CN102200349B - 具有水温梯度的综合制热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有水温梯度的综合制热装置，由梯度水箱、太阳能热水系统（20）、空气源热泵热水系统（30）和即时污水源热泵热水系统（40）组成；梯度水箱包括水箱壳体（1），在水箱壳体（1）内设有隔挡组件，从而将水箱壳体（1）的内腔分割成至少2个的储水区域，储水区域按照从左至右的排列规则，储水区域内的水温依次升高；每个储水区域均设有补水口（10）、排污口（19）、空气源出水口（18）和空气源回水口（17）；最左侧的储水区域内设有水位控制器（6）；最右侧的储水区域上分别设有热水供应管（50）、污水源出水口（8）和污水源回水口（7）。使用本发明的装置，在产出同样热水量的前提下能大大节省能耗。

Description

具有水温梯度的综合制热装置

技术领域

本发明涉及一种具有水温梯度的综合制热装置，是对多种低品热源综合利用的集成创新系统。

背景技术

35-55℃的低温热水，广泛应用于家庭、宾馆、学校、美容美发、休闲娱乐、恒温泳池、公共浴室等场所。

低温热水是人人必须的消耗品，所以倡导科学、优化、合理、高效的使用能源是社会进步和社会文明的重要标志。开发低品位的、可再生的清洁能源用于制造低温热水的意义重大，是建筑节能减排的又一有效途径。这些能源包括：太阳能、空气能、地下水、工业余热、即时生活污水及城市污水等，用专业的眼光因地制宜地综合开发和有效利用低品位的自然能源，具有广阔的应用前景。

目前，太阳能热水系统、空气源热泵热水系统和即时污水源热泵热水系统均已被广泛使用，它们各自的优缺点如下：

1、太阳能热水系统的能耗几乎为零，使用方便，维修率低。但受天气因素制约极大，夜间、阴天和雨雪天无法使用。由于供热稳定性较差，所以，太阳能热水系统无法实现单一能源的恒定供热。

2、空气源热泵热水系统在气温15度以上时的能效比较高，能耗偏低，使用方便。但也受天气因素制约较大，冬季、雨雪天能效比明显下降；所以，空气源热泵热水系统在我国北方地区冬季必须加装辅助热源。

3、即时污水源热泵热水系统制热性能稳定，不受季节和天气影响；但是受到污水排放量的制约，只适合于集中排放的场所，如：公共浴室、工业废水等。因此单一方式仍然不能满足人们的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在产出同样热水量的前提下能大大节省能耗的具有水温梯度的综合制热装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有水温梯度的综合制热装置，由梯度水箱、太阳能热水系统、空气源热泵热水系统和即时污水源热泵热水系统组成；

梯度水箱包括水箱壳体，在水箱壳体内设有至少一套的隔挡组件，从而将水箱壳体的内腔分割成至少2个的储水区域，所述储水区域按照从左至右的排列规则，储水区域内的水温依次升高；

每个储水区域均设有补水口和排污口；每个补水口上分别对应的设有1个电动阀；每个储水区域上均设有空气源出水口和空气源回水口；

最左侧的储水区域内设有水位控制器；最右侧的储水区域上分别设有热水供应管、污水源出水口和污水源回水口；

太阳能热水系统的太阳能出水口通过对应的电动阀后与每个补水口密封的相连通；在太阳能出水口处设有太阳能温控仪，太阳能温控仪与每个电动阀信号相连；每个电动阀与水位控制器信号相连；

每个储水区域对应的设有一套空气源热泵热水系统，所述每个空气源热泵热水系统的出水管和进水管对应的与空气源回水口和空气源出水口密封的相连通；

即时污水源热泵热水系统的出水管和进水管对应的与污水源回水口和污水源出水口密封的相连通。

作为本发明的具有水温梯度的综合制热装置的改进：隔挡组件包括相互平行的挡板和隔板，挡板的底部与水箱壳体底部固定相连，挡板的顶部与水箱壳体顶部之间设有间隙；隔板的顶部与水箱壳体顶部固定相连，隔板的底部与水箱壳体底部之间设有间隙。

作为本发明的具有水温梯度的综合制热装置的进一步改进：每个空气源热泵热水系统均为：包括空气源温控仪、空气源热泵和空气源循环水泵，在空气源热泵热水系统的出水管处设有空气源温控仪，空气源温控仪分别和空气源热泵和空气源循环水泵信号相连。

作为本发明的具有水温梯度的综合制热装置的进一步改进：即时污水源热泵热水系统包括污水源温控仪、污水源热泵、污水源热循环水泵和污水源冷循环水泵，在即时污水源热泵热水系统的出水管处设有污水源温控仪，污水源温控仪分别与污水源热泵、污水源热循环水泵和污水源冷循环水泵信号相连。

作为本发明的具有水温梯度的综合制热装置的进一步改进：排污口处设置排污阀。

作为本发明的具有水温梯度的综合制热装置的进一步改进：排污口位于水箱壳体的底部或者靠近水箱壳体的底部处，空气源回水口、空气源出水口和排污口从上至下的依次设置；污水源回水口、污水源出水口和排污口从上至下的依次设置。

本发明的具有水温梯度的综合制热装置，将太阳能热水系统作为梯度水箱的补充水源，并且将空气源热泵热水系统作为主要加热设备来配置。在本发明中，即时污水源热泵热水系统适合用于梯度水箱高温区的制热。当热水使用量增大时，即时排出的污水量相应增大，供给即时污水源热泵热水系统的热能也大，系统能效比增大。反之，当热水供应流量小时，梯度水箱在空气源热泵热水系统和即时污水源热泵热水系统的合力运行下使水温急剧上升，当到达设备设定温度时而停机。本发明把即时污水源热泵热水系统作为辅助设备来配置，弥补不利天气时的太阳能热水系统和空气源热泵热水系统的不足之处。

在本发明中，梯度水箱具有智能补水功能，当太阳能热水系统的储水箱水温较高时，自动补给梯度水箱的高温区，此时梯度水箱的空气源热泵热水系统和即时污水源热泵热水系统因为水温高而处停机状态；当太阳能热水系统的储水箱水温较低时，自动补给梯度水箱的低温区，需经空气源热泵热水系统加热，结合热水供应管流量逐步向中高温区推进；避免冷热混水和整体水箱加热所导致的效能降低。

本发明是采用多种低品热源综合利用的集成创新系统，从而达到扬长避短、优势互补的效果；根据水温差自动储存到水箱的不同区域，避免由于冷热混水降低效能。使用本发明的具有水温梯度的综合制热装置，水温可以人工设定，因为采用阶梯式的温度设置，能大大节省能耗；因为综合利用了太阳能和即时污水能，减少包括二氧化碳在内的温室气体排放。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的具有水温梯度的综合制热装置去除水箱壳体1的上盖后的俯视结构示意图；

图2是图1中A-A剖的剖视图；

图3是图1中的梯度水箱的主视结构示意图(即，去除太阳能热水系统20、空气源热泵热水系统30和即时污水源热泵热水系统40后的主视结构示意图)。

具体实施方式

图1～图3结合给出了一种具有水温梯度的综合制热装置，由梯度水箱、太阳能热水系统20、空气源热泵热水系统30和即时污水源热泵热水系统40组成。

梯度水箱包括水箱壳体1，该水箱壳体1由不锈钢内胆12和套装在不锈钢内胆12外表面的不锈钢外壳11组成。

在不锈钢内胆12内设有2套隔挡组件，从而将不锈钢内胆12的内腔分割成3个储水区域，从左至右分别为低温储水区域13、中温储水区域14和高温储水区域15。高温储水区域15内的水温高于中温储水区域14，中温储水区域14内的水温高于低温储水区域13。

每套隔挡组件由相互平行的挡板2和隔板3组成，该挡板2的前后两侧分别与不锈钢内胆12的前侧壁和后侧壁密封的固定相连，同样，该隔板3的前后两侧分别与不锈钢内胆12的前侧壁和后侧壁密封的固定相连。挡板2的底部与不锈钢内胆12的底部密封的固定相连，挡板2的顶部与不锈钢内胆12顶部之间设有间隙(例如为700mm)；且2块挡板2的顶部与不锈钢内胆12顶部之间的间隙相等；隔板3的顶部与不锈钢内胆12的顶部密封的固定相连，隔板3的底部与不锈钢内胆12底部之间设有间隙(例如为300mm)；且2块隔板3的底部与不锈钢内胆12底部之间的间隙相等。

为了防止挡板2承受水压时受力不均而变形，因此在每块挡板2和不锈钢内胆12的内表面之间设置支撑条9，即支撑条9起到加固挡板2的作用。

每个储水区域均设有补水口10和排污口19，即，低温储水区域13、中温储水区域14和高温储水区域15分别各自设有一个补水口10和一个排污口19。3个补水口10位于不锈钢内胆12的后侧壁，且3个补水口10等高；3个排污口19位于不锈钢内胆12的前侧壁处，且3个排污口19也等高。在每个排污口19处对应的设置1个排污阀5，该排污阀5用于控制相应的排污口19开或关。在每个补水口10处分别对应的设有1个电动阀4；该电动阀4用于控制相应的补水口10的开或关。每个储水区域上均设有空气源出水口18和空气源回水口17；即，低温储水区域13、中温储水区域14和高温储水区域15分别各自设有一个空气源出水口18和一个空气源回水口17；3个空气源出水口18和3个空气源回水口17均位于不锈钢内胆12的前侧壁处，3个空气源出水口18等高，3个空气源回水口17也等高。排污口19靠近不锈钢内胆12的底部处，空气源回水口17、空气源出水口18和排污口19从上至下的依次设置。

在低温储水区域13内还设有水位控制器6。高温储水区域15还分别设有热水供应管50、污水源出水口8和污水源回水口7；热水供应管50位于不锈钢内胆12的右侧壁处，污水源出水口8和污水源回水口7均位于不锈钢内胆12的前侧壁处，污水源回水口7、污水源出水口8和排污口19从上至下的依次设置。

太阳能热水系统20包括太阳能集热器21、贮热水箱22、浮球阀23和太阳能出水口25(此为常规技术)，贮热水箱22高于梯度水箱，贮热水箱22给梯度水箱补水是通过落差势能实现的。在太阳能出水口25处设有太阳能温控仪24，太阳能出水口25通过每个补水口10处的电动阀4后对应的与每个补水口10密封的相连通。太阳能温控仪24与每个电动阀4信号相连；每个电动阀4还与水位控制器6信号相连。

电动阀4优先执行关闭的信号，即，当某个电动阀4只要接收到水位控制器6或者太阳能温控仪24中的任意一个发出的关闭信号时，电动阀4就处于关状态。

当水位控制器6检测到水位低于设定水位(此设定水位应该略高于或者等于挡板2的顶部)时，水位控制器6向3个电动阀4同时发出打开的信号，此时贮热水箱22内的水负责向3个储水区域中的某一个供水。具体为：在太阳能温控仪24中事先设有温度上限值和温度下限值；当太阳能温控仪24检测到太阳能出水口25中流出的水温高于温度上限值时，则命令对应于高温储水区域15的电动阀4打开(同时命令另2个电动阀4关闭)，贮热水箱22内的水只能进入高温储水区域15内；同理，当太阳能温控仪24检测到太阳能出水口25中流出的水温低于温度下限值时，则命令对应于低温储水区域13的电动阀4打开(同时命令另2个电动阀4关闭)，贮热水箱22内的水只能进入低温储水区域13内；当太阳能温控仪24检测到太阳能出水口25中流出的水温位于温度下限值和温度上限值之间时，则命令对应于中温储水区域14的电动阀4打开(同时命令另2个电动阀4关闭)，贮热水箱22内的水只能进入中温储水区域14内；从而避免由于冷热混水降低效能。

当水位控制器6检测到水位高于或等于设定水位时，则控制3个电动阀4关闭；此时，贮热水箱22不向任何一个储水区域供水。

太阳能热水系统20自身而言，当贮热水箱22水位下降时，浮球阀23动作从而实现自动补水，此为常规技术。

每个储水区域对应的设有一套空气源热泵热水系统30，即低温储水区域13、中温储水区域14和高温储水区域15分别各自设有一套空气源热泵热水系统30。每套空气源热泵热水系统30包括出水管32、进水管34、空气源热泵33和空气源循环水泵35(此为常规技术)，在每个出水管32上设有空气源温控仪31。下面以与低温储水区域13相配套的空气源热泵热水系统30为例进行表述：

空气源热泵热水系统30的出水管32和空气源回水口17密封的相连通，空气源热泵热水系统30的进水管34与空气源出水口18密封的相连通。空气源温控仪31分别和空气源热泵33和空气源循环水泵35信号相连。在空气源温控仪31内事先设有温度上限值和温度下限值。当出水管32内的水温高于温度上限值时，空气源温控仪31命令空气源热泵33和空气源循环水泵35关闭，即，整套空气源热泵热水系统30停止工作。当出水管32内的水温低于温度下限值时，空气源温控仪31命令空气源热泵33和空气源循环水泵35打开，即，整套空气源热泵热水系统30开始工作。

与中温储水区域14相配套的空气源热泵热水系统30、与高温储水区域15相配套的空气源热泵热水系统30，其结构和工作方式同上。

与低温储水区域13相配套的空气源温控仪31、与中温储水区域14相配套的空气源温控仪31、与高温储水区域15相配套的空气源温控仪31中的温度上限值和温度下限值的设置原则如下：由于季节的变化，热水的用量会发生变化。所以，当冬季用热水量大时，低温储水区域13、中温储水区域14、高温储水区域15的各区之间的梯度值为0～5度；即，与中温储水区域14相配套的空气源温控仪31的温度下限值比与低温储水区域13相配套的空气源温控仪31的温度上限值高0～5度，同理，与高温储水区域15相配套的空气源温控仪31的温度下限值比与中温储水区域14相配套的空气源温控仪31的温度上限值高0～5度。而夏季用热水量少时，各区之间的梯度值为5～10度或更大(根据用户的用水量与设备的制热量匹配相应调整)。

即时污水源热泵热水系统40包括出水管42、污水源污水池43、污水源热循环水泵44、进水管45、污水源热泵46和污水源冷循环水泵47(此为常规技术)；在出水管42上设有污水源温控仪41，出水管42与污水源回水口7密封的相连通，进水管45与污水源出水口8密封的相连通。污水源温控仪41分别与污水源热循环水泵44、污水源热泵46、污水源冷循环水泵47信号相连。

在污水源温控仪41内事先设有温度上限值和温度下限值(此上限值同与高温储水区域15相配套的空气源温控仪31的温度上限值，下限值同与高温储水区域15相配套的空气源温控仪31的温度下限值)。当出水管42内的水温高于温度上限值时，污水源温控仪41命令污水源热泵46、污水源热循环水泵44和污水源冷循环水泵47关闭，即，整套即时污水源热泵热水系统40停止工作。当污水源出水管44内的水温低于温度下限值时，温控仪41命令污水源热泵46、污水源热循环水泵44和污水源冷循环水泵47打开，即，整套即时污水源热泵热水系统40开始工作。

热水供应管50分别与若干个水龙头52相连，在热水供应管50与每个水龙头52之间对应的设置1个流量计费器51。每个水龙头52对应一个流量计费器51，每个客户的热水实际用量可通过流量计费器51得知。

本发明的具体工作内容如下：

1、当低温储水区域13内的水位高于挡板2的顶部时，低温储水区域13、中温储水区域14和高温储水区域15内的水通过挡板2的顶部与不锈钢内胆12顶部之间的间隙以及通过隔板3的底部与不锈钢内胆12底部之间的间隙相贯通。由于水流最终只能从热水供应管50流出，所以，只能是低温储水区域13内的水流向中温储水区域14，中温储水区域14的水流向高温储水区域15；而不会产生逆流。

当某个储水区域需要清洗或维修时，只需对应的打开该储水区域对应的排污口19处的排污阀5即可；这样可以避免水资源浪费，节省排水的时间。

2、太阳能热水系统20的工作原理如下：

当水位控制器6检测到水位低于设定水位(此设定水位应该略高于或者等于挡板2的顶部)时，水位控制器6向3个电动阀4同时发出打开的信号，此时贮热水箱22内的水负责向3个储水区域中的某一个供水。具体为：在太阳能温控仪24中事先设有温度上限值和温度下限值；当太阳能温控仪24检测到太阳能出水口25中流出的水温高于温度上限值时，则命令对应于高温储水区域15的电动阀4打开(同时命令另2个电动阀4关闭)，贮热水箱22内的水只能进入高温储水区域15内；同理，当太阳能温控仪24检测到太阳能出水口25中流出的水温低于温度下限值时，则命令对应于低温储水区域13的电动阀4打开(同时命令另2个电动阀4关闭)，贮热水箱22内的水只能进入低温储水区域13内；当太阳能温控仪24检测到太阳能出水口25中流出的水温位于温度下限值和温度上限值之间时，则命令对应于中温储水区域14的电动阀4打开(同时命令另2个电动阀4关闭)，贮热水箱22内的水只能进入中温储水区域14内；从而避免由于冷热混水降低效能。

3、空气源热泵热水系统30的工作原理如下：

以与低温储水区域13相配套的空气源热泵热水系统30为例进行表述：

低温储水区域13中的低温水从低温储水区域13的空气源出水口18被吸出，经过空气源热泵33的加热后，再从空气源回水口17回到低温储水区域13中，周而复始，直到把低温储水区域13中水加热到空气源热泵热水系统30设定的温度为止。即，在空气源温控仪31事先设有温度上限值和温度下限值。当出水管32内的水温高于温度上限值时，空气源温控仪31命令空气源热泵33和空气源循环水泵35关闭，即，整套空气源热泵热水系统30停止工作。当出水管32内的水温低于温度下限值时，空气源温控仪31命令空气源热泵33和空气源循环水泵35打开，即，整套空气源热泵热水系统30开始工作。

与中温储水区域14相配套的空气源热泵热水系统30、与高温储水区域15相配套的空气源热泵热水系统30，其结构和工作方式同上。

4、即时污水源热泵热水系统40的工作原理：

即时污水来源于生活废水(非粪水)，如公共浴室即时排出的废水，在没有与市政排污管混水之前，把废水储存到地下的一个污水源污水池43，具有很高的余热回收价值。通过即时污水源热泵热水系统40中的热交换器把污水源污水池43中的热能吸收，供污水源热泵46换热，重新制造出生活热水。污水源热循环水泵44启动，将低温水从高温储水区域15的污水源出水口8吸出，通过污水源热泵46加热，经污水源回水口7又回到高温储水区域15内，周而复始，直至把水加热到即时污水源热泵热水系统40设定的温度为止。即，在污水源温控仪41内事先设有温度上限值和温度下限值(此上限值同与高温储水区域15相配套的空气源温控仪31的温度上限值，下限值同与高温储水区域15相配套的污水源温控仪31的温度下限值)。当出水管44内的水温高于温度上限值时，污水源温控仪41命令污水源热泵46、污水源热循环水泵44和污水源冷循环水泵47关闭，即，整套即时污水源热泵热水系统40停止工作。当出水管44内的水温低于温度下限值时，污水源温控仪41命令污水源热泵46、污水源热循环水泵44和污水源冷循环水泵47打开，即，整套即时污水源热泵热水系统40开始工作。

高温储水区域15同时设有空气源热泵热水系统30和即时污水源热泵热水系统40，是为了弥补低温雨雪天气空气源热泵热水系统30能效比下降，而无法满足高温储水区域15的供热和消耗热水的平衡关系，而即时污水源热泵热水系统40的能效比全年稳定较高，能更快的获得所需温度的热水，即，从而更快的向热水供应管50提供所需温度的热水。

本发明与单一能源或其他能源的能耗对比，如表1所示：

表1、常用制热水设备能耗对比表(以每吨水15度加热到55度，所需热能40000大卡)

注，官方数据统计：每立方米天然气发电4.5度，每公斤柴油发电9.926度，每100度电排放二氧化碳78.5千克。

从上表1可得知：使用本发明的综合热水系统，能大大节省能耗，并减少包括二氧化碳在内的温式气体排放。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.具有水温梯度的综合制热装置，其特征是：由梯度水箱、太阳能热水系统(20)、空气源热泵热水系统(30)和即时污水源热泵热水系统(40)组成；

所述梯度水箱包括水箱壳体(1)，在水箱壳体(1)内设有至少一套的隔挡组件，所述隔挡组件包括相互平行的挡板(2)和隔板(3)，所述挡板(2)的底部与水箱壳体(1)底部固定相连，所述挡板(2)的顶部与水箱壳体(1)顶部之间设有间隙；所述隔板(3)的顶部与水箱壳体(1)顶部固定相连，隔板(3)的底部与水箱壳体(1)底部之间设有间隙；从而将水箱壳体(1)的内腔分割成至少2个的储水区域，所述储水区域按照从左至右的排列规则，储水区域内的水温依次升高；

每个储水区域均设有补水口(10)和排污口(19)；每个补水口(10)上分别对应的设有1个电动阀(4)；每个储水区域上均设有空气源出水口(18)和空气源回水口(17)；

最左侧的储水区域内设有水位控制器(6)；最右侧的储水区域上分别设有热水供应管(50)、污水源出水口(8)和污水源回水口(7)；

所述太阳能热水系统(20)的太阳能出水口(25)通过对应的电动阀(4)后与每个补水口(10)密封的相连通；在太阳能出水口(25)处设有太阳能温控仪(24)，太阳能温控仪(24)与每个电动阀(4)信号相连；每个电动阀(4)与水位控制器(6)信号相连；

每个储水区域对应的设有一套空气源热泵热水系统(30)，所述每个空气源热泵热水系统(30)的出水管(32)和进水管(34)对应的与空气源回水口(17)和空气源出水口(18)密封的相连通；

所述即时污水源热泵热水系统(40)的出水管(42)和进水管(45)对应的与污水源回水口(7)和污水源出水口(8)密封的相连通。

2.根据权利要求1所述的具有水温梯度的综合制热装置，其特征是：所述每个空气源热泵热水系统(30)均为：包括空气源温控仪(31)、空气源热泵(33)和空气源循环水泵(35)，在空气源热泵热水系统(30)的出水管(32)处设有空气源温控仪(31)，所述空气源温控仪(31)分别和空气源热泵(33)和空气源循环水泵(35)信号相连。

3.根据权利要求2所述的具有水温梯度的综合制热装置，其特征是：所述即时污水源热泵热水系统(40)包括污水源温控仪(41)、污水源热泵(46)、污水源热循环水泵(44)和污水源冷循环水泵(47)，在即时污水源热泵热水系统(40)的出水管(42)处设有污水源温控仪(41)，所述污水源温控仪(41)分别与污水源热泵(46)、污水源热循环水泵(44)和污水源冷循环水泵(47)信号相连。

4.根据权利要求3所述的具有水温梯度的综合制热装置，其特征是：所述排污口(19)处设置排污阀(5)。

5.根据权利要求4所述的具有水温梯度的综合制热装置，其特征是：所述排污口(19)位于水箱壳体(1)的底部或者靠近水箱壳体(1)的底部处，所述空气源回水口(17)、空气源出水口(18)和排污口(19)从上至下的依次设置；所述污水源回水口(7)、污水源出水口(8)和排污口(19)从上至下的依次设置。

Images