CN112082288B - 一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，包括双源热泵热水机组模块，双源热泵热水机组模块分别连接生活热水集热水箱模块和屋面辐射热回收模块。本发明解决了防御型、被动式隔热降温技术措施普遍存在的环境“热岛”效应及屋面白天隔热效果好，晚上散热速度慢的问题。
Description
技术领域
本发明属于建筑节能热泵技术领域，涉及一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统。
背景技术
建筑屋面围护结构长期暴露在自然环境中，特别是在剧烈太阳辐射和暴雨瞬间降温、昼夜温差、季节温差等多重不规则性温度应力的长期、反复扰动作用下，建筑围护结构往往呈不均匀性膨胀,导致建筑维护结构不同程的变形、开裂，从而造成建筑屋面防水层损坏、建筑墙体裂缝等危害建筑安全的“顽疾”屡屡发生。
屋面获热是导致建筑屋面维护结构变形、开裂的主要原因，也是建筑运行能耗的重要组成部分。目前我国建筑能耗占全社会总能耗的30％以上，空调能耗又占建筑总能耗的60％以上，而建筑屋面围护结构的能耗又占用了空调总能耗的32-40％；在长江以南地区，夏季单层建36.7％-50％的空调冷负荷是由屋面辐射热通过建筑结构层传导至室内的，在高强度太阳辐射条件下，水平屋面空气综合集热温度最高可达60-80℃，顶层室内温度较下层室内温度高出2～4℃；因此，屋面热工性能不仅直接影响室内舒适性温度环境，同时也是维持建筑屋面围护结构长期稳定的重要前提。
长期以来，国内外建筑科技人员对屋面隔热降温技术措施进行了大量的试验和研究，积累了丰富的理论成果和实践经验。目前屋面隔热降温技术措施包括蓄水屋面、种植屋面、反照屋面、通风屋面和通水屋面等主要方式，这些防御型、被动式隔热降温技术措施的广泛应用，在维护建筑结构稳定、降低建筑运行能耗的同时，也不可避免的产生了环境的“热岛”效应，被隔离的辐射热遵循能量守恒原则，一部分通过局部微循环消纳，其余被隔离热量只能就“地”堆积；固体传热基本原理表明，屋面热阻越大，热稳定性越好，室外热量就不容易传入室内，那么局部环境的蓄热量就会增多，晚间散热速率也就会因此而大大降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，该系统解决了防御型、被动式隔热降温技术措施普遍存在的环境“热岛”效应及屋面白天隔热效果好，晚上散热速度慢的问题，实现了有害废热的综合利用。
本发明所采用的技术方案是，一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，包括双源热泵热水机组模块，双源热泵热水机组模块分别连接生活热水集热水箱模块和屋面辐射热回收模块。
本发明的特点还在于，
双源热泵热水机组模块包括风冷式蒸发器，风冷式蒸发器的一端通过分液器连接水冷式蒸发器的一端，水冷式蒸发器的另一端通过四通换向阀连接压缩机，压缩机与水冷式冷凝器连接。
风冷式蒸发器与水冷式蒸发器的连接管路上依次设有膨胀阀I、电磁阀I、电磁阀II及膨胀阀II。
水冷式蒸发器与水冷式冷凝器之间的连接管路上依次设有截止阀II、视液镜、干燥过滤器及截止阀I。
水冷式蒸发器与压缩机的连接管路之间依次设有单向阀I和单向阀II。
生活热水集热水箱模块包括集热保温水箱，集热保温水箱的一侧底部连接循环泵的进水口，循环泵的出水口与水冷式冷凝器，集热保温水箱的另一侧上下两端分别设有回水接口和出水接口，水冷式冷凝器通过回水管连接集热保温水箱。
集热保温水箱与循环泵的连接管路之间依次设有水路蝶阀III和过滤器，循环泵与水冷式冷凝器之间的管路上设有水路蝶阀IV。
屋面辐射热回收模块包括热回收循环泵，热回收循环泵的进水口与水冷式蒸发器连接，热回收循环泵的出水口依次连接水路过滤器、水路蝶阀II、集分水器，集分水器连接地暖盘管。
本发明的有益效果是，通过铺设在建筑屋面围护结构内的地暖盘管循环回收屋面辐射热，回收屋面辐射热作为热泵冷媒的蒸发热源，不仅可为用户提供高效生活热水，同时回收屋面辐射热在与冷媒的换热过程中水温降低，建筑屋面辐射热被热泵回收再利用，维持建筑屋面围护结构内的温度基本恒定在27℃-32℃范围内，使防御型、被动式隔热降温技术措施中普遍存在的环境“热岛”效应问题得以有效解决。
附图说明
图1是本发明一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统的结构示意图；
图2建筑屋面辐射热回收技术原理图。
图中，1.双源热泵热水机组模块，1-1.压缩机，1-2.四通换向阀，1-3.水冷式冷凝器，1-4.截止阀I，1-5.干燥过滤器，1-6.视液镜，1-7.截止阀II，1-8.电磁阀I，1-9.电磁阀II，1-10.膨胀阀I，1-11.膨胀阀II，1-12.分液器，1-12.分液器，1-13.风扇，1-14.风冷式蒸发器，1-15.单向阀I，1-16.单向阀II，1-17.水冷式蒸发器；
2.屋面辐射热回收模块，2-1.水路蝶阀I，2-2.热回收循环泵，2-4.水路过滤器，2-5.水路蝶阀II，2-6.集分水器，2-7.地暖盘管，2-8.集分水器，2-9.回流管；
3.生活热水集热水箱模块，3-1.水路碟阀IV，3-2.循环泵，3-3.过滤器，3-4.水路蝶阀III，3-5.集热保温水箱，3-7.回水管，3-8.进水管，3-9.回水接口，3-10.出水接口；
4.集热水箱，5.冷凝器，6.集热循环泵，7.膨胀阀，8.制冷压缩机，9.分水器，10.集水器，11.辐射热回收循环泵，12.屋面辐射热回收盘管，13.蒸发器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，如图1所示，包括双源热泵热水机组模块1，双源热泵热水机组模块1分别连接生活热水集热水箱模块3和屋面辐射热回收模块2。
双源热泵热水机组模块1包括风冷式蒸发器1-14，风冷式蒸发器1-14的一端通过分液器1-12连接水冷式蒸发器1-17的一端，水冷式蒸发器1-17的另一端通过四通换向阀1-2连接压缩机1-1，压缩机1-1与水冷式冷凝器1-3连接。风冷式蒸发器1-14上设有风扇1-13；
风冷式蒸发器1-14与水冷式蒸发器1-17的连接管路上依次设有膨胀阀I1-10、电磁阀I1-8、电磁阀II1-9及膨胀阀II1-11。
水冷式蒸发器1-17与水冷式冷凝器1-3之间的连接管路上依次设有截止阀II1-7、视液镜1-6、干燥过滤器1-5及截止阀I1-4。
水冷式蒸发器1-17与压缩机1-1的连接管路之间依次设有单向阀I1-15和单向阀II1-16。
生活热水集热水箱模块3包括集热保温水箱3-5，集热保温水箱3-5的一侧底部连接循环泵3-2的进水口，循环泵3-2的出水口通过进水管3--8与水冷式冷凝器1-3连接，集热保温水箱3-5的另一侧上下两端分别设有回水接口3-9和出水接口3-10，水冷式冷凝器1-3通过回水管3-7连接集热保温水箱3-5。
集热保温水箱3-5与循环泵3-2的连接管路之间依次设有水路蝶阀III3-4和过滤器3-3，循环泵3-2与水冷式冷凝器1-3之间的管路上设有水路蝶阀IV3-1。
生活热水集热水箱模块3的集热保温水箱3-5内装有温度检测仪T1。
屋面辐射热回收模块2包括热回收循环泵2-2，热回收循环泵2-2的进水口与水冷式蒸发器1-3连接，热回收循环泵2-2的出水口依次连接水路过滤器2-4、水路蝶阀II2-5、集分水器2-6，集分水器2-6连接地暖盘管2-7，地暖盘管2-7与水冷式蒸发器1-17连接。水冷式蒸发器1-17与热回收循环泵之间的连接管路上设有水路蝶阀I2-1。
热回收循环泵2-2通过进水管路2-8与集分水器2-6连接，集分水器2-6通过回流管2-9将地暖盘管2-7内的水导出。地暖盘管2-7内设有温度检测仪T2。
建筑屋面辐射热回收技术原理：如图2所示，埋设在建筑屋面维护结构中的屋面辐射热回收盘管12吸收屋面辐射热后，经集水器10被辐射热回收循环泵11送至热泵蒸发器13内，节流后的热泵冷媒与辐射热回收介质换热汽化，一方面，辐射热回收介质因冷媒汽化吸热温度降低，降温后的辐射热回收介质再次被辐射热回收循环泵11，经分水器9均衡分配泵送至埋设在建筑屋面维护结构内的屋面辐射热回收盘管12中，继续回收屋面辐射热，如此循环，从而达到回收屋面辐射热，改善建筑屋面“热岛”环境，减少建筑围护结构热膨胀变形、裂缝危害。另一方面，汽化后的冷媒被制冷压缩机8吸入并压缩，被压缩后的高温冷媒气体经冷凝器5冷凝，释放压缩热和回收的屋面辐射热至生活热水换热介质中，热水换热介质经集热循环泵6往复循环换热，使集热水箱4中生活热水温度得以不断提升。同时被冷凝后的热泵冷媒放热液化，高压液体冷媒经膨胀阀7节流降压再次进入屋面热回收蒸发器中吸热汽化，如此往复循环，以实现回收屋面辐射热，为用户提供生活热水、改善用户室内温度环境、缓解居住环境热岛效应、维护建筑结构安全和可再生能源高效利用的目的。
双源热泵热水机组模块1是“建筑屋面辐射热回收式双源热泵机热水机组装置”的心藏，全面负责能量的回收和能量的转移、转换工作。考虑到冬季屋面辐射热能量不足，加上建筑屋面维护结构自身的保温性要求以及用户对生活热水供应的稳定性、连续性要求，本发明设计了两套能量回收路径(即双源)，双源热泵系统通过埋设在建筑屋面围护结构内的温度检测探头T2，感知并自动切换其能量回收运行模式或路径。
夏季，当埋设在建筑屋面围护结构内的温度检测探头T2，检测到屋面辐射热的温度≧28℃时，双源热泵机组开始执行“屋面辐射热回收”运行模式，此时，屋面辐射热回收模块2将从屋面获取的热量经能量输入端接口进入满液式水冷蒸发器1-17，为冷媒提供源源不断的汽化热能，低温低压液体冷媒吸收屋面辐射热量发生相变(即由液态变为气态)，一方面，辐射热回收介质因冷媒汽化吸热温度得以降低，然后再由能量输入端运送，继续进行屋面辐射热的回收运送工作。另一方面汽化冷媒携带的屋面辐射回收热被压缩机1-1压缩提升，高温高压冷媒携带屋面辐射热叠加压缩机工作热，经四通换向阀1-2进入热冷凝器1-3与生活热水换热介质换热，换热能经能量输出端口向生活热水集热水箱模块3输出转换能，冷凝器对生活热水换热介质的放热量等于屋面回收辐射热量与压缩机工作热量之和。热泵冷媒因热量释放而液化，此时高压液体冷媒途径冷媒截止阀I1-4、干燥过滤器1-5、视液镜1-6、冷媒截止阀II1-7、电磁阀II1-9、膨胀阀II1-11进入水冷式蒸发器1-17，继续“屋面辐射热回收”运行。如此循环从而实现回收建筑屋面有害辐射热，为用户提供源源不断的生活热水的目的。
冬季，当埋设在建筑屋面围护结构内的温度检测探头T2，检测到屋面辐射热的温度≦27℃时，此时，由于环境温度较低，加上建筑围护结构需要为建筑本身进行保温，以避免建筑室内热量向室外转移，双源热泵机组开始执行“空气能热回收”运行模式，在此运行模式下，屋面辐射热回收模块自动停止运行。高压液体冷媒途径冷媒截止阀I1-4、干燥过滤器1-5、视液镜1-6、冷媒截止阀II1-7、电磁阀I1-9、膨胀阀I1-10、分液器1-12进入风冷式蒸发器1-14，并通过风扇1-13从环境空气中获取汽化能量，吸收了空气能的热泵气体冷媒，再次被压缩机1-1压缩提升，高温高压冷媒携带从环境空气中获取的能量叠加压缩机工作热，经四通换向阀1-2进入热冷凝器1-3与生活热水换热，如此循环从而实现从环境空气中获取能量，并能在冬季继续为用户提供源源不断的生活热水。
双源热泵热水机组模块回收冷媒循环回路为从压缩机1-1→四通换向阀1-2→水冷式冷凝器1-3→冷媒截止阀I1-4→干燥过滤器1-5→视液镜1-6→冷媒截止阀II1-7→电磁阀II1-9→膨胀阀II1-11→水冷式蒸发器1-17→单向阀I1-15→压缩机1-1。
空气能热回收冷媒循环回路，从压缩机1-1→四通阀1-2→水冷式冷凝器1-3→冷媒截止阀I1-4→干燥过滤器1-5→视液镜1-6→冷媒截止阀I1-8→电磁阀I1-8→膨胀阀I1-10→风冷式蒸发器1-14→四通换向阀1-2→单向阀II1-16→压缩机1-1。
换热介质的循环回路，从水冷式蒸发器1-17→水路蝶阀I2-1→热回收循环泵2-2→水路过滤器2-4→水路蝶阀II2-5→集分水器2-6→进入地暖盘管→水冷式蒸发器1-17。
换热介质的循环回路，从集热水箱3-5→水路蝶阀III3-4→水路过滤器3-3→循环泵3-2→水路碟阀IV 3-1→水冷式冷凝器1-3→回水管3-7→集热保温水箱3-5。
本发明一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统的特点如下：
1.为建筑屋面围护结构长期受辐射热侵扰而导致的建筑结构及建筑防水层的变形、裂缝和损坏提供了一套可靠的系统解决方案。
2.巧妙利用空气能热泵成熟技术，将屋面辐射热回收再利用与空气能热泵从空气中获取冷媒蒸发热的技术原理完美的结合起来，通过埋设在建筑屋面围护结构内的温度探头感知并自动切换其获取能量的方式或路径，既可以实现夏季回收屋面辐射热为用户提供生活热水，又保留了空气能热泵热水机组从环境空气中获取能量的功能，双源并联，独立运行，从建筑屋面获取能量时，环境空气中获取能量的冷媒循环回路被切断，从环境空气中获取能量时，建筑屋面辐射回收冷媒循环回路被切断。
本发明一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，可广泛应用于其他任何形式的热能回收场所。
Claims (5)
1.一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，其特征在于：包括双源热泵热水机组模块，双源热泵热水机组模块分别连接生活热水集热水箱模块和屋面辐射热回收模块；
所述双源热泵热水机组模块包括风冷式蒸发器，风冷式蒸发器的一端通过分液器连接水冷式蒸发器的一端，水冷式蒸发器的另一端通过四通换向阀连接压缩机，压缩机与水冷式冷凝器连接；
所述生活热水集热水箱模块包括集热保温水箱，集热保温水箱的一侧底部连接循环泵的进水口，循环泵的出水口与水冷式冷凝器，集热保温水箱的另一侧上下两端分别设有回水接口和出水接口，水冷式冷凝器通过回水管连接集热保温水箱；
所述屋面辐射热回收模块包括热回收循环泵，热回收循环泵的进水口与水冷式蒸发器连接，热回收循环泵的出水口依次连接水路过滤器、水路蝶阀II、集分水器，集分水器连接地暖盘管，所述地暖盘管内设有温度检测仪T2。
2.根据权利要求1所述的一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，其特征在于：所述风冷式蒸发器与水冷式蒸发器的连接管路上依次设有膨胀阀I、电磁阀I、电磁阀II及膨胀阀II。
3.根据权利要求1所述的一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，其特征在于：所述水冷式蒸发器与水冷式冷凝器之间的连接管路上依次设有截止阀II、视液镜、干燥过滤器及截止阀I。
4.根据权利要求1所述的一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，其特征在于：所述水冷式蒸发器与压缩机的连接管路之间依次设有单向阀I和单向阀II。
5.根据权利要求4所述的一种建筑屋面辐射热回收式双源热泵热水系统，其特征在于：所述集热保温水箱与循环泵的 连接管路之间依次设有水路蝶阀III和过滤器，循环泵与水冷式冷凝器之间的管路上设有水路蝶阀IV。
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