CN102607170B - 一种回收淋浴废热的速热型热泵热水器 - Google Patents

Abstract

一种回收淋浴废热的速热型热泵热水器，它由冷凝器，蒸发器，节流装置，压缩机，回热器，预热器，主水箱，副水箱，混水控制器，喷淋装置和阀门组成，回热器和蒸发器安装在淋浴者的脚下，喷淋装置在头上方且与混水控制器相通；预热器置于副水箱内，冷凝器置于主水箱内，副水箱出水端与混水控制器的进口相连，副水箱进水端与主水箱的出水管连接；阀门一端通自来水，另一端分别与主水箱的进水管和回热器的进水管连接，回热器的出水端与混水控制器相通；冷凝器，节流装置，蒸发器和压缩机构成一个闭合回路，冷凝器的出口与节流装置的进口相连，节流装置的出口与蒸发器的进口相连，蒸发器的出口与压缩机的进口相连，压缩机的出口与冷凝器的进口相连。

Description

一种回收淋浴废热的速热型热泵热水器

技术领域

本发明涉及一种热泵热水器，具体涉及一种回收淋浴废热的速热型热泵热水器。属于节能设备技术领域。

背景技术

随着热泵技术的不断进步，空气源热泵热水器已经在国外得到了大范围的应用，在国内的应用也有了长足的发展。然而空气源热泵热水器工作特性受环境温度的影响较大，在夏季，由于环境的温度过高容易造成压缩机吸气压力过高，在冬季，由于环境温度过低容易造成蒸发器结霜。

淋浴废水中蕴含了大量的废热，用作热泵热水器的热源可显著提高系统的稳定性和制热性能，因而倍受关注，迄今为止国内外已有相当多相关专利出现。然而，现有专利[3-7]或文献[1，2]报道中所述的各种各样的利用淋浴废热的热泵热水器并不真正实用，目前市场上没有一款此类产品便是最好的佐证，主要原因在于以下几个方面：

第一，某些专利采用的集中收集淋浴废水再加以利用的方法在现实中并不受欢迎，因为会滋生细菌，产生异味，同时换热器表面污垢的清理是非常棘手的事情。所以，合理的方案应该是采用某种易于清洁换热器(例如，平板型换热器)在线即时回收淋浴废水余热后，再将淋浴废水直接排放。

第二，若在线即时回收淋浴废水用作热泵热水器的热源，在实际应用中会面临许多尴尬：人们在淋浴过程中往往会有数次短暂停顿，此时热水器出水关闭，当然也没有废水，热泵没有热源输入，只得停机或空转(或者切换到备用热源，使得系统复杂化)，有时刚刚停机又需要启动，有时刚刚启动又需要停机，这些情况对于热泵压缩机的寿命影响非常大。除了要解决频繁启停问题，系统初次启动也是大问题，因为启动时水箱里是凉水，难以为热泵提供热源。现有专利[3-7]或文献[1，2]报道的淋浴废水源热泵热水器，要么没有考虑上述问题，要么采用比较复杂的方法解决这些问题，前者没有实用性，后者在成本、使用寿命和性能方面没有竞争优势。

第三，热泵热水器的优点主要在于输入功率小(与蓄热式电热水器相当)而输出功率大(与即热式电热水器相当)，淋浴废水源热泵热水器最好采用即开即热式或者速热式，而不宜采用蓄热式。

第四，淋浴废热首先对给水预热(回热)，然后再向热泵蒸发器放热，实践证明这种方案的系统效率更高。现有专利或文献有些应用了回热技术[2]，但是其回热器是与冷凝器串联的，给水先进入回热器后进入冷凝器，这样就提高了冷凝器的进水温度，减小了换热温差，对冷凝器的换热效率有一定的不利影响。

本发明针对淋浴废水源热泵热水器在实际应用中遇到的使用过程压缩机频繁启停、初次启动无热源等实际问题，提供了一套简单易行的技术方案，同时提供了一种在线即时利用淋浴废热的速热型热泵热水器。

[1]郑晓琴.洗浴废水热回收热泵系统的分析与研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[2]朱余乐，李辉，任翊华等.余热利用热泵热水器系统分析与实验研究[C].中国工程热物理年会，2010，上海

[3]胡光南.回收利用淋浴废水余热的方法及装置[P].中国，99121448.X.1999-10-24.

[4]范绍魁.洗浴废水余热循环利用装置[P].中国，200610044652.0.2006-6-8.

[5]张宪坤，王乐轩，张献忠.洗浴废水热回收制热制冷系统[P].中国，200720091052.X.2007-7-16.

[6]姬涌，王晓晴，姬洵.回收利用洗浴废水余热加热洗浴热水装置[P].中国，200920226706.4.2009-5-19.

[7]于春初，李志明.洗浴废水热量回收综合利用装置[P].中国，201020042640.6.2010-1-12.

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种回收淋浴废热的速热型热泵热水器，它在线即时利用淋浴的废热并解决热泵启动的初始热源问题。该热水器的预热时间大约是2分钟，基本上满足了速热的技术要求，而在预热之后，可以完全的满足用户即开即用的使用要求。热泵以淋浴废水为热源，热源温度稳定，整个热水器的效率较高，可以任意启停，能够满足用户多人和长时间淋浴的要求。

2、技术方案：本发明一种回收淋浴废热的速热型热泵热水器，它由以下几部分构成：冷凝器，蒸发器，节流装置，压缩机，回热器，预热器，主水箱，副水箱，混水控制器，喷淋装置和阀门。它们之间的位置连接关系是：回热器和蒸发器安装在淋浴者的脚下，回热器位置在上，蒸发器位置在下；喷淋装置置于淋浴者头上方且另一端与混水控制器相通；预热器置于副水箱内，冷凝器置于主水箱内，副水箱出水端与混水控制器的进口相连，副水箱进水端与主水箱的出水管连接；阀门一端与自来水相通，另一端通过三通分别与主水箱的进水管和回热器的进水管连接，回热器的出水端与混水控制器相通；冷凝器，节流装置，蒸发器和压缩机构成一个闭合回路，冷凝器的出口与节流装置的进口相连，节流装置的出口与蒸发器的进口相连，蒸发器的出口与压缩机的进口相连，压缩机的出口与冷凝器的进口相连。

所述冷凝器是制冷剂的流动与换热通道，与主水箱组合构成一个液液换热器；

所述蒸发器是市购平板式换热器或者盘管式换热器；

所述节流装置是空调通用的毛细管节流器；

所述压缩机是市购的活塞式压缩机或者漩涡式压缩机；

所述回热器是市购的开放型点阵板式换热器；

所述预热器是铠装电热棒或者氮化硅加热片；

所述主水箱并非蓄水容器，而仅仅是水的流动与换热通道，与冷凝器组合构成一个液液换热器，可以是管壳式的，也可以是板式的，尤以市购的全钎焊不锈钢板式换热器为佳；

所述副水箱是容积设定为3-5L的筒形不锈钢或者搪瓷容器；

所述混水控制器是市购恒温混水阀；

所述喷淋装置是市购淋浴花洒；

所述阀门是市购通用阀门。

其中，阀门(含三通)、主水箱、副水箱、混水控制器和喷淋装置构成一条水路，称为主水路；阀门(含三通)、回热器、混水控制器构成一条与主水路并联的水路，称为支水路；喷淋装置、回热器(外表面)和蒸发器(外表面)构成一条开放水路，称为外水路；冷凝器，节流装置，蒸发器和压缩机构成一个制冷剂闭合回路，称为热泵回路；外水路通过回热器将淋浴废水热量的一部分传递给支水路；外水路通过蒸发器将淋浴废水热量的一部分传递给热泵回路，换热后的废水直接排放；热泵回路通过冷凝器将压缩机制热传递给主水路。

其中，支水路与主水路并联，支水路水温较主水路水温低，二者通过混水控制器混合，混水控制器通过主水路与支水路流量比例来调节混合后的水温，即出水水温。

其中，副水箱中的预热器安装有内置的温度控制装置，预热器功率与压缩机功率相当，二者不同时工作，通过人工控制的开关和自动控制装置可以实现二者工作状态的切换，副水箱的平均温度在45.0℃以上时喷淋装置才能开启；压缩机仅在喷淋装置出水并且副水箱水温低于用户设定的出水温度的情况下启动，在正常工作状态的其它情况下预热器工作。

本发明的几个具体问题及工作流程如下：

(1)副水箱体积确定原则：按照电加热功率配置，基本上保持在1L/1kW～1.5L/1kW的比例比较合适，这样能够确保在2～3.5分钟之内完成热水器预热。例如：电功率3kW，水箱体积4.5L，则从15℃加热至50℃需要3.2分钟淋浴。开始后前10秒，仅仅依靠副水箱中储存的热水维持淋浴，在10秒钟时，启动热泵，这样就很好的解决了热泵启动的初始热源问题。副水箱中的预热器安装有内置的温度控制装置，如水温太高则预热器停止工作，反之一旦温度降低到一定温度以下则预热器重新开启。同时还要监控副水箱的平均温度，通过控制系统的控制作用，使得只有在副水箱的平均温度在45.0℃以上时喷淋装置才能开启。

(2)热水器的控制系统：

见图2，该热泵热水器的控制系统包括水路控制和电路控制。在热水器的电源线和进水管出于正确连接状态的前提下，当电源开关处于“开”的状态时，控制面板处于工作状态，用户可通过面板上的菜单设置控制参数，主要包括“报警温度”——用于防止副水箱无水干烧，参考值在200±50℃、“水温上限”——用于防止副水箱蓄水温度过高，参考值在50～75℃，“加热模式切换温度”——用于控制在电加热和热泵加热模式下切换，参考值38～45℃，等等。另外，控制面板上的温度显示表可以显示出水水温以便于用户通过混水阀调节水温，信号来自于装在混水阀之后管路中的热电偶(3)。同时，在混水阀后管路上还连接了流量传感器，流量也可在控制面板上的流量表上显示。控制面板上设置的参数可以传递到温控仪和流量控制仪等模块。继电器(1)控制着电加热器和压缩机的电路，起保护作用，一般设置为常开状态，热电偶(1)的探测点在电加热器的外表面，当热电偶(1)检测到的温度超过“报警温度”时，表示电加热器没有完全浸入水中，处于干烧状态，此时温控仪(1)将控制继电器(1)，使其断开。继电器(1)之后连接的手动开关的作用是控制电加热器，由用户选择是否进行预热或者是否使用电加热器。热电偶(2)的位置在副水箱里，宜选择最能反映副水箱平均水温的地方布置，当其温度超过设定的“温度上限”，将通过温控仪使继电器(2)由常开状态转为断开，反之亦然。继电器(3)和继电器(4)并联，继电器(3)受流量传感器控制，当有流量时，流量控制仪使继电器(3)断开，反之连通，与此同时，继电器(5)的动作始终与继电器(3)相反；继电器(4)受热电偶(2)和温控仪(3)控制，当热电偶(2)的温度低于设定的“加热模式切换温度”时，表明需要启动热泵进行加热，此时继电器(4)断开，与此同时，继电器(6)由“断开”转为“接通”，反之亦然。继电器(6)之后连接的是热泵系统中的压力控制器，用于设置蒸发压力和冷凝压力，控制器上通常都配置相应的显示仪表和调节装置，这部分通常不是由用户设置的。当热泵系统出现压力不平衡时，压力控制器会控制电路断开，需要专业人员排除故障后再使用。总之，通过上述控制系统，可以实现在电加热和热泵系统两种加热模式的切换，热泵系统在持续用水状态下进入工作状态，而电加热系统在预热、短暂停顿时起作用。

(3)工作流程：

根据上述控制系统，该热泵热水器的工作流程如下：首先，打开电源，打开进水开关。然后，根据需要，设置控制参数。开启电热手动开关，使副水箱水温预热到设定的温度上限。期间，若出现干烧则报警并自动终止加热。接下来，开启混水控制器，调节到使用温度，此时电加热将先工作一段时间(副水箱水温下降到温度上限之下)直至出水水温到达切换温度，压缩机开始启动，电加热停止工作。当短暂关闭混水控制器时，压缩机停止运行，电加热开始工作，直到出水水温又到了不能满足需要时热泵再次重新启动。按照上述工作流程，通常一次洗浴过程中热泵大致需要启动2～3次，避免了频繁启动。

3、优点及功效：本发明的有益效果是：

1)预热器和副水箱的引入，很好的解决了热泵启动时初始的热源问题，功率较大的预热器和尺寸适中的副水箱有效的缩短了预热所需要的时间，能够基本上满足速热的技术要求。热泵的功率和效率较高，完全可以满足用户即开即用的使用要求。

2)与空气源热泵热水器相比，该热水器的热源温度更加稳定，不会出现夏季压缩机吸气压力过高和冬季蒸发器结霜的问题，且工作特性更加稳定。而且热源的温度更高，热泵系统和整个热水器系统拥有更高的COP。

3)热泵热水器本身就具有较高的COP，又因为回热作用的存在，使整个热泵热水器的COP更高，同时还有精确、合理的电能输入分配控制，都可以有效的提高电能的利用率，从而全方位的实现了节能的技术要求。

4)采用某种易于清洁换热器(例如，平板型换热器)在线即时回收淋浴废水余热，换热后的淋浴废水直接排放。这样就克服了传统的集中收集淋浴废水再加以利用的方法的一系列弊端，如：滋生细菌，产生异味，废水收集器尺寸较大，换热器表面污垢不易清理等。

5)自来水的回水水路和冷凝器水路并联，与串联的连接方式相比，降低了冷凝器的进水温度，增大了换热温差，对冷凝器的换热效率有一定的有利影响，同时可以在一定程度上减小冷凝器的尺寸，有利于热泵热水器系统的小型化。

附图说明

图1是热泵热水器的结构示意图。

图2是热泵热水器的控制系统示意图。

图中符号说明如下：

1 阀门；2 冷凝器；3 副水箱；4 预热器；5 混水控制器；6 喷淋装置；7 回热器；8 蒸发器；9 压缩机；10 节流装置；11 主水箱。

具体实施方式

如图1所示，该热泵热水器有以下几部分构成：阀门1、冷凝器2，副水箱3、预热器4、混水控制器5、喷淋装置6、回热器7、蒸发器8、压缩机9、节流装置10、主水箱11。它们之间的位置连接关系是：回热器7和蒸发器8安装在淋浴者的脚下，回热器7位置在上，蒸发器8位置在下；喷淋装置6置于淋浴者头上方且另一端与混水控制器5相通；预热器4置于副水箱3内，冷凝器2置于主水箱11内，副水箱3出水端与混水控制器5的进口相连，副水箱3进水端与冷凝器2的进水管连接；阀门1一端与自来水相通，另一端通过三通分别与主水箱11的进水管和回热器7的进水管连接，回热器7的出水端与混水控制器5相通；冷凝器2，节流装置10，蒸发器8和压缩机9构成一个闭合回路，冷凝器2的出口与节流装置10的进口相连，节流装置10的出口与蒸发器8的进口相连，蒸发器8的出口与压缩机9的进口相连，压缩机9的出口与冷凝器2的进口相连。

所述冷凝器2是制冷剂的流动与换热通道，与主水箱组合构成一个液液换热器，在此为市购的全钎焊不锈钢板式换热器；

所述蒸发器8是平板式换热器或者盘管式换热器，在此为佛山市三角洲电器科技有限公司的开放型点阵板式换热器(商品名为沐浴宝)；

所述节流装置10是空调通用的毛细管节流器；

所述压缩机9是市购的活塞式压缩机或者漩涡式压缩机；

所述回热器7是佛山市三角洲电器科技有限公司的开放型点阵板式换热器，在此为TL-07型“沐浴宝”上层换热结构；

所述预热器4是铠装电热棒或者氮化硅加热片；

所述主水箱11是是水的流动与换热通道，与冷凝器组合构成一个液液换热器，在此为市购的全钎焊不锈钢板式换热器；

所述副水箱3是容积设定为3L的筒形不锈钢或者搪瓷容器；

所述混水控制器5是加装了佛山市三角洲电器科技有限公司的温差水流交换装置(ZL200820204843.3)的市购恒温混水阀；

所述喷淋装置6是市购淋浴花洒；

所述阀门1是市购通用阀门，选黄铜球阀。

其中，阀门1(含三通)、主水箱11、副水箱3、混水控制器5和喷淋装置6构成一条水路，称为主水路；阀门1(含三通)、回热器7、混水控制器5构成一条与主水路并联的水路，称为支水路；喷淋装置6、回热器7(外表面)和蒸发器8(外表面)构成一条开放水路，称为外水路；冷凝器2，节流装置10，蒸发器8和压缩机9构成一个制冷剂闭合回路，称为热泵回路；外水路通过回热器7将淋浴废水热量的一部分传递给支水路；外水路通过蒸发器8将淋浴废水热量的一部分传递给热泵回路，换热后的废水直接排放；热泵回路通过冷凝器2将压缩机9制热传递给主水路。

其中，支水路与主水路并联，支水路水温较主水路水温低，二者通过混水控制器5混合，混水控制器5通过主水路与支水路流量比例来调节混合后的水温，即出水水温。

其中，副水箱3中的预热器4安装有内置的温度控制装置，预热器4功率与压缩机9功率相当，二者不同时工作，通过人工控制的开关和自动控制装置可以实现二者工作状态的切换，副水箱3的平均温度在45.0℃以上时喷淋装置才能开启；压缩机9仅在喷淋装置6出水并且副水箱3水温低于用户设定的出水温度的情况下启动，在正常工作状态的其它情况下预热器4工作。

混水控制器5可以通过调节回热器8中自来水的流量来调节混水后的喷淋淋浴温度。

制冷剂的循环路线为：蒸发器8→压缩机9→冷凝器2→节流装置10→蒸发器8。自来水的管路有两条，一条为：冷凝器2→水箱3→混水控制器5→喷淋装置6，另一条为：回热器7→混水控制器5→喷淋装置6，两条管路的自来水最后在混水控制器5中混合，用于淋浴喷淋，然后淋浴废水再一次通过回热器7和蒸发器8将热量回收。两条水路是以并联的方式连接的，与串联的连接方式相比，提高了冷凝器2的进水温度，减小了换热温差，对冷凝器2的换热效率有一定的有利影响，同时可以在一定程度上减小冷凝器2的尺寸，有利于热泵热水器系统的小型化。

在使用该热水器时，首先要预热，当整个副水箱3的温度大约在60℃左右时热水器已充分预热，可以开始淋浴，预热的过程大于需要15分钟左右；预热器4中内置的温度控制器会在副水箱温度高于75℃时停止预热器4预热，等待用户淋浴。以3500W的预热功率，2.5L水箱，15℃水温为例，预热时间为2.25分钟左右。

淋浴开始后前10秒钟，热泵不工作，淋浴的热水来自副水箱，假设淋浴室副水箱内水的温度为60℃，淋浴开始后10秒时，即热泵启动时，副水箱3的平均温度为50.5℃，这段期间副水箱3中的热水完全能够满足淋浴的要求。热泵开启后，副水箱3的平均温度会呈现逐渐的下降趋势，直到最后达到一个平衡状态。热泵压缩机9的功率为3500W，效率为0.8，冷凝水水流量为4.8L/min时，平衡后副水箱3的出水温度为48.3℃。喷淋的流量的变化趋势也是逐渐下降的，并且最后也会到达一个平衡状态，若设定40℃的淋浴温度，达到平衡状态后的喷淋水流量为9.1L/min。然后这个状态一直延续下去，直至淋浴过程中停水。

停水后，热泵立即停止，同时预热器4开启，副水箱3中的水被加热，作为热泵再次启动时的初始热源，热泵再次启动时仍然有10秒钟的延迟。当停水时间较短时，预热器4的加热效果将不显著，可能会出现不能够给热泵启动提供足够初始热源的情况。以最糟糕的情况为例，即停水后立即启动喷淋装置6，预热器4每次仅工作10秒，热泵再次启动时，副水箱3中的出水温度为42.0℃，依然能够供应充足的淋浴热水和满足热泵启动初始热源的要求。但是如果立即再次停水后马上再开启喷淋装置6的话，热泵再次启动时副水箱3的出水温度为37.5℃，将不能满足洗浴和为热泵启动提供初始热源的要求。也就是说不能连续两次停水后立即再启动喷淋装置6。

这种情况也是极少出现的，但还是应该考虑到的，最好的解决方法就是监控副水箱3中的平均温度。如果要保证在10s中的喷淋之后副水箱3的出水温度在40℃以上，则启动喷淋时副水箱3的平均温度至少要保持在45.0℃以上。因此还要监控副水箱3的平均温度，通过控制系统的控制作用，使得只有在副水箱3的平均温度在45.0℃以上时喷淋装置6才能开启。当这种极少见的情况出现时，开启喷淋装置6后喷淋装置6要在一定时间之后才能出水，但是由于预热器功率较大，这个时间是很短暂的，最长不超过15s，不会影响用户的正常使用。图2是热泵热水器的控制系统示意图。

Claims (2)

1.一种回收淋浴废热的速热型热泵热水器，它由冷凝器，蒸发器，节流装置，压缩机，回热器，预热器，主水箱，副水箱，混水控制器，喷淋装置和阀门组成，回热器和蒸发器安装在淋浴者的脚下，回热器位置在上，蒸发器位置在下；喷淋装置置于淋浴者头上方且另一端与混水控制器相通；预热器置于副水箱内，冷凝器置于主水箱内，副水箱出水端与混水控制器的进口相连，副水箱进水端与主水箱的出水管连接；阀门一端与自来水相通，另一端通过三通分别与主水箱的进水管和回热器的进水管连接，回热器的出水端与混水控制器相通；冷凝器，节流装置，蒸发器和压缩机构成一个闭合回路，冷凝器的出口与节流装置的进口相连，节流装置的出口与蒸发器的进口相连，蒸发器的出口与压缩机的进口相连，压缩机的出口与冷凝器的进口相连；

其特征在于：阀门及三通、主水箱、副水箱、混水控制器和喷淋装置构成一条水路，称为主水路；阀门及三通、回热器、混水控制器构成一条与主水路并联的水路，称为支水路；喷淋装置、回热器外表面和蒸发器外表面构成一条开放水路，称为外水路；冷凝器，节流装置，蒸发器和压缩机构成一个制冷剂闭合回路，称为热泵回路；外水路通过回热器将淋浴废水热量的一部分传递给支水路；外水路通过蒸发器将淋浴废水热量的一部分传递给热泵回路，换热后的废水直接排放；热泵回路通过冷凝器将压缩机制热传递给主水路；

副水箱中的预热器安装有内置的温度控制装置，预热器功率与压缩机功率相当，二者不同时工作，通过人工控制的开关和自动控制装置可以实现二者工作状态的切换；压缩机仅在喷淋装置出水并且副水箱水温低于用户设定的出水温度的情况下启动，在正常工作状态的其它情况下预热器工作。

2.根据权利要求1述的一种回收淋浴废热的速热型热泵热水器，其特征在于：支水路与主水路并联，支水路水温较主水路水温低，二者通过混水控制器混合，混水控制器通过主水路与支水路流量比例来调节混合后的水温，即出水水温。

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