CN104456798B - 实现能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统。其特征在于：所述系统包括热泵循环系统、溶液调湿系统；所述热泵系统包含变频压缩机、四通换向阀、溶液冷却冷凝器、止回阀、节流阀和蒸发器，还引入了水冷冷凝器进行生活热水的制取；所述溶液调湿系统含有除湿器、再生器、溶液泵、溶液热交换器、溶液阀和风机；本发明将溶液循环系统、热泵系统和生活用水制取系统结合起来，在热泵驱动实现溶液调湿的同时，利用制冷剂的多余冷凝热制取生活用水，达到了系统能量平衡及能源的有效利用，提高了系统整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统，属于溶液除湿技术范畴，热泵系统的冷凝热制取生活热水领域。
背景技术
采用溶液除湿技术可利用低品位热源实现空气热湿独立处理，其在节能方面的优势已经得到公认。加之其良好的环境可接受性、有助改善室内空气品质等优点，溶液除湿系统以及基于溶液除湿技术的空调系统近年来得到了广泛的关注。
当没有直接可利用的、温度品位适宜的余热来满足溶液再生需求时，可采用热泵驱动的溶液调湿空气处理装置。在这种类型的溶液调湿空气处理装置中，机组内设置有热泵循环，热泵冷凝器的排热量用于浓缩再生溶液，热泵蒸发器的冷量用于冷却除湿溶液，提高其除湿能力。若能将溶液调湿方式与热泵进行有效结合，可以充分发挥各自的优势，有助于实现空气湿度处理过程的高效运行。
随着人们生活水平的不断提高，对居住环境的舒适性要求也随之提升，对生活热水的需求也在不断上升。相关研究表明，当热泵系统中的蒸发器提供的冷量达到运行要求时，冷凝器的排热量往往过多，造成了系统能量的不平衡。为了使这一部分的冷凝热得到充分利用，热泵系统可增设生活热水制取装置，利用系统富余的热量制取生活热水，充分利用了能源，减少了专门制取生活热水的能源消耗，节能环保。
发明内容
发明目的：为了解决热泵和溶液调湿复合系统中的能量平衡问题，本发明提供一种可实现系统能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统。
技术方案：本发明提出的实现能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统，其特征在于：所述系统包括热泵系统与溶液调湿系统；所述热泵系统包含：变频压缩机(3)、溶液冷却冷凝器(5)、节流阀4a、节流阀4b、蒸发器(6)、止回阀17a、止回阀17b、止回阀17c和止回阀17d；所述溶液调湿系统包含：除湿器(1)、再生器(2)、第一溶液泵(8)与第二溶液泵(9)、溶液热交换器(10)、第一溶液阀(11)、第二溶液阀(12)、第三溶液阀(13)和第四溶液阀(14)、除湿风机(15)和再生风机(16)。
进一步地，所述热泵系统中增加了冷却水系统以制取生活热水。
冷却水循环系统通过水冷冷凝器接入热泵系统中，水冷冷凝器(7)的进口通过管道与溶液冷却冷凝器(5)相连，水冷冷凝器(7)的出口通过管道与节流阀4a或节流阀4b相连。所述水冷冷凝器(7)上分别设有冷却水入口7a和冷却水出口7b，冷却水入口7a和水冷冷凝器(7)之间的管路上设置水量调节阀(19)用于调节水量。这样可以在满足溶液再生热量需求的基础上，充分利用热泵系统的多余冷凝热制取生活热水，实现系统能量平衡，节约能源。
所述热泵系统中的蒸发器(6)通过管道与溶液调湿系统的除湿器(1)相连，热泵系统中的溶液冷却冷凝器(5)通过管道与溶液调湿系统的再生器(2)相连。
所述溶液调湿系统中，除湿器(1)出口的低温稀溶液和再生器(2)出口的高温浓溶液分别进入溶液热交换器(10)中进行热量交换。
所述溶液热交换器进口的浓溶液和稀溶液管道上分别设置第一溶液阀(11)和第二溶液阀(12)。除湿器(1)的出口设置第四溶液阀(14)，再生器(2)的出口设置第三溶液阀(13)。
所述除湿器(1)和再生器(2)上分别设置除湿风机(15)和再生风机(16)，相应的除湿器(1)上设置空气进口1c和空气出口1d，再生器(2)上设置空气进口2c和空气出口2d。
此系统同时适用于夏季与冬季工况，止回阀17a通过管道与节流阀4b串联，止回阀17a与止回阀17b并联，流通方向相反；止回阀17c通过管道与节流阀4a串联，止回阀17c与止回阀17d并联，流通方向相反。通过四通换向阀(18)的切换，夏季工况下处于流通状态的是止回阀17b、止回阀17c和节流阀4a，冬季工况下处于流通状态的是止回阀17a、止回阀17d和节流阀4b，除湿器(1)在夏季对新风进行降温除湿，在冬季对新风进行加热加湿。
本发明将热泵系统与溶液调湿系统结合起来，溶液循环过程中溶液的除湿和再生过程存在被加热和被冷却的需求，在热泵驱动的溶液调湿系统中，热泵循环中的冷凝热可以用来加热再生溶液；同时热泵循环中的蒸发器侧还可以提供冷量，降低溶液进入除湿器的温度，有助于抑制除湿过程的温升，使溶液保持较强的除湿能力。将溶液调湿方式和热泵循环有效结合起来，可以充分发挥各自的优势，有助于实现空气湿度处理过程的高效运行。此外，由于整个系统存在能量的不平衡，热泵系统可以提供的冷凝热仍然过多，为了将这部分余热充分利用起来，在热泵系统的冷凝器出口端、节流阀进口端之间设置一水冷冷凝器，用这部分余热制取一部分生活热水。可根据设定的溶液冷却温度，调节变频压缩机的频率以达到系统中冷却溶液所需冷量的要求。同时，根据设定的溶液再生温度调节水量调节阀，以调节热泵冷凝热在溶液和冷却水两者间的分配比例，满足系统中溶液再生所需热量的要求，从而最终实现系统所提供冷量和热量之间的能量平衡。以夏季为例，水冷冷凝器上冷却水进口水温为20℃左右，冷却水在水冷冷凝器中和从溶液冷凝器排出的高压制冷剂液体发生热量交换，吸收气化潜热和显热，冷却水出口水温达到35～40℃左右，可满足一般用户的生活热水需求，充分利用了热泵系统的冷凝热，节约了能源。同理，冬季热泵系统经过四通换向阀的转换，同样可以利用系统余热制取一部分生活热水，此时水冷冷凝器中冷却水的进口温度为10℃左右，在水冷冷凝器中和制冷剂产生热量交换后，冷却水出口的水温可以达到30℃左右，同样可以满足一般用户在冬季的生活热水需求，或者降低生活热水的加热能耗。
本发明中进入水冷冷凝器的冷却水为当季常温的自来水，容易摄取且没有温度上的限制，方便操作。
本发明涉及的热泵驱动的溶液调湿系统可以对室内所需新风进行热湿处理，夏季对其降温除湿，冬季实现加热加湿，满足人员在不同季节对室内环境不同的热湿需求。
有益效果：
1.将热泵系统中产生的多余热量充分利用起来制取一部分生活热水，节约了能源，降低了单独制取生活热水产生的能耗。
2.热泵驱动的溶液调湿复合系统比单一的溶液调湿系统能耗更小，当没有温度品位适宜的余热可直接利用时，热泵的冷凝热可满足溶液再生需要，热泵的蒸发侧冷量则用于冷却除湿溶液，可提高除湿能力并抑制除湿过程温升。
3.本发明涉及的热泵驱动的溶液调湿系统可以对室内所需新风进行热湿处理，夏季对其降温除湿，冬季实现加热加湿，满足人员在不同季节对室内环境不同的热湿需求。
4.本发明中进入水冷冷凝器的冷却水为当季常温的自来水，容易摄取且没有温度上的限制，方便操作。
5.可以通过高效利用热泵系统的冷凝热，从而解决热泵和溶液调湿复合系统中存在的能量平衡问题，保证系统的正常运行。
附图说明
图1是本发明提出的实现能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统示意图。
图中有：除湿器1，再生器2，变频压缩机3，节流阀4a，节流阀4b，溶液冷凝器5，蒸发器6，水冷冷凝器7，第一溶液泵8，第二溶液泵9，溶液热交换器10，第一溶液阀11，第二溶液阀12，第三溶液阀13，第四溶液阀14，除湿风机15，再生风机16，止回阀17a，止回阀17b，止回阀17c，止回阀17d，四通换向阀18；除湿器溶液进口1a，除湿器溶液出口1b，除湿器空气进口1c，除湿器空气出口1d，再生器溶液进口2a，再生器溶液出口2b，再生器空气进口2c，再生器空气出口2d，水冷冷凝器冷却水进口7a，水冷冷凝器冷却水出口7b，水量调节阀19。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
参看图1，图中实线表示制冷剂流程，虚线表示溶液流程，点化线表示水流程。整个系统由一个热泵系统(包括冷却水系统)和一个溶液调湿系统组成。
本发明提出的系统包括：热泵系统(包括冷却水系统)和溶液调湿系统。热泵系统包括：变频压缩机(3)、溶液冷却冷凝器(5)、节流阀4a、节流阀4b、蒸发器(6)、止回阀17b、止回阀17c、止回阀17a、止回阀17d、四通换向阀(18)；冷却水系统包括水冷冷凝器(7)，水量调节阀(19)；溶液调湿系统包含：除湿器(1)、再生器(2)、第一溶液泵(8)与第二溶液泵(9)、溶液热交换器(10)、第一溶液阀(11)、第二溶液阀(12)、第三溶液阀(13)和第四溶液阀(14)、除湿风机(15)和再生风机(16)。热泵循环的蒸发器侧提供的冷量用于冷却溶液，以增强其除湿能力并抑制除湿过程温升，冷凝器的排热用于加热再生溶液。同时，由于系统能量不平衡产生的剩余热量用来加热冷却水，提供一部分生活热水。室内空调系统所需的新风被溶液调湿系统处理，在夏季被冷却除湿，冬季被加热加湿。
运行中，根据设定的溶液冷却温度，调节变频压缩机(3)的频率以达到系统中冷却溶液所需冷量的要求。同时，根据设定的溶液再生温度调节水量调节阀(19)，以调节热泵冷凝热在溶液和冷却水两者间的分配比例，满足系统中溶液再生所需热量的要求，从而最终实现系统所提供冷量和热量之间的能量平衡。
如图1所示，夏季工况时：除湿器(1)中被处理空气由除湿器(1)的空气进口1c进入，被除湿后由除湿器(1)的空气出口1d排出；除湿浓溶液经除湿器(1)上溶液进口1a的喷嘴均匀喷淋在填料表面，由于被除湿空气中的水蒸汽分压力与除湿溶液表面的水蒸汽分压力之差产生了除湿过程的推动力，伴随空气中水分被溶液吸收所放出的凝结热会导致溶液温度升高，溶液表面水蒸汽分压力也相应升高，除湿溶液的浓度逐渐降低，稀溶液从除湿器(1)上的溶液出口1b流出；稀溶液通过管道流经第四溶液阀(14)和第二溶液阀(12)后进入溶液热交换器(10)，与从再生器(2)流出的高温浓溶液进行热量交换，温度升高后流经第一溶液泵(8)，进入溶液冷却冷凝器(5)，溶液在此吸收热泵系统中冷凝排热，温度被加热到设定的再生温度后，通过再生器(2)上的空气进口2a进入再生器(2)，溶液将水分释放给由再生器(2)上的空气进口2c进入的再生空气，再生空气从再生器(2)上的空气出口2d排出，此时从再生器(2)上的溶液出口2b流出的溶液得到浓缩；热泵系统中在溶液冷却冷凝器(5)和蒸发器(6)之间分别接入了水冷冷凝器(7)、节流阀4a、节流阀4b、止回阀17a、止回阀17b、止回阀17c和止回阀17d；当系统工作在夏季工况时，止回阀17b和止回阀17c处于流通状态，制冷剂从溶液冷却冷凝器(5)出口依次经过止回阀17b、水冷冷凝器(7)、节流阀4a、止回阀17c，流入蒸发器(6)，在蒸发器(6)中溶液被冷却到设定的除湿器进口温度，使其除湿能力得到增强，并抑制了除湿过程的溶液温升；从水冷冷凝器(7)的冷却水进口7a处流入的冷却水与从溶液冷凝器(5)出口流出的制冷剂进行热量交换，冷却水吸收制冷剂放出的热量后温度升高，从水冷冷凝器(7)的冷却水出口7b流出，这部分生活热水满足了用户的一部分需求，节约了能源。
冬季工况时：通过四通换向阀(18)的切换实现蒸发器(6)和溶液冷却冷凝器(5)功能的相互转换，溶液冷却冷凝器(5)为溶液蒸发器模式，蒸发器(6)为溶液冷却冷凝器模式，水冷冷凝器(7)的功能保持不变；同时，再生器(2)和除湿器(1)的作用也发生互换；除湿器(1)在冬季的功能是对溶液进行再生，再生空气为室外温度较低的新风，从而可对新风实现加湿功能，再生器(2)在冬季的功能变为除湿，吸收室内排风中的水分，使溶液浓度降低，为后续通过热泵系统加热进而对新风进行加湿提供条件；具体如下：室内湿度较高的回风由再生器(2)的空气进口2c进入，浓溶液经再生器(2)上溶液进口2a的喷嘴均匀喷淋在填料表面，室内回风中的水分被浓溶液吸收后由再生器(2)上的空气出口2d排出，再生器(2)上的溶液出口2b排出的稀溶液流经第三溶液阀(13)和第一溶液阀(11)后进入溶液热交换器(10)，与从除湿器(1)流出的高温浓溶液进行热量交换，温度降低后流经第二溶液泵(9)，进入蒸发器(6)(冬季为溶液冷凝器模式)，溶液吸收制冷剂放出的热量，被加热到设定的再生温度，经除湿器(1)上的溶液进口1a进入除湿器(1)(冬季转换为加湿功能)，与经除湿器(1)上的空气进口1c进入的室外新风进行热湿交换，将水分释放给新风，使新风得以加热加湿后由除湿器(1)上的空气出口1d送入室内；除湿器(1)的溶液出口1b流出的浓溶液依次流经第四溶液阀(14)和第二溶液阀(12)后进入溶液热交换器(10)，与从再生器(2)(冬季转换为除湿功能)流出的低温稀溶液进行热量交换，温度降低后流经第一溶液泵(8)，进入溶液冷却冷凝器(5)(冬季转换为溶液蒸发器模式)，溶液在此被制冷剂冷却，温度被降低到设定的除湿温度后经再生器(2)的溶液进口2a再次进入再生器(2)；当系统工作在冬季新风加湿工况下时，止回阀17a和止回阀17d处于流通状态，制冷剂从蒸发器(6)出口依次经过止回阀17d、水冷冷凝器(7)、节流阀4b、止回阀17a，流入溶液冷却冷凝器(5)；从水冷冷凝器(7)的冷却水进口7a处流入的冷却水与从蒸发器(6)出口流出的制冷剂在水冷冷凝器(7)中进行热量交换，冷却水吸收制冷剂放出的热量后温度升高，从水冷冷凝器(7)的冷却水出口7b流出，提供生活热水。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种实现能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统，其特征在于：所述热泵系统包含：变频压缩机(3)、溶液冷却冷凝器(5)、节流阀4a、节流阀4b、蒸发器(6)、止回阀17a、止回阀17b、止回阀17c、止回阀17d、四通换向阀(18)、水冷冷凝器(7)、水量调节阀(19)；所述溶液调湿系统包含：除湿器(1)、再生器(2)、第一溶液泵(8)、第二溶液泵(9)、溶液热交换器(10)、第一溶液阀(11)、第二溶液阀(12)、第三溶液阀(13)和第四溶液阀(14)、除湿风机(15)和再生风机(16)；
热泵系统中在溶液冷却冷凝器(5)与蒸发器(6)之间设置水冷冷凝器(7)，中间通过制冷剂管道及阀门相连，利用热泵系统满足溶液再生后多余的冷凝热制取生活热水，达到系统能量平衡；水冷冷凝器(7)设有冷却水入口7a和冷却水出口7b，冷却水入口7a和水冷冷凝器(7)之间的管路上设置水量调节阀(19)；
此系统同时适用于夏季与冬季工况，止回阀17a通过管道与节流阀4b串联，止回阀17a与止回阀17b并联，流通方向相反；止回阀17c通过管道与节流阀4a串联，止回阀17c与止回阀17d并联，流通方向相反；
所述溶液热交换器(10)进口的溶液管道上分别设置第一溶液阀(11)和第二溶液阀(12)；所述除湿器(1)的出口管路设置第四溶液阀(14)，再生器(2)的出口管路上设置第三溶液阀(13)；所述除湿器(1)和再生器(2)上分别设置除湿风机(15)和再生风机(16)，相应地除湿器(1)上设置空气进口1c和空气出口1d，再生器(2)上设置空气进口2c和空气出口2d；
通过四通换向阀(18)的切换，夏季工况下处于流通状态的是止回阀17b、止回阀17c和节流阀4a，冬季工况下处于流通状态的是止回阀17a、止回阀17d和节流阀4b，除湿器(1)在夏季对新风进行降温除湿，在冬季对新风进行加热加湿；
调节变频压缩机(3)的频率以达到系统中冷却溶液所需冷量的要求；同时，根据设定的溶液再生温度调节水量调节阀(19)，以调节热泵冷凝热在溶液和冷却水两者间的分配比例，满足系统中溶液再生所需热量的要求，从而实现系统所提供冷量和热量之间的能量平衡；
夏季工况时：除湿器(1)中被处理空气由除湿器(1)的空气进口1c进入，被除湿后由除湿器(1)的空气出口1d排出；除湿浓溶液经除湿器(1)上溶液进口1a的喷嘴均匀喷淋在填料表面，由于被除湿空气中的水蒸汽分压力与除湿溶液表面的水蒸汽分压力之差产生了除湿过程的推动力，伴随空气中水分被溶液吸收所放出的凝结热会导致溶液温度升高，溶液表面水蒸汽分压力也相应升高，除湿溶液的浓度逐渐降低，稀溶液从除湿器(1)上的溶液出口1b流出；稀溶液通过管道流经第四溶液阀(14)和第二溶液阀(12)后进入溶液热交换器(10)，与从再生器(2)流出的高温浓溶液进行热量交换，温度升高后流经第一溶液泵(8)，进入溶液冷却冷凝器(5)，溶液在此吸收热泵系统中冷凝排热，温度被加热到设定的再生温度后，通过再生器(2)上的空气进口2a进入再生器(2)，溶液将水分释放给由再生器(2)上的空气进口2c进入的再生空气，再生空气从再生器(2)上的空气出口2d排出，此时从再生器(2)上的溶液出口2b流出的溶液得到浓缩；热泵系统中在溶液冷却冷凝器(5)和蒸发器(6)之间分别接入了水冷冷凝器(7)、节流阀4a、节流阀4b、止回阀17a、止回阀17b、止回阀17c和止回阀17d；当系统工作在夏季工况时，止回阀17b和止回阀17c处于流通状态，制冷剂从溶液冷却冷凝器(5)出口依次经过止回阀17b、水冷冷凝器(7)、节流阀4a、止回阀17c，流入蒸发器(6)，在蒸发器(6)中溶液被冷却到设定的除湿器进口温度，使其除湿能力得到增强，并抑制了除湿过程的溶液温升；从水冷冷凝器(7)的冷却水进口7a处流入的冷却水与从溶液冷凝器(5)出口流出的制冷剂进行热量交换，冷却水吸收制冷剂放出的热量后温度升高，从水冷冷凝器(7)的冷却水出口7b流出，这部分生活热水满足了用户的一部分需求；
冬季工况时：通过四通换向阀(18)的切换实现蒸发器(6)和溶液冷却冷凝器(5)功能的相互转换，溶液冷却冷凝器(5)为溶液蒸发器模式，蒸发器(6)为溶液冷却冷凝器模式，水冷冷凝器(7)的功能保持不变；同时，再生器(2)和除湿器(1)的作用也发生互换；除湿器(1)在冬季的功能是对溶液进行再生，再生空气为室外温度较低的新风，从而可对新风实现加湿功能，再生器(2)在冬季的功能变为除湿，吸收室内排风中的水分，使溶液浓度降低，为后续通过热泵系统加热进而对新风进行加湿提供条件；具体如下：室内湿度较高的回风由再生器(2)的空气进口2c进入，浓溶液经再生器(2)上溶液进口2a的喷嘴均匀喷淋在填料表面，室内回风中的水分被浓溶液吸收后由再生器(2)上的空气出口2d排出，再生器(2)上的溶液出口2b排出的稀溶液流经第三溶液阀(13)和第一溶液阀(11)后进入溶液热交换器(10)，与从除湿器(1)流出的高温浓溶液进行热量交换，温度降低后流经第二溶液泵(9)，进入蒸发器(6)，溶液吸收制冷剂放出的热量，被加热到设定的再生温度，经除湿器(1)上的溶液进口1a进入除湿器(1)，与经除湿器(1)上的空气进口1c进入的室外新风进行热湿交换，将水分释放给新风，使新风得以加热加湿后由除湿器(1)上的空气出口1d送入室内；除湿器(1)的溶液出口1b流出的浓溶液依次流经第四溶液阀(14)和第二溶液阀(12)后进入溶液热交换器(10)，与从再生器(2)流出的低温稀溶液进行热量交换，温度降低后流经第一溶液泵(8)，进入溶液冷却冷凝器(5)，溶液在此被制冷剂冷却，温度被降低到设定的除湿温度后经再生器(2)的溶液进口2a再次进入再生器(2)；当系统工作在冬季新风加湿工况下时，止回阀17a和止回阀17d处于流通状态，制冷剂从蒸发器(6)出口依次经过止回阀17d、水冷冷凝器(7)、节流阀4b、止回阀17a，流入溶液冷却冷凝器(5)；从水冷冷凝器(7)的冷却水进口7a处流入的冷却水与从蒸发器(6)出口流出的制冷剂在水冷冷凝器(7)中进行热量交换，冷却水吸收制冷剂放出的热量后温度升高，从水冷冷凝器(7)的冷却水出口7b流出，提供生活热水。
2.根据权利要求1所述的实现能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统，其特征在于：水冷冷凝器(7)中的冷却水来源为当地自来水管网中的常温自来水。
3.根据权利要求1所述的实现能量平衡的热泵驱动溶液调湿及生活热水制取系统，其特征在于：热泵系统中的蒸发器(6)通过管道与溶液调湿系统的除湿器(1)相连，热泵系统中的溶液冷却冷凝器(5)通过管道与溶液调湿系统的再生器(2)相连。
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