CN106152612B - 一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统 - Google Patents

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Abstract

一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统。本发明属于能源技术领域。本发明的目的是提供一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统，提取水的凝固潜热，大幅度减少系统用水量，解决水量不足的问题。本发明系统由热泵机组、凝固热换热器、供冷换热器、旋流除砂器、调砂阀、引射器、水箱、冷却塔、多台水泵、控制阀组成，通过管路连接。该系统可实现水的连续结冰、除冰和再结冰的不间断循环，通过阀门的开启和关闭实现夏季蓄冰制冷和冬季提取凝固热供暖之间的切换，解决了提取冷水凝固热供暖、利用冷却塔融冰以及蓄冰制冷问题。本发明适用于提取冷水凝固热供热和冰蓄冷空调系统。

Description

一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统
技术领域
本发明涉及一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统，属于能源技术领域。
背景技术
采用热泵技术，开发低品位的、可再生的清洁能源用于建筑物的制冷供暖，是节能减排的有效途径之一，具有巨大的节能、环保以及经济价值。但是在实际工程应用中，存在水量较少、水温偏低的情况，若仍按常规水源热泵方式，即提取水中显热用以建筑物的制冷供暖将不具有可行性。水在凝固结冰时，会释放出大量的凝固潜热，合理的开发利用这部分能量，不仅可以解决水资源紧张问题，还会大大提高系统的能源利用率。此外，合理的布置连接管路，可以使系统功能多样化，可以实现夏季蓄冰供冷，冬季提取水的凝固热供暖以及冷却塔融冰等功能，冬夏两用，具有可观的经济性和实用性。
但是在利用提取水中凝固热的热泵系统时，其关键难题是不断结冰和及时有效的除冰问题；此外冬夏两季工况的切换，必须要注意管路的连接控制问题。
专利号为“ZL201510759321.4”，名称为“一种冰蓄冷空调及冰蓄冷方法”，公开号为“CN105588241A”，其除冰方法是依靠冰在部分融化时在浮力作用下离开换热面，虽然其理论上是可行的，但实际运行中由于冰不能及时离开换热面而不可靠。
专利号为“ZL201220003030.4”，名称为“一种冰蓄冷蓄热空调”，授权公开号“CN202747500U”，此专利仅仅是夏季蓄冰，存在效率低的缺点，且冬季尚不能实现提取水的凝固热用以供暖。此外，此系统中未提及如何除冰，冰层的积附不仅会削弱换热效率，严重的会导致堵塞，系统无法正常运行。
发明人申请的专利，申请号为“201610312053.6”，名称是“一种提取凝固潜热的热泵系统”。该专利仅是提取水的凝固热供暖系统，与本系统相比缺少夏季蓄冰供冷功能，不能冬夏两用。本系统冬季时可以提取冷水的凝固热供暖，夏季可利用蓄冰制冷，一机多用。
本发明通过采用固液流化床和旋流除砂工艺进行在线制冰和除冰，保证系统实现水的连续结冰、除冰和再结冰的不间断循环，而且系统结构设置灵活，可依据实际情况进行局部调整，实现多种功能，满足不同工况的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统，采用了固液流化床和旋流除砂工艺，实现了水的连续结冰、除冰和再结冰的不间断循环，解决了由于水资源匮乏无法实现水源热泵供暖制冷问题。同时，还可以实现冬夏季工况的灵活切换，达到一机多用的目的。
本发明为解决以上技术问题，所采取的技术方案是：
本发明提出的一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统，它由热泵机组、凝固热换热器、供冷换热器、引射器、调砂阀、旋流除砂器、水箱、冷却塔、中介水泵、水箱水泵、末端循环泵、冷却塔循环泵、中介水供水主管、中介水回水主管、引射器出水管、旋流除砂器进水管、旋流除砂器出水管、水箱出水管、制冷供水管、制冷回水管、末端供水支管、末端回水支管、末端供水主管、末端回水主管、中介水供水支管、中介水回水支管、冷却塔供水管、冷却塔回水管以及多个阀门组成，所述的热泵机组与凝固热换热器通过中介水供水主管和中介水回水主管形成密闭循环；所述的中介水泵设置在中介水回水主管上；所述的中介水供水主管上设置有阀门一；所述的中介水回水主管上设置有阀门二，且位于中介水泵与热泵机组之间；所述的引射器与凝固热换热器通过引射器出水管相连通；所述的凝固热换热器与旋流除砂器通过旋流除砂器进水管相连通；所述的引射器出水管上设置有阀门三；所述的旋流除砂器进水管上设置有阀门四；所述的旋流除砂器与引射器相连通，两者之间设有调砂阀；所述的旋流除砂器与水箱通过旋流除砂器出水管相连通；所述的水箱与引射器通过水箱出水管相连通；所述的水箱水泵设置在水箱出水管上；所述的水箱出水管上设置有阀门五，且位于水箱水泵与引射器之间；所述的制冷供水管一端与供冷换热器相连通，另一端与水箱出水管相连通，且位于水箱水泵与阀门五之间；所述的水箱与供冷换热器通过制冷回水管相连通；所述的制冷供水管上设置有阀门六；所述的制冷回水管上设置有阀门七；所述的末端供水主管与中介水供水主管相连通，且连通点位于阀门一与热泵机组之间；所述的末端回水主管与中介水回水主管相连通，且连通点位于阀门二与热泵机组之间；所述的末端循环泵设置在末端回水主管上；所述的末端回水主管上设置有阀门十一，且位于末端回水主管与中介水回水主管的连接点和末端循环泵之间；所述的末端供水支管的一端与供冷换热器相连通，另一端与末端供水主管相连通；所述的末端供水主管上设置有阀门十，且位于中介水供水主管与末端供水主管的连接点和末端供水主管与末端供水支管的连接点之间；所述的末端回水支管的一端与供冷换热器相连通，另一端与末端回水主管相连通，且位于阀门十一与末端循环泵之间；所述的末端供水支管上设置有阀门八；所述的末端回水支管上设置有阀门九；所述的中介水供水支管的一端与热泵机组相连通，另一端与中介水供水主管相连通，且位于阀门一与凝固热换热器之间；所述的中介水回水支管的一端与热泵机组相连通，另一端与中介水回水主管相连通，且位于中介水泵与阀门二之间；所述的中介水供水支管上设置有阀门十二；所述的中介水回水支管上设置有阀门十三；所述的冷却塔供水管的一端与冷却塔相连通，另一端与中介水供水支管相连通，且位于热泵机组与阀门十二之间；所述的冷却塔回水管的一端与冷却塔相连通，另一端与中介水回水支管相连通，且位于热泵机组与阀门十三之间；所述的冷却塔循环泵设置在冷却塔回水管上；所述的冷却塔供水管上设置有阀门十四；所述的冷却塔回水管上设置有阀门十五。
所述一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统，它还包括融冰供水管、融冰回水管、融冰循环泵，所述的水箱与冷却塔之间通过融冰供水管相连通；所述的冷却塔与水箱之间通过融冰回水管相连通；所述的融冰循环泵设置在融冰供水管上；所述的融冰供水管上设置有阀门十六。
本发明的运行原理为：
在水箱水泵作用下，水箱中的水进入引射器，与引射器引射出的砂混合后进入凝固热换热器，部分水在凝固热换热器中凝结释放出潜热后变成冰，冰水混合物和砂返回旋流除砂器，旋流除砂器将冰水混合物和砂分离，分离后的砂进入引射器并被再次引射，同时冰水混合物进入水箱。冬季，中介换热介质在凝固热换热器中吸取水的凝固潜热后进入热泵机组，机组通过制冷剂循环将热量释放给末端水，被加热的末端水送至用户用以供暖。夏季，中介换热介质在凝固热换热器中吸取水的凝固潜热后进入热泵机组，机组通过制冷剂循环将热量释放给来自冷却塔的冷却水，吸热升温后的冷却水进入冷却塔被再次冷却。水箱中0℃的水进入制冷换热器与末端水换热升温后返回水箱，被冷却的末端水送至用户用以末端制冷。
本发明相对于现有技术具有如下特点及其有益效果：
1.公开号为CN202747500U的专利仅可以在夏季蓄冰，申请号为201610312053.6的专利仅能实现冬季提取凝固热供暖。本发明不仅可用于冬季提取冷水中的凝固热用以供暖，还可用于夏季提取凝固热蓄冰，利用蓄冰来制冷，此外，本系统还可以充分利用空气源中的低品位能源，当室外温度大于0℃时，启动冷却塔融冰，补充供水量。
2.与公开号为CN105588241A的专利依靠浮力除冰以及现有的机械除冰工艺相比，本发明采用固液流化床和旋流除砂工艺进行在线结冰和除冰，效率可显著提高20％以上。
3.本发明依靠固体颗粒随水流频繁碰撞换热壁面，使得依附在换热壁面的冰层破坏、剥离，保证了除冰的高效性，减小了传热热阻，大大提高了传热效率，系统的运行效率将至少提高30％。
4.本发明仅采用传统的旋流除砂器、引射器、冷却塔等部件，工艺形式简单，系统的运行稳定可靠，且投资少。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是本发明具体实施方式二的结构示意图
热泵机组1、凝固热换热器2、供冷换热器3、引射器4、调砂阀5、旋流除砂器6、水箱7、冷却塔8、中介水泵9、水箱水泵10、末端循环泵11、冷却塔循环泵12、中介水供水主管13、中介水回水主管14、引射器出水管15、旋流除砂器进水管16、旋流除砂器出水管17、水箱出水管18、制冷供水管19、制冷回水管20、末端供水支管21、末端回水支管22、末端供水主管23、末端回水主管24、中介水供水支管25、中介水回水支管26、冷却塔供水管27、冷却塔回水管28、阀门一29-1、阀门二29-2、阀门三29-3、阀门四29-4、阀门五29-5、阀门六29-6、阀门七29-7、阀门八29-8、阀门九29-9、阀门十29-10、阀门十一29-11、阀门十二29-12、阀门十三29-13、阀门十四29-14、阀门十五29-15、阀门十六29-16、融冰供水管30、融冰回水管31、融冰循环泵32。
具体实施方式
具体实施方式一，如图1所示，本实施方式的一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统，它由热泵机组1、凝固热换热器2、供冷换热器3、引射器4、调砂阀5、旋流除砂器6、水箱7、冷却塔8、中介水泵9、水箱水泵10、末端循环泵11、冷却塔循环泵12、中介水供水主管13、中介水回水主管14、引射器出水管15、旋流除砂器进水管16、旋流除砂器出水管17、水箱出水管18、制冷供水管19、制冷回水管20、末端供水支管21、末端回水支管22、末端供水主管23、末端回水主管24、中介水供水支管25、中介水回水支管26、冷却塔供水管27、冷却塔回水管28以及多个阀门组成，所述的热泵机组1与凝固热换热器2通过中介水供水主管13和中介水回水主管14形成密闭循环；所述的中介水泵9设置在中介水回水主管14上；所述的中介水供水主管13上设置有阀门一29-1；所述的中介水回水主管14上设置有阀门二29-2，且位于中介水泵9与热泵机组1之间；所述的引射器4与凝固热换热器2通过引射器出水管15相连通；所述的凝固热换热器2与旋流除砂器6通过旋流除砂器进水管16相连通；所述的引射器出水管15上设置有阀门三29-3；所述的旋流除砂器进水管16上设置有阀门四29-4；所述的旋流除砂器6与引射器4相连通，两者之间设有调砂阀5；所述的旋流除砂器6与水箱7通过旋流除砂器出水管17相连通；所述的水箱7与引射器4通过水箱出水管18相连通；所述的水箱水泵10设置在水箱出水管18上；所述的水箱出水管18上设置有阀门五29-5，且位于水箱水泵10与引射器4之间；所述的制冷供水管19一端与供冷换热器3相连通，另一端与水箱出水管18相连通，且位于水箱水泵10与阀门五29-5之间；所述的水箱7与供冷换热器3通过制冷回水管20相连通；所述的制冷供水管19上设置有阀门六29-6；所述的制冷回水管20上设置有阀门七29-7；所述的末端供水主管23与中介水供水主管13相连通，且连通点位于阀门一29-1与热泵机组1之间；所述的末端回水主管24与中介水回水主管14相连通，且连通点位于阀门二29-2与热泵机组1之间；所述的末端循环泵11设置在末端回水主管24上；所述的末端回水主管24上设置有阀门十一29-11，且位于末端回水主管24与中介水回水主管14的连接点和末端循环泵11之间；所述的末端供水支管21的一端与供冷换热器3相连通，另一端与末端供水主管23相连通；所述的末端供水主管23上设置有阀门十29-10，且位于中介水供水主管13与末端供水主管23的连接点和末端供水主管23与末端供水支管21的连接点之间；所述的末端回水支管22的一端与供冷换热器3相连通，另一端与末端回水主管24相连通，且位于阀门十一29-11与末端循环泵11之间；所述的末端供水支管21上设置有阀门八29-8；所述的末端回水支管22上设置有阀门九29-9；所述的中介水供水支管25的一端与热泵机组1相连通，另一端与中介水供水主管13相连通，且位于阀门一29-1与凝固热换热器2之间；所述的中介水回水支管26的一端与热泵机组1相连通，另一端与中介水回水主管14相连通，且位于中介水泵9与阀门二29-2之间；所述的中介水供水支管25上设置有阀门十二29-12；所述的中介水回水支管26上设置有阀门十三29-13；所述的冷却塔供水管27的一端与冷却塔8相连通，另一端与中介水供水支管25相连通，且位于热泵机组1与阀门十二29-12之间；所述的冷却塔回水管28的一端与冷却塔8相连通，另一端与中介水回水支管26相连通，且位于热泵机组1与阀门十三29-13之间；所述的冷却塔循环泵12设置在冷却塔回水管28上；所述的冷却塔供水管27上设置有阀门十四29-14；所述的冷却塔回水管28上设置有阀门十五29-15。
具体实施方式二，如图2所示，本实施方式的系统，它与具体实施方式一的不同点是，它还包括融冰供水管30、融冰回水管31、融冰循环泵32，所述的水箱7与冷却塔8之间通过融冰供水管30相连通；所述的冷却塔8与水箱7之间通过融冰回水管31相连通；所述的融冰循环泵32设置在融冰供水管30上；所述的融冰供水管30上设置有阀门十六29-16。该实施方式的有益效果是利用冷却塔融冰，减少系统所需用水量，并且当室外湿球温度达到一定数值时，冷却塔加热系统清洁水使其温度升高的程度较大，换热设备中不再产生冰，在这种情况下，系统运行效率更高。
工作原理
冬季供暖时，开启阀门三29-3、阀门四29-4、阀门五29-5、阀门十29-10、阀门十一29-11、阀门十二29-12、阀门十三29-13，其余阀门处于关闭状态。在水箱水泵10作用下，水箱7中的水经由水箱出水管18进入引射器4，水在引射器4中与经旋流除砂器6分离的砂混合成水砂混合物，水砂混合物经引射器出水管15进入凝固热换热器2，部分水在凝固热换热器2中释放出凝固热后变成冰，冰水混合物和砂经旋流除砂器进水管16进入旋流除砂器6，旋流除砂器6将冰水混合物和砂分离，砂进入引射器4并被再次引射，冰水混合物经旋流除砂器出水管17返回水箱7，继而进行再循环。在中介水泵9作用下，中介换热介质经由中介水回水主管14、中介水回水支管26进入热泵机组1，在热泵机组1中释放出热量后经由中介水供水支管25、中介水供水主管13进入凝固热换热器2，中介换热介质在凝固热换热器2中吸收水的凝固热后流入中介水回水主管14完成密闭循环。在末端循环泵11作用下，末端水经末端回水主管24、中介水回水主管14进入热泵机组1，在热泵机组1中吸热温升后经中介水供水主管13、末端供水主管23送至用户用以供暖。当室外大气的湿球温度高于0℃时，开启阀门十六29-16，融冰循环泵32抽取水箱7中的水经由融冰供水管30进入冷却塔8，水在冷却塔8中与空气换热完成升温后经由融冰回水管31流回水箱7，进而对水箱7中的冰、水进行升温。
夏季蓄冰制冷时，开启阀门一29-1、阀门二29-2、阀门三29-3、阀门四29-4、阀门五29-5、阀门六29-6、阀门七29-7、阀门八29-8、阀门九29-9、阀门十四29-14、阀门十五29-15，其余阀门处于关闭状态。在水箱水泵10作用下，水箱7中的水经由水箱出水管18进入引射器4，水在引射器4中与经旋流除砂器6分离的砂混合成水砂混合物，水砂混合物经引射器出水管15进入凝固热换热器2，部分水在凝固热换热器2中释放出凝固热后变成冰，冰水混合物和砂经旋流除砂器进水管16进入旋流除砂器6，旋流除砂器6将冰水混合物和砂分离，砂进入引射器4并被再次引射，冰水混合物经旋流除砂器出水管17返回水箱7，继而进行再循环。在中介水泵9作用下，中介换热介质经中介水回水主管14进入热泵机组1，在热泵机组1中释放热量后经中介水供水主管13进入凝固热换热器2，中介换热介质在凝固热换热器2中吸收水的凝固热后流入中介水回水主管14完成密闭循环。在冷却塔循环泵12作用下，冷却塔冷却的水经冷却塔回水管28、中介水回水支管26进入热泵机组1，冷却水在热泵机组1中吸热升温后经中介水供水支管25、冷却塔供水管27进入冷却塔被冷却，继而进行再循环。在水箱水泵10的作用下，水箱中的0℃的水经水箱出水管18、制冷供水管19进入供冷换热器3，水在供冷换热器3中吸热升温后经制冷回水管20返回水箱7，在末端循环泵11作用下，末端来水经末端回水主管24、末端回水支管22进入供冷换热器3，末端来水在供冷换热器3中与水箱冷水换热降温，降温后的末端来水经末端供水支管21、末端供水主管23送至用户用以制冷。
以上所述仅为本发明的优选实施方案，并不用于限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统，它由热泵机组(1)、凝固热换热器(2)、供冷换热器(3)、引射器(4)、调砂阀(5)、旋流除砂器(6)、水箱(7)、冷却塔(8)、中介水泵(9)、水箱水泵(10)、末端循环泵(11)、冷却塔循环泵(12)、中介水供水主管(13)、中介水回水主管(14)、引射器出水管(15)、旋流除砂器进水管(16)、旋流除砂器出水管(17)、水箱出水管(18)、制冷供水管(19)、制冷回水管(20)、末端供水支管(21)、末端回水支管(22)、末端供水主管(23)、末端回水主管(24)、中介水供水支管(25)、中介水回水支管(26)、冷却塔供水管(27)、冷却塔回水管(28)以及多个阀门组成，其特征在于所述的热泵机组(1)与凝固热换热器(2)通过中介水供水主管(13)和中介水回水主管(14)形成密闭循环；所述的中介水泵(9)设置在中介水回水主管(14)上；所述的中介水供水主管(13)上设置有阀门一(29-1)；所述的中介水回水主管(14)上设置有阀门二(29-2)，且位于中介水泵(9)与热泵机组(1)之间；所述的引射器(4)与凝固热换热器(2)通过引射器出水管(15)相连通；所述的凝固热换热器(2)与旋流除砂器(6)通过旋流除砂器进水管(16)相连通；所述的引射器出水管(15)上设置有阀门三(29-3)；所述的旋流除砂器进水管(16)上设置有阀门四(29-4)；所述的旋流除砂器(6)与引射器(4)相连通，两者之间设有调砂阀(5)；所述的旋流除砂器(6)与水箱(7)通过旋流除砂器出水管(17)相连通；所述的水箱(7)与引射器(4)通过水箱出水管(18)相连通；所述的水箱水泵(10)设置在水箱出水管(18)上；所述的水箱出水管(18)上设置有阀门五(29-5)，且位于水箱水泵(10)与引射器(4)之间；所述的制冷供水管(19)一端与供冷换热器(3)相连通，另一端与水箱出水管(18)相连通，且位于水箱水泵(10)与阀门五(29-5)之间；所述的水箱(7)与供冷换热器(3)通过制冷回水管(20)相连通；所述的制冷供水管(19)上设置有阀门六(29-6)；所述的制冷回水管(20)上设置有阀门七(29-7)；所述的末端供水主管(23)与中介水供水主管(13)相连通，且连通点位于阀门一(29-1)与热泵机组(1)之间；所述的末端回水主管(24)与中介水回水主管(14)相连通，且连通点位于阀门二(29-2)与热泵机组(1)之间；所述的末端循环泵(11)设置在末端回水主管(24)上；所述的末端回水主管(24)上设置有阀门十一(29-11)，且位于末端回水主管(24)与中介水回水主管(14)的连接点和末端循环泵(11)之间；所述的末端供水支管(21)的一端与供冷换热器(3)相连通，另一端与末端供水主管(23)相连通；所述的末端供水主管(23)上设置有阀门十(29-10)，且位于中介水供水主管(13)与末端供水主管(23)的连接点和末端供水主管(23)与末端供水支管(21)的连接点之间；所述的末端回水支管(22)的一端与供冷换热器(3)相连通，另一端与末端回水主管(24)相连通，且位于阀门十一(29-11)与末端循环泵(11)之间；所述的末端供水支管(21)上设置有阀门八(29-8)；所述的末端回水支管(22)上设置有阀门九(29-9)；所述的中介水供水支管(25)的一端与热泵机组(1)相连通，另一端与中介水供水主管(13)相连通，且位于阀门一(29-1)与凝固热换热器(2)之间；所述的中介水回水支管(26)的一端与热泵机组(1)相连通，另一端与中介水回水主管(14)相连通，且位于中介水泵(9)与阀门二(29-2)之间；所述的中介水供水支管(25)上设置有阀门十二(29-12)；所述的中介水回水支管(26)上设置有阀门十三(29-13)；所述的冷却塔供水管(27)的一端与冷却塔(8)相连通，另一端与中介水供水支管(25)相连通，且位于热泵机组(1)与阀门十二(29-12)之间；所述的冷却塔回水管(28)的一端与冷却塔(8)相连通，另一端与中介水回水支管(26)相连通，且位于热泵机组(1)与阀门十三(29-13)之间；所述的冷却塔循环泵(12)设置在冷却塔回水管(28)上；所述的冷却塔供水管(27)上设置有阀门十四(29-14)；所述的冷却塔回水管(28)上设置有阀门十五(29-15)。
2.根据权利要求1所述的一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统，其特征在于它还包括融冰供水管(30)、融冰回水管(31)、融冰循环泵(32)，所述的水箱(7)与冷却塔(8)之间通过融冰供水管(30)相连通；所述的冷却塔(8)与水箱(7)之间通过融冰回水管(31)相连通；所述的融冰循环泵(32)设置在融冰供水管(30)上；所述的融冰供水管(30)上设置有阀门十六(29-16)。
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