一种适用于热水器的热回收装置及其控制方法

1.本发明属于热水器技术领域，尤其涉及一种适用于热水器的热回收装置及其控制方法。


背景技术：

2.目前，随着人们生活水平的不断提高，生活热水在民用建筑中较为普及，常见的热水器，如电热水器、热泵热水器和燃气热水器等，都需要消耗大量能源来制备热水。
3.发明人发现，在人们日常活动中，洗澡是生活热水消耗较多的活动之一，通常人们洗澡后排走的热水温度仍然较高，将污水直接排掉，则这部分热量也将浪费掉，如果能将这部分热量回收利用，则可有效节省能源的消耗，提高热水系统的整体能效，而现有建筑中，还没有针对洗澡的生活热水进行热回收的有效装置或方法。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于热水器的热回收装置及其控制方法，是一种以co2为工质的热虹吸式热水器能量回收装置，通过热虹吸环路高效传热的优势，不产生任何能耗即可回收洗浴后热水中的热量，以提高热水器的能效比。
5.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种适用于热水器的热回收装置，采用如下技术方案：
6.一种适用于热水器的热回收装置，包括：
7.第一换热器，放热端的入口通过管道与地漏连接，放热端的出口通过管道与排水管连接；
8.第二换热器，吸热端的入口通过管道与供水系统连接，吸热端的出口通过管道与储水箱连接；
9.所述第一换热器的吸热端和所述第二换热器的放热端通过上升管及下降管连接构成虹吸回路，所述虹吸回路中设置有二氧化碳工质。
10.进一步的，所述地漏与所述第一换热器之间设置有过滤器。
11.进一步的，所述第一换热器的放热端的入口管道和出口管道之间连接有旁通管；所述第一换热器的放热端的入口处设置有第一截止阀，所述旁通管上设置有第二截止阀。
12.进一步的，所述第二换热器的吸热端的入口处和出口处分别设置有第一温度传感器和第二温度传感器。
13.进一步的，所述第一换热器的放热端的入口处设置有第三温度传感器，所述第一换热器的吸热端的出口处设置有第四温度传感器。
14.进一步的，所述第一换热器和所述第二换热器均为套管式换热器。
15.进一步的，所述第二换热器与所述第一换热器的设置位置之间存在高度差，所述第二换热器的设置位置高于所述第一换热器的设置位置。
16.进一步的，所述供水系统为自来水系统。
17.为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种适用于热水器的热回收装置控制方法，采用如下技术方案：
18.一种适用于热水器的热回收装置控制方法，采用了如第一方面中所述的适用于热水器的热回收装置，包括：
19.所述虹吸回路中，所述第一换热器处的液态二氧化碳吸热后变为气态二氧化碳，气态二氧化碳上升将热量带到所述第二换热器；所述第二换热器处的气态二氧化碳放热后变为液态二氧化碳；
20.所述虹吸回路中，位于所述上升管内工质密度小于位于所述下降管内的工质密度；工质受重力驱动在所述第二换热器流向所述第一换热器，实现工质在所述虹吸回路中内不断循环流动。
21.进一步的，通过第三温度传感器检测的温度与第一温度传感器检测的温度之间的温度差得到驱动温差；
22.如果驱动温差大于第一设定值时，第一截止阀开启，第二截止阀关闭，洗浴热水通过地漏流经第一换热器后排出，热回收装置正常运行；
23.驱动温差不大于第一设定值或第四温度传感器检测的温度不小于第二设定值时，第一截止阀关闭，第二截止阀开启，热回收装置装置关闭。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.本发明中，通过地漏和管道将洗浴热水送到第一换热器，第一换热器吸收洗浴热水中的热量，然后通过虹吸回路中的工质将第一换热器中的热量带到第二换热器，最后通过第二换热器为流向储水箱的水流提供热量，实现洗浴热水的热量回收；虹吸回路中的工质为二氧化碳，利用液态二氧化碳吸热后蒸发以及气态二氧化碳放热后凝结的原理，借助重力实现工质在虹吸回路中的循环，实现热量传递。
附图说明
26.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
27.图1为本发明实施例1的结构示意图；
28.其中，1、地漏；2、过滤器；3、排水管；4、第一换热器；5、上升管；6、第二换热器；7、下降管；8、储水箱；9、供水系统；10、第一温度传感器；11、第二温度传感器；12、第三温度传感器；13、第四温度传感器；14、第一截止阀；15、第二截止阀；16、旁通管。
具体实施方式：
29.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
30.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
31.实施例1：
32.如图1所示，本实施例提供了一种适用于热水器的热回收装置，包括地漏1、过滤器2、排水管3、第一换热器4、上升管5、第二换热器6、下降管7、储水箱8、供水系统9、第一温度
传感器10、第二温度传感器11、第三温度传感器12、第四温度传感器13、第一截止阀14、第二截止阀15和旁通管16；
33.可以理解的，所述第一换热器4和所述第二换热器6均包括放热端和吸热端以实现换热功能；所述第一换热器4的放热端的入口通过管道与地漏1连接，放热端的出口通过管道与排水管3连接；可以理解的，所述地漏1为浴室或其他洗浴场所内的地漏，浴室或其他洗浴场所内可以设置热水器来提供热水；所述排水管3与下水道或污水回收系统等连接；
34.所述第二换热器6的吸热端的入口通过管道与供水系统连接，吸热端的出口通过管道与储水箱8连接；可以理解的，所述储水箱8可以作为热水器的供水箱，也可以作为其他供水设备的供水箱；
35.所述第一换热器4的吸热端和所述第二换热器6的放热端通过管道连接构成虹吸回路，所述虹吸回路中设置有二氧化碳工质；通过虹吸回路内的二氧化碳工质，将所述第一换热器4吸收的洗浴后排出热水的热量传递给所述第二换热器6，然后通过所述第二换热器6将热量传递给供水系统中的水。
36.具体的，通过所述地漏1和管道将洗浴热水送到所述第一换热器4，所述第一换热器4吸收洗浴热水中的热量，然后通过虹吸回路中的工质将所述第一换热器4中的热量带到所述第二换热器6，最后通过所述第二换热器6为流向所述储水箱8的水流提供热量，实现洗浴热水的热量回收；其中，所述虹吸回路中的工质为二氧化碳，利用液态二氧化碳吸热后蒸发以及气态二氧化碳放热后凝结的原理，借助重力实现工质在虹吸回路中的循环，实现热量传递。
37.所述虹吸回路构成的热虹吸环路的传热效果好、结构简单且无需消耗电能，可以用作洗浴热水的能量回收。而随着环境问题的日益严峻，传统的虹吸回路利用氟利昂工质等的gwp值较高，因此本实施例中将性能优越的co2工质应用于热虹吸环路可以达到节能环保的目的，而通常洗浴热水的排水温度在35℃左右，在绝大多数情况下，co2热虹吸环路的工作温度不会超过其临界温度，可以满足co2热虹吸环路的两相区工作条件。
38.热虹吸环路的冷媒可以采用环保工质co2，充液率可以为50％，充液率可以理解为管内充入液态工质体积与热管总容积之比。
39.所述地漏1与所述第一换热器3之间设置有过滤器，对洗浴后的热水进行过滤，保证排出污水对管道的堵塞等问题。
40.所述第一换热器4的放热端的入口管道和出口管道之间连接有旁通管16；所述第一换热器4的放热端的入口处设置有第一截止阀14，所述旁通管上设置有第二截止阀15。所述第二换热器6的吸热端的入口处和出口处分别设置有第一温度传感器10和第二温度传感器11。所述第一换热器4的放热端的入口处设置有第三温度传感器12，所述第一换热器4的吸热端的出口处设置有第四温度传感器13。
41.本实施例中，设原热水器的能效比为cop1，所述第一温度传感器测得的温度为t1，所述第二温度传感器测得的温度为t2，所述储水箱8设定的热水温度为t，则能量回收后热水器的能效比为cop2＝(t-t1)/(t-t2)
·
cop1；
42.由于t2≥t1，所以cop2≥cop1；
43.设定所述第三温度传感器测量的温度为t3，所述第四温度传感器测量的温度为t4，可以计算出热虹吸环路的驱动温差δt(＝t
3-t1)，具体控制方法为：
44.当驱动温差δt＞第一设定值时，所述第一截止阀14开启，所述第二截止阀15关闭，此时洗浴热水流经所述第一换热器4后排出，热回收装置正常运行；
45.当驱动温差δt≤第一设定值或t4≥第二设定值时，热回收效果较差，或热虹吸环路可能出现异常运行，此时所述第一截止阀14关闭，所述第二截止阀15开启，此时洗浴热水流经所述旁通阀16排出，热回收装置关闭。所述第一设定值和所述第二设定值可以理解为常数，本实施例中，所述第一设定值可以取5℃，所述第二设定值可以取31℃。
46.在其他实施例中，所述第一温度传感器10、所述第二温度传感器11、所述第三温度传感器12和所述第四温度传感器13监测得到的温度数据可以传输到热水器的控制系统，通过热水器的显示器实时计算并显示热水器的能效比。
47.所述第一换热器4和所述第二换热器6均为套管式换热器。
48.所述第二换热器6与所述第一换热器4的设置位置之间存在高度差，所述第二换热器6的设置位置高于所述第一换热器1的设置位置。具体的，所述第一换热器4可以设置在浴室的淋浴区地面下部，所述第二换热器6可以设置靠近所述储水箱8的下方处，保证第一换热器4位置低于所述第二换热器6，两者之间保持一定的高度差，以保证工质在热虹吸环路中获得足够的循环驱动力
49.所述供水系统可以为自来水系统，用于向所述储水箱8供水。
50.本实施例中，所述第一换热器4工质排除端的管道可以设置为上升管5，所述第二换热器4工质排除端的管道可以设置为下降管7；所述上升管5和所述下降管7可以采用紫铜管，在其他实施例中，所述上升管5和所述下降管7可以包括有保温层，所述保温层包覆在所述上升管5和所述下降管7的外管壁，以减少向周围墙体的散热。
51.本实施例的工作原理或过程可分为五个部分：
52.洗浴热水排水过程：通常洗浴后的热水温度约为35℃左右，洗浴热水依次经过所述地漏1段和所述过滤器2进行过滤，经过滤后的洗浴热水不会造成管道的堵塞，洗浴热水进入所述第一换热器4中，将热量传递给冷媒/工质，放热降温，最后经排水管排出。
53.冷媒流动过程：热虹吸环路内的冷媒经所述地漏1吸热气化，部分或全部液体变为气体，冷媒气体经所述上升管5进入，在所述第二换热器6段内放热凝结，部分或全部蒸汽变为液体，冷媒液体经所述下降管7返回至所述第一换热器4段，由于所述下降管7内冷媒的平均密度大于所述上升管5内冷媒的平均密度，冷媒可以在热虹吸环路内实现自循。
54.自来水升温过程：常温的自来水经过自来水水管进入所述第二换热器6段中，吸收冷媒放出的热量，自来水温度得到提高，进入所述储水箱8，等待热水器的进一步加热。
55.能效测评过程：根据原热水器的能效比cop1，通过测量能量回收前自来水的温度t1、能量回收后进入所述储水箱8的自来水的温度t2，以及所述储水箱8设定的热水温度t，即可计算得到能量回收后的热水器能效比cop2＝(t-t1)/(t-t2)
·
cop1，由于t2≥t1，所以cop2≥cop1。
56.控制过程：通过测量能量回收前自来水的温度t1、洗浴热水的温度t3、所述第一换热器4段出口温度t4，计算出热虹吸回路的驱动温差δt(＝t
3-t1)。当δt＞第一设定值时，所述第一截止阀14开启，所述第二截止阀15关闭，此时洗浴热水流经所述第一换热器4段后排出，热回收装置正常运行；当δt≤第一设定值或t4≥第二设定值时，能量回收效果较差，或热虹吸环路可能出现异常运行，此时所述第一截止阀14关闭，所述截止阀15开启，此时洗
浴热水流经所述旁通阀16排出，热回收装置关闭。
57.本实施例利用热虹吸环路高效传热的优势，在用户洗浴过程中，由于所述第一换热器4段和所述第二换热器6段的水存在温度差，所述第一换热器4段中的工质吸收洗浴废水的热量，工质部分或全部变为蒸汽后进入所述上升管5，工质气体在所述第二换热器6段内与自来水进行换热，提高自来水的温度，换热后的工质部分或全部变为液体，工质液体经所述下降管7流回所述第一换热器4段。由于所述下降管7内工质的平均密度大于所述上升管5内工质的平均密度，工质可以在热虹吸环路中持续循环换热。将余热资源利用和热水器结合起来，可以有效的降低热水器的运行能耗，并通过温度监测结果计算能量回收后热水器的能效比，对此能量回收型热水器进行能效评价。通常洗浴热水的排水温度在35℃左右，在绝大多数情况下，co2热虹吸环路的工作温度不会超过其临界温度，可以满足co2热虹吸环路的两相区工作条件；但当出现过高温度排水时，co2可能处于超临界状态；此外，当热虹吸环路的驱动温差较小时，能量回收装置回收的能量较少且热虹吸环路可能会处于非正常运行状态，均不利于热虹吸回路的正常工作，因此为了保证安全运行并提高能量回收装置的有效性，在驱动温差较小或蒸发器工质出口温度高于31℃时，通过控制所述第一截止阀及所述第二截止阀将洗浴热水通过所述旁通管16直接排走；本实施例适用于各种设置有储水箱的热水器，如电热水器和热泵热水器等。
58.实施例2：
59.本实施例提供了一种适用于热水器的热回收装置控制方法，采用了如实施例1中所述的适用于热水器的热回收装置，包括：
60.所述虹吸回路中，所述第一换热器处的液态二氧化碳吸热后变为气态二氧化碳，气态二氧化碳上升将热量带到所述第二换热器；所述第二换热器处的气态二氧化碳放热后变为液态二氧化碳；
61.所述虹吸回路中，位于所述上升管内工质密度小于位于所述下降管内的工质密度；工质受重力驱动在所述第二换热器流向所述第一换热器，实现工质在所述虹吸回路中内不断循环流动。
62.进一步的，通过第三温度传感器检测的温度与第一温度传感器检测的温度之间的温度差得到驱动温差；
63.如果驱动温差大于第一设定值时，第一截止阀开启，第二截止阀关闭，洗浴热水通过地漏流经第一换热器后排出，热回收装置正常运行；
64.驱动温差不大于第一设定值或第四温度传感器检测的温度不小于第二设定值时，第一截止阀关闭，第二截止阀开启，热回收装置装置关闭。
65.以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。