CN103900249A - 即热式空气能热泵热水器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种即热式空气能热泵热水器及其控制方法，所述热水器包括第一热泵循环回路、第二热泵循环回路、水路管路件模块、电加热模块和控制模块；两热泵循环回路中各设置有压缩机和冷凝器；水路管路件模块包括依次连通的进水管路、热泵加热管路、出水管路；在上述连通的管路中设有水流量调节阀；电加热模块设置于出水管路上；两热泵循环回路中的冷凝器和热泵加热管路集成于一板式换热器或套管式换热器中；控制模块对两压缩机、第二压缩机、电加热模块、水流量调节阀的工作状态进行控制。本发明的热水器不需要水箱，即开即用并保证恒温出水，结构简单，提高热泵机组运行的稳定性和可靠性。

Description

即热式空气能热泵热水器及其控制方法

技术领域

本发明涉及热泵热水器领域，尤其涉及一种即热式空气能热泵热水器及其控制方法。

背景技术

传统的空气能热泵热水器一般由两部分组成，一是主机部分，另外是水箱部分；对于家用型水箱来说，1、容量一般在150-320L，水箱体积庞大，安装时需占据很大一部分的建筑面积，即使有的水箱使用支架安装于墙外，由于水箱本身加水的重量，此类安装方式是相当危险的。2、水箱内胆本身所采用的材料及工艺，不管是不锈钢内胆还是搪瓷内胆，由于制造工艺的缺陷，水箱漏水是难以避免的；3、水箱内部的换热器一般采用铜管或者不锈钢管，在水质较差地区，换热管会被腐蚀并穿孔，导致冷媒泄漏，一旦发生泄漏，对于机组来说将是致命性的；4、主机与水箱之间需要连接管相连，这样很难避免安装时人为产生的冷媒泄漏现象；5、由于储水式热泵的特性，需将水温升至较高温度，并且所需时间较长，不能满足即时用水要求，并且到用水后期，水温波动较大，影响使用的舒适性；另外，冷凝温度的高低决定机组的能耗，传统带水箱的机组长期在高冷凝温度和高冷凝压力下运行，对压缩机的寿命将是一个很大的考验；6、采用储水式的水箱，用水时一般都需要混水，这样会出现几个问题，1）水箱里面的热水使用率不高；2）水箱在保温过程中，水温不可避免的出现下降，增加能耗；3）用户家装用水阀时，必定需要安装混水阀，增加材料成本。

发明内容

针对上述技术存在的缺陷和不足，本发明提出一种即开即用式恒温空气能热泵热水器，从而克服以上技术缺陷，大大提高用水的舒适度和机组的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种即热式空气能热泵热水器，包括第一热泵循环回路、第二热泵循环回路、水路管路件模块、电加热模块和控制模块；所述第一热泵循环回路中具有第一压缩机和第一冷凝器；所述第二热泵循环回路中具有第二压缩机和第二冷凝器；所述水路管路件模块包括依次连通的进水管路、热泵加热管路、出水管路；在上述连通的管路中设有水流量调节阀；所述电加热模块设置于所述出水管路上；所述第一冷凝器、第二冷凝器和所述热泵加热管路集成于一板式换热器或套管式换热器中；所述热泵加热管路中的水与所述第一冷凝器和/或第二冷凝器中的冷媒进行热交换；所述控制模块与所述第一压缩机、第二压缩机、电加热模块、水流量调节阀连接，用于根据设定温度、进水温度、环境温度和出水温度进行综合判定，控制所述两台压缩机、电加热模块和水流量调节阀的工作状态。

其中，所述第一热泵循环回路和第二热泵循环回路中还各连接有卸压支路，所述卸压支路包括依次连接的卸压冷凝器和卸压节流装置，所述卸压冷凝器的进口通过一电磁阀连接至所述第一/第二压缩机的排气口，所述卸压节流装置的出口连接所述第一/第二热泵循环回路的蒸发器进口，所述电磁阀受控于所述控制模块，用于截止或导通所述卸压支路。

其中，所述出水管路上还设有一电动混水阀，所述进水管路上设有一旁通管路连接至所述电动混水阀，所述电动混水阀受控于所述控制模块。

其中，所述第一热泵循环回路和/或第二热泵循环回路中还连接有除霜支路，所述除霜支路包括除霜节流装置，所述除霜节流装置的进口通过一电磁阀连接所述第一/第二压缩机的排气口，除霜节流装置出口连接所述第一/第二热泵循环回路的蒸发器进口，所述电磁阀受控于所述控制模块，用于截止或导通所述除霜支路。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种如上所述即热式空气能热泵热水器的控制方法，包括：

检测进水温度和环境温度，进行综合判定，确定需要开启的压缩机并启动相应的压缩机工作；

检测压缩机开启后的出水温度，判断是否达到设定温度，若未达到设定温度，则根据进出水温差及流量判断所需要的电加热功率，控制电加热模块输出相应的电加热功率；

当压缩机和电加热模块均为全功率输出且出水温度还未达到设定温度时，控制水流量调节阀调节水流量，使出水温度保持在设定温度。

其中，所述第一热泵循环回路和第二热泵循环回路中还各连接有卸压支路，所述卸压支路中设置有电磁阀，所述方法还包括：

在正确选择压缩机组合后，若检测到出水温度高于设定温度，控制电磁阀开启卸压支路，使压缩机的排气依次经一卸压冷凝器和一卸压节流装置后进入蒸发器；检测出水温度，当出水温度低于设定温度时，控制电加热模块输出所需要的电加热功率以保持出水温度的恒定。

其中，所述出水管路上还设有一电动混水阀，所述进水管路上设有一旁通管路连接至所述电动混水阀，所述方法还包括：

在正确选择压缩机组合后，若检测到出水温度高于设定温度，控制电动混水阀开启旁通管路，使进水管路的水经旁通管路进入出水管路。

其中，所述第一热泵循环回路和/或第二热泵循环回路中还连接有除霜支路，所述除霜支路中设置有电磁阀，所述方法还包括：

在第一/第二热泵循环回路中蒸发器上结霜时，控制电磁阀开启除霜支路，使压缩机的排气经一除霜节流装置节流后进入蒸发器并对蒸发器除霜。

本发明的有益效果是：相对于现有的热泵热水器，采用本发明方案的优点在于：1、采用无水箱式设计，节省安装空间，安装方便和使用安全；2、杜绝水箱发生漏水的现象；3、避免水箱里的盘管被腐蚀穿孔，引起机组报废的风险；4、由于减少了使用连接管的环节，极大的降低了冷媒泄漏的机率；5、本方案所设计的机组，可以做到即开即用，省掉等待用水的时间，保证恒温出水，提高用水的舒适性，并且可以保证用水的持续性；机组在此用水情况下，能效更高，更节能，有利于热泵机组安全稳定的运行，从而保障机组的使用寿命；6、由于采用无水箱设计，不会出现热水使用率低的问题，更不会出现由于保温效果不佳，引起能源浪费的问题，另外可以降低用户阀类的使用成本。另外，在该热水器中，热泵部分和电加热部分为独立控制，其中一个出现故障时，只要不是公共信号故障，均可以单独运行，从而满足机组在出现部分故障的情况下的用水需求。热泵部分采用了双压缩机构成两独立的热泵循环系统，在使用时，根据需求进行不同的压缩机组合，或单台运行或同时运行，进水与不同的冷凝器组合进行换热，满足温度需求，尽可能不需要电加热模块满负荷工作，体现节能效果，并且可以解决在低温环境低温进水情况下的使用。当一台压缩机停机或者发生故障时，另外一台可以继续使用，从而保证用水要求。

附图说明

图1是本发明第一实施例的结构示意图；

图2是本发明第一实施例中电加热模块的结构示意图；

图3是本发明第二实施例的结构示意图。

标号说明：

1、第一压缩机；2、电磁阀；3、换热器；4、电动混水阀；5、水流量计；6、水流量调节阀；7、电加热模块；71、发热体组件出水管；72、发热体组件；73、温控器；74、箱体；75、温控器；76、端子台；77、可控硅组件；78、发热体组件进水管；8、水流开关；9、气液分离器；10、过滤器；11、膨胀阀；12、电磁阀；13、除霜毛细管；14、电机；15、风叶；16、第一卸压毛细管；17、第二卸压毛细管；18、毛细管；19、过滤器；20、第二蒸发器；21、第二卸压冷凝器；22、第一蒸发器；23、第一卸压冷凝器；24、第二压缩机；25、电磁阀；26、电磁阀；27、电磁阀。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本实施例中，第一压缩机1、换热器3、膨胀阀11、第一蒸发器22构成第一热泵循环回路的主体，作为辅助部件，膨胀阀11之前还设有过滤器10以过滤冷媒中的杂质，防止堵塞膨胀阀11，另外在第一压缩机1吸气口之前还设有独立的气液分离器9，防止压缩机吸入液态冷媒产生“液击”现象。第二压缩机24、换热器3、毛细管18、第二蒸发器20构成第二热泵循环回路的主体，同样地，为防止毛细管18堵塞，在毛细管18之前还设有过滤器19，该第二压缩机24本身带有气液分离部分，因此，第二热泵循环回路中未再额外设置单独的气液分离器。

正常工作时，冷媒的流动通路为：压缩机（对冷媒进行压缩）→冷凝器（冷媒放热加热外界流体）→节流装置（膨胀阀或毛细管，对冷媒降温降压）→蒸发器（冷媒从外界流体吸热）→压缩机。

对于第一热泵循环回路和第二热泵循环回路，其蒸发器侧的冷媒与外界空气进行热交换，与第一、第二蒸发器22、20相对地设置有电机14和风叶15，由电机14带动风叶15旋转而使空气强制对流穿过蒸发器与冷媒热交换。冷凝器侧的冷媒与水进行热交换，将冷水加热后排出供使用。

具体地，水路管路件模块包括依次连通的进水管路、热泵加热管路和出水管路，其中，热泵加热管路位于换热器3中。换热器3为板式换热器或套管式换热器，其内设有两条可互相进行热交换的流体通路，其中一流体通路设置为供水流动的热泵加热管路，另外一流体通路再分割为两个独立的通路分别分配给第一热泵循环回路和第二热泵循环回路作为冷凝器。这样在正常使用时，水由进水管路进入换热器3中，由冷媒加热后再从出水管路中排出供使用（如图1中箭头方向所示）。由于板式换热器和套管式换热器具有结构紧凑、换热效率高的特点，水流量可以满足使用需求，并且通过合理设置热泵循环回路的系统参数，可使水温达到使用需求。

进水管路上设有水流开关8，也可同时作为热水器的总开关，用以启动或关闭热水器。出水管路上还设有水流量计5和水流量调节阀6，用以计量和调节水流量。

出水管路上还设有电加热模块7，参阅图2，电加热模块7包括发热体组件72，分别连接发热体组件72进口和出口的发热体组件进水管78和发热体组件出水管71，分别设置于发热体组件72出口处和壳体上的温控器73、75，设置于发热体组件进水管78处的可控硅组件77，上述各组件置于箱体74内，箱体74上设有端子台76。发热体组件进水管78和发热体组件出水管71串接于出水管路中。

第一压缩机1、第二压缩机24、电加热模块7、水流量调节阀6、电动混水阀4均电连接控制模块由控制模块统一控制。

使用时：控制模块根据检测到的进水温度和环境温度综合判定，确定开启第一压缩机或第二压缩机，或同时开启两压缩机；

检测压缩机开启后的出水温度，判断是否达到设定温度，如果出水温度可以达到设定温度，则不启动电加热模块；若出水温度不能达到设定温度，控制模块根据进出水温差及流量判断所需要的电加热功率，控制可控硅输出所需的电加热功率；

当压缩机和电加热模块均为全功率输出且出水温度还未达到设定温度时，根据检测到的温度判断，控制水流量调节阀调节水流量，保证出水温度保持在设定温度。

以上，通过对两压缩机、电加热模块及水流量调节阀工作状态的控制，可以保证用水的舒适性，提高热泵机组运行的稳定性和可靠性。相对于现有的热泵热水器，采用上述方案的优点在于：1、采用无水箱式设计，节省安装空间，安装方便和使用安全；2、杜绝水箱发生漏水的现象；3、避免水箱里的盘管被腐蚀穿孔，引起机组报废的风险；4、由于减少了使用连接管的环节，极大的降低了冷媒泄漏的机率；5、本方案所设计的机组，可以做到即开即用，省掉等待用水的时间，保证恒温出水，提高用水的舒适性，并且可以保证用水的持久性；机组在此用水情况下，能效更高，更节能，有利于热泵机组安全稳定的运行，从而保障机组的使用寿命；6、由于采用无水箱设计，不会出现热水使用率低的问题，更不会出现由于保温效果不佳，引起能源浪费的问题，另外可以降低用户阀类的使用成本。另外，在该热水器中，热泵部分和电加热部分为独立控制，其中一个出现故障时，只要不是公共信号故障，均可以单独运行，从而满足机组在出现部分故障的情况下的用水需求。热泵部分采用了双压缩机构成两独立的热泵循环系统，在使用时，根据需求进行不同的压缩机组合，或单台运行或同时运行，进水与不同的冷凝器组合进行换热，满足温度需求，尽可能不需要电加热模块满负荷工作，体现节能效果，并且可以解决在低温环境低温进水情况下的使用。当一台压缩机停机或者发生故障时，另外一台可以继续使用，从而保证用水要求。

实际使用时，用户家中可能会出现诸如水流波动较大的情况，如果热水器按上述正常使用时，有可能会出现超温现象，为保证在这些情况下仍能保持出水的恒定，本实施例也采取了相应的应对措施。

在第一热泵循环回路中，第一压缩机1排气口与第一蒸发器22的进口之间设置有由电磁阀26、第一卸压冷凝器23和第一卸压节流毛细管16构成的第一卸压支路，在第一压缩机1排气口与换热器3进口之间设有电磁阀2；正常使用时，电磁阀2处于导通状态，电磁阀26截止，第一压缩机1排气正常进入换热器3对水加热。

同样，在第二热泵循环回路中，第二压缩机24排气口与第二蒸发器20进口之间设置有由电磁阀27、第二卸压冷凝器21和第二卸压节流毛细管17构成的第二卸压支路，在第二压缩机24排气口与换热器3进口之间设有电磁阀25；正常使用时，电磁阀25处于导通状态，电磁阀27截止，第二压缩机24排气正常进入换热器3对水加热。

若在正确选择压缩机组合后，出水温度超出设定温度，则控制电磁阀26（和/或电磁阀27）导通，使第一压缩机1（和/或第二压缩机24）的排气可经第一卸压冷凝器23（和/或第二卸压冷凝器21）与外界空气换热冷凝后，经第一卸压毛细管16（和/或第二卸压毛细管17）后进入第一蒸发器22（和/或第二蒸发器20）。在这个卸压过程中，电磁阀2（和/或电磁阀25）根据需要保持导通或者切换为截止，由于部分甚至全部冷媒都进入卸压支路，这样流经换热器3的冷媒量会减少甚至完全没有，因此水进入换热器3后从热泵循环回路中获取的热量减少，当出水温度低于设定温度时，控制电加热模块7输出所需要的电加热功率，确保出水温度的恒定。

这样通过设计卸压支路，在避免出水温度过高的同时，也有利于减轻压缩机的运行负荷，从而降低机组能耗，符合国家节能减排的要求。

除了设置卸压支路的措施外，本实施例中还在出水管路上设置有电动混水阀4，电动混水阀4为一种三通结构，进水管路上设有一旁通管路连接至该电动混水阀4，这样使得进水管路中的冷水可由旁通管路直接进入出水管路中。当在正确选择压缩机组合后，出水温度超出设定温度时，还可以采用控制电动混水阀4开启旁通管路，使进水管路中的水直接进入出水管路，调节热泵出水和冷水的比例，达到限温的目的。控制电动混水阀与控制卸压支路两种措施均可以达到限温的目的，实际可以单独采取其中一种措施或两种措施同时采用。当机组中设置有该电动混水阀时，在正常使用状态下若检测到所输出的功率能满足更大进水要求时，也可以控制电动混水阀进行旁通混水，提供大水量的应用。

为防止冬季使用时由于室外温度过低，蒸发器上结霜影响热泵使用，在第一热泵循环回路中，第一压缩机1的排气口与第一蒸发器22进口之间连接有由电磁阀12和除霜毛细管13构成的除霜支路。当检测到蒸发器上结霜时，控制电磁阀12开启，使第一压缩机1排气经除霜毛细管13进入第一蒸发器22中，由于第一压缩机1排气未经冷凝过程，其经过节流后仍具有相对较高的温度，而将蒸发器上的霜融掉。除霜支路也可以连接于第二热泵循环回路中或在两热泵循环回路中均设置，具体可通过实验情况验证易结霜的蒸发器而针对性设置。

参阅图3，本发明的第二实施例与上一实施例结构相似，区别仅在于未设置电动混水阀，除了相应少了对电动混水阀的控制外，其他工作过程及原理均与第一实施例相同，此处不再赘述。

上述实施例中，均采用了两个压缩机构成独立的热泵循环，理论上还可以采用更多的压缩机，但增加压缩机需要适应性地增加管路件、换热部件，相应增加了热水器的体积，因此，应该根据需要合理设置。压缩机可以为定频压缩机，也可以为变频压缩机，控制模块则根据不同的压缩机来做相应的控制设计。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种即热式空气能热泵热水器，其特征在于，包括第一热泵循环回路、第二热泵循环回路、水路管路件模块、电加热模块和控制模块；

所述第一热泵循环回路中具有第一压缩机和第一冷凝器；所述第二热泵循环回路中具有第二压缩机和第二冷凝器；

所述水路管路件模块包括依次连通的进水管路、热泵加热管路、出水管路；在上述连通的管路中设有水流量调节阀；

所述电加热模块设置于所述出水管路上；

所述第一冷凝器、第二冷凝器和所述热泵加热管路集成于一板式换热器或套管式换热器中；所述热泵加热管路中的水与所述第一冷凝器和/或第二冷凝器中的冷媒进行热交换；

所述控制模块与所述第一压缩机、第二压缩机、电加热模块、水流量调节阀连接，用于根据设定温度、进水温度、环境温度和出水温度进行综合判定，控制所述两台压缩机、电加热模块和水流量调节阀的工作状态。

2.根据权利要求1所述的即热式空气能热泵热水器，其特征在于：所述第一热泵循环回路和第二热泵循环回路中还各连接有卸压支路，所述卸压支路包括依次连接的卸压冷凝器和卸压节流装置，所述卸压冷凝器的进口通过一电磁阀连接至所述第一/第二压缩机的排气口，所述卸压节流装置的出口连接所述第一/第二热泵循环回路的蒸发器进口，所述电磁阀受控于所述控制模块，用于截止或导通所述卸压支路。

3.根据权利要求1所述的即热式空气能热泵热水器，其特征在于：所述出水管路上还设有一电动混水阀，所述进水管路上设有一旁通管路连接至所述电动混水阀，所述电动混水阀受控于所述控制模块。

4.根据权利要求1-3任一项所述的即热式空气能热泵热水器，其特征在于：所述第一热泵循环回路和/或第二热泵循环回路中还连接有除霜支路，所述除霜支路包括除霜节流装置，所述除霜节流装置的进口通过一电磁阀连接所述第一/第二压缩机的排气口，除霜节流装置出口连接所述第一/第二热泵循环回路的蒸发器进口，所述电磁阀受控于所述控制模块，用于截止或导通所述除霜支路。

5.一种如权利要求1所述即热式空气能热泵热水器的控制方法，其特征在于：包括：

检测进水温度和环境温度，进行综合判定，确定需要开启的压缩机并启动相应的压缩机工作；

检测压缩机开启后的出水温度，判断是否达到设定温度，若未达到设定温度，则根据进出水温差及流量判断所需要的电加热功率，控制电加热模块输出相应的电加热功率；

当压缩机和电加热模块均为全功率输出且出水温度还未达到设定温度时，控制水流量调节阀调节水流量，使出水温度保持在设定温度。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述第一热泵循环回路和第二热泵循环回路中还各连接有卸压支路，所述卸压支路中设置有电磁阀，所述方法还包括：

在正确选择压缩机组合后，若检测到出水温度高于设定温度，控制电磁阀开启卸压支路，使压缩机的排气依次经一卸压冷凝器和一卸压节流装置后进入蒸发器；检测出水温度，当出水温度低于设定温度时，控制电加热模块输出所需要的电加热功率以保持出水温度的恒定。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述出水管路上还设有一电动混水阀，所述进水管路上设有一旁通管路连接至所述电动混水阀，所述方法还包括：

在正确选择压缩机组合后，若检测到出水温度高于设定温度，控制电动电动混水阀开启旁通管路，使进水管路的水经旁通管路进入出水管路。

8.根据权利要求4-6任一项所述的控制方法，其特征在于：所述第一热泵循环回路和/或第二热泵循环回路中还连接有除霜支路，所述除霜支路中设置有电磁阀，所述方法还包括：

在第一/第二热泵循环回路中蒸发器上结霜时，控制电磁阀开启除霜支路，使压缩机的排气经一除霜节流装置节流后进入蒸发器并对蒸发器除霜。

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