CN103836790B - 热泵式热水供给装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热泵式热水供给装置，其包括：制冷剂回路（2）、热泵单元（1）、热水储存罐单元（4），热泵单元（1）配置于热水储存罐单元（4）的上方，并且热水储存罐（41）与热泵单元（1）之间的热阻（R1）比热水储存罐（41）与热水储存罐单元（4）侧面之间的热阻（R2）大，因此，减少来自热水储存罐（41）上部的散热量，且通过最小限度的绝热强化，能够实现抑制来自热水储存罐（41）的散热损失且能量效率较高的热水供给装置。

Description

热泵式热水供给装置

技术领域

本发明涉及使用热泵对水进行加热的热水供给装置。

背景技术

目前，已知有热泵式热水供给装置，其在热泵单元的散热器进行将利用制冷剂的冷凝潜热生成高温流体（热水）的热水存储于热水储存罐的蓄热运转，并且将生成的热水用于取暖或热水供给中。

作为这种热泵式热水供给装置，有在热水储存罐的上部配置热泵单元的装置（例如，参照专利文献1）。

图6表示专利文献1所记载的热泵式热水供给装置。如图6（a）所示，热泵式热水供给装置具有热水储存罐单元200和热泵单元100，在热水储存罐单元200的上部配置有热泵单元100。

热泵单元100中，压缩机110、散热器120、膨胀装置（未图示）、蒸发器（空气热交换器）130利用内部流过制冷剂的制冷剂配管环状地连接形成制冷剂回路。散热器120在流过制冷剂回路制冷剂与流过流体回路230的流体之间进行热交换。

在热水储存罐单元200的内部配置有：热水储存罐210、流体回路230的一部分、循环泵220。流体回路230通过将散热器120、热水储存罐210、循环泵220利用内部流过水等热介质的流体配管环状地连接而形成。

另外，如图6（b）所示，热泵单元100的蒸发器130的横向宽度以比热水储存罐单元200的横向宽度仅短设置压缩机110的横向宽度程度的方式配置。

在对热水储存罐210进行热水储存的蓄热运转的情况下，储存于热水储存罐210的温度较低的流体（水）利用循环泵220经由流体回路230从热水储存罐210输送至热泵单元100。由热泵单元100的散热器120加热而成高温的热介质（热水）经由流体回路230从热泵单元100流出，然后，流入至热水储存罐单元200，并从与热水储存罐210的上部连接的流体回路230储存。

在具有热水供给的要求的情况下，热水储存罐210的上部的高温流体从热水储存罐210经由配管（未图示）流出并输送至热水供给终端。

这样，通过使用热水储存罐210，利用热泵单元100生成高温的流体并蓄热于热水储存罐210，在产生热水供给需求的情况下，可以利用存储于热水储存罐210的高温的热介质。

现有技术文献

专利文献1：（日本）特开2011－122752号公报

发明所要解决的课题

但是，在上述现有的结构中，热泵单元100配置于热水储存罐单元200的上部，另外，连接热泵单元100和热水储存罐单元200的流体配管配置于热水储存罐210的上部。

因此，特别是由于包含低温的蒸发器130的热泵单元100和高温的热水储存罐210上部之间的热阻（热传递率的反数）变小，从而易于从成为高温的热水储存罐210向热泵单元100一方产生热移动，其结果，具有来自热水储存罐210的散热量增大而能量效率降低的课题。

发明内容

本发明是为了解决上述现有的课题而进行的，其目的在于，提供一种热泵式热水供给装置，其通过恰当地进行热泵单元与热水储存罐单元之间的绝热，降低来自热水储存罐的散热损失，而节能性优异。

用于解决课题的方案

为了解决所述现有的课题，本发明提供一种热泵式热水供给装置，其特征在于，包括：制冷剂回路，其利用配管将压缩机、散热器、膨胀装置和蒸发器环状地连接，且制冷剂在所述制冷剂回路内部循环；热泵单元，其至少配置有所述制冷剂回路中的蒸发器；热水储存罐单元，其具有储存由所述散热器生成的热水的热水储存罐，所述热泵单元设置于所述热水储存罐单元的上方，并且所述热水储存罐与所述热泵单元之间的热阻R1比所述热水储存罐与所述热水储存罐单元的侧面之间的热阻R2大。

由此，通过更恰当地进行加热成高温的热水储存罐单元的上部和热泵单元之间的绝热，能够降低来自热水储存罐的散热量。

发明效果

根据本发明，能够提供降低来自蓄热的热水储存罐的散热量的、能量效率高的热泵式热水供给装置。

附图说明

图1是本发明实施方式1的热泵式热水供给装置的概略结构图；

图2是该热泵式热水供给装置的热阻比与外部空气温度的关系图；

图3（a）是以横向配置该热泵式热水供给装置的蒸发器时的俯视图，（b）是在对角线上配置该热泵式热水供给装置的蒸发器时的俯视图，（c）是以直径方向配置该热泵式热水供给装置的蒸发器时的俯视图；

图4是表示该热泵式热水供给装置的绝热材结构的俯视图；

图5是本发明实施方式2的热泵式热水供给装置的概略结构图；

图6（a）是表示现有的热泵式热水供给装置的概略结构的侧视图，

（b）是表示该热泵式热水供给装置的概略结构的俯视图。

符号说明

1热泵单元

2制冷剂回路

4热水储存罐单元

5分隔部

1A热泵式热水供给装置

21压缩机

22散热器

23膨胀阀（膨胀装置）

24蒸发器

24a蒸发部

24b冷却部

41热水储存罐

具体实施方式

本发明的第一方面为热泵式热水供给装置，其特征在于，包括：制冷剂回路，其利用配管将压缩机、散热器、膨胀装置、蒸发器环状地连接，且制冷剂在上述制冷剂回路内部循环；热泵单元，其至少配置有上述制冷剂回路中的蒸发器；热水储存罐单元，其具有储存由上述散热器生成的热水的热水储存罐，上述热泵单元设置于上述热水储存罐单元的上方，并且上述热水储存罐与上述热泵单元之间的热阻（热传递率的反数）R1比上述热水储存罐与上述热水储存罐单元的侧面之间的热阻R2大。

由此，热水储存罐的上部与热泵单元之间的热阻R1比热水储存罐与热水储存罐单元的侧面之间的热阻R2大。因此，特别是能够恰当地进行成高温的热水储存罐单元上部与搭载有成低温的蒸发器的热泵单元之间的绝热，能够降低来自热水储存罐的散热量，因此，通过热水储存罐与热泵单元之间的最小限度的绝热强化，可以提高能量效率。

本发明的第二方面的特征在于，在上述第一方面的发明中，上述热阻R1为上述热阻R2的1.1～2.8倍。

由此，在外部空气温度变化的一年中，能够在热水储存罐和热水储存罐单元外部之间实现热流速的均一化。因此，即使在一年中外部空气温度变化的情况下，也可以降低来自热水储存罐的散热，提高整年的能量效率。

本发明的第三方面的特征在于，在上述第一方面的发明或上述第二方面的发明中，上述蒸发器在水平方向上设置在上述热泵单元的中央。

由此，在蒸发器中，空气和在蒸发器内循环的制冷剂进行热交换的面积增加。因此，能够增大蒸发器的吸热量，并增大散热器的加热能力。

本发明的第四方面的特征在于，在上述第一方面～上述第三方面的发明中，上述热泵单元还具有冷却上述制冷剂的冷却部，上述冷却部配置于上述蒸发器的下方。

由此，利用膨胀装置减压前的温度较高的制冷剂向蒸发器下方的冷却部流入。因此，蒸发器的下部被从由温度较高的制冷剂加温的冷却部传递的热进行加热。即，利用冷却部，热水储存罐与蒸发器下部的温度差降低，因此，从热水储存罐向蒸发器的热移动量减少，且来自热水储存罐的散热所致的能量损耗减少。

本发明的第五方面的特征在于，在上述第一方面～上述第四方面的发明中，在水平方向上，上述热水储存罐与上述热泵单元之间的内侧（里侧）的上述热阻R1比外侧的上述热阻R1大。

由此，能够进一步增大热通量较大的区域即高温的热水储存罐与低温的蒸发器之间的区域中的热阻。另外，与整体使用热阻较大的高价材料的情况相比，热阻较大的材料的使用量降低。因此，能够提供以低成本增大热水储存罐与热泵单元之间的热阻，且降低来自热水储存罐的散热量的、能量效率高的热泵式热水供给装置。

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，不是利用该实施方式限定本发明。

（实施方式1）

图1是本发明实施方式1的热泵式热水供给装置的概略结构图。

热泵式热水供给装置1A具备：热泵单元1、流体回路3、热水储存罐单元4、分隔热泵单元1与热水储存罐单元4的分隔部5。分隔部5中，作为第一绝热材，使用例如发泡聚丙烯。

热泵单元1具备使制冷剂循环的制冷剂回路2，作为制冷剂，例如，可以使用：R407C等非共沸混合制冷剂、R410A等伪共沸混合制冷剂、R32等以单一制冷剂为代表的HFC系制冷剂或CO2等自然制冷剂。

在热水储存罐单元4的内部配置有热水储存罐41，在热水储存罐41的周围与热水储存罐单元4的外装体7之间配置有第二绝热材6（例如发泡聚丙烯）。

制冷剂回路2通过将压缩机21、散热器（冷凝器）22、膨胀阀或毛细管等膨胀装置23及蒸发器24通过配管依次环状地连接而形成。另外，在蒸发器24与压缩机21之间设有进行气液分离的储液器26。另外，在制冷剂回路2中设有四通阀25。通过四通阀25的切换，进行加热热水储存罐41的蓄热运转和去除蒸发器24中生成的霜的除霜运转。

蒸发器24以在热水储存罐单元4的上方且在水平方向上位于热泵单元1的大致中央部，即热水储存罐41的顶部41a的延长线上的方式配置。

散热器22为制冷剂对水热交换器。散热器22配置有制冷剂回路2的一部分和流体回路3的一部分，在循环于制冷剂回路2中的制冷剂和循环于流体回路3中的水或盐水等热介质之间进行热交换。流体回路3将热泵单元1的散热器22、热水储存罐单元4的热水储存罐41和循环泵31利用配管环状地连接而构成。构成流体回路3的散热器22和循环泵31被收纳于热泵单元1内。

在蒸发器24附近具备有鼓风机27。鼓风机27从空气吸气口32向热泵单元1内吸引空气。从空气吸气口32吸入的空气从空气排气口33排出。

对以上那样构成的热泵式热水供给装置1A中加热热水储存罐41内的水的蓄热运转的动作、作用进行说明。另外，图1中箭头表示蓄热运转时的制冷剂及热水（流体）的流动方向。

当有蓄热运转的要求时，从压缩机21喷出的高压高温气体制冷剂在制冷剂回路2中循环并流入于散热器22中。另外，从热水储存罐41由循环泵31加压输送的热介质供向散热器22。散热器22中，高温高压的气体制冷剂对热介质进行加热而液化冷凝。液化冷凝的高压液制冷剂从散热器22流出。

从散热器22流出的高压液制冷剂在由膨胀装置23减压而膨胀后流入蒸发器24。流入蒸发器24的低压的气液两相制冷剂从空气吸热而蒸发，成为低压的气液两相制冷剂或过热气体制冷剂而从蒸发器24流出。另外，从蒸发器24流出的低压制冷剂通过四通阀25并利用储液器26进行气液分离后，将气体制冷剂吸入于压缩机21。

被散热器22加热的热介质成为热水并从散热器22流出，且流入热水储存罐41。由此，对热水储存罐41进行蓄热。

接着，以下使用具体例对进行蓄热运转时的热泵式热水供给装置1A的各部位的温度进行说明。

将设置有图1所示的热泵式热水供给装置1A的环境温度设为例如20℃。

当进行蓄热运转时，高温水储存于热水储存罐41中，蒸发器24成为低温（冰点下）状态。在此，热水储存罐41的温度（例如55℃）和蒸发器24的温度（例如﹣10℃）的温度差dT1（＝65K）比热水储存罐41的侧面表面与热水储存罐单元4的侧面表面的温度（例如20℃）的温度差dT2（=35K）大大约两倍左右。

在本实施方式中，设定热水储存罐41上部与热泵单元1之间的热阻R1（热传递率的反数）大于热水储存罐41与热水储存罐单元4的侧面（外装体7）之间的热阻R2。在此，例如，当将热阻R1设为热阻R2的大约两倍时，从热水储存罐41向蒸发器24的热通量（平均单位面积的热移动量）q1（=dT1／R1）与从热水储存罐41的侧面表面向热水储存罐单元4的侧面表面的热通量q2（＝dT2／R2）大致相等。

此时，如果将热水储存罐单元4上表面的面积设为A1，面积A1比热水储存罐单元4侧面的面积A2小，因此，高温的热水储存罐41与低温的蒸发器24之间的热移动量Q1（＝q1·A1）比热水储存罐41与热水储存罐单元4侧面之间的热移动量Q2（＝q2·A2）小。因此，因为高温，能够降低来自热通量较大的热水储存罐41上部的散热量，而提高能量效率。

在此，作为分隔部5，使用热传导系数Kl、厚度L1的第一绝热材，作为热水储存罐41与热水储存罐单元4的外装体7之间的第二绝热材6，当使用热传导系数K2、厚度L2的绝热材时，热阻R1及R2分别能够表示为L1／K1、L2／K2。因此，通过适当调节L1、R1、L2、R2，能够将热阻R1及R2设定成期望的值。

作为分隔部5的第一绝热材和第二绝热材6，除了发泡聚丙烯之外，还可以使用发泡聚苯乙烯等发泡树脂或玻璃棉（glass wool）、玻璃纤维等纤维材料或真空绝热材。将这些绝热材作为单体或复合使用，另外，通过在绝热材之间配置形成空气层，可将热阻R1和R2设定成期望的值。

另外，关于热阻R1，也可以调节与作为分隔部5使用的第一绝热材的热阻和与配置于热水储存罐41上部的第二绝热材6的热阻，在热泵单元1的内部，在蒸发器24的下方还配置绝热材的情况下，也可以调节该绝热材的热阻。

另外，如果将热水储存罐41上方的热阻R1设定为过分大于热水储存罐41的侧方的热阻R2，则蓄热于热水储存罐41的热量向热阻较低的热水储存罐41的侧方进行传热、散热，由此，不能有效地降低作为热水储存罐单元4整体的散热量。因此，有必要恰当地调整热水储存罐41上方的热阻R1与热水储存罐41侧方的热阻R2的关系，使热水储存罐41周围的热通量均一化。

进而，设置热泵式热水供给装置1A的位置的外部空气温度或环境温度及热水储存罐41的热水储存温度在一年中发生变化，因此，为了适应一年中的温度变化，有必要设定热阻R1与热阻R2的关系来使热水储存罐41周围的热通量均一化。以下对该方法进行说明。

设置热泵式热水供给装置1A的位置的外部空气温度或环境温度及热水储存罐41的热水储存温度在一年中发生变化，因此，温度差dT1和dT2也发生变化。在此，当热通量q1＝q2时，在外部空气温度发生变化的情况下，dT1／dT2＝R1／R2也发生变化。

在此，当将设置热泵式热水供给装置1A的室温依据欧州规格EN16147设为20℃、将在散热器22中加热并存储于热水储存罐41的热水温度假定为使用HFC制冷剂加热热介质的情况和使用CO2制冷剂加热热介质的情况时的50℃～90℃、将蒸发器24的温度与外部空气温度的差△T设为5K～15K时，热阻比R1／R2与外部空气温度的关系如图2所示。

在热通量q1＝q2的情况下，若假定寒冷地的极低温的外部空气温度的外部空气温度为﹣20℃～20℃的范围，则R1／R2＝dT1／dT2相对于外部空气温度的变化处于1.1～2.8的范围。

即，R1／R2＝1.1～2.8时，从热水储存罐41到蒸发器24的热通量q1与从热水储存罐41到热水储存罐单元4侧面的热通量q2相等，热水储存罐41周围的热通量被均一化。

因此，R1／R2＝1.1～2.8时，在外部空气温度变化的一年中，能够实现热通量的均一化，因此，即使在一年中外部空气温度发生变化的情况下，也能够降低来自热水储存罐41上部的散热量。

另外，将蒸发器24配置于热水储存罐单元4的上方且在水平方向上的热水储存罐单元4的大致中央部。由此，在将热水储存罐单元4形成长方形状的情况下，如图3（a）、（b）所示，可以以成为热水储存罐单元4的横向宽度或对角线的长度的方式形成蒸发器24，在将热水储存罐单元4形成圆柱形状的情况下，如图3（c）所示，可以以成为直径长度的方式形成蒸发器24。因此，可以增大空气与在蒸发器24中循环的制冷剂进行热交换的面积。其结果，可以增大蒸发器24的吸热量，来增大散热器22的加热能力。

另外，如图4所示，分隔部5的热阻R1可以设为与热泵单元1及热水储存罐单元4的侧面侧即外侧相比内侧的热阻大的结构。更具体而言，分隔部5，设定将蒸发器24下方的区域S1即设置有蒸发器24的区域S1的热阻大于其它区域S2即未设置蒸发器24的区域S2的热阻。由此，能够将成为高温的热水储存罐41的顶部41a和低温的蒸发器24所处的区域S1设为热阻大的区域S1，将区域S1的周围设为热阻小的区域S2。

由此，与将热阻大的材料整体用于分隔部5的情况相比，能够降低热阻大的材料的使用量，并能够以低成本降低来自热水储存罐41的散热量。

如上，在本实施方式中，具备分隔热泵单元1与热水储存罐单元4的分隔部5，且将热水储存罐41的上部与热泵单元1之间的热阻R1设为大于热水储存罐41与热水储存罐单元4的侧面之间的热阻R2。由此，产生以下的作用。

即，通过将散热量大的热水储存罐41上方的热阻R1设定为大于热水储存罐41侧面的热阻R2，实现热水储存罐41周围的热通量的均一化，能够只通过热水储存罐41上部的绝热强化来降低散热损失，提高能量效率。

另外，通过将热阻R1设为热阻R2的1.1～2.8倍，在外部空气温度变化的一年中，能够使热水储存罐41周围的热通量均一化，即使在外部空气温度发生变化的情况下，也可以降低来自热水储存罐41的散热量，提高一年中的能量效率。

另外，将蒸发器24配置于热水储存罐单元4的上方且在水平方向上的热水储存罐单元4的大致中央部。由此，能够增大空气与在蒸发器24中循环的制冷剂进行热交换的面积，其结果，能够增大蒸发器24的吸热量，并增大散热器22的加热能力。

另外，通过将分隔部5的热阻R1设为中央部比分隔部5的周边部大的方式，将热阻大的区域S1限定于高温的热水储存罐41与低温的蒸发器24之间的区域。因此，相比于将热阻大的材料整体用于分隔部5的情况，由于降低热阻大的材料的使用量，因此能够以更低成本降低来自热水储存罐41的散热量。

另外，本实施方式中，使空气从热泵单元1上部的空气吸气口32流入，但也可以从热泵单元1的侧面流入。另外，在本实施方式中，在热泵单元1内收纳有制冷剂回路2，该制冷剂回路2通过将压缩机21、散热器（冷凝器）22、膨胀阀和毛细管等膨胀装置23及蒸发器24利用配管依次环状地连接而形成。取而代之，散热器（冷凝器）22也可以将制冷剂管卷绕于热水储存罐41的外周而形成，另外，即使散热器（冷凝器）22内设于热水储存罐41中，而未收纳于热泵单元1内，也可发挥本发明的效果。因此，散热器（冷凝器）22并非必须收纳于热泵单元1内。

（实施方式2）

图5是本发明实施方式2的热泵式热水供给装置的概略结构图。本实施方式中，对与实施方式1相同功能的部件标注相同的符号，并省略其详细的说明。

本实施方式的热泵式热水供给装置1A将热泵单元1的蒸发器24设为翅片管式热交换器，蒸发器24具备蒸发部24a和冷却制冷剂的冷却部24b。在此，冷却部24b配置于蒸发器24的下方。

对以上这样构成的热泵式热水供给装置1A的动作、作用进行说明。

当有蓄热运转的要求时，从压缩机21排出的高压高温气体制冷剂在制冷剂回路2中循环并流入散热器22，制冷剂进行散热。液化冷凝的高压液制冷剂从散热器22流出并流入冷却部24b中。在冷却部24b中与空气进行热交换而被冷却的制冷剂从冷却部24b流出并通过膨胀装置23减压膨胀后，流入蒸发部24a，通过与空气进行热交换而蒸发。另外，从蒸发器24流出的低压制冷剂通过四通阀25在储液器26中进行气液分离后，气相制冷剂被吸入压缩机21进行压缩，并再次流入散热器22中。

在此，在膨胀装置23减压前的制冷剂的温度与外部空气的温度相比较高，该制冷剂流入配置于蒸发器24下方的冷却部24b。

其结果，蒸发器24的下部通过从散热器22流出的温度较高的制冷剂加温，制冷剂在冷却部24b向空气散热而被冷却。

由此，蒸发器24下部的温度上升，高温的热水储存罐41的上部与蒸发器24中特别是成为低温的蒸发部24a的温度差减少。另外，利用冷却部24b能够将制冷剂设为过冷却状态，因此，能够增大蒸发器24的焓差。

因此，从热水储存罐41到蒸发器24的热移动量减少，因此，能够降低来自热水储存罐41的散热损失，并且能够最大限度地利用蒸发器24来提高能量效率。

产业上的可利用性

本发明尤其适用于利用热泵单元加热流体并将该流体用于取暖或热水供给的热泵式热水供给装置中。

Claims (3)

1.一种热泵式热水供给装置，其特征在于，包括：

制冷剂回路，其利用配管将压缩机、散热器、膨胀装置和蒸发器环状地连接，且制冷剂在所述制冷剂回路内部循环；

热泵单元，其至少配置有所述制冷剂回路中的蒸发器；和

热水储存罐单元，其具有储存由所述散热器生成的热水的热水储存罐，其中，

所述热泵单元设置于所述热水储存罐单元的上方，并且，

所述热泵式热水供给装置具有分隔所述热泵单元与所述热水储存罐单元的分隔部，

所述热水储存罐与所述热泵单元之间的热阻R1比所述热水储存罐与所述热水储存罐单元的侧面之间的热阻R2大，

所述分隔部中，所述蒸发器的下方的第一区域的热阻大于没有设置所述蒸发器的第二区域的热阻，

所述热阻R1为所述热阻R2的1.1～2.8倍，

所述蒸发器在水平方向上设置在所述热泵单元的中央。

2.如权利要求1所述的热泵式热水供给装置，其特征在于：

所述热泵单元还具有冷却所述制冷剂的冷却部，

所述冷却部配置于所述蒸发器的下方。

3.如权利要求1或2所述的热泵式热水供给装置，其特征在于：

在水平方向上，所述热水储存罐与所述热泵单元之间的内侧的所述热阻R1比外侧的所述热阻R1大。