CN111156697A - 一种具有废热回收功能的热泵热水器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有废热回收功能的热泵热水器，所述热泵热水器包括热泵循环系统、热水换热器和废热回收热管；所述废热回收热管的冷凝段设置在所述热泵循环系统的冷水箱的内部；所述废热回收热管的蒸发段设置在浴室内的废热聚集处；所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述热水换热器的内部。本发明利用热泵循环系统进行加热，使冷水箱内工质的温度适中小于或等于环境温度，避免了热水存储过程中的能量浪费，并利用废热回收热管回收洗浴过程中产生的废热，实现洗浴过程中的废热的有效利用。

Description

一种具有废热回收功能的热泵热水器

技术领域

本发明涉及热泵热水器技术领域，特别是涉及一种具有废热回收功能的热泵热水器。

背景技术

在人们日常生活中，生活热水占据了日常用水的较大比例，热水加热装置逐渐普及。目前常用的热水器有四类，分别为电热水器、太阳能热水器、燃气热水器和热泵热水器。其中电热水器又分为两类，储热电热热水器(包含热水水箱)和即热式电热水器，通过加热装置，在通电条件下产生热量来加热水，同时通过温度传感器控制加热的起停，从而实现对水温的调控。电热水器成本低，安装简单，使用方便。太阳能热水器由太阳能集热器、水箱以及辅助加热部分组成，主要利用太阳辐射来产生热水。太阳能热水器安全清洁、运行能耗低。燃气热水器以燃气为燃料，通过燃烧制备热水。燃气热水器占地小，加热迅速。热泵热水器，一般以空气源为主，通过吸收空气中的能量，利用热泵技术，将水箱内的水加热。

生活热水中，洗浴热水占据比例较大。在洗浴过程中，大量热水携带热量，直接排掉，造成了能源的浪费。

对于上述的储热电热热水器、太阳能热水器和热泵热水器，都需要借助水箱来储存热水。而由于水箱保温材料的限制，且水箱内储存热水温高于环境温度，水箱内热水的热量不断散失到环境中，造成能量的浪费。

如何避免热水存储过程中的能量浪费，并实现洗浴过程中产生的废热的有效利用成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有废热回收功能的热泵热水器，以避免热水存储过程中的能量浪费，并实现洗浴过程中产生的废热的有效利用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种具有废热回收功能的热泵热水器，所述热泵热水器包括热泵循环系统、热水换热器和废热回收热管；

所述废热回收热管的冷凝段设置在所述热泵循环系统的冷水箱的内部；

所述废热回收热管的蒸发段设置在浴室内的废热聚集处；

所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述热水换热器的内部；

所述热水换热器的入水口与自来水管的出水口连接，所述热水换热器的出水口与混水阀的第一入水口连接，所述混水阀的第二入水口与自来水管的出水口连接，所述混水阀的出水口与淋浴喷头连接。

可选的，所述废热回收热管包括蒸汽废热回收热管、排风废热回收热管和热水废热回收热管中的一种或多种；

所述蒸汽废热回收热管的蒸发段设置在浴室顶部，所述排风废热回收热管的蒸发段设置在浴室的排风口、所述热水废热回收热管的蒸发段设置在浴室的淋浴区地面。

可选的，所述热泵循环系统包括：冷水箱、蒸发器、压缩机和冷凝器；

所述冷水箱内灌装有工质，所述蒸发器设置在冷水箱内，所述蒸发器的出口经过所述压缩机与所述冷凝器的入口连接；所述冷凝器的出口经过膨胀阀与所述蒸发器的入口连接。

可选的，所述蒸发器在所述冷水箱内吸热过程中，所述冷水箱内工质的相变率为20％-60％。

可选的，所述冷水箱为马桶的水箱。

可选的，所述蒸发器在所述马桶的水箱内吸热过程，马桶的水箱内的水的相变率为20％-50％。

可选的，所述热泵热水器还包括保温层，所述保温层包覆在所述冷水箱的外部；所述保温层的厚度为使所述冷水箱内的工质从洗浴后的温度升高至环境温度的时间间隔为10-20小时对应的厚度。

可选的，所述热泵热水器还包括水温传感器和控制系统；

所述水温传感器设置在热水换热器的出水管路内，所述水温传感器与所述控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端与所述压缩机的控制端连接，所述控制系统用于根据所述水温传感器测量的热水换热器的出水管路内的水温调整所述压缩机的转速。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提出了一种具有废热回收功能的热泵热水器，所述热泵热水器包括热泵循环系统、热水换热器和废热回收热管；所述废热回收热管的冷凝段设置在所述热泵循环系统的冷水箱的内部；所述废热回收热管的蒸发段设置在浴室内的废热聚集处；所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述热水换热器的内部。本发明利用热泵循环系统进行加热，使冷水箱内工质的温度适中小于或等于环境温度，避免了热水存储过程中的能量浪费，并利用废热回收热管回收洗浴过程中产生的废热，实现洗浴过程中的废热的有效利用。

本发明通过蒸发器吸收冷水箱内工质的热量，通过热水换热器对洗浴用水采用热交换的方式迅速加热，在实现即热的同时，避免了现有的热泵热水器热水储存过程中的能量损失。并且通过蒸发器对冷水箱内的工质的热量的吸收，使冷水箱内工质的温度低于环境温度，冷水箱内的工质可从环境中缓慢吸收热量，进一步提高了能量的利用率，而且冷水箱放置室内，不受室外环境的影响，可适用于不同的季节。

本发明利用马桶的水箱作为冷水箱，因为冲水马桶每天使用的中水包含大量的低品位热量，而且没有各种杂质，较家庭污水更干净，其低品位热量利用相对简单，而且水温对马桶的使用效果影响不大，特别是在夏季，冲水温度低，会降低马桶异味。而且利用马桶的水箱作为冷水箱，节省了单独设置的冷水箱，在节约了成本的基础上，减少了卫生间的占用空间。

本发明在冷水箱的外部还设置了保温层，以避免冷水箱内的工质吸收外部环境的热量过快，造成外部环境的快速温度降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种储冷式即热热泵热水器的结构示意图；

附图说明：1为压缩机、2为冷凝器、3为膨胀阀、4为蒸发器、5为冷水箱、6为换热热水器、7为混水阀、8为淋雨喷头、9为蒸汽废热回收热管、10为排风废热回收热管、11为热水废热回收热管、12为水温传感器、13为排风扇。

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种具有废热回收功能的热泵热水器，以实现洗浴过程中产生的废热的有效利用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为了实现上述目的本发明提供一种具有废热回收功能的热泵热水器，所述热泵热水器包括热泵循环系统、热水换热器6和废热回收热管。

所述热泵循环系统包括：冷水箱5、蒸发器4、压缩机1和冷凝器2；所述冷水箱5内灌装有工质，所述蒸发器4设置在冷水箱内，所述蒸发器4的出口经过所述压缩机1与所述冷凝器2的入口连接；所述冷凝器2的出口经过膨胀阀3与所述蒸发器4的入口连接。所述工质为相变材料，冷水箱内工质的温度始终小于等于环境温度，且其内部的相变材料的相变温度小于或等于环境温度，高于0℃，相变温度范围为5-15℃。

所述废热回收热管的冷凝段设置在所述热泵循环系统的冷水箱5的内部。

所述废热回收热管的蒸发段设置在浴室内的废热聚集处。

所述热泵循环系统的冷凝器2设置在所述热水换热器的内部；所述热水换热器6内的水与所述冷凝器2对流换热。

所述热水换热器6的入水口与自来水管的出水口连接，所述热水换热器的出水口与混水阀7的第一入水口连接，所述混水阀7的第二入水口与自来水管的出水口连接，所述混水阀7的出水口与淋浴喷头连接。

其中，所述废热回收热管包括蒸汽废热回收热管9、排风废热回收热管10和热水废热回收热管11中的一种或多种；

所述蒸汽废热回收热管9的蒸发段设置在浴室顶部，所述排风废热回收热管10的蒸发段设置在浴室的排风口(所述排风扇13的出风方向)、所述热水废热回收热管11的蒸发段设置在浴室的淋浴区地面。所述蒸汽废热回收热管9、所述排风废热回收热管10和所述热水废热回收热管11的冷凝段设置在所述热泵循环系统的冷水箱5的内部。本发明还采用热管回收淋浴时热水及水蒸气的废热，可回收淋浴时热水热量30％-80％。并采用热管回收排风扇处排风时空气的废热。

本发明的具有废热回收功能的热泵热水器可实现低电功率即热，根据成年人淋浴所需要热水流量、自来水温度及淋浴热水温度，可计算出实现即热的加热功率为3-5kW，由系统的COP为3-4.5，可知本发明的即热电功率仅为1.7-0.67kW，即可实现热水器运行，可满足绝大多数家庭的电力条件使用，一般情况下，不用单独接入电路。

所述蒸发器4在所述冷水箱内吸热过程中，所述冷水箱内工质的相变率为20％-60％。蒸发器4可以吸收冷水箱5内的工质的温度变化显热和相变潜热，使用时工质被主蒸发器吸热后可以相变为固态，相变率小于或等于80％，优选相变率20％-60％，冷水箱容量根据使用人数的不同而不同，1-2人为30L，2-3人为50L，3-4人为60L，5-6人为70L，6-10人为100L。为了实现在容量已定的情况下的更多次数的连续洗澡，可在冷水箱内设置加热器。

作为一种优选的实施方式，由于每天每个家庭都需要大量的水来冲刷马桶。此部分水中含有大量的低品位热量，没有被利用。为了充分利用该部分低品质热量，本发明的冷水箱可以采用马桶的水箱，马桶的水箱内存储的为冲厕用中水，与中水管网相连，水温始终小于或等于环境温度。蒸发器4可以吸马桶的水箱内中水的显热和相变潜热，使用时工质被主蒸发器吸热后可以相变为固态，相变率小于或等于60％，本发明优选相变率20％-50％，此时，使用不结冰的水量仍然够冲马桶。由于水桶液位更高，会增加冲刷的力度。此时，马桶水箱的容量也可以根据冷水箱的容量需要进行设置，设置方式为：根据使用人数的不同而不同，1-2人为30L，2-3人为50L，3-4人为60L，5-6人为70L，6-10人为100L。但是本发明的实施不限于马桶的水箱。为了实现在容量已定的情况下的更多次数的连续洗澡，可在马桶的水箱内设置加热器。

作为一种优选的实施方式，所述热泵热水器还包括保温层，所述保温层包覆在所述冷水箱的外部；所述保温层的厚度为使所述冷水箱内的工质从洗浴后的温度升高至环境温度的时间间隔为10-20小时对应的厚度。以避免水箱升温太快，对淋浴空间的室温产生较大影响。而通过缓慢升温过程，来降低这个影响。冷水箱内工质的温度始终小于等于环境温度，不会向环境散热造成能量的浪费。

作为一种优选的实施方式，所述热泵热水器还包括水温传感器12和控制系统(图1中未示出)；所述水温传感器2设置在热水换热器6的出水管路内，所述水温传感器12与所述控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端与所述压缩机1的控制端连接，所述控制系统用于根据所述水温传感器12测量的热水换热器的出水管路内的水温调整所述压缩机1的转速。

作为一种优选的实施方式，本发明的热泵热水器每个月都有一次高温杀菌模式，持续时间为两小时。在热水器未使用时，即不提供热水时，压缩机循环启动，控制热水换热器6内部温度为60℃，持续时间不少于2个小时，以此高温环境杀死军团菌。

本发明的热泵热水器的工作原理是，本发明利用热泵技术，而且将蒸发器放在冷水箱内与工质直接接触换热，冷凝器直接与自来水对流换热，两侧换热系数高，换热温差低，与空气源热泵热水器相比，热泵运行蒸发温度和冷凝温度温差小，其COP高于空气源热泵热水器；且冷水箱内工质温不受外界环境影响，温度波动小，热水器工作更稳定。经热力计算，在夏季典型工况下，自来水温度20℃，出水温度37℃，系统COP为4.26；在冬季典型工况下，自来水温度10℃，出水温度40℃，系统COP为3。

泵热水器的蒸发器4放置于冷水箱5中，冷水箱5中储存有温度小于等于环境温度的工质(水或相变材料)，优选相变温度范围为5-15℃，工作时，蒸发器4内制冷剂吸收水箱内水或相变材料的热量，利用热泵循环，加热流经冷凝器2的自来水，并进一步与自来水利用混水阀7混合达到淋浴温度。

混水阀7控制冷热水流量和比例。当混水阀打开，需要热水侧热水时，温度传感器12检测热水温度是否达到设定温度。其中，设定温度范围为(35-60℃)，此温度与使用习惯不同而不同，优选值为38-45℃。当检测到热水温度与设定温度偏差较大时，温度传感器12将检测到温度信号输入控制系统，控制系统控制压缩机运转频率升高，当热水温度与设定温度接近时，控制系统降低压缩机频率，当与设定温度相同时，压控制系统控制缩机以额定转速运转。本发明通过水温控制压缩机运转的频率。

因为热管传热具有单向性，由高温传向低温。当淋浴开始后，会产生大量水蒸气，水蒸气废热回收热管9回收此部分水蒸气热量，特别是水蒸气会在热管处凝结相变，水蒸气废热回收热管9可以回收此部分相变潜热。淋浴时，大量高温废水直接排出，同时带走了大量的热。淋浴热水废热回收热管11会吸收这部分热量传递给冷水箱5。

当排气扇打开后，排气时，气体也会带走大量热量。排风废热回收热管10会吸收这部分热量，将热量传递给冷水箱5。

淋浴结束后，由于蒸发器4吸收冷水箱5内工质的热量，使冷水箱5内工质的温度低于环境温度，此时，冷水箱5内工质会吸收环境温度的热量，温度慢慢升高，直到接近环境温度。冷水箱的保温层由升温过程决定，保温层使水箱内工质温度由低温升高到环境温度的时间是10-18小时，以避免水箱升温太快，对淋浴空间的室温产生较大影响。而通过缓慢升温过程，来降低这个影响。水箱内工质的温度始终小于等于环境温度，不会向环境散热造成能量的浪费。

淋浴结束后，冷水箱内低温工质吸收环境能量，温度缓慢上升，直到与环境温度接近。升温过程流体的吸热量为：

Q_W＝m_Iγ+cm_W(T_E-T₀) (1)

其中，m_I为发生相变的工质的质量；γ为工质的相变潜热；c为工质的比热；m_W为工质的总质量；T_E为工质升温结束时的温度；T₀为工质升温开始的温度；

升温过程的能量方程为：

其中，Q_W为冷水箱内工质升温过程的吸热量，由方程(1)求得；A为冷水箱内工质与空气换热面积；T_a为环境温度；T_W为水箱内水温度，随时间发生变化，是时间的函数；t为水箱内水升温时间；

K为冷水箱内工质与空气的换热系数，由环境与冷水箱外表面自然对流换热系数与辐射换热系数K₁，冷水箱壁面导热系数K₂和冷水箱内壁面与冷水箱内工质自然对流换热系数K₃计算得到：

冷水箱壁面导热系数K₂由内外壁面导热和保温层导热计算得到：

其中，δ₁,δ₂,δ₃分别为冷水箱内壁面、保温层和外壁面的厚度；

λ₁,λ₂,λ₃分别为冷水箱内壁面、保温层和外壁面的导热系数；

由方程(1-4)，当所有结构参数已定，材料物性参数已知，环境温度已知，升温开始结束温度已知时，冷水箱保温层厚度与升温时间t为单值函数关系。为防止升温过程对淋浴间环境温度影响太大从而影响舒适度，升温时间为10-20小时，优选的为10-18小时，由此可以确定保温层的厚度。为了进一步减少冷水箱升温对卫生间环境温度的影响，保温层可以根据冷水箱的工质量的多少而适当加厚。

本发明储冷的冷水箱5内部的工质为水或相变材料，其温度小于等于环境温度；相变材料相变温度小于环境温度大于0℃；内部工质如果是水，水可以结冰，结冰率最高为80％，以利用水的相变潜热；采用多个热管回收废热，实现了最大可能的余热回收利用。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提出了一种具有废热回收功能的热泵热水器，所述热泵热水器包括热泵循环系统、热水换热器和废热回收热管；所述废热回收热管的冷凝段设置在所述热泵循环系统的冷水箱的内部；所述废热回收热管的蒸发段设置在浴室内的废热聚集处；所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述热水换热器的内部。本发明利用热泵循环系统进行加热，使冷水箱内工质的温度适中小于或等于环境温度，避免了热水存储过程中的能量浪费，并利用废热回收热管回收洗浴过程中产生的废热，实现洗浴过程中的废热的有效利用。

本发明通过蒸发器吸收冷水箱内工质的热量，通过热水换热器对洗浴用水采用热交换的方式迅速加热，在实现即热的同时，避免了现有的热泵热水器热水储存过程中的能量损失。并且通过蒸发器对冷水箱内的工质的热量的吸收，使冷水箱内工质的温度低于环境温度，冷水箱内的工质可从环境中缓慢吸收热量，进一步提高了能量的利用率，而且冷水箱放置室内，不受室外环境的影响，可适用于不同的季节。

本发明利用马桶的水箱作为冷水箱，因为冲水马桶每天使用的中水包含大量的低品位热量，而且没有各种杂质，较家庭污水更干净，其低品位热量利用相对简单，而且水温对马桶的使用效果影响不大，特别是在夏季，冲水温度低，会降低马桶异味。而且利用马桶的水箱作为冷水箱，节省了单独设置的冷水箱，在节约了成本的基础上，减少了卫生间的占用空间。

本发明在冷水箱的外部还设置了保温层，以避免冷水箱内的工质吸收外部环境的热量过快，造成外部环境的快速温度降低。

本说明书中等效实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，等效实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

Claims (8)

1.一种具有废热回收功能的热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器包括热泵循环系统、热水换热器和废热回收热管；

所述废热回收热管的冷凝段设置在所述热泵循环系统的冷水箱的内部；

所述废热回收热管的蒸发段设置在浴室内的废热聚集处；

所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述热水换热器的内部；

所述热水换热器的入水口与自来水管的出水口连接，所述热水换热器的出水口与混水阀的第一入水口连接，所述混水阀的第二入水口与自来水管的出水口连接，所述混水阀的出水口与淋浴喷头连接。

2.根据权利要求1所述的具有废热回收功能的热泵热水器，其特征在于，所述废热回收热管包括蒸汽废热回收热管、排风废热回收热管和热水废热回收热管中的一种或多种；

所述蒸汽废热回收热管的蒸发段设置在浴室顶部，所述排风废热回收热管的蒸发段设置在浴室的排风口、所述热水废热回收热管的蒸发段设置在浴室的淋浴区地面。

3.根据权利要求1所述的具有废热回收功能的热泵热水器，其特征在于，所述热泵循环系统包括：冷水箱、蒸发器、压缩机和冷凝器；

所述冷水箱内灌装有工质，所述蒸发器设置在冷水箱内，所述蒸发器的出口经过所述压缩机与所述冷凝器的入口连接；所述冷凝器的出口经过膨胀阀与所述蒸发器的入口连接。

4.根据权利要求3所述的具有废热回收功能的热泵热水器，其特征在于，所述蒸发器在所述冷水箱内吸热过程中，所述冷水箱内工质的相变率为20％-60％。

5.根据权利要求3所述的具有废热回收功能的热泵热水器，其特征在于，所述冷水箱为马桶的水箱。

6.根据权利要求5所述的具有废热回收功能的热泵热水器，其特征在于，所述蒸发器在所述马桶的水箱内吸热过程，马桶的水箱内的水的相变率为20％-50％。

7.根据权利要求3或5所述的具有废热回收功能的热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器还包括保温层，所述保温层包覆在所述冷水箱的外部；所述保温层的厚度为使所述冷水箱内的工质从洗浴后的温度升高至环境温度的时间间隔为10-20小时对应的厚度。

8.根据权利要求3或5所述的具有废热回收功能的热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器还包括水温传感器和控制系统；

所述水温传感器设置在热水换热器的出水管路内，所述水温传感器与所述控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端与所述压缩机的控制端连接，所述控制系统用于根据所述水温传感器测量的热水换热器的出水管路内的水温调整所述压缩机的转速。

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