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CN108826746A - 高温大温差热泵储热装置及储热方法 - Google Patents

高温大温差热泵储热装置及储热方法 Download PDF

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CN108826746A CN201810898787.6A CN201810898787A CN108826746A CN 108826746 A CN108826746 A CN 108826746A CN 201810898787 A CN201810898787 A CN 201810898787A CN 108826746 A CN108826746 A CN 108826746A
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Abstract

本发明属于节能环保、清洁能源领域，涉及一种高温大温差热泵储热装置及储热方法，包括冷媒介质闭路制热加热循环工作回路、储热罐和冷却介质放热换向机构；冷媒介质闭路制热加热循环工作回路制取热能并加热储热罐内的储热材料，并由储热材料将热能存贮起来，通过冷却介质放热换向机构及驱动泵再将冷媒介质闭路制热加热循环工作回路所制取的热量和储热罐中所存储的热能释放出去。本发明大幅度提高了热泵产品的使用温度和可使用温差，扩大了热泵技术的可应用范围。

Description

高温大温差热泵储热装置及储热方法
技术领域
本发明属于节能环保、清洁能源领域。是一种利用热泵制取热能、并将热能存储起来再释放应用的系统装置和方法。
背景技术
近些年随着人们节能环保意识的提高、国家在大气污染治理和环境保护政策的推动下，热泵制热技术得到了快速的发展和应用，是目前落实国家环境保护、能源替代和“煤改电”等政策的主要应用技术之一。
目前存在的问题：
一、热泵技术因其节约能源而得到广泛推广，但热泵装置总体上是一种“即开即热”的设备，如做供暖使用时需要全天24小时开机，作为大面积应用的用电设备无法参与电网调峰，无法实现用电负荷的“削峰填谷”，因此也无法享受到国家分峰、谷、平时段调峰的电价政策，享受不到电网低谷时段的优惠电价。从目前应用情况看，其运行成本仍然显得过高，有些地区和用户仍然难以承受。
二、目前在热泵技术应用范围最广的供暖领域，热泵机组多是采用单级压缩机组。双级压缩机组因其造价高昂、能效比低，所以只是应用在少数地区和领域。单机压缩热泵机组在供暖领域作为热源应用时多是以40℃-50℃的热水形式输出，温度不高，采用热水循环方式输出热能时，机组出、回水的设计温差一般只有5-7℃，如果以热负荷的回流介质（如供暖系统的回水）温度为基准，热泵机组的出水温度不会高过10℃。如果再经过换热器换热输出后温度更低，一般热输出的温度还要降低5℃，所以一般不采用换热器换热。
热泵机组因输出温度低、温差小带来两方面的问题：
1. 限制了热泵的应用范围。如在供暖领域，热泵机组对供暖系统末端采用地热辐射供暖比较适合（供暖系统出水35℃-40℃、回水30℃），对采用热源温度要求较高的散热器片和风机盘管供暖系统就不大适合直接使用，特别是大型集中式供暖系统，多数经过换热器换热、末端设备又多种多样，因此大型集中式供暖系统很少应用热泵技术。
2. 现有单级压缩热泵机组通过热水形式输出的热能难以存储和应用。如果储热装置是以目前多数使用的以热水形式做热能输出的单级压缩热泵机组为储热的热源，则储热温度上限不可能高于热泵机组的输出温度，而在储热装置释放热能进行热能输出时，不能低于热负荷的回流介质（如供暖系统的回水）温度，是储热材料应用的温度下限。
在储热装置设计时，理论上储热材料的温度越高，储热的效率越高、储热量越大，释放热能时输出温度越高释放的热功率就越大。
因单机压缩热泵机组在应用时对储热装置上、下限温度的限制，也就限制了储热材料的选择范围，不大于10℃的上、下限温差又使同样可使用的储热材料所存储的热能少、储热密度相对较低，热能存储后释放输出时释放的热功率也比较低，不具有普遍应用的价值。
目前市场上尚未见到实际使用的通过热泵制热并储热的产品。
发明内容
发明目的
针对上述问题，本发明提出一种能够持续供热，能源利用率高，循环效率高的高温大温差热泵储热装置及储热方法。
技术方案
一种高温大温差热泵储热装置，其特征在于：包括冷媒介质闭路制热加热循环工作回路、储热罐和冷却介质放热换向机构；
储热罐内装填有储热材料，冷媒介质流道和放热介质流道位于储热罐内；
蒸发器中冷媒介质出口端连接压缩机的吸入端，压缩机的输出端连接储热罐中的冷媒介质流道的输入端，冷媒介质流道的输出端连接冷凝器中的冷媒介质流道输入端，冷凝器中的冷媒介质流道的输出端连接冷媒介质处理器的输入端、冷媒介质处理器的输出端连接膨胀阀的输入端，膨胀阀的输出端连接蒸发器中冷媒介质流道的输入端，构成冷媒介质闭路制热加热循环工作回路；
储热罐中的放热介质流道的输出端连接热负荷设备的输入端，热负荷设备的输出端连接放热介质泵的输入端，放热介质泵的输出端连接冷凝器中的冷却介质流道的输入端，冷凝器中的冷却介质流道的输出端与第一阀门输入端相连，冷凝器中的冷却介质流道的输出端同时与第二阀门输入端也相连，第一阀门的输出端连接放热介质流道的输入端，第二阀门的输出端与放热介质流道的输出端相连也与热负荷设备的输入端相连，构成冷却介质放热换向机构。
所述第一阀门和第二阀门替换为一台换向阀门，换向阀门的输入端连接冷凝器中的冷却介质流道的输出端，换向阀门的两个换向输出端分别连接放热介质流道的输入端和放热介质流道的输出端，另一个换向输出端连接放热介质流道的输出端还同时与热负荷设备的输入端相连。
所述储热罐从外到内结构依次为外壳、保温层和内壳，内壳下端设有基座，内壳内还设有电动扰流器。
所述储热罐是球体、圆柱体或立方体的容器。
所述储热材料的装填高度高于冷媒介质流道和放热介质流道，将冷媒介质流道和放热介质流道安置于储热材料内。
所述储热罐与热负荷设备之间加装放热介质缓冲容器和系统耦合器。
所述冷媒介质闭路制热加热循环工作回路、储热罐和冷却介质放热换向机构数量比值可以是任意数值，不局限于1：1：1。
所述冷媒介质流道和放热介质流道位于储热罐内为螺旋状，放热介质流道将冷媒介质流道包围在内。
一种利用如所述高温大温差热泵储热及应用系统储热供热的方法，其特征在于：
加热储热过程：放热介质泵开机运行、第一阀门关闭、第二阀门打开，压缩机工作，载热介质携带一定量的热能进入蒸发器，蒸发器中的冷媒介质受热蒸发、吸收热能后被吸入压缩机，经压缩机压缩后在压缩机的推动下进入冷媒介质流道后释放热能，加热储热材料，并由储热材料将热能存贮起来；释放了热能后的冷媒经过冷凝器，被冷凝器中冷却介质流道中的低温放热介质冷却到与放热介质相近的温度，变成低温冷媒，再经过冷媒介质处理器和膨胀阀后进入蒸发器吸收载热介质所携带的热能，进行下一个循环；
热能释放过程：放热介质泵开机运行，第一阀门打开、第二阀门关闭，从热负荷设备出来的放热介质在放热介质泵的推动下先经过冷凝器的冷却介质流道，通过吸收热量来冷却冷凝器中的冷媒后进入储热罐中的放热介质流道，储热罐中储热材料所存储的高温热能通过放热介质流道加热放热介质，在放热介质泵的推动下被加热后的放热介质携带热能对外输出，传输给热负荷设备；
加热储热过程和热能释放过程能够单独进行也能够同时进行，同时进行时时第一阀门打开、第二阀门关闭，当冷媒介质闭路制热加热循环工作回路制取的热量大于热负荷时，多余的热量存储到储热材料中，当冷媒介质闭路制热加热循环工作回路制取热量小于热负荷时，装置输出的热量是制取的热量加上储热罐释放的热量。
优点及效果
大幅度提高了热泵产品的使用温度和可使用温差，扩大了热泵技术的可应用范围。
本发明可实现大型化和热泵多机组、储热多装置、多种组合联机运行。
本发明热泵储热可以使用户利用电网低谷时段的优惠电价政策，大幅度的降低使用成本。实际应用时，可以根据不同的时间段、不同时段热负荷的大小和使用目的等条件，配合热泵机组和热负荷的控制，灵活控制换向阀门组的切换。
附图说明
图1、本发明的连接结构示意图；
图2、本发明的储热罐内冷媒介质流道和放热介质流道相对位置示意图。
附图标记说明：1.蒸发器、2.压缩机、3.储热罐、4.冷凝器、5.冷媒介质处理器、6.膨胀阀、7.冷媒介质流道、8.放热介质流道、9.储热材料、10.热负荷设备、11.放热介质泵、12-1.第一阀门、12-2.第二阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，一种高温大温差热泵储热装置，其特征在于：包括冷媒介质闭路制热加热循环工作回路、储热罐3和冷却介质放热换向机构。
储热罐3是球体、圆柱体或立方体的容器。储热罐3从外到内结构依次为外壳、保温层和内壳，内壳下端设有基座，内壳内还设有电动扰流器。储热罐3内装有储热材料9，冷媒介质流道7和放热介质流道8位于储热罐3内。储热材料9的装填高度高于冷媒介质流道7和放热介质流道8，将冷媒介质流道7和放热介质流道8安置于储热材料9内
蒸发器1中冷媒介质出口端连接压缩机2的吸入端，压缩机2的输出端连接储热罐3中的冷媒介质流道7的输入端，冷媒介质流道7的输出端连接冷凝器4中的冷媒介质流道输入端，冷凝器4中的冷媒介质流道的输出端连接冷媒介质处理器5的输入端、冷媒介质处理器5的输出端连接膨胀阀6的输入端，膨胀阀6的输出端连接蒸发器1中冷媒介质流道的输入端，构成冷媒介质闭路制热加热循环工作回路。
储热罐3中的放热介质流道8的输出端连接热负荷设备10的输入端，热负荷设备10的输出端连接放热介质泵11的输入端，放热介质泵11的输出端连接冷凝器4中的冷却介质流道的输入端，冷凝器4中的冷却介质流道的输出端与第一阀门12-1输入端相连，冷凝器4中的冷却介质流道的输出端同时与第二阀门12-2输入端也相连，第一阀门12-1的输出端连接放热介质流道8的输入端，第二阀门12-2的输出端与放热介质流道8的输出端相连也与热负荷设备10的输入端相连，构成冷却介质放热换向机构。
冷媒介质闭路制热加热循环工作回路、储热罐3和冷却介质放热换向机构数量比值可以是任意数值，不局限于1：1：1。这样不仅可以应对大型供暖也可以应对小型供暖。
为保证供热质量和供热系统的稳定性在储热罐3与热负荷设备10之间加装放热介质缓冲容器、系统耦合器等（如缓冲水箱）。
如图2所示，冷媒介质流道7和放热介质流道8位于储热罐3内为螺旋状，放热介质流道8将冷媒介质流道7包围在内。
上述冷媒介质处理器5根据冷媒介质需要、压缩机型以及蒸发器的类型选择，可以是过滤器、干燥器、过滤干燥器或油分离器。
上述热负荷设备10可以是加热器、换热器、缓冲罐、混流器、散热器、风机盘管或供暖系统。
第一阀门12-1和第二阀门12-2还可以替换为一台换向阀门，不局限于上述实施例内的两个阀门。换向阀门的输入端连接冷凝器4中的冷却介质流道的输出端，换向阀门的两个换向输出端分别连接放热介质流道8的输入端和放热介质流道8的输出端，另一个换向输出端连接放热介质流道8的输出端还同时与热负荷设备的输入端相连。
利用高温大温差热泵储热及应用系统储热供热的方法及原理如下：
加热储热过程：放热介质泵11开机运行、第一阀门12-1关闭、第二阀门12-2打开，压缩机2工作，载热介质携带一定量的热能进入蒸发器1，蒸发器1中的冷媒介质受热蒸发、吸收热能后被吸入压缩机2，经压缩机2压缩后能够变成95℃-160℃的高温、高压的冷媒。储热罐3中的冷媒介质流道7既是冷媒的散热器，同时也是用于加热储热材料的加热器。上述这种高温、高压的冷媒在压缩机2的推动下进入冷媒介质流道7后释放热能，加热储热材料9，并由储热材料9将热能存贮起来。释放了热能后的冷媒经过冷凝器4，被冷凝器4中冷却介质流道中的低温放热介质（如供暖系统的低温回水）冷却到与放热介质相近的温度，变成低温冷媒，再经过冷媒介质处理器5和膨胀阀6后进入蒸发器1吸收载热介质所携带的热能，进行下一个循环。
热能释放过程：放热介质泵11开机运行，第一阀门12-1打开、第二阀门12-2关闭，从热负荷设备10出来的放热介质在放热介质泵11的推动下先经过冷凝器4的冷却介质流道，通过吸收热量来冷却冷凝器中的冷媒后进入储热罐3中的放热介质流道8，储热罐3中储热材料9所存储的高温热能通过放热介质流道8加热放热介质，在放热介质泵11的推动下被加热后的放热介质携带热能对外输出，传输给热负荷设备10。
在实际使用中热泵储热装置的加热储热过程和热能释放过程可以同时进行的，此时第一阀门12-1打开、第二阀门12-2关闭，当热泵机组也就是本发明的冷媒介质闭路制热加热循环工作回路制取的热量大于热负荷时，多余的热量存储到储热材料9中，当热泵机组制取热量小于热负荷时，装置输出的热量是热泵制取的热量加上储热罐3释放的热量。
本发明的热泵储热装置更适合做建筑物的采暖热源，但不局限于做建筑物的采暖热源。

Claims (9)

1.一种高温大温差热泵储热装置，其特征在于：包括冷媒介质闭路制热加热循环工作回路、储热罐和冷却介质放热换向机构；
储热罐内装填有储热材料，冷媒介质流道和放热介质流道位于储热罐内；
蒸发器中冷媒介质出口端连接压缩机的吸入端，压缩机的输出端连接储热罐中的冷媒介质流道的输入端，冷媒介质流道的输出端连接冷凝器中的冷媒介质流道输入端，冷凝器中的冷媒介质流道的输出端连接冷媒介质处理器的输入端、冷媒介质处理器的输出端连接膨胀阀的输入端，膨胀阀的输出端连接蒸发器中冷媒介质流道的输入端，构成冷媒介质闭路制热加热循环工作回路；
储热罐中的放热介质流道的输出端连接热负荷设备的输入端，热负荷设备的输出端连接放热介质泵的输入端，放热介质泵的输出端连接冷凝器中的冷却介质流道的输入端，冷凝器中的冷却介质流道的输出端与第一阀门输入端相连，冷凝器中的冷却介质流道的输出端同时与第二阀门输入端也相连，第一阀门的输出端连接放热介质流道的输入端，第二阀门的输出端与放热介质流道的输出端相连也与热负荷设备的输入端相连，构成冷却介质放热换向机构。
2.根据权利要求1所述的高温大温差热泵储热装置，其特征在于：所述第一阀门和第二阀门替换为一台换向阀门，换向阀门的输入端连接冷凝器中的冷却介质流道的输出端，换向阀门的两个换向输出端分别连接放热介质流道的输入端和放热介质流道的输出端，另一个换向输出端连接放热介质流道的输出端还同时与热负荷设备的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的高温大温差热泵储热装置，其特征在于：所述储热罐从外到内结构依次为外壳、保温层和内壳，内壳下端设有基座，内壳内还设有电动扰流器。
4.根据权利要求3所述的高温大温差热泵储热装置，其特征在于：所述储热罐是球体、圆柱体或立方体的容器。
5.根据权利要求1所述的高温大温差热泵储热装置，其特征在于：所述储热材料的装填高度高于冷媒介质流道和放热介质流道，将冷媒介质流道和放热介质流道安置于储热材料内。
6.根据权利要求1所述的高温大温差热泵储热装置，其特征在于：所述储热罐与热负荷设备之间加装放热介质缓冲容器和系统耦合器。
7.根据权利要求1所述的高温大温差热泵储热装置，其特征在于：所述冷媒介质闭路制热加热循环工作回路、储热罐和冷却介质放热换向机构数量比值可以是任意数值，不局限于1：1：1。
8.根据权利要求1所述的高温大温差热泵储热装置，其特征在于：所述冷媒介质流道和放热介质流道位于储热罐内为螺旋状，放热介质流道将冷媒介质流道包围在内。
9.一种利用如权利要求1所述高温大温差热泵储热及应用系统储热供热的方法，其特征在于：
加热储热过程：放热介质泵开机运行、第一阀门关闭、第二阀门打开，压缩机工作，载热介质携带一定量的热能进入蒸发器，蒸发器中的冷媒介质受热蒸发、吸收热能后被吸入压缩机，经压缩机压缩后在压缩机的推动下进入冷媒介质流道后释放热能，加热储热材料，并由储热材料将热能存贮起来；释放了热能后的冷媒经过冷凝器，被冷凝器中冷却介质流道中的低温放热介质冷却到与放热介质相近的温度，变成低温冷媒，再经过冷媒介质处理器和膨胀阀后进入蒸发器吸收载热介质所携带的热能，进行下一个循环；
热能释放过程：放热介质泵开机运行，第一阀门打开、第二阀门关闭，从热负荷设备出来的放热介质在放热介质泵的推动下先经过冷凝器的冷却介质流道，通过吸收热量来冷却冷凝器中的冷媒后进入储热罐中的放热介质流道，储热罐中储热材料所存储的高温热能通过放热介质流道加热放热介质，在放热介质泵的推动下被加热后的放热介质携带热能对外输出，传输给热负荷设备；
加热储热过程和热能释放过程能够单独进行也能够同时进行，同时进行时时第一阀门打开、第二阀门关闭，当冷媒介质闭路制热加热循环工作回路制取的热量大于热负荷时，多余的热量存储到储热材料中，当冷媒介质闭路制热加热循环工作回路制取热量小于热负荷时，装置输出的热量是制取的热量加上储热罐释放的热量。
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