CN110513798A - 基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***及方法，该***包括工质‑空气换热器、气液分离装置、升温升压装置、工质‑水换热器、降温降压装置、过滤器和工质‑灰水换热器；工质‑空气换热器将低温低压工质与空气进行换热，加热后的工质进入气液分离装置；经气液分离装置分离后的工质气体进入升温升压装置；工质‑水换热器将高温高压工质与自来水进行换热，工质气体冷凝成工质液体，同时产生热水供用户使用；工质‑空气换热器将高温高压工质与空气进行换热，实现制热；灰水经过过滤器过滤后进入工质‑灰水换热器，工质‑灰水换热器将低温低压工质与灰水进行换热，经工质‑灰水换热器加热后的工质进入气液分离装置。

Description

基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***及方法

技术领域

本公开涉及节能技术领域，具体涉及一种针对住宅建筑的基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***及方法。

背景技术

19世纪初，人们开始研究“热”能否像“水”一样被“泵”送至较高的温度，20世纪初，国外学者克劳斯和摩尔利对热泵理论进行了完善，但直到20世纪70年代，随着世界对能源与环保的关注，吸收式热泵的研究和应用才得到快速发展。

随着我国城市建设规模的扩大，建筑采暖和空调普及率的提高，建筑能耗已占到全国总能耗的30％，其中空调能耗、热水能耗约占建筑能耗的60％和18％，且用能效率较低。每平方米建筑能耗是气候条件相近发达国家的2-3倍，污染排放量是其1-2倍。目前热泵的应用技术主要有：空气源热泵、水源热泵和地源热泵，这三种形式都有应用，但是都局限性。

污水源热泵***作为一种可以利用低品位能源的技术，获得越来越多的认可，主要在我国东北、华北地区应用。北欧国家的污水源热泵供热***处于世界领先地位，以壳管直接式污水源泵站为主。同时日本污水源热泵的水源主要是针对是原生污水和二级污水，开发了专门用于污水换热的污水换热器和自动清洗***。目前的污水源热泵***主要针对城市大型污水处理厂，而针对热量品质较高的灰水，如洗浴、洗衣水等的研究非常匮乏，由于灰水和黑水排水管道联通，导致灰水源热泵***较难实现。

冷凝潜热就是气体或液体凝结所放出的热量，但这一部分能量时常被忽略。比如，夏季空调制冷时，空调利用蒸发器吸收室内的热量，而将这部分热量在冷凝器中释放到室外环境中，这不仅浪费能源，还污染环境，因此需对这部分潜热回用，提出了冷凝潜热源热泵***。

发明人在研发过程中发现，现有的污水源热泵技术主要针对大型污水处理厂，但此类污水将灰水和黑水混合，其中存在大量悬浮物和微生物，易导致***管路和设备阻塞，并且表现非牛顿特性，影响传热效果和***效率。实际上，住宅产生的灰水水质、水温、水量都普遍优于、高于、大于黑水，将二者混合后再使用热泵技术会造成热源品质的大幅下降。并且现有的热泵***哈存在单一热源的弊端，无法实现空间能源的合理分配，导致大量能源消耗。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***及方法。

本公开一方面提供的一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***的技术方案是：

一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***，该***包括工质-空气换热器、气液分离装置、升温升压装置、工质-水换热器、降温降压装置、过滤器和工质-灰水换热器；

经过降温降压装置的低温低压工质进入工质-空气换热器、工质-灰水换热器和工质-水换热器；

工质-空气换热器将低温低压工质与空气进行换热，实现制冷；工质-水换热器将低温低压工质汽化成为工质气体，经过工质-空气换热器和工质-水换热器加热后的工质进入气液分离装置；

经气液分离装置分离后的工质气体进入升温升压装置；经升温升压装置升温升压后的高温高压工质进入工质-水换热器和工质-空气换热器；工质-水换热器将高温高压工质与自来水进行换热，工质气体冷凝成工质液体，同时产生热水供用户使用；工质-空气换热器将高温高压工质与空气进行换热，实现制热，经过工质-水换热器和工质-空气换热器冷凝后的工质液体进入降温降压装置进行降温降压；

用户使用热水产生的灰水经过过滤器过滤后进入工质-灰水换热器，工质-灰水换热器将低温低压工质与灰水进行换热，经工质-灰水换热器加热后的工质进入气液分离装置。

本公开另一方面提供的一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***的工作方法的技术方案是：

一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***的工作方法，该方法包括以下步骤：

经过降温降压装置的低温低压工质进入工质-空气换热器，工质-空气换热器将低温低压工质与空气进行换热，实现制冷；

经过工质-空气换热器加热后的工质进入气液分离装置，经气液分离装置分离后的工质气体进入升温升压装置；经升温升压装置升温升压后的高温高压工质进入工质-水换热器；工质-水换热器将高温高压工质与自来水进行换热，工质气体冷凝成工质液体，同时产生热水供用户使用；经过工质-水换热器冷凝后的工质液体进入降温降压装置进行降温降压；

经过降温降压装置降温降压后的工质进入工质-空气换热器和工质-灰水换热器；

经过工质-水换热器加热后热水供给用户使用，用户产生的灰水经过过滤器过滤后进入工质-灰水换热器，工质-灰水换热器将低温低压工质与灰水进行换热，经工质-灰水换热器加热后的工质进入气液分离装置。

本公开另一方面提供的一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***的工作方法的技术方案是：

一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***的工作方法，该方法包括以下步骤：

经过降温降压装置的低温低压工质进入工质-灰水换热器，工质-水换热器将低温低压工质汽化成为工质气体，经过工质-水换热器加热后的工质进入气液分离装置；

经气液分离装置分离后的工质气体进入升温升压装置；经升温升压装置升温升压后的高温高压工质进入工质-空气换热器；工质-空气换热器将高温高压工质与空气进行换热，实现制热；

经过工质-空气换热器冷凝后的工质液体进入降温降压装置进行降温降压；

经过降温降压装置降温降压后的工质进入工质-水换热器和工质-灰水换热器；

用户使用热水产生的灰水经过过滤器过滤后进入工质-灰水换热器，工质-灰水换热器将低温低压工质与灰水进行换热，经过工质-灰水换热器加热后的工质进入气液分离装置。

通过上述技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开使用灰水源而不再使用黑水作为住宅热泵***的热源之一，还将住宅建筑的空调***产生的冷凝热源通过热泵技术加以回收，再辅助以空气源，形成多功能热泵***，同时实现住宅建筑的供热和制冷，满足空间能源的合理分配，克服单一热源的弊端，节省住宅能源消耗；

(2)本公开的热泵***可以同时实现三种操作模式，包括空间供热、空间制冷及提供热水；

(3)本公开的热泵***在进行空间制冷时，在冷凝器侧工质-水换热器会产生冷凝潜热，回收工质-水换热器所放出的冷凝潜热，作为自来水的加热热源，为用户提供热水等，满足用户需求，实现低位热源回收利用；

(4)由于用户使用后的灰水仍含有部分热量，如洗澡水等，本公开利用换热器将工质与灰水进行换热，对灰水的热量进行回收，使其成为热泵热源，辅助空气源，进行制冷或供热，实现灰水余热回收，降低能耗。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。

图1是实施例一提供的多功能热泵***的结构图；

其中，1、压缩机，2、气液分离器，3、第一三通阀，4、第二四通换向阀，5、工质-空气换热器，6、第二四通换向阀，7、储液罐，8、过滤器，9、膨胀阀，10、第二三通阀，11、工质-灰水换热器，12、过滤器，13、灰水箱，14、水箱，15、工质-水换热器，16、第一阀门，17、第二阀门。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

图1是本实施例涉及的适用于住宅建筑的基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***的结构图。如图1所示，所述多功能热泵***包括工质-空气换热器5、气液分离装置2、压缩机1、工质-水换热器15、过滤器12和工质-灰水换热器111。

具体地，所述工质-空气换热器5和工质-水换热器15的出口端分别通过第一四通换向阀4和第一三通阀3与气液分离装置2的进口端连接，所述气液分离装置2的出口端连接压缩机1的进口端，所述压缩机1的出口端通过第一四通换向阀4与工质-水换热器15和工质-空气换热器5的进口端连接，所述工质-水换热器15的出口端经过第二四通换向阀6与工质-空气换热器5的进口端连接，所述第二四通换向阀6还连接有降压装置，所述降温降压装置的出口端通过第二三通阀和第二四通换向阀6与工质-空气换热器5的进口端连接，所述降温降压装置的出口端还通过第二三通阀10与工质-灰水换热器5的进口端连接；所述工质-灰水换热器111的进口端还通过第一过滤器12与灰水箱13连接，所述工质-灰水换热器11的出口端通过第一三通阀3与气液分离装置2的进口端连接，将灰水余热传递给热泵工质，通过热传递实现灰水余热回收与利用，并与空气源一起作为热泵热源，进行夏季制冷。

在本实施例中，所述降温降压装置包括依次顺序连接的储液罐7、第二过滤器8和膨胀阀9，低温工质存储在储液罐7内，储液罐7中工质经过第二过滤器8过滤除杂后，进入膨胀阀9降压，降温降压后工质经过第二三通阀10和第二四通换向阀6再次返回工质-空气换热器中再与空气换热。

在上述实施例的基础上，本实施例提出的多功能热泵***还包括水箱14，所述水箱14通过管道与工质-灰水换热器11的出水口连接，用于存储工质-灰水换热器11产生的热水，可供居民使用，居民使用后的灰水进入灰水箱13；所述水箱与居民端连接的管道上设置有第一阀门16和第二阀门17；第一阀门16和第二阀门17可根据水温要求选择性开启。

在本实施例中，所述气液分离装置2采用现有的气液分离器；所述工质-空气换热器5上设置有风扇；热泵工质为氟利昂134a等具有良好传热性能、较低黏度、较小密度、无污染等特性的物质。

在本实施例中，所述工质-空气换热器、工质-水换热器、工质-灰水换热器分别采用逆流式和增加翅片以加强换热，通过控制空气、灰水、自来水与工质的流速，达到所需效果。在夏季制冷时，可以在工质-空气换热器5内控制工质和空气的流速，来达到不同的制冷效果。

在夏季制冷时，第一三通阀3使从工质-空气换热器1和工质-灰水换热器11的工质混合，一同进入气液分离装置2。

工质-水换热器15所得到的热水如果不能满足使用要求或许要较高的水温可通过加热满足。经过工质-灰水换热器11换热后的灰水直接进入排水管道或利用水处理装置净化后回用。

在夏季制冷时，本实施例涉及的多功能热泵***的工作过程为：

经过膨胀阀9的低温低压的热泵工质在工质-空气换热器5内与空气进行换热，工质吸收空气的热量汽化成工质气体，使得空气温度降低，冷空气由风扇排出，产生制冷效果。

吸热汽化后的工质经过第一四通换向阀4和第一三通阀3进入气液分离器2，分离后的工质气体进入压缩机1升温升压。

高温高压的工质气体经过第一四通换向阀4进入工质-水换热器15，在工质-水换热器15内高温高压的工质气体与自来水进行换热，工质气体冷凝成工质液体，释放出冷凝潜热，同时产生热水；工质液体经过第二四通换向阀6进入储液罐7。

储液罐7中工质液体经第二过滤器过滤后，流入膨胀阀9降温降压，经过膨胀阀降温降压后，一部分低温低压工质经过第二三通阀和第二四通换向阀重新返回工质-空气换热器5中再与空气换热，另一部分低温低压工质经过第二三通阀进入工质-灰水换热器。

流经工质-水换热器的自来水被加热为热水进入水箱14可供居民洗浴、洗衣等使用，使用后的灰水存储到灰水箱13内，灰水箱13内灰水流经第一过滤器12去除杂质后进入工质-灰水换热器11，在工质-灰水换热器11内灰水与低温低压工质换热，将加热后的工质经过第一三通阀3送入气液分离器2的进口。

在冬季制热时，本实施例涉及的多功能热泵***的工作过程为：

低温低压的热泵工质在工质-水换热器11汽化成为工质气体，吸热汽化后的工质进入气液分离装置2，分离后的工质气体进入压缩机1升温升压。

高温高压的工质气体在工质-空气换热器5内与空气进行换热，工质放热凝结成工质液体，使得空气升温，产生供热效果。

冷凝后的工质经过第二四通换向阀进入储液罐，储液罐内工质经过滤器8过滤后进入膨胀阀9降温降压，降温降压后的工质经过第二三通阀和第二四通换向阀返回工质-水换热器15。

自来水直接经热水器等加热，供居民使用，使用后的灰水进入工质-灰水换热器11与流经膨胀阀的部分工质换热，吸热后的工质蒸发成工质气体，与流经工质-水换热器出口的工质混合。

本实施例涉及的多功能热泵***，在夏季制冷时，工质-水换热器内工质气体与自来水的换热方式采用逆流式，工质气体释放出低位热源冷凝潜热，以逆流的方式通入自来水，使其吸收来自工质相变所产生的热量，实现余热回收，减少能源浪费，且所得到的热水可用于洗浴、洗衣等。

本实施例通过工质-空气换热器5、工质-水换热器15、工质-灰水换热器11实现冷凝潜热和灰水余热的回收与利用，利用工质在工质-水换热器15中释放的冷凝潜热加热自来水，产生热水，用户使用后变为灰水，经过滤后进入工质-灰水换热器11又对工质起到加热作用，此时冷凝潜热间接成为热泵***的热源，不仅为提供灰水源作为热泵热源，而且实现余热回收利用和热水供用。

本实施例涉及的多功能热泵***的供热、制冷、热水的能耗分别比传统模式节能10％、2％、50％以上，总节能比传统模式提高30％以上。

实施例二

本实施例提供一种在夏季供热时，多功能热泵***的工作方法，该方法包括以下步骤：

(1)经过膨胀阀9的低温低压热泵工质在工质-空气换热器1内与空气进行换热，工质吸热汽化成工质气体，冷空气由风扇排出，实现供冷；

(2)吸热汽化后的工质经第一四通换向阀4和第一三通阀3进入气液分离器2，分离后的工质气体进入压缩机1升温升压，并经过第一四通换向阀3进入工质-水换热器15；

(3)高温高压的工质气体流经工质-水换热器15进行换热，工质气体冷凝成液体，并释放出冷凝潜热，并进入储液罐7；

(4)储液罐7中的低温工质经由过滤器8后，进入膨胀阀9降压，低温低压工质经四通换向阀6重新返回工质-空气换热器1；

(5)在工质-水换热器15中流出的热水进入水箱14，阀门16打开，以供居民洗浴、洗衣等使用，使用后的热水成为灰水，进入灰水箱13；

(6)灰水经过滤器12去除杂质后，进入工质-灰水换热器15与经过膨胀阀后的低温低压工质进行换热，并将加热后的工质送入气液分离器2的入口，进行再次换热。

实施例三

本实施例提供一种在冬季制热时，多功能热泵***的工作方法，该方法包括以下步骤：

(1)低温低压的热泵工质在工质-水换热器15吸热汽化成为工质气体，吸热汽化后的工质流经第一四通换向阀4和第一三通阀3进入气液分离器2，分离后的工质气体进入压缩机1升温升压；

(2)高温高压的工质气体经第一四通换向阀4进入工质-空气换热器5内与空气进行换热，工质气体冷凝释放出的冷凝潜热传递给空气，使得空气得到加热，达到供热效果；

(3)冷凝后的工质经过第二四通换向阀6进入储液罐7，流经过滤器8后进入膨胀阀降压，降温降压后的工质经第二三通阀10和第二四通换向阀6重新返回工质-水换热器15内。

(4)打开第二阀门17，关闭第一阀门16，自来水直接经热水器等加热，供居民使用，使用后的灰水与流经膨胀阀9的部分工质换热，吸热后的工质蒸发成工质气体，与工质-水换热器15出口处的工质通过第一三通阀4混合后，进入气液分离器。

本方法可在工质-水换热器15处回收工质蒸发时的蒸发潜热，使水降温成为凉水；可以在工质-空气换热器5内控制工质和空气的流速，来达到不同的供热效果。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***，其特征是，包括工质-空气换热器、气液分离装置、升温升压装置、工质-水换热器、降温降压装置、过滤器和工质-灰水换热器；

经过降温降压装置的低温低压工质进入工质-空气换热器、工质-灰水换热器和工质-水换热器；

工质-空气换热器将低温低压工质与空气进行换热，实现制冷；工质-水换热器将低温低压工质汽化成为工质气体，经过工质-空气换热器和工质-水换热器加热后的工质进入气液分离装置；

经气液分离装置分离后的工质气体进入升温升压装置；经升温升压装置升温升压后的高温高压工质进入工质-水换热器和工质-空气换热器；工质-水换热器将高温高压工质与自来水进行换热，工质气体冷凝成工质液体，同时产生热水供用户使用；工质-空气换热器将高温高压工质与空气进行换热，实现制热，经过工质-水换热器和工质-空气换热器冷凝后的工质液体进入降温降压装置进行降温降压；

用户使用热水产生的灰水经过过滤器过滤后进入工质-灰水换热器，工质-灰水换热器将低温低压工质与灰水进行换热，经工质-灰水换热器加热后的工质进入气液分离装置。

2.根据权利要求1所述的基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***，其特征是，所述气液分离装置包括气液分离器。

3.根据权利要求1所述的基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***，其特征是，所述升温升压装置包括压缩机。

4.根据权利要求1所述的基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***，其特征是，所述降温降压装置包括依次连接的储液罐、过滤器和膨胀阀。

5.根据权利要求1所述的基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***，其特征是，还包括第一三通阀和第一四通换向阀，所述第一四通换向阀连接压缩机的出口、工质-空气换热器、工质-水换热器和第一三通阀的一进口，所述第一三通阀的另一进口连接工质-灰水换热器，所述第一三通阀的出口连接气液分离装置。

6.根据权利要求1所述的基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***，其特征是，还包括第二三通阀和第二四通换向阀，所述第二四通换向阀连接工质-空气换热器、工质-水换热器和第一三通阀的一出口，所述第一三通阀的进口连接降温降压装置的出口，所述第一三通阀的另一出口连接工质-灰水换热器。

7.根据权利要求1所述的基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***，其特征是，还包括用于给用户端提供热水的水箱，所述水箱通过管道与工质-水换热器的热水出口连接，所述水箱还通过管道与用户端连接，所述水箱与用户端连接的管道上安装有阀门。

8.一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

经过降温降压装置的低温低压工质进入工质-空气换热器，工质-空气换热器将低温低压工质与空气进行换热，实现制冷；

经过工质-空气换热器加热后的工质进入气液分离装置，经气液分离装置分离后的工质气体进入升温升压装置；经升温升压装置升温升压后的高温高压工质进入工质-水换热器；工质-水换热器将高温高压工质与自来水进行换热，工质气体冷凝成工质液体，同时产生热水供用户使用；经过工质-水换热器冷凝后的工质液体进入降温降压装置进行降温降压；

经过降温降压装置降温降压后的工质进入工质-空气换热器和工质-灰水换热器；

经过工质-水换热器加热后热水供给用户使用，用户产生的灰水经过过滤器过滤后进入工质-灰水换热器，工质-灰水换热器将低温低压工质与灰水进行换热，经工质-灰水换热器加热后的工质进入气液分离装置。

9.一种基于灰水源、冷凝潜热和空气源的多功能热泵***的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

经过降温降压装置的低温低压工质进入工质-灰水换热器，工质-水换热器将低温低压工质汽化成为工质气体，经过工质-水换热器加热后的工质进入气液分离装置；

经气液分离装置分离后的工质气体进入升温升压装置；经升温升压装置升温升压后的高温高压工质进入工质-空气换热器；工质-空气换热器将高温高压工质与空气进行换热，实现制热；

经过工质-空气换热器冷凝后的工质液体进入降温降压装置进行降温降压；

经过降温降压装置降温降压后的工质进入工质-水换热器和工质-灰水换热器；

用户使用热水产生的灰水经过过滤器过滤后进入工质-灰水换热器，工质-灰水换热器将低温低压工质与灰水进行换热，经过工质-灰水换热器加热后的工质进入气液分离装置。