CN213067164U - 一种低环温水溶液能源塔及其热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及换热设备领域，尤其涉及一种低环温水溶液能源塔及其热泵系统，包括塔体，所述塔体内至少设置一防止塔体内流体结冰的第一加热管，所述第一加热管位于换热管的下方；所述储液池内至少设置有一防止储液池内流体结冰的第二加热管；高效地防止塔内结冰，延长其使用寿命。

Description

一种低环温水溶液能源塔及其热泵系统

技术领域

本实用新型涉及换热设备领域，尤其涉及一种低环温水溶液能源塔及其热泵系统。

背景技术

随着中国经济的高速增长，能源的消耗量越来越大，大量化石燃料破坏了生态环境，温室效应越来越严重。当前我国建筑用能量十分巨大，目前建筑能耗占我国全社会终端能耗的比例约为27.5％。且随着城镇化的发展，建筑能耗将快速增加，城市化的发展给我国建筑用能的能源供应造成了较大压力。空调耗能占建筑能耗的30％左右，提高空调系统的效率对于节能减排具有重大意义。

在我国夏热冬冷地区，由于冬季该区域没有集中供暖，建筑大多采用电或带辅热的空气源热泵以及燃油、燃气锅炉等方式供暖，存在高品位能源消耗较大、一次能源利用率低、存在污染等问题。同时，由于夏热冬冷地区冬季室外空气“低温高湿”的特点，使得目前在此区域内使用较多的空气源热泵系统室外换热器难以维持在干工况运行，空气里的水蒸气凝结在翅片表面，发生结霜后系统各项性能系数大大降低，甚至不能工作。针对此地区气候特点，结合空气源热泵及水冷机组用冷却塔的优点，为解决室外换热器结霜问题，同时利用冬季湿空气显热及水蒸气相变潜热，开发发展出了一种热源塔热泵的新型热泵系统。热源塔在夏季用作冷却塔向环境排放热量，冬季用作热源塔利用低温防冻溶液吸取空气中的热量。该设备具有冬夏季双高效的特点，一塔两用提高了设备利用率，既节能又环保。

热源塔热泵解决了传统水冷冷水机组加锅炉系统中冷却塔冬季闲置和锅炉污染的缺点，也避免了像空气源热泵的结霜问题，其造价及维护费用远低于水地源热泵系统。但是由于冬夏季运行工况的不同，夏季热源塔的散热主要靠潜热，而冬季热源塔换热量中显热占比很大，潜热占比很小，冬季热源塔的换热效率低于夏季，所以一般都按照冬季工况来设计热源塔，导致设计出的热源塔体积较大。热源塔较大的体积会增加热源塔的造价，而且容易出现场地受限的问题。同时，在不同的室外条件下建筑负荷不同，目前热源塔热泵主要用于长江中下游地区，在冬季气温更低的地区，热源塔的优势并不明显。这是因为建筑负荷和热源塔取热量是相互矛盾的，室外气温低的时建筑热负荷很大，但此时热源塔从室外空气中取热已经变得很困难。在这种工况下要从室外环境中取得更多的热量就必须要降低热源塔中循环溶液的温度，增大温差以吸取更多热量。随着溶液温度的降低，将会导致蒸发温度下降和系统能效的降低。因此热源塔对冬季室外环境温度有一定的限制，环境温度过低时同样体积的热源塔取热量将会衰减，很有可能满足不了建筑所需热量。所以目前热源塔的适用地区主要为长江中下游地区，在较为寒冷的地区热源塔使用受限，寒冷的地区使用热源塔还导致热源塔内结冰等现象的发生。

如申请人之前申请的公开号为“CN110360852A”的中国实用新型专利中记载一种相变能源塔及其换热方法，其中，相变介质采用的是醇类溶液如乙二醇或丙二醇或盐类溶液如氯化钠混合溶液，该溶液的浓度可根据最低运行环境温度进行调配以改变冰点，申请人实践过程中发现无论是自己的方案还是现在的热源塔大都采用盐溶液或者乙二醇溶液防止结冰，这类化学性的防结冰手段存在有三个问题：一是盐溶液腐蚀零部件，导致能源塔的使用寿命极大地缩短；二是需要定期浓缩溶液，增加了额外的溶液浓缩设备，不但增加成本而且增加占地空间；三是排放溶液污染环境。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供了一种高效防结冰的低环温水溶液能源塔及其热泵系统。

为达上述目的，本实用新型的主要技术解决手段是一种低环温水溶液能源塔，包括塔体，所述塔体内部设有用于封闭输送制冷剂的换热管，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热管上方且喷淋方向朝向换热管的喷淋器，以及设置在换热管下方用于承接相变介质的储液池；所述储液池与喷淋器通过管路相通，喷淋器喷出的相变介质在换热管表面以部分蒸发或冷凝的方式与换热管内部的制冷剂进行热交换，低环温水溶液能源塔还包括第一加热管和/或第二加热管，所述第一加热管位于塔体内并对流经塔体内的相变介质进行加热，所述第一加热管位于换热管的下方；所述第二加热管位于所述储液池内并对流经储液池内的相变介质进行加热，上述的相变介质为水。

在一些实例中，所述储液池内至少设置一用以在环境温度特别低时辅助加热的电加热器。

在一些实例中，所述储液池与喷淋器之间的管路上设置有一水路旁通电磁阀。

在一些实例中，所述塔体的下端部上设有进风口，塔体的顶部设有出风口，塔体内设有促进气流由进风口至出风口的风机，所述风机处于塔体的出风口上，风机与换热管之间的塔体内部设有除沫器，所述第一加热管位于换热管与进风口之间。

在一些实例中，所述塔体内至少设有用于测量盘管表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口空气温度的第三温度传感器。

在一些实例中，所述第一加热管和/或第二加热管为盘管结构。

在一些实例中，所述储液池内设置有一用以检测储液池内相变介质水位高度的液位计。

一种具有低环温水溶液能源塔的热泵系统，包括低环温水溶液能源塔以及制冷剂循环封闭回路，所述换热管连接于制冷剂循环封闭回路中，制冷剂循环封闭回路还包括换热器，制冷剂在所述换热器内与所述相变能源塔的换热管内的换热方向相反；第一加热管/第二加热管/第一加热管和第二加热管串联连接于制冷剂循环封闭回路。

在一些实例中，所述换热管的一端为进出液端，另一端为进出气端；制冷剂循环封闭回路还包括压缩机、节流装置和油分离器，所述压缩机、油分离器、第一加热管/第二加热管/第二加热管和第一加热管、换热管的进出气端、换热管的进出液端、节流装置、换热器的进液端、换热器的进出气端、压缩机之间依次连接构成第一换热回路；所述压缩机、油分离器、第一加热管/第二加热管/第二加热管和第一加热管、换热器的进出气端、换热器的出液端、节流装置、换热管的进出液端、换热管的进出气端、压缩机之间依次连接构成第二换热回路。

在一些实例中，所述换热管为盘管，盘管中的轴向相邻两层盘管单元之间交错设置；所述盘管的进出液端上设有分配器，分配器与换热管的每个进出液端均相连，进出液管上设置有单向阀，流向与分配器相反。

本实用新型由于采用了以上的技术方案，达到以下效果：

1.采用水作为循环溶液并且以增加两级加热盘管，无需添加盐溶液或者乙二醇溶液，达到同等的防结冰效果，在最低环境温度为-10℃以上的地区均可使用，环保无污染，无需额外的溶液浓缩设备，减少占地面积，节约成本。

2.夏季作为蒸发冷通过水蒸发潜热吸收热量，冬季作为热源塔吸收水冷凝甚至结冰潜热，充分利用不同季节水相变潜热，换热器效率更高。

3.冬季作为热源塔运行时，通过增加两级加热盘管，防止水侧结冰，同时水槽设有电加热作为辅助加热进一步防止水结冰。

4.该相变能源塔中喷淋系统内所采用的是相变介质，喷淋系统所喷淋的相变介质能够附着于换热管表面形成水膜或薄冰，并以部分蒸发或冷凝的方式与换热管内部的制冷剂进行热交换，常压下水的汽化潜热是水比热容的500多倍，水的凝固潜热是水比热容的近80倍，所以利用相变可以极大地提高换热量。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的结构示意图，

图2是图1实施例的夏季热泵系统流向的结构示意图，

图3是图1实施例的冬季热泵系统流向的结构示意图，

图中：塔体1、换热管2、第一加热管3、进风口4、进出气端5、集气管6、喷淋器7、除沫器8、风机9、出风口10、溶液泵11、储液池12、第二加热管13、电加热器14、补液通道15、液位计16、第一单向阀17、进出液端18、分配器19、水路旁通电磁阀20、换热器 21、压缩机22、油分离器23、储液罐24、第二单向阀25、节流装置26、旁通阀27、四通换向阀28。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

实施例1

如图1所示的一种低环温水溶液能源塔，该技术方案的设计思路和结构与之前申请的公开号为CN110360852A的中国实用新型专利所阐述实施例1中的一种相变能源塔实施方案大体一致，具体可参考该专利申请文件的内容，不同的地方在于，申请人在实践过程中发现，现在的热源塔大都采用盐溶液或者乙二醇溶液防止结冰，有三个问题：一是盐溶液腐蚀零部件，导致能源塔的使用寿命极大地缩短；二是需要定期浓缩溶液，增加了额外的溶液浓缩设备，不但增加成本而且增加占地空间；三是排放溶液污染环境，本专利采用水作为循环溶液，在最低环境温度为-10℃以上的地区均可使用，环保无污染，无需额外的溶液浓缩设备，因此，由于以上的种种问题，该实施例改变了之前采用化学性质防结冰的方案，采用物理性质的防结冰方案，具体如下：

所述低环温水溶液能源塔，包括塔体1，述塔体1内部设有用于封闭输送制冷剂的换热管2，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热管2上方且喷淋方向朝向换热管2的喷淋器7，以及设置在换热管2下方用于承接相变介质的储液池12；所述储液池12与喷淋器7通过管路相通，管路上设有溶液泵11对相变介质由储液池输送至喷淋器提供动力，喷淋器7喷出的相变介质在换热管表面以部分蒸发或冷凝的方式与换热管内部的制冷剂进行热交换，低环温水溶液能源塔还包括第一加热管3和/或第二加热管13，所述第一加热管3位于塔体1内并对流经塔1内的相变介质进行加热，所述第一加热管3位于换热管2的下方；所述第二加热管13位于所述储液池12内并对流经储液池12内的相变介质进行加热；本实施例是同时增设第一加热管3和第二加热管13，通过增加两级加热盘管，防止水侧结冰，无需再从溶液中加入盐溶液或者乙二醇溶液进行化学性质的防止结冰，延长其设备的使用寿命,在本实施例中，第一加热管3和第二加热管13均呈盘管状，储液池12上设有液位计16和补液通道15，在液位计16监测到储液池12内的相变介质低于设定高度时，通过补液通道15补入相变介质。

所述换热管2为螺旋型盘管，螺旋型盘管中的轴向相邻两层盘管单元之间交错设置；所述螺旋型盘管的进出液端18上设有分配器19，分配器19与换热管2的每个进出液端18均相连，进出液管上设置有第一单向阀17，流向与分配器19相反；所述换热管内增有集气管6。

为了更好地防止储液池12内出现结冰或霜的现象发生，所述储液池12内至少设置一用以在环境温度特别低时辅助加热的电加热器14。

此外，所述储液池12与喷淋器7之间的管路上设置有一水路旁通电磁阀20，当储液池12中的相变介质(水)温度达到-1℃时，电加热器14就开启进行辅助加热，进而水路旁通电磁阀20开启，进行补充水，所述塔体1的下端部上设有进风口4，进风口4上设有进风格栅，塔体1的顶部设有出风口10，塔体1内设有促进气流由进风口4至出风口10的风机9。该技术方案中，换热管2内部的制冷剂能够与塔体1内部的空气进行热交换，而上述进风口4、出风口10和风机9的设置能够促进内部空气流通，提升换热效率。所述风机9 处于塔体1的进风口4上，风机9与换热组件之间的塔体1内部设有除沫器8。

上述方案中，所述塔体1内至少设有用于测量换热板表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池12内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口4空气温度的第三温度传感器。上述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器所提供的检测数据是对于本方案的热源塔运行监控，即通过检测相变介质温度，换热器21盘管温度和进风温度，判断环境温度作及使用负荷。换热管2内部的制冷剂与塔体1内部空气换热，以及喷淋器7的相变介质换热可根据环境温度作及使用负荷做出不同模式的调整，具体模式细节可参照申请人在公开号为CN110360852A的中国实用新型专利名称为一种相变能源塔实施方案的阐述，在这就不再过多赘述。

综合上述所有结构，该低环温水溶液能源塔存在如下优点：

1.采用水作为循环溶液并且以增加两级加热盘管，无需添加盐溶液或者乙二醇溶液，达到同等的防结冰效果，在最低环境温度为-10℃以上的地区均可使用，环保无污染，无需额外的溶液浓缩设备，减少占地面积，节约成本。

2.夏季作为蒸发冷通过水蒸发潜热吸收热量，冬季作为热源塔吸收水冷凝甚至结冰潜热，充分利用不同季节水相变潜热，换热器21效率更高。

3.冬季作为热源塔运行时，通过增加两级加热盘管，防止水侧结冰，同时水槽设有电加热作为辅助加热进一步防止水结冰。

4.制冷剂直接进入热源塔与溶液热交换，减少中间换热温差，系统效率更高。

5.与传统风冷机组相比，冬季盘管不会结霜，无需化霜程序，提高运行效率，不会影响用户使用。

6.根据季节环境变化及使用情况多种模式切换，更节能。

7.采用闭式结构，极少飘水，减少水耗。

在冬季机组的运行状况以及补水防水如下：

冬季或者过渡季节，机组不运行时，一旦三个传感器中的一个数值低于0℃，溶液泵11开启，当储液池12温度低于-1℃，水路旁通电磁阀20开启，电加热器14也同时开启，当储液池12温度低于-3℃时，打开储液池12排水电磁阀，将储液池12内水排出。

实施例2

本实施例是基于实施例1中的具体低环温水溶液能源塔而采用的热泵系统，因此本实施例采用上述实施例1中的具体低环温水溶液能源塔予以实施。其热泵系统的流向和操作过程可参照申请人之前申请公开号为CN110360769A的中国实用新型专利阐述的一种具有相变能源塔的热泵系统的技术方案，其热泵系统的流向和操作过程就不再过多赘述，不同之处在于，热泵系统包括低环温水溶液能源塔以及制冷剂循环封闭回路，所述换热管2连接于制冷剂循环封闭回路中，制冷剂循环封闭回路还包括换热器21，制冷剂在所述换热器21内与所述相变能源塔的换热管2内的换热方向相反；所述第一加热管3的一端连接于第二加热管13的一端，第一加热管3的另一端和第二加热管13的另一端分别连接于制冷剂循环封闭回路中，所述换热管2的一端为进出液端18，另一端为进出气端5，换言之，第一加热管3和第二加热管13串联并连接于制冷剂循环封闭回路中。

当同时设置第一加热管3和第二加热管13时，制冷剂循环封闭回路还包括压缩机22、节流装置26和油分离器23，所述压缩机22、油分离器23、第二加热管13、第一加热管3、换热管2的进出气端5、换热管2的进出液端18、节流装置26、换热器21的进液端、换热器21的进出气端5、压缩机22之间依次连接构成第一换热回路；所述压缩机22、油分离器 23、第二加热管13、第一加热管3、换热器21的进出气端5、换热器21的出液端、节流装置26、换热管2的进出液端18、换热管2的进出气端5、压缩机22之间依次连接构成第二换热回路。

如果只设置第一加热管3或第二加热管13时，所述压缩机22、油分离器23、第二加热管13或第一加热管3、换热管2的进出气端5、换热管2的进出液端18、节流装置26、换热器21的进液端、换热器21的进出气端5、压缩机22之间依次连接构成第一换热回路，所述压缩机22、油分离器23、第二加热管13或第一加热管3、换热器21的进出气端5、换热器21的出液端、节流装置26、换热管2的进出液端18、换热管2的进出气端5、压缩机 22之间依次连接构成第二换热回路。

实施例3

本实施例是基于实施例2中的具体低环温水溶液能源塔的热泵系统而采用的换热方法，因此本实施例采用上述实施例2中的具体低环温水溶液能源塔的热泵系统予以实施。具体地，本实施例涉及一种低环温水溶液能源塔的换热方法，当制冷剂流经换热器21管内时，所述喷淋系统将储液池12内的相变介质通过喷淋器7喷洒到换热管2表面，并以部分蒸发或冷凝的方式与换热管内部的制冷剂进行热交换。以使所述换热管2内的制冷剂液化或气化。

上述换热方法包括夏季模式和冬季模式。

夏季(图2所示)：制冷剂气体经压缩机22压缩后进入油分离器23，此时旁通阀27打开，油分离器23出来的制冷剂气体通过四通换向阀28进入热源塔，制冷剂气体被冷却成液体通过第二单向阀25进入储液罐24，然后经过第二单向阀25进入节流装置26被节流后进入壳管换热器21后蒸发成气体，再通过四通换向阀28进入压缩机22，完成一个循环。

冬季(图3所示)：同时设置第一加热管3和第二加热管13时，制冷剂气体经压缩机22压缩后进入油分，此时旁通阀27关闭，油分出来的制冷剂气体进入第二加热管13然后再进入第一加热管3放热后，通过四通换向阀28进入壳管换热器21，制冷剂气体被冷却成液体通过第二单向阀25进入储液罐24，然后经过第二单向阀25进入节流装置26被节流，然后经过第二单向阀25进入热源塔后蒸发成气体，再通过四通换向阀28进入压缩机22，完成一个循环。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。

本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种低环温水溶液能源塔，包括塔体(1)，所述塔体(1)内部设有用于封闭输送制冷剂的换热管(2)，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热管(2)上方且喷淋方向朝向换热管(2)的喷淋器(7)，以及设置在换热管(2)下方用于承接相变介质的储液池(12)；所述储液池(12)与喷淋器(7)通过管路相通，喷淋器(7)喷出的相变介质在换热管(2)表面以部分蒸发或冷凝的方式与换热管(2)内部的制冷剂进行热交换，其特征在于，低环温水溶液能源塔还包括第一加热管(3)和/或第二加热管(13)，所述第一加热管(3)位于塔体(1)内并对流经塔体(1)内的相变介质进行加热，所述第一加热管(3)位于换热管(2)的下方；所述第二加热管(13)位于所述储液池(12)内并对流经储液池(12)内的相变介质进行加热。

2.根据权利要求1所述的低环温水溶液能源塔，其特征在于，所述储液池(12)内至少设置一用以在环境温度特别低时辅助加热的电加热器(14)。

3.根据权利要求1所述的低环温水溶液能源塔，其特征在于，所述储液池(12)与喷淋器(7)之间的管路上设置有一水路旁通电磁阀(20)。

4.根据权利要求1所述的低环温水溶液能源塔，其特征在于，所述塔体(1)的下端部上设有进风口(4)，塔体(1)的顶部设有出风口(10)，塔体(1)内设有促进气流由进风口(4)至出风口(10)的风机(9)，所述风机(9)处于塔体(1)的出风口(10)上，风机与换热管(2)之间的塔体(1)内部设有除沫器(8)，所述第一加热管(3)位于换热管(2)与进风口(4)之间。

5.根据权利要求1所述的低环温水溶液能源塔，其特征在于，所述塔体(1)内至少设有用于测量盘管表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池(12)内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口(4)空气温度的第三温度传感器。

6.根据权利要求1所述的低环温水溶液能源塔，其特征在于，所述第一加热管(3)和/或第二加热管(13)为盘管结构。

7.根据权利要求1所述的低环温水溶液能源塔，其特征在于，所述储液池(12)内设置有一用以检测储液池(12)内相变介质水位高度的液位计(16)。

8.一种具有低环温水溶液能源塔的热泵系统，其特征在于，包括权利要求1至权利要求7任一一项的低环温水溶液能源塔，以及制冷剂循环封闭回路，所述换热管(2)连接于制冷剂循环封闭回路中，制冷剂循环封闭回路还包括换热器(21)，制冷剂在所述换热器(21)内与所述低环温水溶液能源塔的换热管(2)内的换热方向相反；第一加热管(3)和/或第二加热管(13)串联连接于制冷剂循环封闭回路。

9.根据权利要求8所述的具有低环温水溶液能源塔的热泵系统，其特征在于，所述换热管(2)的一端为进出液端(18)，另一端为进出气端(5)；制冷剂循环封闭回路还包括压缩机(22)、节流装置(26)和油分离器(23)，所述压缩机(22)、油分离器(23)、第一加热管(3)和/或第二加热管(13)、换热管(2)的进出气端(5)、换热管(2)的进出液端(18)、节流装置(26)、换热器(21)的进液端、换热器(21)的进出气端(5)、压缩机(22)之间依次连接构成第一换热回路；所述压缩机(22)、油分离器(23)、第一加热管(3)和/或第二加热管(13)、换热器(21)的进出气端(5)、换热器(21)的出液端、节流装置(26)、换热管(2)的进出液端(18)、换热管(2)的进出气端(5)、压缩机(22)之间依次连接构成第二换热回路。

10.根据权利要求8所述的具有低环温水溶液能源塔的热泵系统，其特征在于，所述换热管(2)为盘管，盘管中的轴向相邻两层盘管单元之间交错设置；所述盘管的进出液端(18)上设有分配器(19)，分配器(19)与换热管(2)的每个进出液端(18)均相连，进出液管上设置有第一单向阀(17)，流向与分配器(19)相反。

Images