CN103353169A - 双热源船用热泵热水器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶上使用热泵技术，特别是涉及一种双热源船用热泵热水器及其控制方法。所述热水器包括制冷剂回路、生活用水回路、海水回路和电控箱。所述方法将空气源热泵与海水源热泵有机的结合起来，通过恰当的控制方法切换蒸发器。本发明不但能够充分利用空气能，同时还充分利用船舶工作环境水源充足的条件，既能有效的克服船舶在寒冷地区或寒冷的季节航行时期空气源热泵制备热水困难的缺点，又能合理利用海水热量，进而达到降低制备热水耗电量的目的。

Description

双热源船用热泵热水器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种船舶上使用的热泵技术，具体是以更低的成本在船舶航行的过程中制备热水的方法及其热水系统，特别是涉及一种充分利用船舶航行条件的可切换控制的双蒸发器热泵，带海水源蒸发器和空气源蒸发器的双热源船用热泵热水器及其控制方法。 

技术背景

目前，热水器产品主要有燃气热水器，电热水器，太阳能热水器，热泵热水器。它们既有自己的优点又有自己的缺点。燃点热水器使用最方便，即开即用，但安全性能差，安装使用不当会引起一氧化碳中毒，有爆炸和着火的危险，污染严重，因此在市场上造成一部分消费群体不敢问津，香港地区已经禁止销售；电热水器，初期投入不大，使用安全性也能接受，但由于制热效率低，耗电量大，成本较高，限制了其广泛应用。 

目前节能型的热水装置为太阳能和热泵两大类，随着能源价格的不断攀升，节能型热水装置越来越受到用户的欢迎；但太阳能热水器虽然使用成本低廉，得到政府的倡导，但其受到气候影响较大，热源单一，可靠性较差，又不能全天候使用，造成用户的许多不便，近年来基于热泵原理来制造的空气源热泵热水器，年平均热效率一般可达到300%，逐渐受到用户的青睐。但空气能热水器区域性特征明显，在冬季温度低于0℃的区域应用受到限制。 

船舶在不同的海域或在不同的流域航行，船上所带的化石能源并不能完全满足船上的能源需求，因此尽可能的节约能源，延长船舶的续航时间非常有实用意义。充分利用船舶在海水中船行的工作条件，再结合空气能源的利用，综合两者的优势为船舶提供优质的能源。 

专利文献CN200320129702.7所公开的一种户内空气源热泵热水器，主要包括压缩机，通过制冷剂管路分别与压缩机的吸入口和出口相连的蒸发器和冷凝器，储热水箱以及设置在冷凝器和蒸发器之间制冷剂管路上的干燥过滤器和节流装置。其冷凝器设置在储热水箱内，储热水箱上设有冷水进水管和热水出水管，蒸发器安装在墙洞内，蒸发器可以吸收室内排出空气的热量，达到一定的节能除霜功能，但并不彻底。即使在船舶上使用，海洋气候相对稳定，其对外界环境温度依赖过大，其正常工作环境温度在-5℃到40℃之间，故基本适用于东海，南海一带，空气温度较高的海域，然而在寒冷地区和寒冷的海域仍然略显不足。 

在热泵热水器中水源热泵热水器也有一定的应用。如专利200510037382.6所公开的一种应用水源二次换热来提高整体热效率的水源热泵热水器。主要由自来水入水管，换热器，水流开关，恒温出水开关，热水出水口串联连接，成热水供水通路，废水过滤器，回水管，回水泵，换热器，换热器废水出水口串联连接，成回水水路，压缩机，换热器，节流阀，换热器串联连接成加热回路。水源热泵热水器理论上可以利用一切的水资源，但在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异相当大，所以在不同的地区是否有适合的水源成为水源热泵应用的一个关键。再者，该系统采用废水收集技术进行热量回收，虽然理论上可以有回收一部分的热量，但由于废水的温度并不太高，而且散热面积大，在收集过程中热量已大量的散失，不能达到有效的热量回收目的，其初投入也较高。废水的处理难度高，废水的污垢对蒸发器有腐蚀的作用，既影响热量回收，又增加回收难度。由于设备的体积较大，所占空间过大在船舶上不能使用这种废水回收的技术。而本发明专利可切换蒸发器双热源的船用热泵热水器，充分利用船舶航行的工作条件，将取之不尽的海水热量充分利用起来，再结合空气源热泵技术和恰当的系统控制，充分利用工作环境的可利用热量，达到船舶上制备合格热水又节约能源的双重目的。 

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术存在的问题和缺陷，为船舶上船员提供一种更高效率和更低成本的制备热水的双热源船用热泵热水器及其控制方法。本发明是将空气源热泵与海水源热泵有机的结合起来，提出了一种恰当的蒸发器切换和系统控制方法。本发明不但能够充分利用空气能，同时也能够使船舶航行在寒冷地区或寒冷的季节亦可生产热水，从而大大降低热水制备的耗电量，提高船舶有限能源的利用率。 

为了达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种双热源船用热泵热水器，包括制冷剂回路、生活用水回路、海水回路和电控箱，所述制冷剂回路由依次连接的压缩机、安全阀，冷凝器、充气阀、干燥过滤器、节流机构、第二电磁三通阀、蒸发器、第一电磁三通阀和气液分离器构成，所述生活用水回路由依次连接的进水管路和电控混水阀进口a构成，所述混水阀的出口c与冷凝器连接，所述冷凝器与储热水箱上部相连接，所述储热水箱底部出口与混水阀进口b连接，所述海水回路由依次连接的水泵和蒸发器构成，所述电控箱分别与第一电磁三通阀、第二电磁三通阀和电控混水阀电连接外，还分别连接有用于检测的热水温度传感器、水箱水位传感器、空气湿度传感器、空气温度传感器和海水温度传感器。 

所述蒸发器由海水源蒸发器和空气源蒸发器两种蒸发器并联构成，所述节流机构与第二电磁三通阀的进口连接，所述第二电磁三通阀两出口分别与上述海水源蒸发器及空气源蒸发器连接，所述海水源蒸发器及空气源蒸发器分别与第一电磁三通阀的两进口连接，所述第一电磁三通阀的出口与压缩机连接。 

本发明的双热源船用热泵热水器的控制方法，根据不同季节，不同的时期，不同的差值确定蒸发器的切换，包括以下步骤： 

（1）通过一个空气温度传感器实时检测空气温度T_环，再根据当地实时时间综合计算出每天的平均温度T_空平，通过一个海水温度传感器实时检测海水温度T_海，通过一个水箱水位传感器实时检测储热水箱中的热水量V_热，通过一个热水温度传感器实时检测储热水箱中的热水温度T_热；通过一个空气湿度传感器实时检测空气湿度R；根据热水量V _热，以及储热水箱内热水温度T_热与设定温度T_设比较，在不同的时间与季节确定系统的启停； 

（2）由所计算出的平均温度T_空平，确定当时所在的季节：当T_空平≥25℃为夏季，当T_空平≤15℃为冬季，其他温度范围内为过渡季节； 

（3）根据检测空气的温度与所确定的季节，确定蒸发器的切换以及储热水箱热水的目标温度；在过渡季节切换使用空气源蒸发器，冬、夏两季切换为海水源蒸发器； 

（4）水箱水位传感器检测储热水箱内水量，与储热水箱储水量设定值比较；储热水箱内热水温度传感器检测储热水箱内热水温度，与目标温度比较，确定热泵系统的启停，以及电控混水阀的开闭。 

系统开始以空气源热泵的模式工作：空气温度传感器和海水温度传感器检测空气与海水的温度，以及空气湿度传感器检测空气湿度，根据所测温度与空气湿度确定季节。控制系统根据确定的季节确定季节所需热水的温度。储热水箱内的水箱水位传感器检测储热水箱内的水量，根据所测水量和储热水箱内水温确定热泵热水器系统的启停。如果热水温度已达到设定值，水位达到设定值时，则系统无须启动，热水在储热水箱中保温。如果温度达到设定值，储热水箱内热水水位未达到设定值，则系统自动进入热泵工作模式，此时压缩机开动，淡水进入冷凝器，水泵启动，制备热水，直至储热水箱内的水位和水温达到设定值。如果储热水箱内水温未达到设定温度，则开启热泵热水器系统。电动混水阀开启，储热水箱内的温水在电控混水阀中与生活冷水混合再输送到冷凝器内加热。 

本发明的主要功能是为船舶提供更低成本、制备热水的方法和系统，将空气源热泵与海水源热泵有机的结合起来。通过恰当的控制方法切换蒸发器，不但能够充分利用空气能，同 时充分利用船舶工作环境水源充足的条件，既能有效的克服船舶在寒冷地区或寒冷的季节航行时期空气源热泵制备热水困难的缺点，又能合理利用海水热量，进而达到降低制备热水耗电量的目的。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是本发明专利的双热源船用热泵热水器的系统结构示意图。 

图2是电控混水阀的进出口示意图。 

图3为本发明切换方法逻辑流程图。 

图1中1.压缩机，2.第一电磁三通阀，3.海水源蒸发器，4.空气源蒸发器，5.第二电磁三通阀，6.节流机构，7.干燥过滤器，8.冷凝器，9.电控箱，10.储热水箱，11.安全阀，12.水泵，13.电控混水阀，14.气液分离器，15.热水温度传感器，16.水箱水位传感器，17.充气阀，18.空气湿度传感器，19.空气温度传感器，20.海水温度传感器。 

图2中a与b为混水阀两不同水温的进口，另一个为混水后的出口c。 

具体实施方式

如图1和图2所示，一种双热源船用热泵热水器，包括制冷剂回路、生活用水回路、海水回路和控制箱，所述制冷剂回路由依次连接的压缩机1、安全阀11、冷凝器8、充气阀17、干燥过滤器7、节流机构6、第二电磁三通阀5、蒸发器、第一电磁三通阀2和气液分离器14构成；所述生活用水回路由依次连接的进水管路和电控混水阀13的进口a构成；所述电控混水阀13的出口c与冷凝器8连接，所述冷凝器8与储热水箱10上部相连接，所述储热水箱10底部出口与电控混水阀13的进口b连接，所述海水回路由依次连接的水泵12和蒸发器构成，所述电控箱9分别与第一电磁三通阀2、第二电磁三通阀5和电控混水阀13电连接外，还分别连接有用于检测的热水温度传感器15、水箱水位传感器16、空气湿度传感器18、空气温度传感器19和海水温度传感器20。所述蒸发器由海水源蒸发器3和空气源蒸发器4两种蒸发器并联构成，所述节流机构6与第二电磁三通阀5的进口连接，所述第二电磁三通阀5两出口分别与所述海水源蒸发器3及空气源蒸发器4连接，所述海水源蒸发器3及空气源蒸发器4分别与第一电磁三通阀2的两进口连接，所述第一电磁三通阀2的出口与压缩机1连接。 

本发明是由热泵系统和水管部件构成，其热泵类似公知的制冷系统，不同在于并联了一 个海水源蒸发器3和一套切换控制系统，构成了双热源结构。热泵系统由压缩机1、冷凝器8、干燥过滤器7、节流机构6、第二电磁三通阀5、空气源蒸发器4、第一电磁三通阀2等主要部分组成。按照公知的制冷系统的同样方法将以上各部分用管道依次连接成封闭的系统，系统内充以公知的工质。在第一电磁三通阀2和第二电磁三通阀5上分别与海水源蒸发器3连接，使之与空气源蒸发器4组成并联结构。 

水管部件由自来水管、电控混水阀13、冷凝器8、储热水箱10、安全阀11等构成。 

本发明的双热源船用热泵热水器的控制方法，如图3所示，通过一个空气温度传感器19实时检测空气温度T_环，再根据实时北京时间综合计算出每天的平均温度T_空平，通过一个海水温度传感器20实时检测海水温度T_海，通过一个水箱水位传感器16实时检测储热水箱10中的热水量V_热，通过一个热水温度传感器15实时检测储热水箱10中的热水温度T_热。通过一个空气湿度传感器18实时检测空气湿度。根据热水量V_热，以及储热水箱10内热水温度T _热与设定温度T_设比较，在不同的时间与季节确定系统的启停。 

由所测空气湿度R和计算出的平均空气温度T_空平，确定当时所在的季节。根据当地地理环境确定冬季和夏季的空气湿度设定值，当空气湿度达到夏季定值，且T_空平≥25℃则为夏季，当空气湿度小于冬季定值，且T_空平≤15℃则为冬季，其他湿度温度范围内为过渡季节。 

根据检测空气的湿度与所确定的季节，确定蒸发器的切换以及储热水箱10热水的目标温度T设。控制第一电磁三通阀2切换蒸发器，则控制系统调节第二电磁三通阀5，使制冷剂经节流机构6只进入空气源蒸发器4内。控制系统控制第一电磁三通阀2使制冷剂只流向压缩机1，制冷剂在空气源蒸发器4内吸热，流过第一电磁三通阀2进入压缩机1，继续下一个循环。当空气温度高于设定温度时，且空气湿度不在设定范围内，则控制系统调节第二电磁三通阀5，使制冷剂经节流机构6只进入海水源蒸发器3内。控制系统控制第一电磁三通阀2使制冷剂只流向压缩机1，制冷剂在海水源蒸发器3内吸热，流经第一电磁三通阀2进入压缩机1，继续下一个循环。在过渡季节切换使用空气源蒸发器4，冬，夏两季切换为海水源蒸发器3。 

水箱水位传感器16检测储热水箱10内水量，与储热水箱10储水量设定值V_设比较。储热水箱10内热水温度传感器15检测储热水箱10内热水温度，控制系统根据储热水箱10内的水位和温度决定热泵系统的开启和关闭，以及电控混水阀13的开度。其中：当T_设-2≤T_热≤T_设+2，为热水温度达到设定温度； 

当V_设*0.9≤V_热≤V_设*1.1，为储热水箱10内的热水达到设定水量。 

如果热水温度已达到设定值，水位达到设定值时，则热泵热水系统无须启动，热水在储热水箱10中保温。如果温度达到设定值，储热水箱10内热水水位未达到设定值，则系统自动进入热泵工作模式，此时水泵12，压缩机1启动，制备热水，直至储热水箱10内的水位和水温达到设定值。如果储热水箱10内水温未达到设定温度，刚开启热泵热水器系统，则调节电控混水阀13开度，使之b进口开启，储热水箱10内的温水在电控混水阀13中与生活冷水混合再输送到冷凝器8内加热。当储热水箱10内的热水达到设定温度和容量时，控制系统关闭热泵系统，水泵12。 

Claims (3)

1.一种双热源船用热泵热水器，其特征是：包括制冷剂回路、生活用水回路、海水回路和电控箱（9），所述制冷剂回路由依次连接的压缩机（1）、安全阀（11）、冷凝器（8）、充气阀（17）、干燥过滤器（7）、节流机构（6）、第二电磁三通阀（5）、蒸发器、第一电磁三通阀（2）和气液分离器（14）构成；所述生活用水回路由依次连接的进水管路和电控混水阀（13）的进口a构成，所述电控混水阀（13）的出口c与冷凝器（8）连接，所述冷凝器（8）与储热水箱（10）上部相连接，所述储热水箱（10）底部出口与电控混水阀（13）的进口b连接；所述海水回路由依次连接的水泵（12）和蒸发器构成；所述电控箱（9）分别与第一电磁三通阀（2）、第二电磁三通阀（5）和电控混水阀（13）电连接外，还分别连接有用于检测的热水温度传感器（15）、水箱水位传感器（16）、空气湿度传感器（18）、空气温度传感器（19）和海水温度传感器（20）。

2.根据权利要求1所述的双热源船用热泵热水器，其特征是：所述蒸发器由海水源蒸发器（3）和空气源蒸发器（4）两种蒸发器并联构成，所述节流机构（6）与第二电磁三通阀（5）的进口连接，所述第二电磁三通阀（5）两出口分别与所述海水源蒸发器（3）及空气源蒸发器（4）连接，所述海水源蒸发器（3）及空气源蒸发器（4）分别与第一电磁三通阀（2）的两进口连接，所述第一电磁三通阀（2）的出口与压缩机（1）连接。

3.一种如权利要求1所述双热源船用热泵热水器的切换方法，其特征是：根据不同的季节，不同的时期，不同的差值确定蒸发器的切换，包括以下步骤：

（1）通过一个空气温度传感器（19）实时检测空气温度T_环，再根据当地实时时间综合计算出每天的平均温度T_空平，通过一个海水温度传感器（20）实时检测海水温度T_海，通过一个水箱水位传感器（16）实时检测储热水箱（10）中的热水量V_热，通过一个热水温度传感器（15）实时检测储热水箱（10）中的热水温度T_热；通过一个空气湿度传感器（18）实时检测空气湿度R；根据热水量V_热，以及储热水箱（10）内热水温度T_热与设定温度T_设比较，在不同的时间与季节确定系统的启停；

（2）由所计算出的平均温度T_空平，确定当时所在的季节；当T_空平≥25℃为夏季，当T_空平≤15℃为冬季，其他温度范围内为过渡季节；

（3）根据检测空气的温度与所确定的季节，确定蒸发器的切换以及储热水箱（10）热水的目标温度；在过渡季节切换使用空气源蒸发器（4），冬、夏两季切换为海水源蒸发器（3）；

（4）水箱水位传感器（16）检测储热水箱（10）内水量，与储热水箱（10）储水量设定值比较；热水温度传感器（15）检测储热水箱（10）内热水温度，与目标温度比较，确定热泵系统的启停，以及电控混水阀（13）的开闭。

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