CN111750419A - 基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，包括蓄热罐，下布水器，凉水母管，补水管道，循环泵，跨临界二氧化碳热泵，上布水器，热水母管，生活热水支管，热水供水泵，废水排放管道，废水储水箱，位于废水储水箱与热泵之间并安装在废水排放管道上的废水增压泵，与凉水母管相连接的太阳能加热水管道，安装在太阳能加热水管道上的集热器循环泵，安装在太阳能加热水管道上并与热水母管相连接、用于吸收太阳的辐射并加热水的太阳能集热器。本发明制冷剂环境友好度高，废水余热回收，节能，供水温度高，智慧热水供应。可广泛应用于居民及商业用户生活热水供应中，尤其适用于大型居民及商业用户生活热水供应中。

Description

基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统
技术领域
本发明涉及一种基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，可广泛应用于居民及商业用户生活热水供应中，尤其适用于大型居民及商业用户生活热水供应中。
背景技术
随着生活水平的提高，生活热水的需求越来越大，目前居民及商业生活热水的供应主要靠燃气锅炉、电锅炉及其他工业锅炉。燃气锅炉受制于我国缺少天然气的自然秉性及燃气价格较高的制约，技术发展受到制约。电锅炉采用直热的方式供热，把高品位的电能转化成低品位的热能，是对电能的极大浪费。以氟利昂、R134a四氟乙烷为制冷剂的传统热泵，存在制冷剂臭氧消耗势ODP高或者温室效应势GWP高、供水温度低、制冷性能系数COP低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制冷剂环境友好度高、废水余热回收、节能、供水温度高、智慧热水供应的基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统。
为了达到上述目的，本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，包括基于水的自然分层原理用于储存热量的蓄热罐，安装在蓄热罐下部内壁上的下布水器，与下布水器相连接的凉水母管，与凉水母管相连接的补水管道，安装在凉水母管管道上的循环泵，安装在凉水母管管道末端上的跨临界二氧化碳热泵，安装在蓄热罐上部内壁上的上布水器，与上布水器相连接、并与热泵相连接的热水母管，与热水母管相连接的生活热水支管，安装在生活热水支管管道上、为生活热水用户提供热水的热水供水泵，对生活热水用户产生的废水集中排出的废水排放管道，安装在废水排放管道上用于收集并储存经生活热水用户使用过的生活热水的废水储水箱，位于废水储水箱与热泵之间并安装在废水排放管道上的废水增压泵，与凉水母管相连接的太阳能加热水管道，安装在太阳能加热水管道上的集热器循环泵，安装在太阳能加热水管道上并与热水母管相连接、用于吸收太阳的辐射并加热水的太阳能集热器。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的跨临界二氧化碳热泵，包括与凉水母管相连接的低温加热器，通过水管道与低温加热器相连接的中温加热器，通过水管道与中温加热器相连接、通过输送热泵制冷剂的热泵制冷剂管道与低温加热器相连接、通过热水母管与上布水器相连接的高温加热器，通过热泵制冷剂管道与低温加热器相连接的回热器，通过热泵制冷剂管道一端与回热器相连接、另一端与中温加热器、高温加热器相连接的压缩机，通过热泵制冷剂管道与中温加热器相连接的中温加热器膨胀阀，通过热泵制冷剂管道与回热器相连接的回热器膨胀阀，通过热泵制冷剂管道与中温加热器膨胀阀、回热器膨胀阀相连接的电动三通阀，设有空气入口与空气出口、并通过热泵制冷剂管道与电动三通阀相连接的气体蒸发器，一端设有废水出口及另一端通过废水管道与废水增压泵相连接、一端通过热泵制冷剂管道与电动三通阀相连接及另一端与气体蒸发器相连接的液体蒸发器，一端通过热泵制冷剂管道与回热器相连接、另一端通过热泵制冷剂管道与气体蒸发器及液体蒸发器相连接的气液分离器。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的跨临界二氧化碳热泵制冷剂，为二氧化碳。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，其工作原理是：补水进入凉水母管，太阳充足时，凉水经集热器循环泵增压后，进入太阳能集热器，吸收太阳的辐射，温度升高后进入热水母管；另外一部分凉水，经循环泵增压后，进入跨临界二氧化碳热泵，吸收废水或者空气热量，温度升高后进入热水母管。热水母管中生活热水，经热水供水泵增压后，分配给生活热水用户使用，储水箱收集储存使用过的生活热水，经废水增压泵增压后，进入跨临界二氧化碳热泵回收热量后排放。多余的热水储存在蓄热罐中，供热用户使用。同时蓄热罐还能解决太阳能白天多、电价白天贵与生活热水晚上使用量大的矛盾。太阳能集热器吸收太阳辐射产生热量，基本无能源消耗；污水源热泵制冷性能系数COP大于空气源热泵的制冷性能系数COP。为了充分的利用能源，节省运行费用，本系统能源调用策略如下：依据天气预报预测未来一天太阳能集热器集热量、检测蓄热罐目前蓄热量、结合预估的未来一天生活热水用户用热量，依次调用太阳能集热器集热量、谷电时污水源热泵废水余热、平电时污水源热泵废水余热、峰电时污水源热泵废水余热、谷电时空气源热泵空气热量、平电时空气源热泵空气热量、峰电时空气源热泵空气热量。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的跨临界二氧化碳热泵工作原理是：压缩机出口的高温高压二氧化碳分为两路，一路先后进入高温加热器和低温加热器降温后，再进入回热器继续降温，然后进入回热器膨胀阀后，压力迅速降低，成为低温低压气液两相混合物；另外一路进入中温加热器降温，然后进入中温加热器膨胀阀后，压力迅速降低，成为低温低压气液两相混合物。回热器膨胀阀和中温加热器膨胀阀出口的工质混合后进入电动三通阀，当储水箱中有水时，电动三通阀接通液体蒸发器，低温低压气液两相混合物吸收废水的热量，使大部分液体汽化，以污水源热泵形式运行；当储水箱中没有水时，电动三通阀接通气体蒸发器，低温低压气液两相混合物吸收环境空气的热量，使大部分液体汽化，以空气源热泵形式运行。液体蒸发器和气体蒸发器出口的制冷剂进入气液分离器，液体留在气液分离器中，饱和的二氧化碳气体进入回热器升温，变成低温低压的过热二氧化碳气体，然后进入压缩机提高压力，成为高温高压二氧化碳，如此循环往复。凉水母管中的凉水经循环泵增压后先后进入低温加热器、中温加热器、高温加热器加热后升温至60℃~95℃，进入热水母管。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的高温加热器、低温加热器、回热器、液体蒸发器、气体蒸发器、中温加热器，为间壁式换热器，能够利用高温热媒的热量加热低温热媒。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的低温加热器、中温加热器和高温加热器，依次通过水管道相连接，凉水母管中凉水依次经过低温加热器、中温加热器和高温加热器加热后，升温至60℃~95℃，进入热水母管。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的回热器，入口通过热泵制冷剂管道与气液分离器相连接，出口通过热泵制冷剂管道与压缩机入口相连接。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的压缩机，为活塞式压缩机、滚动转子式压缩机、涡旋压缩机或螺杆式压缩机。能够把入口的低温低压过热的二氧化碳气体提高压力，使之成为高温的超临界二氧化碳。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，以制冷剂臭氧消耗势ODP为0、温室效应势GWP为1的自然工质二氧化碳为制冷剂，环境友好度高；太阳能集热器吸收太阳辐射产生热量，基本无能源消耗；热泵能以污水源热泵模式运行，回收使用过的生活热水的余热，能以空气源热泵模式运行，补充所缺的热量；蓄热罐能解决太阳能白天多、电价白天贵与生活热水晚上使用量大的矛盾；凉水在跨临界二氧化碳热泵中经三级加热器加热，热量梯级利用，充分利用压缩机出口跨临界二氧化碳温度高的特点，出水温度达到60℃~95℃，解决传统热泵出水温度低，微生物易繁殖的缺点；用热、产热预测结合目前蓄热量，制定最佳能源调用策略，达到智慧供热目的。
综上所述，本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，制冷剂环境友好度高，废水余热回收，节能，供水温度高，智慧热水供应。
附图说明
以下结合附图及其实施例对本发明作更进一步的说明。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
在图1中，本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，包括基于水的自然分层原理用于储存热量的蓄热罐1，安装在蓄热罐下部内壁上的下布水器2，与下布水器相连接的凉水母管3，与凉水母管相连接的补水管道4，安装在凉水母管管道上的循环泵5，安装在凉水母管管道末端上的跨临界二氧化碳热泵6，安装在蓄热罐上部内壁上的上布水器7，与上布水器相连接、并与热泵相连接的热水母管8，与热水母管相连接的生活热水支管9，安装在生活热水支管管道上、为生活热水用户17提供热水的热水供水泵10，对生活热水用户产生的废水集中排出的废水排放管道11，安装在废水排放管道上用于收集并储存经生活热水用户使用过的生活热水的废水储水箱12，位于废水储水箱与热泵之间并安装在废水排放管道上的废水增压泵13，与凉水母管相连接的太阳能加热水管道14，安装在太阳能加热水管道上的集热器循环泵15，安装在太阳能加热水管道上并与热水母管相连接、用于吸收太阳的辐射并加热水的太阳能集热器16。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的跨临界二氧化碳热泵6，包括与凉水母管相连接的低温加热器6-1，通过水管道与低温加热器相连接的中温加热器6-2，通过水管道与中温加热器相连接、通过输送热泵制冷剂的热泵制冷剂管道与低温加热器相连接、通过热水母管与上布水器相连接的高温加热器6-3，通过热泵制冷剂管道与低温加热器相连接的回热器6-4，通过热泵制冷剂管道一端与回热器相连接、另一端与中温加热器、高温加热器相连接的压缩机6-5，通过热泵制冷剂管道与中温加热器相连接的中温加热器膨胀阀6-6，通过热泵制冷剂管道与回热器相连接的回热器膨胀阀6-7，通过热泵制冷剂管道与中温加热器膨胀阀、回热器膨胀阀相连接的电动三通阀6-8，设有空气入口a与空气出口b、并通过热泵制冷剂管道与电动三通阀相连接的气体蒸发器6-9，一端设有废水出口c及另一端通过废水管道与废水增压泵相连接、一端通过热泵制冷剂管道与电动三通阀相连接及另一端与气体蒸发器相连接的液体蒸发器6-10，一端通过热泵制冷剂管道与回热器相连接、另一端通过热泵制冷剂管道与气体蒸发器及液体蒸发器相连接的气液分离器6-11。
本发明基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，所述的跨临界二氧化碳热泵制冷剂，为二氧化碳。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，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，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，其特征在于，包括基于水的自然分层原理用于储存热量的蓄热罐，安装在蓄热罐下部内壁上的下布水器，与下布水器相连接的凉水母管，与凉水母管相连接的补水管道，安装在凉水母管管道上的循环泵，安装在凉水母管管道末端上的跨临界二氧化碳热泵，安装在蓄热罐上部内壁上的上布水器，与上布水器相连接、并与热泵相连接的热水母管，与热水母管相连接的生活热水支管，安装在生活热水支管管道上、为生活热水用户提供热水的热水供水泵，对生活热水用户产生的废水集中排出的废水排放管道，安装在废水排放管道上用于收集并储存经生活热水用户使用过的生活热水的废水储水箱，位于废水储水箱与热泵之间并安装在废水排放管道上的废水增压泵，与凉水母管相连接的太阳能加热水管道，安装在太阳能加热水管道上的集热器循环泵，安装在太阳能加热水管道上并与热水母管相连接、用于吸收太阳的辐射并加热水的太阳能集热器。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，其特征在于，所述的跨临界二氧化碳热泵，包括与凉水母管相连接的低温加热器，通过水管道与低温加热器相连接的中温加热器，通过水管道与中温加热器相连接、通过输送热泵制冷剂的热泵制冷剂管道与低温加热器相连接、通过热水母管与上布水器相连接的高温加热器，通过热泵制冷剂管道与低温加热器相连接的回热器，通过热泵制冷剂管道一端与回热器相连接、另一端与中温加热器、高温加热器相连接的压缩机，通过热泵制冷剂管道与中温加热器相连接的中温加热器膨胀阀，通过热泵制冷剂管道与回热器相连接的回热器膨胀阀，通过热泵制冷剂管道与中温加热器膨胀阀、回热器膨胀阀相连接的电动三通阀，设有空气入口与空气出口、并通过热泵制冷剂管道与电动三通阀相连接的气体蒸发器，一端设有废水出口及另一端通过废水管道与废水增压泵相连接、一端通过热泵制冷剂管道与电动三通阀相连接及另一端与气体蒸发器相连接的液体蒸发器，一端通过热泵制冷剂管道与回热器相连接、另一端通过热泵制冷剂管道与气体蒸发器及液体蒸发器相连接的气液分离器。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能和跨临界二氧化碳热泵的生活热水供应系统，其特征在于，所述的跨临界二氧化碳热泵制冷剂，为二氧化碳。
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CN114484933B (zh) * 2022-03-03 2023-12-01 东北电力大学 二氧化碳跨临界储电耦合太阳能储热及二氧化碳储存的循环系统装置及系统方法

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