(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111237844 A(43)申请公布日 2020.06.05
(21)申请号 202010060001.0(22)申请日 2020.01.19
(71)申请人 东南大学
地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2
号(72)发明人 张伦 张小松
(74)专利代理机构 南京众联专利代理有限公司
32206
代理人 朱欣欣(51)Int.Cl.
F24D 11/02(2006.01)F24D 19/10(2006.01)F24F 5/00(2006.01)F24F 11/67(2018.01)F24F 11/84(2018.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图1页
F24F 13/30(2006.01)
CN 111237844 A(54)发明名称
蓄能与热泵复合的大温差蓄冷蓄热系统(57)摘要
本发明的一种蓄能与热泵复合的大温差蓄冷蓄热系统，主要包括两个蓄冷/蓄热水箱、冷/热源供给装置、蒸汽压缩式热泵系统、两个循环管路、回水管路、供水管路、以及管路上相应的截止阀、混水阀和流量控制阀等；利用蓄冷/蓄热水箱将冷/热源供给装置在谷电时产生的冷/热量蓄存，蓄冷/蓄热温度与向用户的供水之间保持着较大温差，从而有效的减小蓄冷/蓄热水箱的体积；利用该系统向用户供冷/热水时，从蓄冷/蓄热水箱中输出的冷/热水与一部分用户回水相混合，由第一供水管路向用户供给；为了平衡系统供冷/供热负荷，在第二供水管路上设置有一个蒸汽压缩式热泵，用于对另一部分用户回水进行冷却和加热，以达到供水工况要求。
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权 利 要 求 书
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1.一种大温差蓄冷蓄热系统，其特征在于：包括第一蓄冷/蓄热水箱、第二蓄冷/蓄热水箱、冷/热源供给装置、蒸汽压缩式热泵系统、回水管路以及第一供水管路；所述冷/热源供给装置与第一蓄冷/蓄热水箱相连，第一蓄冷/蓄热水箱通过第一循环管路与第一供水管路相连；所述回水管道一端与第一供水管路相连；回水管道另一端通过第二循环管路依次与蒸汽压缩式热泵系统、第二蓄冷/蓄热水箱相连，所述第二蓄冷/蓄热水箱与第一第二蓄冷/蓄热水箱相连。
2.根据权利要求1所述的一种大温差蓄冷蓄热系统，其特征在于：所述蒸汽压缩式热泵系统包括第一热泵换热器、第二热泵换热器以及第二供水管路；所述回水管路一端通过第一热泵换热器与第二供水管路相连；所述回水管路另一端通过第二循环管路依次与第二热泵换热器、第二蓄冷/蓄热水箱相连。
3.根据权利要求2所述的一种大温差蓄冷蓄热系统，其特征在于：还包括四通换向阀、压缩机以及膨胀阀；所述第一热泵换热器通过制冷剂管路依次与四通换向阀、第二热泵换热器、膨胀阀相连；所述膨胀阀与第一热泵换热器相连；所述压缩机两端通过制冷剂管路与四通换向阀相连。
4.根据权利要求2所述的一种大温差蓄冷蓄热系统，其特征在于：所述第二循环管路通过第六截止阀与第二蓄冷/蓄热水箱上端相连；所述第二循环管路通过第五截止阀与第二蓄冷/蓄热水箱下端相连。
5.根据权利要求2所述的一种大温差蓄冷蓄热系统，其特征在于：所述回水管路通过流量控制阀与第一热泵换热器相连。
6.根据权利要求1所述的一种大温差蓄冷蓄热系统，其特征在于：所述第一蓄冷/蓄热水箱上端通过第一截止阀与第一循环管路相连；所述第一蓄冷/蓄热水箱下端通过第二截止阀与第一循环管路相连。
7.根据权利要求1所述的一种大温差蓄冷蓄热系统，其特征在于：所述第一蓄冷/蓄热水箱下端通过第三截止阀与第二蓄冷/蓄热水箱上端相连；所述第一蓄冷/蓄热水箱上端通过第四截止阀与第二蓄冷/蓄热水箱下端相连。
8.根据权利要求1所述的一种大温差蓄冷蓄热系统，其特征在于：所述回水管路通过混水阀与第一供水管路相连。
9.一种根据权利要求1-8所述一种大温差蓄冷蓄热系统的使用方法，其特征在于，步骤如下：（1）冷/热源供给装置提供的冷/热量由第一蓄冷/蓄热水箱中的蓄冷/蓄热介质吸收存储，蓄存的冷/热量在释冷/释热时通过第一循环管路、第一供水管路，并向用户供给冷/热水；（2）用户回水由回水管路送入系统，并分为两个支路，第一个支路通过混水阀进行控制，并进入至第一供水管路；另一个支路连接至蒸汽压缩式热泵系统；（3）进入蒸汽压缩式热泵系统的回水又分为两个部分，一部分经过流量控制阀进行调节，回水经第一热泵换热器进行冷却/加热后，由第二供水管路输送给用户，另一部分回水中经过第二热泵换热器进行冷却/加热后，回水中剩余的冷量/热量在第二蓄冷/蓄热水箱蓄存；（4）第二蓄冷/蓄热水箱与第一蓄冷/蓄热水箱相连，并将第二蓄冷/蓄热水箱内的冷
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量/热量通入至第一蓄冷/蓄热水箱中继续进行反应。
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说 明 书
蓄能与热泵复合的大温差蓄冷蓄热系统
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技术领域
[0001]本发明涉及一种蓄冷蓄热装置及其供冷/供热水方式，属于空气调节系统设备设计与制造技术领域。
背景技术
[0002]经济的发展、城市规模的扩大和用电结构的改变，使得城市以及地区电网昼夜电力负荷差值越来越大。空调系统的用电负荷以接近电网总负荷的40%左右，而空调用电与电网峰谷基本同步，使得电力负荷峰谷差距更大，给电网安全、合理和经济运行带来了困扰，因此使用蓄冷蓄热技术来平衡电网的负荷，对电网“削峰填谷”起着至关重要的作用。[0003]为了满足空调系统开启时的冷热负荷需求，蓄冷蓄热系统需要设计足够的蓄冷蓄热容量，这就导致蓄冷/蓄热装置的体积往往非常庞大、设备占地面积大、设备初投资高；特别是对于采用全量蓄冷蓄热策略的空调系统来说，蓄冷/蓄热装置体积过大会使得系统投入成倍增加，极大的降低了蓄冷蓄热空调系统的经济性，同时装置的蓄冷蓄热效率也会受到影响。
[0004]因此，如何合理的设计蓄冷蓄热系统，从而减小其蓄冷蓄热装置的体积，降低系统的成本、提升系统的效率，成为该领域所要解决的一个技术难题。发明内容
[0005]发明目的：本发明的目的是提供一种大温差的蓄冷蓄热系统，通过增加蓄冷回水温度、降低蓄热回水温度进而加大释冷/释热水蓄冷/热的温差，从而有效的减小蓄冷/蓄热装置的体积，并且提升供冷/供热系统的整体能效。[0006]技术方案：为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种大温差蓄冷蓄热系统，包括第一蓄冷/蓄热水箱、第二蓄冷/蓄热水箱、冷/热源供给装置、蒸汽压缩式热泵系统、回水管路以及第一供水管路；所述冷/热源供给装置与第一蓄冷/蓄热水箱相连，第一蓄冷/蓄热水箱通过第一循环管路与第一供水管路相连；所述回水管道一端与第一供水管路相连；回水管道另一端通过第二循环管路依次与蒸汽压缩式热泵系统、第二蓄冷/蓄热水箱相连，所述第二蓄冷/蓄热水箱与第一第二蓄冷/蓄热水箱相连。
[0007]所述蒸汽压缩式热泵系统包括第一热泵换热器、第二热泵换热器以及第二供水管路；所述回水管路一端通过第一热泵换热器与第二供水管路相连；所述回水管路另一端通过第二循环管路依次与第二热泵换热器、第二蓄冷/蓄热水箱相连。[0008]进一步的，还包括四通换向阀、压缩机以及膨胀阀；所述第一热泵换热器通过制冷剂管路依次与四通换向阀、第二热泵换热器、膨胀阀相连；所述膨胀阀与第一热泵换热器相连；所述压缩机两端通过制冷剂管路与四通换向阀相连。
[0009]所述两个蓄冷/蓄热水箱分别为第一蓄冷/蓄热水箱和第二蓄冷/蓄热水箱；其中，第一蓄冷/蓄热水箱用于吸收存储冷/热源供给装置制取的冷/热量，第二蓄冷/蓄热水箱用
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说 明 书
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于存储用户水中剩余的冷/热量。第一蓄冷/蓄热水箱通过管道第二蓄冷/蓄热水箱相连接，第一蓄冷/蓄热水箱的下部进水口连接至第二蓄冷/蓄热水箱的上部出水口，该段管道上设置第三截止阀；第一蓄冷/蓄热水箱的上部进水口连接至第二蓄冷/蓄热水箱的下部出水口，该段管道上设置第四截止阀。[0010]进一步的，所述一种大温差蓄冷蓄热系统在空调时段释冷/释热时，循环水从第一蓄冷/蓄热水箱中带出冷/热量向用户供给。第一蓄冷/蓄热水箱的上下出水口同时连接至第一循环管路，其中上端出口处管道设置有第一截止阀，下端出口处管道设置有第二截止阀；第一循环管路随后连接至第一三通阀，冷/热水在第一三通阀处与来自回水管路的用户回水混合，达到供水温度要求，随后进入第一供水管路向用户供给冷/热水。[0011]进一步的，所述一种大温差蓄冷蓄热系统在空调时段释冷/释热时，所需的用户回水由设置的回水管路送入系统，用户回水管路连接至第二三通阀。经第二三通阀后用户回水管路分为两个支路，第一个支路连接至第一三通阀，其上设置有混水阀用于控制进入第一供水管路的回水比例；另一个支路通过第三三通阀连接至蒸汽压缩式热泵系统。[0012]进一步的，所述一种大温差蓄冷蓄热系统中，进入蒸汽压缩式热泵系统的回水，一端经过第三三通阀连接第二供水管路，另一端经过第三三通阀连接第二循环管路。其中，在与第三三通阀相连接的第二供水管路上依次设置有流量控制阀和第一热泵换热器；流量控制阀用于控制进入第二供水管路的用户回水量，第一热泵换热器用于冷却/加热用户回水至指定的供水参数；回水经第一热泵换热器冷却/加热后由第二供水管路输送给用户，作为第一供水管路所输送冷/热量的补充。由第三三通阀出来的第二循环管路连接至第二热泵换热器的进水口，第二热泵换热器的出水口通过第二循环管路分别连接至第二蓄冷/蓄热水箱的上下进水口，第二蓄冷/蓄热水箱的下部进水口前设置第五截止阀，下部进水口前设置第六截止阀。
[0013]进一步的，所述一种大温差蓄冷蓄热系统中，进入第三三通阀后循环管路的回水吸收第二热泵换热器释放的热量/冷量后，回水剩余的冷量/热量进入第二蓄冷/蓄热水箱蓄存。第二热泵换热器释放的热量/冷量由蒸汽压缩式制热泵系统产生；蒸汽压缩式制热泵系统在第一热泵换热器中提供的冷量/热量用于使回水达到供水参数，相应的在第二热泵换热器释放的热量/冷量需要一部分回水进行吸收，这导致部分回水中的冷量/热量再进入第二蓄冷/蓄热水箱之前会被抵消。[0014]进一步的，所述一种大温差蓄冷蓄热系统在夏季工况时，第一截止阀、第三截止阀和第五截止阀均关闭，第二截止阀、第四截止阀和第六截止阀均打开，实现循环水在第一蓄冷/蓄热水箱和第二蓄冷/蓄热水箱中的上进下出。所述蒸汽压缩式热泵系统在夏季用于补充向用户供给的冷量，其中压缩机的a端口通过制冷剂管道连接至四通换向阀的a端口，随后通过管道切换将四通换向阀自身的a端口与四通换向阀自身的b端口相连后，再通过制冷剂管道连接至第二热泵换热器的制冷剂管道a端口；第二热泵换热器的制冷剂管道b端口连接至膨胀阀，此时第二热泵换热器作为热泵冷凝器使用；膨胀阀通过制冷剂管道连接至第一热泵换热器的制冷剂管道a端口，第一热泵换热器的制冷剂管道b端口连接至四通换向阀的c端口；四通换向阀通过管道切换将四通换向阀自身的c端口与四通换向阀自身的d端口相连后，再通过制冷剂管道连接至压缩机的b端口；此时第一热泵换热器作为蒸发器使用，用于补充第二供水管路中的冷量。
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进一步的，所述一种大温差蓄冷蓄热系统在冬季工况时，第一截止阀、第三截止阀
和第五截止阀均打开，第二截止阀、第四截止阀和第六截止阀均关闭，实现循环水在第一蓄冷/蓄热水箱和第二蓄冷/蓄热水箱中的下进上出。所述蒸汽压缩式热泵系统在冬季用于补充向用户供给的热量，其中压缩机的a端口通过制冷剂管道连接至四通换向阀的a端口，随后四通换向阀通过管道切换将四通换向阀自身的a端口与四通换向阀自身的c端口相连后，再通过制冷剂管道连接至第一热泵换热器的制冷剂管道b端口；第一热泵换热器的制冷剂管道a端口连接至膨胀阀，此时第一热泵换热器作为热泵冷凝器使用，用于补充第二供水管路中的热量；膨胀阀通过制冷剂管道连接至第二热泵换热器的制冷剂管道b端口，第二热泵换热器的制冷剂管道b端口连接至四通换向阀的b端口，随后四通换向阀通过管道切换将四通换向阀自身的b端口与四通换向阀自身的d端口相连后再通过制冷剂管道连接至压缩机的b端口；此时第二热泵换热器作为蒸发器使用。[0016]进一步的，所述一种大温差蓄冷蓄热系统，它在夏季蓄存的冷量和在冬季蓄存的热量由冷/热源供给装置提供。其冷/热源供给装置包括一个电极式锅炉和一个冷水机组；冬季时，电极式锅炉利用谷电产生热量，热量输入到第一蓄冷/蓄热水箱中由蓄热介质吸收存储；夏季时，冷水机组利用谷电制取冷量，冷量输入到第一蓄冷/蓄热水箱中由蓄冷介质吸收存储。
[0017]有益效果：本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
（1）本发明的系统中，蓄冷/蓄热水箱中在释冷释热时的供水温度与用户回水温度、向用户供水温度之间保持了极大的温差，在供水量或供冷供热负荷一定的情况下，蓄冷/蓄热水箱的体积得到了有效的控制；在相同供冷供热负荷工况下，相对于现有的蓄冷蓄热系统，本发明的蓄冷蓄热系统的蓄冷/蓄热装置的体积大为减小。[0018]（2）本发明由于设置有一个蒸汽压缩式热泵，能够有效的平衡系统向用户供冷/供热时的负荷；在夏季时，一部分用户回水可通过蒸发器（第一热泵换热器）降温、再作为供水使用，以补充系统释冷时可能出现的冷量不足；在冬季时，一部分用户回水可通过冷凝器（第一热泵换热器）升温、以补充系统释热时可能出现的热量不足；系统的稳定性得到了很大提升。[0019]（3）本发明由于设置了两个蓄冷/蓄热水箱，采用了梯级蓄能模式，一部分回水中的冷量和热量也能够被蓄存，可以有效降低对冷/热源供给装置的冷/热量需求，提升了系统的能效。
附图说明
[0020]图1是本发明的系统结构示意图；
图中：1、第一蓄冷/蓄热水箱，2、第二蓄冷/蓄热水箱，3、第一截止阀，4、第二截止阀，5、第三截止阀，6、第四截止阀，7、第五截止阀，8、第六截止阀，9、第一三通阀，10、第二三通阀，11、第三三通阀，12、混水阀，13、流量控制阀，14、压缩机，15、四通换向阀，16、第一热泵换热器，17、膨胀阀，18、第二热泵换热器，19、冷/热源供给装置，20、第一循环管路，21、第二循环管路，22、回水管路，23、第一供水管路，24、第二供水管路。
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具体实施方式
[0021]结合附图1进一步说明本发明的具体实施方式。[0022]如图1所示的一种大温差蓄冷蓄热系统，第一蓄冷/蓄热水箱1和第二蓄冷/蓄热水箱2之间通过管路相连接，第一蓄冷/蓄热水箱1的下部进水口连接至第二蓄冷/蓄热水箱2的上部出水口，该段管道上设置第三截止阀5；第一蓄冷/蓄热水箱1的上部进水口连接至第二蓄冷/蓄热水箱2的下部出水口，该段管道上设置第四截止阀6。第一蓄冷/蓄热水箱1的上下出水口同时连接至第一循环管路20，其中上端出口处管道设置有第一截止阀3，下端出口处管道设置有第二截止阀4；第一循环管路20随后连接至第一三通阀9。第一三通阀9的另两端分别连接至第一供水管路23和第二三通阀10。第二三通阀10和第一三通阀9之间的管路上设置有混水阀12，用户回水管路22连接至第二三通阀10，经第二三通阀10后用户回水管路22分为两个支路，第一个支路连接至第一三通阀9，另一个支路连接至第三三通阀11。第三三通阀11的一端接入用户回水管路22，另两端则分别连接第二供水管路24和第二循环管路21。其中，在与第三三通阀10相连接的第二供水管路24上依次设置有流量控制阀13和第一热泵换热器16；由第三三通阀10出来的第二循环管路21连接至第二热泵换热器18的进水口，第二热泵换热器18的出水口通过第二循环管路21分别连接至第二蓄冷/蓄热水箱2的上下进水口，第二蓄冷/蓄热水箱2的下部进水口前设置第五截止阀7，下部进水口前设置第六截止阀8。第一蓄冷/蓄热水箱1通过循环水管路连接至冷/热源供给装置19，热源供给装置19包括一个电极式锅炉和一个冷水机组。
[0023]如图1所示的一种大温差蓄冷蓄热系统按夏季工况和冬季工况两种方式运行，主要靠截止阀的开关和热泵系统的制冷剂流向切换来转换运行方式。[0024]在夏季工况时，第一截止阀3、第三截止阀5和第五截止阀7均关闭，第二截止阀4、第四截止阀6和第六截止阀8均打开。压缩机14的a端口通过制冷剂管道连接至四通换向阀15的a端口，四通换向阀15通过管道切换将其自身的a端口与其自身的b端口相连后，再通过制冷剂管道连接至第二热泵换热器18的制冷剂管道a端口；第二热泵换热器18的制冷剂管道b端口连接至膨胀阀17，此时第二热泵换热器作为热泵冷凝器使用；膨胀阀17通过制冷剂管道连接至第一热泵换热器16的制冷剂管道a端口，第一热泵换热器16的制冷剂管道b端口连接至四通换向阀15的c端口；四通换向阀15通过管道切换将其c端口与d端口相连后，再通过制冷剂管道连接至压缩机14的b端口；此时第一热泵换热器16作为蒸发器使用。另外，冷/热源供给装置19中的冷水机组利用谷电制取冷量，冷量通过循环水输入到第一蓄冷/蓄热水箱中由蓄冷介质吸收存储。[0025]在冬季工况时，第一截止阀3、第三截止阀5和第五截止阀7均打开，第二截止阀4、第四截止阀6和第六截止阀8均关闭。压缩机14的a端口通过制冷剂管道连接至四通换向阀15的a端口，四通换向阀15通过管道切换将其自身的a端口与其自身的c端口相连后，再通过制冷剂管道连接至第一热泵换热器16的制冷剂管道b端口；第一热泵换热器16的制冷剂管道a端口连接至膨胀阀17，此时第一热泵换热器16作为热泵冷凝器使用；膨胀阀17通过制冷剂管道连接至第二热泵换热器18的制冷剂管道b端口，第二热泵换热器18的制冷剂管道b端口连接至四通换向阀15的b端口，随后四通换向阀15通过管道切换将其自身的b端口与其自身的d端口相连后，再通过制冷剂管道连接至压缩机14的b端口；此时第二热泵换热器18作为蒸发器使用。另外，冷/热源供给装置19中的电极式锅炉利用谷电产生热量，热量通过循
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环水输入到第一蓄冷/蓄热水箱1中由蓄热介质吸收存储。
[0026]下面对本发明的一种大温差蓄冷蓄热系统的工作过程进行进一步的举例说明，分为夏季蓄冷-供冷工况和冬季蓄热-供热工况：
夏季蓄冷-供冷工况：冷/热源供给装置19中的冷水机组在谷电时段制取冷水，蓄储在第一蓄冷/蓄热水箱1中，蓄冷温度为4℃。在开启空调系统的时段，系统开始释冷，4℃的冷水由第一蓄冷/蓄热装置1的下部出水口输出，经第一循环管路20到达第一三通阀9处；此处4℃的冷水与12℃的用户回水进行混合，通过混水阀12来控制进入第一三通阀9侧管路的回水量、进而控制混水温度；混合后温度为7℃的冷水由第一供水管路23输送给用户进行供冷。同时，12℃的另一部分回水在第三三通阀11处分为两路，一路进入第二供水管路24、由流量控制阀13进行流量比例，这部分回水经过第一热泵换热器16后温度被降低至7℃，达到供冷水温要求，随后由第二供水管路24向用户供冷；另一路回水由第二循环管路21进入第二热泵换热器18处理热泵系统的冷凝热，回水中的冷量被冷凝热抵消掉一部分，水温上升至15℃，15℃的冷水由上部进水口进入第二蓄冷/蓄热水箱进行蓄储。[0027]夏季蓄冷-供冷工况：冷/热源供给装置19中的冷水机组在谷电时段制取冷水，蓄储在第一蓄冷/蓄热水箱1中，蓄冷温度为4℃。在开启空调系统的时段，系统开始释冷，4℃的冷水由第一蓄冷/蓄热装置1的下部出水口输出，经第一循环管路20到达第一三通阀9处；此处4℃的冷水与12℃的用户回水进行混合，通过混水阀12来控制进入第一三通阀9侧管路的回水量、进而控制混水温度；混合后温度为7℃的冷水由第一供水管路23输送给用户进行供冷。同时，12℃的另一部分回水在第三三通阀11处分为两路，一路进入第二供水管路24、由流量控制阀13进行流量比例，这部分回水经过第一热泵换热器16后温度被降低至7℃，达到供冷水温要求，随后由第二供水管路24向用户供冷；另一路回水由第二循环管路21进入第二热泵换热器18处理热泵系统的冷凝热，回水中的冷量被冷凝热抵消掉一部分，水温上升至15℃，15℃的冷水由上部进水口进入第二蓄冷/蓄热水箱2进行蓄储。[0028]冬季蓄热-供热工况：冷/热源供给装置19中的电极式锅炉在谷电时段制取热水，蓄储在第一蓄冷/蓄热水箱1中，蓄热温度为90℃。在开启空调系统或供热时段，系统开始释热，90℃的热水由第一蓄冷/蓄热装置1的下部出水口输出，经第一循环管路20到达第一三通阀9处；此处90℃的热水与40℃的用户回水进行混合，通过混水阀12来控制进入第一三通阀9侧管路的回水量、进而控制混水温度；混合后温度为50℃的热水由第一供水管路23输送给用户进行供热。同时，40℃的另一部分回水在第三三通阀11处分为两路，一路进入第二供水管路24、由流量控制阀13进行流量比例，这部分回水经过第一热泵换热器16后温度被升高至50℃，达到供热水温要求，随后由第二供水管路24向用户供热；另一路回水由第二循环管路21进入第二热泵换热器18处理热泵系统的蒸发冷量，回水中的热量被蒸发冷量抵消掉一部分，水温降低至30℃，30℃的热水由上部进水口进入第二蓄冷/蓄热水箱2进行蓄储。[0029]上述实施例仅用于进一步说明本发明的工作工程，其中系统在实际工作时冷水/热水的温度可以有所变化，凡是在本发明技术方案基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
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