CN216744925U - 地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，包括清水进水管、换热器、热泵A、热泵B、热泵C、洗浴废水进水管、地埋管A、热水输出管和废水排放管；所述清水进水管、洗浴废水进水管分别与换热器连接，换热器、热泵A、热泵B依次串联，废水排放管与热泵A中的蒸发器A连接，热水输出管分别与热泵B中的冷凝器B、热泵C中的冷凝器C连接；热泵C中的蒸发器C与地埋管A连接，并形成一个闭路液体循环管路。通过切换工作模式，便可以无需其它电或空气源等辅热设备就能制备第一桶热水以便整个系统可以运行。

Description

地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统

技术领域

本实用新型属于高效建筑节能的技术领域，具体涉及一种地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统。

背景技术

本申请人之前申请提交了申请号为201910362566.1和2018102542474的专利，以14%电能驱动86%洗浴废热回收并循环利用，不仅将洗浴废水中余热全额回收，而且将清水进口温度与3℃之间的废热超额回收，洗浴废热利用率高达90%。同时能自动应对不同季节、不同工况，同步协调废水与清水流量，在保证洗浴热水温度情况下，自动实现热水产能和COP、废水利用最大化的统一。但是在实际使用过程中发现，一年四季中春夏秋三季均可以正常运行，但是到了冬季，使用效果相对较差。经研究发现是因为冬季的自来水温度相比于其余三季而言较低，而洗浴热水要求的温度相比于其余三季而言也略高，导致清水加热至热水所需温升相比于其余三季而言更高，这就导致最终出水的温度无法满足洗浴要求。另外，冬季除洗浴外，还存在着洗菜、洗手等其他生活热水的刚性需求，生活热水用量超过洗浴废水排放量。

单纯利用上述专利的系统通过洗浴废水制取生活热水，在严寒的冬季自来水温度特别低时，洗浴废水中的热量即使最大限度回收也无法满足生活热水温升的需求，还必须使用辅助加热设备进行加热，虽然辅助制热在总制热中占比很小，但仍然对整体运行带来较多不便，而且会显著降低系统的性能系数。比如电辅热会严重增加设备的整体运行能耗，而且需要另外增加一套电辅热设备进行运行和维护，增加了额外的成本；普通地源热泵系统，施工时需要的地埋管数量多，且地埋管必须保持足够的距离，所以整体占地面积大，现场条件不易满足，而在实际运行时，由于地源温度较低，系统性能系数不高，而且也极易出现地源热失衡的情况，无法保证长期运行。空气源热泵在寒冷的冬季、连续阴雨雪天等恶劣工况下也无法正常使用。

另外上述专利的系统在首次使用的时候，也必须要通过辅助加热系统得到热水进行洗浴之后，才能得到洗浴废水，进而运行系统。

所以如何才可以在一年四季任何工况下无需辅热系统就可使用，以及在冬季如何才可以制取得到比洗浴废水更多的热水是本领域技术人员急需解决的技术问题。

实用新型内容

为解决以上技术问题，本实用新型提供一种地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，相比普通地源热泵系统，洗浴废水源温度显著高于地源温度，废水与清水在换热器中直接换热，使系统制热量、性能系数均能提高50%左右；共两级热泵系统，使得废水中废热回收彻底，全年大部分时间仅利用废水中的热能就可以将清水加热到洗浴所需的温度，只有在自来水温度特别低时才利用地埋管从地源中吸热，仅在冬季作辅助热源使用，用量少，大部分时间不工作，不会导致地源的热失衡；在一年四季无需其他热水设备均能取得清水与废水流量之比≥1:1的突出效果，用洗浴废水不仅可以制取洗浴热水还能制取厨房、卫生间洗菜、洗手、洗脸所需的所有生活热水；通过切换工作模式，便可以无需其它电或空气源等辅热设备就能制备第一桶热水以便整个系统可以运行。

本实用新型提供的技术方案如下：

地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，包括清水进水管、换热器、热泵A、热泵B、热泵C、洗浴废水进水管、地埋管A、热水输出管和废水排放管；所述清水进水管、洗浴废水进水管分别与换热器连接，换热器、热泵A、热泵B依次串联，废水排放管与热泵A中的蒸发器A连接，热水输出管分别与热泵B中的冷凝器B、热泵C中的冷凝器C连接；热泵C中的蒸发器C与地埋管A连接，并形成一个闭路液态循环管路；清水经清水进水管进入换热器中，洗浴废水经洗浴废水进水管进入换热器中，二者在换热器中进行换热，换热后的清水依次通过热泵A的冷凝器A和热泵B的冷凝器B加热后，由热水输出管进入热泵C的冷凝器C进行第三次加热后，供用户使用；换热后的洗浴废水通过热泵B的蒸发器B和热泵A的蒸发器A二次放热后排出。

优选地，还设有一热水箱，热水输出管分支为热水输出管A和热水输出管B；热水输出管A上设有阀门D，并与冷凝器C相连；热水输出管B上设有阀门E，并与热水箱连接，冷凝器C与热水箱连接；热水箱中的热水供用户使用。

优选地，还设有一废水箱，废水箱与洗浴废水进水管连接，洗浴废水进水管上设有废水泵。

优选地，还包括清水进水管A和清水进水管B，两者一端汇合后与清水进水管连接，另一端汇合后，分别与换热器、热水箱连接；与换热器连接的管路上设有阀门B，与热水箱连接的管路上设有阀门C；清水进水管A上设有阀门A，清水进水管B上设有地埋管B并之串联。

优选地，还设有止回阀和循环泵A，安装在管路A上，管路A一端与热水箱连接，另一端连接在阀门E与冷凝器C之间的热水输出管B上。

优选地，闭路液态循环管路上设有一个循环泵B。

优选地，地埋管A有一个或多个地埋管并联而得。

优选地，地埋管B由一个或多个地埋管并联而得。

优选地，还包括一止回阀A，设置在阀D左侧或右侧的热水输出管A上。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术优势：

（1）本实用新型采用地源作为辅助热源，洗浴废热为主要的制热水来源，两者都是稳定可靠的热源。洗浴废水经保温处理收集后，到达废水箱的温度皆在32℃以上；地源处温度受环境温度的影响较小，冬季南方地区（以南京为例）的温度可高达20℃，北方地区（以北京为例）的温度高达15℃。本实用新型中的热水系统主要有三种工作模式（见具体实施方式），在一年四季，任何工况下，均可安全稳定可靠地制取热水，清水与废水流量之比≥1:1，用洗浴废水不仅可以制取洗浴热水还能制取厨房、卫生间洗菜、洗手、洗脸所需的所有生活热水。

（2）与单纯使用普通地源热泵相比，同等条件下，15P机组地源热泵需要15个地源井（100米深、井间距6米），占地面积约252平方米，而本实用新型15P机组只需要5个地源井，占地只有72平方米，不到普通地源热泵的30%，对于容积率越来越高的住宅小区，本实用新型更为可行。

（3）在自来水为8℃的冬季，采用本实用新型中的15P机组制热水，清水流量与废水流量之比为1.4:1，热水出水温度达到45℃，此时系统COP值为6.5，该性能系数大大高于国家标准规定的水（地）源热泵机组COP限值（地埋管、地表水为热源的机组COP限值4.2），约为其1.5倍，比水(地)源热泵机组1级能效（ACCP达5.0）还要高出30%。另外，除去洗浴用热水，余下的40%的45℃的热水被调成60~70%的25~30℃的热水供用户洗菜、洗手等日常使用，其产水量和温度，完全满足了用户日常生活所有热水的需求，而每吨热水能耗只有6.55kw.h，以居民电价0.53元/kw.h计，每吨水能源成本仅为3.47元，比电热水器节能86%，每吨热水节约能源成本约21.87元。

（4）本实用新型中的废热梯级利用水源热泵热水系统，对洗浴废水中的废热进行三级梯级回收，使得废水中废热回收彻底，废水温度可低至3℃。因此，在全年大部分时间仅采用废水中的废热便可以将清水加热到洗浴所需的温度，只有在自来水温度特别低时才利用地埋管从地源中吸热，仅在冬季作辅助热源使用，用量少，大部分时间不工作，不会导致地源的热失衡。

（5）本实用新型中的热水系统，通过工作模式的切换，可以无需其它电或空气源等辅热设备就能制备第一桶热水以便整个系统可以运行。

附图说明

图1本实用新型的热水系统的管路示意图

其中：1、废水箱 2、热水箱 3、换热器 4、热泵A 5、热泵B 6、热泵C 7、洗浴废水进水管 8、地埋管A 9、地埋管B 10、废水排放管 11、废水泵 12、清水进水管A 13、清水进水管B 14、清水进水管 15、阀门B 16、阀门C 17、阀门A 18、蒸发器A 19、热水输出管A 20、热水输出管B 21、阀门D 22、冷凝器C 23、阀门E 24、蒸发器C 25、循环泵B 26、止回阀 27、循环泵A 28、管路A 29、冷凝器A 30、冷凝器B 31、蒸发器B。

具体实施方式

现结合具体实施例和附图对本实用新型做进一步说明。

如图1可知，本实用新型公开了一种地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，包括废水箱1、热水箱2、清水进水管14、换热器3、热泵A4、热泵B5、热泵C6、洗浴废水进水管7、地埋管A8、地埋管B9、热水输出管和废水排放管10；废水箱1与洗浴废水进水管7连接，洗浴废水进水管7上设有废水泵11，洗浴废水进水管7另一端与换热器3连接。还包括清水进水管A12和清水进水管B13，两者一端汇合后与清水进水管14连接，另一端汇合后，分别与换热器3、热水箱2连接；与换热器1连接的管路上设有阀门B15，与热水箱2连接的管路上设有阀门C16；清水进水管A12上设有阀门A17，清水进水管B13上设有地埋管B9并之串联。换热器3、热泵A4、热泵B5依次串联，废水排放管10与热泵A4中的蒸发器A18连接，热水输出管分支为热水输出管A19和热水输出管B20；热水输出管A19上设有阀门D21，并与热泵C6中的冷凝器C22相连；热水输出管B20上设有阀门E23，并与热水箱2连接，热泵C6中的冷凝器C22与热水箱2连接，热水箱2中的热水供用户使用，热泵C6中的蒸发器C24与地埋管A8连接，并形成一个闭路液态循环管路，闭路液态循环管路上设有一个循环泵B25。

作为本实用新型的优选方案，还设有止回阀26和循环泵A27，安装在管路A29上，管路A29一端与热水箱2连接，另一端连接在阀门E23与冷凝器C22之间的热水输出管B20上。

现对本实用新型中的三种工作模式进行说明。

工作模式一：仅用洗浴废热制热水

全年的大部分时间，自来水温度较高，仅利用洗浴废热就可以制取足量的生活热水。此时，阀A17、阀B15、阀E23开，阀C16、阀D21关，清水流经阀A17、阀门B15后进入换热器3，与洗浴废水换热后，再分别进入冷凝器A29、冷凝器B30进行加热，共三级加热后，流经阀门E23进入热水箱2；废水泵11将洗浴废水从废水箱1中泵入换热器3中与自来水进行换热，再经蒸发器B31、蒸发器A18依次放热后由废水排放管10排放到市政排水管网。

经实验测定，在本工作模式中，以清水初始水温12℃为例，当清与废水流量为1：1时，经换热器3、冷凝器A29、冷凝器B30，依次升温至26℃、36℃、45℃。

洗浴废水初始水温33℃，经换热器3、蒸发器B31、蒸发器A18，依次降温至19℃、11℃、3℃。

需要说明的是，本实用新型未在地埋管B9的管路上设置阀门，是因为地埋管B9有200米长，管阻很大，而阀门A17管路只有零点几米且阀门通径较大，管阻几乎忽略不计，当阀门A17打开时，水就会从阀门A17经过，而流经地埋管B9特别少，几乎没有。

工作模式二：利用地源直热式加热辅助

在冬季少部分时间，自来水温度特别低，而且厨房、卫生间洗菜、洗手、洗脸的热水需求增多，需利用地源辅助加热。此时，阀A17、阀B15、阀D21开，阀C16、阀E23关，清水经地埋管B9、换热器3、冷凝器A29、冷凝器B30、冷凝器C22，共五级加热后进入热水箱2，洗浴废水经换热器3、蒸发器B31、蒸发器A18依次放热后排放到市政排水管网，水或其他介质从蒸发器C24通过地埋管A8，从土壤中循环吸热。

经实验测定，在本工作模式中，以清水初始水温8℃为例，当清与废水流量为1.4：1时，经地埋管B9、换热器3、冷凝器A29、冷凝器B30、冷凝器C22，依次升温至13℃、23℃、31℃、38℃、45℃。

洗浴废水初始水温为33℃，经换热器3、蒸发器B31、蒸发器A18，依次降温至19℃、10℃、2℃。

系统运行的具体数据见表1：

工作模式三：利用地源循环式加热辅助

在系统初次使用没有洗浴废水或热水箱2需要保温加热时，需利用地源循环式加热辅助。此时，阀D21关，热水箱的自来水经循环泵A27驱动，经冷凝器C22加热后再回到热水箱2中。水或其他介质从蒸发器C24通过地埋管A8，从土壤中循环吸热。

为了防止该模式下，清水会通过阀门D21逆向进入冷凝器B30中，在热水输出管A上，可安排一个止回阀A（图中未标出）。

需要说明的是，本实用新型列举的工作模式仅为本系统运行时其中的三种，在实际使用过程中，用户可根据自身的需求，通过阀门的切换，衍生出多种工作模式。

Claims (9)

1.地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：包括清水进水管、换热器、热泵A、热泵B、热泵C、洗浴废水进水管、地埋管A、热水输出管和废水排放管；所述清水进水管、洗浴废水进水管分别与换热器连接，换热器、热泵A、热泵B依次串联，废水排放管与热泵A中的蒸发器A连接，热水输出管分别与热泵B中的冷凝器B、热泵C中的冷凝器C连接；热泵C中的蒸发器C与地埋管A连接，并形成一个闭路液体循环管路；清水经清水进水管进入换热器中，洗浴废水经洗浴废水进水管进入换热器中，二者在换热器中进行换热，换热后的清水依次通过热泵A的冷凝器A和热泵B的冷凝器B加热后，由热水输出管进入热泵C的冷凝器C进行第三次加热后，供用户使用；换热后的洗浴废水通过热泵B的蒸发器B和热泵A的蒸发器A两次放热后排出。

2.根据权利要求1所述的地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：还设有一热水箱，热水输出管分支为热水输出管A和热水输出管B；热水输出管A上设有阀门D，并与冷凝器C相连；热水输出管B上设有阀门E，并与热水箱连接，冷凝器C与热水箱连接；热水箱中的热水供用户使用。

3.根据权利要求1所述的地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：还设有一废水箱，废水箱与洗浴废水进水管连接，洗浴废水进水管上设有废水泵。

4.根据权利要求1所述的地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：还包括清水进水管A和清水进水管B，两者一端汇合后与清水进水管连接，另一端汇合后，分别与换热器、热水箱连接；与换热器连接的管路上设有阀门B，与热水箱连接的管路上设有阀门C；清水进水管A上设有阀门A，清水进水管B上设有地埋管B并之串联。

5.根据权利要求1所述的地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：还设有止回阀和循环泵A，安装在管路A上，管路A一端与热水箱连接，另一端连接在阀门E与冷凝器C之间的热水输出管B上。

6.根据权利要求1所述的地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：闭路液体循环管路上设有一个循环泵B。

7.根据权利要求1所述的地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：地埋管A有一个或多个地埋管并联而得。

8.据权利要求1所述的地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：地埋管B由一个或多个地埋管并联而得。

9.根据权利要求1所述的地源辅助的废热梯级利用水源热泵热水系统，其特征在于：还包括一止回阀A，设置在阀D左侧或右侧的热水输出管A上。

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