一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统、控制及设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统、控制及设计方法，包括第一循环空气源热泵循环制热蓄热循环、第二循环水环热泵增温循环及第三循环供热循环。本发明专利技术根据典型日室外温度变化曲线、典型日建筑物耗热量变化曲线以及建筑总耗量，确定高温运行时段，根据每天的气温预测情况，提前计算空气源热泵高温段运行时间，保证空气源热泵高温运行时段的高效运行，低温时段，仅运行低温第二循环增温循环提取相变蓄热罐内的热量，保证整个系统的高效运行。本发明专利技术降低空气源热泵出水温度，提高空气源热泵能效比和供暖系统能效比，提高了空气源热泵的适用范围，运行稳定，节能效果显著。节能效果显著。节能效果显著。

【技术实现步骤摘要】
一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统、控制及设计方法


[0001]本专利技术属于清洁能源利用
，具体涉及一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统、控制及设计方法。

技术介绍

[0002]冬季供暖时，煤、石油、天然气等生物质能源越来越受到限制，可再生清洁能源供暖得到广泛关注和支持。空气源热泵、水源热泵作为可再生能源的一种，得到大力的推广和应用。然而，一天内室外温度成正弦变化规律，在我国室外温度较低的严寒和寒冷地区，白天室外温度较高，夜间室外温度较低。空气源热泵是利用逆卡诺循环提取室外空气中的热量，制备成热风或者热水，其制热量及能效比，随着室外温度的降低而显著减低，随着出水温度的升高而显著降低。
[0003]机组额定制热量一定的情况下，室外温度较高时，空气源热泵供热量能力大，机组能效比(COP)高，但此时建筑所需热负荷较小；室外温度较低时，空气源热泵供热量小，机组的能效比(COP)低，但此时所需热负荷较大。故传统空气源热泵系统的工作原理致使空气源热泵采暖时，会出现空气源热泵供热能力与建筑热负荷呈现出剪刀差，出现不匹配等问题。另外，空气源热供暖还存在当室外温度降低时，其吸气压力的降低，排气压力增加，造成其压缩比增大，容易出现高压保护等停机现象，稳定性差；室外湿度较大时，容易出现融霜时无法供热，供热不稳定等现象。
[0004]因此，传统的空气源热泵采暖存在气候适应性差，供热受室外温度的影响大，稳定性差，而且随着室外温度的降低，供水温度的提高能效显著降低，能耗大等特点，使得空气源热泵采暖时整个系统COP偏低，不能充分发挥其清洁能源供暖的优势。而传统的水源热泵也存在诸多地质条件限制，打井费用高，井水回灌难，容易污染地下水等特点，其地区适应性也受到限制。

技术实现思路

[0005]为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统、控制及设计方法，既能充分利用冬季室外高温时段，提高空气源热泵COP，又能降低空气源热泵的出水温度，进一步提高空气源热泵的COP；实现了室外高温时段制热、蓄热，室外低温时段用热，解决单独的空气源热泵供热量和建筑热负荷不匹配，供热不稳定，系统能效低等系列问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统，其特征在于：包括三个循环环路：
[0008]第一循环环路为空气源热泵制热蓄热循环，包括第一压缩机、第一蒸发器、第一节流膨胀阀和第一冷凝器以及第一循环水泵；
[0009]第二循环环路为水环热泵增温循环，包括第二压缩机、第二蒸发器、第二节流膨胀阀、第二冷凝器、第二循环水泵及低温相变蓄热罐；第三循环环路为供热循环，包括第三循
环水泵和用户末端散热装置。
[0010]进一步，第一循环环路中，第一节流膨胀阀设置于第一冷凝器流向第一蒸发器的路径上；第一压缩机设置于第一蒸发器流向第一冷凝器的路径上；第一循环水泵设置于第一冷凝器和低温相变蓄热罐路径上；
[0011]进一步，第二循环水泵设置于低温相变蓄热罐与第二蒸发器构成的环路上；第二节流膨胀阀设置于第二冷凝器流向第二蒸发器的路径上；第二压缩机设置于第二蒸发器流向第二冷凝器的路径上；
[0012]进一步，用户散热末端与第二冷凝器之间通过第三循环水泵构成循环环路。
[0013]进一步，低温相变蓄热罐内储存有10水硫酸钠或6水氯化钙等低温相变材料，相变蓄热材料的熔点低于35℃。
[0014]一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统的控制方法，其特征在于：根据典型气象日室外温度的高低，把室外温度分为“高温时段(T1～T2)”和“低温时段(T2～T1)”；
[0015]高温时段(T1～T2)运行方法：根据每天的气温预测情况，提前计算空气源热泵高温段运行时间，在高温时段(T1～T2)开启第一循环环路空气源热泵制热蓄热循环，利用逆卡诺循环提取室外温度的热量，低温相变蓄热罐内的低温相变蓄热材料蓄热至35℃；于此同时，开启第二循环环路水环热泵增温循环，利用逆卡诺循环提取低温相变蓄热材料的热量，加热第三循环环路供热循环中的回水，将35～40℃的回水，温增至45～50℃后，利用第三循环水泵送至用户散热末端，满足用户的采暖需求；
[0016]低温时段(T2～T1)运行方法：此阶段仅运行第二循环环路水环热泵增温循环和第三循环环路供热循环；开启第二循环环路水环热泵增温循环，利用逆卡诺循环提取高温时段(T1～T2)提前储存在低温相变蓄热材料的热量，加热第三循环环路供热循环中的回水，将35～40℃的回水，温增至45～50℃后，利用第三循环水泵(3
‑
1)送至用户散热末端，满足用户的采暖需求。
[0017]一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统的设计方法，其特征在于：具体如下：
[0018]1)第一循环环路空气源热泵制热蓄热循环设计方法：
[0019]根据当地气候条件，确定典型日室外温度变化曲线L1，并以此计算出典型日建筑物耗热量曲线L2及建筑总耗热量M0，综合确定典型日室外温度变化曲线L1与典型日建筑物耗热量曲线L2，根据所选第一循环空气源热泵性能，确定高温运行时段(T1～T2)，计算出高温时段内单位时间所需理论制热量Q0，进一步计算所选空气源热泵名义制热量Q，并以此计算出第一循环水泵流量G1；
[0020]理论制热量Q0为：
[0021][0022]空气源热泵名义制热量Q为：
[0023][0024]式中，K1为高温时段内融霜修正系数，K2为高温时段内温度修正系数；
[0025]第一循环水泵流量G1为：
[0026]式中，t2为第一冷凝器出水温度，t1为第一冷凝器进水温度；
[0027]2)第二循环环路水环热泵增温循环和第三循环环路供热循环设计方法：
[0028]根据当地气候条件，按照当地冬季采暖冬季设计温度，计算建筑物的冬季采暖热负荷Q1，并结合所选水环热泵性能，计算所选第二循环水环热泵的名义制热量Qs，并以此计算出计算第二循环水泵流量G2和第三循环水泵流量G3；
[0029]第二循环水环热泵的名义制热量Qs为：
[0030][0031]式中，K3为水环热泵进水温度修改系数；
[0032]第二循环水泵流量G2为：
[0033][0034]式中，t3为第二蒸发器进水温度，t4为第二蒸发器出水温度，COPs为水环热泵此工作状态下的COP值；
[0035]第三循环水泵流量G3为：
[0036][0037]式中，t6为散热末端供水温度，t5为散热末端回水温度；
[0038]3)低温相变蓄热罐设计方法：
[0039]根据上述计算出的建筑总耗热量M0，结合所选低温相变蓄热材料的熔点、液体下的比热容及熔化潜热计算所需低温相变蓄热材料的理论质量m，具体为：
[0040][0041]式中，Cs为低温相变蓄热材料液体下比热容，Kj/(kg.℃)；
[0042]ts为低温相变蓄热材料熔点；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统，其特征在于：包括三个循环环路：第一循环环路为空气源热泵制热蓄热循环，包括第一压缩机(1
‑
1)、第一蒸发器(1
‑
2)、第一节流膨胀阀(1
‑
3)和第一冷凝器(1
‑
4)以及第一循环水泵(1
‑
5)；第二循环环路为水环热泵增温循环，包括第二压缩机(2
‑
1)、第二蒸发器(2
‑
2)、第二节流膨胀阀(2
‑
3)、第二冷凝器(2
‑
4)、第二循环水泵(2
‑
5)及低温相变蓄热罐(2
‑
6)；第三循环环路为供热循环，包括第三循环水泵(3
‑
1)和用户末端散热装置(3
‑
2)。2.根据权利要求1所述的一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统，其特征在于：第一循环环路中，第一节流膨胀阀(1
‑
3)设置于第一冷凝器(1
‑
4)流向第一蒸发器(1
‑
2)的路径上；第一压缩机(1
‑
1)设置于第一蒸发器(1
‑
2)流向第一冷凝器(1
‑
4)的路径上；第一循环水泵(1
‑
5)设置于第一冷凝器(1
‑
4)和低温相变蓄热罐(2
‑
6)路径上。3.根据权利要求2所述的一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统，其特征在于：第二循环水泵(2
‑
5)设置于低温相变蓄热罐(2
‑
6)与第二蒸发器(2
‑
2)构成的环路上；第二节流膨胀阀(2
‑
3)设置于第二冷凝器(2
‑
4)流向第二蒸发器(2
‑
2)的路径上；第二压缩机(2
‑
1)设置于第二蒸发器(2
‑
2)流向第二冷凝器(2
‑
4)的路径上。4.根据权利要求3所述的一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统，其特征在于：用户散热末端(3
‑
2)与第二冷凝器(2
‑
4)之间通过第三循环水泵(3
‑
1)构成循环环路。5.根据权利要求4所述的一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统，其特征在于：低温相变蓄热罐(2
‑
6)内储存有10水硫酸钠或6水氯化钙等低温相变材料，相变蓄热材料的熔点低于35℃。6.一种相变蓄热型高效清洁能源供暖系统的控制方法，其特征在于：根据典型气象日室外温度的高低，把室外温度分为“高...

【专利技术属性】
技术研发人员：马江燕，黄琳，邓保顺，侯卫华，王腾，何磊，马强，周勇，任浩，
申请(专利权)人：中铁第一勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：