source heat pump is used to import air to improve the energy efficiency of the heat pump at low temperature at night. It can effectively reduce the operation cost of air source heat pump and solve the problem of low energy efficiency of air source heat pump at low temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种储能式高效空气源热泵供暖系统
本技术涉及清洁供暖
，具体的说，是涉及一种储能式高效空气源热泵供暖系统。
技术介绍
近年来，雾霾天气在我国北方大部分地区持续、频繁出现。由于冬季北方许多城市周边、农村等地区没有集中供暖，大量采用原煤散烧和小型燃煤锅炉取暖造成的烟尘排放成为雾霾的重要来源。为解决上述问题，国家正在大力推进清洁采暖工程，其中“煤改电”是清洁采暖的重要举措之一。另一方面，由于人类昼行夜伏的生活特点，不同时段用电负荷差异使得电网存在巨大的负荷峰谷差，这是全球面临的难题。随着我国风电、光伏为代表的新能源发电产业迅猛增长，其波动性、间歇性及反调峰特性进一步加剧了电网负荷峰谷差，由此导致弃风、弃光现象日趋严峻。为促进用电负荷平衡，国家和各地均制定了“峰谷”电价政策，高峰时段电价甚至可达低谷时段电价的3到4倍。针对上述问题，人们提出了一种可将“煤改电”与电网“削峰填谷”需求相结合的储能式供暖技术。目前所采用的储能式供暖技术主要是蓄热电锅炉，它利用夜间低谷电将蓄热介质(水或固体材料)加热到一定温度储存热量，在平电时段和峰电时段利用所储存的热量供暖。由此，可以大幅降低电供暖费用，但蓄热电锅炉仅仅利用峰谷电差价，并不具有节能效益，若计入蓄热介质散热损失，其电热转换效率低于普通电锅炉。空气源热泵是采用电能驱动，以环境空气作为低品位热源供暖，具有能效高、系统简单、操作维护方便的特点。与电锅炉相比，空气源热泵的COP值通常高于2，即1kW电能可产生2kW以上热量，具有较好的节能效益，是煤改电的重要技术选择。然而，现阶段空气源热泵技术还存在以下问题：1)能效受环境空气温度影响大。北方地区冬季昼夜温差较大，白天室外环境温度通常在0℃以上，空气源热泵COP值可达到2.8以上，而夜间环境温度逐渐降至约-10℃以下，COP值低于2。此外，在低于0℃环境下，蒸发器结霜现象严重，需要不断除霜，一旦出现这种情况，COP值甚至会低于1以致不能运行。2)不适合与现有储热技术联用。空气源热泵只能产生约60℃热水，由于温度较低，能量密度低，若以之用作蓄热则所需蓄热介质容量极大，经济性差。因而，有必要设计一种新型的储能式高效空气源热泵供暖系统，来解决上述问题。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的技术问题，本技术的目的是提供一种储能式高效空气源热泵供暖系统及方法，其能克服现有空气源热泵供暖技术的不足。该系统可将夜间电网低谷电转变成空气压力能存储，同时利用压缩热预热空气源热泵进口空气以提高夜间低温下热泵能效，在白天用电高峰时段将存储的空气压力能转换成电能驱动空气源热泵。为了解决以上问题，本技术的技术方案为：一种储能式高效空气源热泵供暖系统，包括低压空气压缩机、储热/换热器、高压空气压缩机、第一冷却管束、第二冷却管束、储气室、回热器、加热器、透平膨胀机、电机、空气源热泵、空气预热器和低压配电子系统；其中，低压空气压缩机的进气口与空气连通，排气口与第一冷却管束的一端连接，第一冷却管束的另一端与高压空气压缩机的进气口连接，高压空气压缩机的排气口与第二冷却管束的一端连接，第二冷却管束的另一端通过止回阀与储气室连接，第一冷却管束和第二冷却管束均设置于储热/换热器中；储热/换热器的空腔提供盛放储热介质的空间；储气室与回热器的冷介质入口连接，回热器的冷介质出口与加热器的进气口连接，加热器的排气口与透平膨胀机的进气口连接，透平膨胀机的排气口与回热器的热介质入口连接，回热器的热介质出口与空气连通；透平膨胀机与电机连接，电机通过低压配电子系统与局域电网连接；空气预热器设置于空气源热泵的气体进口处，空气预热器的进口与储热/换热器的上端连接，空气预热器的出口与储热/换热器的下端连接；空气源热泵与供暖回水管路连接；低压配电子系统与空气源热泵连接。通过空气压缩机将夜间低谷电转变成空气压力能存储，而在白天电网负荷高峰时段将压缩空气重新转换为电能驱动空气源热泵，达到三个有益效果：一是符合电网“削峰填谷”和夜间风电并网消纳需求；二是借助热泵COP值高于1的特性实现低谷电的节能利用；三是有效降低空气源热泵运行电费。回收空气压缩过程的压缩热并用于夜间预热空气源热泵进口空气，达到两个有益效果：一是通过降低高压空气压缩机进气口温度减少压缩过程能耗，从而提高电-电转换效率；二是通过提高空气源热泵低温热源温度，使得夜间较低气温下空气源热泵COP值增加。将压缩空气储能子系统并网运行，可避免储能子系统启停操作等对热泵运行的影响，从而使得系统电能调度更灵活、设备集成度高、易于操作维护。优选的，所述第一冷却管束和第二冷却管束设置于储热/换热器的下端，且第二冷却管束位于第一冷却管束的下端。低压空气压缩机排出的高温空气在第一冷却管束的管内流动，流动方向由上向下，高压空气压缩机排出的高温空气在第二冷却管束的管内流动，流动方向由上向下，储热/换热器内下部的低温水被中间冷却管束和后部冷却管束以自然对流换热方式加热并流向储热/换热器上部，利于热能的储存。优选的，所述回热器为板式换热器、管壳式换热器、热管式换热器中的一种。优选的，储热/换热器内的储热介质为水。优选的，所述加热器为管壳式换热器、热管式换热器中的一种，加热介质为导热油，热源为槽式太阳能集热器收集的太阳能。优选的，所述加热器为燃烧室。以天然气为燃料，通过燃烧加热。优选的，所述空气预热器为管式空气预热器。热水在管内流动，低温空气从管外流过被加热。优选的，所述空气预热器的进水口和出水口管道上均布置有切断阀。白天气温较高时切断空气预热器水路，直接采用环境空气作为空气源热泵低温热源。所述储能系统采取并网运行模式，发出电能接入低压配电网，低压空气压缩机、高压空气压缩机与空气源热泵运行所需电能从低压配电网获取。一种储能式高效空气源热泵供暖方法，包括如下步骤：1)夜晚时，空气进入低压空气压缩机被压缩成低压高温空气，进入第一冷却管束中被冷却为低压低温空气，然后进入高压空气压缩机，被压缩为高压高温空气，进入第二冷却管束被冷却为高压低温空气，同时将储热/换热器中的储热介质加热，高压低温空气进入储气室储存；将来自电网的电能转化为空气压力能、空气显热能和储热介质的显热能；储热/换热器中被加热的储热介质被泵入空气预热器中，对进入空气源热泵的空气进行预热，冷却后的储热介质自储热/换热器底部的进口循环回储热/换热器，同时空气源热泵由电网电能驱动；2)白天时，储气室中的高压低温空气经节流阀减压为中压低温空气后进入回热器加热，然后进入加热器加热后，进入透平膨胀机做功，透平膨胀机输出的功驱动发电机发电，发出的电力接入低压配电子系统，驱动空气源热泵。优选的，步骤1)中，低压空气压缩机和高压空气压缩机压缩后的空气的压力范围为2-6MPa。依据选取的系统内压缩空气压力，空气压缩机采用2级或3级压缩，相应的在各级空气压缩机之间布置中间冷却管束，在最后一级空气压缩机后部布置后部冷却管束；本技术的有益效果为：1)通过空气压缩机将夜间低谷电转变成空气压力能存储，而在白天电网负荷高峰时段将压缩空气重新转换为电能驱动空气源热泵，达到三个有益效果：一是符合电网“削峰填谷”和夜间风电并网消纳需求；二是借助热泵COP值高于1的特性实现低谷电的节能利用；三是有效降低空气源热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：包括低压空气压缩机、储热/换热器、高压空气压缩机、第一冷却管束、第二冷却管束、储气室、回热器、加热器、透平膨胀机、电机、空气源热泵、空气预热器和低压配电子系统；其中，低压空气压缩机的进气口与空气连通，排气口与第一冷却管束的一端连接，第一冷却管束的另一端与高压空气压缩机的进气口连接，高压空气压缩机的排气口与第二冷却管束的一端连接，第二冷却管束的另一端通过止回阀与储气室连接，第一冷却管束和第二冷却管束均设置于储热/换热器中；储热/换热器的空腔提供盛放储热介质的空间；储气室与回热器的冷介质入口连接，回热器的冷介质出口与加热器的进气口连接，加热器的排气口与透平膨胀机的进气口连接，透平膨胀机的排气口与回热器的热介质入口连接，回热器的热介质出口与空气连通；透平膨胀机与电机连接，电机通过低压配电子系统与局域电网连接；空气预热器设置于空气源热泵的气体进口处，空气预热器的进口与储热/换热器的上端连接，空气预热器的出口与储热/换热器的下端连接；空气源热泵与供暖回水管路连接；低压配电子系统与空气源热泵连接。

【技术特征摘要】
1.一种储能式高效空气源热泵供暖系统，其特征在于：包括低压空气压缩机、储热/换热器、高压空气压缩机、第一冷却管束、第二冷却管束、储气室、回热器、加热器、透平膨胀机、电机、空气源热泵、空气预热器和低压配电子系统；其中，低压空气压缩机的进气口与空气连通，排气口与第一冷却管束的一端连接，第一冷却管束的另一端与高压空气压缩机的进气口连接，高压空气压缩机的排气口与第二冷却管束的一端连接，第二冷却管束的另一端通过止回阀与储气室连接，第一冷却管束和第二冷却管束均设置于储热/换热器中；储热/换热器的空腔提供盛放储热介质的空间；储气室与回热器的冷介质入口连接，回热器的冷介质出口与加热器的进气口连接，加热器的排气口与透平膨胀机的进气口连接，透平膨胀机的排气口与回热器的热介质入口连接，回热器的热介质出口与空气连通；透平膨胀机与电机连接，电机通过低压配电子系统与局域电网连接；空气预热器设置于空气源热泵的气体进口处，空气预热器的进口与储热/换热器的上端连接，空气预热器的出口与储热/换热器的下端连接；空气源热泵与供暖回水管路连接；低压...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐震，董勇，张峰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：新型
国别省市：山东,37