内置双温相变高效蓄能模块的热泵热水系统及其控制方法

1.本发明涉及一种热水系统及其控制方法，尤其是涉及一种内置双温相变高效蓄能模块的热泵热水系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前，大中型公共建筑，例如办公楼、医院、酒店、教学楼等，常常使用热水系统为用户供应生活热水(洗浴、盥洗、餐厨等)。热水系统往往由热水箱、加热设备、动力设备(如水泵)、管网设备组成。近些年来，由于空气源热泵具有环境友好、高效节能的优势，使用空气源热泵作为加热设备的热泵热水系统逐渐成为了市场的主流。
3.目前，市场上广泛使用单水箱热泵热水系统。在该系统当中，高温的热泵供水、中温的循环回水以及低温的冷水补水会汇入一个水箱中。系统中包含循环回路、加热回路以及补水回路。热水从热水箱流出，经过供水泵输送给用户，其中一部分被用水末端消耗，一部分经由回水阀返回热水箱，构成系统的循环回路；当水箱中水位降低到一定程度时，开启冷水补水，低温的补水(一般为市政自来水)补入水箱中直到水箱水位达到设定要求，构成系统的补水回路；当水箱的水温低于一定值时，水箱中的水经过循环泵和热泵机组，加热后送回热水箱中，构成系统的加热循环回路。在该系统当中，系统水箱的储热能力主要依靠水的储热能力，即主要依靠高温热水中蓄存的热量。
4.在实际使用中，现有热泵热水系统大多存在以下两方面问题：
5.首先，在现有系统中，热水箱的储热能力只能依靠水中储存的热量，当热水负荷增大时，由于水的储热密度较低，导致系统只能被动地增大热水箱体积从而提升储水能力来提升储热能力，增加了初投资和水箱占地面积；与此同时，单纯依靠热水储热的存在储热能力不足的问题，现有系统必须要在热水负荷的峰值进行开机加热，而热水负荷峰值往往位于电费峰值期，增加了系统的运行费用。
6.其次，在现有系统中，热泵制取的高温热水(约55℃)、末端管网的中温回水(约40℃)、补水管道的低温冷水(约15℃)统一送入热水水箱中，存在混水损失，而热泵主机为了抵御混水损失，不得不将水加热到更高温度(约60℃)来抵御混水损失，从而迫使热泵机组在较高的冷凝温度下工作，降低了机组的能效。
7.蓄能技术正在快速发展，应用蓄能模块进行能量的跨时间存储正在成为能源行业的热门方向，市场上涌现出了一大批石蜡、高温冰、凝胶等高效便捷的蓄能材料，但这些蓄能材料目前还未有效应用在热泵热水系统当中。
8.现有专利cn201910011471.5提出一种双回路蓄能水箱，将蓄能模块外置并作为电费峰值期的热源，起到了电费的“移峰填谷”效果。但是该专利也没有通过蓄能模块增大水箱的储热能力。
9.现有专利cn209068787u提出了一种双水箱太阳能热水系统，在利用电加热辅助加热的集热水箱之外另设保温水箱，在夜间的电费谷价期加热保温水箱来降低电费支出；现有专利cn211204209u提出一种双源双水箱热泵供水系统，通过储热水箱在主热源不足时利
用水源热泵供热实现节能。上述专利中使用的双水箱系统只是将水箱分成了主水箱和副水箱，热泵每次只对其中一个水箱加热，利用热水蓄存的方式来保障水温或者降低能耗，并没有解决混水损失的问题，没有显著提高能效。


技术实现要素：

10.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种内置双温相变高效蓄能模块的双水箱热泵热水系统及其控制方法，在保障用户用水的同时，通过内置双相变温度高效蓄能模块来提高热水箱的储热密度，从而提高水箱的储热能力。
11.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
12.本发明的第一个目的是保护一种内置双温相变高效蓄能模块的热泵热水系统，包括温水箱、热水箱、循环泵、蝶阀、空气源热泵并联机组、回水阀和供水泵，
13.所述热水箱、温水箱、回水阀、供水泵与用水末端顺序连接，形成水箱
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末端循环；
14.所述空气源热泵并联机组、循环泵、蝶阀顺序连接，构成并联主机；
15.所述热水箱、温水箱、并联主机顺序连接形成主机
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水箱循环。
16.进一步地，所述温水箱中设有一个或多个低相变温度蓄能模块，所述低相变温度蓄能模块由相变温度为25℃～35℃的相变蓄热材料构成。
17.进一步地，所述热水箱中设有一个或多个高相变温度蓄能模块，所述高相变温度蓄能模块由相变温度为40℃～50℃的相变蓄热材料构成。
18.进一步地，所述回水阀的入口端设有回水温度监测单元。
19.进一步地，所述回水阀的出口端设有补水阀。
20.进一步地，所述温水箱中设有温水箱水位监测单元，所述热水箱中设有热水箱水温监测单元。
21.进一步地，所述热水箱和温水箱设有连接管且位于两水箱中部。
22.进一步地，通过所述水箱
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末端循环和主机
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水箱循环实现高温的热水与低温的补水和回水的分离。
23.进一步地，水温度监测单元、热水箱水温监测单元均为温度传感器。
24.进一步地，温水箱水位监测单元为水位传感器。
25.进一步地，温度传感器、水位传感器均与外部的计算机终端电连接。
26.进一步地，本技术方案中涉及的阀门均可为电磁阀，均与外部的计算机终端电连接，实现远程控制。
27.进一步地，本技术方案中涉及的泵均与外部的计算机终端电连接，实现远程控制。
28.本发明的第二个目的是保护一种上述内置双温相变高效蓄能模块的热泵热水系统的控制方法，所述热泵热水系统有两种工作模式，包括蓄能供热模式和普通放能供热模式；
29.处于蓄能供热模式时，空气源热泵机组、供水泵、循环泵、蝶阀均开启；
30.处于普通放能供热模式时，空气源热泵机组、循环泵、蝶阀均关闭，供水泵开启；
31.温水箱水位监测单元监测温水箱水位，当温水箱内水位低于设定水位时，开启补水阀进行补水；
32.回水温度监测单元监测回水温度，当回水温度低于设定回水温度时，开启回水阀
进行回水。
33.其中，处于蓄能供热模式时，高相变温度蓄能模块在热水箱中完成充能，低相变温度蓄能模块在温水箱中完成充能；
34.热水箱水温监测单元监控水箱内水温，当水温高于设定温度时，空气源热泵机组、蝶阀关闭。
35.其中，处于普通放能供热模式时，热水箱中的热水正常供向用户测进行使用，热水箱中内置的高相变温度蓄能模块在水温自然冷却至相变温度后相变放能，温水箱中内置的低相变温度蓄能模块在水温自然冷却至相变温度后相变放能，从而利用蓄能模块中蓄存的热量维持热水箱和温水箱中的温度保持稳定，维持供水质量。热水箱水温监测单元监控热水箱内水温，当水温低于设定温度时，空气源热泵机组、蝶阀开启，转化为蓄能供热模式。
36.本技术方案中的空气源热水双水箱热水系统，在蓄能供热模式下，由三台空气源热泵完成主机
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水箱循环。当热水箱内水温高于设定温度时(热水箱设置温度监测单元)，关闭空气源热泵及对应循环泵和阀件。当水箱内水位低于设定水位时(温水箱设置水位监测单元)，开启补水阀进行补水。当回水温度(回水管设有温度监测单元)低于设定回水温度时，开启回水阀进行回水。
37.本技术方案中的空气源热水双水箱热水系统，在放能供热模式下，不开启空气源热泵循环，通过热水箱和温水箱中蓄能模块放能可以使水温在放能时间内维持在所需温度，并且这部分的储能密度明显大于水，可以用更小的体积提供更多的热量。当热水箱内水温低于设定温度时(热水箱设置温度监测单元)，开启蓄能供热模式，两个水箱中的蓄能模块可以在定温蓄能阶段维持水箱中温度的稳定，使得热泵机组的工作条件更加稳定，有利于热泵机组的维护和节能。当水箱内水位低于设定水位时(温水箱设置水位监测单元)，开启补水阀进行补水。当回水温度(回水管设有温度监测单元)低于设定回水温度时，开启回水阀进行回水，在回水和冷水在温水箱中混合的过程中，由于温水箱中蓄能模块定温相变的存在，可以使温水箱的温度维持稳定。
38.本技术方案中的设置使用高效蓄能模块，增加了水箱的储热密度，提高了储热能力，从而可以用更小的体积储存更多的热量；并且将热水箱和温水箱分开，减少了不同水温直接混合的冷热损失，温水箱中的水由末端回水和冷水补水混合而来，并且在温水箱中存在低相变温度定温吸热，可以维持温水箱在蓄能阶段的较低温度，从而降低热泵主机的进水温度，热泵出水送入热水箱中，热水箱中的水不经混水直接送往末端，并且存在高相变温度蓄能模块的定温放热维持水箱温度，可以降低热泵出水温度，降低了热泵机组的冷凝温度，提高了机组能效；冷水不直接补入热水箱中，热水的供应质量得到了保障。
39.与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
40.1.通过内置蓄能模块的方法，增大了热水箱的储热密度，提高了储热能力，在能量消耗阶段可以通过蓄能模块的放能维持热量的高质量供应，从而不需要额外补充热水来补充热量，从而可以减小水箱尺寸。
41.2.和单水箱热水系统相比，本技术方案通过设置双水箱方案，减少了回水、补水、热水之间的混合损失，和现有双水箱热水系统相比，本技术方案中分离高温的热水与低温的补水和回水，并且利用蓄能模块维持了双水箱中温度的相对稳定，同时保证了热泵的进出水温度均明显降低，为热泵的工作创造了稳定且节能的工作环境。
附图说明
42.图1为实施例1的结构示意图。
43.图中：1
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温水箱；2
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热水箱；3
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空气源热泵机组；4
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循环水泵；5
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蝶阀；6
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回水温度监测单元；7
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温水箱水位监测单元；8
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低相变温度蓄能模块；9～14
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连接管；15
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补水阀；16
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回水阀；17
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热水箱水温监测单元；18
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高相变温度蓄能模块；19
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供水泵；20
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用水末端。
具体实施方式
44.现有的技术方案不仅没有完全发挥双水箱的系统优势，而且也没有有效利用蓄能模块增加水箱的储热能力，甚至还降低了系统的储热能力。为了更好解决上述问题，本技术提出了内置双温相变高效蓄能模块的双水箱热泵热水系统及其控制方法。
45.本技术方案通过内置双相变温度高效蓄能模块来提高热水箱的储热密度，从而提高水箱的储热能力，并且提出一种将高温热水和中低温水分离的双水箱方案降低系统的混水损失的方案以此提高能效。
46.同时本技术方案利用双相变温度蓄能模块维持双水箱中各自的水温稳定，提供一种基于该方案下的空气源热泵双水箱热水系统的控制方法。
47.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
48.实施例1
49.本实施例中内置双相变温度蓄能模块的空气源热水双水箱热水系统，其结构如图1所示，主要结构包括温水箱1；热水箱2；空气源热泵机组3；循环水泵4；蝶阀5；回水温度监测单元6；温水箱水位监测单元7；低相变温度蓄能模块8；连接管9～14；补水阀15；回水阀16；热水箱水温监测单元17；高相变温度蓄能模块18；供水泵19；用水末端20。
50.在蓄能供热模式下，空气源热泵机组3、供水泵19、循环泵4、蝶阀5均开启。高相变温度(例如45℃)蓄能模块在热水箱中完成充能，低相变温度(例如30℃)蓄能模块在温水箱中完成充能。温度监测单元17监控水箱内水温，当水温高于设定温度时(水箱水温按供热要求水温设置，例如50℃)，空气源热泵机组3、蝶阀5关闭。水位监测单元7监测水箱水位，当水箱内水位低于设定水位时，开启补水阀15进行补水。温度监测单元6监测回水温度，当回水温度低于设定回水温度时，开启回水阀16进行回水。末端回水和冷水补水在温水箱1中混合，经过连接管12、蝶阀5、循环泵4、连接管13，再经过由空气源热泵机组3组成的并联主机，并在空气源热泵机组3中加热后，送入热水箱9中。热水箱2中的热水经过供水泵19、连接管9、送入用水末端20被用户使用。末端管网中未经使用的热水回水从经过连接管10、连接管11回到23温水箱1中。
51.在放能供热模式下，空气源热泵机组3、循环泵4、蝶阀5均关闭，供水泵19开启。温度监测单元17监控水箱内水温，当水温低于设定温度时(水箱水温略低于供热要求水温设置，例如47℃)，空气源热泵机组3、蝶阀5开启，开始进行蓄能供热模式。水位监测单元7监测水箱水位，当水箱内水位低于设定水位时，开启补水阀15进行补水。温度监测单元6监测回水温度，当回水温度低于设定回水温度时，开启回水阀16进行回水。末端回水和冷水补水在温水箱1中混合。热水箱2中的热水经过供水泵19、连接管9、送入用水末端20被用户使用。末端管网中未经使用的热水回水从经过连接管10、连接管11回到23温水箱1中。
52.在自控方面，水温度监测单元6、热水箱水温监测单元17均为温度传感器。温水箱
水位监测单元7为水位传感器。温度传感器、水位传感器均与外部的计算机终端电连接。本技术方案中涉及的阀门均可为电磁阀，均与外部的计算机终端电连接，实现远程控制。本技术方案中涉及的泵均与外部的计算机终端电连接，实现远程控制。
53.本文中使用“第一”、“第二”等词语来限定部件，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”等词语的使用仅仅是为了便于描述上对部件进行区别。如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
54.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。