CN109520052B - 一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统 - Google Patents

Abstract

一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统，它涉及家用多热源利用集成系统，它包括太阳能集热系统、热泵空调系统、沐浴污水源热泵热水系统、制冷用风机盘管和蓄热内外水箱；蓄热内外水箱的外水箱与太阳能集热系统的进出水口连接形成循环，蓄热内外水箱的外水箱通过水箱板式换热器与热泵空调系统连接形成循环，所述外水箱与制热用风机盘管连接形成循环；制冷用风机盘管分别与外水箱和热泵空调系统连接形成循环；蓄热内外水箱的内水箱和外水箱均与沐浴污水源热泵热水系统连接形成循环。本发明能多热源利用，节能效果好。

Description

一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统

技术领域

本发明涉及家用多热源利用集成系统，具体涉及一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统。

背景技术

建筑节能已经成为节能减排的重点领域，可再生能源辅助的热泵技术研究已经成为建筑节能研究领域的热点；然而，由于传统空气源热泵在冬季低温条件下系统性能明显下降，太阳能的间歇性和能量密度较低，建筑废热利用的能效比不太理想。因此，空气源热泵或太阳能在我国大部分地区的推广应用都受到了严重制约，寻找出不同季节、不同时间段的不同建筑内能源加热水的最佳组合形式也已经迫在眉睫。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种能多热源利用的适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统。

本发明的技术方案为：

一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统，它包括太阳能集热系统、多功能热泵空调系统、沐浴污水源热泵热水系统、制冷用风机盘管和蓄热内外水箱；

蓄热内外水箱的外水箱与太阳能集热系统的进出水口连接形成循环，蓄热内外水箱的外水箱通过水箱换热器与多功能热泵空调系统连接形成循环；

所述外水箱与制热用风机盘管连接形成循环；

制冷用风机盘管分别与外水箱和热泵空调系统连接形成循环；

蓄热内外水箱的内水箱和外水箱均与沐浴污水源热泵热水系统连接形成循环。

进一步地，所述热泵空调系统包括室外风机、室外风机风冷换热器、室外风机旁通管、止回阀、短毛细管、压缩机一、长毛细管、四通阀、气液分离器和室内换热器；

换向四通阀与室内换热器连接，长毛细管与室内换热器连接，长毛细管与室外风机旁通管连接，四通阀与室外风机旁通管连接，室外风机风冷换热器一端与室外风机旁通管连接，室外风机风冷换热器另一端分两支并联管路，一支管路连接长毛细管，另一支管路经止回阀、短毛细管分别与四通阀和气液分离器连接，压缩机一连接水箱换热器，水箱换热器连接四通阀，四通阀连接气液分离器，气液分离器连接压缩机，外水箱通过水箱外水泵与水箱换热器连接形成循环，外水箱通过外水泵与室内换热器连接形成循环，外水箱与室内换热器循环管路上还并联有制冷用风机盘管，室外风机邻近室外风机风冷换热器设置，室外风机安装在空调机壳上。

进一步地，所述沐浴污水源热泵热水系统包括混水阀、喷淋头、电加热器、废水取热装置、换热盘管一、换热盘管二、压缩机二、水箱板式换热器和热力膨胀阀；外水箱通过水箱水泵与水箱板式换热器热交换，废水取热装置内布置有换热盘管一和换热盘管二，水箱板式换热器与压缩机二连接，压缩机二与换热盘管二连接，换热盘管二与热力膨胀阀连接，热力膨胀阀与水箱板式换热器连接，换热盘管二、压缩机二、水箱板式换热器和热力膨胀阀四者形成循环，换热盘管一的一端与内水箱的底部连接，换热盘管一的另一端通过混水阀与喷淋头连接，混水阀通过管路与电加热器连接，电加热器通过管路与内水箱连接。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、通过多种可再生能源和沐浴废水热能在建筑中的应用，能达到很好的节能效果。

2、考虑到单个热源系统利用的局限性和地域性，多热源系统具有了很好的适应性和创新性，能适应各种气候条件下建筑的使用。

3、内外水箱的结构和水管的设计满足了充分利用外水箱的热量作用，上供上回的供回水方式加上内水箱的独特构造，该部件具有很大的创新性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为蓄热内外水箱结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1说明，一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统，它包括太阳能集热系统A、多功能热泵空调系统B、沐浴污水源热泵热水系统C、制冷用风机盘管29和蓄热内外水箱；

蓄热内外水箱的外水箱12与太阳能集热系统A的进出水口连接形成循环，蓄热内外水箱的外水箱12通过水箱换热器17与热泵空调系统B连接形成循环，

所述外水箱12与制热用风机盘管15连接形成循环；

制冷用风机盘管29分别与外水箱12和热泵空调系统B连接形成循环；

蓄热内外水箱的内水箱13和外水箱12均与沐浴污水源热泵热水系统C连接形成循环。

较佳地，参见图1所示，太阳能集热系统A包括太阳能集热器16和集热水泵P3；太阳能集热器16分别与集热水泵P3和外水箱12连接，集热水泵P3与外水箱12连接。太阳能集热器16采用真空管太阳能集热器。

较佳地，参见图1所示，所述热泵空调系统B包括室外风机18、室外风机风冷换热器19、室外风机旁通管20、止回阀21、短毛细管22、压缩机一23、长毛细管24、换向四通阀25、气液分离器26和室内换热器27；

换向四通阀25与室内换热器27连接，长毛细管24与室内换热器27连接，长毛细管24与室外风机旁通管20连接，换向四通阀25与室外风机旁通管20连接，室外风机风冷换热器19一端与室外风机旁通管20连接，室外风机风冷换热器19另一端分两支并联管路，一支管路连接长毛细管24，另一支管路经止回阀21、短毛细管22分别与换向四通阀25和气液分离器26连接，压缩机一23连接水箱换热器17，水箱换热器17连接换向四通阀25，换向四通阀25连接气液分离器26，气液分离器26连接压缩机23，外水箱12通过外水泵P4与水箱换热器17连接形成循环，外水箱12通过外水泵P5与室内换热器27连接形成循环，外水箱12与室内换热器27循环管路上还并联有制冷用风机盘管29，室外风机18邻近室外风机风冷换热器19设置，室外风机18安装在空调机壳上。外水箱12上还设置有补水阀11。

较佳地，参见图1所示，所述沐浴污水源热泵热水系统C包括混水阀2、喷淋头1、电加热器3、废水取热装置4、换热盘管一5、换热盘管二6、压缩机二7、水箱板式换热器8和热力膨胀阀9；

外水箱12通过水箱泵P1与水箱板式换热器8热交换，废水取热装置4内布置有换热盘管一5和换热盘管二6，水箱板式换热器8与压缩机二7连接，压缩机二7与换热盘管二6连接，换热盘管二6与热力膨胀阀9连接，热力膨胀阀9与水箱板式换热器8连接，换热盘管二6、压缩机二7、水箱板式换热器8和热力膨胀阀9四者形成循环，换热盘管一5的一端与内水箱13的底部连接，换热盘管一5的另一端通过混水阀2与喷淋头1连接，混水阀2通过管路与电加热器3连接，电加热器3通过管路与内水箱13连接。外水箱12分别与制热泵P2和制热用风机盘管15连接，制热泵P2与制热用风机盘管15。

该系统为家用太阳能-空气源-建筑废热的复合热泵系统，该系统能够适应大部分的地区和各种不同的季节，同时这个系统的COP较小，能有效的节约建筑的能耗和更大限度的利用各种可再生能源，并使得能量得到较好利用的目的。在炎热且光照充足的夏天，首先通过多功能热泵空调系统来加热水箱中的水并且可以为室内制冷降温，此时压缩机一23出来的制冷剂先经过水箱换热器17换热，水箱换热器17可采用水箱板式换热器，将一部分热量给到了外水箱12中的水；制冷剂在经过四通换向阀25换向后通过室外机风冷换热器19，将剩余热量进一步散发给室外空气，此时室外风机18是开启状态，旁通管20是关闭状态；再通过空调自带的长毛细管24降温降压后回到室内换热器27，室内换热器27通过水泵P5将得到的冷量源源不断地传给制冷用风机盘管29，达到了为室内制冷和制热水的双重目标。再者由于水箱里的水已经达到一定的高度，再通过开启太阳能集热系统的形式将水箱里面的不断加热，达到一个更高的温度，此时水箱里面的水已经有了很高的水温。

最后，可以通过运行沐浴污水源热泵热水系统来充分利用水箱的热量，开启相关阀门之后，内水箱13的水由于自来水压头的作用，通过电热水器3(可以提供沐浴时温度调节的作用)和混水阀2提供沐浴用水的近似热水，通过自来水在沐浴废水装置4预热后得到水作为沐浴用水的近似冷水，同时通过制冷剂环路换热盘管二6、压缩机二7、水箱板式换热器8和热力膨胀阀9的循环可以进一步将水箱中的水加热，充分利用了沐浴废水热量，整个大系统也在炎热的夏天时充分且同时实现了各种强大的功能。

该系统主要的工作过程为真空管太阳能集热系统首先收集较多的热量加蓄热内外水箱，而后热泵空调系统B通过四通阀25的调节作用可以不断地为水箱提供热量，四通阀25为换向四通阀，同时热泵空调系统B在夏天也可以通过制冷用风机盘管29为室内提供冷量来制冷，再者上述两者收集到的热量就可以通过内外水箱的传热，将所收集到的热量用来加热沐浴用水，而后通过废水取热装置4收集沐浴后的废水热量，沐浴废水装置收集的热量一部分用来加热自来水的补水，另一部分可通过水箱板式换热器8来加热水箱的水，达到了很好的利用各种可再生能源和建筑废热的效果。该系统连接管道上还设置有流量计FM，以及温度传感器，温度传感器用圆圈内符号T表示，外水箱12底部安装温度控制电磁阀14。如图2所示，内水箱13可布置多个。

作为整个系统的“中枢”，内外水箱的结构设计也是该系统的一大亮点。首先外水箱12的材料是常见的不锈钢材料，内水箱13取自常用的家用电热水器的内胆，外水箱12和内水箱13通过固定支架10固接连接，具有换热效果好、抗压能力强和简单易得的三大优点，通过特殊的设计，即进入内水箱13的水的水管从外水箱12的底部即进入到外水箱12，而后因为可以使得水在内水箱13中与外水箱12充分换热，通过这种方法，可以使得水在内水箱13处得到足够的热量，以此达到热量的最大程度的利用。

本发明专用于中等大小的建筑房间，比如中等公寓、洋楼、别墅，裙楼等，特别是因为相关政策等的原因，可以很好的利用在既有居住建筑等节能改造中。我们通过把该建筑放在合适的位置，可以充分的利用太阳能、空气能、沐浴废热，其中电加热器3的设置是为了更好的满足人沐浴时所需要的条件，而恒压水箱28主要是用于稳定制冷用风机盘管环路的压力，两者的设置虽然会一定程度上增加系统的能耗，但是两者都具有一定的必要性。

其中，作为最为复杂的一个系统，多功能的热泵空调系统B，可以实现五大模式，分别介绍如下：图中箭头表示工质流向。图2中，H1表示多功能热泵空调系统B的回水管，G1表示多功能热泵空调系统B的供水管，H2表示室内换热器27的回水管，G2表示室内换热器27的供水管，H3表示废水取热装置4的回水管，G3表示废水取热装置4的供水管，H4表示太阳能集热系统A的回水管，G4表示太阳能集热系统A的供水管，H5表示风机盘管回收管，G5表示辅助风机盘管的供水管，H6表示接补水管，H7表示接沐浴用水管。

模式1：夏季制冷兼制热水模式

这是该系统最理想的工作模式。在空调机组刚开始运行时，自来水温度较低，水换热器17换热效率较高，压缩机一23排出的高温气态制冷剂在水箱换热器17内实现冷凝。此时室外机风冷换热器19被旁通，且室外风机18不开启。高温高压的气态制冷剂流经水箱换热器17，与水换热，制冷剂冷凝放热，变成高温液态。之后制冷剂依次经过四通换向阀25、旁通管20和长毛细管24，跨过室外机换热器盘管19，然后在室内换热器27(可采用板式换热器)中蒸发吸热，变为低温气体，最后回到压缩机一23重新被压缩，完成循环。此时连接室内换热器27的制冷用风机盘管29两侧阀门开启，正常运行，达到夏季制冷的效果。水由循环水泵驱动，吸收热量后被储存在热水箱中。本次设计的特色在于设计了止回阀21旁通管路，达到了多种优良效果。

模式2：夏季单独制冷模式

这种模式是空气源热泵空调器的正常制冷工作模式，即在不需要热水时，水箱换热器17被旁通。制冷剂直接经过四通阀25(换向阀)流到室外机风冷换热器19冷凝放热，然后经过长毛细管24，到达室内室内换热器27吸热，此时连接夏季室内换热器27的制冷用风机盘管29两侧阀门开启，正常运行，达到夏季单独制冷的效果。

模式3：过渡季单独制热水模式

制冷剂经过压缩机一23压缩，通过水箱换热器17与水换热，制取生活热水，然后通过四通阀25流向室内换热器27，同时室内板换侧阀门和外水泵P5均关闭，室内换热器27基本不会散失热量，而制冷剂经过长毛细管24节流后，流过室外机蒸发吸热(因新增管路毛细管阻力大，故为断路)，最后回到压缩机一23完成循环。

模式4：过渡季或冬季单独制热模式

这种模式是空气源热泵空调器的正常制热工作模式，在室内迫切需要热量的情况下，其也可用于室内的制热。即在不需要热水时，水箱板式换热器17被旁通。制冷剂直接经过四通阀25(换向阀)流到室内换热器27并在其中冷凝放热，然后经过长毛细管24，到达室外机风冷换热器19蒸发吸热，最后经过气液分离器26流回压缩机一23。此时连接室内换热器27的制冷用风机盘管29两侧阀门开启，正常运行，达到过渡季或冬季单独制热的效果。

模式5：冬季除霜模式

压缩机一23最大功率运行，同时室内板换侧阀门和外水泵P5均关闭，室外风机18运行。制冷剂从压缩机一23出来流经水箱换热器17，使用外水箱12中已经制好的热水预热制冷剂，制冷剂吸收热水的热量，然后流经四通阀25到达室外机冷凝器，冷凝放热化霜，再经过长毛细管24，流到室内机吸热，最后经过气液分离器26回到压缩机一23。使用外水箱中已经制好的热水预热制冷剂，既能减少除霜时从室内空气吸取的热量，也可以降低辅助电加热的能耗。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (4)

1.一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统，其特征在于：它包括太阳能集热系统（A）、多功能热泵空调系统（B）、沐浴污水源热泵热水系统（C）、制冷用风机盘管（29）和蓄热内外水箱；

蓄热内外水箱的外水箱（12）与太阳能集热系统（A）的进出水口连接形成循环，蓄热内外水箱的外水箱（12）通过水箱换热器（17）与热泵空调系统（B）连接形成循环；

所述外水箱（12）与制热用风机盘管（15）连接形成循环；

制冷用风机盘管（29）分别与外水箱（12）和多功能热泵空调系统（B）连接形成循环；

蓄热内外水箱的内水箱（13）和外水箱（12）均与沐浴污水源热泵热水系统（C）连接形成循环；

所述热泵空调系统（B）包括室外风机（18）、室外风机风冷换热器（19）、室外风机旁通管（20）、止回阀（21）、短毛细管（22）、压缩机一（23）、长毛细管（24）、四通阀（25）、气液分离器（26）和室内换热器（27）；

换向四通阀（25）与室内换热器（27）连接，长毛细管（24）与室内换热器（27）连接，长毛细管（24）与室外风机旁通管（20）连接，四通阀（25）与室外风机旁通管（20）连接，

室外风机风冷换热器（19）一端与室外风机旁通管（20）连接，室外风机风冷换热器（19）另一端分两支并联管路，一支管路连接长毛细管（24），另一支管路经止回阀（21）、短毛细管（22）分别与四通阀（25）和气液分离器（26）连接，压缩机一（23）连接水箱换热器（17），水箱换热器（17）连接四通阀（25），四通阀（25）连接气液分离器（26），气液分离器（26）连接压缩机一（23），外水箱（12）通过水箱外水泵（P4）与水箱换热器（17）连接形成循环，外水箱（12）通过外水泵（P5）与室内换热器（27）连接形成循环，外水箱（12）与室内换热器（27）循环管路上还并联有制冷用风机盘管（29），室外风机（18）邻近室外风机风冷换热器（19）设置，室外风机（18）安装在空调机壳上；外水箱（12）分别与制热泵（P2）和制热用风机盘管（15）连接，制热泵（P2）与制热用风机盘管（15）连接；

夏季制冷兼制热水模式，压缩机一（23）排出的高温气态制冷剂在水箱换热器（17）内实现冷凝，室外机风冷换热器（19）被旁通，且室外风机（18）不开启，连接室内换热器（27）的制冷用风机盘管（29）两侧阀门开启，高温高压的气态制冷剂流经水箱换热器（17），与水换热，制冷剂冷凝放热，变成高温液态，之后制冷剂依次经过四通换向阀（25）、旁通管（20）和长毛细管（24），跨过室外机风冷换热器（19），然后在室内换热器（27）中蒸发吸热，变为低温气体，最后回到压缩机一（23）重新被压缩，完成循环；

夏季单独制冷模式，水箱换热器（17）被旁通，连接室内换热器（27）的制冷用风机盘管（29）两侧阀门开启，制冷剂直接经过四通阀（25）流到室外机风冷换热器（19）冷凝放热，然后经过长毛细管（24），到达室内换热器（27）吸热；

过渡季单独制热水模式，制冷剂经过压缩机一（23）压缩，通过水箱换热器（17）与水换热，制取生活热水，然后通过四通阀（25）流向室内换热器（27），同时室内板换侧阀门和外水泵（P5）均关闭，制冷剂经过长毛细管（24）节流后，流过室外机蒸发吸热，最后回到压缩机一（23）完成循环；

过渡季或冬季单独制热模式，水箱换热器（17）被旁通，连接室内换热器（27）的制冷用风机盘管（29）两侧阀门开启，制冷剂直接经过四通阀（25）流到室内换热器（27）并在其中冷凝放热，然后经过长毛细管（24），到达室外机风冷换热器（19）蒸发吸热，最后经过气液分离器（26）流回压缩机一（23）；

冬季除霜模式，室内板换侧阀门和外水泵（P5）均关闭，室外风机（18）和压缩机一（23）运行，制冷剂从压缩机一（23）出来流经水箱换热器（17），使用外水箱（12）中已经制好的热水预热制冷剂，制冷剂吸收热水的热量，然后流经四通阀（25）到达室外机冷凝器，冷凝放热化霜，再经过长毛细管（24），流到室内机吸热，最后经过气液分离器（26）回到压缩机一（23）。

2.根据权利要求1所述一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统，其特征在于：太阳能集热系统（A）包括太阳能集热器（16）和集热水泵（P3）；太阳能集热器（16）分别与集热水泵（P3）和外水箱（12）连接，集热水泵（P3）与外水箱（12）连接。

3.根据权利要求2所述一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统，其特征在于：所述沐浴污水源热泵热水系统（C）包括混水阀（2）、喷淋头（1）、电加热器（3）、废水取热装置（4）、换热盘管一（5）、换热盘管二（6）、压缩机二（7）、水箱板式换热器（8）和热力膨胀阀（9）；外水箱（12）通过水箱水泵（P1）与水箱板式换热器（8）热交换，废水取热装置（4）内布置有换热盘管一（5）和换热盘管二（6），水箱板式换热器（8）与压缩机二（7）连接，压缩机二（7）与换热盘管二（6）连接，换热盘管二（6）与热力膨胀阀（9）连接，热力膨胀阀（9）与水箱板式换热器（8）连接，换热盘管二（6）、压缩机二（7）、水箱板式换热器（8）和热力膨胀阀（9）四者形成循环，换热盘管一（5）的一端与内水箱（13）的底部连接，换热盘管一（5）的另一端通过混水阀（2）与喷淋头（1）连接，混水阀（2）通过管路与电加热器（3）连接，电加热器（3）通过管路与内水箱（13）连接。

4.根据权利要求3所述一种适合于既有居住建筑节能改造的可再生能源热泵系统，其特征在于：外水箱（12）分别与制热泵（P2）和制热用风机盘管（15）连接，制热泵（P2）与制热用风机盘管（15）。

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