吸碳型空气源热泵复合系统

1.本发明涉及热源塔热泵技术领域和直接空气碳捕集技术领域，尤其是涉及一种兼备建筑排风/排烟热回收功能与碳捕集功能的吸碳型空气源热泵复合系统。


背景技术：

2.2021年由清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展报告》指出，2019年中国建筑运行碳排放约为22亿吨，其中用于建筑炊事、生活热水及分散采暖的直接碳排放占29％。在冬季，建筑向外界排放的气体中蕴含大量低品位热能和二氧化碳，利用低能耗方式捕集建筑排风/排烟蕴含的二氧化碳，回收建筑排风/排烟余热，对削减建筑碳排放具有重要意义。
3.利用热源塔热泵系统，可以回收建筑排风/排烟蕴含的低品位热能。热源塔是热源塔热泵系统中的核心部件。热源塔利用溶液与蕴含低品位热能的气体进行接触，吸收气体的显热与潜热。热源塔吸收的热量通过热泵转移至室内用户侧，实现供暖与热水供应(夏季热源塔可作为常规冷却塔使用)。热源塔运行一段时间后，由于溶液长时间吸湿，所以需要利用驱动能量进行溶液浓缩再生。传统热源塔可回收建筑排风/排烟中蕴含的低品位热能，但传统热源塔无法捕集建筑排风/排烟中的二氧化碳。
4.利用直接空气碳捕集(direct air capture，dac)技术，可捕集建筑排风/排烟中的二氧化碳。dac是利用工程装置从分布源排放的气体中去除二氧化碳的技术(分布源碳排放指具有分散特点的碳排放，如建筑、交通行业产生的碳排放)。dac利用吸收剂或吸附剂对二氧化碳进行捕集，完成捕集后的吸收剂或吸附剂通过驱动能量进行吸碳性能再生，再生获得的纯二氧化碳被储存或者转化利用。利用dac，可捕集建筑排风/排烟中的二氧化碳，但dac需要耗费较高的成本与能耗。


技术实现要素：

5.基于上述现有技术存在的不足，本发明提供一种吸碳型空气源热泵复合系统，兼备热回收与碳捕集功能，该系统耦合了热源塔技术、dac技术和建筑排风热回收技术，削减了建筑运行碳排放，降低了建筑供暖能耗，同时解决了传统dac的高成本与高能耗问题，具有较大的市场发展前景。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.吸碳型空气源热泵复合系统，包括吸碳塔和热泵，吸碳塔包括溶液槽、喷淋装置和填料层，吸碳塔的侧面设有进风口，吸碳塔的顶面设有排风口；热泵包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，溶液槽的溶液出口经溶液泵连接至蒸发器，蒸发器的溶液出口连接至喷淋装置；溶液槽内填充可吸收二氧化碳的溶液；吸碳塔的底部远离进风口的一侧设有二氧化碳收集罐，二氧化碳收集罐用于收集溶液再生时产生的二氧化碳。
8.作为本发明的优选方案之一，所述吸碳塔内的溶液为碱性溶液、胺溶液中的一种。
9.作为本发明的优选方案之一，吸碳塔的进风口通入建筑排烟或建筑排风。
10.作为本发明的优选方案之一，吸碳塔的进风口还混入室外空气，进风口设有空气参数传感器，系统根据空气参数传感器的值调节室外空气与建筑排烟或建筑排风的占比。
11.作为本发明的优选方案之一，所述溶液槽包括上集液池、下集液池和位于上集液池与下集液池之间的空腔，空腔的一侧连通所述二氧化碳收集罐，上集液池通过第三阀门与下集液池连通，下集液池内设有加热件。
12.作为本发明的优选方案之一，还包括溶液再生自动控制模块，溶液再生自动控制模块包括溶液浓度监测装置和编程控制器，上集液池内设有溶液浓度传感器，编程控制器根据上集液池内的溶液浓度，实时控制第三阀门的开度及加热件的功率。
13.作为本发明的优选方案之一，上集液池和下集液池的溶液出口分别通过第一阀门和第二阀门连接至溶液泵；编程控制器还根据上集液池内的溶液浓度，实时控制第一阀门和第二阀门的开度。
14.作为本发明的优选方案之一，溶液再生包括自然单再生模式、辅助单再生模式和双再生模式，辅助单再生模式下加热件的功率小于双再生模式。
15.采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
16.本发明所述吸碳型空气源热泵复合系统，热源塔采用可吸收二氧化碳的溶液作为工作介质，冬季兼备建筑排风/排烟热回收功能与碳捕集功能，夏季兼备建筑排风冷量回收功能和碳捕集功能，实现建筑排风/排烟热回收与碳捕集一体化，以及，溶液碳捕集性能再生与溶液浓缩再生一体化，因此将吸碳型空气源热泵复合系统应用在建筑领域有望获得良好的减碳效益和节能效果。
17.本发明所述吸碳型空气源热泵复合系统，可对溶液的再生过程进行自动控制，溶液再生模式分为三种，自然单再生模式、辅助单再生模式、双再生模式。自然单再生模式下，溶液在热泵空闲时段在吸碳型热源塔内进行绝热循环喷淋，溶液一边吸收二氧化碳，一边释放水蒸气。辅助单再生模式下，溶液被辅热加热，加热后的溶液温度高于进入吸碳型热源塔的气体的干球温度，溶液在吸碳型热源塔中一边吸收二氧化碳，一边释放水蒸气。双再生模式下，溶液在高温辅热的作用下，同时释放二氧化碳和水蒸气。
附图说明
18.图1为实施例所述吸碳型空气源热泵复合系统示意图；
19.附图标记：1-吸碳塔，2-填料层，3-喷淋装置，4-除雾器，5-风机，6-溶液泵，7-上集液池，8-下集液池，9-加热件，10-第一阀门，11-第二阀门，12-第三阀门，13-二氧化碳捕集罐，14-热泵，15-蒸发器，16-压缩机，17-冷凝器，18-节流阀，19-溶液再生控制模块，20-溶液浓度监测装置，21-编程控制器。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅为本发明的可能的技术实现，并非全部实现可能。本领域技术人员完全可以结合本发明的实施例，在没有进行创造性劳动的情况下得到其他实施例，而这些实施例也在本发明的保护范围之内。
21.如图1所示，本实施例所述吸碳型空气源热泵复合系统，包括吸碳塔1、热泵2。吸碳
塔1主要负责吸收建筑排风/排烟中蕴含的低品位热能和二氧化碳，同时负责对长时间吸收水蒸气和二氧化碳后的溶液进行溶液再生。热泵14负责将吸碳型热源塔吸收的热量通过逆卡诺循环送至用户侧。
22.吸碳塔1包括溶液槽、填料层2和喷淋装置3，吸碳塔的侧面设有进风口，顶面设有排风口，吸碳塔1的顶面设有除雾器4和风机5。热泵14包括蒸发器15、压缩机16、冷凝器17、节流阀18。吸碳塔底部的溶液槽通过溶液泵6与蒸发器15连通，蒸发器15的溶液出口连接至喷淋装置3。
23.溶液槽内填充可吸收二氧化碳的溶液，例如碱性溶液(碳酸盐溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液等)、胺溶液等。
24.吸碳塔的进风口通入建筑排风或建筑排烟，吸碳型空气源热泵复合系统在溶液无需再生的情况下，工作流程如下：
25.建筑排风/排烟由风机5引入吸碳塔1内，溶液通过喷淋装置3喷洒在填料2层上。喷洒在填料层2上的溶液受重力作用沿着填料表面缓缓下降，与填料空隙间的气体进行直接接触。气液接触后，气体的温湿度下降、二氧化碳浓度降低并被风机5抽出塔外，溶液温度升高并落入底部的溶液槽中。上集液池中的溶液由溶液泵6送至热泵14。热泵14中的蒸发器15提取溶液的热量后，被再次送入吸碳塔1中。蒸发器15中的制冷剂蒸发后依次进入压缩机16，冷凝器17，节流阀18，之后回到蒸发器15中。热泵14提取的热能最终用于供暖及热水供应。
26.优选地，当建筑排风/建筑排烟流量不够时，混入室外空气，保证热源塔的低温热源供应量。更优地，还可在进风口处设流量传感器、温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器等，根据空气流量、温湿度及二氧化碳浓度调节建筑排风/建筑排烟与室外空气的占比，从而提高空气处理效果和二氧化碳的吸收效果。
27.当吸碳塔1长时间运行，溶液吸收大量水蒸气和二氧化碳时，需要对溶液进行再生，使溶液中的溶剂浓度和溶质浓度恢复至初始状态。
28.为更好地控制溶液再生，本发明所述溶液槽包括上集液池7、下集液池8，和位于二者之间的空腔，空腔连通二氧化碳捕集罐13。上集液池与下集液池的溶液出口分别通过第一阀门10、第二阀门11连接至溶液泵6，上集液池7通过第三阀门12与下集液池8连通，下集液池内设有加热件9。
29.本发明所述系统还包括溶液再生自动控制模块19，包括溶液浓度监测装置20和编程控制器21，上集液池内设有溶液浓度传感器，溶液浓度监测装置20用于实时监测上集液池内的溶液浓度，并传输至编程控制器，编程控制器21控制第一阀门至第三阀门的开度和加热件的加热功率，从而实现溶液再生自动控制。
30.本实施例中，溶液再生模式分为三种：自然单再生模式、辅助单再生模式、双再生模式。自然单再生模式下，溶液在热泵空闲时段在吸碳型热源塔内进行绝热循环喷淋，溶液一边吸收二氧化碳，一边释放水蒸气。辅助单再生模式下，溶液被辅热加热，加热后的溶液温度高于进入吸碳型热源塔的气体的干球温度，溶液在吸碳型热源塔中一边吸收二氧化碳，一边释放水蒸气。双再生模式下，溶液被辅热加热(双再生模式下的辅热功率大于辅助单再生模式下的辅热功率)，溶液同时释放二氧化碳和水蒸气。
31.下面结合附图对三种模式进行说明。
32.自然单再生模式下，热泵14、加热件9、第二阀门11、第三阀门12保持关闭，第一阀门10、风机5、溶液泵6保持开启。在溶液泵6的驱动作用下，溶液由喷淋装置3喷淋至填料层2表面。填料表面的溶液与由风机5引入吸碳塔1内的气体进行热质交换。在热质交换过程中，溶液吸热蒸发，溶剂浓度减少，溶液温度几乎保持不变。气体湿度增大，温度降低。吸收热量后的溶液落入上集液池7并由溶液泵6再次送入吸碳塔1进行循环。温度降低后的气体被排出塔外。
33.辅助单再生模式下，加热件9、第一阀门10、第二阀门11、第三阀门12、热泵14、风机5、溶液泵6保持开启。上集液池7中的部分溶液受重力作用，通过第三阀门12所控制的管道流入下集液池8(下集液池8中本身含有一定量的溶液)。下集液池8中的溶液被加热件9加热后，溶液吸热蒸发，温度升高。被加热后的溶液通过第二阀门11所控制管道，与第一阀门10所控制管道中的溶液进行混合。混合溶液的浓度由第二阀门11和第一阀门10进行控制。混合后的溶液由溶液泵6送入热泵14，与热泵14中的蒸发器15进行换热。通过热泵14提取的热量将用于供暖及热水供应。混合溶液与蒸发器15换热后，被送入热源塔并由喷淋装置3喷洒至填料层2表面。进入吸碳塔的溶液温度大于气体进入吸碳塔1时的干球温度。溶液与气体在填料层2表面进行热质交换。溶液在热质交换过程中吸收热量和二氧化碳，溶液温度降低，溶剂浓度降低，溶质质量保持不变，气体温度降低，湿度升高，焓值升高，二氧化碳浓度降低。热质交换后的气体由风机5排出塔外，溶液落入上集液池7。辅助单再生结束后，关闭第二阀门11、第三阀门12、加热件9，其他部件照常运转。
34.双再生模式与辅助单再生模式运行方式基本相同，区别在于：双再生模式下辅热功率大于单再生模式；双再生模式下溶液在下集液池8中吸热蒸发并释放二氧化碳，而辅助单再生模式下溶液在下集液池8中仅吸热蒸发，不释放二氧化碳。双再生模式下产生的二氧化碳由二氧化碳收集罐13进行收集。当双再生模式结束后，关闭第二阀门11、第三阀门12、加热件9。
35.本发明所述系统还包括溶液再生自动控制模块19，包括溶液浓度监测装置20和编程控制器21，上集液池7内设有溶液浓度传感器，溶液浓度监测装置20用于实时监测上集液池内的溶液浓度，并传输至编程控制器21。编程控制器21获得浓度信号后进行判断，判断是否需要进行溶液再生以及采用何种再生模式。
36.下面结合实施例说明溶液再生模式的判断。假设吸碳型热源塔采用质量浓度为10％的碳酸钠溶液作为吸收剂。当碳酸钠溶液长时间吸收水蒸气和二氧化碳后，溶液中的碳酸钠将减少，碳酸氢钠和水将增多。通过设定碳酸氢钠阈值浓度和水的阈值浓度，并根据溶液再生自动控制模块监测到的溶液组分浓度，可判定是否需要进行溶液再生，以及采用何种溶液再生模式。例如，假设溶液中碳酸氢钠组分的阈值质量浓度为8％，水的阈值质量浓度94％。当溶液中水的质量浓度大于94％时，吸碳型热源塔需进入自然单再生模式或辅助单再生模式(热泵处于停机状态时进入自然单再生模式，否则进入辅助单再生模式)。当水的质量浓度小于94％，溶液中的碳酸氢钠质量浓度高于8％时，吸碳型热源塔需进入双再生模式。
37.为减少吸碳型热源塔热泵系统的能耗，应选择合理的溶液组分浓度阈值范围，选择合理的运行策略，例如：
38.1)双再生模式的能耗大于辅助单再生模式，而辅助单再生模式的能耗大于自然单
再生。因此，在选择再生模式时，在满足要求的前提下，应尽可能选择能耗小的再生模式。
39.2)为实现能量的梯级利用，可将低能耗再生模式安排在高能耗再生模式之后。例如，双再生模式以恢复溶液的碳捕集性能为目标。当碳酸钠和碳酸氢钠的混合溶液经历双再生模式后，溶液中的碳酸氢钠含量将低于相应阈值，但水含量可能依旧大于相应阈值。在这种情况下，为实现能量的梯级利用，可在双再生模式后立刻进入辅助单再生模式。
40.3)当吸碳型热源塔热泵系统在非溶液再生模式下无法满足供暖需求时(如室外温度很低时)，可提前进行溶液再生，即便此刻溶液按照阈值浓度判断无需进行溶液再生。
41.本发明所述吸碳型空气源热泵复合系统，热源塔采用可吸收二氧化碳的溶液作为工作介质，冬季兼备建筑排风/排烟热回收功能与碳捕集功能，夏季兼备建筑排风冷量回收功能和碳捕集功能，实现建筑排风/排烟热回收与碳捕集一体化，以及，溶液碳捕集性能再生与溶液浓缩再生一体化，因此将吸碳型空气源热泵复合系统应用在建筑领域有望获得良好的减碳效益和节能效果。