CN114017932B - 一种零碳开水机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种零碳开水机，包括：蓄水箱、分级加热模块、开水箱和供电模块；蓄水箱的进水口与自来水连接；蓄水箱的出水口与分级加热模块的进水口连接；分级加热模块的出水口与开水箱的进水口连接；开水箱上设置有开水出水口；供电模块与分级加热模块连接；分级加热模块用于对进入分级加热模块的水进行分级加热。本发明通过设置分级加热模块对进入分级加热模块的水进行分级加热，能够使得开水机达到节能、零碳排放的效果。

Description

一种零碳开水机

技术领域

本发明涉及开水机技术领域，特别是涉及一种零碳开水机。

背景技术

目前，开水已成为人们生产生活各领域中不可或缺的重要部分。然而，开水的制取仍主要采用电加热法和燃烧法，能量的消耗十分惊人，与国家提出的“碳达峰、碳中和”的发展目标背道而驰。减少开水制取的能源消耗已成为一个迫在眉睫的需求。在开水机的节能减碳方面，现有研究大都停留在对基于电加热法的开水机/热水机进行节能改进，例如改进电加热丝、水温调节器、开水储存器等装置或对制水流程进行优化，以降低电力消耗。因此，未能有效解决开水制取时高能耗、高碳排放的痛点。根据国际能源署数据，目前低碳能源技术中，热泵和光伏均处于早期应用阶段，具有较大开发潜力。因此，本发明拟利用热泵和光伏技术解决开水制取的痛点。

空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置，相较于传统的电热法和燃烧法制取热水技术，具有显著的节能优势。然而，目前国内外空气源热泵热水器一般只能将水加热至65℃，将水加热到沸点及以上的研究极少。制冷剂作为热泵的工作介质，其环保要求越来越高。由于氟碳化合物会造成严重的环境问题，使得利用自然工质作为替代制冷剂的系统重新受到重视，特别是二氧化碳由于它的不可燃性和无毒性更是尤为令人关注。二氧化碳由于临界压力较低，通常用于跨临界循环。

太阳能是世界各国可持续发展的重要能量来源，其开发利用主要包括光热利用、光伏应用、光化学利用等形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存，其中太阳能热水器是利用最成功的实例。光伏利用是以电能作为最终的表现形式，具有传输方便、无污染、规模大小不限等优势。目前，我国太阳能利用率仍然很低。

总的来说，利用太阳能和空气能这两种清洁能源研发零碳开水机，将突破目前开水制取能耗高和碳排放量大的痛点，实现开水制取领域可持续发展的双碳目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种零碳开水机，具有节能、零碳的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种零碳开水机，包括：

蓄水箱、分级加热模块、开水箱和供电模块；

所述蓄水箱的进水口与自来水连接；所述蓄水箱的出水口与所述分级加热模块的进水口连接；所述分级加热模块的出水口与所述开水箱的进水口连接；所述开水箱上设置有开水出水口；所述供电模块与所述分级加热模块连接；所述分级加热模块用于对进入所述分级加热模块的水进行分级加热。

可选的，所述分级加热模块，具体包括：

一级加热模块和二级加热模块；

所述蓄水箱的出水口与所述一级加热模块的进水口连接；所述一级加热模块的出水口与所述二级加热模块的进水口连接；所述二级加热模块的出水口与所述开水箱的进水口连接。

可选的，所述一级加热模块为太阳能热水器。

可选的，所述二级加热模块为跨临界循环热泵。

可选的，所述二级加热模块使用的工质为二氧化碳。

可选的，所述二级加热模块，具体包括：

风机，以及依次循环连接的蒸发器、压缩机、冷却器和膨胀阀；

所述冷却器的进水口与所述一级加热模块的出水口连接；所述冷却器的出水口与所述开水箱的进水口连接；所述风机和所述压缩机均与所述供电模块连接；

所述风机用于使空气流过所述蒸发器；

所述蒸发器中的低温低压气液两相流体工质吸收空气的热量，得到低温低压气态工质；

所述压缩机用于将所述低温低压气态工质压缩为超临界高温高压工质，并将所述超临界高温高压工质输入所述冷却器中；

所述冷却器中经一级加热模块加热后的水吸收超临界高温高压工质中的热量，得到开水进入开水箱；所述冷却器中超临界高温高压工质被经一级加热模块加热后的水吸收热量后，得到超临界低温高压工质；所述超临界低温高压工质经过膨胀阀节流，得到低温低压气液两相流体工质进入所述蒸发器。

可选的，所述供电模块，具体包括：

光伏板、控制器、蓄电池和逆变器；

所述光伏板、所述蓄电池和所述逆变器均与所述控制器连接；所述逆变器分别与所述风机和所述压缩机连接；

所述控制器用于控制所述光伏板将太阳能转换为直流电存储在蓄电池中，并控制所述逆变器将直流电转换为交流电分别传输给所述风机和所述压缩机。

可选的，所述零碳开水机，还包括：

室内机箱；

所述风机、所述蒸发器、所述压缩机、所述冷却器、所述膨胀阀和所述开水箱均设置在所述室内机箱内。

可选的，所述零碳开水机，还包括：

室内机箱和室外机箱；

所述冷却器和所述开水箱均设置在所述室内机箱内。

所述风机、所述蒸发器、所述压缩机和所述膨胀阀均设置在所述室外机箱内。

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：

本发明提供了一种零碳开水机，包括：蓄水箱、分级加热模块、开水箱和供电模块；蓄水箱的进水口与自来水连接；蓄水箱的出水口与分级加热模块的进水口连接；分级加热模块的出水口与开水箱的进水口连接；开水箱上设置有开水出水口；供电模块与分级加热模块连接；分级加热模块用于对进入分级加热模块的水进行分级加热。本发明通过设置分级加热模块对进入分级加热模块的水进行分级加热，能够使得开水机达到节能、零碳排放的效果。

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为本发明实施例一中一体式零碳开水机结构示意图；

图2为本发明实施例二中分体式零碳开水机结构示意图。

附图说明：1-一级加热模块；2-蓄水箱；3-光伏板；4-控制器；5-蓄电池；6-逆变器；7-开水箱；8-温度传感器；9-冷却器；10-压缩机；11-膨胀阀；12-蒸发器；13-风机。

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零碳开水机，具有节能、零碳的优点。

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。

实施例一

图1为本发明实施例一中一体式零碳开水机结构示意图，如图1，本发明提供了一种零碳开水机，包括：

蓄水箱、分级加热模块、开水箱7和供电模块；

蓄水箱2的进水口与自来水连接；蓄水箱的出水口与分级加热模块的进水口连接；分级加热模块的出水口与开水箱的进水口连接；开水箱上设置有开水出水口；供电模块与分级加热模块连接；分级加热模块用于对进入分级加热模块的水进行分级加热。

其中，分级加热模块，具体包括：

一级加热模块1和二级加热模块；

蓄水箱的出水口与一级加热模块的进水口连接；一级加热模块的出水口与二级加热模块的进水口连接；二级加热模块的出水口与开水箱的进水口连接。

具体的，一级加热模块为太阳能热水器。

具体的，二级加热模块为跨临界循环热泵。

具体的，二级加热模块使用的工质为二氧化碳。

其中，二级加热模块，具体包括：

风机13，以及依次循环连接的蒸发器12、压缩机10、冷却器9和膨胀阀11；

冷却器的进水口与一级加热模块的出水口连接；述冷却器的出水口与开水箱的进水口连接；风机和压缩机均与供电模块连接；

风机用于使空气流过蒸发器；

蒸发器中的低温低压气液两相流体工质吸收空气的热量，得到低温低压气态工质；

压缩机用于将低温低压气态工质压缩为超临界高温高压工质，并将超临界高温高压工质输入冷却器中；

冷却器中经一级加热模块加热后的水吸收超临界高温高压工质中的热量，得到开水进入开水箱；冷却器中超临界高温高压工质被经一级加热模块加热后的水吸收热量后，得到超临界低温高压工质；所述超临界低温高压工质经过膨胀阀节流，得到低温低压气液两相流体工质进入蒸发器。

其中，供电模块，具体包括：

光伏板3、控制器4、蓄电池5和逆变器6；

光伏板、蓄电池和逆变器均与控制器连接；逆变器分别与风机和压缩机连接；

控制器用于控制光伏板将太阳能转换为直流电存储在蓄电池中，并控制逆变器将直流电转换为交流电分别传输给风机和压缩机。

此外，本发明提供的零碳开水机，还包括：

室内机箱；

风机、蒸发器、压缩机、冷却器、膨胀阀和开水箱均设置在室内机箱内。

实施例二

图2为本发明实施例二中分体式零碳开水机结构示意图，如图2所示，本实施例与实施例一的不同点在于，本实施例提供的零碳开水机，还包括：

室内机箱和室外机箱；

冷却器和开水箱均设置在室内机箱内。

风机、蒸发器、压缩机和膨胀阀均设置在室外机箱内。

对于分体式零碳开水机，其热泵模块包括室内机和室外机。室内机尺寸可以做小而节省市内空间，分离安装可以使机器更方便地与建筑物相结合。

工作原理及性能分析

开水机的主要工作原理为：水通过太阳能热水器吸收太阳能升温至一定温度(50-60℃)，然后通过冷却器吸收热泵循环从环境空气中提取的热量和压缩机做功继续升温至沸腾(100℃)：首先，光伏板接收太阳辐射，将能量转换为直流电存储在蓄电池中，再通过逆变器转换为交流电，发电过程由控制器控制；然后，将交流电供给压缩机和风机，风机使环境空气以一定流速流过蒸发器，将热量传递给低温低压两相二氧化碳，使之变为低温低压气体；随后，经过压缩机将气态二氧化碳压缩成超临界高温高压工质，并通过冷却器将高温高压二氧化碳的热量传递给水，使水温度上升至100℃，同时使二氧化碳被冷却成低温高压工质；最后，通过膨胀阀，将低温高压二氧化碳节流成亚临界状态的低温低压气液两相流体，进入蒸发器。

太阳能加热模块。由水箱和太阳能热水器构成。水箱用于存储系统所需水源，在实际使用中可不加水箱，使太阳能热水器与建筑供水管道直接连接即可。太阳能热水器把太阳光能转化为热能，对水进行初级加热，得到一定温度(50-60℃)的热水。

二氧化碳跨临界热泵模块。由压缩机、冷却器、膨胀阀、蒸发器和风机构成。热泵循环在亚临界条件下通过蒸发器从环境空气中吸取热量，然后在超临界状态下通过冷却器将热量传递给经过初级加热后的热水使之进一步升温至沸腾状态(100℃)。需要注意的是，对于分体机，环境指建筑物外围；对于一体机，环境指建筑物内部。通常，建筑物内外环境温度存在一定差异，在实际应用中应选择适合的形式。此外，在冬季或环境温度较低时，可通过在压缩机和蒸发器之间添加液-液换热器或电加热器，利用热水或电能提升压缩机进口冷媒温度，确保系统正常工作。在夏季或常年温度较高的地区，一体机在提供开水的同时，还可以降低建筑物内部的温度，具有一定的空调功能。

太阳能光伏发电模块。由光伏板、控制器、蓄电池和逆变器构成。利用半导体的光生伏打效应，在太阳能光伏板中完成光电转化。利用控制器对充电电路进行控制和保护。利用蓄电池储存所获电能，以供夜晚或非晴天天气时使用。利用逆变器将直流电变换为交流电。最后供给压缩机和风机等负载。

本发明提出的零碳开水机，利用太阳能和空气能两种清洁能源。采用光热和光电利用两种形式利用太阳能，采用二氧化碳跨临界热泵循环利用空气能。采用单级压缩和两级加热构型制取开水，系统高效节能且简单可靠。提出分体式和一体式两种开水机形式。开水机实现了零碳排放。

本说明书中各个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，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种零碳开水机，其特征在于，所述零碳开水机，包括：

蓄水箱、分级加热模块、开水箱和供电模块；

所述蓄水箱的进水口与自来水连接；所述蓄水箱的出水口与所述分级加热模块的进水口连接；所述分级加热模块的出水口与所述开水箱的进水口连接；所述开水箱上设置有开水出水口；所述供电模块与所述分级加热模块连接；所述分级加热模块用于对进入所述分级加热模块的水进行分级加热；

分级加热模块中的二级加热模块，具体包括：

风机，以及依次循环连接的蒸发器、压缩机、冷却器和膨胀阀；

所述冷却器的进水口与所述分级加热模块中的一级加热模块的出水口连接；所述冷却器的出水口与所述开水箱的进水口连接；所述风机和所述压缩机均与所述供电模块连接；

所述风机用于使空气流过所述蒸发器；

所述蒸发器中的低温低压气液两相流体工质吸收空气的热量，得到低温低压气态工质；

所述压缩机用于将所述低温低压气态工质压缩为超临界高温高压工质，并将所述超临界高温高压工质输入所述冷却器中；

所述冷却器中经一级加热模块加热后的水吸收超临界高温高压工质中的热量，得到开水进入开水箱；所述冷却器中超临界高温高压工质被经一级加热模块加热后的水吸收热量后，得到超临界低温高压工质；所述超临界低温高压工质经过膨胀阀节流，得到低温低压气液两相流体工质进入所述蒸发器；

所述二级加热模块使用的工质为二氧化碳；

在夏季或常年温度高的地区，所述零碳开水机在提供开水的同时，还能够降低建筑物内部的温度，具有空调功能。

2.根据权利要求1所述的零碳开水机，其特征在于，所述分级加热模块，具体包括：

一级加热模块和二级加热模块；

所述蓄水箱的出水口与所述一级加热模块的进水口连接；所述一级加热模块的出水口与所述二级加热模块的进水口连接；所述二级加热模块的出水口与所述开水箱的进水口连接。

3.根据权利要求2所述的零碳开水机，其特征在于，所述一级加热模块为太阳能热水器。

4.根据权利要求2所述的零碳开水机，其特征在于，所述二级加热模块为跨临界循环热泵。

5.根据权利要求1所述的零碳开水机，其特征在于，所述供电模块，具体包括：

光伏板、控制器、蓄电池和逆变器；

所述光伏板、所述蓄电池和所述逆变器均与所述控制器连接；所述逆变器分别与所述风机和所述压缩机连接；

所述控制器用于控制所述光伏板将太阳能转换为直流电存储在蓄电池中，并控制所述逆变器将直流电转换为交流电分别传输给所述风机和所述压缩机。

6.根据权利要求5所述的零碳开水机，其特征在于，所述零碳开水机，还包括：

室内机箱；

所述风机、所述蒸发器、所述压缩机、所述冷却器、所述膨胀阀和所述开水箱均设置在所述室内机箱内。

7.根据权利要求1所述的零碳开水机，其特征在于，所述零碳开水机，还包括：

室内机箱和室外机箱；

所述冷却器和所述开水箱均设置在所述室内机箱内；

所述风机、所述蒸发器、所述压缩机和所述膨胀阀均设置在所述室外机箱内。

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