CN100398936C - 太阳能-空气热泵热水器 - Google Patents

Abstract

一种太阳能-空气热泵热水器，包括一个太阳能-空气蒸发器，一个包括沉浸式冷凝盘管在内的热水箱，一个小型热泵压缩机及热力膨胀阀、气液分离器、干燥过滤器、储液器等相关的制冷配件，太阳能-空气蒸发器由太阳能集热板、空调风扇、通风口、壳体等部件组成，将太阳能集热器和空气换热器以紧凑结构形式组合起来，热水器的自动控制装置则包括一个用于控制风扇启停的温差控制器和一个控制压缩机启停的水箱恒温器。本发明具有结构简单、安装方便、高效节能、易于与建筑一体化结合等优点，可全天候使用，适用于各种建筑用户对热水的需求。

Description

太阳能-空气热泵热水器

技术领域：

本发明涉及一种太阳能-空气热泵热水器，尤其涉及一种对直接膨胀式太阳能热泵热水器改进的新型全天候热泵热水器，属于能源类供热技术领域。

背景技术：

目前我国热水器市场上普遍销售的热水器产品为电热水器、燃气热水器和太阳能热水器等。其中，电热水器以消耗大量昂贵的电力为代价，不利于能源的合理利用；燃气热水器在使用中则存在严重的安全隐患，每年因燃气热水器的使用而引发的中毒事件时有报道；常规的太阳能热水器在阴雨天是不能生产热水的，只能依靠电加热来弥补太阳能的不足，从而也存在能源的浪费现象，特别是在一些阴雨天比较多的南方地区使用这种热水器并不十分经济。于是，一种新型的基于热泵循环原理的热水器装置开始在热水器市场上崭露头角，它是利用蒸发器从周围环境中吸收热能(太阳能、空气或水等)，并通过冷凝器将热能释放到水箱中去，从而实现热水的生产。热泵热水器具有高效节能、全天候和安全可靠等优点，而且实现了能源的低级利用，具有广阔的发展和应用前景。其中，太阳能热泵热水器和空气热泵热水器因各自特点得到了不同人们的青睐。太阳能热泵热水器可以获得较高的蒸发温度，因而热泵的供热性能系数COP也较高(通常可超过4)，但是热泵性能受太阳辐射强度等气象参数的影响很大，在阴雨天或夜间热泵性能陡然下降，甚至因蒸发温度过低而停止工作。与之相比，空气热泵热水器最大的优点就是受太阳辐射条件的影响很小，热泵全天工作性能较为稳定，但是在冬季寒冷的地区蒸发器往往会出现严重的结霜现象，导致热泵性能恶化。于是，人们希望将这两种热泵的优点集中起来，形成优势互补，既能有效提高热泵COP又能全天候稳定工作。

在欧洲专利第0336751中公开了一种太阳能热泵热水器，该热水器包括一个水箱、一个携带制冷剂并以热传导的连接形式缠绕在水箱上的热交换管，一个压缩机、一个接收器/干燥器/过滤器和一个从周围环境中吸收热能的蒸发器。水箱和热交换管封闭在含有绝缘泡沫的壳体中，并且压缩机和接收器/过滤器/干燥器安装在位于箱壳上部的制冷盘架的顶部。蒸发器为一组串联的太阳蒸发器板，每个蒸发器板都含有若干蜿蜒设置的致冷剂通道。中国发明专利CN1186206A公开了一种改进的热水器，它是参照欧洲专利第0336751号中的内容，对其水箱热交换装置进行了改进。改进了的热交换器包括一个与压缩机相连的入口集管、一个出口集管和在入口和出口集管之间并行相连的若干热交换管，且是在应力作用之下以热传导的形式固定在水箱壁上的。与单根管的热交换器相比，多管平行的热交换器可更迅速、有效地加热水箱中的水。但是上述专利仍然没有解决太阳能热泵热水器在夜间或太阳辐射较弱的条件下工作性能的稳定性和高效性问题，因为在这种情况下普通的太阳蒸发器板仅靠表面的自然对流换热从周围空气中吸收的热量是十分有限的，从而导致了蒸发温度急剧下降，热泵COP也随之降低，远远低于相同工作条件下的空气热泵热水器。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型的太阳能-空气热泵热水器，将太阳能热泵热水器和空气热泵热水器各自的优点集中起来，形成优势互补，既能有效提高热泵COP又能全天候稳定工作。

为实现这样的目的，本发明的太阳能-空气热泵热水器，包括一个太阳能-空气蒸发器，它能将太阳能集热器和空气换热器以极为紧凑的结构形式组合起来；一个包括沉浸式冷凝盘管在内的热水箱，一个小型热泵压缩机及其相关的制冷配件储液器、干燥过滤器、热力膨胀阀、气液分离器等。热水器的自动控制装置则包括一个用于控制风扇启停的温差控制器和一个控制压缩机启停的水箱恒温器。

太阳能-空气蒸发器由太阳能集热板、空调风扇、带丝网的通风口和带安装孔的壳体组成。其中，太阳能集热板为全铝板式结构，制冷剂通道采用热压吹胀工艺形成，集热板外表面喷涂光谱选择性材料。为了强化集热板内表面与空气流的传热效果，在制冷剂通道之间压制出一系列几何形状的突起面，使得当空气通过这些突起面时，流动方向与速度方向均发生改变，空气分子冲撞传热面的运动加强，湍流边界层变薄，不仅减小了边界对流热阻，而且增大了有效传热面积，大大强化了传热效果。空调风扇采用尺寸紧凑、重量轻、安全可靠的全塑或铝合金材料制成的轴流式空调换气扇。蒸发器壳体采用铝合金框架结构，壳体的一个端面用于安装空调风扇，另一端面上安装带丝网的通风口。太阳能集热板上的制冷剂通道利用铜铝复合管接出，并通过铜管与其他系统部件连接起来。安装空调风扇的一个壳体端面可以采用向上表面倾斜的结构，不仅可以强化蒸发器表面的传热效果，而且可减小太阳能-空气蒸发器的厚度及体积。

根据热水用户的不同需求，本发明既可以直接用作家用热水器，又可以用于中央热水系统。为此，本发明的太阳能-空气蒸发器，可根据热水负荷的不同以及系统规模的大小，与多个带空调风扇或不带空调风扇的太阳能-空气蒸发器组合成一系列的拼装太阳能-空气蒸发器，各个太阳能-空气蒸发器的通风口可分别布置在壳体的不同位置，互相之间通过通风口处的法兰连接。

太阳能-空气蒸发器可倾斜安装在建筑物的屋顶之上或垂直挂装在外墙之上，为了使得该蒸发器更容易与建筑一体化，太阳能集热板上的光谱选择性涂层可选择与建筑外观协调的色彩，对系统性能的影响不是很大。

研究表明，太阳能集热器的面积与压缩机频率是否匹配直接影响系统工作性能，而按设计工况确定的集热器面积与压缩机容量往往是不配备的，因此，最好采用双频或变频压缩机来解决这一问题，例如，随着夏季太阳辐射的增强，适当降低压缩机频率可有效提高热泵COP。

将冷凝盘管直接设置在热水箱底部，不仅可以获得更好的换热效果，而且由于所有焊接点均设在水箱之外，因此并不存在制冷剂泄漏危险。

热水箱为承压式结构，内胆由不锈钢制成，外壳由塑料制成，中间填充保温材料。热水箱的顶部设有一个出水管，底部设有一个进水口和一个排污口。进水口一端采用横向散射入水孔，以避免进水影响胆内的热分层。

采用温差控制器来控制空调风扇的启停，为此在太阳能集热板下表面设置一个温度传感器测量集热板温度，在蒸发器壳体内设置另一个温度传感器测量空气温度。当集热板温度高于或等于空气温度时，温差继电器不动作，而当板温低于气温时，继电器动作，从而启动空调风扇，增强集热板与空气之间的对流换热，以弥补太阳辐照不足时蒸发器吸热量的不足。

根据水箱内的热水温度，采用恒温器来控制压缩机的启停，使得当热水温度到达设定温度时，压缩机自动停机；为了避免由于压缩机频繁启停而影响其寿命，有必要设定另一个较低的压缩机启动温度。

本发明具有结构简单、安装方便、高效节能、易于与建筑一体化结合等优点，可全天候使用，适用于各种建筑用户对热水的需求。

附图说明：

图1为本发明的整体结构示意图。

图1中，1为太阳能集热板，2为制冷剂通道，3为空调风扇，4为通风口，5为室外机壳体，6为固定件，7为丝网，8为透明盖板，9为室内机壳体，10为水箱支架，11为水箱进水口，12为热力膨胀阀，13为压缩机，14为压缩机底板，15为气液分离器，16为过滤干燥器，17为储液器，18为水箱排污管，19为球阀，20为横向散射入水孔，21为冷凝盘管，22为热水箱，23为水箱出水口，24为温差控制器，25为恒温器，26为温度传感器。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

本发明的整体结构如图1所示，可采用分体式结构。室外机部分为太阳能-空气蒸发器，由太阳能集热板1、空调风扇3、通风口4、壳体5、固定件6、丝网7以及温差控制器24等部件组成。太阳能集热板1采用全铝板热轧吹胀工艺加工而成，其上表面喷涂光谱选择性材料，下表面进行喷塑处理。在太阳能集热板1上的制冷剂通道2之间压制出一系列突出面，以增强太阳能集热板的换热效果。空调风扇3安装在壳体5的一个倾斜端面之上，通风口4则在壳体5的另一端面上；两对固定件6与壳体5背面铆接在一起，上面的安装孔用于蒸发器的挂装；丝网7安装在通风口4上，以防止各种杂物进入壳体5之内；温差控制器24由两对温度传感器和一个控制器组成，两个温度传感器分别用于测量太阳能集热板1的温度和壳体5内的空气温度，控制器根据两者温度之差来控制空调风扇3的启停。当板温低于气温时，空调风扇3自动启动，而当板温等于或高于气温时，空调风扇3自动停止。如果在冬季严寒地区使用，还可以在太阳能集热板1上增加一层或两层透明盖板8，以减少集热板顶部的散热损失。

通风口4可布置在壳体5的不同位置，并可根据系统规模和整体设计的需要加以组合和拼装，提供一系列的拼装太阳能-空气蒸发器。

室内机部分主要包括全封闭压缩机13、冷凝盘管21、热水箱22、恒温器25及其他相关配件，它们全部被布置在壳体9之内作为一个整体，以达到紧凑、美观的效果。其中，热水箱22采用承压式结构，放置在水箱支架10之上，冷凝盘管21直接布置在热水箱22的底部，用于加热水箱中的自来水。压缩机13、气液分离器15、过滤干燥器16以及储液器17等制冷配件固定在底板14之上。

太阳能-空气蒸发器通过制冷通道2的出口与气液分离器15的进气口相连接，气液分高器15的出口与压缩机13的吸气口相连，而压缩机13的排气口与冷凝盘管21的进气口连接，冷凝盘管21的出液口与储液器17相连，然后依次经干燥过滤器16、热力膨胀阀12与太阳能-空气蒸发器上制冷通道2的进液口相连，从而形成制冷剂的闭合循环通道。

热水箱22的底部设有一个与自来水管路相连的进水口11(一端采用横向散射入水孔20)和一个带阀门19的排污管18，而顶部设有一个热水出口23，利用自来水的压力顶出热水，这种出水方式有利于实现水箱内的热分层，提高箱内热水的利用率。恒温器25通过插在热水箱22中的温度传感器26测得热水温度，从而控制压缩机13的启停。该恒温器具有双位控制功能，即当水温达到设定热水温度时压缩机自动停机，而为了避免压缩机的频繁启停，直到水温降到另一较低的设定温度时压缩机才自动启动。

制冷剂的循环工作过程描述如下：晴朗白天，经热力膨胀阀12节流降压后的液体制冷剂流入太阳能-空气蒸发器的太阳能集热板1中，获取太阳能后得以蒸发，流出的制冷剂蒸汽经气液分高器15被压缩机13吸入，并被压缩成高温高压的制冷剂蒸汽，然后流入热水箱22底部的冷凝盘管21中进行冷凝，释放出的冷凝热用于加热水，而冷凝后的液体制冷剂经储液器17、干燥过滤器16和热力膨胀阀12又流回太阳能集热板1中重新吸热、蒸发，由此完成一次循环。阴雨天气或夜间，太阳能-空气蒸发器中温差控制器24启动空调风扇3，使得此时流过太阳能集热板1的制冷剂可以通过与空气进行强制对流，而整个制冷剂的循环工作过程并不改变。

Claims (4)

1.一种太阳能-空气热泵热水器，其特征在于包括太阳能-空气蒸发器，压缩机(13)、冷凝盘管(21)、热水箱(22)及恒温器(25)，太阳能-空气蒸发器的壳体(5)的上表面为太阳能集热板(1)，太阳能集热板(1)上布置制冷剂通道(2)，制冷剂通道(2)之间具有压制出的一系列突出面，空调风扇(3)及温差控制器(24)安装在壳体(5)的一个端面上，带丝网(7)的通风口(4)在壳体(5)的另一端面上，壳体(5)背面有带安装孔的两对固定件(6)，热水箱(22)放置在水箱支架(10)之上，冷凝盘管(21)布置在热水箱(22)的底部，压缩机(13)、气液分离器(15)、过滤干燥器(16)及储液器(17)固定在底板(14)之上，太阳能-空气蒸发器通过制冷通道(2)的出口与气液分离器(15)的进气口相连，气液分离器(15)的出口与压缩机(13)的吸气口相连，压缩机(13)的排气口与冷凝盘管(21)的进气口相连，冷凝盘管(21)的出液口与储液器(17)相连，然后依次经干燥过滤器(16)、热力膨胀阀(12)与太阳能-空气蒸发器上制冷通道(2)的进液口相连，热水箱(22)的底部设有一个与自来水管路相连的进水口(11)和一个带阀门(19)的排污管(18)，热水箱(22)的顶部设有一个热水出口(23)，具有双位控制功能的恒温器(25)的传感器(26)插在热水箱(22)中。

2.如权利要求1的太阳能-空气热泵热水器，其特征在于所述的太阳能集热板(1)上有一层或两层透明盖板(8)。

3.如权利要求1的太阳能-空气热泵热水器，其特征在于所述的进水口(11)的一端采用横向散射入水孔(20)。

4.如权利要求1的太阳能-空气热泵热水器，其特征在于所述的空调风扇(3)及温差控制器(24)安装在壳体(5)的一个倾斜端面上。

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