CN102128528B - 一种用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统，包含压缩机、气液分离器、四通换向阀、室外换热器、毛细管、板式相变蓄热器、单向电磁阀、干燥过滤器、第一截止阀、淋浴室、第二截止阀、外置水箱换热器、储水箱。除霜过程是通过相变蓄热器把热泵热水器系统的冷凝余热和淋浴室的废水余热进行回收，通过四通换向阀的转向，改变制冷剂在板式相变蓄热器和室外换热器的流动方向，实现系统余热蓄能、释能除霜之间功能的转换。本发明结构简单、控制方便、易维护等优点。

Description

一种用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统

技术领域

本发明涉及制冷设备技术领域，具体涉及一种用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统。

背景技术

空气源热泵在冬季制热运行时，空气侧换热器起蒸发器的作用，由于环境温度较低，换热器表面的温度也随之下降，甚至低于0℃，当室外空气流经换热器盘管时，其所含的水分就会析出，并形成霜层。霜层增加了导热热阻，降低了换热器的传热系数，使流过换热器的空气流量降低。随着霜层的增厚，将出现蒸发温度下降，制热量下降和风机性能衰减等。影响制热效率，严重时出现停机，使机组不能正常工作。因此，需用除霜的方法解决这些问题。但是目前对除霜机理与技术的研究相对较少，人们还没有充分了解和掌握热气除霜系统运行动态特性、系统恢复制热响应特性、除霜能量分配规律、室外换热器融霜过程的传热传质问题、智能化按需除霜优化控制策略等。从而导致空气源热泵除霜过程的不稳定性和可靠性差。

目前，公认的空气源热泵的除霜系统有两种方式：一是压缩机的高温热气通过旁通管路直接进入室外换热器进行除霜；二是利用四通换向阀，将热泵由制热工况运行变为制冷工况运行。但是，这两种除霜方式均存在一定的缺陷，主要表现在：由于在热气除霜过程中，供除霜用的能量基本来自压缩机的耗功，供给除霜用的热量不足，引起吸气、排气压力变化剧烈，对压缩机的冲击大；系统制冷剂回液量大；蒸发器和冷凝器频繁转换破坏机组的正常运行。融霜的开始阶段有压力衰减的过程，有的系统会因为衰减到低压保护值而造成停机；误除霜现象有时发生，会导致冷凝器压力突然升高，造成仪表损坏；除霜过程不仅不制热，而且还从供热空间吸收热量，从而对水箱内储存的热水造成很大影响。由于供给除霜用的热量不足，导致除霜时间加长，除霜能耗损失加大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，本发明解决现有的空气源热泵热气除霜时供融霜用的热量不足而引起的除霜可靠性差、能耗损失大、运行效果差等问题；本发明除霜过程不需要从供热空间吸收热量，利用热泵热水器的系统余热和淋浴室的废水余热进行除霜。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，包括压缩机、气液分离器、单向电磁阀、室外换热器、毛细管、四通换向阀、干燥过滤器、外置水箱换热器、储水箱；所述压缩机的输出端管口和单向电磁阀的一端管口连接外置水箱换热器的一端管口，压缩机的输入端管口连接气液分离器的输出端管口，外置水箱换热器的另外一端管口连接干燥过滤器的一端管口，单向电磁阀的另外一端管口和毛细管一端管口连接室外换热器的一端管口，气液分离器的输入端管口连接四通换向阀的第三输入输出端管口，干燥过滤器的另外一端管口连接四通换向阀的第一输入输出端管口，室外换热器的另外一端管口连接四通换向阀的第二输入输出端管口。该相变蓄热型除霜系统其特征在于：还包括板式相变蓄热器、淋浴室；毛细管的另外一端管口连接板式相变蓄热器的第二输入输出端管口，板式相变蓄热器的第四输入输出端管口连接四通换向阀的第四输入输出端管口，淋浴室的出水端管口连接板式相变蓄热器的第三输入输出端管口，板式相变蓄热器的第一输入输出端管口连接排水管道。第一截止阀一端管口连接进水口，第一截止阀另一端管口连接储水箱下部，第二截止阀的一端连接储水箱上部，第二截止阀另一端管口连接淋浴室的进水端管口。

当空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，处在余热蓄能的工作状态时，系统从四通换向阀第一输入输出端管口，进入四通换向阀第四输入输出端管口，然后依次经过相变蓄热器、毛细管、室外换热器，回到四通换向阀第二输入输出端管口。第一截止阀和第二截止阀内部连通。

当空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，处在热气旁通除霜工作状态时，系统从四通换向阀第一输入输出端管口，进入四通换向阀第四输入输出端管口，然后依次经过相变蓄热器、毛细管、室外换热器，回到四通换向阀第二输入输出端管口。单向截止阀、第一截止阀和第二截止阀内部连通。

当空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，处在释放除霜的工作状态时，系统转向从四通换向阀第一输入输出端管口，进入四通换向阀第二输入输出端管口，然后依次经过室外换热器、毛细管、相变蓄热器，回到四通换向阀第四输入输出端管口。第一截止阀和第二截止阀内部连通。

空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，所述板式相变蓄热器内填充相变蓄热材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，余热蓄能过程，制冷剂经四通换向阀第一输入输出端管口，进入四通换向阀第四输入输出端管口，然后依次进入板式相变蓄热器、毛细管和室外换热器，回到四通换向阀的第二输入输出端管口。板式相变蓄热器将外置水箱换热器出口余热和淋浴室的废水余热进行回收储存，充分利于热泵热水器系统的废热达到节能除霜的目的。

2、空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，释能除霜过程，制冷剂经四通换向阀第一输入输出端管口，进入四通换向阀第二输入输出端管口，然后依次进入室外换热器、毛细管和板式相变蓄热器，回到四通换向阀的第四输入输出端管口。外置水箱换热器出口的制冷剂优先进入室外换热器，可以加速室外换热器表面除霜，此时板式相变蓄热器相当于整个热泵系统的蒸发器，相变蓄热材料将吸收的系统废热释放给制冷剂。整个除霜过程，不需要开启单向截止阀进行热气旁通，就可以实现系统的除霜。这样就可以避免现有的除霜方式常因吸气压力过低而出现低压保护停机等问题。

3、空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，还可以实现蓄能除霜系统和常规热气旁通系统除霜系统的转化，因为相变蓄热除霜系统的蓄热过程需要消耗一定的时间，积蓄除霜过程所需要的热量。此过程，系统如果需要除霜可以在系统处于余热蓄能过程时，开启单向截止阀实现系统热气旁通除霜。

4、整个空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统运行过程可以保证对储水箱进行持续的加热，本发明能避免常规除霜方式能耗高、系统不稳定等问题，利用系统余热进行蓄热除霜，可以有效降低系统能耗，提高能效。

5、除霜结束时、室外换热器翅片表面温度比传统除霜系统高，这对融霜水蒸发和自然对流换热阶段的传热传质过程有利，解决了传统除霜系统室外侧换热器残留融霜水的问题；本发明结构简单、控制方便、易维护等优点。

附图说明

图1是本发明空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统的整体结构示意图；

图2中，(A)为图1中板式相变蓄热器的正面结构示意图，(B)为侧面结构示意图；

图3是本发明空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统余热蓄能工作状态时的循环路径示意图；

图4是空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统释能除霜工作状态时的循环路径示意图；

图5是空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统热气旁通除霜工作状态时的循环路径示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施方式一：结合图1、图2，本发明空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，包括压缩机1、气液分离器2、单向电磁阀3、室外换热器4、毛细管5、四通换向阀7、干燥过滤器9、外置水箱换热器12、储水箱13；所述压缩机1的输出端管口和单向电磁阀3的一端管口连接外置水箱换热器12的一端管口，压缩机1的输入端管口连接气液分离器2的输出端管口，外置水箱换热器12的另外一端管口连接干燥过滤器9的一端管口，单向电磁阀3的另外一端管口和毛细管5一端管口连接室外换热器4的一端管口，气液分离器2的输入端管口连接四通换向阀7的第三输入输出端管口，干燥过滤器9的另外一端管口连接四通换向阀7的第一输入输出端管口，室外换热器4的另外一端管口连接四通换向阀7的第二输入输出端管口。该相变蓄热型除霜系统其特征在于：还包括板式相变蓄热器6、淋浴室10；毛细管5的另外一端管口连接板式相变蓄热器6的第二输入输出端管口6-2(见图1A)，板式相变蓄热器6的第四输入输出端管口6-4(见图1A)连接四通换向阀7的第四输入输出端管口，淋浴室10的出水端管口连接板式相变蓄热器6的第三输入输出端管口6-3(见图1A)，板式相变蓄热器6的第一输入输出端管口6-1(见图1A)连接排水管道。第一截止阀8一端管口连接进水口，第一截止阀8另一端管口连接储水箱13下部，第二截止阀11的一端连接储水箱13上部，第二截止阀11另一端管口连接淋浴室10的进水端管口。

板式相变蓄热器6内填充相变蓄热材料6-6，该相变蓄热材料6-6的化学成分由Na₂SO₄·10H₂O组成，整个系统装有一定质量的制冷剂。

本文所提及连接为管路连接。

现取某一空气源热泵机组，其制热量为2.5kW，COP值为3.0，除霜时间间隔为90分钟，每次除霜时间为4分钟，相变蓄热器装置结构简图如图2-3，制冷剂选择R22，制冷剂内管选择φ8×0.5的紫铜管，PCM首先采用结晶水合盐Na₂SO₄·10H₂O，其性能参数见表1。蓄热时PCM初始温度为25℃，且均匀分布，制冷剂冷凝温度为60℃，制冷剂进入蓄热器管内入口温度T_in＝50℃。

表1：PCM物性参数表

蓄能换热器的容量问题。除霜过程能耗最多可占供热量的10％左右。若实验中热泵样机额定制热功率为2.5kw(室外环境温度为7℃的标准工况)，当室外温度下降到0℃时，热泵的供热量要下降到70％左右。如果按结霜-除霜周期为90min计算，则除霜过程的最大能耗约为945KJ，计算公式如下：

Q＝2.5×1000×0.7×90×60×0.1＝945kJ

相变材料的质量：

$m_{\mathrm{PCM}}=\frac{Q}{q_{\mathrm{PCM}}}$

其中：Q为总蓄能量，q_PCM为每千克相变材料蓄热量

且q_PCM＝C_l×(T₂-T_m)+C_s×(T_m-T₁)+H_m

C_l——相变材料的液相比热(kJ/kg·℃)

C_s——相变材料的固相比热(kJ/kg·℃)

T₂——蓄热终止温度(℃)

T₁——蓄热起始温度(℃)

T_m——相变温度(℃)

H_m——相变材料的相变潜热(kJ/kg)

相变材料质量：

$m_{\mathrm{PCM}}=\frac{Q}{q_{\mathrm{PCM}}}=\frac{945}{225+1.76\×(32-25)+3.3\×(50-32)}=\frac{945}{296.72}=3.184\mathrm{kg}$

相变材料体积：

$V_{\mathrm{PCM}}=\frac{m_{\mathrm{PCM}}}{\mathrm{\ρ}}=\frac{3.184}{1395}=\frac{3.18}{1395}=0.00227m^3$

考虑到实际膨胀系数，取1.05

V_PCM＝0.00227×1.05＝0.0024m³

综上所述板式相变蓄热器6内需要填充的相变蓄热材料6-6为的体积为Na₂SO₄·10H₂O，体积为0.024m³。板式相变蓄热器6的板式通道6-5为制冷剂通路，板式通道6-7为淋浴室13废水的通路。本发明的相变蓄热材料在短时间内(2～10分钟)有良好的放热性能，且具有相变稳定和能量密度大的特点。

实施方式二：结合图1、图2、图3、说明上述空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统余热蓄能工作过程(如图3)。

与实施方式一的不同点在于系统处于余热蓄能工作状态时，系统从四通换向阀7第一输入输出端管口，进入四通换向阀7第四输入输出端管口，然后依次经过相变蓄热器6、毛细管5、室外换热器4，回到四通换向阀7第二输入输出端管口，即四通换向阀的循环通路为1-4-2-3。第一截止阀8和第二截止阀11内部连通。其他组成和连接关系与实施方式一相同。

系统处于余热蓄能工作状态时：系统的循环路径为压缩机1、外置水箱换热器12、干燥过滤器9、四通换向阀7第1输入输出端管口、四通换向阀7第4输入输出端管口，板式相变蓄热器6的第四输入输出端管口6-4、板式相变蓄热器6的第二输入输出端管口6-2、毛细管5、室外换热器4、四通换向阀7第2输入输出端管口、四通换向阀7第3输入输出端管口、气液分离器2、压缩机1相串联形成循环回路，同时淋浴室10的废水通过板式相变蓄热器6第三输入输出端管口6-3，从板式相变蓄热器6第一输入输出端管口6-1排出。压缩机1把室外换热器4吸收的热量分别传递给外置水箱换热器13和板式相变蓄热器6，使板式相变蓄热器6中的相变蓄热材料6-6发生相变蓄热。同时，淋浴室10的废水余热通过板式相变蓄热器6，将热量传给板式相变蓄热器6，使相变蓄热材料6-6发生相变蓄热。

实施方式三：结合图1、图2、图4、说明上述空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统释能除霜工作过程(如图4)。

与实施方式一的不同点在于系统处于释能除霜工作状态时，系统从四通换向阀7第一输入输出端管口，进入四通换向阀7第二输入输出端管口，然后依次经过室外换热器4、毛细管5、相变蓄热器6，回到四通换向阀7第四输入输出端管口，即四通换向阀的循环通路为1-2-4-3。第一截止阀8和第二截止阀11内部连通。其他组成和连接关系与实施方式一相同。

系统处于释能除霜工作状态时：系统的循环路径为压缩机1、外置水箱换热器12、干燥过滤器9、四通换向阀7第1输入输出端管口、四通换向阀7第2输入输出端管口，室外换热器4、毛细管5、板式相变蓄热器6的第二输入输出端管口6-2、板式相变蓄热器6的第四输入输出端管口6-4、四通换向阀7第4输入输出端管口、四通换向阀7第3输入输出端管口、气液分离器2、压缩机1相串联形成循环回路，同时淋浴室10的废水通过板式相变蓄热器6第三输入输出端管口6-3，从板式相变蓄热器6第一输入输出端管口6-1排出。释能除霜过程，制冷剂经四通换向阀第一输入输出端管口，进入四通换向阀第2输入输出端管口，然后依次进入室外换热器、毛细管和板式相变蓄热器，回到四通换向阀的第4输入输出端管口。外置水箱换热器出口的制冷剂优先进入室外换热器，可以加速室外换热器表面除霜，此时板式相变蓄热器相当于整个热泵系统的蒸发器，相变蓄热材料将吸收的系统废热释放给制冷剂。这样就可以避免现有的除霜方式常因吸气压力过低而出现低压保护停机等问题。

实施方式四：结合图1、图2、图5、说明上述空气源热泵热水器的蓄热型除霜系统热气旁通除霜工作过程(如图5)。

与实施方式二的不同点在于系统处于释能除霜工作状态时，当板式相变蓄热器6积蓄的热量不能实现除霜，而系统此时又需要除霜时，开启单向截止阀3系统的热气旁通除霜。制冷剂从压缩机出口一部分进入外置水箱换热器12，一部分进入室外换热器4，提高进入室外换热器4制冷剂的温度实现除霜，当板式相变蓄热器6积蓄的热量达到除霜要求，关闭单向截止阀3不使用热气旁通对系统除霜。其他管路连接和实施方式二相一致。

如上所述便可较好地实现本发明。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，包括压缩机(1)、气液分离器(2)、单向电磁阀(3)、室外换热器(4)、毛细管(5)、四通换向阀(7)、干燥过滤器(9)、外置水箱换热器(12)、储水箱(13)；所述压缩机(1)的输出端管口和单向电磁阀(3)的一端管口连接外置水箱换热器(12)的一端管口，压缩机(1)的输入端管口连接气液分离器(2)的输出端管口，外置水箱换热器(12)的另外一端管口连接干燥过滤器(9)的一端管口，单向电磁阀(3)的另外一端管口和毛细管(5)一端管口连接室外换热器(4)的一端管口，气液分离器(2)的输入端管口连接四通换向阀(7)的第三输入输出端管口，干燥过滤器(9)的另外一端管口连接四通换向阀(7)的第一输入输出端管口，室外换热器(4)的另外一端管口连接四通换向阀(7)的第二输入输出端管口，该相变蓄热型除霜系统其特征在于：还包括板式相变蓄热器(6)、淋浴室(10)；毛细管(5)的另外一端管口连接板式相变蓄热器(6)的第二输入输出端管口(6-2)，板式相变蓄热器(6)的第四输入输出端管口(6-4)连接四通换向阀(7)的第四输入输出端管口，淋浴室(10)的出水端管口连接板式相变蓄热器(6)的第三输入输出端管口(6-3)，板式相变蓄热器(6)的第一输入输出端管口(6-1)连接排水管道，第一截止阀(8)一端管口连接进水口，第一截止阀(8)另一端管口连接储水箱(13)下部，第二截止阀(11)的一端连接储水箱(13)上部，第二截止阀(11)另一端管口连接淋浴室(10)的进水端管口。

2.根据权利要求1所述的用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，其特征在于：当空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，处在余热蓄能的工作状态时，系统从四通换向阀(7)第一输入输出端管口，进入四通换向阀(7)第四输入输出端管口，然后依次经过相变蓄热器(6)、毛细管(5)、室外换热器(4)，回到四通换向阀(7)第二输入输出端管口，所述第一截止阀(8)和第二截止阀(11)内部连通。

3.根据权利要求1所述的用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，其特征在于：当空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，处在释放除霜的工作状态时，系统转向从四通换向阀(7)第一输入输出端管口，进入四通换向阀(7)第二输入输出端管口，然后依次经过室外换热器(4)、毛细管(5)、相变蓄热器(6)，回到四通换向阀(7)第四输入输出端管口，所述第一截止阀(8)和第二截止阀(11)内部连通。

4.根据权利要求1所述的用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，其特征在于：当空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，处在热气旁通除霜工作状态时，系统从四通换向阀(7)第一输入输出端管口，进入四通换向阀(7)第四输入输出端管口，然后依次经过相变蓄热器(6)、毛细管(5)、室外换热器(4)，回到四通换向阀(7)第二输入输出端管口，所述单向电磁阀(3)、第一截止阀(8)和第二截止阀(11)内部连通。

5.根据权利要求1所述的用于空气源热泵热水器的相变蓄热型除霜系统，其特征在于：所述板式相变蓄热器(6)内填充相变蓄热材料(6-6)。

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