常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方法

摘要

一种常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方法，系统有散热器系统，还设置有一级热泵和二级热泵，其中，所述的一级热泵、二级热泵和散热器系统依次设置，所述的一级热泵、二级热泵和散热器系统之间是通过连通管路和切换阀门进行连接。运行方法，包括有：设计负荷条件下的运行方法：同时运行一级热泵和二级热泵；50％以上设计负荷条件下的运行方法：运行一级热泵和二级热泵中的一个热泵机组；50％以下设计负荷条件下的运行方法：只运行一级热泵。本发明实现了从常温水源提取热量制备高温采暖热水的目的，实现20℃大温差供水运行，实现采暖期系统运行效率最高的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热泵系统。特别是涉及一种常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统 及运行方法。

背景技术

采暖散热器的惯常设计供水温度为80-90℃。常规水源热泵的最高供水温度一般只能达 到55℃，不能满足散热器采暖的水温需求。中高温热泵最高供水温度可以达到80℃以上，能 够为散热器采暖系统提供热水，但是其对于水源侧的水温要求范围在30-40℃之间，而冬季 水源温度通常低于15℃，如污水厂一级处理水，不能满足中高温热泵运行需求。基于以上原 因，在常温水源条件下，现有的水源热泵技术不能够为散热器采暖系统的提供热源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现从常温水源提取热量制备高温采暖热 水的常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方法。

本发明所采用的技术方案是：一种常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方 法。常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统，包括：散热器系统，还设置有一级热泵和 二级热泵，其中，所述的一级热泵、二级热泵和散热器系统依次设置，所述的一级热泵、二 级热泵和散热器系统之间是通过连通管路和切换阀门进行连接。

所述的一级热泵包括有第一热泵机组和第二热泵机组，其中，第一热泵机组的水源进水 口和第二热泵机组的水源进水口通过水源侧水泵连接水源供水端，第一热泵机组的水源出水 口和第二热泵机组的水源出水口连接水源回水端，第一热泵机组的冷凝器侧进水口依次通过 第十四切换阀门和第十二切换阀门连接散热器系统的散热器采暖回水端口，该进水口还通过 第十六切换阀门连接二级热泵的第三热泵机组蒸发器侧出水端口；第一热泵机组冷凝器侧出 水口通过第二十二切换阀门连接第二热泵机组的冷凝器侧进水口，出水口还通过第十三切换 阀门和第十五切换阀门连接二级热泵第三热泵机组蒸发器侧进水口。第二热泵机组的冷凝器 侧进水口还通过第二十三切换阀门连接二级热泵第四热泵机组蒸发器侧出水口，第二热泵机 组的冷凝器侧出水口依次通过第二十五切换阀门和采暖循环水泵连接散热器系统的散热器采 暖供水端口，所述的出水口还通过第二十四切换阀门连接二级热泵第四热泵机组蒸发器侧进 水口；所述的第一热泵机组的冷凝器出水口还通过第二十七切换阀门和第十八切换阀门连接 二级热泵第四热泵机组的冷凝器进水口。

所述的第一热泵机组冷凝器侧进水口通过第二十一切换阀门连接第二热泵机组冷凝器侧 进水口，所述的第一热泵机组冷凝器侧出水口通过第二十二切换阀门连接第二热泵机组冷凝 器侧进水口。

所述的二级热泵包括有第三热泵机组和第四热泵机组，其中，第三热泵机组的蒸发器侧 进水口通过第十五切换阀门和第十三切换阀门连接一级热泵中的第一热泵机组的冷凝器侧出 水口，第三热泵机组的蒸发器侧出水口通过中间循环水泵，再通过第二十二切换阀门连接一 级热泵的第一热泵机组冷凝器进水口；第三热泵机组冷凝器侧进水口通过第十一切换阀门连 接散热器系统采暖回水端口，第三热泵机组的散热器采暖水出水口依次通过第十七切换阀门 和第十八切换阀门连接第四热泵机组的冷凝器侧进水口；第四热泵机组蒸发器侧进水口通过 第二十四切换阀门连接一级热泵的第二热泵机组的冷凝器侧出水口，第四热泵机组蒸发器侧 出水口通过中间循环水泵，再通过第二十三切换阀门连接一级热泵的第二热泵机组的冷凝器 侧进水口。所述的第三热泵机组蒸发器侧进水口和第四热泵机组的蒸发器侧出水口之间的连 接管路上设置第十九切换阀门(19)，所述的蒸发器侧出水口和第四热泵机组的蒸发器侧进水 口之间的连接管路上设置第二十切换阀门。

所述的第四热泵机组4的冷凝器侧进水口还依次通过第十八切换阀门和第二十七切换阀 门连接一级热泵的第一热泵机组1的冷凝器侧出水口。

一种用于常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方法的运行方法，包括有：

设计负荷条件下的运行方法：同时运行一级热泵和二级热泵；

50％以上设计负荷条件下的运行方法：运行一级热泵和二级热泵中的一个热泵机组；

50％以下设计负荷条件下的运行方法：只运行一级热泵。

所述的同时启动一级热泵和二级热泵是，在设计负荷条件下，采用将常温水源在水源侧 水泵5的驱动下，进入一级热泵的第一热泵机组和第二热泵机组的蒸发器，由第一热泵机组 和第二热泵机组制备出中间热水，在中间循环水泵和中间循环水泵的驱动下，分别进入二级 热泵的第三热泵机组和第四热泵机组的蒸发器，为正常运行提供热量和温度保障；来自于散 热器用户的采暖循环回水，首先进入第三热泵机组的冷凝器，获取热泵机组提供的热量，再 进入第四热泵机组的冷凝器，进一步获取机组提供的热量；在采暖侧的第一中间循环水泵的 驱动下，作为采暖供水供给散热器用户，完成系统热量循环传递。

所述的启动一级热泵和二级热泵中的一个热泵机组是，停用二级热泵中的第三热泵机组， 将常温水源水在水源侧水泵驱动下进入一级热泵的第一热泵机组和第二热泵机组的蒸发器； 散热器系统的采暖回水，首先进入一级热泵的第一热泵机组的冷凝器，获取热泵供给热量， 之后进入二级热泵的第四热泵机组的冷凝器，获取该第四热泵机组供给的热量，在采暖侧循 环水泵驱动下作为散热器采暖系统供水供给散热器用户，而第四热泵机组的蒸发器侧的热量 来自水源侧水泵5供给的循环水。

所述的只启动一级热泵，全部停用二级热泵，常温水源水在水源侧水泵5驱动下分别进 入一级热泵的第一热泵机组和第二热泵机组的蒸发器，被提取热量温度降低后排放；散热器 系统的采暖回水，首先进入一级热泵的第一热泵机组的冷凝器，获取该第一热泵机组供给的 热量，之后进入一级热泵的第二热泵机组的冷凝器，获取该第二热泵机组供给的热量，在采 暖侧循环水泵驱动下作为散热器采暖系统供水供给散热器用户。

本发明的常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方法，具有以下有益效果：

(1)在常温水源条件下实现中高温采暖热水(80℃)的生产，满足散热器采暖热用户对 于水温的惯常需求。采用传统技术方案，在常温水源条件下，利用常规水源热泵只能制备40-60 ℃的采暖热水，无法满足散热器热用户的水温需求。而能制备水温80℃以上的中高温热泵， 则要求水源水温在30℃以上。本方案运行热量二级提取技术，实现了从常温水源提取热量制 备高温采暖热水的目的。

(2)实现大供回水温差(20℃)，满足散热器热用户对于循环水温差的惯常需求。无论是 常规水源热泵机组还是中高温热泵机组，供水温差通常为10℃左右。本专利技术方案运用热 泵机组串联运行方式，实现20℃大温差供水运行。

(3)全采暖运行周期系统效率高。在设计负荷工况下，为满足供水温度需求，采用二级 热泵热量提取方式。由于两级热泵系统同时运行，耗电量大，能效低。在一个采暖周期内， 大部分时间系统处于部分负荷状态运行，对供水温度要求低于设计工况。本方案通过管路切 换方法，在部分负荷工况下，分别实现一级热泵+二级热泵提取热量组合、全部一级热泵提取 热量方式，进行系统供热负荷的质调节(水温调节)，减少系统能耗，提高系统效率，最终实 现采暖期系统运行效率最高的目的。

附图说明

图1是本发明的系统工艺流程示意图；

图2是设计负荷工况系统工艺流程示意图；

图3是部分负荷工况系统流程示意图；

图4是部分负荷工况系统流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方 法做出详细说明。

如图1所示，本发明的常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统，包括：散热器系统 C，还设置有一级热泵A和二级热泵B，其中，所述的一级热泵A、二级热泵B和散热器系统 C依次设置，所述的一级热泵A、二级热泵B和散热器系统C之间是通过连通管路10和切换 阀门进行连接。

本发明的常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方法，其中的一级热泵A负 责从温度较低(＜15℃)的水源水提取热量，生产40-60℃的热水；二级热泵B从一级热泵生 产的40-60℃热水中提取热量，生产70-80℃品位的热水，供给散热器系统C使用。

所述的一级热泵A包括有第一热泵机组1和第二热泵机组2，所述的二级热泵B包括有 第三热泵机组3和第四热泵机组4。其中，第一热泵机组1的蒸发器侧进水口1a和第二热泵 机组2的蒸发器侧进水口2A通过水源侧水泵5连接水源供水端，第一热泵机组1的水源出水 口1B和第二热泵机组2的水源出水口2B连接水源回水端。第一热泵机组1的冷凝器侧进水 口1D依次通过第十四切换阀门14和第十二切换阀门12连接散热器系统C的散热器采暖回水 端口28，该进水口1D还通过第十六切换阀门16连接二级热泵B的第三热泵机组3蒸发器侧 出水端口3B；第一热泵机组1冷凝器侧出水口1C通过第二十二切换阀门22连接第二热泵机 组2的冷凝器侧进水口2D，出水口1C还通过第十三切换阀门13和第十五切换阀门15连接 二级热泵B第三热泵机组3蒸发器侧进水口3A。第二热泵机组2的冷凝器侧进水口2D还通 过第二十三切换阀门23连接二级热泵B第四热泵机组蒸发器侧出水口4B，第二热泵机组2 的冷凝器侧出水口2C依次通过第二十五切换阀门25和采暖循环水泵32连接散热器系统C的 散热器采暖供水端口29，出水口2C还可通过第二十四切换阀门24连接二级热泵B第四热泵 机组蒸发器侧进水口4A。所述的第一热泵机组1的冷凝器出水口1C还可通过第二十七切换 阀门27和第十八切换阀门18连接二级热泵第四热泵机组4的冷凝器进水口4D。所述的第一 热泵机组1冷凝器侧进水口1D通过第二十一切换阀门21连接第二热泵机组2冷凝器侧进水 口2C。所述的第一热泵机组1冷凝器侧出水口1C通过第二十二切换阀门22连接第二热泵机 组2冷凝器侧进水口2D。

所述的二级热泵B包括有第三热泵机组3和第四热泵机组4，其中，第三热泵机组3的 蒸发器侧进水口3A通过第十五切换阀门15和第十三切换阀门13连接一级热泵A中的第一热 泵机组1的冷凝器侧出水口1C，第三热泵机组3的蒸发器侧出水口3B通过中间循环水泵6， 再通过第二十二切换阀门16连接一级热泵A的第一热泵机组1冷凝器进水口1D。第三热泵 机组3冷凝器侧进水口3D通过第十一切换阀门11连接散热器系统C采暖回水端口28，第三 热泵机组3的散热器采暖水出水口3C依次通过第十七切换阀门17和第十八切换阀门18连接 第四热泵机组4的冷凝器侧进水口4D。第四热泵机组4蒸发器侧进水口4A通过第二十四切 换阀门24连接一级热泵A的第二热泵机组2的冷凝器侧出水口2C，第四热泵机组4蒸发器 侧出水口4B通过中间循环水泵7，再通过第二十三切换阀门23连接一级热泵A的第二热泵 机组2的冷凝器侧进水口2D。所述的第三热泵机组3蒸发器侧进水口3A和第四热泵机组4 的蒸发器侧出水口4B之间的连接管路上设置第十九切换阀门19，所述的蒸发器侧出水口3B 和第四热泵机组4的蒸发器侧进水口4A之间的连接管路上设置第二十切换阀门20。所述的 第四热泵机组4的冷凝器侧进水口4D还依次通过第十八切换阀门18和第二十七切换阀门27 连接一级热泵A的第一热泵机组1的冷凝器侧出水口1C。

本发明的常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统的运行方法，包括有：

设计负荷条件下的运行方法：同时运行一级热泵(A)和二级热泵(B)；

50％以上设计负荷条件下的运行方法：运行一级热泵(A)和二级热泵(B)中的一个热泵 机组；

50％以下设计负荷条件下的运行方法：只运行一级热泵(A)。具体如下所述。

在设计负荷条件下，如附图2所示，10-15℃的常温水源在水源侧水泵5的驱动下，分别 进入常规水源热泵机组，即第一热泵机组1和第二热泵机组2的蒸发器，被提取热量，温度 降低5℃后排出。第一热泵机组1和第二热泵机组2制备出30-40℃热水，在中间循环水泵6 和中间循环水泵7的驱动下，分别进入中高温水源热泵，即第三热泵机组3和第四热泵机组 4的蒸发器，为其正常运行提供热量和温度保障。来自于散热器用户8的温度为55-65℃采暖 循环回水，首先进入第三热泵机组3的冷凝器，获取热泵机组提供的热量，温度升高至65-75 ℃，再进入第四热泵机组4的冷凝器，进一步获取机组提供的热量，温度升高至75-85℃。 在采暖侧循环水泵即第一中间循环水泵32的驱动下，作为采暖供水供给散热器用户8，完成 系统热量循环传递。通过以上过程，在常温水源条件下利用常规水源热泵机组(第一热泵机 组1和第二热泵机组2)和中高温热泵机组(第三热泵机组3和第四热泵机组4)的二级热量 提取，满足常规散热器系统C高温供水的水温和大供回水温差的需求。

在部分负荷工况下，散热器系统供水温度需求降低，本发明可以通过管路的切换实现调 节(供水温度调节)。

如附图3所示，当部分负荷(较大负荷)工况下，即50％以上设计负荷条件下的运行方 法，第三热泵机组3停用。常温水源水在水源侧水泵5驱动下分别进入常规水源热泵机组即 第一热泵机组1和第二热泵机组2的蒸发器，被提取热量温度降低后排放。散热器系统C温 度为40-50℃采暖回水，首先进入常规水源热泵机组(第一热泵机组1)的冷凝器，获取热泵 供给热量，温度升至50-60℃。之后进入中高温热泵机组(第四热泵机组4)的冷凝器，获取 该热泵供给的热量，温度升至60-70℃，在采暖侧循环水泵32驱动下作为散热器采暖系统供 水供给散热器用户8。而中高温热泵机组(第四热泵机组4)的蒸发器侧的热量来自常规水源 热泵供给的30-40℃循环水。

如附图4所示，部分负荷(较小负荷)工况下，即50％以下设计负荷条件下的运行方法， 中高温热泵(第三热泵机组3和第四热泵机组4)全部停用。常温水源水在水源侧水泵5驱 动下分别进入常规水源热泵机组(第一热泵机组1和第二热泵机组2)的蒸发器，被提取热 量温度降低后排放。散热器系统C的温度为30-40℃采暖回水，首先进入常规水源热泵机组 (第一热泵机组1)的冷凝器，获取该热泵供给热量，温度升至40-50℃。之后进入常规水源 热泵机组(第二热泵机组2)的冷凝器，获取该热泵供给热量，温度升至50-60℃，在采暖侧 循环水泵驱动下作为散热器系统C供水供给散热器用户8。

下面给出一最佳实施方式：

在设计负荷条件下，12℃的常温水源在水源侧水泵5驱动下，分别进入常规水源热泵机 组(第一热泵机组1和第二热泵机组2)的蒸发器，被提取热量，温度降低5℃后，以7℃排 出。常规水源热泵机组(第一热泵机组1和第二热泵机组2)制备出40℃热水，在中间循环 水泵(第二中间循环水泵6和第三中间循环水泵7)驱动下，分别进入中高温水源热泵(第 三热泵机组3和第四热泵机组4)的蒸发器，为其正常运行提供热量和温度保障后，温度降 为30℃，循环进入常规水源热泵机组(第一热泵机组1和第二热泵机组2)的冷凝器，完成 一个中间循环。来自于散热器用户8的温度为60℃采暖循环回水，首先进入中高温热泵机组 (第三热泵机组3)的冷凝器，获取热泵机组提供的热量，温度升高至70℃，再进入中高温 热泵机组(第四热泵机组4)的冷凝器，进一步获取机组提供的热量，温度升高至80℃。在 采暖侧循环水泵(第一中间循环水泵32)的驱动下，作为采暖供水供给散热器用户8，完成 系统热量不间断供给。通过以上过程中，实现利用12℃常温水源，通过常规水源热泵机组(第 一热泵机组1和第二热泵机组2)和中高温热泵机组(第三热泵机组3和第四热泵机组4)的 二级热量提取，满足常规散热器系统80℃高温供水的水温和供回水温差20℃的循环水温差需 求。系统总制热系数COP(包括水泵能耗)约在2.1左右。

在部分负荷工况下，散热器系统供水温度需求降低，通过管路的切换实现质调节(供水 温度调节)。

部分负荷(75％左右)工况下，如附图3所示，中高温热泵机组(第三热泵机组3)停用。 12℃常温水源水在水源侧水泵5驱动下分别进入常规水源热泵机组(第一热泵机组1和第二 热泵机组2)的蒸发器，被提取热量温度降低5℃后，以7℃排放。散热器系统C的温度为45 ℃采暖回水，首先进入常规水源热泵机组(第一热泵机组1)的冷凝器，获取热泵供给热量， 温度升至55℃。之后进入中高温热泵机组(第四热泵机组4)的冷凝器，获取该热泵供给的 热量，温度升至65℃，在采暖侧循环水泵驱动下作为散热器采暖系统供水供给散热器用户8。 而中高温热泵机组(第四热泵机组4)的蒸发器侧的热量来自常规水源热泵供给的40/30℃循 环水。该运行方式下，系统总制热系数COP(包括水泵能耗)约在3.0左右。

部分负荷(50％左右)工况下，如附图4所示，中高温热泵(第三热泵机组3和第四热泵 机组4)全部停用。常温水源水在水源侧水泵5驱动下分别进入常规水源热泵机组(第一热 泵机组1和第二热泵机组2)的蒸发器，被提取热量温度降低5℃后排放。散热器系统C温度 为35℃采暖回水，首先进入常规水源热泵机组(第一热泵机组1)的冷凝器，获取该热泵供 给热量，温度升至45℃。之后进入常规水源热泵机组(第二热泵机组2)的冷凝器，获取该 热泵供给热量，温度升至55℃，在采暖侧循环水泵(第一中间循环水泵32)驱动下作为散热 器系统C供水供给散热器用户8。该运行方式下，系统总制热系数COP(包括水泵能耗)约在 3.2-3.5左右。

整个采暖期本发明的常温水源条件下用于散热器采暖的热泵系统及运行方法的采暖期制 热系数约为3.08。