CN102269484A - 太阳能辅热地源空调热水一体机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于生活空调采暖和热水供应的太阳能辅热地源空调热水一体机，包含地热热泵和太阳能换热器，太阳能热水循环泵，热泵热水循环泵，热水换热器和储热水箱；热水换热器连接在压缩机与换向阀之间的工质循环通道中；热水换热器通过热泵热水循环泵连接到所述的储热水箱，构成热泵热水循环通道，太阳能换热器通过太阳能热水循环泵连接到所述的储热水箱，构成太阳能热水循环通道；使用储热水箱中的热水作为热媒，实现太阳能和地热能的直接耦合，省略了阀门切换所使用的管路和阀门要素，省略了独立的地暖水换热水箱，避免了二次换热造成的热量损失，使系统有更高的制热效率，结构简单，安装维护方便，制造成本低、节能效果好。

Description

太阳能辅热地源空调热水一体机

技术领域

本发明涉及一种加热和制冷的联合系统，尤其涉及一种适用于生活空调采暖和热水供应的太阳能辅热地源空调热水一体机。

背景技术

随着国民经济迅速发展和人民生活水平的提高，建筑物在采暖、空调、生活热水方面的能量需求越来越大，成为一般民用建筑物用能的主要部分。地源热泵和太阳能热水器等环保节能技术得到了广泛的应用，结合利用地热源和太阳能热源技术的制热制冷系统产品研究也取得了进展。中国实用新型专利“太阳能与热泵及地热耦合制冷制热系统”(中国实用新型专利号ZL200620154589.1，授权公告号CN200979316)公开了一种太阳能与热泵及地热耦合制冷制热系统，包括热泵、太阳能集热器、埋入地下恒温层的地热盘管、一号泵、用户终端、二号泵以及系统控制电路，地热盘管与太阳能集热器通过管线连接在热泵的第一交换流道的输出端与输入端之间形成第一工质回路，一号泵设置在第一工质回路中将第一工质由第一交换流道的输出端输送到第一交换流道的输入端，用户终端连接在热泵的第二交换流道的输出端与输入端之间形成第二工质回路，二号泵设置在第二工质回路中将第二工质由第二交换流道的输出端输送到第二交换流道的输入端。中国发明专利申请“使用太阳能和地热的制热、制冷系统”(中国发明专利申请号200910143517.5，公开号CN101907370)一种使用太阳能和地热的制热、制冷系统，该系统包括：集热装置、储热装置、地埋换热装置、热转换装置、集热循环泵、热源循环泵；其中，集热循环泵、集热装置、储热装置、热源循环泵、热转换装置通过导通器件依次串接成第一循环通路；集热循环泵、集热装置、储热装置、热源循环泵、地埋换热装置、热转换装置通过导通器件依次串接成第二循环通路；第一循环通路和第二循环通路之间装有控制其间连通状态的多个阀门和导通器件；系统内部通过液态物质传递能量。但是这两个系统都是采用通过管路连接和阀门切换的方式实现太阳能和地热的耦合，存在系统管路结构复杂、投入的设备多，制造成本高、占地面积大、安装和操作不便等缺点。

发明内容

本发明的目的是要提供一种太阳能辅热地源空调热水一体机，以地源作为主要热源，太阳能作为辅助热源，使用生活热水作为热媒，实现太阳能和地热的直接耦合，完全省略了现有的阀门切换技术所使用的管路和阀门等要素，能够在制取洗浴热水和地板采暖温水的同时，提供空调所需的制冷与制热功能，解决现有系统管路结构复杂、投入的设备多，制造成本高、占地面积大、安装和操作不便的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种太阳能辅热地源空调热水一体机，包含压缩机，换向阀，地热能换热器，干燥过滤器，膨胀阀，空调换热器，气液分离器和太阳能换热器，其特征在于：所述的空调热水一体机还包含太阳能热水循环泵，热泵热水循环泵，热水换热器和储热水箱；所述的压缩机，换向阀，地热能换热器，干燥过滤器，膨胀阀，空调换热器和气液分离器依次连接成工质循环通道，所述的热水换热器连接在压缩机与换向阀之间的工质循环通道中；所述的热水换热器通过热泵热水循环泵连接到所述的储热水箱，构成热泵热水循环通道，太阳能换热器通过太阳能热水循环泵连接到所述的储热水箱，构成太阳能热水循环通道；使用所述的储热水箱中的热水作为热媒，实现太阳能和地热能的直接耦合，省略了阀门切换所使用的管路和阀门要素。

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机的一种较佳的技术方案是在所述的储热水箱内部设有地暖水换热器，所述的地暖水换热器连接到地板采暖水循环泵，构成地板采暖温水循环通道，储热水箱中的洗浴热水与地暖水换热器换热降温产生的温水在重力作用下形成储热水箱的热水区和温水区，省略了独立的地暖水换热水箱。

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机的一种更好的技术方案是所述的空调热水一体机包含水温控制单元和至少3个感温元件，感温元件a固定在所述的太阳能换热器上，感温元件b固定在所述储热水箱的热水区，位于水箱高度2/5～2/3的部位，感温元件c固定在所述储热水箱的温水区，位于水箱高度1/6～1/4的部位，感温元件连接到所述水温控制单元的输入端，所述的水温控制单元的输出连接到压缩机和循环泵的控制回路。

本发明的另一个目的是提供一种用于本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机的水温控制单元，解决太阳能辅热地源空调热水一体机工作模式复杂的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种太阳能辅热地源空调热水一体机的水温控制单元，包含温度检测模块、温度判断控制模块、热泵启动控制模块和循环泵控制模块，其特征在于：

所述的水温控制单元还包含运行模式设置选择模块、升温速度检测判断模块、温差判断控制模块和热水-地板采暖模式选择模块。

所述的温度检测模块连接到所述的感温元件，用于检测储热水箱和太阳能换热器的水温，温度检测模块的输出连接到升温速度检测判断模块、温差判断控制模块和温度判断控制模块。

所述的运行模式设置选择模块连接到温度检测模块和热水-地板采暖模式选择模块，用于设置温度比较控制参数和选择空调热水一体机运行模式。

所述的升温速度检测判断模块连接到热泵启动控制模块，用于计算储热水箱水温升温速度，判断太阳能换热器运行状态，通过热泵启动控制模块控制热泵启动或停止。

所述的温差判断控制模块连接到太阳能热水循环泵控制模块和热泵启动控制模块，用于计算太阳能换热器水温与储热水箱水温的温差，控制热泵和太阳能热水循环泵启动或停止。

所述的热水-地板采暖模式选择模块连接到温度判断控制模块，用于设置和选择热水-地板采暖运行模式。

所述的温度判断控制模块连接到热泵热水循环泵控制模块和地板采暖水循环泵控制模块，用于根据储热水箱的水温和热水-地板采暖模式，控制热泵热水循环泵和地板采暖水循环泵启动或运行。

本发明的有益效果是：

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机，以地源作为主要热源，太阳能作为辅助热源，使用生活热水作为热媒，实现太阳能和地热的直接耦合，完全省略了现有的阀门切换技术所使用的管路和阀门等要素，其结构简单，安装维护方便，制造成本低、节能效果好等诸多优越性。

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机，以生活热水兼作热媒液体，储热水箱中的洗浴热水与地暖水换热器降温产生的温水在重力作用下形成储热水箱的热水区和温水区，省略了独立的地暖水换热水箱，以一个水箱替代两个水箱，不但避免了二次换热造成的热量损失，使系统达到更高的制热效率，而且还减小了设备的占地面积，降低了产品的造价。

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机采用使用计算机程序控制的控制单元，可以灵活选择控制工作模式，结构简单，控制灵活方便，环保节能，运行效率高。

附图说明

图1是本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机的结构示意图

图2是本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机的控制单元功能模块框图

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机的第一个实施例如图1所示，包含压缩机1，换向阀2，地热能换热器3，干燥过滤器4，膨胀阀5，空调换热器6，气液分离器7和太阳能换热器10，还包含热水换热器8，热泵热水循环泵9，太阳能热水循环泵11和储热水箱20。压缩机1，换向阀2，地热能换热器3，干燥过滤器4，膨胀阀5，空调换热器6和气液分离器7连接成空调热泵的工质循环通道，通过换向阀2控制工质的流向，实现空调的制冷和制热功能。热水换热器8连接在压缩机1与换向阀2之间的工质循环通道中。热水换热器8通过热泵热水循环泵9连接到所述的储热水箱20，构成热泵热水循环通道，太阳能换热器10通过太阳能热水循环泵11连接到所述的储热水箱20，构成太阳能热水循环通道。本发明使用储热水箱20中的热水作为热媒，实现太阳能和地热能的直接耦合，省略了中国使用新型专利ZL200620154589.1和中国发明专利申请200910143517.5所公开的阀门切换技术方案所必需的管路和阀门要素。省略管路和阀门等要素不但简化了本发明的空调热水一体机的结构，达到的了安装维护方便，制造成本低的技术效果，而且通过太阳能和地热能的直接耦合，降低了切换管路和阀门产生的热能损耗，提高了系统效率，取得了高效节能的技术效果。

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机的实施例中，储热水箱20内部设有地暖水换热器21，地暖水换热器21连接到地板采暖水循环泵22，构成地板采暖温水循环通道，向外部的地板采暖系统提供地板采暖温水。本实施例中储热水箱20中的洗浴热水与地暖水换热器21换热降温产生的温水在重力作用下形成储热水箱的热水区和温水区，省略了独立的地暖水换热水箱。用一个储热水箱替代分立的两个水箱，不但避免了二次换热造成的热量损失，使系统达到最高的制热效率，而且还减小了设备的占地面积，降低了产品的造价。

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机还包含水温控制单元和3个感温元件，感温元件a固定在所述的太阳能换热器上，感温元件b固定在所述储热水箱的热水区，位于水箱高度大约1/2的部位，感温元件c固定在所述储热水箱的温水区，位于水箱高度大约1/5的部位，3个感温元件连接到水温控制单元的输入端，水温控制单元的输出连接到压缩机和3个循环泵的控制回路。

本发明的太阳能辅热地源空调热水一体机的控制单元功能模块框图如图2所示，控制单元包含温度检测模块M01、温度判断控制模块M05、热泵启动控制模块M07、循环泵控制模块M08、M09和M10，还包含水温控制单元还包含运行模式设置选择模块M02、升温速度检测判断模块M03、温差判断控制模块M04和热水-地板采暖模式选择模块M06。

温度检测模块M01与感温元件a、b和c连接，用于检测储热水箱20和太阳能换热器10的水温，温度检测模块M01的输出连接到升温速度检测判断模块M03、温差判断控制模块M04和温度判断控制模块M05。

运行模式设置选择模块M02连接到温度检测模块M01和热水-地板采暖模式选择模块M06，用于设置温度比较控制参数和选择空调热水一体机运行模式。

升温速度检测判断模块M03连接到热泵启动控制模块M07，用于计算储热水箱20的水温升温速度，判断太阳能换热器10运行状态，通过热泵启动控制模块M07控制热泵启动或停止，具体地说，热泵启动控制模块M07控制热泵压缩机1的启动或停止运行。

温差判断控制模块M04连接到热泵启动控制模块M07和太阳能热水循环泵控制模块M08，用于计算太阳能换热器10的水温与储热水箱20的水温之温差，控制热泵和太阳能热水循环泵11启动或停止。

热水-地板采暖模式选择模块M06连接到温度判断控制模块M05，用于设置和选择热水-地板采暖运行模式；

温度判断控制模块M05连接到热泵热水循环泵控制模块M09和地板采暖水循环泵控制模块M10，用于根据储热水箱的水温和热水-地板采暖模式控制热泵热水循环泵9和地板采暖水循环泵22启动或运行。

以下结合图2进一步说明上述主要功能模块的功能及其控制方法：

温度检测模块M01用于检测水温，感温元件a检测到的太阳能换热器水温设为Ta；感温元件b检测到的热水区水温设为Tb；感温元件c检测到的温水区水温设为Tc。

运行模式设置选择模块M02用于设置选择空调热水一体机的运行模式，包括单独制热水模式、制热水-取暖模式、单独制冷模式、制冷-制热水模式，每个模式可以根据检测的温度进行全自动切换，满足各种使用需求。当使用需求变化时，可以手动选择需求工作的模式。本模块首先建立并储存热泵热水机在变环境温度下制热水模型，此模型包括机组型号、变环境工况、变水温三个参数。通过调用此模型中的数据，可以清楚地识别出各个型号的热泵热水机在各种环境工况、各种温度下的产水速率。根据客户输入的用水时间段、各个时间段储热水箱里水温、峰谷电价和太阳能光照程度等参数数据，与预存的制热水模型进行比较，确定热水加热的最节能的工作模式。加热的优先顺序为：太阳能、峰谷电、洗浴前时间段。

升温速度检测判断模块M03用于识别选择热泵加热还是太阳能加热，选择原理如下：当洗浴完成后，检测储热水箱中的热水区余水的温度，根据机组型号确定储热水箱的容量，由水箱容量、水箱水温和环境温度计算在当前状态下用热泵加热到预定温度所需要加热的时间t，推算出什么时间需要开启热泵加热。在需要洗浴的时间前t小时时间段内，每隔一定时间(例如，10分钟)检测储热水箱20的水温一次，如果储热水箱20的热水区温度Tb达到此时段的水箱预设温度，则说明太阳能已经对储热水箱里的水进行加热，并且达到了热泵加热的效果，不需开启热泵进行加热。若水箱热水区温度Tb达不到此时段内水箱预设的温度，证明当前时段没有太阳或太阳的光照度不够，太阳能加热量达不到热泵加热的效果，则通过热泵启动控制模块M07控制开启热泵进行辅助加热。

温差判断控制模块M04用于太阳能和储热水箱循环控制：当太阳能换热器10的水温Ta与储热水箱20的温水区水温Tc温差Ta-Tc≥5℃，太阳能热水循环泵11运转，将太阳能换热器中的热量转移到储热水箱中，当温差Ta-Tc＜1℃时，太阳能热水循环泵11停止。

热水-地板采暖模式选择模块M06用于选择热水和地板采暖控制模式，预设模式包括热水优先、地板采暖优先、单独采暖三种模式。

温度判断控制模块M05根据M03模块和M06模块确定的运行状态控制控制热泵热水循环泵9和地板采暖水循环泵22启动或运行。若热泵压缩机达到条件开机状态，若Tb低于预设启动温度，热泵热水循环泵9开启，当Tc达到设置水温时，热泵热水循环泵9关闭。若压缩机如处于关闭状态，热泵热水循环泵9一定保持关闭；在热水优先模式下，检测热水区温度Tb，若Tb低于预设采暖温度(例如，45℃)，关闭地板采暖水循环泵22，直至Tb达到预设热水温度，例如，48℃，重新开启地板采暖水循环泵22；在地板采暖优先模式下，地板采暖水循环泵22不受水箱热水区水温Tb控制连续运行；在单独采暖模式下，检测水箱温水区的温度Tc，根据Tc控制热泵热水循环泵9的启停，若Tc温度达到预设采暖温度，例如，45℃，热泵热水循环泵9停止，若Tb温度低于预设启动温度，例如，40℃，热泵热水循环泵9开启，启动热泵加热功能。

太阳能热水循环泵控制模块M08、热泵热水循环泵控制模块M09和地板采暖水循环泵控制模块M10连接到M04和M05模块，根据M04和M05模块输出的控制信号控制三个循环泵的启动和停止。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种太阳能辅热地源空调热水一体机，包含压缩机，换向阀，地热能换热器，干燥过滤器，膨胀阀，空调换热器，气液分离器和太阳能换热器，其特征在于：所述的空调热水一体机还包含太阳能热水循环泵，热泵热水循环泵，热水换热器和储热水箱；所述的压缩机，换向阀，地热能换热器，干燥过滤器，膨胀阀，空调换热器和气液分离器依次连接成工质循环通道，所述的热水换热器连接在压缩机与换向阀之间的工质循环通道中；所述的热水换热器通过热泵热水循环泵连接到所述的储热水箱，构成热泵热水循环通道，太阳能换热器通过太阳能热水循环泵连接到所述的储热水箱，构成太阳能热水循环通道；使用所述的储热水箱中的热水作为热媒，实现太阳能和地热能的直接耦合，省略了阀门切换所使用的管路和阀门要素。

2.根据权利要求1所述的太阳能辅热地源空调热水一体机，其特征在于所述的储热水箱内部设有地暖水换热器，所述的地暖水换热器连接到地板采暖水循环泵，构成地板采暖温水循环通道，储热水箱中的洗浴热水与地暖水换热器换热降温产生的温水在重力作用下形成储热水箱的热水区和温水区，省略了独立的地暖水换热水箱。

3.根据权利要求2所述的太阳能辅热地源空调热水一体机，其特征在于所述的空调热水一体机包含水温控制单元和至少3个感温元件，感温元件a固定在所述的太阳能换热器上，感温元件b固定在所述储热水箱的热水区，位于水箱高度2/5～2/3的部位，感温元件c固定在所述储热水箱的温水区，位于水箱高度1/6～1/4的部位，感温元件连接到所述水温控制单元的输入端，所述的水温控制单元的输出连接到压缩机和循环泵的控制回路。

4.根据权利要求3所述的太阳能辅热地源空调热水一体机，其特征在于所述的感温元件b固定在位于水箱高度1/2的部位，感温元件c固定在位于水箱高度1/5的部位。

5.一种太阳能辅热地源空调热水一体机的水温控制单元，包含温度检测模块、温度判断控制模块、热泵启动控制模块和循环泵控制模块，其特征在于：

所述的水温控制单元还包含运行模式设置选择模块、升温速度检测判断模块、温差判断控制模块和热水-地板采暖模式选择模块；

所述的温度检测模块连接到所述的感温元件，用于检测储热水箱和太阳能换热器的水温，温度检测模块的输出连接到升温速度检测判断模块、温差判断控制模块和温度判断控制模块；

所述的运行模式设置选择模块连接到温度检测模块和热水-地板采暖模式选择模块，用于设置温度比较控制参数和选择空调热水一体机运行模式；

所述的升温速度检测判断模块连接到热泵启动控制模块，用于计算储热水箱水温升温速度，判断太阳能换热器运行状态，通过热泵启动控制模块控制热泵启动或停止；

所述的温差判断控制模块连接到太阳能热水循环泵控制模块和热泵启动控制模块，用于计算太阳能换热器水温与储热水箱水温的温差，控制热泵和太阳能热水循环泵启动或停止；

所述的热水-地板采暖模式选择模块连接到温度判断控制模块，用于设置和选择热水-地板采暖运行模式；

所述的温度判断控制模块连接到热泵热水循环泵控制模块和地板采暖水循环泵控制模块，用于根据储热水箱的水温和热水-地板采暖模式，控制热泵热水循环泵和地板采暖水循环泵启动或运行。

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