一种热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统和方法与流程

1.本发明涉及暖通技术领域，具体而言，涉及一种热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统和方法。


背景技术：

2.目前，供冷供热系统主要由热源塔热泵空调机组和双罐储能系统组成。热源塔热泵空调机组是一种冬季吸收室外空气中的热量为系统提供热量，夏季将系统的热量排出到室外的组合配套设备装置。热源塔热泵空调机组主要由热源塔、热泵主机和除霜机组合。热泵主机主要由蒸发器、压缩机、膨胀阀和冷凝器组成，工质依次在上述各部件中循环流动，不断改变状态，完成吸热与放热。在夏季需要制冷时，通过热源塔利用蒸发冷却为热泵机组提供稳定冷源；在冬季需要制热时，热源塔利用低于冰点载体介质，高效提取冰点以下的空气湿球显热能，从而为热泵机组提供可靠的热源。
3.在双罐储能系统中有一个热罐和一个冷罐，储热时通过泵将冷罐内的液体介质抽出，在其吸收热量后将之存储在热罐内，放热时通过泵将热罐内的高温介质抽出，在其释放热量后将其泵回冷罐。该双罐储能系统结构简单，技术成熟。
4.然而，目前的供冷供热系统仍然存在以下缺陷：（1）双罐储热系统由于具有两个储热罐，占地面积大，储热介质相应增加，系统储热成本较高。（2）热源塔热泵空调机组通过增设除霜机实现热泵主机除霜的目的，目前除霜机主要采用电热除霜或逆循环除霜方式，电热除霜方式是用电加热提供化霜热，具有系统简单、除霜完全、实现控制简单的优点，但存在耗电多不够经济的缺点；逆循环除霜通过四通阀换向使制冷剂沿环路反向流动，将热泵从制热工况转换成制冷工况，热泵从室内吸热排到室外换热器以融化其表面结霜。逆循环除霜方式简单易行，除霜效果良好。然而，在除霜时高低压对接过程会对系统各部件产生比较严重的冲击，系统可靠性受到影响。（3）在部分场合有较大的峰谷电价差时，如需要蓄冰，则需要另购蓄冰机组，既增加了占地面积又增加了系统投资，并且空调机组的利用效率低，影响系统的整体布置。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供了一种热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统和方法，解决了现有技术中供冷供热系统占地面积大，系统储热成本较高，空调机组的利用效率低的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统，包括蓄能子系统，及与所述蓄能子系统相连的热源塔热泵子系统和供冷供热子系统，所述热源塔热泵子系统用于产生并输送热能或冷能，所述蓄能子系统用于存储热能或冷能，所述供冷供热子系统用于将热能或冷能提供给用户端使用；所述热源塔热泵子系统包括热泵主机和热源塔，所述热泵主机流体进出口端分别与蓄能子系统上下部相连，且其冷冻水进出口端分别与热源塔上下部相连；所述蓄能子系统包括蓄能罐和蓄能槽，
所述蓄能罐架设于蓄能槽上，且其底端部伸入蓄能槽内，所述蓄能槽内部设置有融冰盘管，所述融冰盘管的第一端口与热泵主机流体进出口端相连，所述蓄能罐侧部沿其高度方向设置有多个供水口，所述融冰盘管的第二端口和供水口通过管道与供冷供热子系统相连；所述供冷供热子系统包括风机盘管、冰晶过滤器、第三泵组、第四泵组和四通接头，所述融冰盘管的第二端口和蓄能槽的底部开口经第三泵组与冰晶过滤器相连，所述冰晶过滤器与四通接头一端口相连，且所述四通接头其余端口分别与风机盘管、用户端和蓄能槽相连通，多个所述供水口通过第四泵组与用户端相连，且所述供水口连接有风机盘管，所述风机盘管用于向用户端提供冷热风。
7.作为优选方案，所述热泵主机包括依次连接形成回路的第一换热器、压缩机、第二换热器和膨胀阀，所述蓄能槽内部设置有第三换热器，所述第三换热器进出口端与第一换热器的制冷剂进出口端相连。
8.作为优选方案，所述蓄能罐包括罐体、支柱和至少两个隔板，所述罐体通过支柱固设于蓄能槽上，两个所述隔板可滑动设于所述罐体内部，且一所述隔板设于罐体中部，以将罐体内部分隔成上蓄能腔和下蓄能腔，另一所述隔板设于罐体底端开口处，所述上蓄能腔和下蓄能腔内分别设置有上布水器和下布水器，所述上布水器和下布水器通过第一泵组和第二泵组分别与热泵主机流体进出口端相连，且所述第二泵组通过支管与蓄能槽相连通。
9.作为优选方案，所述隔板包括隔板主体，所述隔板主体顶端面和/或底端面上均匀设置有多个固定杆，所述固定杆端部可转动设置有滑轮，且所述滑轮与罐体内壁面抵接，所述隔板主体外侧壁设置有与罐体内壁面相贴近的密封环。
10.作为优选方案，所述罐体顶端部设置有安全阀，且其底端部设置有泄压阀，所述供水口安装有温度传感器，用于检测供水温度。
11.作为优选方案，所述蓄能槽的底部开口通过管道与热源塔流体入口端相连，且所述热源塔流体出口端通过管道与蓄能槽相连通。
12.本发明还提供了一种热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热方法，应用于上述任一项所述的热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统上，所述供冷供热方法包括如下模式：普通蓄冷、深度蓄冰、普通供冷、边供边蓄冷、普通蓄热、深度蓄热、普通供热和边供边蓄热。
13.作为优选方案，普通蓄冷模式启动前，蓄能罐的上蓄能腔充满热流体，其下蓄能腔内的冷流体排空，蓄能槽内的冷流体排空，隔板滑动到蓄能罐下部；普通蓄冷模式启动后，上蓄能腔内的热流体流出与热泵主机的制冷剂换热降温后，流入下蓄能腔内，当下蓄能腔充满后，隔板滑动到蓄能罐上部，再将换热降温后的冷流体输送至蓄能槽，直至蓄能槽充满；蓄能槽充满后，启动深度蓄冰模式，热泵主机内的制冷剂流入蓄能槽内的第三换热器中，第三换热器与蓄能槽内的冷流体进一步换热降温，形成冰晶；普通供冷模式启动后，蓄能罐内的冷流体通过不同供水口向用户端提供不同温度的冷流体，蓄能罐内的冷流体经融冰盘管形成过冷流体，过冷流体与蓄能槽的融化水混合后再经冰晶过滤器输送至风机盘管，风机盘管向用户端提供冷风；边供边蓄冷模式启动后，蓄能罐内的冷流体先经热泵主机换热降温后，再流入融冰盘管内，其余步骤与普通供冷模式相同。
14.作为优选方案，普通蓄热模式启动前，蓄能罐的下蓄能腔充满冷流体，其上蓄能腔内的热流体排空，隔板滑动到蓄能罐上部；普通蓄热模式启动后，下蓄能腔内的冷流体流出与热泵主机的制冷剂换热升温后，流入上蓄能腔内，当上蓄能腔充满后，隔板滑动到蓄能罐
下部；深度蓄热模式启动后，热泵主机内的制冷剂流入蓄能槽内的第三换热器中，第三换热器与蓄能槽内的冷流体换热升温形成热流体；普通供热模式启动后，蓄能罐内的热流体通过不同供水口向用户端提供不同温度的热流体，且蓄能槽内的热流体流入上蓄能腔内进行补充，蓄能罐的热流体还经供水口流入风机盘管，风机盘管向用户端提供热风；边供边蓄热模式启动后，蓄能槽内的热流体先经热泵主机换热升温后，再流入上蓄能腔内，其余步骤与普通供热模式相同。
15.作为优选方案，在普通蓄热、深度蓄热、普通供热和边供边蓄热模式中，所述蓄能槽内的流体通过管道与热源塔流体进口端相连，且所述热源塔流体出口端通过管道接入蓄热槽内。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：该系统采用蓄能罐和蓄能槽组合设计，增大了蓄能量，储冷和储热共用罐体，且共用冷热流体泵及管道，大大降低了储热储冷和供冷供热成本；蓄能罐架设于蓄能槽上方，使得蓄能罐可以将蓄能槽内散失的热能或冷能吸收，从而降低能量损失；蓄能罐内的隔热板增强了上蓄能腔和下蓄能腔之间的隔热能力，可以降低系统
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损失，提高系统能量利用率；将热泵主机的制冷剂通入蓄能槽的第三换热器内，使得蓄能槽可以提供过热和过冷流体，增强了温度调节的灵活性；该系统可以通过采用不同运行模式来应对多样用能需求波动，能够适应大容量蓄热蓄冷需求，储热储冷能力高，成本低，性能稳定可靠。而且，该系统把用户端的回水余热转存到蓄能槽内,使之作为热源泵除霜工况下的低位热源,有效克服了采用电热除霜或逆循环除霜方式的弊端。
附图说明
17.参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：图1为本发明实施例热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统（普通蓄冷）的结构示意图；图2为本发明实施例热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统（深度蓄冰）的结构示意图；图3为本发明实施例热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统（普通供冷和边供边蓄冷）的结构示意图；图4为本发明实施例热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统（普通蓄热）的结构示意图；图5为本发明实施例热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统（深度蓄热）的结构示意图；图6为本发明实施例热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统（普通供热和边供边蓄热）的结构示意图；图7为本发明实施例蓄能子系统的结构示意图；图8为本发明实施例隔板的结构示意图。
18.图中标号：1蓄能罐、1.1罐体、1.2上布水器、1.3下布水器、1.4隔板、1.41隔板主体、1.42固定杆、1.43滑轮、1.44密封环、1.5支柱、1.6泄压阀、1.7第一回水口、1.8供水口、1.9温度传感器、2蓄能槽、2.1第三换热器、2.2第二回水口、2.3排水口、3第一换热器、4压缩
机、5第二换热器、6膨胀阀、7热源塔、8第一泵组、9第二泵组、10第三泵组、11第四泵组、12冰晶过滤器、13风机盘管、14融冰盘管、15第一电磁阀、16第二电磁阀、17第三电磁阀、18第四电磁阀、19第五电磁阀、20四通接头、21第六电磁阀、22第七电磁阀、23第八电磁阀、24第九电磁阀、25第十电磁阀、26第十一电磁阀、27第十二电磁阀、28第十三电磁阀、29第十四电磁阀、30第十五电磁阀、31第十六电磁阀、32第十七电磁阀、33第十八电磁阀、34第十九电磁阀、35第二十电磁阀、36安全阀、37用户端。
具体实施方式
19.容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
20.根据本发明的一实施方式结合图1至6示出。一种热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统，包括蓄能子系统，及与蓄能子系统相连的热源塔热泵子系统和供冷供热子系统，热源塔热泵子系统用于产生并输送热能或冷能，蓄能子系统用于存储热能或冷能，供冷供热子系统用于将热能或冷能提供给用户端使用。
21.具体的，上述热源塔热泵子系统包括热泵主机和热源塔7，热泵主机流体进出口端分别与蓄能子系统上下部相连，且其冷冻水进出口端分别与热源塔7上下部相连。热源塔7在冬天利用冰点低于零度的载体介质，可以高效提取低温环境下相对湿度较高的空气中的低品位热能，实现低温热能向高温热能的传递，达到制热目的；在夏天由于热源塔7的特殊设计，可以将热量排到大气中实现制冷，起到高效冷却塔的作用。
22.热泵主机包括依次连接形成回路的第一换热器3、压缩机4、第二换热器5和膨胀阀6。在夏季需要降温时，热泵主机按制冷工况运行，由压缩机4排出的高压蒸汽，经换向阀进入第二换热器5（作冷凝器用），经冷却后变为中温高压的液态制冷剂，经过滤去湿后，中温液态制冷剂经膨胀阀6节流降压为低温低压的气液混合体，再经过第一换热器3（作蒸发器用）吸收蓄能子系统中热流体的热量汽化，变成气态，然后回到压缩机4中继续压缩，循环进行制冷。
23.在冬季需要取暖时，先将换向阀转向热泵工作位置，于是由压缩机4排出的高压制冷剂蒸汽，经换向阀后流入第一换热器3器（作冷凝器用），制冷剂蒸汽冷凝时放出潜热，将蓄能子系统中的冷流体加热，冷凝后的液态制冷剂，从反向流过膨胀阀6进入第二换热器5（作蒸发器用），吸收热源塔7热量而蒸发，蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机4吸入，完成制热循环。
24.进一步的，蓄能槽2内部设置有第三换热器2.1，第三换热器2.1进出口端与第一换热器3的制冷剂进出口端相连。在第三换热器2.1进出口端与第一换热器3的制冷剂进出口端的管道上分别设置有第七电磁阀22和第八电磁阀23，在对蓄能槽2进行深度蓄热或蓄冰时，开启第七电磁阀22和第八电磁阀23，并关闭第一换热器3的制冷剂进出口端的阀门。
25.本发明实施例中，蓄能子系统包括蓄能罐1和蓄能槽2，蓄能罐1架设于蓄能槽2上，且其底端部伸入蓄能槽2内，蓄能槽2内部设置有融冰盘管14，融冰盘管14的第一端口与热泵主机流体进出口端相连，蓄能罐1侧部沿其高度方向设置有多个供水口1.8，融冰盘管14
的第二端口和供水口1.8通过管道与供冷供热子系统相连。
26.参见图7，上述蓄能罐1包括罐体1.1、支柱1.5和至少两个隔板1.4，罐体1.1通过支柱1.5固设于蓄能槽2上，两个隔板1.4可滑动设于罐体1.1内部，且一隔板1.4设于罐体1.1中部，以将罐体1.1内部分隔成上蓄能腔和下蓄能腔，另一隔板1.4设于罐体1.1底端开口处，上蓄能腔和下蓄能腔内分别设置有上布水器1.2和下布水器1.3，且上布水器1.2和下布水器1.3的出水口方向分别向上和向下，减少对流体的冲击，避免流体紊乱。上布水器1.2和下布水器1.3通过第一泵组8和第二泵组9分别与热泵主机流体进出口端相连，且第二泵组9通过支管与蓄能槽2相连通。
27.参见图8，隔板1.4包括隔板主体1.41，隔板主体1.41顶端面和/或底端面上均匀设置有多个固定杆1.42，固定杆1.42端部可转动设置有滑轮1.43，且滑轮1.43与罐体1.1内壁面抵接，隔板主体1.41外侧壁设置有与罐体1.1内壁面相贴近的密封环1.44。该隔板1.4材料为发泡硅胶，具有极强的隔热性，且设于隔板主体1.41外侧壁的密封环1.44可以有效将上蓄能腔的热流体和下蓄能腔的冷流体分隔开，冷热流体见无掺混现象，只以热传导的形式通过隔热板传递热量，因此隔板1.4内部及附近区域存在较大温度梯度，保证了蓄能性能。
28.在罐体1.1顶端部设置有安全阀36，且其底端部设置有泄压阀1.6，当上蓄能腔或下蓄能腔内的压力超过设定阈值时，安全阀36或泄压阀1.6自动打开，保证系统安全运行。供水口1.8安装有温度传感器1.9，用于检测供水温度，可以根据用户端需要供应不同温度流体。在罐体1.1上部侧面设置有第一回水口1.7，可通过管道与用户端37相连，在夏季经第一回水口向罐体1.1内通入热态回水。
29.供冷供热子系统包括风机盘管13、冰晶过滤器12、第三泵组10、第四泵组11和四通接头20，以及多个电磁阀。融冰盘管14的第二端口和蓄能槽2的底部开口经第三泵组10与冰晶过滤器12相连，冰晶过滤器12与四通接头20一端口相连，且四通接头20其余端口分别与风机盘管13、用户端37和蓄能槽2相连通，多个供水口1.8通过第四泵组11与用户端37相连，且供水口1.8连接有风机盘管13，风机盘管13用于向用户端37提供冷热风。
30.进一步的，在蓄能槽2的底部开口通过管道与热源塔7流体入口端相连，且热源塔7流体出口端通过管道与蓄能槽2上的第二回水口相连通。在冬季供暖时，系统将用户端37的回水余热转存到蓄能槽2内,使之作为热源泵除霜工况下的低位热源,避免热源塔7发生结霜现象。可选的，在风机盘管13进风口设置除霜器，该除霜器同样采用蓄能槽2内的回水余热作为热源，除霜效果好，且减少了不必要的除霜能耗。
31.本发明还提供了一种热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热方法，应用于上述任一项的热源塔热泵与水蓄能耦合的供冷供热系统上，根据季节和用能量的不同，供冷供热方法包括如下模式：普通蓄冷、深度蓄冰、普通供冷、边供边蓄冷、普通蓄热、深度蓄热、普通供热和边供边蓄热。
32.参见图1中粗实线路径，普通蓄冷模式启动前，蓄能罐1的上蓄能腔充满热流体，其下蓄能腔内的冷流体排空，蓄能槽2内的冷流体排空，位于蓄能罐1中部的隔板1.4滑动到蓄能罐1下部。普通蓄冷模式启动后，第一泵组8、第二泵组9，第一电磁阀15、第三电磁阀17、第四电磁阀18打开，热源塔热泵子系统处于制冷工况运行，其余泵组和阀门关闭。上蓄能腔内的热流体流出与热泵主机的制冷剂换热降温后，流入下蓄能腔内，当下蓄能腔充满后，隔板
1.4滑动到蓄能罐1上部，再将第四电磁阀18关闭，第五电磁阀19打开，换热降温后的冷流体输送至蓄能槽2，直至蓄能槽2充满。
33.参见图2中粗实线路径，蓄能槽2充满后，启动深度蓄冰模式，第七电磁阀22、第八电磁阀23打开，热源塔热泵子系统处于制冷工况运行，其余泵组和阀门关闭。热泵主机内的制冷剂流入蓄能槽2内的第三换热器2.1中，第三换热器2.1与蓄能槽2内的冷流体进一步换热降温，形成冰晶。由于蓄能槽2内的流体形成冰晶后体积膨胀，位于蓄能罐1底端部的隔板1.4会向上滑动，避免对罐体1.1造成破坏。
34.参见图3中粗实线路径，普通供冷模式启动后，第一泵组8、第三泵组10、第四泵组11、第一电磁阀15、第二电磁阀16、第六电磁阀21、第九电磁阀24、第十电磁阀25、第十一电磁阀26、第十五电磁阀30、第十六电磁阀31、第十七电磁阀32和第十八电磁阀33打开，热源塔热泵子系统处于关闭状态。蓄能罐1内的冷流体通过不同供水口1.8向用户端37提供不同温度的冷流体，蓄能罐1内的冷流体经融冰盘管14形成过冷流体，过冷流体与蓄能槽2的融化水混合后再经冰晶过滤器12输送至风机盘管13，风机盘管13向用户端37提供冷风。
35.再次参见图3，当用冷量过大，蓄能罐1和蓄能槽2内蓄冷量不足时，启动边供边蓄冷模式，将热源塔热泵子系统调整为制冷工况运行，并关闭第二电磁阀16，蓄能罐1内的冷流体先经热泵主机换热降温后，再流入融冰盘管14内，其余步骤与普通供冷模式相同。
36.该系统通过在低电价或低负荷时制冷制冰来储存冷量，而在高电价或用冷高负荷时通过融冰来释放冷量供冷，以降低空调制冷机组的负荷，提高设备利用率，和维持电网用电平稳，并可节约运行费用。
37.参见图4中粗实线路径，普通蓄热模式启动前，蓄能罐1的下蓄能腔充满冷流体，其上蓄能腔内的热流体排空，隔板1.4滑动到蓄能罐1上部。普通蓄热模式启动后，热源塔热泵子系统处于制热工况下，第一泵组8、第二泵组9、第一电磁阀15、第三电磁阀17、第四电磁阀18、第五电磁阀19打开，下蓄能腔或蓄能槽2内的冷流体流出与热泵主机的制冷剂换热升温后，流入上蓄能腔内，当上蓄能腔充满后，隔板1.4滑动到蓄能罐1下部。
38.参见图5中粗实线路径，深度蓄热模式启动后，第七电磁阀22、第八电磁阀23打开，热源塔热泵子系统处于制热工况运行，其余泵组和阀门关闭。热泵主机内的制冷剂流入蓄能槽2内的第三换热器2.1中，第三换热器2.1与蓄能槽2内的冷流体换热升温形成热流体。
39.参见图6中粗实线路径，普通供热模式启动后，第一泵组8、第二泵组9、第四泵组11、第一电磁阀15至第五电磁阀19，第十三电磁阀28、第十五电磁阀30和第十八电磁阀33打开，热源塔热泵子系统处于关闭状态。蓄能罐1内的热流体通过不同供水口1.8向用户端37提供不同温度的热流体，且蓄能槽2内的热流体流入上蓄能腔内进行补充，蓄能罐1的热流体还经供水口1.8流入风机盘管13，风机盘管13向用户端37提供热风。
40.再次参见图6，边供边蓄热模式启动后，第二电磁阀16关闭，热源塔热泵子系统处于制热工况下，蓄能槽2内的热流体先经热泵主机换热升温后，再流入上蓄能腔内，其余步骤与普通供热模式相同。
41.该系统通过在低电价制热水来储存热量，而在高电价或用热高负荷时供热，以降低用电负荷，一方面可以维持电网用电平稳，并可节约运行费用；另一方面可以节能减排。
42.进一步的，在普通蓄热、深度蓄热、普通供热和边供边蓄热模式中，第九电磁阀24、第十二电磁阀27、第十三电磁阀28、第十四电磁阀29打开，蓄能槽2内的热流体流入热源塔7
的翅片管内，有效避免热源塔7结霜，热流体与热源塔7进风换热降温后回到蓄能槽2内。
43.综上所述，本发明的有益效果包括：该系统采用蓄能罐1和蓄能槽2组合设计，增大了蓄能量，储冷和储热共用罐体1.1，且共用冷热流体泵及管道，大大降低了储热储冷和供冷供热成本；蓄能罐1架设于蓄能槽2上方，使得蓄能罐1可以将蓄能槽2内散失的热能或冷能吸收，从而降低能量损失；蓄能罐1内的隔热板增强了上蓄能腔和下蓄能腔之间的隔热能力，可以降低系统
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损失，提高系统能量利用率；将热泵主机的制冷剂通入蓄能槽2的第三换热器2.1内，使得蓄能槽2可以提供过热和过冷流体，增强了温度调节的灵活性；该系统可以通过采用不同运行模式来应对多样用能需求波动，能够适应大容量蓄热蓄冷需求，储热储冷能力高，成本低，性能稳定可靠。而且，该系统把用户端37的回水余热转存到蓄能槽2内,使之作为热源泵除霜工况下的低位热源,有效克服了采用电热除霜或逆循环除霜方式的弊端。
44.本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。