CN102364265A - 一种变流量循环式热泵热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变流量循环式热泵热水器，包括制冷剂回路系统、蒸发器进风系统、冷凝器水侧变流量自动循环回路系统及电路控制系统，所述冷凝器水侧变流量自动循环回路系统的冷凝器进水管道上设有流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀或者所述冷凝器进水管道上的循环水泵采用变流量泵，所述流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀或者变流量泵通过电路连接电路控制系统；本发明通过热泵热水器系统的冷凝器进水流量改变方法控制冷凝器水侧(被加热侧)平均水温，以及控制冷凝器出水温度致热泵系统工作相对稳定，增强了冷凝器的冷凝效率，降低压缩机工作压力，从而延长压缩机的使用寿命和降低功耗，提高了热转换效率(COP)。

Description

一种变流量循环式热泵热水器
[技术领域]
本发明涉及热水器技术领域，具体地说是一种变流量循环式热泵热水器。
[背景技术]
热泵热水器作为一种新能源技术已逐步普及，并逐渐取代传统的电加热热水器。发达国家已将电热水器列入禁止使用的产品，取而代之的是太阳能热水器或热泵热水器。热泵热水器由于其用于加热水的工作特性，(①一年四季水温变化；②加热过程水温变化；③冬季夏季热泵运行的效率变化)热泵热水器系统冷凝器水侧(被加热侧)温度不稳定、冷凝器氟侧(加热侧)不稳定、压缩机负荷变化、温度升高过热、压缩机工作压力升高、冷凝饱和温度点升高，使得热转换效率(COP)下降。厂商热泵热水器铭牌注明的效率为试验室理想工况下运行的结果，而实际运行时效率至少低于标注值的30％。国标规定，循环式热泵热水器COP不得低于3.7(COP≥3.7)，实际运行值不得低于标注值90％，而实际情况，一般在COP＝2.5效率下运行已算很好，市场已售的热泵热水器试验表明，运行效率COP＝1.7都有，水温升高COP下降，压缩机过热影响寿命，使得热泵热水器普及应用受到严重的影响，消费者花了较普通热水器2-3倍的价格买的热泵热水器并非如厂商宣传的那样节能省电。如何将热泵效率稳定在试验的水平？如何能使得热泵热水器变工况不稳定的状态得到根本的改善？如何能使压缩机在相对稳定的工况下运行？这对热泵热水器而言至关重要。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种变流量循环式热泵热水器。通过热泵热水器系统的冷凝器进水流量改变方法控制冷凝器水侧(被加热侧)平均水温，以及控制冷凝器出水温度致热泵系统工作相对稳定，增强了冷凝器的冷凝效率，降低压缩机工作压力，从而延长压缩机的使用寿命和降低功耗，提高了热转换效率(COP)。
为实现上述目的设计变流量循环式热泵热水器，包括制冷剂回路系统、蒸发器进风系统、冷凝器水侧变流量自动循环回路系统及电路控制系统，所述制冷剂回路系统包括一个通过管路依次连接压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的封闭式流路，所述蒸发器进风系统包括风的进出导向装置及风的进出动力装置，所述冷凝器水侧变流量自动循环回路系统包括一个通过管路依次连接冷凝器、储水箱和循环水泵，所述冷凝器水侧变流量自动循环回路系统的冷凝器进水管道上设有流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀或者所述冷凝器进水管道上的循环水泵采用变流量泵，所述流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀或者变流量泵通过电路连接电路控制系统。
所述电路控制系统包括主控制器、人机界面、信号传感器及组合元器件。
所述信号传感器包括温度传感器和压力传感器，所述温度、压力传感器分别安装在蒸发器的进风处、储水箱内、制冷剂回路系统管路上以及冷凝器水侧变流量自动循环回路系统的管路上。
本发明的工作原理：
1、
Figure BDA0000081040340000021
(Δt＝温升、V＝被加热水容积、C＝水的比热、ρ＝水的密度)；
2、输出热量＝Δt·Q·C·ρ(Q＝流量(L/min  升/分)、Δt＝冷凝器出水温度T6-冷凝器进水温度T5、C＝水比热1kcal/kg·K、ρ＝水的密度)；
3、本发明通过识别水温的变化改变冷凝器进水流量，使得冷凝器出水温度满足国标(GB23137-2008，出水温度≥55℃)规定值且不至于过高。比如：多次循环热泵热水器冷凝器进水温度开始为20℃，在定流量情况下，假设一次循环温升(Δt＝15℃)，第一循环结束水温升至35℃(Δt＝15℃)，第二循环(Δt＝15℃)，进水35℃，出水为50℃，按国标GB23137-2008规定水温≥55℃，必须进行第三循环，第三循环进水50℃(Δt＝15℃)，出水65℃，第三循环的结果导致COP下降。(第三循环导致COP下降的原因：出水65℃，冷凝饱和温度通常≥65℃，65℃饱和温度。以冷媒134a为例，饱和压力为≥18.9bar，压力升高，做功导致效率下降)压力升高做功其转换为热能效率不会超过1，即COP≤1。所以在超温下运行，导致COP下降。
本发明与现有技术相比，优点：本发明采用识别温度改变流量的方法，有效地避免冷凝器冷媒超温运行不稳定的情况，比如：还是以进水温度为20℃，通过温度识别进水为20℃，根据已设定好的程序，可通过调整流量方法，使第一循环水温为45℃，在运行过程中，可通过检测出水温度变化不断修正流量，使出水温度基本恒定在45℃，随后在进入第二循环时，再通过以上办法，使出水温度被控制在55℃～57℃之间，彻底避免水温升至65℃以上发生冷凝器冷媒过热的恶劣工况，从而将冷凝饱和点温度控制在55℃，比65℃低了10℃，饱和点温度55℃对应的压力为14.9bar(134a)，比饱和温度65℃饱和压力P＝18.9bar(134a)低4bar，从而提高了系统运行效率，避免压缩机过热运行。同理，一次加热式热泵热水器会因为季节变化水温和效率变化导致运行工况不稳定、运行效率低恶劣工况。流量改变是通过电路控制系统预设置好的程序识别温度的方法驱动变流量泵或流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀改变流量，使热泵运行在最佳稳定且高COP的状态。变流量的程序设计依据：一、为提高COP(热泵运行时使冷凝器水侧(被加热侧)平均温度尽可能降低确保系统在高效率工况下运行)；二、为让冷凝器最终出水满足规定温度≥55℃，且不至于过高，冷凝饱和温度和饱和压力被有效地控制，保护压缩机并提高COP，根据环境温度变化、进水温度变化选择最佳运行方式：一次加热式或多次循环加热式。本发明通过试验运行，在同样的系统采取了变流量方法比未采取变流量的方法COP提高10％～13％，可见其作用是非常显著的。
[附图说明]
图1是本发明使用变流量泵的结构示意；
图2是本发明使用流量自动调节阀的结构示意；
图3是本发明使用流量自动调节旁通阀方式一的结构示意；
图4是本发明使用流量自动调节旁通阀方式二的结构示意；
图5是本发明的工作原理图；
图中：1为储水箱、2为冷凝器进水管道、3为变流量泵、4为膨胀阀、5为压缩机、6为冷凝器、7为蒸发器、8为冷凝器出水管道、9为待加热的水、10为流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀、11为水泵、12进出风动力装置(轴流风机)、T1为水箱水温传感器、T2为环境温度传感器、T3为压缩机进口温度传感器、T4压缩机出口冷媒温度传感器、T5为冷凝器进口水温度传感器、T6为冷凝器出口水温度传感器、P1为低压传感器、P2为高压传感器。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图1所示，本发明包括制冷剂回路系统、蒸发器进风系统、冷凝器水侧变流量自动循环回路系统及电路控制系统，所述制冷剂回路系统包括一个通过管路依次连接压缩机5、冷凝器6、膨胀阀4和蒸发器7组成的封闭式流路，所述蒸发器进风系统包括风的进出导向装置及风的进出动力装置(轴流风机)12；所述冷凝器水侧变流量自动循环回路系统包括一个通过管路依次连接冷凝器6、储水箱1和变流量泵3，所述变流量泵3安装在冷凝器进水管道2上，所述变流量泵通过电路连接电路控制系统。所述电路控制系统包括主控制器、人机界面、信号传感器及组合元器件；所述信号传感器包括水箱水温传感器T1、环境温度传感器T2、压缩机进口温度传感器T3、压缩机出口冷媒温度传感器T4、冷凝器进口水温度传感器T5、冷凝器出口水温度传感器T6、低压传感器P1及高压传感器P2；所述水箱水温传感器T1安装在储水箱1内，所述环境温度传感器T2安装在蒸发器的进风处，所述压缩机进口温度传感器T3、压缩机出口冷媒温度传感器T4安装在制冷剂回路系统管路上，所述冷凝器进口水温度传感器T5及冷凝器出口水温度传感器T6安装在冷凝器水侧变流量自动循环回路系统的管路上，所述低压传感器P1、高压传感器P2分别安装在压缩机的进口和出口。
如附图2、3、4所示，本发明另几个实施例与附图1所示的实施例区别仅在于：所述变流量泵3变成现有的定流量循环水泵11，所述冷凝器水侧变流量自动循环回路系统的冷凝器进水管道上设有流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀10，所述流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀10通过电路连接电路控制系统。这种技术方案同样可以达到本发明的目的。
本发明的要点在于热泵热水器系统通过改变冷凝器水侧流量的方法实现控制冷凝器水侧(被加热侧)的平均水温，以及冷凝器水侧(被加热侧)出水温度，使热泵系统冷凝器氟侧(加热侧)饱和点温度和压力相对稳定。改变热泵热水器系统由于水温变化、环境温度变化而冷凝器水侧流量不变，运行工况不稳定的情况。热泵热水器冷凝器水侧(被加热侧)变流量原理见附图5。由于季节变化引起效率变化、进水温度发生变化或运行过程中加热(水箱温度不断升高)，均会导致冷凝器进口水温度(传感器T5)、冷凝器出口水温度(传感器T6)变化，改变流量控制冷凝器出口水温度(传感器T6)以达到控制压缩机出口冷媒温度(传感器T4)变化的目的，从而稳定压缩机工况，并有效地提高COP。实现冷凝器进水流量的调整，有成熟的技术可以利用。(如：①调压变流量泵②变频变流量泵③流量自动调节阀④旁路调节等，均可实现水流量线性调整的目的。)
本发明并不受上述实施方式的限制，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 (3)

1.一种变流量循环式热泵热水器，包括制冷剂回路系统、蒸发器进风系统、冷凝器水侧变流量自动循环回路系统及电路控制系统，所述制冷剂回路系统包括一个通过管路依次连接压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的封闭式流路，所述蒸发器进风系统包括风的进出导向装置及风的进出动力装置，所述冷凝器水侧变流量自动循环回路系统包括一个通过管路依次连接冷凝器、储水箱和循环水泵，其特征在于：所述冷凝器水侧变流量自动循环回路系统的冷凝器进水管道上设有流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀或者所述冷凝器进水管道上的循环水泵采用变流量泵，所述流量自动调节阀或流量自动调节旁通阀或者变流量泵通过电路连接电路控制系统。
2.如权利要求1所述的变流量循环式热泵热水器，其特征在于：所述电路控制系统包括主控制器、人机界面、信号传感器及组合元器件。
3.如权利要求2所述的变流量循环式热泵热水器，其特征在于：所述信号传感器包括温度传感器和压力传感器，所述温度、压力传感器分别安装在蒸发器的进风处、储水箱内、制冷剂回路系统管路上以及冷凝器水侧变流量自动循环回路系统的管路上。
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