一种平抑间歇能源短期波动的热泵储能系统的制作方法

本发明涉及热回收式热泵系统，特别是涉及一种平抑间歇能源短期波动的热泵储能系统。

背景技术：

由于传统能源的使用会引起温室效应、大气污染等环境问题，光伏发电等清洁能源的使用量在大幅上升。目前，通过光伏发电给生活中的家电等用电器供电成为了利用方式之一。

热泵作为一种充分利用低品位热能的高效节能装置，可以通过逆循环方式使热量从低温物体流向高温物体，消耗少量的机械功，获得较大的热量，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来达到节能目的。

但是，光伏发电系统存在着自身问题：输出电能受到光照强度、温度波动等环境因素的影响，短期内会出现较大的波动性。目前，一些热泵采用由光伏发电和蓄电池联合供电模式，当光伏发电输出功率大于压缩机额定运行功率时，将富余部分充入蓄电池中。当光伏发电输出功率小于压缩机额定运行功率时，使用蓄电池中的电进行补偿。由于蓄电池的充电和放电过程均有功率的损失，使得热泵系统对于光伏发电的功率无法充分利用，有较大部分浪费。因此，需要解决热泵系统对短期内的光伏发电功率利用率低的问题。

再有，普通家用式空调多采用无热回收式的热泵型空调，其存在着一定的缺陷性：在夏季，空调的室内机制取冷量，将热量通过室外机排到空气中，这部分冷凝热不但得不到有效的利用，而且排废热到空气中会加重城市的热岛效应。所以，需要解决普通热泵型空调对冷凝热利用率低的问题。

在改进中还需要解决制冷制热量的平衡问题：在一些热回收式热泵空调中，始终保持制冷制热同时运行，蒸发器从水罐中吸收热量，冷凝器向热水罐中的水放热。但是，当同时满足冷热水温度需求时，其与普通热泵热水器相比，蒸发温度较低，与普通制冷空调工况相比，冷凝温度较高，导致机组的制冷和制热效率降低，耗能较大。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种平抑间歇能源短期波动的热泵储能系统，解决了现有技术中存在的对短期内的光伏发电功率利用率低、制冷和制热效率低、耗能大的问题。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的平抑间歇能源短期波动的热泵储能系统，包括水罐储能-取能单元，水罐储能-取能单元包括热水罐和冷水罐，热水罐连接地暖热水单元和生活热水单元，热水罐还连接热回收冷凝器单元，热回收冷凝器单元通过变频压缩机和膨胀阀连接双蒸发器单元，双蒸发器单元连接冷水罐，冷水罐连接室内空气调节单元；所述热泵储能系统还包括控制单元，控制单元分别连接室内空气调节单元、水罐储能-取能单元、双蒸发器单元、热回收冷凝器单元和变频压缩机。

进一步，所述热泵储能系统还包括第一电磁阀和水泵，水罐储能-取能单元还包括变频水泵和变频水泵，冷水罐的第一输出端和第一输入端分别连接室内空气调节单元，冷水罐的第二输入端连接双蒸发器单元，冷水罐的第二输出端通过变频水泵连接双蒸发器单元，热水罐的第一输入端通过变频水泵连接热回收冷凝器单元，热水罐的第一输出端连接热回收冷凝器单元，热水罐的第二输出端分别连接生活热水单元的输入端和第一电磁阀的一端，第一电磁阀的另一端连接地暖热水单元的输入端，热水罐的第二输入端通过水泵连接生活热水单元的输出端和地暖热水单元的输出端。

进一步，所述双蒸发器单元包括板式换热器，板式换热器的第一载冷剂输出端连接冷水罐的第二输入端，板式换热器的第一载冷剂输入端连接变频水泵，冷水罐的第一输出端和第一输入端分别连接室内空气调节单元，板式换热器的第一制冷剂输出端分别连接变频压缩机的输入端和风冷式翅片换热器的输出端，板式换热器的第一制冷剂输入端通过第二电磁阀后分别连接第三电磁阀的一端和膨胀阀的一端，第三电磁阀的另一端连接风冷式翅片换热器的输入端，风冷式翅片换热器的一侧设有恒速风扇，膨胀阀的另一端连接热回收冷凝器单元。

进一步，所述热回收冷凝器单元包括板式换热器，板式换热器的第二制冷剂输入端连接变频压缩机的输出端，板式换热器的第二制冷剂输出端连接风冷式翅片换热器的输入端，风冷式翅片换热器的输出端连接膨胀阀的另一端，风冷式翅片换热器的一侧设有变频风扇，板式换热器的第二载冷剂输出端连接变频水泵，板式换热器的第二载冷剂输入端连接热水罐的第一输出端。

进一步，所述室内空气调节单元包括风冷式翅片换热器，风冷式翅片换热器的输出端通过变频水泵连接冷水罐的第一输入端，风冷式翅片换热器的输入端连接冷水罐的第一输出端，风冷式翅片换热器的一侧设有变频风扇。

进一步，所述控制单元包括控制器、设于室内空气中的温度信号探头、设于冷水罐中的温度信号探头以及设于热水罐中的温度信号探头，控制器分别连接第三电磁阀、第二电磁阀、第一电磁阀、变频风扇、变频风扇、变频水泵、变频水泵、变频水泵、变频压缩机。

进一步，所述控制单元在夏季时控制第二电磁阀开启，第三电磁阀和第一电磁阀均关闭，在冬季时控制第三电磁阀开启，第二电磁阀关闭，第一电磁阀开启。

有益效果：本发明公开了一种平抑间歇能源短期波动的热泵储能系统，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

(1)采用变频压缩机消纳风、光等可再生间歇性能源，不仅消除了短期内间歇性能源的波动带来的影响，且为用户提供了冷热负荷，节约能耗；

(2)采用光伏发电的输出功率直接给变频压缩机供电，与传统光伏发电和蓄电池联合供电的方式相比，可以有效的提高短期内对光伏发电的输出功率的利用率，减少了电功率损失；

(3)回收了传统空调的废热，用于加热热水，节约了加热热水的能耗且有益于减缓城市热岛效应；

(4)制冷剂先通过板式换热器与热水罐中的水进行换热，加热热水罐中水的温度，再通过风冷式冷凝器对进行二次散热，在保证总制热量的基础上，提高总制冷量；

(5)根据用户在房间与否采用不同的热回收运行模式，使得单一运行模式下的制冷、制热效率提高。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中系统的示意图；

图2为本发明具体实施方式中光伏发电短期波动特性的示意图；

图3为本发明具体实施方式中室温变化曲线；

图4为本发明具体实施方式中变频风扇的调节转速的电压变化曲线；

图5为本发明具体实施方式中变频压缩机的调节转速的电压变化曲线；

图6为本发明具体实施方式中冷水罐水温变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种平抑间歇能源短期波动的热泵储能系统，如图1所示，包括水罐储能-取能单元，水罐储能-取能单元包括热水罐17和冷水罐3，热水罐17连接地暖热水单元和生活热水单元，热水罐17还连接热回收冷凝器单元，热回收冷凝器单元通过变频压缩机20和膨胀阀11连接双蒸发器单元，双蒸发器单元连接冷水罐3，冷水罐3连接室内空气调节单元；所述热泵储能系统还包括控制单元，控制单元分别连接室内空气调节单元、水罐储能-取能单元、双蒸发器单元、热回收冷凝器单元和变频压缩机20。

热泵储能系统还包括第一电磁阀14和水泵19，水罐储能-取能单元还包括变频水泵16和变频水泵5，冷水罐3的第一输出端和第一输入端分别连接室内空气调节单元，冷水罐3的第二输入端连接双蒸发器单元，冷水罐3的第二输出端通过变频水泵5连接双蒸发器单元，热水罐17的第一输入端通过变频水泵16连接热回收冷凝器单元，热水罐17的第一输出端连接热回收冷凝器单元，热水罐17的第二输出端分别连接生活热水单元的输入端和第一电磁阀14的一端，第一电磁阀14的另一端连接地暖热水单元的输入端，热水罐17的第二输入端通过水泵19连接生活热水单元的输出端和地暖热水单元的输出端。

双蒸发器单元包括板式换热器6，板式换热器6的第一载冷剂输出端连接冷水罐3的第二输入端，板式换热器6的第一载冷剂输入端连接变频水泵5，冷水罐3的第一输出端和第一输入端分别连接室内空气调节单元，板式换热器6的第一制冷剂输出端分别连接变频压缩机20的输入端和风冷式翅片换热器8的输出端，板式换热器6的第一制冷剂输入端通过第二电磁阀10后分别连接第三电磁阀9的一端和膨胀阀11的一端，第三电磁阀9的另一端连接风冷式翅片换热器8的输入端，风冷式翅片换热器8的一侧设有恒速风扇7，膨胀阀11的另一端连接热回收冷凝器单元。

热回收冷凝器单元包括板式换热器15，板式换热器15的第二制冷剂输入端连接变频压缩机20的输出端，板式换热器15的第二制冷剂输出端连接风冷式翅片换热器13的输入端，风冷式翅片换热器13的输出端连接膨胀阀11的另一端，风冷式翅片换热器13的一侧设有变频风扇12，板式换热器15的第二载冷剂输出端连接变频水泵16，板式换热器15的第二载冷剂输入端连接热水罐17的第一输出端。

室内空气调节单元包括风冷式翅片换热器1，风冷式翅片换热器1的输出端通过变频水泵2连接冷水罐3的第一输入端，风冷式翅片换热器1的输入端连接冷水罐3的第一输出端，风冷式翅片换热器1的一侧设有变频风扇22。

控制单元包括控制器、设于室内空气中的温度信号探头21、设于冷水罐3中的温度信号探头4以及设于热水罐17中的温度信号探头18，控制器分别连接第三电磁阀9、第二电磁阀10、第一电磁阀14、变频风扇22、变频风扇12、变频水泵2、变频水泵5、变频水泵16、变频压缩机20。

控制单元在夏季时控制第二电磁阀10开启，第三电磁阀9和第一电磁阀14均关闭，在冬季时控制第三电磁阀9开启，第二电磁阀10关闭，第一电磁阀14开启。

图2是描述光伏发电的短期波动特性的示意图。由于光伏发电的输出功率受天气状况影响较大，在光照充足时功率较高，在光照不足时功率较低，因此其具有间歇性波动的特性。

1.本发明通过控制单元自动控制空气调节单元，以夏季运行模式为例，使室内温度保持在26℃的设定温度，使用pid控制器负反馈方式对变频风扇22的转速进行调整，其中pid控制器仅使用比例和积分两项，参数设置为kp＝4.615,ki＝-0.05722。当温度信号探头4测得热水罐3水温降到12度时，控制单元开启变频风扇22，并实时根据温度信号探头4处的温度，调节变频风扇22转速与变频水泵2的转速，使得变频风扇22吹出的风的温度与风速的综合效果在人体舒适范围区。温度信号探头21将室内温度值输送给控制单元，与设定温度进行比较。当室内温度大于设定温度时，控制单元加大变频风扇22转速，并随着室内温度与设定温度之差的减小，变频风扇22转速逐渐减小。其中变频风扇22的转速调节通过对其输入0～5v的电压信号实现，电压信号的大小反映变频风扇22转速的快慢。当系统达到稳态时，室温维持在26℃，室温的变化曲线如图3所示，变频风扇22输入的调节转速的电压值变化曲线如图4所示。

2.本发明通过控制单元改变变频压缩机20的转速，平抑光伏发电短期波动，实现动态储能。变频压缩机20由光伏发电供电，当光伏发电的功率大于变频压缩机20的额定功率时，变频压缩机20转速增大，使冷水罐3温度降低，此时系统的总制冷量得到提升，控制单元减小变频风扇22转速，使室内温度维持不变，此时为储能模式。当光伏发电的功率小于变频压缩机20的额定功率时，变频压缩机20的输入功率较小，变频压缩机20的转速减小，使得总制冷量减少，此时为取能模式。控制单元增大变频风扇22转速，冷水罐3中冷量通过空气调节单元输送至室内，满足用户需求。将变频压缩机20的输入功率曲线近似为正弦曲线，反映光伏发电的短期波动特性，如图5所示。当系统达到稳态后，冷水罐3的水温变化如图6所示，在5℃上下进行周期性波动，反映其储能能力。

3.本发明的双蒸发器单元在夏季、冬季时进行蒸发器的转换。在夏季，室外温度较高，第二电磁阀10闭合，第三电磁阀9断开，蒸发器侧采用板式换热器6，以水作为载冷剂，可实现动态储能。在冬季，无制冷需求，第三电磁阀9闭合，第二电磁阀10断开，蒸发器侧采用风冷式翅片换热器8，恒速风扇7开启，制冷剂从空气中吸热，此时为空气源热泵运行模式。

4.本发明在夏季，控制单元根据用户需求调整热回收冷凝器单元的变频风扇12转速，在总制冷量、总制热量得到满足的情况下，使设定工况下的制冷效率、制热效率均有提高。具体运行方式根据用户的使用状态进行调整。

用户在离开房间时，关闭空气调节单元的开关，控制单元关闭变频水泵2、变频风扇22、变频风扇12，热回收冷凝器单元进行部分热回收，其中热回收量相较于变频风扇12开启的情况下有所增加。制冷剂在风冷式翅片换热器12的输出端的过冷度减小，在板式蒸发器6中的单位制冷量减少，冷水罐3温度下降速度减慢。由于风冷式翅片换热器12的散热量降低，所回收的热量用于提升热水罐17中水温，总制热量相比于开启变频风扇12时有所提高。温度信号探头18将热水罐17中的水温输送到控制单元，当水温升至50度时，控制单元关闭压缩机20、变频水泵5、变频水泵16，系统停止运行，进行保温。

用户回到房间时，开启空气调节单元的开关，控制单元开启变频压缩机20、变频水泵5、变频水泵16、变频水泵2、变频风扇22，并将变频风扇12的转速调至最大，热回收冷凝器单元进行部分热回收。此时，风冷式散热器12的散热量增至最大，制冷剂在风冷式翅片换热器12的输出端的过冷度增大，在板式换热器6中的单位制冷量增加，冷水罐3的温度降低速度增快，蒸发温度降低，使得板式换热器15的冷凝温度下降，单位制热量减少，总制冷量相比全热回收模式有所提高。控制单元根据温度信号探头4的温度信号，减小变频风扇22转速，使室内温度保持恒定，满足用户制冷需求。此时热水罐17在全热回收模式时已升至较高温度，可供生活热水单元、地暖热水单元使用，满足用户热水需求。