本发明设计了一种将分散式小型水源热泵机组与集中式水源热泵机组耦合的系统，属于热泵系统领域。
背景技术：
水环热泵系统因利用低品位热源，高效、节能、环保，具有夏季供冷、冬季采暖的双重功能，并能够在建筑物内外区之间回收能量，室内系统分散，便于用户根据需要进行调节，因此在空调领域得到很多应用。水环热泵一方面可以在冬季利用内区产生的热量，通过水环路和系统中小型热泵装置将其转移到建筑物外区，从而可以降低建筑物外区供热的能耗。另一方面，水环热泵系统中设置的各种小型热泵装置可以独立按照各用户对热舒适性需求进行控制和调节，相对于大型集中式系统，其灵活的调节特性也有助于降低大型建筑物的供冷供热能耗。但是水环热泵系统只有当建筑屋内区有大量余热、才能通过水环系统将余热用于外区供热，达到节约能源的目的。而大量的建筑物中冬季内区由于人员与设备产生的热量无法满足外区建筑物供热的全部需求。在这种情况冬季采暖时，若采用水环热泵系统，仍然需要在水环路系统中增加锅炉等其他热源设备。这种利用燃料或其他高品位热量对水环路中介质加热后，再通过热泵提升热量品味后向室内供热的方式，其能源利用方式不符合能量按品味合理利用的基本原则。另一方面水环热泵冬季采暖时冷却塔闲置，设备没有得到充分利用。
热源塔热泵技术，是一种新型的热泵技术，热源塔热泵在运行过程中无需锅炉、等辅助热源，相对与空气源热泵而言，不存在结霜与除霜问题，即可应用于新建建筑，又适用于即有建筑的节能改造，有着较好的应用前景。然而，在室外空气温度较低的地区，采用热源塔热泵冬季单独供热时，热源塔热泵压缩机仍然在较大压比下运行，这大大降低了系统的能效比。另外，单一的热源塔热泵不能在建筑内外区之间进行能量的回收利用，其调节灵活性低于分散系统。
为了充分发挥水环热泵与热源塔热泵的优势，同时也避免两者单独运行时的一些缺陷，本发明提出充分利用水环热泵系统中冷却塔设备，将其改造为冬季可以从空气中提取热量的热源塔热泵装置，并在系统中增设部分空气源热泵系统，通过集中的热源塔热泵系统和辅助的空气源热泵系统与建筑物内各个分散的小型水源热泵装置耦合，构成集中与分散热泵系统相互耦合的一体化系统。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的是提高一种基于热源塔的集散式热泵系统，充分发挥水环热泵与热源塔热泵的优势，同时也避免两者单独运行时的一些缺陷，通过集中的热源塔热泵系统和辅助的空气源热泵系统与建筑物内各个分散的小型水源热泵装置耦合，构成集中与分散热泵系统相互耦合的一体化系统。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明将热源塔热泵与水环热泵特点相结合，构建一种基于热源塔的集散式热泵系统。夏季供冷时，热源塔作为冷却塔运行，对水环路系统中冷却水进行冷却；冬季供热时，热源塔与集中的水源热泵机组耦合，作为热源塔热泵系统运行，对水环路系统中水进行加热，在热源塔供热量不足时，空气源热泵机组对水环系统中水进行补充加热，加热后低温热水作为建筑物内分散的水源热泵机组的热源。当冬季环境温度低于7℃时，热源塔中的工作介质由水切换为低凝固点的盐溶液。切换时，先将热源塔与水环路的连接的阀门关闭，通过热源塔系统中排水阀将塔内和连接管路中的水排出后，向热源塔系统中注入配置好的可以在低温工况下运行的溶液，避免低温运行时，热源塔内循环截止低温凝固而导致系统不能运行。
本发明的一种基于热源塔的集散式热泵系统包括小压比分散小型水源热泵机组、小压比集中式水源热泵机组、热源塔、空气源热泵、溶液储液器、阀门A、阀门B、阀门C、阀门D、阀门E、阀门F、阀门G、阀门H、阀门I、阀门J、阀门K、阀门L、第一水泵、第二水泵；所述小压比分散小型水源热泵机组与热源塔进口相连，相连管路上依次设有阀门C、阀门K；所述小压比分散小型水源热泵机组的输出端与小压比集中式水源热泵机组中的冷凝器相连，相连管路上设有阀门A；所述热源塔的出口分两路，一路与小压比集中式水源热泵机组中的蒸发器相连，相连管路上设有阀门F、第二水泵，另一路与溶液储液器的进口相连，相连管路上设有阀门H；所述小压比集中式水源热泵机组中的蒸发器与热源塔的进口相连，相连管路上设有阀门J、阀门K；所述溶液储液器左侧设有旁通管路，该管路上设有阀门L；所述空气源热泵的输入端与小压比集中式水源热泵机组中的冷凝器相连，相连管路上设有阀门G，同时空气源热泵出口通过阀门I接阀门B与第一水泵的连接点，阀门B位于冷凝器与第一水泵之间。
小压比集中式水源热泵机组由第一变频压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器组成，第一变频压缩机的吸气口与蒸发器的出口相连，第一变频压缩机的排气口与冷凝器的进口相连，冷凝器的出口与电子膨胀阀的进口相连，电子膨胀阀的出口与蒸发器的进口相连；上述连接构成了小压比集中式水源热泵机组工质制热循环回路。
小压比分散式水源热泵机组由第二变频压缩机、四通换向阀、第一换热器、电子膨胀阀、第二换热器组成；当小压比分散式水源热泵机组运行于制冷工况时，通过四通换向阀的换向，第一换热器成为蒸发器，第二换热器成为冷凝器；此时，变频压缩机的吸气口与第一换热器的出口相连，第二变频压缩机的排气口与第二换热器的进口相连，第二换热器的出口与电子膨胀阀的进口相连，电子膨胀阀的出口与第一换热器的进口相连；上述连接构成小压比分散式水源热泵机组工质制冷循环回路；当小压比分散式水源热泵机组运行于制热工况时，通过四通换向阀的换向，第一换热器成为冷凝器，第二换热器成为蒸发器；此时，第二变频压缩机的吸气口与第二换热器的出口相连，第二变频压缩机的排气口与第一换热器的进口相连，第一换热器的出口与电子膨胀阀的进口相连，电子膨胀阀的出口与第二换热器的进口相连；上述连接构成小压比分散式水源热泵机组工质制热循环回路。
所述热源塔为开式塔，在出口连接管道上设有溶液储液器。
所述集散式热泵系统中的水泵均采用变频水泵，可以通过调节转速调节流量，达到节能目的。
室内小压比分散小型水源热泵机组采用变频系统，实现根据室内负荷的变化，进行供冷与供热量的调节。
所述热源塔按照夏季供冷负荷能力选配，以避免热源塔占地面积过大。
所述管路均采用防腐蚀管材。
有益效果：
(1)本发明在夏季时，由于热源塔作为冷却塔运行时，因此在夏季系统运行时，分散式热泵机组的压比与带冷却塔的水环热泵机组的压比相当，其效率远高于空气源冷水机组，在冬季时，当室外温度为-5℃，集中式水源热泵机组将水系统中的水加热到20℃左右，作为分散式热泵机组的热源。然后通过室内分散小型热泵机组向室内提供45℃度左右热水或热风进行供热，集中式的热源塔热泵机组与室内分散的小型水源热泵机组的压比都在3左右，而若采用热源塔热泵直接供热时，室内末端供水为45～55℃，其压比为高达6以上。在本系统中的集中式水源热泵系统的压比远小于采用热源塔热泵系统直接供热时的压比。通过将热源塔热泵与室内小型分散的小型水源热泵机组耦合运行，机组运行压比减小，效率得到提升。当热源塔供热量不足时，空气源热泵机组对水环系统中水进行补充加热，将水系统中水加热到20℃左右。此时辅助的空气源热泵机组也在较小的压比，较高效率下运行。综上所述本系统能够实现机组冬夏两季小压比运行，机组能效比提高，同时避免压缩机排气温度过高，使系统长期、安全、稳定地运行。
(2)在本发明中集中式水源热泵机组采用变容量运行，减少系统能耗。即当冬季系统负荷减小时，通过降低集中式水源热泵机组变频压缩机的频率，可提高系统能效比、减小系统能耗；同时水系统通过变频水泵调节，能够根据用户侧分散小型水源热泵机组负荷变化，进行流量调节，可以降低水系统运行中输运能耗。即当用户侧负荷减小时，通过减小变频水泵的频率，可降低水系统运行中的输运能耗。
(3)在本发明中分散式水源热泵机组变容量和每户独立控制，而室内分散的小型水源热泵系统也采用变频调节，进一步提高调节灵活性和能效比。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
其中有：四通换向阀1、节流阀4、冷凝器5、第一变频压缩机6、第二变频压缩机11、热源塔12、空气源热泵13、溶液储液器16、小压比分散小型水源热泵机组17、小压比集中式水源热泵机组18、第一换热器19、蒸发器24、第二换热器25、电子膨胀阀26、第一水泵A、第二水泵B。
阀门A2、阀门B3、阀门C7、阀门D8、阀门E9、阀门F10、阀门G14、阀门H15、阀门I20、阀门J21、阀门K22、阀门L23。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发提供了一种基于热源塔的集散式热泵系统，如图1所示，该系统包括小压比分散小型水源热泵机组17、小压比集中式水源热泵机组18、热源塔12、空气源热泵13、溶液储液器16、阀门A2、阀门B3、阀门C7、阀门D8、阀门E9、阀门F10、阀门G14、阀门H15、阀门I(20)、阀门J21阀门K22、阀门L23，水泵A、水泵B；所述小压比分散小型水源热泵机组17与热源塔12进口相连，相连管路上设有阀门C7、阀门K22；所述小压比分散小型水源热泵机组17的输出端与小压比集中式水源热泵机组18中的冷凝器5相连，相连管路上设有阀门A2；所述热源塔12的出口与小压比集中式水源热泵机组18中的蒸发器24相连，相连管路上设有阀门F10、泵B，所述小压比集中式水源热泵机组18中的蒸发器24与热源塔12的进口相连，相连管路上设有阀门J21、阀门K22；所述热源塔12的出口与溶液储液器16的进口相连，相连管路上设有阀门H15；所述溶液储液器16旁设有旁通管道，管路上设有阀门L23。所述空气源热泵13的输入端与小压比集中式水源热泵机组18中的冷凝器5相连，相连管路上设有阀门G14，同时空气源热泵13出口设有阀门I20，上方设有旁通管道，管路上设有阀门B3。
其中，如图1所示，小压比集中式水源热泵机组18由第一变频压缩机6、冷凝器5、电子膨胀阀4、蒸发器24组成，第一变频压缩机6的吸气口与蒸发器24的出口相连，第一变频压缩机6的排气口与冷凝器5的进口相连，冷凝器5的出口与电子膨胀阀4的进口相连，电子膨胀阀4的出口与蒸发器24的进口相连；上述连接构成了小压比集中式水源热泵机组工质制热循环回路。
小压比分散式水源热泵机组17由第二变频压缩机11、四通换向阀11、第一换热器19、电子膨胀阀26、第二换热器25组成。当小压比分散式水源热泵机组17运行于制冷工况时，通过四通换向阀11的换向，第一换热器19成为蒸发器，第二换热器25成为冷凝器。此时，第二变频压缩机11的吸气口与第一换热器19的出口相连，第二变频压缩机11的排气口与第二换热器25的进口相连，第二换热器25的出口与电子膨胀阀26的进口相连，电子膨胀阀26的出口与第一换热器19的进口相连；上述连接构成小压比分散式水源热泵机组工质制冷循环回路。
当小压比分散式水源热泵机组17运行于制热工况时，通过四通换向阀11的换向，第一换热器19成为冷凝器，第二换热器25成为蒸发器。此时，第二变频压缩机11的吸气口与第二换热器25的出口相连，第二变频压缩机11的排气口与第一换热器19的进口相连，第一换热器19的出口与电子膨胀阀26的进口相连，电子膨胀阀26的出口与第二换热器25的进口相连；上述连接构成小压比分散式水源热泵机组工质制热循环回路。
上述基于热源塔的集散式热泵系统的使用方法为：
1、过渡季节时外区的小压比分散小型水源热泵机组按制热工况运行，内区的小压比分散小型水源热泵机组按制冷工况运行，若冷热负荷相当，则环路供水温度维持在一定的范围内。此时，只需将阀门D8打开，阀门A2、B3、C7、E9、F10、G14、H15、I20、J21、K22、L23关闭，泵A运行，小压比分散小型水源热泵机组17、热源塔12、小压比集中式水源热泵机18、空气源热泵13、泵B都不投入运行。
2、夏季时各室内小压比分散式小型水源热泵机组17大部分或全部都按制冷工况运行，向环路中释放冷凝热，为保持系统稳定运行，将阀门C7、E9、K22打开，阀门A2、B3、D8、F10、G14、H15、120、J21、L23关闭，小压比分散式小型水源热泵机组17、热源塔12、泵A、泵B运行，小压比集中式水源热泵机组18、空气源热泵13不运行。此时，热源塔12作冷却塔运行，水在热源塔中与室外空气换热，水温降低后，经过阀E9，泵A进入分散式小型水源热泵机组17，作为分散式小型水源热泵机组17冷源，使分散式小型水源热泵机组17能稳定按照制冷工况运行，向室内供冷，经过分散式小型水源热泵机组17的水被加热后，经过阀门C7、K22，进入热源塔12，在其中将热量再次释放给室外空气。如此完成一个供冷循环。在这种工况下，分散小型水源热泵机组17能够以较小压比运行，机组能效比提高。
3、冬季时各室内小压比分散小型水源热泵机组17大部分或全部按供热工况运行，若当环境温度大于7℃时，阀门A2、B3、F10、J21、K22打开，阀门C7、D8、E9、G14、H15、I20、L23关闭，热源塔12、小压比分散式小型水源热泵机组17、小压比集中式水源热泵机组18、泵A、泵B投入运行。水经过热源塔12从室外空气中吸热，作为小压比集中式水源热泵18的热源，经集中式水源热泵18提升为高温位热量，并向环路中水放热，水在热源塔12从室外空气中吸热后，经过阀门F10，通过泵B进入集中式水源热泵机组的蒸发器24，在其中将热量传给热泵系统中的工质，工质吸热后通过压缩机压缩，温度和压力提高后，进入冷凝器5中冷凝，并将热量释放给水环路中的水。水环路中水在冷凝器5中吸热升温后，通过阀门B3，泵A进入室内入分散小型水源热泵机组17，作为分散式小型水源热泵机组17热源，使分散式小型水源热泵机组17在小压比制热工况下运行，稳定向室内供热，在分散式小型水源热泵机组17中，水环路中的水被冷却后，经过阀门A2，进入冷凝器5，在其中获得集中式水源热泵工质冷凝所释放的热量。然后继续通过水环路和分散小型热泵17向室内供热。集中式水源热泵工质在冷凝器5中释放热量并冷凝为液体后，通过电子膨胀阀4节流后进入蒸发器24中，被来自热源塔的水加热后，继续进入第一变频压缩机6压缩后，再次进入冷凝器5中释放热量。而水在蒸发器24中释放热量，温度降低后，经过阀门J21、K22进入热源塔12中，继续与室外空气换热后，通过阀门F10，泵B再次进入蒸发器(24)中，向热泵工质放热。
当环路中的水达不到20℃，则关闭阀门B3，打开阀门G14、I20，空气源热泵13投入运行，向环路中的水放热，使得环路中的水的温度在20℃左右。环路中水作为小压比分散小型水源热泵机组17的热源，经分散小型水源热泵机组17提升为高位热量，向室内供热。
若当环境温度小于7℃时，先将热源塔中的工质由水切换为盐溶液，此时关闭阀门C7、E9、H15，打开阀门J21，K22，F10，L23，通过最低处阀门L23将热源塔系统中水全部排出后，然后向系统中注入溶液。阀门A2、B3、F10、J21、K22打开，阀门C7、D8、E9、G14、H15、I20、L23关闭，热源塔12、小压比分散小型水源热泵机组17、小压比集中式水源热泵机组18、泵A、泵B投入运行。溶液经过热源塔12从室外空气中吸热，作为小压比集中式水源热泵18的热源，经集中式水源热泵18提升为高温位热量，并向环路中水放热，溶液在热源塔12从室外空气中吸热后，经过阀门F10，通过泵B进入集中式水源热泵机组的蒸发24，在其中将热量传给热泵系统中的工质，工质吸热后通过压缩机压缩，温度和压力提高后，进入冷凝器(5)中冷凝，并将热量释放给水环路中的水。水环路中水在冷凝器(5)中吸热升温后，通过阀门B3，泵A进入室内入分散小型水源热泵机组17，作为分散小型水源热泵机组17热源，使分散小型水源热泵机组17按照小压比制热工况运行，稳定向室内供热，经过分散小型水源热泵机组17的水被冷却后，经过阀门A2，进入冷凝器5，在其中获得热泵工质冷凝热量，然后继续通过水环路和分散式小型热泵继续向室内供热。热泵工质在冷凝器(5)中释放热量，冷凝为液体后，通过电子膨胀阀4节流后进入蒸发器(24)中，被来自热源塔的溶液加热后，继续进入压缩机压缩后，再次进入冷凝器(5)中释放热量。而溶液在蒸发器(24)中释放热量，温度降低后，经过阀门J21、K22进入热源塔12中，继续与室外空气换热后，通过阀门F10，泵B再次进入蒸发器24中，向热泵工质放热。
当环路中的水达不到20℃，则关闭阀门B3，打开阀门G14、120，空气源热泵13投入运行，向环路中的水放热，使得环路中的水的温度在20℃左右。环路中水作为小压比分散式小型水源热泵机组17的热源，经分散小型水源热泵机组17提升为高位热量，向室内供热。
4、冬季时，当热源塔中的工质由水切换为盐溶液时，关闭阀门C7、E9、H15，打开阀门J21，K22，F10，L23，通过最低处阀门L23将热源塔系统中水全部排出后，向系统中注入溶液。
当热源塔中的工质由盐溶液切换水时，关闭阀门C7、E9、L23，打开阀门J21，K22，F10，H15，通过最低处阀门H15将热源塔系统中溶液全部排出后，进入溶液储液器16中。然后向系统中注入水。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明，本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围。