一種中空纖維膜與熱泵集成的供熱與空氣除溼系統的製作方法

2023-12-12 18:45:37 2

本實用新型涉及一種供熱與空氣除溼系統，尤其涉及一種中空纖維膜與熱泵集成的供熱與空氣除溼系統。

背景技術：

為降低建築能耗，熱泵供熱技術與溫溼度獨立控制技術得到廣泛的應用。中空纖維膜溶液除溼系統可以很好的實現溫溼度獨立控制，且不存在溶液漂失問題，已有相關的研究成果與專利文獻公布了有關技術方案。但對於用戶來說，同時投資建設供熱設備與除溼設備，需要綜合考慮佔地面積與經濟性問題。

熱源塔熱泵為一種新型的熱泵裝置，它通過熱源塔與室外空氣換熱，吸收空氣中的熱量，將吸收的低品位熱量以熱泵的形式轉換為高品位的熱量從而達到向室內供暖和提供生活熱水的目的，在早期的應用中，由於載熱流體與空氣直接接觸換熱，易導致載熱流體的汙染以及溶液的漂失，未解決此問題閉式熱源塔技術被提出，卻增加了管外結霜的問題。由於除溼與供熱有著明顯的季節性使用需求，使用熱泵驅動的中空纖維膜除溼系統可以達到夏季空氣除溼的目的，但是冬季供熱時熱泵的容量由無法滿足供熱需求，因此需要額外建設供熱熱泵，造成設備成本提高。

技術實現要素：

本實用新型主要解決開式熱源塔熱泵溶液漂失和閉式塔結霜的問題，同時使用同一套設備實現夏季室內溫溼度獨立控制。將熱泵供熱設備與空氣除溼設備集成，冬季為改進的熱源塔熱泵系統為室內供熱，夏季為熱泵驅動的中空纖維膜溶液除溼系統實現室內溫溼度控制，集成系統減少佔地面積與設備初投資。此外，系統中溶液再生採用空氣式溶液再生技術，即採用幹空氣與需要再生的溶液接觸，由於溶液水蒸氣分壓高於幹空氣的水蒸氣分壓，溶液中的水分會通過膜結構向空氣側傳遞，最終實現溶液再生，克服了溶液再生對高品位能源的需求，避免了複雜的設備。

為了解決上述技術問題，本實用新型提出的一種中空纖維膜與熱泵集成的供熱與空氣除溼系統，包括機房和房間；所述機房內設有熱泵機組、溶液循環泵、第一溶液冷卻器、第二溶液冷卻器、蓄熱水箱、溶液冷卻循環水泵和相互連接的進風風道和排風風道；所述熱泵機組包括第一熱泵換熱器和第二熱泵換熱器；所述房間內設有淋浴和地板輻射採暖；自所述進風風道的進口至所述排風風道的出口依次布置有進風軸流風機、空氣過濾器和中空纖維膜工作組件、乾燥箱、中空纖維膜再生組件、排風軸流風機和排風通風閥；所述中空纖維膜工作組件與中空纖維膜再生組件結構相同，均由多個中空纖維膜模塊串聯或並聯組成；所述乾燥箱的前後分別設置通風閥，在所述中空纖維膜工作組件與乾燥箱之間的連接處通過室內新風通風閥連接有室內新風風道；在所述中空纖維膜再生組件與乾燥箱之間的連接處通過室內迴風通風閥連接有室內迴風風道；所述室內新風風道和室內迴風風道均通向房間內；在所述室內新風風道的室內端安裝有風機盤管，所述室內迴風風道的室內端安裝有迴風風機；所述中空纖維膜工作組件的出口與所述第一熱泵換熱器的入口1連接，所述第一熱泵換熱器出口2通過所述溶液循環泵與第一三通旋塞閥的2口相連，所述第一三通旋塞閥的1口與第二三通旋塞閥的3口相連，所述第一三通旋塞閥的3口連接至所述第一溶液冷卻器的溶液進口3；所述第一溶液冷卻器的溶液出口1與所述第二三通旋塞閥的1口相連，所述第二三通旋塞閥的2口連接至所述中空纖維膜再生組件的溶液入口；所述中空纖維膜再生組件的溶液出口與第三三通旋塞閥的1口相連，所述第三三通旋塞閥的2口與第四三通旋塞閥的2口相連，所述第三三通旋塞閥的3口連接至所述第二溶液冷卻器的溶液進口3，所述第二溶液冷卻器的溶液出口1與所述第四三通旋塞閥的3口相連，所述第四三通旋塞閥的1口連接至所述中空纖維膜工作組件的入口；所述第二熱泵換熱器出口3與第五三通旋塞閥的1口相連，第五三通旋塞閥的2口與第一三通混合閥的1口相連，第一三通混合閥的2口通過第一旋擰閥後並經過一個循環水泵連接至所述風機盤管的入口，所述風機盤管的出口與第二三通混合閥的3口相連；所述第五三通旋塞閥的3口與第六三通旋塞閥的3口相連，第六三通旋塞閥的2口連接至所述蓄熱水箱的熱水進口5，所述蓄熱水箱的冷水出口4與第七三通旋塞閥的2口相連，第七三通旋塞閥的1口通過一個循環水泵連接至第八三通旋塞閥的3口，所述第二三通混合閥的1口連接至所述第八三通旋塞閥的2口，第八三通旋塞閥的1口連接至所述第二熱泵換熱器的入口4；第一三通混合閥的3口連接至所述溶液冷卻循環水泵的入口，所述溶液冷卻循環水泵的出口連接至所述第二溶液冷卻器的水側入口2；所述第二溶液冷卻器的水側出口4連接至所述第二三通混合閥的2口；第七三通旋塞閥的3口通過一個循環水泵後連接至所述第一溶液冷卻器的水側入口4，所述第一溶液冷卻器的水側出口2連接至所述第六三通旋塞閥的1口；所述蓄熱水箱的熱水出口1通過第二旋擰閥連接至所述淋浴；所述蓄熱水箱的熱水出口3通過第三旋擰閥和一個循環水泵後連接至所述地板輻射採暖的入口，所述地板輻射採暖的出口與所述蓄熱水箱的冷水入口2相連，所述地板輻射採暖的供水和回水之間設置第四旋擰閥。

進一步講，所述乾燥箱中所用的乾燥劑是硫酸鈣、氯化鈣、矽膠和活性氧化鋁中的一種或幾種的組合。

所述中空纖維膜工作組件與中空纖維膜再生組件使用的工作液體為氯化鈣溶液、氯化鋰溶液、溴化鋰溶液、乙二醇溶液中的一種或兩種的混合溶液。

本實用新型綜合了中空纖維膜傳熱傳質、溶液除溼與熱源塔熱泵供熱技術，利用中空纖維膜實現工作流體與空氣間的熱質交換，一機多用，解決了冬季使用空氣源熱泵供熱室外換熱器結霜問題，實現了夏季溫溼度獨立控制，有效的推動了可再生能源技術的應用。與現有技術相比，本實用新型的有益效果如下：

(1)集成系統一機多用，解決了冬季使用空氣源熱泵供熱室外換熱器結霜問題，實現了夏季溫溼度獨立控制，系統綜合能效高。

(2)中空纖維膜組件與熱泵作為核心部件，將供熱與除溼設備集成，減少佔地面積，降低設備初投資。

(3)採用了一種空氣式溶液再生方式，克服了防凍液再生對高品位能源的需求，避免了複雜的設備。

(4)通過控制循環泵的開啟、旋塞閥的旋向和旋擰閥的開關，即可實現系統冬夏季工作模式的轉變，提高系統的自動化程度。

附圖說明

圖1為本實用新型一種中空纖維膜與熱泵集成的供熱與空氣除溼系統示意圖。

圖中：

I-機房 II-熱泵機組

III-房間 af1-進風風道

af2-排風風道 af3-室內新風風道

af4-室內迴風風道 av1-進風通風閥

av2-排風通風閥 av3-室內新風通風閥

av4-通風閥 av5-通風閥

av6-室內迴風通風閥 f1-進風軸流風機

f2-排風軸流風機 e1-空氣過濾器

e2-中空纖維膜工作組件 e3-中空纖維膜再生組件

e4-乾燥箱 e5-第一溶液冷卻器

e6-溶液循環泵 e7-第一熱泵換熱器

e8-第二熱泵換熱器 e9-第二溶液冷卻器

e10-溶液冷卻循環水泵 e13-蓄熱水箱

e16-風機盤管 e17-淋浴

e18-地板輻射採暖 e19-迴風風機

e11、e12、e14、e15-循環水泵 mo1-中空纖維膜模塊

v1-第四三通旋塞閥 v2-第二三通旋塞閥

v3-第三三通旋塞閥 v4-第一三通旋塞閥

v5-第八三通旋塞閥 v6-第二三通混合閥

v7-第五三通旋塞閥 v8-第一三通混合閥

v9-第一旋擰閥 v10-第六三通旋塞閥

v11-第七三通旋塞閥 v12-第二旋擰閥

v13-第三旋擰閥 v14-第四旋擰閥

虛線表示中空纖維膜工作組件的溶液流出管

細實線表示溶液或水管路

雙粗實線表示風道，包括進風風道、排風風道、室內新風風道和室內迴風風道

點劃線表示機房、房間、熱泵機組、中空纖維膜工作組件和中空纖維膜再生組件

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅是對本實用新型進行解釋說明，並不用以限制本實用新型。

如圖1所示，本實用新型提出的一種中空纖維膜與熱泵集成的供熱與空氣除溼系統，包括機房I和房間III。

所述機房I內設有熱泵機組II、溶液循環泵e6、第一溶液冷卻器e5、第二溶液冷卻器e9、蓄熱水箱e13、溶液冷卻循環水泵e10和相互連接的進風風道af1和排風風道af2；所述熱泵機組II包括第一熱泵換熱器e7和第二熱泵換熱器e8。

所述房間III內設有淋浴e17和地板輻射採暖e18。

自所述進風風道af1的進口至所述排風風道af2的出口依次布置有進風軸流風機f1、空氣過濾器e1和中空纖維膜工作組件e2、乾燥箱e4、中空纖維膜再生組件e3、排風軸流風機f2和排風通風閥av2；所述中空纖維膜工作組件e2與中空纖維膜再生組件e3結構相同，均由多個中空纖維膜模塊mo1串聯或並聯組成。所述中空纖維膜工作組件e2與中空纖維膜再生組件e3使用的工作液體為氯化鈣溶液、氯化鋰溶液、溴化鋰溶液、乙二醇溶液中的一種或兩種的混合溶液。

所述乾燥箱e4的前後分別設置通風閥，在所述中空纖維膜工作組件e2與乾燥箱e4之間的連接處通過室內新風通風閥av3連接有室內新風風道af3；在所述中空纖維膜再生組件e3與乾燥箱e4之間的連接處通過室內迴風通風閥av6連接有室內迴風風道af4；所述室內新風風道af3和室內迴風風道af4均通向房間III內。所述乾燥箱e4中所用的乾燥劑是硫酸鈣、氯化鈣、矽膠和活性氧化鋁中的一種或幾種的組合。

在所述室內新風風道af3的室內端安裝有風機盤管e16，所述室內迴風風道af4的室內端安裝有迴風風機e19。

所述中空纖維膜工作組件e2的出口與所述第一熱泵換熱器e7的入口1連接，所述第一熱泵換熱器e7出口2通過所述溶液循環泵e6與第一三通旋塞閥v4的2口相連，所述第一三通旋塞閥v4的1口與第二三通旋塞閥v2的3口相連，所述第一三通旋塞閥v4的3口連接至所述第一溶液冷卻器e5的溶液進口3；所述第一溶液冷卻器e5的溶液出口1與所述第二三通旋塞閥v2的1口相連，所述第二三通旋塞閥v2的2口連接至所述中空纖維膜再生組件e3的溶液入口。

所述中空纖維膜再生組件e3的溶液出口與第三三通旋塞閥v3的1口相連，所述第三三通旋塞閥v3的2口與第四三通旋塞閥v1的2口相連，所述第三三通旋塞閥v3的3口連接至所述第二溶液冷卻器e9的溶液進口3，所述第二溶液冷卻器e9的溶液出口1與所述第四三通旋塞閥v1的3口相連，所述第四三通旋塞閥v1的1口連接至所述中空纖維膜工作組件e2的入口。

所述第二熱泵換熱器e8出口3與第五三通旋塞閥v7的1口相連，第五三通旋塞閥v7的2口與第一三通混合閥v8的1口相連，第一三通混合閥v8的2口通過第一旋擰閥v9後並經過一個循環水泵e14連接至所述風機盤管e16的入口，所述風機盤管e16的出口與第二三通混合閥v6的3口相連。

所述第五三通旋塞閥v7的3口與第六三通旋塞閥v10的3口相連，第六三通旋塞閥v10的2口連接至所述蓄熱水箱e13的熱水進口5，所述蓄熱水箱e13的冷水出口4與第七三通旋塞閥v11的2口相連，第七三通旋塞閥v11的1口通過一個循環水泵e11連接至第八三通旋塞閥v5的3口，所述第二三通混合閥v6的1口連接至所述第八三通旋塞閥v5的2口，第八三通旋塞閥v5的1口連接至所述第二熱泵換熱器e8的入口4。

第一三通混合閥v8的3口連接至所述溶液冷卻循環水泵e10的入口，所述溶液冷卻循環水泵e10的出口連接至所述第二溶液冷卻器e9的水側入口2；所述第二溶液冷卻器e9的水側出口4連接至所述第二三通混合閥v6的2口。

第七三通旋塞閥v11的3口通過一個循環水泵e12後連接至所述第一溶液冷卻器e5的水側入口4，所述第一溶液冷卻器e5的水側出口2連接至所述第六三通旋塞閥v10的1口。

所述蓄熱水箱e13的熱水出口1通過第二旋擰閥v12連接至所述淋浴e17。

所述蓄熱水箱e13的熱水出口3通過第三旋擰閥v13和一個循環水泵e15後連接至所述地板輻射採暖e18的入口，所述地板輻射採暖e18的出口與所述蓄熱水箱e13的冷水入口2相連，所述地板輻射採暖e18的供水和回水之間設置第四旋擰閥v14。

本實用新型一種中空纖維膜與熱泵集成的供熱與空氣除溼系統具有兩種工作模式，冬季可作為一種無霜式空氣源熱泵進行供熱，同時可提供生活熱水；夏季作為熱泵驅動的中空纖維膜液體除溼空調系統，實現溫溼度獨立控制，系統綜合能效高。

本實用新型一種中空纖維膜與熱泵集成的供熱與空氣除溼系統在供熱季節運行時，進風通風閥av1開啟，開啟進風軸流風機f1，排風通風閥av2開啟，開啟排風軸流風機f2，兩個通風閥av4、av5開啟，進風風道af1、排風風道af2聯通；開啟溶液循環泵e6，第一三通旋塞閥v4的1-2口相連，第二三通旋塞閥v2的3-2口相連，第三三通旋塞閥v3的1-2口相連，三通旋塞閥v1的1-2口相連，此時溶液循環迴路聯通。低溫空氣從進風風道af1進口進入系統，在進風風道af1內與中空纖維膜工作組件e2中的低溫工作溶液發生熱質交換，隨後空氣經過乾燥箱e4進入排風風道af2；工作溶液吸收空氣中的潛熱，溫度升高，濃度降低，然後進入第一熱泵換熱器e7，為熱泵提供低品位熱源，降溫後的工作溶液在溶液循環泵e6的作用下進入中空纖維膜再生組件e3進行再生，幹空氣與中空纖維膜再生組件e3中工作溶液在水蒸氣分壓的作用下發生熱溼交換，水分從工作溶液中透過膜層進入幹空氣，實現溶液再生。空氣在排風軸流風機f2作用下，通過排風通風閥av2排出排風風道af2。

供熱時，熱泵機組Ⅱ中的第一熱泵換熱器e7作為蒸發器，吸收工作溶液中的低品位熱量，消耗電能，第二熱泵換熱器e8作為冷凝器輸出高品位熱量。開啟循環水泵e11，第七三通旋塞閥v102-1口相連，第八三通旋塞閥v53-1口相連，三通旋塞閥v71-3口相連，第六三通旋塞閥v103-2口相連，作為中間換熱介質的水從蓄熱水箱e13冷水出口4流出，在循環水泵e11的作用下，從4口進入第二熱泵換熱器e8，吸收熱量，溫度升高後，從3口流出第二熱泵換熱器e8，回到蓄熱水箱e13，對蓄熱水箱e13進行蓄熱。打開第二旋擰閥v12後，可為淋浴e17提供生活熱水，打開第三旋擰閥v13，開啟循環水泵e15，可為地板輻射採暖e18提供熱水，進行室內供熱，通過調節第四旋擰閥v14的開度，可對供水溫度進行調節。

在非供暖季，需要對室內進行製冷與通新風時，採用溫溼度獨立控制方案。進風通風閥av1開啟，開啟進風軸流風機f1，排風通風閥av2開啟，開啟排風軸流風機f2，進風風道af1、排風風道af2聯通，開啟室內新風通風閥av3，開啟室內迴風通風閥av6，關閉兩個通風閥av4、av5；開啟溶液循環泵e6，第一三通旋塞閥v4的2-3口相連，第二三通旋塞閥v2的1-2口相連，第三三通旋塞閥v3的1-3口相連，第四三通旋塞閥v1的3-1口相連，此時溶液循環迴路聯通。高溫溼空氣從進風風道af1進口進入系統，在進風風道af1內與中空纖維膜工作組件e2中的工作溶液發生熱質交換，空氣中的水分通過膜結構在水蒸氣分壓的作用下進入溶液，幹空氣通過室內新風通風閥av3送入室內風機盤管e16，完成室內空氣循環後由在迴風風機e19的作用下進入室內迴風風道af4，經過通風閥av6進入排風風道af2，與中空纖維膜再生組件e3接觸，組件中稀溶液與幹空氣在水蒸氣分壓的作用下發生熱溼交換，水分從工作溶液中透過膜層進入幹空氣，實現溶液再生，然後空氣在排風軸流風機f2作用下，通過排風通風閥av2排到室外。

中空纖維膜工作組件e2中工作溶液吸收空氣中的水分，濃度降低，然後進入第一熱泵換熱器e7，此時第一熱泵換熱器e7作為冷凝器工作，被加熱後的工作溶液在溶液循環泵e6的作用下從3口進入第一溶液冷卻器e5，調節工作溶液溫度後，從第一溶液冷卻器e5的1口流出，進入中空纖維膜再生組件e3進行再生。再生後的工作溶液，從3口進入第一溶液冷卻器e9進行冷卻，從1口流出第一溶液冷卻器e9，然後進入中空纖維膜工作組件e2，開始下一個工作循環。

此時，第二熱泵換熱器e8作為蒸發器，三通旋塞閥v7的1-2口相連，第八三通旋塞閥v5的2-1口相連，第七三通旋塞閥v11的2-3口相連，開啟第一旋擰閥v9。低溫水從3口流出，通過第一旋擰閥v9，在循環水泵e14的作用下進入風機盤管e16，回水經過第二三通混合閥v6回到第二熱泵換熱器e8，完成製冷水路循環。開啟循環水泵e10，經過第一三通混合閥v8的低溫水從2口進入第二溶液冷卻器e9，從4口流出，與製冷循環的水路在第二三通混合閥v6混合後，進入第二熱泵換熱器e8。

除溼工況下，為調節進入中空纖維膜再生組件e3的溶液的溫度，將第七三通旋塞閥v11的2-3口相連，第六三通旋塞閥v10的1-2口相連，開啟循環水泵e12，蓄熱水箱e13冷水從出口4流出，經過循環水泵e12從4口進入第一溶液冷卻器e5，溫度升高後從2口流出，回到蓄熱水箱e13進行放熱，加熱後的水蓄存在水箱中，開啟第二旋擰閥v12可供生活用水。

具體實施方式如下表所示：

綜上，本實用新型參考熱源塔熱泵技術，並對其進行改進。熱源塔熱泵為一種新型的熱泵裝置，它通過熱源塔與室外空氣換熱，吸收空氣中的熱量，將吸收的低品位熱量以熱泵的形式轉換為高品位的熱量從而達到向室內供暖和提供生活熱水的目的。熱源塔熱泵系統的熱源雖然也來自空氣，但它有別於傳統空氣源熱泵從空氣中獲取能量的方式，在冬季，熱源塔熱泵機組利用冰點低於0℃的載體介質，高效提取-9℃以上、相對溼度較高的低溫環境下空氣種的低品位熱能進行供熱，解決了傳統空氣源熱泵冬季結霜的問題，省去了傳統空氣源熱泵的電輔助加熱。

儘管上面結合附圖對本實用新型進行了描述，但是本實用新型並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬於本實用新型的保護之內。