CN113465014B - 洗浴废水热能梯级利用的双源供水系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及洗浴废热梯级利用的双源热泵热水系统及控制方法，是双源热泵热水系统包括废热水收集系统和热水制备及供应系统，废热水收集系统包括污水收集、处理及储存装置，热水制备及供应系统包括预热换热器、污水源热泵机组、空气源热泵机组、循环加热水箱和贮热水箱，该双源热泵热水系统可结合不同的天气状况和运行条件采取最优的热水制备模式，有效地保障了当洗浴废水量不够或冬季自来水温度过低时的供水稳定。该双源热泵热水系统，对洗浴废热水进行三级热能回收，提高了热泵热水系统的工作效率、节能水平和运行稳定性，实现了资源的循环利用。

Description

洗浴废水热能梯级利用的双源供水系统及其控制方法
技术领域
本发明属于洗浴废水余热回收领域，具体为一种洗浴废热梯级利用的双源热泵热水系统及控制方法。
背景技术
当前社会，能源问题的影响日益凸显，从节能降耗的角度对现有能量利用系统进行节能设计或节能改造，以提高能源的梯级利用效率，是大势所趋。目前生活热水能耗在建筑能耗中仅次于暖通空调能耗，有必要探讨其节能降耗的新技术和新方法。
目前集体浴室、酒店式公寓、宾馆等场所洗浴热水用量大，且用水时间段较为集中，洗浴废水的温度通常维持在33-35℃左右，温度波动幅度较小，该部分余热回收利用价值空间较大。
而现有的通常做法是将温度高于环境温度的洗浴废水直接排入污水系统，使得该部分客观的热量未被有效回收利用，造成了能源的巨大浪费，且加剧了环境的热污染。
若使用热泵技术加以余热回收利用，将其作为稳定热源向低温自来水放热，以加热洗浴用水，减少原有设备的能源消耗，也是一种节能环保的能量利用方式。
相比于使用较为广泛的单源空气源热泵，污水源热泵能够节约34％左右的电能消耗，便可达到所需的设计温度，且污水源热泵稳定性和可靠性较高，基本不受室外气象条件影响，但是污水源热泵的使用会受到实际产生废水量的制约。
发明内容
本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种洗浴废热梯级利用的双源热泵热水系统及控制方法，它能够充分利用洗浴废水中的热能，并实现双源热泵热水系统中不同状况下的热水供应模式的切换和控制，保证热水系统的稳定运行。
本发明的技术方案：本发明所述的洗浴废水热能梯级利用的双源供水系统，包括废热水箱、总污水源热泵机组、循环加热水箱、空气源热泵机组和贮热水箱；
所述自来水进水端分别管道连通所述循环加热水箱的进水端和总污水源热泵机组的进水端；
所述废热水箱的出水端管道连通所述总污水源热泵机组的进水端；
所述总污水源热泵机组的出水端分别管道连通所述循环加热水箱的进水端和所述贮热水箱的进水端；
所述空气源热泵机组的出水端分别管道连通所述贮热水箱的进水端和所述循环加热水箱的进水端；
所述循环加热水箱的出水端管道连通所述空气源热泵机组的进水端。
进一步的，所述废热水箱向所述总污水源热泵机组的供水管路上设有第一电磁阀；
所述自来水进水端向所述总污水源热泵机组的供水管路上设有第二电磁阀；
所述自来水进水端向所述循环加热水箱的供水管路上设有第三电磁阀；
所述总污水源热泵机组的废水排出端设有第四电磁阀；
所述循环加热水箱向所述空气源热泵机组的供水管路上设有第五电磁阀；
所述贮热水箱向所述循环加热水箱的供水管路上设有第六电磁阀。
进一步的，所述废热水箱内设有用于检测所述废热水箱内液位的第一液位传感器；
所述循环加热水箱内设有用于检测所述循环加热水箱内液位第二液位传感器；
所述总污水源热泵机组的出水端设有第一温度传感器；
所述空气源热泵机组的出水端设有第二温度传感器；
所述贮热水箱内设有用于检测所述贮热水箱内水温的第三温度传感器和用于检测所述贮热水箱内液位的第三液位传感器。
进一步的，所述总污水源热泵机组包括预热换热器、第一污水源热泵机组和第二污水源热泵机组。
进一步的，所述的预热换热器中的废热水换热通道和清水换热通道的换热温差均为13-15℃左右；所述的第一污水源热泵机组和第二污水源热泵机组蒸发器的换热温差为7-9℃左右、冷凝器的换热温差为7-9℃左右。
当废热水箱中存在废热水时，清水依次流经预热换热器的清水换热通道、第一污水源热泵机组的冷凝器、第二污水源热泵机组的冷凝器实现被加热；
废热水流经预热换热器的废热水换热通道、第二污水源热泵机组的蒸发侧、第一污水源热泵机组的蒸发侧实现被冷却。
本发明还公开了一种适用于双源供水系统的控制方法，其特征在于：
包括第一热水制备模式、第二热水制备模式、第三热水制备模式、第四热水制备模式和第五热水制备模式；
所述第一热水制备模式包括自来水进水端的自来水依次经总污水源热泵机组加热后流入贮热水箱；
所述第二热水制备模式包括自来水进水端的自来水经总污水源热泵机组加热后流入循环加热水箱，经所述循环加热水箱送入空气源热泵机组加热后流入贮热水箱；
所述第三热水制备模式包括：自来水进水端的自来水流经循环加热水箱，经所述自来水流经循环加热水箱送入经空气源热泵机组加热后，流入贮热水箱；
所述第四热水制备模式包括：循环加热水箱中的循环水经空气源热泵机组加热后流入贮热水箱；
所述第五热水制备模式包括：所述贮热水箱中的中温水进入循环加热水箱，循环加热水箱将中温水送入空气源热泵机组加热后，流入贮热水箱。
进一步的，设第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第一液位传感器、第二液位传感器、第三液位传感器的示数分别为T1、T2、T3、H1、H2、H3；
当废热水箱内无废热水时，
若温度T3和液位H3都在设定范围内，则可以使用贮热水箱直接提供热水；
若液位H3在设定范围内，而温度T3<T0时，采用第五热水制备模式；
若H3＝0且H2≠0时，采用第四热水制备模式；
若H3＝H2＝H1＝0时，采用第三热水制备模式；
若H3＝H2＝0且H1≠0时，采用第一热水制备模式或第二热水制备模式；
当所述废热水箱内有废热水时，
若温度T3和液位H3都在设定范围内，优先采用第一热水制备模式；
若H1≠0且T1<T0时，采用第二热水制备模式；
若H1＝0且T1<T0时，采用第三热水制备模式。
有益效果：
1.采用污水源热泵为主、空气源热泵为辅的双源热泵热水系统，够充分利用洗浴废水中的热能，并实现双源热泵热水系统中不同状况下的热水供应模式的切换和控制，保证热水系统的稳定运行；提高了热泵热水系统的工作效率、节能水平和运行稳定性，实现了资源的循环利用；
2.除贮热水箱外，另设置有循环加热水箱，将温度符合供水要求的热水及时分离开来，有效减少了补水过程中冷热混合产生的火积耗散；
3.通过对整体系统的节能优化控制，针对不同的运行工况采取不同的热水制备模式，有效地保障了当洗浴废水量不够或冬季自来水温度过低时的供水稳定。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种洗浴废热梯级利用的双源热泵热水系统示意图；
图2为本发明所涉及的一种洗浴废热梯级利用的双源热泵热水系统热水制备的控制流程图；
1-淋浴器、2-地漏、3-过滤装置、4-沉降池、5-废热水箱、51-第一液位传感器、52-溢流管、53-排污管、6-污水泵、7-自来水进水管、8-预热换热器、81-废热水换热通道、82-清水换热通道、9-第一污水源热泵机组、10-第二污水源热泵机组、11-废水排放管、12-第一温度传感器、13-第一电动三通阀、14-循环加热水箱、15-循环水泵、16-空气源热泵机组、17-第二温度传感器、18-第二电动三通阀、19-贮热水箱、191-第三温度传感器、192-三液位传感器、20-热水供水管、21-热水回水管,V1-第一电磁阀、V2-第二电磁阀、V3-第三电磁阀、V4-第四电磁阀、V5-第五电磁阀、V6-第六电磁阀。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1所示，本洗浴废水热能梯级利用的双源供水系统，包括废热水收集系统和热水制备及供应系统。其中，废热水收集系统包括地漏2、过滤装置3、沉降池4和废热水箱5，所述地漏2用于收集洗浴废水，并依次经过过滤装置3和沉降池4充分过滤掉废热水中的毛发和颗粒杂质，将废热水储存在废热水箱5中；所述废热水箱5内设置有第一液位传感器51，上部设置有溢流管52，下部设置有排污管53；热水制备及供应系统包括污水泵6、自来水进水管7、预热换热器8、第一污水源热泵机组9、第二污水源热泵机组10、废水排放管11、循环加热水箱14、空气源热泵机组16、贮热水箱19、热水供水管20、热水回水管21、淋浴器1。
预热换热器8包括废热水换热通道81和清水换热通道82；废热水箱5经止回阀、污水泵6和第一电磁阀V1与废热水换热通道81相连接，自来水进水管经止回阀和第二电磁阀V2与清水换热通道82相连接；第一污水源热泵机组9的冷凝器入口与预热换热器8中的清水换热通道82的出口相连接，蒸发器入口与第二污水源热泵机组10的蒸发器出口相连接；第二污水源热泵机组10的冷凝器入口与第一污水源热泵机组9的冷凝器出口相连接，蒸发器入口与预热换热器8中的废热水换热通道81的出口相连接；
废水排放管11与第二污水源热泵机组10的蒸发器出口相连接，管道上设置有第四电磁阀V4；循环加热水箱14通过第三电磁阀V3所在管道与自来水进水管7相连接；所述循环加热水箱14通过第一电动三通阀13的AC通道与第二污水源热泵机组10的冷凝器出口相连接，第二污水源热泵机组10的冷凝器出口管道上设置有第一温度传感器12；循环加热水箱14通过第二电动三通阀18的DF通道与空气源热泵机组16的冷凝器出口相连接；所述循环加热水箱14通过第六电磁阀V6所在管道与贮热水箱19相连接；所述循环加热水箱14内设置有第二液位传感器141；空气源热泵机组16的冷凝器入口通过第五电磁阀V5和循环水泵15所在管道与循环加热水箱14相连接，空气源热泵机组16的冷凝器出口管道上设置有第二温度传感器17；贮热水箱19通过第一电动三通阀13的AB通道与第二污水源热泵机组10的冷凝器出口相连接，通过第二电动三通阀18的DE通道与空气源热泵机组16的冷凝器出口相连接；所述贮热水箱19内设置有第三温度传感器191和第三液位传感器192；所述贮热水箱19通过热水供水管20将热水送至淋浴器1的配水点。
如图1所示，根据一天内不同时间段的洗浴特点和可能出现的情况，该系统热水制备模式可分为如下五种：第一热水制备模式：开启第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第四电磁阀V4，关闭第三电磁阀V3、第五电磁阀V5、第六电磁阀V6，自来水依次经清水换热通道、第一污水源热泵机组和第二污水源热泵机组加热后通过第一电动三通阀的AB通道流入贮热水箱。第二热水制备模式：开启第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第四电磁阀V4、第五电磁阀V5，关闭第三电磁阀V3、第六电磁阀V6，自来水依次经清水换热通道、第一污水源热泵机组、第二污水源热泵机组加热后通过第一电动三通阀的AC通道流入循环加热水箱，再经空气源热泵机组加热后通过第二电动三通阀的DE通道流入贮热水箱。第三热水制备模式：开启第三电磁阀V3、第五电磁阀V5，关闭第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第四电磁阀V4、第六电磁阀V6，自来水流经循环加热水箱，再经空气源热泵机组加热后通过第二电动三通阀的DE通道流入贮热水箱。第四热水制备模式：开启第五电磁阀V5，关闭第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4、第六电磁阀V6，循环加热水箱中的循环水经空气源热泵机组加热后通过第二电动三通阀的DE通道流入贮热水箱。第五热水制备模式：开启第五电磁阀V5、第六电磁阀V6，关闭第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4，贮热水箱中的中温水经空气源热泵机组加热后通过第二电动三通阀的DE通道流入贮热水箱。
如图2所示，该系统热水制备的控制方法如下：
设第一温度传感器(12)、第二温度传感器(17)、第三温度传感器(191)和第一液位传感器(51)、第二液位传感器(141)、第三液位传感器(192)的示数分别为T1、T2、T3、H1、H2、H3，供热水的设定温度为T0，贮热水箱的最低允许液位和最高允许液位分别为Hmin和Hmax。
初次洗浴时，若温度T3和液位H3都在设定范围内，则可以直接供热水；若液位在设定范围内，而温度T3<T0时，采用第五热水制备模式；若H3＝0且H2≠0时，采用第四热水制备模式；若H3＝H2＝H1＝0时，采用第三热水制备模式；若H3＝H2＝0且H1≠0时，采用第一热水制备模式或二。
洗浴中期时，若温度T3和液位H3都在设定范围内，优先采用第一热水制备模式；若H1≠0且T1<T0时，采用第二热水制备模式；若H1＝0且T1<T0时，采用第三热水制备模式。
以冬季为洗浴废热梯级利用的双源热泵热水系统制备热水的具体实施例，自来水的温度为4-12℃，洗浴废热水的温度为35℃，洗浴需求热水供应温度T0为43℃。
其中，当废热水箱(5)内无废热水时，可能为一天内第一次有人洗浴，可能就还没有废热水产生，也是一天内第一次开始产生废热水的时候，如果温度T3和液位H3都在设定范围内，说明储热水箱内有热水，就可以直接供热水洗浴；
当废热水箱(5)内有废热水时，可能为非第一次洗浴的时候，废热水箱中可能会有废热水，贮热水箱内的储存容积有限，洗浴人数无法预估，所以优先使用废热水制备热水，使热泵机组先运行，这边只是建议优先
实施例1：一天内初次洗浴，且贮热水箱、循环加热水箱、废热水箱均没有热水时，采用空气源热泵机组直接将4-12℃的自来水加热到43℃。
实施例2：一天内初次洗浴，贮热水箱内有热水，但温度小于43℃时，将贮热水箱中的热水流经循环加热水箱，开启空气源热泵机组将其加热到43℃。
实施例3：一天内初次洗浴，贮热水箱、废热水箱均没有热水，循环加热水箱有热水时，直接开启空气源热泵机组将循环加热水箱中的水加热到43℃。
实施例4：一天内初次洗浴，但用水量较大、废热水箱中有废热水时，或者在洗浴中期，废热水箱中有废热水时，优先开启污水源热泵机组，当自来水温度为12℃左右时，清水经预热换热器加热后温度约为27℃，再经第一污水源热泵机组的冷凝器加热后温度约为35℃，最后经第二污水源热泵机组的冷凝器加热后温度约为43℃；废热水经预热换热器冷却后温度约为20℃，再经第二污水源热泵机组的蒸发侧冷却后温度约为12℃，最后经第一污水源热泵机组的冷凝器冷却后温度约为4℃，可直接排放。
实施例5：一天内初次洗浴，但用水量较大、废热水箱中有废热水时，或者在洗浴中期，废热水箱中有废热水时，优先开启污水源热泵机组，当遇到极端天气，自来水温度为4℃左右时，清水经预热换热器加热后温度约为19℃，再经第一污水源热泵机组的冷凝器加热后温度约为28℃，最后经第二污水源热泵机组的冷凝器加热后温度约为37℃，此时温度低于43℃，则需将热水流经循环加热水箱，开启空气源热泵辅助加热，将热水从37℃加热到43℃。
实施例6：在洗浴中期，废热水量不够提供足量的热水时，当自来水温度为12℃左右时，自来水直接流经循环加热水箱，开启空气源热泵机组辅助加热，直接将自来水加热到43℃。
本发明所述的一种洗浴废热梯级利用的双源热泵热水系统及控制方法，可以充分回收利用洗浴废热水中的热能，并结合不同的天气状况和运行条件制定控制方法，可提高热泵热水系统的工作效率、节能水平和运行稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种洗浴废水热能梯级利用的双源供水系统，其特征在于：包括废热水箱(5)、总污水源热泵机组(80)、循环加热水箱(14)、空气源热泵机组(16)和贮热水箱(19)；
自来水进水端(7)分别管道连通所述循环加热水箱(14)的进水端和总污水源热泵机组(80)的进水端；
所述废热水箱(5)的出水端管道连通所述总污水源热泵机组(80)的进水端；
所述总污水源热泵机组(80)的出水端分别管道连通所述循环加热水箱(14)的进水端和所述贮热水箱(19)的进水端；
所述空气源热泵机组(16)的出水端分别管道连通所述贮热水箱(19)的进水端和所述循环加热水箱(14)的进水端；
所述循环加热水箱(14)的出水端管道连通所述空气源热泵机组(16)的进水端；
所述总污水源热泵机组(80)包括预热换热器(8)、第一污水源热泵机组(9)和第二污水源热泵机组(10)；
预热换热器(8)包括废热水换热通道(81)和清水换热通道(82)；废热水箱(5)经止回阀、污水泵(6)和第一电磁阀(V1)与废热水换热通道(81)相连接，自来水进水管经止回阀和第二电磁阀(V2)与清水换热通道(82)相连接；第一污水源热泵机组(9)的冷凝器入口与预热换热器(8)中的清水换热通道(82)的出口相连接，蒸发器入口与第二污水源热泵机组(10)的蒸发器出口相连接；第二污水源热泵机组(10)的冷凝器入口与第一污水源热泵机组(9)的冷凝器出口相连接，蒸发器入口与预热换热器(8)中的废热水换热通道(81)的出口相连接；
所述的预热换热器(8)中的废热水换热通道(81)和清水换热通道(82)的换热温差均为13-15℃左右；所述的第一污水源热泵机组(9)和第二污水源热泵机组(10)蒸发器的换热温差为7-9℃左右、冷凝器的换热温差为7-9℃左右；
当废热水箱(5)中存在废热水时，清水依次流经预热换热器(8)的清水换热通道(82)、第一污水源热泵机组(9)的冷凝器、第二污水源热泵机组(10)的冷凝器实现被加热；
废热水流经预热换热器(8)的废热水换热通道(81)、第二污水源热泵机组(10)的蒸发侧、第一污水源热泵机组(9)的蒸发侧实现被冷却。
2.根据权利要求1所述的双源供水系统，其特征在于：所述废热水箱(5)向所述总污水源热泵机组(80)的供水管路上设有第一电磁阀(V1)；
所述自来水进水端(7)向所述总污水源热泵机组(80)的供水管路上设有第二电磁阀(V2)；
所述自来水进水端(7)向所述循环加热水箱(14)的供水管路上设有第三电磁阀(V3)；
所述总污水源热泵机组(80)的废水排出端设有第四电磁阀(V4)；
所述循环加热水箱(14)向所述空气源热泵机组(16)的供水管路上设有第五电磁阀(V5)；
所述贮热水箱(19)向所述循环加热水箱(14)的供水管路上设有第六电磁阀(V6)。
3.根据权利要求2所述的双源供水系统，其特征在于：所述废热水箱(5)内设有用于检测所述废热水箱(5)内液位的第一液位传感器(51)；
所述循环加热水箱(14)内设有用于检测所述循环加热水箱(14)内液位第二液位传感器(141)；
所述总污水源热泵机组(80)的出水端设有第一温度传感器(12)；
所述空气源热泵机组(16)的出水端设有第二温度传感器(17)；
所述贮热水箱(19)内设有用于检测所述贮热水箱(19)内水温的第三温度传感器(191)和用于检测所述贮热水箱(19)内液位的第三液位传感器(192)。
4.一种适用于权利要求3所述双源供水系统的控制方法，其特征在于：
包括第一热水制备模式、第二热水制备模式、第三热水制备模式、第四热水制备模式和第五热水制备模式；
所述第一热水制备模式包括自来水进水端(7)的自来水依次经总污水源热泵机组(80)加热后流入贮热水箱(19)；
所述第二热水制备模式包括自来水进水端(7)的自来水经总污水源热泵机组(80)加热后流入循环加热水箱(14)，经所述循环加热水箱(14)送入空气源热泵机组(16)加热后流入贮热水箱(19)；
所述第三热水制备模式包括：自来水进水端(7)的自来水流经循环加热水箱(14)，经所述自来水流经循环加热水箱(14)送入经空气源热泵机组(16)加热后，流入贮热水箱(19)；
所述第四热水制备模式包括：循环加热水箱(14)中的循环水经空气源热泵机组(16)加热后流入贮热水箱(19)；
所述第五热水制备模式包括：所述贮热水箱(19)中的中温水进入循环加热水箱(14)，循环加热水箱(14)将中温水送入空气源热泵机组(16)加热后，流入贮热水箱(19)。
5.根据权利要求4所述的一种双源供水系统的控制方法，其特征在于：设第一温度传感器(12)、第二温度传感器(17)、第三温度传感器(191)和第一液位传感器(51)、第二液位传感器(141)、第三液位传感器(192)的示数分别为T1、T2、T3、H1、H2、H3；
当废热水箱(5)内无废热水时，
若温度T3和液位H3都在设定范围内，则可以使用贮热水箱(19)直接提供热水；
若液位H3在设定范围内，而温度T3<T0时，采用第五热水制备模式；
若H3＝0且H2≠0时，采用第四热水制备模式；
若H3＝H2＝H1＝0时，采用第三热水制备模式；
若H3＝H2＝0且H1≠0时，采用第一热水制备模式或第二热水制备模式；
当所述废热水箱(5)内有废热水时，
若温度T3和液位H3都在设定范围内，优先采用第一热水制备模式；
若H1≠0且T1<T0时，采用第二热水制备模式；
若H1＝0且T1<T0时，采用第三热水制备模式。
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