CN106091077A - 一种冰源热泵供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰源热泵供能系统，包括冰水混合物制备装置及冷凝器；冰水混合物制备装置与所述冷凝器通过热量输送装置连接，使所述冰水混合物制备装置得到的相变潜热热量传输给冷凝器。本发明中的冰源热泵，可以利用江河湖海等地表水、地下水、城市中水、污水以及建筑内蓄存水的相变潜热作为热泵的低温热源为用户提供生活热水、采暖用热源以及供冷用冷源。解决了冬天地表水温度过低易造成常规热泵机组蒸发器结冰而无法使用的问题。不但可以大大减少冬季热泵供热所需的低温热源水量，保护了环境，而且实现了冬季利用室外近冰点低温水源进行生活热水供应以及冬季采暖，节约了能源。

Description

一种冰源热泵供能系统

技术领域

本发明涉及热泵系统技术领域，尤其是一种利用接近冰点水体相变潜热的一种冰源热泵供能系统。

背景技术

我国为了节能减排，近几年建造了大量的利用地下水的水源热泵，取得了一定的节能减排效果。而利用地下水的水源热泵，随着各地对地下水的监管越来越严和地下水资源的限制，推广起来有一定的困难。为解决上述问题，本领域的技术人员研发了用于地表水的水源热泵，但地表水水源热泵容易受到地表水水源温度的影响，过低的地表水温会导致水源热泵的蒸发器结冰，水源热泵难以工作。如中国北部沿海地带，由于冬季海水水温过低，使得海水水源热泵应用存在技术困难。对于长江沿线，由于长江水水体较大，冬季水温不是很低，作为地表水水源热泵的低温热源尚可，但是在此流域对于一些体量较小、流动性不佳的湖水、河水等温度则比较低，使得利用这些地表水作为水源热泵的低温热源比较困难，项目不能实施。再比如黄河流域及以北，在冬季地表水许多水系是冻结的，不光流动河水冻结，其他静止的湖水、水库也极容易冻结，因此在此区域内很少使用地表水水源热泵。但是这些区域的许多水体不是全部冻结，而是表面冻结，冰盖下面是不冻结的。

科学研究表明，0度水变成0度冰放出的相变潜热的热量为80kcal/kg，而一般进出水源热泵蒸发器的水温差为△t＝5℃(热量为5kcal/kg)，故同样水量，低温的水相较于正常温度的水，可以多提供15倍的热量。现有的水源热泵不能使用低温水，也就不能合理利用低温水在结冰过程中释放的相变潜热，导致低温水资源的利用率低，浪费资源。

发明内容

为解决现有技术中，水源热泵存在的低温水资源利用率低的技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明中的一种冰源热泵供能系统，包括冷凝器、冰水混合物制备装置；所述冰水混合物制备装置与所述冷凝器通过热量输送装置连接，使所述冰水混合物制备装置得到的相变潜热热量传输给冷凝器。

在一种优选的实施方式中，还包括水源泵；所述水源泵的出水口与所述冰水混合物制备装置的进水管连接，所述冰水混合物制备装置的出水管的排出口通入水源地。

在一种优选的实施方式中，还包括供热泵，所述供热泵出水口与所述冷凝器进水管连接，所述冷凝器出水管与冷热末端进水口管连接，所述冷热末端出水管与所述供热泵进水口连接，使冷热末端输出的温度较低的水泵入冷凝器进行循环利用。

在一种优选的实施方式中，还包括沉淀悬浮分离装置，所述沉淀悬浮分离装置的出水管与所述水源泵的进水口连接，所述沉淀悬浮分离装置的进水管与水源地接通。

在一种优选的实施方式中，还包括蒸发器及中介水泵；所述蒸发器通过热量输送装置与所述冷凝器连接，所述蒸发器的出水管与所述冰水混合物制备装置的进水管连接，所述冰水混合物制备装置的出水管与所述蒸发器的进水管连接，所述冰水混合物制备装置的出水管与所述蒸发器的进水管连接管路上设置所述中介水泵，所述冰水混合物制备装置内含有冷冻液，使从冰水混合物制备装置出来的温度升高的冷冻液泵入蒸发器。

在一种优选的实施方式中，还包括冰水分离装置；所述冰水分离装置的进水管与所述冰水混合物制备装置的出水管连接，所述冰水分离装置的出水管与所述水源泵的进水口连接，所述冰水分离装置的出水管还与水源地接通。

在一种优选的实施方式中，还包括跨季节储能槽，所述跨季节储能槽的进水管与所述冰水混合物制备装置的出水管连接，使冰水混合物制备装置制备得到的冰水混合物存储于所述跨季节储能槽中。

在一种优选的实施方式中，还包括供冷换热器，所述供冷换热器进水管与所述跨季节储能槽的出水管连接，供冷换热器进水管与所述跨季节储能槽的出水管连接的管路上设置放冷泵，所述供冷换热器的出水管与所述冷热末端的进水管连接，所述冷热末端的出水管与所述供冷换热器进水管连接，所述冷热末端的出水管与所述供冷换热器进水管连接管路上设置循环泵，所述循环泵将所述冷热末端升温的水泵入所述供冷换热器。

在一种优选的实施方式中，还包括冷却塔；所述冷却塔的输入端与所述冷凝器的出水管连接，所述冷却塔的输出端与所述冷凝器的进水管连接，且连接管路上设置供热泵。

本发明中的一种冰源热泵供能系统，与现有技术相比，其有益效果为：

首先，冰源热泵中包括冰水混合物制备装置，通过水源泵将低温水源水泵送至冰水混合物制备装置中按可控部分比例结冰，冰水混合制冰技术可以保证低温水源水只是部分冻结且不会堵塞热泵机组通道及管道，因此可以用于低温地表水中。然后提取低温水结冰的相变潜热为蒸发器或者冷凝器提供低温热源，该相变潜热的热量很大，可以合理利用资源、节约能源。

其次，包括沉淀悬浮分离装置及冰水分离装置，沉淀悬浮装置可以将水源的水进行过滤，防止水中的杂物影响冰水混合物制备装置的运行。冰水分离装置将冰水混合物制备装置所得的冰水混合物中的冰和水分离，并可以将所得冰存储于跨季节储能槽之中，冰水混合物中的水回到冰水混合物制备装置，进行循环利用。

再次，跨季节储能槽中所存储的冰，可以在夏季时使用，通过供冷换热器将冷冻水传输给冷热末端进行供冷，提高能源综合利用效率。

本发明中的一种冰源热泵供能系统，可以利用江河湖海等地表水、地下水、城市中水、污水以及建筑内蓄存水的相变潜热作为热泵的低温热源为用户提供生活热水、采暖用热源以及供冷用冷源。不但解决了冬天地表水温度过低易造成常规热泵机组蒸发器结冰而无法使用的问题，同时可以大大减少冬季热泵供热所需的低温热源水量，保护了环境。且将冬季制热时产生的冰进行跨季节蓄存，供建筑夏季空调供冷，达到在制热的时候进行冷回收，提高了系统综合能效，节约能源。

附图说明

图1是直排低浓度冰地表水直接冰源热泵供能系统示意图；

图2是直排低浓度冰地表水间接冰源热泵供能系统示意图；

图3是直排高浓度冰地表水间接冰源热泵供能系统示意图；

图4是机械外运纯冰地表水间接冰源热泵供能系统示意图；

图5是跨季节储能槽冰源热泵供能系统示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

系统设备包括：沉淀悬浮分离装置1、水源泵2、冰水混合物制备装置3、冷凝器4、供热泵5、冷热末端6、水源地7、蒸发器8、中介水泵9、冰水分离设备10、清洁水源11、跨季储能槽12、放冷泵13、供冷换热器14、循环泵15、冷却塔16。

1、实施方式1：

参见图1直排低浓度冰地表水直接冰源热泵供能系统示意图。

一种直排低浓度冰地表水直接冰源热泵供能系统，由沉淀悬浮分离装置1、水源泵2、冰水混合物制备装置3、冷凝器4、供热泵5、冷热末端6组成。

其中，流体介质类型及流体流动方向见图1所示。

一种冰源热泵供能系统，包括沉淀悬浮分离装置1，沉淀悬浮分离装置1的进水管与水源地7接通，沉淀悬浮分离装置1的出水管与水源泵2的进水口连接。水源泵2的出水口与冰水混合物制备装置3的进水管连接，冰水混合物制备装置3的出水管的排出口通入水源地7。使得经由沉淀悬浮分离装置1及冰水混合物制备装置3的水进行循环。冰水混合物制备装置3中的水变成冰释放的相变潜热热量通过热量输送装置传输给冷凝器4，冷凝器4进水管与供热泵5出水口连接，冷凝器4出水管与冷热末端6进水口管连接，冷热末端6出水管与供热泵5进水口连接，使冷热末端6进行供热后，输出的温度较低的水泵入冷凝器4进行循环利用，不断进行加热、供热的循环利用。

使用时，从水源地7抽取的水经过沉淀悬浮分离装置1简单处理后，进入水源泵2，然后进入冰水混合物制备装置3后部分冻结，最后经管道排放至所取水的水源地7。冰水混合物制备装置3所得相变潜热热量传输给冷凝器4、冷凝器4接收到热量，冷凝器中的水温度升高，从冷凝器4出来的高温水供给冷热末端6，冷热末端6对外界环境加热后，水温降低，温度降低后的供热回水进入供热泵5，然后供给冷凝器4，进行水的重复利用，水量得以循环。

2、实施方式2：

参见图2直排低浓度冰地表水间接冰源热泵供能系统示意图。

一种直排低浓度冰地表水间接冰源热泵供能系统，由沉淀悬浮分离装置1、水源泵2、冰水混合物制备装置3、冷凝器4、供热泵5、冷热末端6、蒸发器8、中介水泵9组成。

其中，流体介质类型及流体流动方向见图2所示。

其中，水源地中的水可以是井水、海水、江河湖水、污水、中水等一切可利用之水体。

一种冰源热泵供能系统，包括沉淀悬浮分离装置1，沉淀悬浮分离装置1的进水管与水源地7接通，沉淀悬浮分离装置1的出水管与水源泵2的进水口连接，水源泵2的出水口与冰水混合物制备装置3的进水管连接，冰水混合物制备装置3的出水管的排出口通入水源地7。使得经由沉淀悬浮分离装置1及冰水混合物制备装置3的水进行循环。冰水混合物制备装置3的出水管还与蒸发器8的进水管连接，冰水混合物制备装置3的进水管还与蒸发器8的出水管连接，在冰水混合物制备装置3的出水管与蒸发器8的进水管连接管路上设置中介水泵9，冰水混合物制备装置3内含有冷冻液，使从冰水混合物制备装置3出来的温度升高的冷冻液泵入蒸发器8。冰水混合物制备装置3中的水变成冰释放的相变潜热热量传给冷冻液，冷冻液的温度升高，通过中介水泵9泵入至蒸发器8，蒸发器8温度升高，并经热量输送装置传输给冷凝器4，冷凝器4进水管与供热泵5出水口连接，冷凝器4出水管与冷热末端6进水口管连接，冷热末端6出水管与供热泵5进水口连接，使冷热末端6进行供热后，输出的温度较低的水泵入冷凝器4进行循环利用，不断进行加热、供热的循环利用。

使用时，从水源地7抽取的水经过沉淀悬浮分离装置1简单处理后进入水源泵2，然后进入冰水混合物制备装置3后部分冻结，最后管道排放至于所取水源地7处。冰水混合物制备装置3所得相变潜热热量传输给冷冻液，冷冻液输送至蒸发器8中，蒸发器8将热量传输给冷凝器4，则蒸发器8内的冷冻液温度降低，温度降低的防冻液进入冰水混合物制备装置3后升温，由中介水泵9供给蒸发器8循环放热。冷凝器4接收到热量，冷凝器中的水温度升高，从冷凝器4出来的高温水供给冷热末端6，冷热末端6对外界环境加热后，水温降低，温度降低后的供热回水进入供热泵5，然后供给冷凝器4，进行水的重复利用，水量得以循环。

3、实施方式3：

参见图3直排高浓度冰地表水间接冰源热泵供能系统示意图。

一种直排高浓度冰地表水间接冰源热泵供能系统，由沉淀悬浮分离装置1、水源泵2、冰水混合物制备装置3、冷凝器4、供热泵5、冷热末端6、蒸发器8、中介水泵9、冰水分离装置10组成。

其中，流体介质类型及流体流动方向见图3所示。

一种冰源热泵供能系统，包括沉淀悬浮分离装置1，沉淀悬浮分离装置1的进水管与水源地7接通，沉淀悬浮分离装置1的出水管与水源泵2的进水口连接，水源泵2的出水口与冰水混合物制备装置3的进水管连接，冰水混合物制备装置3的出水管与冰水分离装置10的进水管连接，冰水分离装置10的出水管分为两个，其中一个出水管与水源泵2的进水口连接，另一个出水管通向水源地7。冰水混合物制备装置3的出水管还与蒸发器8的进水管连接，冰水混合物制备装置3的进水管还与蒸发器8的出水管连接，在冰水混合物制备装置3的出水管与蒸发器8的进水管连接管路上设置中介水泵9，冰水混合物制备装置3内含有冷冻液，使从冰水混合物制备装置3出来的温度升高的冷冻液泵入蒸发器8。冰水混合物制备装置3中的水变成冰释放的相变潜热热量传给冷冻液，冷冻液的温度升高，通过中介水泵9泵入至蒸发器8，蒸发器8温度升高，并经热量输送装置传输给冷凝器4，冷凝器4进水管与供热泵5出水口连接，冷凝器4出水管与冷热末端6进水口管连接，冷热末端6出水管与供热泵5进水口连接，使冷热末端6进行供热后，输出的温度较低的水泵入冷凝器4进行循环利用，不断进行加热、供热的循环利用。

使用时，从水源地7抽取的水经过沉淀悬浮分离装置1简单处理后进入水源泵2，然后进入冰水混合物制备装置3后部分冻结，然后一部分冰水混合物进入冰水分离装置10，分离出的冰存储起来，以备后续使用；分离出来的高浓度冰水混合物一部分直接排放于所取水源地、另一部分传输至水源泵2进行循环利用。冰水混合物制备装置3所得相变潜热热量传输给冷冻液，冷冻液输送至蒸发器8中，蒸发器8将热量传输给冷凝器4，则蒸发器8内的冷冻液温度降低，温度降低的防冻液进入冰水混合物制备装置3后升温，由中介水泵9供给蒸发器8循环放热。冷凝器4接收到热量，冷凝器中的水温度升高，从冷凝器4出来的高温水供给冷热末端6，冷热末端6对外界环境加热后，水温降低，温度降低后的供热回水进入供热泵5，然后供给冷凝器4，进行水的重复利用，水量得以循环。

4、实施方式4：

参见图4机械外运纯冰地表水间接冰源热泵供能系统示意图。

一种机械外运纯冰地表水间接冰源热泵供能系统，由水源泵2、冰水混合物制备装置3、冷凝器4、供热泵5、冷热末端6、蒸发器8、中介水泵9、冰水分离装置10组成。

其中，流体介质类型及流体流动方向见图4所示。

一种冰源热泵供能系统，包括沉淀悬浮分离装置1，沉淀悬浮分离装置1的进水管与清洁水源11接通，沉淀悬浮分离装置1的出水管与水源泵2的进水口连接，水源泵2的出水口与冰水混合物制备装置3的进水管连接，冰水混合物制备装置3的出水管与冰水分离装置10的进水管连接，冰水分离装置10的出水管分为两个，其中一个出水管与水源泵2的进水口连接，另一个出水管排出的水输送至机器设备中，运输到需要使用低温水或者冰块的地方。冰水混合物制备装置3的出水管还与蒸发器8的进水管连接，冰水混合物制备装置3的进水管还与蒸发器8的出水管连接，在冰水混合物制备装置3的出水管与蒸发器8的进水管连接管路上设置中介水泵9，冰水混合物制备装置3内含有冷冻液，使从冰水混合物制备装置3出来的温度升高的冷冻液泵入蒸发器8。冰水混合物制备装置3中的水变成冰释放的相变潜热热量传给冷冻液，冷冻液的温度升高，通过中介水泵9泵入至蒸发器8，蒸发器8温度升高，并经热量输送装置传输给冷凝器4，冷凝器4进水管与供热泵5出水口连接，冷凝器4出水管与冷热末端6进水口管连接，冷热末端6出水管与供热泵5进水口连接，使冷热末端6进行供热后，输出的温度较低的水泵入冷凝器4进行循环利用，不断进行加热、供热的循环利用。

使用时，从水源地7供给的水进入水源泵2，然后进入冰水混合物制备装置3后部分冻结，然后进入冰水分离设备10，由此分离出来的纯冰由汽车或其他方式外运，分离出来的纯水供系统回用。冰水混合物制备装置3所得相变潜热热量传输给冷冻液，冷冻液输送至蒸发器8中，蒸发器8将热量传输给冷凝器4，则蒸发器8内的冷冻液温度降低，温度降低的防冻液进入冰水混合物制备装置3后升温，由中介水泵9供给蒸发器8循环放热。冷凝器4接收到热量，冷凝器中的水温度升高，从冷凝器4出来的高温水供给冷热末端6，冷热末端6对外界环境加热后，水温降低，温度降低后的供热回水进入供热泵5，然后供给冷凝器4，进行水的重复利用，水量得以循环。

5、实施方式5：

参见图5跨季节蓄能冰源热泵供能系统示意图。

一种跨季节蓄能冰源热泵供能系统，由沉淀悬浮分离装置1、水源泵2、冰水混合物制备装置3、冷凝器4、供热泵5、冷热末端6、蒸发器8、中介水泵9、冰水分离装置10、跨季节储能槽12、放冷泵13、供冷换热器14、循环泵15、冷却塔16组成。

其中，流体介质类型及流体流动方向见图5所示。

一种冰源热泵供能系统，包括水源泵2的进水口与跨季节储能槽12连接，水源泵2的出水口与冰水混合物制备装置3的进水管连接，冰水混合物制备装置3的出水管与跨季节储能槽12的进水管连接，冰水混合物制备装置3的出水管还与蒸发器8的进水管连接。冰水混合物制备装置3的进水管还与蒸发器8的出水管连接，在冰水混合物制备装置3的出水管与蒸发器8的进水管连接管路上设置中介水泵9。冰水混合物制备装置3内含有冷冻液，使从冰水混合物制备装置3出来的温度升高的冷冻液泵入蒸发器8。冰水混合物制备装置3中的水变成冰释放的相变潜热热量传给冷冻液，冷冻液的温度升高，通过中介水泵9泵入至蒸发器8。蒸发器8温度升高，并经热量输送装置传输给冷凝器4，冷凝器4进水管与供热泵5出水口连接，冷凝器4出水管与冷热末端6进水口管连接，冷热末端6出水管与供热泵5进水口连接，使冷热末端6进行供热后，输出的温度较低的水泵入冷凝器4进行循环利用，不断进行加热、供热的循环利用。

供冷换热器14进水管与跨季节储能槽12的出水管连接，供冷换热器14进水管与跨季节储能槽12的出水管连接的管路上设置放冷泵13，供冷换热器14的出水管与冷热末端6的进水管连接，冷热末端6的出水管与供冷换热器14进水管连接，冷热末端6的出水管与供冷换热器14进水管连接管路上设置循环泵15，所述循环泵15将冷热末端升温的水泵入所述供冷换热器。其中跨季节储能槽12中冰水混合物可以从冷凝器4中获得。

其中冬季时，从跨季储能槽12供给的水进入水源泵2，然后进入冰水混合物制备装置3后部分冻结，然后进入跨季储能槽12，冰水混合物在跨季储能槽12内进行冰水自然分离，冰上浮水下沉。冰水混合物制备装置3所得相变潜热热量传输给冷冻液，冷冻液输送至蒸发器8中，蒸发器8将热量传输给冷凝器4，则蒸发器8内的冷冻液温度降低，温度降低的防冻液进入冰水混合物制备装置3后升温，由中介水泵9供给蒸发器8循环放热。冷凝器4接收到热量，冷凝器中的水温度升高，从冷凝器4出来的高温水供给冷热末端6，冷热末端6对外界环境加热后，水温降低，温度降低后的供热回水进入供热泵5，然后供给冷凝器4，进行水的重复利用，水量得以循环。

其中夏季时，由放冷泵13抽取跨季储能槽12内下部的水供给供冷换热器14，升温后的回水至跨季储能槽12内。由冷热末端6回来的高温水通过循环泵15送入到供冷换热器14，温度降低后供给冷热末端6。系统也可以实现由水源泵2、冰水混合物制备装置3、蒸发器8、中介水泵9、供热泵5、冷凝器4、冷却塔/16运行供冷。

以上所述的实施方式仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种冰源热泵供能系统，包括冷凝器；其特征在于：还包括冰水混合物制备装置；所述冰水混合物制备装置与所述冷凝器通过热量输送装置连接，使所述冰水混合物制备装置得到的相变潜热热量传输给冷凝器。

2.根据权利要求1所述的一种冰源热泵供能系统，其特征在于：还包括水源泵；所述水源泵的出水口与所述冰水混合物制备装置的进水管连接，所述冰水混合物制备装置的出水管的排出口通入水源地。

3.根据权利要求2所述的一种冰源热泵供能系统，其特征在于：还包括供热泵，所述供热泵出水口与所述冷凝器进水管连接，所述冷凝器出水管与冷热末端进水口管连接，所述冷热末端出水管与所述供热泵进水口连接，使冷热末端输出的温度较低的水泵入冷凝器进行循环利用。

4.根据权利要求3所述的一种冰源热泵供能系统，其特征在于：还包括沉淀悬浮分离装置，所述沉淀悬浮分离装置的出水管与所述水源泵的进水口连接，所述沉淀悬浮分离装置的进水管与水源地接通。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种冰源热泵供能系统，其特征在于：还包括蒸发器及中介水泵；所述蒸发器通过热量输送装置与所述冷凝器连接，所述蒸发器的出水管与所述冰水混合物制备装置的进水管连接，所述冰水混合物制备装置的出水管与所述蒸发器的进水管连接，所述冰水混合物制备装置的出水管与所述蒸发器的进水管连接管路上设置所述中介水泵，所述冰水混合物制备装置内含有冷冻液，使从冰水混合物制备装置出来的温度升高的冷冻液泵入蒸发器。

6.根据权利要求5所述的一种冰源热泵供能系统，其特征在于：还包括冰水分离装置；所述冰水分离装置的进水管与所述冰水混合物制备装置的出水管连接，所述冰水分离装置的出水管与所述水源泵的进水口连接，所述冰水分离装置的出水管还与水源地接通。

7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的一种冰源热泵供能系统，其特征在于：还包括跨季节储能槽，所述跨季节储能槽的进水管与所述冰水混合物制备装置的出水管连接，使冰水混合物制备装置制备得到的冰水混合物存储于所述跨季节储能槽中。

8.根据权利要求7所述的一种冰源热泵供能系统，其特征在于：还包括供冷换热器，所述供冷换热器进水管与所述跨季节储能槽的出水管连接，供冷换热器进水管与所述跨季节储能槽的出水管连接的管路上设置放冷泵，所述供冷换热器的出水管与所述冷热末端的进水管连接，所述冷热末端的出水管与所述供冷换热器进水管连接，所述冷热末端的出水管与所述供冷换热器进水管连接管路上设置循环泵，所述循环泵将所述冷热末端升温的水泵入所述供冷换热器。

9.根据权利要求8所述的一种冰源热泵供能系统，其特征在于：还包括冷却塔；所述冷却塔的输入端与所述冷凝器的出水管连接，所述冷却塔的输出端与所述冷凝器的进水管连接，且连接管路上设置供热泵。