CN112728630A - 一种一体化供热***及供热方法 - Google Patents

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姜益强
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Abstract

一种一体化供热***及供热方法，属于供热工程技术领域。本发明型解决了现有的供热***用途单一、***可靠性低、***使用时长受限的问题。内水箱的下部及套管式换热器的外管出口分别通过管路连接至太阳能集热器的入口，内水箱的上部及套管式换热器的外管入口分别通过管路连接太阳能集热器的出口，所述冷凝器设置于外水箱内，且压缩机、冷凝器、节流装置、废水取热装置中的制冷剂管道及套管式换热器的内管通过管路连接形成循环回路，内水箱的顶部以及废水取热装置中的自来水管道分别通过管路连接生活用水设备，外水箱的上部与下部分别通过管路连接供热管网的入口及出口。

Description

一种一体化供热***及供热方法
技术领域
本发明涉及一种一体化供热***及供热方法，属于供热工程技术领域。
背景技术
现有技术中，具有节能环保效益的家用供暖和制热水***主要有空气源热泵、直膨式太阳能热泵、太阳能热水***、污水源热泵***等。然而，这些***在实际应用中都具有较为明显的缺陷：
1、空气源热泵热水***的室外机在相对湿度较大及温度较低的环境中容易结霜，当霜层达到一定程度时其制热量会严重减少。因此，防霜或除霜是空气源热泵有待解决的问题；同时，在严寒地区应用时，空气源热泵的性能将大大削弱，严重影响到制热(水)的可靠性和效率。
2、在实际生活中尤其对于个体家庭，并不是时时刻刻都会生产废水，这对于污水源热泵的使用条件起到了很大的限制，更对其应用和生产热水的可靠性和稳定性产生了威胁，同时，生活热水的直接排放浪费了废水中储存的热量，也造成了城市热污染。
3、直膨式太阳能热泵热水***和太阳能直接生产热水***受气候条件影响很大，且冬季室外管路易造成冻结，降低了***的可靠性和使用时长。
4、目前，上述这些***基本都是分开的，家用时一般都只采用某一种***形式，而单一***的能源利用效率、运行可靠性以及制热(制冷)的保证率都是非常有限的，这些固有的缺陷也是这些***推广应用的最大瓶颈。
发明内容
本发明是为了解决现有的单户供暖***或供生活热水***用途单一、***可靠性低、***使用时长受限的问题，进而提供了一种一体化供热***及供热方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种一体化供热***，它包括太阳能集热器、套管式换热器、废水取热装置、压缩机、冷凝器、节流装置、外水箱、设置在外水箱内的内水箱以及设置在内水箱内的速热装置，其中内水箱的下部及套管式换热器的外管出口分别通过管路连接至太阳能集热器的入口，内水箱的上部及套管式换热器的外管入口分别通过管路连接太阳能集热器的出口，所述废水取热装置包括废水水箱、布置在废水水箱内的自来水管道及制冷剂管道，所述冷凝器设置于外水箱内，且压缩机、冷凝器、节流装置、废水取热装置中的制冷剂管道及套管式换热器的内管通过管路连接形成循环回路，内水箱的顶部以及废水取热装置中的自来水管道分别通过管路连接生活用水设备，外水箱的上部与下部分别通过管路连接供热管网的入口及出口。
进一步地，所述内水箱位于冷凝器的上部。
进一步地，太阳能集热器的入口及出口对应连接设置有入口管路及出口管路，内水箱的下部及套管式换热器的外管出口分别通过管路连接至所述入口管路，内水箱的上部及套管式换热器的外管入口分别通过管路连接所述出口管路。
进一步地，所述入口管路上设置有第一循环水泵。
进一步地，内水箱的上部与出口管路之间的连接管路上、套管式换热器的外管入口与出口管路之间的连接管路上以及压缩机与冷凝器之间连接管路上均安装有电磁阀。
进一步地，内水箱连接至生活用水设备的管路一端部与废水取热装置连接至生活用水设备的管路一端部之间连接设置有混水阀。
进一步地，外水箱的上部与供热管网入口之间的连接管路上设置有第二循环水泵。
一种采用上述一体化供热***的供热方法，内水箱与太阳能集热器之间通过管路连接形成第一循环回路，压缩机、冷凝器、节流装置、废水取热装置及套管式换热器的内管通过管路连接形成第二循环回路，太阳能集热器与套管式换热器的外管之间通过管路连接形成第三循环回路，其中第一、三循环回路中流通的介质为水，第二循环回路中流通的介质为制冷剂，
根据单制热水、单供暖以及既制热水又供暖的不同需求，分别采用不同的运行模式，具体为：
模式一、当只有制热水需求、无供暖需求且太阳辐射充足时，采用太阳能直接生产热水模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第一循环回路，内水箱中的冷水从内水箱的下部流出并通过管路进入太阳能集热器，被加热后通过管路送回至内水箱的上部，从内水箱的上部进行生活热水取水；
模式二、当只有供暖需求、无制热水需求、太阳辐射充足且废水取热装置非工作状态时，采用太阳能热泵供暖模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路及第三循环回路，水经太阳能集热器吸热后，在套管式换热器中与制冷剂进行换热，制冷剂吸热后依次经压缩机及冷凝器并在外水箱内进行放热，外水箱中的水吸热后用于供热管网供暖；
模式三、当只有供暖需求、无制热水需求、太阳辐射不满足供热需求且废水取热装置工作时，采用污水源热泵供暖模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路，其中制冷剂与废水取热装置中的废水换热后，依次经套管式换热器的内管、压缩机及冷凝器，并在外水箱内进行放热，外水箱中的水吸热后用于供热管网供暖；
模式四、当即有供暖需求又有制热水需求且太阳辐射充足、废水取热装置非工作状态时，采用太阳能生产热水模式与太阳能热泵供暖模式的组合模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第一至第三循环回路，经太阳能集热器吸热后的水分别送入内水箱及套管式换热器外管，内水箱中的水用于供给生活用热水，制冷剂经与套管式换热器中的水换热后，进入冷凝器内并在外水箱内进行放热，外水箱中的水吸热后用于供热管网供暖；
模式五、当即有供暖需求又有制热水需求，但太阳辐射不满足供热需求、废水取热装置工作时，采用太阳能耦合污水源热泵工作模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路及第三循环回路，水经太阳能集热器吸热后进入套管式换热器外管内，制冷剂依次与废水水箱内的废水及套管式换热器外管内的水进行换热后，进入冷凝器内并在外水箱内进行放热，外水箱中的水吸热后用于供热管网供暖，同时外水箱内的水将热量传导至内水箱内的水，用于供给生活用热水；
模式六、当太阳辐射不满足供热需求且无废水储存时，启动速热装置加热内水箱内的水，供生活用水设备使用。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请将污水源热泵、太阳能直接生产热水***和太阳能热泵***进行了有效结合，能够实现非供暖季单独供应生活热水、供暖季供暖兼制生活热水的太阳能耦合污水源热泵***形式。与现有技术相比，本***各个能源单元能够互相促进供暖效果，降低***能耗的同时显著提升了***可再生能源利用率、提高了***稳定性、可靠性及制热保证率、同时实现供暖及供生活热水。
本申请根据冬季夏季的热水需求不同、生活热水与供暖全年时长不同的因素，在夏季主要使用太阳能直接生产热水***，冬季主要使用太阳能耦合污水源热泵***供热兼制生活热水，充分发挥了两种***各自的优势，又将二者有机结合，扩大了***的应用范围。
附图说明
图1为本申请的***结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种一体化供热***，它包括太阳能集热器1、套管式换热器2、废水取热装置3、压缩机4、冷凝器5、节流装置6、外水箱7、设置在外水箱7内的内水箱8以及设置在内水箱8内的速热装置9，其中内水箱8的下部及套管式换热器2的外管出口分别通过管路连接至太阳能集热器1的入口，内水箱8的上部及套管式换热器2的外管入口分别通过管路连接太阳能集热器1的出口，所述废水取热装置3包括废水水箱、布置在废水水箱内的自来水管道及制冷剂管道，所述冷凝器5设置于外水箱7内，且压缩机4、冷凝器5、节流装置6、废水取热装置3中的制冷剂管道及套管式换热器2的内管通过管路连接形成循环回路，内水箱8的顶部以及废水取热装置3中的自来水管道分别通过管路连接生活用水设备13，外水箱7的上部与下部分别通过管路连接供热管网14的入口及出口。
速热装置9即为现有技术中可以实现速热的装置。是一种辅助电加热器。
所述太阳能集热器1即为现有技术中的太阳能热水器。
所述节流装置6优选为毛细管。
废水取热装置3的废水水箱用于存储生活废水，其上开设有废水入口和废水出口，用于废水的进入及排出。废水取热装置主要用于储存洗浴等生活用水后排出的高温废水，来自市政管网的自来水与其换热实现预热，来自热泵循环的制冷剂管路与其换热实现蒸发器作用，废水取热装置中储存的废水与前述管路换热后温度降至与前述管路温度相近，从废水出口排出。
内水箱8及外水箱7均连接有补水管路，且补水管路上均设置有阀门，用于控制管路通断。其中内水箱8的补水管路与废水取热装置中的市政管网的管路连通，通过经废水预热后市政管网的水为内水箱进行补给。
外水箱7底端连通有排污管路并通过阀门控制管路通断。
本申请将污水源热泵、太阳能直接生产热水***和太阳能热泵***进行了有效结合，能够实现非供暖季单独供应生活热水、供暖季供暖兼制生活热水的太阳能耦合污水源热泵***形式。与现有技术相比，本***各个能源单元能够互相促进供暖效果，降低***能耗的同时显著提升了***可再生能源利用率、提高了***稳定性、可靠性及制热保证率、同时实现供暖及供生活热水。
本申请使用太阳能作为主要能源，太阳能作为清洁的可再生能源，节能环保效益突出。
使用污水能作为次要能源，对城市废热进行了有效的热回收，减少了热量浪费和城市热污染。
本申请根据冬季夏季的热水需求不同、生活热水与供暖全年时长不同的因素，在夏季主要使用太阳能直接生产热水***，冬季主要使用太阳能耦合污水源热泵***供热兼制生活热水，充分发挥了两种***各自的优势，又将二者有机结合，扩大了***的应用范围。
由于同一地区全年太阳辐射变化幅度大，存在太阳辐照量变化与冬夏供暖与生活热水负荷变化不匹配的问题，通过太阳能直接生产热水***与太阳能热泵***两种模式的切换，避免了对于太阳辐射充足的时刻***选型过大，或太阳辐射不足导致的***可靠性问题。
通过本申请能够实现至少五种不同的运行模式，集中控制，操作方便，***构造简单，能够满足不同季节、不同时段、不同气候条件下，用户对于供暖、制冷和热水制取的需求，同时保证了***不同地区不同季节的适用性以及***运行的响应速度与可靠性。
所述内水箱8位于冷凝器5的上部。
太阳能集热器1的入口及出口对应连接设置有入口管路及出口管路，内水箱8的下部及套管式换热器2的外管出口分别通过管路连接至所述入口管路，内水箱8的上部及套管式换热器2的外管入口分别通过管路连接所述出口管路。如此设计，有效简化管路连接结构。
所述入口管路上设置有第一循环水泵10。
内水箱8的上部与出口管路之间的连接管路上、套管式换热器2的外管入口与出口管路之间的连接管路上以及压缩机4与冷凝器5之间连接管路上均安装有电磁阀。便于实现不同模式下各管路的通断。
内水箱8连接至生活用水设备13的管路一端部与废水取热装置3连接至生活用水设备13的管路一端部之间连接设置有混水阀11。
外水箱7的上部与供热管网14入口之间的连接管路上设置有第二循环水泵12。
一种采用上述一体化供热***的供热方法，内水箱8与太阳能集热器1之间通过管路连接形成第一循环回路，压缩机4、冷凝器5、节流装置6、废水取热装置3及套管式换热器2的内管通过管路连接形成第二循环回路，太阳能集热器1与套管式换热器2的外管之间通过管路连接形成第三循环回路，其中第一、三循环回路中流通的介质为水，第二循环回路中流通的介质为制冷剂，
根据单制热水、单供暖以及既制热水又供暖的不同需求，分别采用不同的运行模式，具体为：
模式一、当只有制热水需求、无供暖需求且太阳辐射充足时，采用太阳能直接生产热水模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第一循环回路，内水箱8中的冷水从内水箱8的下部流出并通过管路进入太阳能集热器1，被加热后通过管路送回至内水箱8的上部，从内水箱8的上部进行生活热水取水；此模式适合春夏秋季等无供暖需求的季节。各管路的通断通过设置在其上的阀门实现。此模式下，套管式换热器2外管与太阳能集热器1之间的管路通过设置阀门断开。
模式二、当只有供暖需求、无制热水需求、太阳辐射充足且废水取热装置3非工作状态时，采用太阳能热泵供暖模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路及第三循环回路，水经太阳能集热器1吸热后，在套管式换热器2中与制冷剂进行换热，制冷剂吸热后依次经压缩机4及冷凝器5并在外水箱7内进行放热，外水箱7中的水吸热后用于供热管网14供暖；此模式下，第一循环管路通过设置阀门断开。此模式下废水取热装置3不工作，只是为制冷剂提供一个流通通道，简化了***结构。节流装置6还可以直接与套管式换热器2的内管通过管路连接。
模式三、当只有供暖需求、无制热水需求、太阳辐射不满足供热需求且废水取热装置3工作时，采用污水源热泵供暖模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路，其中制冷剂与废水取热装置3中的废水换热后，依次经套管式换热器2的内管、压缩机4及冷凝器5，并在外水箱7内进行放热，外水箱7中的水吸热后用于供热管网14供暖；此模式下，废水取热装置3作为蒸发器。第一、三循环回路均通过阀门断开连接，套管式换热器2相当于常规的管路，不进行换热工作，只是为制冷剂提供流通通道，简化了***结构。此模式中也可以采用将制冷剂管道与压缩机4之间通过管路直接连通。
模式四、当即有供暖需求又有制热水需求且太阳辐射充足、废水取热装置3非工作状态时，采用太阳能生产热水模式与太阳能热泵供暖模式的组合模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第一至第三循环回路，经太阳能集热器1吸热后的水分别送入内水箱8及套管式换热器2外管，内水箱8中的水用于供给生活用热水，制冷剂经与套管式换热器2中的水换热后，进入冷凝器5内并在外水箱7内进行放热，外水箱7中的水吸热后用于供热管网14供暖；
模式五、当即有供暖需求又有制热水需求，但太阳辐射不满足供热需求、废水取热装置3工作时，采用太阳能耦合污水源热泵工作模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路及第三循环回路，水经太阳能集热器1吸热后进入套管式换热器2外管内，制冷剂依次与废水水箱内的废水及套管式换热器2外管内的水进行换热后，进入冷凝器5内并在外水箱7内进行放热，外水箱7中的水吸热后用于供热管网14供暖，同时外水箱7内的水将热量传导至内水箱8内的水，用于供给生活用热水；
模式六、当太阳辐射不满足供热需求且无废水储存时，启动速热装置9加热内水箱8内的水，供生活用水设备13使用。此模式适用于极端天气时，太阳能集热器1集热效果差，满足不了用户需求时。

Claims (8)

1.一种一体化供热***，其特征在于：它包括太阳能集热器(1)、套管式换热器(2)、废水取热装置(3)、压缩机(4)、冷凝器(5)、节流装置(6)、外水箱(7)、设置在外水箱(7)内的内水箱(8)以及设置在内水箱(8)内的速热装置(9)，其中内水箱(8)的下部及套管式换热器(2)的外管出口分别通过管路连接至太阳能集热器(1)的入口，内水箱(8)的上部及套管式换热器(2)的外管入口分别通过管路连接太阳能集热器(1)的出口，所述废水取热装置(3)包括废水水箱、布置在废水水箱内的自来水管道及制冷剂管道，所述冷凝器(5)设置于外水箱(7)内，且压缩机(4)、冷凝器(5)、节流装置(6)、废水取热装置(3)中的制冷剂管道及套管式换热器(2)的内管通过管路连接形成循环回路，内水箱(8)的顶部以及废水取热装置(3)中的自来水管道分别通过管路连接生活用水设备(13)，外水箱(7)的上部与下部分别通过管路连接供热管网(14)的入口及出口。
2.根据权利要求1所述的一种一体化供热***，其特征在于：所述内水箱(8)位于冷凝器(5)的上部。
3.根据权利要求1所述的一种一体化供热***，其特征在于：太阳能集热器(1)的入口及出口对应连接设置有入口管路及出口管路，内水箱(8)的下部及套管式换热器(2)的外管出口分别通过管路连接至所述入口管路，内水箱(8)的上部及套管式换热器(2)的外管入口分别通过管路连接所述出口管路。
4.根据权利要求3所述的一种一体化供热***，其特征在于：所述入口管路上设置有第一循环水泵(10)。
5.根据权利要求4所述的一种一体化供热***，其特征在于：内水箱(8)的上部与出口管路之间的连接管路上、套管式换热器(2)的外管入口与出口管路之间的连接管路上以及压缩机(4)与冷凝器(5)之间连接管路上均安装有电磁阀。
6.根据权利要求1所述的一种一体化供热***，其特征在于：内水箱(8)连接至生活用水设备(13)的管路一端部与废水取热装置(3)连接至生活用水设备(13)的管路一端部之间连接设置有混水阀(11)。
7.根据权利要求1所述的一种一体化供热***，其特征在于：外水箱(7)的上部与供热管网(14)入口之间的连接管路上设置有第二循环水泵(12)。
8.一种采用上述权利要求1～7中任一权利要求所述一体化供热***的供热方法，其特征在于：内水箱(8)与太阳能集热器(1)之间通过管路连接形成第一循环回路，压缩机(4)、冷凝器(5)、节流装置(6)、废水取热装置(3)及套管式换热器(2)的内管通过管路连接形成第二循环回路，太阳能集热器(1)与套管式换热器(2)的外管之间通过管路连接形成第三循环回路，其中第一、三循环回路中流通的介质为水，第二循环回路中流通的介质为制冷剂，
根据单制热水、单供暖以及既制热水又供暖的不同需求，分别采用不同的运行模式，具体为：
模式一、当只有制热水需求、无供暖需求且太阳辐射充足时，采用太阳能直接生产热水模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第一循环回路，内水箱(8)中的冷水从内水箱(8)的下部流出并通过管路进入太阳能集热器(1)，被加热后通过管路送回至内水箱(8)的上部，从内水箱(8)的上部进行生活热水取水；
模式二、当只有供暖需求、无制热水需求、太阳辐射充足且废水取热装置(3)非工作状态时，采用太阳能热泵供暖模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路及第三循环回路，水经太阳能集热器(1)吸热后，在套管式换热器(2)中与制冷剂进行换热，制冷剂吸热后依次经压缩机(4)及冷凝器(5)并在外水箱(7)内进行放热，外水箱(7)中的水吸热后用于供热管网(14)供暖；
模式三、当只有供暖需求、无制热水需求、太阳辐射不满足供热需求且废水取热装置(3)工作时，采用废水源热泵供暖模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路，其中制冷剂与废水取热装置(3)中的废水换热后，依次经套管式换热器(2)的内管、压缩机(4)及冷凝器(5)，并在外水箱(7)内进行放热，外水箱(7)中的水吸热后用于供热管网(14)供暖；
模式四、当即有供暖需求又有制热水需求且太阳辐射充足、废水取热装置(3)非工作状态时，采用太阳能生产热水模式与太阳能热泵供暖模式的组合模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第一至第三循环回路，经太阳能集热器(1)吸热后的水分别送入内水箱(8)及套管式换热器(2)外管，内水箱(8)中的水用于供给生活用热水，制冷剂经与套管式换热器(2)中的水换热后，进入冷凝器(5)内并在外水箱(7)内进行放热，外水箱(7)中的水吸热后用于供热管网(14)供暖；
模式五、当即有供暖需求又有制热水需求，但太阳辐射不满足供热需求、废水取热装置(3)工作时，采用太阳能耦合废水源热泵工作模式，此模式的运行包括如下步骤：
启动第二循环回路及第三循环回路，水经太阳能集热器(1)吸热后进入套管式换热器(2)外管内，制冷剂依次与废水水箱内的废水及套管式换热器(2)外管内的水进行换热后，进入冷凝器(5)内并在外水箱(7)内进行放热，外水箱(7)中的水吸热后用于供热管网(14)供暖，同时外水箱(7)内的水将热量传导至内水箱(8)内的水，用于供给生活用热水；
模式六、当太阳辐射不满足供热需求且无废水储存时，启动速热装置(9)加热内水箱(8)内的水，供生活用水设备(13)使用。
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