燃气热泵供热系统的制作方法

1.本发明涉及一种热泵供热系统，具体涉及一种燃气热泵供热系统。


背景技术：

2.锅炉供热是北方集中供热的主要形式之一，其热能来自于燃料燃烧的热量。目前，随着可持续发展战略的实施、节能环保意识的不断加强、以及北方冬季供热煤改气政策的推进，锅炉供热已经无法满足社会的需要。
3.公开号为cn1916507a中国专利公开了一种热泵与锅炉联合供暖系统，该系统含有热泵机组、锅炉、循环水泵、低位热源、散热设备、定压补水装置及连接管路等，热泵与锅炉串联在供热系统中。在实际运行时热媒先由热泵加热，再由锅炉加热，由热泵承担基本热负荷，锅炉承担尖峰热负荷。但是，该供暖系统在低温环境下，供暖效率有限。
4.公开号为cn101551136a中国专利公开了一种利用锅炉与空气热源共同制备热水的装置，该装置将锅炉与吸收式热泵机组联合使用，锅炉产生的热水或蒸汽作为吸收式热泵机组的驱动热源，并利用风冷式换热器直接或间接地从空气中取热，将从自来水或用户末端返回的低温热水依次送入吸收式热泵机组的吸收器和冷凝器中，制取高温热水。然而，该装置在应用时存在以下问题：吸收式热泵在北方冬季寒冷季节，空气温度低的场合效率很低，甚至难以运行，；此外，该装置很难提供温度高于70℃以上的热水，供热能力不足。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种燃气热泵供热系统。
6.本发明提供了一种燃气热泵供热系统，用于设置在供热管网中，对回水进行升温后输出供水，其特征在于，包括：燃气热泵子系统和锅炉子系统，燃气热泵子系统和锅炉子系统并联设置，回水分为第一支路和第二支路，第一支路的水流入燃气热泵子系统，第二支路的水流入锅炉子系统，然后两路水汇聚后作为供水输出，燃气热泵子系统和锅炉子系统单一运行或共同运行，其中，锅炉子系统包括至少一台热水锅炉，燃气热泵子系统包括至少一台燃气热泵机组，每台燃气热泵机组均包括燃气发动机、发动机余热换热单元、压缩机、冷凝器以及蒸发器，蒸发器为空气-制冷剂换热器或水源水-制冷剂换热器中的一种，蒸发器中的制冷剂从空气或水源水中吸收热量，燃气发动机驱动压缩机压缩制冷剂，经压缩后的制冷剂在冷凝器中放热，发动机余热换热单元吸收燃气发动机余热放热，第一支路的水流经冷凝器以及发动机余热换热单元，进行热交换后吸收热量而升温。
7.在本发明提供的燃气热泵供热系统中，还可以具有这样的特征：其中，t3为环境温度，t4、t5分别为环境温度限制值，t4取值范围为-30℃至-5℃，t5取值范围为-10℃至-35℃，当t3＜t5时，燃气热泵子系统不运行，由锅炉子系统承担供热负荷，当t5≤t3≤t4时，燃气热泵子系统满负荷运行，承担主要供热负荷，锅炉子系统承担部分供热负荷，当t3＞t4时，燃气热泵子系统满负荷运行，热水锅炉不运行。
8.在本发明提供的燃气热泵供热系统中，还可以具有这样的特征：其中，水源水为海
水、污水、废水等中的一种。
9.在本发明提供的燃气热泵供热系统中，还可以具有这样的特征：其中，发动机余热换热单元包括：烟气换热器、蒸汽发生器、缸套水管路、中冷器、缸套水泵以及发动机余热换热器，缸套水管路依次连接烟气换热器、燃气发动机的缸套、发动机余热换热器、中冷器以及烟气换热器，从而形成闭合回路，燃气发动机的烟道依次与蒸汽发生器以及烟气换热器相连通，燃气发动机中的燃气与空气混合燃烧后的高温烟气通过烟道后，先流经蒸汽发生器从而将蒸汽发生器内的水加热产生蒸汽，然后流经烟气换热器，缸套水在缸套水管路中先流经烟气换热器升温，再流经燃气发动机的缸套继续升温，通过缸套水泵升压后流过发动机余热换热器，将热量交换给第一支路的水中，再流经中冷器升温后流至烟气换热器完成一个循环。
10.在本发明提供的燃气热泵供热系统中，还可以具有这样的特征：其中，中冷器连接在燃气发动机的缸套上，利用燃气发动机的余热对缸套水进行升温。
11.在本发明提供的燃气热泵供热系统中，还可以具有这样的特征：其中，压缩机为单级压缩或多级压缩。
12.在本发明提供的燃气热泵供热系统中，还可以具有这样的特征：其中，冷凝器和余热换热器串联或并联连接。
13.在本发明提供的燃气热泵供热系统中，还可以具有这样的特征，燃气热泵供热系统还包括：蓄热装置，连接在燃气热泵机组和热水锅炉并联后的供水管路上。
14.在本发明提供的燃气热泵供热系统中，还可以具有这样的特征，燃气热泵供热系统还包括：太阳能集热器，与蓄热装置相连接。
15.发明的作用与效果
16.根据本发明所涉及的燃气热泵供热系统，因为包括燃气热泵子系统和锅炉子系统，两个子系统并联设置，燃气热泵子系统和锅炉子系统运行单一运行或共同运行，因此可以当燃气热泵机组供热能力不足时，热水锅炉开启并进行辅助供热，提高整个系统的供热能力，该系统比利用锅炉与吸收式热泵共同制备热水的装置热效率更高、出水温度更高。
17.进一步地，燃气热泵子系统包括燃气热泵机组，燃气热泵机组的蒸发器中的制冷剂从空气或水源水中吸收热量，燃气发动机驱动压缩机压缩制冷剂，经压缩后的制冷剂在冷凝器中放热，发动机余热换热单元吸收燃气发动机余热放热，进入燃气热泵子系统的回水能吸收冷凝器以及发动机余热换热单元的热量来输出供水，其燃气耗量比单独运行热水锅炉减少50％至62％。供热效率显著提高。
附图说明
18.图1是本发明的实施例一中燃气热泵供热系统的流程示意图；
19.图2是本发明的实施例一中发动机余热换热单元加热的流程示意图；
20.图3是本发明的实施例一中燃气热泵子系统和锅炉子系统的启动次序原理图；
21.图4是本发明的实施例一中燃气热泵子系统和锅炉子系统的另一启动次序原理图；
22.图5是本发明的实施例二中冷凝器和发动机余热换热单元的连接流程示意图；
23.图6是本发明的实施例三中冷凝器和发动机余热换热单元的连接流程示意图；
24.图7是本发明的实施例四中冷凝器和发动机余热换热单元的连接流程示意图；
25.图8是本发明的实施例五中冷凝器和发动机余热换热单元的连接流程示意图。
26.附图编号说明：1、燃气发动机，2、压缩机，3、发动机余热换热单元，3a、第一发动机余热换热单元，3b、第二发动机余热换热单元，4、冷凝器，4a、第一冷凝器，4b、第二冷凝器，5、蒸发器，6、燃气热泵机组，8、热水锅炉，10、蓄热装置，11、阀门，12、烟气换热器，13、蒸汽发生器，14、缸套水管路，15、中冷器，16、缸套水泵，17、发动机余热换热器，18、太阳能集热器，19、循环水泵，20、集热泵。
具体实施方式
27.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明燃气热泵供热系统作具体阐述。
28.《实施例一》
29.本实施例提供了一种燃气热泵供热系统。
30.图1是本发明的实施例一中燃气热泵供热系统的流程示意图。
31.如图1所示，本实施例中的燃气热泵供热系统1000设置在供热管网中，能够对供热管网的回水进行加热升温，得到高温热水，并将该高温热水作为供水进行输出，该系统包括回水管路、燃气热泵子系统100、锅炉子系统200、蓄热子系统300以及供水管路。燃气热泵子系统100包括至少一台燃气热泵机组6，锅炉子系统200包括至少一台热水锅炉8。在本实施例中燃气热泵子系统100包括一台燃气热泵机组6。
32.燃气热泵机组6与热水锅炉8并联设置。并且，当热水锅炉8的数量为多台时，多台热水锅炉8并联。热水锅炉8的启动数量和单台出力根据室外环境温度调整。本实施例仅以一台燃气热泵机组6和一台热水锅炉8为例进行详细说明。
33.燃气热泵机组6括燃气发动机1、压缩机2、发动机余热换热单元3、冷凝器4以及蒸发器5。
34.蒸发器5为空气-制冷剂换热器或水源水-制冷剂换热器。蒸发器5中的制冷剂从空气或水源水中吸收热量。水源水为海水、污水、废水等中的一种。
35.发动机余热换热单元3与冷凝器4串联或并联后连接在回水管路和供水管路上。在本实施例中，发动机余热换热单元3与冷凝器4串联(如图1所示)，并且回水管路中流向燃气热泵机组6的回水先流经冷凝器4，再流经发动机余热换热单元3，最后流入供水管路。
36.燃气发动机1能够驱动压缩机2压缩制冷剂，经压缩后的制冷剂在冷凝器4中放热，使得回水被加热。其中，压缩机2为开启式螺杆压缩机、开启式磁悬浮离心压缩机、开启式涡旋压缩机中的任意一种。
37.图2是本发明的实施例一中发动机余热换热单元加热的流程示意图；
38.如图2所示，发动机余热换热单元3用于利用燃气发动机1的余热进行换热，从而加热回水，包括烟气换热器12、蒸汽发生器13、缸套水管路14、中冷器15、缸套水泵16以及发动机余热换热器17。
39.缸套水管路14依次连接烟气换热器12、燃气发动机1的缸套、发动机余热换热器17、中冷器15以及烟气换热器12，从而形成闭合回路。
40.燃气发动机1的烟道依次与蒸汽发生器13以及烟气换热器12相连通。燃气发动机1
中的燃气和空气混合燃烧后产生的高温烟气先通过烟道流经蒸汽发生器13从而将蒸汽发生器内的水加热产生蒸汽，该蒸汽可用于消毒、烘干和工艺加热等。然后剩余烟气流经烟气换热器12，将一部分烟气余热散发到缸套水中。
41.缸套水在缸套水管路14中先流经烟气换热器12升温，再流经燃气发动机1的缸套继续升温，然后通过缸套水泵16升压后流过发动机余热换热器17，在发动机余热换热器17处进行换热，使得回水被加热，缸套水再流经中冷器15升温后流回至烟气换热器12完成一个循环。其中，中冷器15连接在燃气发动机1的缸套上，利用燃气发动机1的余热对缸套水进行升温。烟气换热器12为板壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、翅片管式换热器中的一种。
42.回水管路中的回水温度t1为40℃至50℃，回水分为两路，一路回水流入燃气热泵机组6，另一路回水进入热水锅炉8，燃气热泵机组6优先开启，回水先进入冷凝器4加热，然后流入发动机余热换热单元3继续加热。当燃气热泵机组6供热能力不足时，热水锅炉8启动供热，回水流入热水锅炉8吸热升温。两路升温后的水汇聚后作为供水经供水管道输出。其中，燃气热泵机组6持续运转，承担主要热负荷，热水锅炉8用于供热补热，可保证系统的高效运行。
43.图3是本发明的实施例一中燃气热泵子系统和锅炉子系统的启动次序原理图。图4是本发明的实施例一中燃气热泵子系统和锅炉子系统的另一启动次序原理图。
44.图3和图4中，t3为环境温度，t4、t5分别为环境温度限制值，t4取值范围为-30℃至-5℃，t5取值范围为-10℃至-35℃。
45.如图3所示，当环境温度t3小于t5时，燃气热泵机组6制热能力q1远低于供热负荷q2，此时燃气热泵机组6不运行，由热水锅炉8承担供热负荷，热水锅炉8承担的供热负荷如图3中阴影部分所示。
46.如图4所示，当环境温度t3在t5与t4之间时，燃气热泵机组6制热能力q1低于供热负荷q2，此时燃气热泵机组6全开，承担主要供热负荷，热水锅炉8承担部分供热负荷，热水锅炉8承担的部分供热负荷如图4中阴影部分所示。
47.当环境温度t3大于t4时，如图4所示，燃气热泵机组6制热能力q1高于供热负荷q2，此时燃气热泵机组6全开，承担全部供热负荷，热水锅炉8不运行。
48.如图1所示，蓄热子系统300并联在燃气热泵子系统100上包括蓄热装置10、阀门11、太阳能集热器18、循环水泵19、集热泵20。
49.蓄热装置10通过两个并联的管路与回水管路连接，阀门11设置在其中的一个管路上，循环水泵19设置在其中的另一个管路上。太阳能集热器18通过集热泵20连接在蓄热装置10上。
50.燃气热泵子系统100和锅炉子系统200可以一起进行蓄热和放热，也可以单独进行蓄热和放热，以下以燃气热泵子系统100单独进行蓄热和放热为例进行详细说明，其它与之相似。
51.用热低峰期时，蓄热装置10运行蓄热模式，此时循环水泵19开启，阀门11关闭。回水先进入燃气热泵冷热水子系统100，在第一热交换器4和发动机余热换热单元3中吸收热量升温，然后流进蓄热装置10蓄热。此外，晴天工况下，回水在太阳能集热器18中吸收热量升温，最后流进蓄热装置10蓄热。
52.用热高峰期时，蓄热装置10运行供热模式，此时循环水泵19关闭，阀门11开启，蓄热装置10中的热水输出供热，完成蓄热装置10的供热过程。
53.在本实施例中，燃气热泵供热系统1000包括蓄热子系统300，并且蓄热子系统300包括太阳能集热器18，在本实施例的变形例(变形例一)中，蓄热子系统还可以不包括太阳能集热器，其它结构与本实施例完全相同；本实施例的变形例(变形例二)中，燃气热泵供热系统还可以不包括蓄热子系统，其它结构与本实施例完全相同。
54.《实施例二》
55.本实施例提供了一种燃气热泵供热系统，该燃气热泵供热系统与实施例一中的燃气热泵供热系统1000的区别在于，其燃气热泵子系统包括多台燃气热泵机组。
56.图5是本发明的实施例二中冷凝器和发动机余热换热单元的连接流程示意图。
57.本实施例中的燃气热泵子系统包括两台燃气热泵机组，相应地如图5所示，包括第一冷凝器4a、第二冷凝器4b、第一发动机余热换热单元3a、第二发动机余热换热单元3b。
58.回水(t1)依次流过第一冷凝器4a、第一发动机余热换热单元3a、第二冷凝器4b以及第二发动机余热换热单元3b进行加热后输出热水(t2)。
59.本实施例中的其它结构与实施例一相同。
60.在本实施例中，燃气热泵子系统包括两台燃气热泵机组，在本实施例的变形例(变形例三)中，燃气热泵子系统包括两台以上的燃气热泵机组，其多个冷凝管与多个发动机余热换热单元之间的连接方式与本实施例相同，即，回水(t1)依次流过第一台燃气热泵机组的冷凝器和发动机余热换热单元，第二台燃气热泵机组的冷凝器和发动机余热换热单元，
……
，最后一台燃气热泵机组的冷凝器和发动机余热换热单元后进行加热后输出热水(t2)。
61.燃气热泵机组的启动数量和单台出力根据室外环境温度调整。
62.《实施例三》
63.本实施例提供了一种燃气热泵供热系统，该燃气热泵供热系统与实施例二的燃气热泵供热系统的区别仅在于：两个冷凝器和两个发动机余热换热单元的串联方式不同。其它结构与实施例二相同。
64.图6是本发明的实施例三中冷凝器和发动机余热换热单元的连接流程示意图。
65.如图6所示，本实施例中的燃气热泵子系统包括：第一冷凝器4a、第二冷凝器4b、第一发动机余热换热单元3a、第二发动机余热换热单元3b。温度为t1的水依次流过第一冷凝器4a、第二冷凝器4b、第一发动机余热换热单元3a以及第二发动机余热换热单元3b进行加热后输出温度为t2的水。
66.在本实施例中，燃气热泵子系统包括两台燃气热泵机组，本实施例的变形例(变形例四)中，燃气热泵子系统包括两台以上的燃气热泵机组，其多个冷凝管与多个发动机余热换热单元之间的连接方式与本实施例相同，即，温度为t1的水依次流过各个冷凝器后，再依次流过各个发动机余热换热单元进行加热后输出温度为t2的水。
67.《实施例四》
68.本实施例提供了一种燃气热泵供热系统，该燃气热泵供热系统与实施例二的燃气热泵供热系统的区别仅在于：两个冷凝器和两个发动机余热换热单元之间的连接方式不同。其它结构与实施例二相同。
69.图7是本发明的实施例四中冷凝器和发动机余热换热单元的连接流程示意图。
70.如图7所示，本实施例中的燃气热泵子系统包括：第一冷凝器4a、第二冷凝器4b、第一发动机余热换热单元3a、第二发动机余热换热单元3b。温度为t1的水分为两路，一路依次流过第一冷凝器4a和第一发动机余热换热单元3a进行加热，另一路依次流过第二冷凝器4b和第二发动机余热换热单元3b进行加热，两路汇聚后输出温度为t2的水。
71.在本实施例中，燃气热泵子系统包括两台燃气热泵机组，本实施例的变形例(变形例五)中，燃气热泵子系统包括两台以上的燃气热泵机组，其多个冷凝管与多个发动机余热换热单元之间的连接方式与本实施例相同，即，温度为t1的水分为多路，每一路依次流过一台燃气热泵机组的冷凝器和发动机余热换热单元加热，各路汇聚后输出温度为t2的水。
72.《实施例五》
73.本实施例提供了一种燃气热泵供热系统，该燃气热泵供热系统与实施例二的燃气热泵供热系统的区别仅于：两个冷凝器和两个发动机余热换热单元的连接方式不同。其它结构与实施例二相同。
74.图8是本发明的实施例五中冷凝器和发动机余热换热单元的连接流程示意图。
75.如图8所示，本实施例中的燃气热泵子系统包括：第一冷凝器4a、第二冷凝器4b、第一发动机余热换热单元3a、第二发动机余热换热单元3b。两个冷凝器以及两个发动机余热换热单元一一并联，即，温度为t1的水分为四路，第一路流过第一冷凝器4a加热，第二路流过第二冷凝器4b加热、第三路流过第一发动机余热换热单元3a加热，第四路流过第二发动机余热换热单元3b加热，四路汇聚后输出温度为t2的水。
76.在本实施例中，燃气热泵子系统包括两台燃气热泵机组，本实施例的变形例(变形例六)中，燃气热泵子系统包括两台以上的燃气热泵机组，其多个冷凝管与多个发动机余热换热单元之间的连接方式与本实施例相同，即，各个冷凝器以及各个发动机余热换热单元一一并联。
77.实施例的作用与效果
78.根据实施例一所涉及的燃气热泵供热系统，因为包括燃气热泵子系统和锅炉子系统，两个子系统并联设置，燃气热泵子系统和锅炉子系统运行单一运行或共同运行，因此可以当燃气热泵机组供热能力不足时，热水锅炉开启并进行辅助供热，提高整个系统的供热能力，该系统比利用锅炉与吸收式热泵共同制备热水的装置热效率更高、出水温度更高。
79.进一步地，燃气热泵子系统包括燃气热泵机组，燃气热泵机组的蒸发器中的制冷剂从空气或水源水中吸收热量，燃气发动机驱动压缩机压缩制冷剂，经压缩后的制冷剂在冷凝器中放热，发动机余热换热单元吸收燃气发动机余热放热，进入燃气热泵子系统的回水能吸收冷凝器以及发动机余热换热单元的热量来输出供水，其燃气耗量比单独运行热水锅炉减少50％至62％。供热效率显著提高。
80.进一步地，因为发动机余热换热单元包括：烟气换热器、蒸汽发生器、缸套水管路、中冷器、缸套水泵以及发动机余热换热器，燃气发动机内燃烧后的高温烟气通过烟道后，先流经蒸汽发生器从而将蒸汽发生器内的水加热产生蒸汽，然后流经烟气换热器，缸套水在缸套水管路中先流经烟气换热器升温，再流经燃气发动机的缸套继续升温，通过缸套水泵升压后流过发动机余热换热器，将热量传递给回水，所以该发动机余热换热单元能够充分利用燃气发动机的余热提供热量。
81.进一步地，因为将蓄热器连接在燃气热泵机组和热水锅炉并联后的供水管路上，用热低峰期时，开启蓄热器蓄热循环，供热高峰需求不足时，蓄热器参与供热。设置太阳能集热器与蓄热器相连接，能够辅助蓄热。
82.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。