本发明属于供暖空调领域，涉及一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统。
背景技术：
随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，建筑供冷供热需求日益旺盛，而有限的能源及碳中和的新任务对系统的能源利用率提出了新的要求。无霜空气源热泵系统（热源塔热泵系统为其中一种最为常见的形式）作为一种新兴的双高效系统，因其一套系统可以满足供冷供热，不受地理地质条件限制（广义空气源），彻底解决常规空气源热泵冬季结霜和夏季低效的问题，得到了越来越多的应用。但是由于我国地域辽阔，气候各异，该系统在不同地区应用时存在冬夏季工况之间的相互匹配问题，往往为满足冬季负荷造成系统夏季余量过大，或是为满足夏季负荷造成系统冬季余量过大，而长期低负荷运行亦影响了系统效率。此外，该系统冬季依靠低温溶液实现彻底无霜，但在大部分气候参数下，溶液表面的低蒸汽压使其易吸收空气中的水分，造成浓度降低，必须依靠额外的能量输入维持溶液浓度。目前主要研究或已采用的溶液再生技术有：（1）低温蒸发再生；（2）低压沸腾再生；（3）冷冻再生等。其中低温蒸发再生依靠系统运行时溶液的储能特性进行自我调节，在部分室外湿度及建筑负荷较低时，依靠水蒸气分压力差的逆转实现自主再生，但该方法热效率较低，且受制于室外参数和运行参数，不适应主动调控。低压沸腾再生热效率超过95%，且可以使用45摄氏度左右的低位热源实现再生，不受室外参数限制，但是由于不凝性气体，仍需依靠真空泵维持低压环境，对设备制造维护要求较高，且低位热源的获取在冬季是个难题。冷冻再生依靠将溶液温度降低至冰点以下实现浓溶液与冰晶的分离，冷冻过程中需要克服的潜热仅为汽化潜热的1/7左右，理论能耗大幅降低，但该过程中冷能的获取仍然困扰着实际应用。专利cn201811189298.x提及使用压缩制冷的方法提供冷冻再生需要的冷能，专利zl201610703659.2提及使用真空闪蒸实现冷冻再生，上述方法均依靠大量的高品味电能驱动，能源利用率不高。
另一方面，由于能源机构的调整，我国的天然气消耗量不断增长，沿海各城市相继建成一批液化天然气（lng）接收站，以完成lng的储存、气化、分配与传输等任务。lng接收站一般通过汽化器利用海水消耗lng气化释放的大量冷能，不仅造成了能源的损失，低温海水的排放还影响了附近海域的生态。若能将该冷能用于溶液冷冻再生，既解决了该技术所需的冷源问题，也极大提高了总体的能源利用效率。
因此，如何解决无霜空气源热泵系统（热源塔热泵系）的冬夏季匹配问题，实现冬季溶液的高效再生与浓度控制，设计一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统是本领域技术人员迫切所需要解决的一个问题。
技术实现要素：
发明目的：为解决无霜空气源热泵系统（热源塔热泵系）的冬夏季匹配、冬季溶液的高效再生与浓度控制的问题，以及lng接收站大量冷能的浪费问题，构建一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，充分回收lng冷能，大幅提高能源利用率，并与无霜空气源热泵系统冬夏季的不同需求有机结合，实现溶液高效再生与浓度精确控制，充分利用溶液与冰的储能特性，提高系统稳定性，降低系统设计容量，提高系统效率。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于，包括：
溶液/水回路，用于在制热工况下捕集空气中的全热，制冷工况下向空气释放全热；
热泵回路，串联在所述溶液/水回路的后端，将溶液/水回路捕捉的热量或通过释热后的冷量进一步提质后用于建筑的供冷或供热；
储液/储能回路，串联在所述溶液/水回路的前端，用于实现制热工况下储液，制冷工况下储冷；
lng冷能利用回路，与所述储液/储能回路串联，用于依靠液化天然气气化释放的大量冷能，在制热工况下实现所述溶液/水回路中溶液再生与浓度控制，在制冷工况下实现制冰蓄冷。
本发明利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，包括溶液/水回路、热泵回路、lng冷能利用回路、储液/储能回路。溶液/水回路冬季捕集空气中的全热，夏季向空气释放全热，并通过与热泵回路串联，将热量或冷量进一步提质后实现建筑高效供冷供热。储液/储能回路与溶液/水回路串联，实现冬季工况下储液，夏季工况下储冷。lng冷能利用回路与储液/储能回路串联，依靠液化天然气气化释放的大量冷能，实现冬季工况下溶液再生与浓度控制，夏季工况下的制冰蓄冷。
溶液/水回路包括空气溶液全热交换设备、第二换热器、第一循环泵及其连接管路，三个设备依次串联，冬季工况下循环工质为低温溶液，实现空气全热的捕集，夏季工况下循环工质为水，向空气释放全热。热泵回路包括压缩机、第一换热器、膨胀阀、第二换热器及其连接管路，四个设备依次串联，回路依靠四通换向阀实现冬夏季工况的切换，冬季工况下第二换热器作为蒸发器与溶液/水回路相连，夏季工况下第二换热器作为冷凝器与溶液/水回路相连。热泵回路将第二换热器或第一换热器提供的热量或冷量提质后为建筑供冷供热。
储液/储能回路包括空气溶液全热交换设备、第一调节阀、储液储能罐、第二循环泵及其连接管路，四个设备依次串联，冬季工况下循环工质为溶液，储液储能罐用于储存溶液，夏季工况下循环工质为水，储液储能罐用于蓄冰储冷。
lng冷能利用回路包括lng接收站、第二调节阀、lng冷能释放装置、第三换热器及其连接管路，四个设备依次连接，第三换热器为空温式气化器，进一步加热从lng冷能释放装置出来的天然气，使其完全气化成气态并送至下游用户。lng冷能释放装置内置布液器和间壁式蒸发换热器，布液器用于均匀分布溶液或水至间壁式蒸发换热器表面，间壁式蒸发换热器壁内为气液共存状态的天然气，lng气化产生的大量冷能用于制取片状的冰，从而实现冬季溶液的冷冻再生，夏季水的制冷蓄冰。
lng冷能利用回路与储液/储能回路串联，冬季工况下实现系统溶液高效再生与浓度精确控制，夏季工况下利用制冷蓄冰增加系统供冷能力，充分利用溶液与冰的储能特性，提高系统稳定性，降低系统设计容量，提高系统效率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）将lng冷能释放与无霜空气源热泵冬夏季的不同需求有机结合，实现冬季工况下溶液再生与浓度控制，夏季工况下的制冰蓄冷，大幅提高无霜空气源热泵冬夏季效率。
（2）充分回收lng冷能，大幅提高能源利用率，避免海水加热汽化造成的附近海域生态环境恶化的问题。
（3）利用冬季溶液的储热特性以及夏季冰水的储冷特性，大幅提高系统稳定性，降低系统设计容量。
附图说明
图1是本发明系统示意图；
图中：1、空气溶液全热交换设备；2、lng冷能释放装置；3、lng接收站；4、储液储能罐；5、压缩机；6、膨胀阀；7、第一换热器；8、第二换热器；9、第三换热器；10、第一循环泵；11、第二循环泵；12、第三循环泵；13、第一调节阀；14、第二调节阀；15、第三调节阀；16、布液器；17、间壁式蒸发换热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，包括溶液/水回路、热泵回路、lng冷能利用回路、储液/储能回路。溶液/水回路冬季捕集空气中的全热，夏季向空气释放全热，并通过与热泵回路串联，将热量或冷量进一步提质后实现建筑高效供冷供热。储液/储能回路与溶液/水回路串联，实现冬季工况下储液，夏季工况下储冷。lng冷能利用回路与储液/储能回路串联，依靠液化天然气气化释放的大量冷能，实现冬季工况下溶液再生与浓度控制，夏季工况下的制冰蓄冷。
其中，溶液/水回路包括空气溶液全热交换设备1、第二换热器8、第一循环泵10及其连接管路，三个设备依次串联，冬季工况下循环工质为低温溶液，实现空气全热的捕集，夏季工况下循环工质为水，向空气释放全热。热泵回路包括压缩机5、第一换热器7、膨胀阀6、第二换热器8及其连接管路，四个设备依次串联，回路依靠四通换向阀实现冬夏季工况的切换，冬季工况下第二换热器8作为蒸发器与溶液/水回路相连，夏季工况下第二换热器8作为冷凝器与溶液/水回路相连。热泵回路将第二换热器8或第一换热器7提供的热量或冷量提质后为建筑供冷供热。储液/储能回路包括空气溶液全热交换设备1、第一调节阀13、储液储能罐4、第二循环泵11及其连接管路，四个设备依次串联，冬季工况下循环工质为溶液（氯化钙、氯化镁、醋酸钠、醋酸钾等盐溶液），储液储能罐4用于储存溶液，夏季工况下循环工质为水，储液储能罐4用于蓄冰储冷。lng冷能利用回路包括lng接收站3、第二调节阀14、lng冷能释放装置2、第三换热器9及其连接管路，四个设备依次连接，第三换热器9为空温式气化器，进一步加热从lng冷能释放装置2出来的天然气，使其完全气化成气态并送至下游用户。lng冷能释放装置2内置布液器16和间壁式蒸发换热器17，布液器16用于均匀分布溶液或水至间壁式蒸发换热器17表面，间壁式蒸发换热器17壁内为气液共存状态的天然气，lng气化产生的大量冷能用于制取片状的冰，从而实现冬季溶液的冷冻再生，夏季水的制冷蓄冰。lng冷能利用回路与储液/储能回路串联，冬季工况下实现系统溶液高效再生与浓度精确控制，夏季工况下利用制冷蓄冰增加系统供冷能力，充分利用溶液与冰的储能特性，提高系统稳定性，降低系统设计容量，提高系统效率。
本发明工作模式分为冬季储能/供热模式、夏季蓄冰/供冷模式。
冬季储能/供热模式下，第一调节阀13、第二调节阀14、第三调节阀15开启，热泵循环中制冷剂依次经过第二换热器8、压缩机5、第一换热器7、膨胀阀6，第二换热器8作为蒸发器，第一换热器7作为冷凝器，用户侧供热水回水通过第一换热器7从热泵机组获取热量，第二换热器8通过低温循环溶液从空气溶液全热交换设备1中获取热量，空气溶液全热交换设备1中溶液通过喷淋布液在填料表面与室外空气进行全热交换，吸收空气显热，而潜热传递的方向视室外参数及建筑负荷而定。当建筑负荷较低，且室外温度较高湿度较低时，溶液/水回路处于被动蒸发再生状态，潜热传递方向为溶液至空气，水分蒸发，溶液浓度升高，系统安全稳定，该工况常在中午或者下午出现。当建筑负荷较高，且室外湿度较高时，系统处于吸湿状态，潜热传递方向为空气至溶液，水分凝结，溶液浓度降低，冰点升高，系统有冰冻风险，该工况常发生在早晨以及夜晚。此时，溶液需要再生，以保证其冰点裕量。第一调节阀13开启，塔内吸湿后的溶液进入储液储能罐4，第三调节阀15和第三循环泵12开启，储液储能罐4内的稀溶液进入lng冷能释放装置2，并通过布液器16将稀溶液均匀喷淋至间壁式蒸发换热器17的外表面，第二调节阀14开启，lng接收站3中的液化天然气流入lng冷能释放装置2中的间壁式蒸发换热器17内管，与间壁式蒸发换热器17外表面上的溶液进行热交换，释放冷能，变成气-液共存状态，而后进入第三换热器9与室外空气进一步换热，释放剩余的低品位冷能，完全成为气态，工给下游用户。间壁式蒸发换热器17外表面上的溶液在获取了lng释放的冷能以后，温度降低至冰点以下，纯水先凝结成冰晶析出，无机盐仍留在原液中随壁面流下，通过第三调节阀15进入储液储能罐4，第二循环泵11间歇性开启，将冷冻再生后的溶液补充至空气溶液全热交换设备1中。lng冷能释放装置2中形成的冰晶经洗涤后可用于补充生活用水等。由于lng冷能利用回路的释冷能力相对稳定，可保证稀溶液不断再生成浓溶液，此时储液储能罐4既储存生成的浓溶液，又起到了储能的作用，在室外参数恶劣，系统供热能力不足时，加大浓溶液的输送量，增加溶液/水回路中溶液的浓度，高浓度的溶液具有更低的水蒸气分压力，大幅增加从空气中吸收的潜热量，稳定循环溶液的温度与热泵循环的蒸发温度，保障系统的供热能力与效率。也正是因为该特性，系统冬季的设计供热能力可以适当降低，通过浓溶液储能的方式调节系统出力以适应负荷变化。
夏季蓄冰/供冷模式下，第一调节阀13关闭，第二调节阀14及第三调节阀15开启，热泵循环中制冷剂依次经过第一换热器7、压缩机5、第二换热器8、膨胀阀6，第二换热器8作为冷凝器，第一换热器7作为蒸发器，用户侧供热水回水通过第一换热器7从热泵机组获取冷量，第二换热器8通过冷却水在空气溶液全热交换设备1中释放热量，空气溶液全热交换设备1中冷却水通过喷淋布液在填料表面与室外空气进行全热交换，释放全热，显热和潜热的传递方向均为从水至空气。溶液/水循环内的水分蒸发后依靠补水实现质量平衡。第一调节阀13与第二循环泵11关闭，溶液/水回路与储液/储能回路断开。第三调节阀15与第三循环泵12开启，储液储能罐4内水进入lng冷能释放装置2，并通过布液器16将水均匀喷淋至间壁式蒸发换热器17的外表面，第二调节阀14开启，lng接收站3中的液化天然气流入lng冷能释放装置2中的间壁式蒸发换热器17内管，与间壁式蒸发换热器17外表面上的水进行热交换，释放冷能，变成气-液共存状态，而后进入第三换热器9与室外空气进一步换热，释放剩余的低品位冷能，完全成为气态，工给下游用户。间壁式蒸发换热器17外表面上的水在获取了lng释放的冷能以后，温度降低至冰点以下，凝结成冰晶析出，通过第三调节阀15进入储液储能罐4，lng冷能释放装置2中形成的冰晶可在储液储能罐4中与用户侧冷冻水回水进行热交换，为建筑供冷。由于lng冷能利用回路的释冷能力相对稳定，可保证冰晶不断再生成，此时储液储能罐4成为蓄冰装置，在室外参数恶劣，系统供冷能力不足时，蓄冰装置可作为补充冷源为建筑供冷，保障系统的供冷能力与效率。也正是因为该特性，系统夏季的设计供冷能力可以适当降低，通过蓄冰储冷的方式调节系统出力以适应负荷变化。
该系统依靠液化天然气气化释放的大量冷能，实现冬季工况下溶液再生与浓度控制，夏季工况下的制冰蓄冷，充分回收lng冷能，大幅提高能源利用率，并与无霜空气源热泵系统冬夏季的不同需求有机结合，实现溶液高效再生与浓度精确控制，充分利用溶液与冰的储能特性，提高系统稳定性，降低系统设计容量，提高系统效率。
1.一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于，包括：
溶液/水回路，用于在制热工况下捕集空气中的全热，制冷工况下向空气释放全热；
热泵回路，串联在所述溶液/水回路的后端，将溶液/水回路捕捉的热量或通过释热后的冷量进一步提质后用于建筑的供冷或供热；
储液/储能回路，串联在所述溶液/水回路的前端，用于实现制热工况下储液，制冷工况下储冷；
lng冷能利用回路，与所述储液/储能回路串联，用于依靠液化天然气气化释放的大量冷能，在制热工况下实现所述溶液/水回路中溶液再生与浓度控制，在制冷工况下实现制冰蓄冷。
2.根据权利要求1所述的一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于，所述溶液/水回路包括：空气溶液全热交换设备（1）、第二换热器（8）、第一循环泵（10）以及循环工质，空气溶液全热交换设备（1）和第二换热器（8）通过第一循环泵（10）串联成回路，所述循环工质在回路中循环流动；制热工况下循环工质为低温溶液，实现空气全热的捕集；制冷工况下循环工质为水，向空气释放全热。
3.根据权利要求1所述的一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于，所述热泵回路包括：压缩机（5）、第一换热器（7）、膨胀阀（6）及第二换热器（8），四个设备依次串联；制热工况下第二换热器（8）作为蒸发器与溶液/水回路相连，制冷工况下第二换热器（8）作为冷凝器与溶液/水回路相；热泵回路将第二换热器（8）或第一换热器（7）提供的热量或冷量提质后为建筑供冷供热。
4.根据权利要求1所述的一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于，所述储液/储能回路包括：空气溶液全热交换设备（1）、第一调节阀（13）、储液储能罐（4）及第二循环泵（11），四个设备依次串联；制热工况下循环工质为溶液，储液储能罐（4）用于储存溶液；制冷工况下循环工质为水，储液储能罐（4）用于蓄冰储冷。
5.根据权利要求4所述的一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于，所述lng冷能利用回路包括：lng接收站（3）、第二调节阀（14）、lng冷能释放装置（2）及第三换热器（9），四个设备依次连接；所述lng冷能释放装置（2）一端连接所述储液/储能回路的储液储能罐（4），另一端连接所述lng接收站（3），用于通过释放的冷量制冷所述储液储能罐（4）中的循环工质。
6.根据权利要求5所述的一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述lng冷能释放装置（2）内置布液器（16）和间壁式蒸发换热器（17），布液器（16）用于均匀分布循环工质至间壁式蒸发换热器（17）表面，间壁式蒸发换热器（17）壁内为气液共存状态的天然气，lng气化产生的大量冷能用于将布液器（16）喷出的循环工质制取成冰，从而实现制热工况下溶液的冷冻再生，制冷工况下水的制冷蓄冰。
7.根据权利要求5所述的一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述第三换热器（9）为空温式气化器，进一步加热从lng冷能释放装置（2）出来的天然气，使其完全气化成气态并送至下游用户。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于：所述无霜空气源热泵系统包括制热工况和制冷工况；
制热工况下，用户侧通过热泵回路和溶液/水回路获取热量；通过lng冷能利用回路对所述溶液/水回路中的溶液进行再生与浓度控制；
制冷工况下，用户侧通过热泵回路和溶液/水回路获取冷量；通过lng冷能利用回路将所述溶液/水回路中的水冷却成冰晶。
9.根据权利要求8所述的一种利用lng冷能实现冷冻再生与冰蓄冷的无霜空气源热泵系统，其特征在于：
制热工况下，第一调节阀（13）、第二调节阀（14）、第三调节阀（15）开启，热泵循环中制冷剂依次经过第二换热器（8）、压缩机（5）、第一换热器（7）、膨胀阀（6），第二换热器（8）作为蒸发器，第一换热器（7）作为冷凝器，用户侧供热水回水通过第一换热器（7）从热泵机组获取热量，第二换热器（8）通过低温循环溶液从空气溶液全热交换设备（1）中获取热量，空气溶液全热交换设备（1）中溶液通过喷淋布液在填料表面与室外空气进行全热交换，吸收空气显热；当建筑负荷较低，且室外温度较高湿度较低时，溶液/水回路处于被动蒸发再生状态，潜热传递方向为溶液至空气，水分蒸发，溶液浓度升高，系统安全稳定；当建筑负荷较高，且室外湿度较高时，系统处于吸湿状态，潜热传递方向为空气至溶液，水分凝结，溶液浓度降低，冰点升高，系统有冰冻风险，此时，溶液需要再生，以保证其冰点裕量；第一调节阀（13）开启，塔内吸湿后的溶液进入储液储能罐（4），第三调节阀（1）5和第三循环泵（12）开启，储液储能罐（4）内的稀溶液进入lng冷能释放装置（2），并通过布液器（16）将稀溶液均匀喷淋至间壁式蒸发换热器（17）的外表面，第二调节阀（14）开启，lng接收站（3）中的液化天然气流入lng冷能释放装置（2）中的间壁式蒸发换热器（17）内管，与间壁式蒸发换热器（17）外表面上的溶液进行热交换，释放冷能，变成气-液共存状态，而后进入第三换热器（9）与室外空气进一步换热，释放剩余的低品位冷能，完全成为气态，工给下游用户；间壁式蒸发换热器（17）外表面上的溶液在获取了lng释放的冷能以后，温度降低至冰点以下，纯水先凝结成冰晶析出，无机盐仍留在原液中随壁面流下，通过第三调节阀（15）进入储液储能罐（4），第二循环泵（11）间歇性开启，将冷冻再生后的溶液补充至空气溶液全热交换设备（1）中；
制冷工况下，第一调节阀（13）关闭，第二调节阀（14）及第三调节阀（15）开启，热泵循环中制冷剂依次经过第一换热器（7）、压缩机（5）、第二换热器（8）、膨胀阀（6）；第二换热器（8）作为冷凝器，第一换热器（7）作为蒸发器，用户侧供热水回水通过第一换热器（7）从热泵机组获取冷量，第二换热器（8）通过冷却水在空气溶液全热交换设备（1）中释放热量，空气溶液全热交换设备（1）中冷却水通过喷淋布液在填料表面与室外空气进行全热交换，释放全热，显热和潜热的传递方向均为从水至空气，溶液/水循环内的水分蒸发后依靠补水实现质量平衡；第一调节阀（13）与第二循环泵（11）关闭，溶液/水回路与储液/储能回路断开，第三调节阀（15）与第三循环泵（12）开启，储液储能罐（4）内水进入lng冷能释放装置（2），并通过布液器16（）将水均匀喷淋至间壁式蒸发换热器（17）的外表面，第二调节阀（14）开启，lng接收站（3）中的液化天然气流入lng冷能释放装置（2）中的间壁式蒸发换热器（17）内管，与间壁式蒸发换热器（17）外表面上的水进行热交换，释放冷能，变成气-液共存状态，而后进入第三换热器（9）与室外空气进一步换热，释放剩余的低品位冷能，完全成为气态，工给下游用户；间壁式蒸发换热器（17）外表面上的水在获取了lng释放的冷能以后，温度降低至冰点以下，凝结成冰晶析出，通过第三调节阀（15）进入储液储能罐（4），lng冷能释放装置（2）中形成的冰晶可在储液储能罐（4）中与用户侧冷冻水回水进行热交换，为建筑供冷。
技术总结