JP7238102B2

JP7238102B2 - 水熱源ヒートポンプ

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Publication number: JP7238102B2
Application number: JP2021512989A
Authority: JP
Inventors: 全齢王
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2023-03-13
Anticipated expiration: 2039-05-07
Also published as: WO2019214605A1; CN108562069A; EP3816540A1; EP3816540A4; JP2021520479A

Description

本発明は、出願日が２０１８年５月７日であり、出願番号が２０１８１０４２６３６４．４である中国特許出願に対して優先権を主張するものであり、該出願の全ての内容を引用により本発明に援用する。

本発明は、技術分野に関し、例えば、水熱源ヒートポンプに関する。

冬は寒い北方地域では、気温がマイナス３０℃程度まで低くなるが、江、川、湖または海水の温度は依然として０℃よりも高く、一般的に最低２℃以上である。この場合、江、川、湖または海水は水熱源ヒートポンプの良好な熱源となる。江、川、湖または海水は巨大な低温熱エネルギーを有するため、江、川、湖または海水を水熱源ヒートポンプの再生エネルギーとして用いて集熱・供熱すれば、冷却分野の重大な技術的進歩を達し、化石エネルギーの節約に意義が大きく、再生可能エネルギー分野において人類に対する更なる重大な貢献となる。

関連技術において、スウェーデンは、海水熱源ヒートポンプの適用で世界の先頭に立っているが、深海中の水温７℃以上の海水を抽出する必要があり、そうでなければ、正常に運転することができない。中国の大連、山東（黄島）等の多くの地域では、海水熱源ヒートポンプを適用することがあったが、いずれも失敗してしまった。その要因として、冬の寒い時期で海水の温度が７℃よりも低く、水熱源ヒートポンプが確実で安全に運転することができないためであり、これは、海水熱源ヒートポンプが広く普及されて適用されることができない原因である。そのため、１～７℃の低温水熱源ヒートポンプの研究開発は、国内外の冷却分野の先端科技である。

長い間の検討を経て、関連技術で生産製造された水熱源ヒートポンプユニットにおいて、水熱源ヒートポンプユニットの蒸発器は、冷媒水が５℃以下であるように設計されて生産製造され、且つ、冷媒水≦２℃になると、機器内の凍結を防止するように動作が停止してしまうことが見出された。つまり、関連技術における水熱源ヒートポンプに使用される通常の蒸発器は、≦５℃の水熱源で正常に動作して運転することができない。周知のように、関連技術における胴管式蒸発器は、蒸発器の熱交換効率を向上させるために、冷媒水側にバッフルが設けられ、冷媒水は、バッフルの作用でバッフルに沿って設けられた水路を流し、その目的は、水流量を節約して水ポンプの電力を低減することである。迂回流は、更に冷媒水を熱交換管と十分に熱交換させ、熱交換効率を向上させる。上記技術は、温度７℃以下の冷却空調の冷媒水の蒸発器に適用され、非常に理想的な技術的手段および構造である。しかし、５℃よりも小さい、特に１～３℃程度の冷媒水に適用されず、且つ、水温５℃以下の海水熱源ヒートポンプの失敗の原因となる。その理由は、冬の最も寒い時期の江、川、湖または海の水温がほとんど１～３℃程度で、特に、海辺の海水の温度が１～２℃程度であり、このような低い冷媒水がバッフルを介して複数回迂回した後、冷媒水が熱交換管の表面で凍結し、熱交換能力を失うためである。従って、これは関連技術における蒸発器が温度５℃以下の冷媒水で運転できないキーであり、これもスウェーデンの通常の蒸発器で製造された水熱源ヒートポンプが、取水点の配管を数十キロメートル離れた深海に建設して水温７℃以下の海水を抽出する必要がある原因である。しかし、取水点の配管を数十キロメートル離れた深海に建設すると、海面の強い風と波を抵抗して配管の安全性を確保するために、このような配管の建設コストが高価であり、そのため、関連技術の海水熱源ヒートポンプは、広く普及して適用する価値がない。海水熱源ヒートポンプの取水配管システムの投資を低減するために、海辺の浅水箇所に取水点を設ける必要があり、冬の寒い気温の時、海辺の浅瀬の１～３℃の海水を抽出し、水熱源ヒートポンプに熱源水を供給して水熱源ヒートポンプが確実で安定して運転することを確保する。

本発明は、関連技術における、流入した冷媒水の温度が５℃よりも小さい場合、水熱源ヒートポンプの蒸発器が正常に動作できないという問題を解決できる水熱源ヒートポンプを提供する。

一実施例は、温度１℃以上５℃以下の冷媒水が流入するように構成されるバッフル無しの蒸発器を備え、前記冷媒水が江、川、湖または海水である水熱源ヒートポンプを提供する。

一実施例におけるバッフル無しの胴管式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図である。一実施例におけるバッフル無しのＵ字管式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図である。一実施例におけるバッフル無しの縦管満液式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図である。一実施例におけるバッフル無しの水平満液式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図である。一実施例におけるバッフル無しの噴霧式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図である。一実施例におけるバッフル無しのコイル管式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図である。一実施例におけるバッフル無しの蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプ構造模式図である。

１蒸発器ハウジング
２蒸発熱交換管
３二次冷媒入口
４二次冷媒出口
５冷媒入口
６冷媒蒸気出口
７冷媒噴霧装置
８二次冷媒噴霧装置
９周波数変換二次冷媒循環ポンプ
１０バッフル無しの蒸発器
１１冷媒圧縮機
１２凝縮器
１３膨張弁
１４水熱源入力端
１５水熱源出力端
１６ヒートポンプ入力端
１７ヒートポンプ出力端

本実施例は、江、川、湖または海水に適用される水熱源ヒートポンプを提供し、該水熱源ヒートポンプの蒸発器は、関連技術中の蒸発器におけるバッフルを除去し、且つ、冷媒水が水温が極めて低い時に熱交換管の表面で凍結しやすいことを防止するために、更に冷媒水熱交換経路をできるだけ短く設定し、熱交換管の表面にける水流の滞留時間を短縮し、蒸発器の熱交換効率を確保する。それと同時に、冷媒水の流速を合理的に向上させ、冷媒水の出入り時の水温度差を小さくすることで、蒸発器の冷媒水は１～５℃の範囲で正常に運転することができる。

図１に示すように、本実施例は、バッフル無しの胴管式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプを提供し、江、川、湖または海水熱源に適用される。バッフル無しの胴管式蒸発器は、蒸発器ハウジング１、蒸発熱交換管２、二次冷媒入口３、二次冷媒出口４、冷媒入口５および冷媒蒸気出口６からなる。本実施例において、バッフル無しの胴管式蒸発器は、バッフルが設けられていないため、冷媒水が二次冷媒入口３を介して入った後、直接急速に流れて蒸発熱交換管２と熱交換し、且つ、水が凍結していない前に、寒すぎる冷媒水が二次冷媒出口４から速やかに水熱源に戻る。水の蒸発器内の流速および均衡性を更に向上されるために、二次冷媒入口３が複数設けられてもよく、冷媒水が均一に蒸発熱交換管２を通過して熱交換を行うことができて凍結現象が生じないことを確保する。ここで、本実施例における冷媒水は、江、川、湖または海水であり、以下では説明を省略する。

図２に示すように、一実施例は、バッフル無しのＵ字管式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図を提供する。本実施例において、蒸発熱交換管２にはＵ字管式熱交換管が設けられ、他の構造は図１に示す構成と一致する。

図３に示すように、一実施例は、バッフル無しの縦管満液式蒸発器で構成される、江、川、湖または海水熱源ヒートポンプの模式図を提供する。本実施例において、蒸発器ハウジング１が縦型に取り付けられ、蒸発熱交換管２として、鉛直フィンの管式蒸発熱交換管を用いる。動作時に、冷媒入口５を介して冷媒を供給し、鉛直フィンの管式蒸発熱交換管に冷媒が充満され、且つ、鉛直フィン型の管式蒸発熱交換管全体を二次冷媒に浸漬させるため、熱交換効率は高い。冷媒水が二次冷媒入口３から入力され、二次冷媒出口４を介して水熱源に戻る。該実施例は、縦管満液式蒸発器であること以外、図１に示す構成と一致する。

図４に示すように、一実施例は、バッフル無し満液式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図を提供する。本実施例に設けられた蒸発器は水平満液式蒸発器である。冷媒が冷媒入口５から供給され、冷媒ガスが冷媒蒸気出口６から引き出され、運転時に、蒸発熱交換管２が冷媒に浸漬される。二次冷媒は二次冷媒入口３から入り、蒸発熱交換管２の管内を流れて管外の冷媒と熱交換した後、二次冷媒出口４から流出する。他の構造は図１に示す構成と一致する。

図５に示すように、一実施例は、バッフル無しの噴霧式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図を提供する。本実施例は、噴霧式冷媒循環装置が設けられ、冷媒が上面の冷媒入口５から供給され、冷媒が冷媒噴霧装置７により噴出されて蒸発熱交換管２の表面に均一に噴霧されて熱交換を行い、蒸気が下面の冷媒蒸気出口６から引き出される。該バッフル無しの噴霧式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの利点は、図４に示す満液式蒸発器よりも冷媒使用量を節約することである。他の構造は図面４に示す構成と一致する。

図６に示すように、一実施例は、バッフル無しのコイル管式蒸発器で構成される水熱源ヒートポンプの模式図を提供する。本実施例は、コイル管式胴管蒸発器が設けられ、江、川、湖または海水がコイル管の表面で凍結することを防止するために、本実施例は複数の二次冷媒噴霧装置８を用い、複数の二次冷媒噴霧装置８が層別かつ分散式に配布され、層別分散式二次冷媒噴霧装置を構成し、江、川、湖または海水がコイル管の表面で凍結しないことを確保する。運転時に、冷媒は冷媒入口５から供給され、蒸気は下面の冷媒蒸気出口６から引き出される。冷媒水は二次冷媒入口３を介して入力され、二次冷媒出口４を介して水熱源に戻る。他の構造は図１に示す構成と一致し、説明を省略する。

図７に示すように、一実施例は、バッフル無しの蒸発器１０で構成される水熱源ヒートポンプの構造模式図を提供する。本実施例の水熱源ヒートポンプは、周波数変換二次冷媒循環ポンプ９、バッフル無しの蒸発器１０、冷媒圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３、水熱源入力端１４、水熱源出力端１５、ヒートポンプ入力端１６およびヒートポンプ出力端１７からなり、前記冷媒圧縮機１１は吸気端および排気端を含む。前記二次冷媒入口３が前記周波数変換二次冷媒循環ポンプ９を介して前記水熱源入力端１４に連結され、前記二次冷媒出口４が前記水熱源出力端１５に連結され、前記冷媒圧縮機１１の吸気端が冷媒蒸気出口６に連結され、前記冷媒圧縮機１１の排気端が前記凝縮器１２の冷媒側の第１端に連結されるように構成され、前記膨張弁１３の第１端が前記冷媒入口５に連結されるように構成され、前記膨張弁１３の第２端が前記凝縮器１２の冷媒側の第２端に連結され、前記凝縮器１２の水側に前記ヒートポンプ入力端１５および前記ヒートポンプ出力端１７が設けられる。運転時に、冷媒水は水熱源入力端１４から入力され、周波数変換二次冷媒循環ポンプ９によりバッフル無しの蒸発器１０の水側で循環して水熱源出力端１５を介して水熱源に戻る。バッフル無しの蒸発器１０の水側を流れて循環する冷媒水は、バッフル無しの蒸発器１０の冷媒側で循環する冷媒の作用で、吸熱してガスに蒸発し、蒸気が冷媒圧縮機１１の吸気端から吸い込まれて高温高圧ガスに圧縮され、高温高圧ガスが圧縮机１１の出力端から出力された後、凝縮器１２の冷媒側を経てヒートポンプ入力端１６およびヒートポンプ出力端１７で循環する集熱水に凝縮放熱し、集熱水が圧縮加熱された後、集熱ターミナルシステムにより集熱・供熱する。高温高圧ガスは、凝縮放熱された後に液体冷媒を形成し、膨張弁１３で絞られた後、再びバッフル無しの蒸発器１０の冷媒側に入り、バッフル無しの蒸発器１０の水側の循環水熱源内の熱を吸収し続け、冷媒が蒸気に蒸発した後、再び冷媒圧縮機１１により圧縮され、上記冷却圧縮の循環を繰り返し、凝縮熱で集熱水を加熱した後、集熱・供熱を運転する。

本実施例は、バッフル無しの蒸発器１０を設けて江、川、湖または海水の凍結を防止するほか、更に周波数変換二次冷媒循環ポンプ９を設け、江、川、湖または海水の蒸発器での出入り時の水温差および周波数変換二次冷媒循環ポンプ９の周波数に基づき、循環水の流量および温差を制御し、江、川、湖または海水が蒸発熱交換管２の表面で凍結することを更に防止する。

本実施例における該蒸発器を用いて製造した水熱源ヒートポンプは、水熱源ヒートポンプが世界のほとんどの地域の江、川、湖または海水で安定して確実かつ安全に運転することを確保することができ、江、川、湖または海水の再生エネルギーを利用する集熱・供熱の実現に、重大なエネルギーおよび社会的意義を有する。

Claims

温度１℃以上５℃以下の冷媒水が流入するように構成されるバッフル無しの蒸発器（１０）を備え、前記冷媒水は、江、川、湖または海水であり、前記バッフル無しの蒸発器（１０）は、蒸発器ハウジング（１）と、前記蒸発器ハウジング（１）に設けられた冷媒入口（３）および冷媒出口（４）と、を備え、冷媒水は、前記冷媒入口（３）を介して前記バッフル無しの蒸発器（１０）に入って、前記冷媒出口（４）を介して前記バッフル無しの蒸発器（１０）から流出し、前記バッフル無しの蒸発器（１０）内には、設けられた水路に冷媒水を流すことができるバッフルが設けられておらず、冷媒水が前記バッフルを介して何度も迂回した後に凍結して熱交換能力を失うことを避けるようにする、水熱源ヒートポンプ。
前記バッフル無しの蒸発器（１０）は、蒸発熱交換管（２）、冷媒入口（５）および冷媒蒸気出口（６）をさらに備える、請求項１に記載の水熱源ヒートポンプ。
前記二次冷媒入口（３）および前記二次冷媒出口（４）の数はそれぞれ少なくとも１つであり、前記バッフル無しの蒸発器（１０）はバッフル無しの胴管式蒸発器である、請求項２に記載の水熱源ヒートポンプ。
前記蒸発熱交換管（２）はＵ字状であり、前記バッフル無しの蒸発器（１０）はバッフル無しのＵ字管式蒸発器である、請求項２に記載の水熱源ヒートポンプ。
前記バッフル無しの蒸発器（１０）はバッフル無しの縦管満液式蒸発器である、請求項２に記載の水熱源ヒートポンプ。
前記バッフル無しの蒸発器（１０）はバッフル無しの水平満液式蒸発器である、請求項２に記載の水熱源ヒートポンプ。
前記バッフル無しの蒸発器（１０）はバッフル無しの噴霧式蒸発器である、請求項２に記載の水熱源ヒートポンプ。
前記蒸発熱交換管（２）は、少なくとも１セットの蒸発熱交換コイル管を備え、前記バッフル無しの蒸発器（１０）は、バッフル無しのコイル管式蒸発器である、請求項２に記載の水熱源ヒートポンプ。
周波数変換二次冷媒循環ポンプ（９）を備え、前記バッフル無しの蒸発器（１０）は水熱源入力端（１４）を含み、前記周波数変換二次冷媒循環ポンプ（９）の第１端が前記二次冷媒入口（３）に連結され、前記周波数変換二次冷媒循環ポンプ（９）の第２端が前記水熱源入力端（１４）に連結されている、請求項２～８のいずれか１項に記載の水熱源ヒートポンプ。
冷媒圧縮機（１１）、凝縮器（１２）、膨張弁（１３）および周波数変換二次冷媒循環ポンプ（９）を更に備え、前記冷媒圧縮機（１１）は吸気端および排気端を含み、前記凝縮器（１２）は冷媒側および水側を含み、前記バッフル無しの蒸発器（１０）は水熱源入力端（１４）および水熱源出力端（１５）を含み、
前記二次冷媒入口（３）が前記周波数変換二次冷媒循環ポンプ（９）を介して前記水熱源入力端（１４）に連結されるように構成され、前記二次冷媒出口（４）が前記水熱源出力端（１５）に連結され、前記冷媒圧縮機（１１）の吸気端が冷媒蒸気出口（６）に連結されるように構成され、前記冷媒圧縮機（１１）の排気端が前記凝縮器（１２）の冷媒側の第１端に連結されるように構成され、前記膨張弁（１３）の第１端が前記冷媒入口（５）に連結されるように構成され、前記膨張弁（１３）の第２端が前記凝縮器（１２）の冷媒側の第２端に連結され、前記凝縮器（１２）の水側にヒートポンプ入力端（１６）およびヒートポンプ出力端（１７）が設けられている、請求項２に記載の水熱源ヒートポンプ。