CN101726103B

CN101726103B - 双水箱热泵热水器及其加热方法

Info

Publication number: CN101726103B
Application number: CN2008101548022A
Authority: CN
Inventors: 张后雷; 刘心志; 朱曙光
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-10-24
Also published as: CN101726103A

Abstract

本发明公开了一种双水箱热泵热水器及其加热方法，包括压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤器、节流装置、蒸发器、气液分离器、储热水箱、加热水箱、换向装置等，换向装置周期性地改变加热水箱和冷凝器中水的流向，使加热水箱中的冷水往复流经冷凝器并被逐渐加热至设定温度，加热后的热水由加热水箱转移到储热水箱中储存起来供用户使用，转移过程中加热水箱同时补注冷水，补注完成后继续加热至设定温度，储热水箱中的热水在使用过程中同时补注冷水。本发明加热水箱和储热水箱内部采用浮子卷套结构将水箱内的冷热水隔离，可有效减小空气源热泵热水器水箱内部不可逆热损失，具有高效节能、安装运行方便、安全性高和适用范围宽等优点。

Description

双水箱热泵热水器及其加热方法

技术领域

本发明属于热泵热水器，特别是一种连续流动加热热水的双水箱热泵热水器及其加热方法。

背景技术

随着经济发展和人们生活水平的提高，家庭或工商业机构使用热水的需求在不断增加。热水器是一种供应热水的重要设备，与电热水器、燃气热水器等相比，热泵热水器具有更高的能源利用效率，节能效果显著。

目前，热泵热水器水路部分主要有三种类型：无水箱结构、单水箱结构和双水箱结构。无水箱热泵热水器主要是即热型，其缺点是热泵性能系数较低。

单水箱热泵热水器可以是即热型，也可以是静态加热型或流动加热型。静态加热型的缺点是水处于静止状态，换热系数小，同样温升条件下需要较大的冷凝器面积。流动加热型虽然热泵性能系数较高，但在使用热水的过程中如果补注冷水，则会产生由于冷热水直接混合所带来较大的不可逆热损失，如果待热水用完后再补注冷水，则热水供应的连续性差，相邻两次供热水之间用户等待时间较长。

现有的双水箱热泵热水器主要有两大类循环结构。一类循环结构是将冷凝器内置于加热水箱中，将冷水静态加热到设定温度，然后将热水移至储热水箱中，该加热过程换热系数小。另一类循环结构是将冷凝器外置在加热水箱外，用水泵及管道将加热水箱和冷凝器连接，通过冷凝器和加热水箱之间的单向循环流动将水加热到设定温度，然后将热水转移到储热水箱中。如果在转移过程不同时补注冷水至加热水箱，则可避免加热水箱中冷热水直接接触，但热泵系统相邻两次加热过程之间的间歇时间较长，即提供同样的供热水量需要较长的加热时间。如果在转移过程同时补注冷水至加热水箱，则加热水箱中存在冷热水直接混合所带来较大的不可逆热损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双水箱热泵热水器及其加热方法，它可以在同样供热水量条件下减小工作时间或用户等待时间，消除冷热水直接接触，显著减少不可逆热损失，实现高效变温流动加热过程，获得较高的热泵性能系数。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双水箱热泵热水器加热方法，包括加热水箱和储热水箱两个水箱和换向装置，换向装置周期性地改变加热水箱和冷凝器中水的流向，使加热水箱中的冷水往复流经冷凝器并被逐渐加热至设定温度，加热后的热水由加热水箱转移到储热水箱中储存起来供用户使用，转移过程中加热水箱同时补注冷水，补注完成后继续加热至设定温度，储热水箱中的热水在使用过程中同时补注热水。

一种双水箱热泵热水器，包括控制器以及通过管道依次连接的压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤器、节流装置、蒸发器和气液分离器，加热水箱上端通过管道与冷凝器一端连接，该冷凝器另一端通过管道、换向装置与加热水箱下端连接，该加热水箱下端通过管道、第二电磁阀与第一水泵出口连接，该第一水泵的进口与储热水箱下端连接，该储热水箱上端通过第三电磁阀、管道与加热水箱上端连接；冷水供水管通过管道、第一电磁阀与储热水箱下端连接，储热水箱上端通过管道、截止阀与热水供水管连接，储热水箱上下端和加热水箱上下端分别设置位置传感器，冷凝器上端水路设置温度与水位双功能传感器，控制器控制第一水泵、换向装置、第一、二、三电磁阀、压缩机周期性地改变加热水箱和冷凝器中水的流向，使加热水箱中的冷水往复流经冷凝器并被逐渐加热至设定温度，加热后的热水由加热水箱转移到储热水箱中储存起来供用户使用，转移过程中加热水箱同时补注冷水，补注完成后继续加热至设定温度，储热水箱中的热水在使用过程中同时补注热水。

本发明与现有技术相比，具有普通热泵热水器节能、安装使用方便、安全和适用范围宽等特点外，还具有以下显著优点：(1)储热水箱和加热水箱内部分别被分隔上下两个腔，如此设计使换水过程中加热水箱可同时补注冷水，用热水过程中储热水箱也可同时补注冷水，即加热到设定温度的热水由加热水箱转移到储热水箱中储存起来供用户使用，转移过程中加热水箱同时补注冷水，补注完成后继续加热至设定温度，用户在使用储热水箱中的热水时，储热水箱也可同时补注冷水，大大减少了热泵待机时间，即在相同供热水量条件下，工作时间或用户等待时间更短；同时，避免了储热水箱和加热水箱中上下腔中高温水和低温水的直接接触，显著减少了不可逆热损失。 (2)蒸发器从空气中吸收热量，通过压缩机消耗电能做功，将热量输送到冷凝器中用于加热来自加热水箱的流动的水，利用换向装置和位置传感器给出的止点位置信号周期性改变通过冷凝器的水流方向，方便地实现了高效的连续往复变温流动加热过程，可以获得高的热泵性能系数。(3)高效节能、安装运行方便、安全性高和适用范围宽等。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明双水箱热泵热水器结构示意图。

图2是本发明双水箱热泵热水器的换向装置结构示意图。

图3是本发明双水箱热泵热水器的储热水箱浮子结构示意图。

图4是本发明双水箱热泵热水器的储热水箱卷套结构示意图。

图中：1-压缩机，2-冷凝器，3-储液器，4-干燥过滤器，5-节流装置，6-蒸发器，7-气液分离器，8-储热水箱，9-加热水箱，10-储热水箱浮子，11-储热水箱卷套，12-加热水箱浮子，13-加热水箱卷套，14-位置传感器，15-温度与水位双功能传感器，16-第一水泵，17-换向装置，18-第一电磁阀，19-第二电磁阀，20-第三电磁阀，21-截止阀，22-控制器，23-第二水泵，24-第四电磁阀，25-第五电磁阀，26-第六电磁阀，27-第七电磁阀，28-不锈钢板，29-隔热材料，30-螺栓，31-螺母，32-固定圈，33-防水布

具体实施方式

本发明的双水箱热泵热水器加热方法是利用换向装置周期性地改变加热水箱和冷凝器中水的流向，使加热水箱中的冷水往复流经冷凝器并被逐渐加热至设定温度，加热后的热水由加热水箱转移到储热水箱中储存起来供用户使用，转移过程中加热水箱同时补注冷水，补注完成后继续加热至设定温度，储热水箱中的热水在使用过程中同时补注冷水。

结合图1，实现上述加热方法的双水箱热泵热水器，包括通过管道依次连接的压缩机1、冷凝器2、储液器3、干燥过滤器4、节流装置5、蒸发器6和气液分离器7，制冷剂在前述部件和连接管道内流动，形成制冷剂回路；还包括储热水箱8、加热水箱9、第一水泵16、换向装置17、第一、二、三电磁阀18、19、20和截止阀21，水在这些部件和连接管道内流动，形成水回路。控制器22是一个集成电路板，通过导线分别与位置传感器14、温度与水位双功能传感器15、压缩机1、第一水泵16、换向装置17和第一、二、三电磁阀18、19、20相连，控制器22接收位置传感器14给出的上下止点位置信号，按照规定的逻辑输出控制信号给换向装置17以改变水的流动方向，控制器接收温度与水位双功能传感器15给出的温度和有无水位信号，按照设计要求输出控制信号给压缩机1，启动其运行或停机。具体而言，加热水箱9上端通过管道与冷凝器2一端连接，该冷凝器2另一端通过管道、换向装置17与加热水箱9下端连接，该加热水箱9下端通过管道、第二电磁阀19与第一水泵16出口连接，该第一水泵16的进口与储热水箱8下端连接，该储热水箱8上端通过第三电磁阀20、管道与加热水箱9上端连接；冷水供水管通过管道、第一电磁阀18与储热水箱8下端连接，储热水箱8上端通过管道、截止阀21与热水供水管连接，储热水箱8上下端和加热水箱9上下端分别设置位置传感器14，冷凝器2上端水路设置温度与水位双功能传感器15，控制器22控制第一水泵16、换向装置17、压缩机1以及第一、二、三电磁阀18、19、20周期性地改变加热水箱9和冷凝器2中水的流向，使加热水箱9中的冷水往复流经冷凝器2并被逐渐加热至设定温度，加热后的热水由加热水箱9转移到储热水箱8中储存起来供用户使用，转移过程中加热水箱9同时补注冷水，补注完成后继续加热至设定温度，储热水箱8中的热水在使用过程中同时补注冷水。

本发明双水箱热泵热水器的节流装置5为膨胀阀、毛细管或其他节流装置；蒸发器6为制冷剂-空气换热器。如图2，换向装置17包括第二水泵23和第四、五、六、七电磁阀24、25、26、27，第二水泵23入口通过管道分别与第四、七电磁阀24、27一端连接，出口通过管道分别与第五、六电磁阀25、26一端连接，该第五、七电磁阀25、27另一端通过管道与冷凝器2一端连接；第四、六电磁阀24、26另一端通过管道与加热水箱9下端连接。在浮子达到上止点或下止点时按照规定方式打开或关闭电磁阀，实现加热水箱9和冷凝器2之间水的流向变化。

本发明双水箱热泵热水器的储热水箱8和加热水箱9为结构相同的保温容器，前者内部装有储热水箱浮子10和储热水箱卷套11，后者内部装有加热水箱浮子12和加热水箱卷套13。两个水箱在首次注水前或其它无水状态下，储热水箱浮子10和加热水箱浮子12由于重力作用处于下止点。储热水箱8由储热水箱浮子10和储热水箱卷套11分成上下两个腔，上腔通过管道分别与第三电磁阀20一端和截止阀21连接，下腔通过管道分别与第一电磁阀18和第一水泵16入口连接；加热水箱9由加热水箱浮子12和加热水箱卷套13分成上下两个腔，上腔通过管道分别与第三电磁阀20另一端和冷凝器2连接，下腔通过管道分别与第二电磁阀19和换向装置17连接。其中，如图3所示，储热水箱浮子10与加热水箱浮子12的结构相同，包括两层不锈钢板28、隔热材料29、螺栓30和螺母31，在两层不锈钢板28之间设置隔热材料29，通过螺栓30和螺母31固定两层不锈钢板28和隔热材料29。浮子表面做防水处理(如涂防水胶)，螺栓30、螺母31采用非金属材料，通过调整不锈钢板28、隔热材料29、螺栓30、螺母31的厚度使浮子当量密度近似或等于水的密度。如图4，加热水箱卷套13的结构与储热水箱卷套11相同，包括固定圈32和防水布33，固定圈32采用塑料等非金属材料或不锈钢，防水布33要求水的渗透率低，固定圈32等距固定在防水布33上(如缝制或用其它方法)，储热水箱卷套11一端固定在储热水箱浮子10外缘，另一端固定在储热水箱8底部或顶部外缘；加热水箱卷套13一端固定在加热水箱浮子12外缘，另一端固定在加热水箱9底部或顶部外缘。

本发明所适用的热泵循环为亚临界循环，可以使用适合亚临界循环的各种制冷剂。

如图1，图2，图3，图4所示，双水箱热泵热水器实施方式：从冷启动开始至用户可使用热水的运行过程包括以下阶段。

①进水排气阶段：在初始冷态，热水器内无水。打开第一电磁阀18和截止阀21，关闭第二、三电磁阀19、20。自来水经第一电磁阀18进入储热水箱8下腔，储热水箱浮子10向上运动，上腔中空气经截止阀21排出。加热水箱浮子12由于重力处在下止点。

②换水换气阶段：储热水箱浮子10到达上止点时关闭第一、四、六电磁阀18、24、26和截止阀21，打开第二、三电磁阀19、20，运行第一水泵16。储热水箱浮子10向下运动，储热水箱8下腔的水被移至加热水箱9的下腔，加热水箱浮子12向上运动，加热水箱9上腔中的空气被移至储热水箱8的上腔。

③再进水排气阶段：打开第一电磁阀18和截止阀21，关闭第二、三电磁阀19、20，第一水泵16停机。储热水箱浮子10向上运动至上止点，上腔中空气经截止阀21排出。加热水箱浮子12处在上止点。

④加热阶段-下腔水换到上腔：在加热过程中，第二、三电磁阀19，20关闭，当加热水箱浮子12运行到上止点时，换向装置17中第四、五电磁阀24，25打开，第六、七电磁阀26，27关闭，第二水泵23运行，水由加热水箱9下腔经换向装置17流入冷凝器2并流回加热水箱9上腔；当加热水箱浮子12运行到下止点时，换向装置17中第六、七电磁阀26，27打开，第四、五电磁阀24，25关闭，第二水泵23运行，水由加热水箱9上腔经冷凝器2和换向装置17流回加热水箱9下腔，加热水往复流经冷凝器2若干次，待温度与水位双功能传感器15测得的温度达到设定值后，压缩机1停机，进入换水阶段。

⑥换水阶段：在换水阶段，第二水泵23继续运行到加热水箱浮子12至下止点时停机，关闭第四、六电磁阀24，26，打开第二、三电磁阀19，20，第一水泵16运行，加热水箱浮子12向上运动，加热水箱9上腔中热水移至储热水箱8上腔，同时储热水箱浮子10向下运动，储热水箱8下腔中冷水移至加热水箱9下腔，当储热水箱浮子10运动到下止点时，第一水泵16停机，关闭第二、三电磁阀19，20，打开第一电磁阀18，进入供水补水阶段。

⑦供水补水阶段：在供水补水阶段，供热水的同时冷水补注入储热水箱8的下腔，在储热水箱8上腔供热水和下腔补注冷水的同时，加热水箱9、换向装置17和冷凝器2重新进行加热和换水过程。

以上各阶段除开关截止阀21(即供热水阀)外，均由控制器22控制自动执行，无需用户干预，具有使用方便的特点。

实施例：本发明双水箱热泵热水器，系统组成如图1所示，可实现供热水温度范围35-80℃，适用环境条件与普通热泵热水器相同。

压缩机1采用全封闭制冷压缩机，气缸排气量53.5cm³，冷凝器2采用钢制管壳式换热器，节流装置5采用热力膨胀阀，蒸发器7采用翅片管换热器，制冷剂为R22。储热水箱8和加热水箱9结构相同，外壳为圆筒形PVC管，内径307mm，高1000mm，名义容积70L，水箱外壳包有45mm厚聚乙烯泡沫保温。储热水箱浮子10和加热水箱浮子12均由直径300mm，由3mm厚的钢板和40mm厚的泡沫制成，钢板表面覆有一层防水薄膜，钢板和泡沫采用塑料螺栓和螺母紧固。储热水箱卷套11和加热水箱卷套13均采用雨布作为制作材料，雨布缝制成圆筒形，圆筒截面圆直径304mm，轴向拉直高度1200mm，采用直径2mm的细不锈钢条焊接成钢圈，一个卷套采用5个钢圈，按200mm间距钢圈缝制在圆筒状雨布上，两端不需要钢圈，一端固定在浮子外缘，另一端固定在水箱底部端板外缘。换向装置17中的第二水泵23额定功率290w，流量18L/min，扬程10m，第四、五、六、七电磁阀24、25、26、27工作压力范围0～1.0MPa，适用工作介质温度≤100℃。其它部件、传感器、控制器、连接管道等与普通商用热泵热水器相同。

实测工况举例：在环境温度21℃时，储热水箱内热水初始温度为50℃，在以6.5L/min的流量向外界供应热水的过程中，70L热水到供应完毕时(耗时10.8min)水温仍保持在35℃以上，当不采用储热水箱卷套11和加热水箱卷套13时，同样条件下热水供应到约9.2min时温度就降到了35℃以下。在环境温度21℃，加热水箱内的70L冷水被加热到设定热水温度53℃时，耗时约23分钟，加热水箱浮子12上下往复运行7次，平均热泵性能系数约3.5。

本发明采用浮子卷套结构隔离冷热水以减小水箱内部不可逆热损失，并通过换向装置实现水的往复变温流动加热过程，在换水过程中加热水箱可同时补注冷水，在用热水过程中储热水箱也可同时补注冷水，具有在同样供热水量条件下运行时间短(即用户等待时间短)、不可逆损失小、热泵性能系数高等优点，设备外形与安装条件与普通双水箱热水器相同，可广泛应用于各种生产、生活与商业领域。

Claims

1.一种双水箱热泵热水器加热方法，其特征在于：包括加热水箱和储热水箱两个水箱和换向装置，换向装置周期性地改变加热水箱和冷凝器中水的流向，使加热水箱中的冷水往复流经冷凝器并被逐渐加热至设定温度，加热后的热水由加热水箱转移到储热水箱中储存起来供用户使用，转移过程中加热水箱同时补注冷水，补注完成后继续加热至设定温度，储热水箱中的热水在使用过程中同时补注热水。

2.一种双水箱热泵热水器，包括控制器[22]以及通过管道依次连接的压缩机[1]、冷凝器[2]、储液器[3]、干燥过滤器[4]、节流装置[5]、蒸发器[6]和气液分离器[7]，其特征在于：加热水箱[9]上端通过管道与冷凝器[2]一端连接，该冷凝器[2]另一端通过管道、换向装置[17]与加热水箱[9]下端连接，该加热水箱[9]下端通过管道、第二电磁阀[19]与第一水泵[16]出口连接，该第一水泵[16]的进口与储热水箱[8]下端连接，该储热水箱[8]上端通过第三电磁阀[20]、管道与加热水箱[9]上端连接；冷水供水管通过管道、第一电磁阀[18]与储热水箱[8]下端连接，储热水箱[8]上端通过管道、截止阀[21]与热水供水管连接，储热水箱[8]上下端和加热水箱[9]上下端分别设置位置传感器[14]，冷凝器[2]上端水路设置温度与水位双功能传感器[15]，控制器[22]控制第一水泵[16]、换向装置[17]、压缩机[1]以及第一、二、三电磁阀[18、19、20]周期性地改变加热水箱[9]和冷凝器[2]中水的流向，使加热水箱[9]中的冷水往复流经冷凝器[2]并被逐渐加热至设定温度，加热后的热水由加热水箱[9]转移到储热水箱[8]中储存起来供用户使用，转移过程中加热水箱[9]同时补注冷水，补注完成后继续加热至设定温度，储热水箱[8]中的热水在使用过程中同时补注热水。

3.根据权利要求2所述的双水箱热泵热水器，其特征在于：换向装置[17]包括第二水泵[23]和第四、五、六、七电磁阀[24、25、26、27]，第二水泵[23]入口通过管道分别与第四、七电磁阀[24、27]一端连接，出口通过管道分别与第五、六电磁阀[25、26]一端连接，该第五、七电磁阀[25、27]另一端通过管道与冷凝器[2]一端连接；第四、六电磁阀[24、26]另一端通过管道与加热水箱[9]下端连接。

4.根据权利要求2所述的双水箱热泵热水器，其特征在于：储热水箱[8]和加热水箱[9]为结构相同的保温容器，前者内部装有储热水箱浮子[10]和储热水箱卷套[11]，后者内部装有加热水箱浮子[12]和加热水箱卷套[13]；储热水箱[8]由储热水箱浮子[10]和储热水箱卷套[11]分成上下两个腔，上腔通过管道分别与第三电磁阀[20]一端和截止阀[21]连接，下腔通过管道分别与第一电磁阀[18]和第一水泵[16]入口连接；加热水箱[9]由加热水箱浮子[12]和加热水箱卷套[13]分成上下两个腔，上腔通过管道分别与第三电磁阀[20]另一端和冷凝器[2]连接，下腔通过管道分别与第二电磁阀[19]和换向装置[17]连接。

5.根据权利要求4所述的双水箱热泵热水器，其特征在于：储热水箱浮子[10]与加热水箱浮子[12]的结构相同，包括两层不锈钢板[28]、隔热材料[29]、螺栓[30]和螺母[31]，在两层不锈钢板[28]之间设置隔热材料[29]，通过螺栓[30]和螺母[31]固定两层不锈钢板[28]和隔热材料[29]。

6.根据权利要求5所述的双水箱热泵热水器，其特征在于：储热水箱浮子[10]与加热水箱浮子[12]当量密度近似于或等于水的密度，其表面做防水处理。

7.根据权利要求4所述的双水箱热泵热水器，其特征在于：储热水箱卷套[11]的结构与加热水箱卷套[13]相同，包括固定圈[32]和防水布[33]，固定圈[32]等距固定在防水布[33]上，储热水箱卷套[11]一端固定在储热水箱浮子[10]外缘，另一端固定在储热水箱[8]底部或顶部外缘；加热水箱卷套[13]一端固定在加热水箱浮子[12]外缘，另一端固定在加热水箱[9]底部或顶部外缘。

8.根据权利要求2或3所述的双水箱热泵热水器，其特征在于：在加热过程中，第二、三电磁阀[19，20]关闭，当加热水箱浮子[12]运行到上止点时，换向装置[17]中第四、五电磁阀[24，25]打开，第六、七电磁阀[26，27]关闭，第二水泵[23]运行，水由加热水箱[9]下腔经换向装置[17]流入冷凝器[2]并流回加热水箱[9]上腔；当加热水箱浮子[12]运行到下止点时，换向装置[17]中第六、七电磁阀[26，27]打开，第四、五电磁阀[24，25]关闭，第二水泵[23]运行，水由加热水箱[9]上腔经冷凝器[2]和换向装置[17]流回加热水箱[9]下腔，加热水往复流经冷凝器[2]若干次，待温度与水位双功能传感器[15]测得的温度达到设定值后，压缩机[1]停机，进入换水阶段。

9.根据权利要求2或3所述的双水箱热泵热水器，其特征在于：在换水阶段，第二水泵[23]继续运行到加热水箱浮子[12]至下止点时停机，关闭第四、六电磁阀[24，26]，打开第二、三电磁阀[19，20]，第一水泵[16]运行，加热水箱浮子[12]向上运动，加热水箱[9]上腔中热水移至储热水箱[8]上腔，同时储热水箱浮子[10]向下运动，储热水箱[8]下腔中冷水移至加热水箱[9]下腔，当储热水箱浮子[10]运动到下止点时，第一水泵[16]停机，关闭第二、三电磁阀[19，20]，打开第一电磁阀[18]，进入供水补水阶段。

10.根据权利要求2或3所述的双水箱热泵热水器，其特征在于：在供水补水阶段，供热水的同时冷水补注入储热水箱[8]的下腔，在储热水箱[8]上腔供热水和下腔补注冷水的同时，加热水箱[9]、换向装置[17]和冷凝器[2]重新进行加热和换水过程。