CN104697165B - 热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热水器，包括：跨临界二氧化碳热泵系统，跨临界二氧化碳热泵系统包括依次相连构成回路的气冷器、压缩机、回热器、节流阀和蒸发器，回路内具有循环流动的二氧化碳；水箱，水箱设有自来水进口、出水口和进水口，出水口与进水口分别与回热器的两端相连构成热水加热回路，水箱内形成有高温区、中温区和低温区；供暖换热器，供暖换热器设在中温区与高温区中的一个内；供暖装置，供暖装置的两端分别与供暖换热器的两端相连构成供暖回路；出水装置，出水装置与高温区相连。根据本发明实施例的热水器，供暖和供热水分别从水箱的不同部位换热和取水，可以同时满足对热水的不同温度需求，简化了整个结构、系统运行控制更简单。

Description

热水器

技术领域

本发明涉及热水设备技术领域，更具体地，涉及一种热水器。

背景技术

随着人们生活水平的提高，热水器越来越成为家庭中不可或缺的一种家用电器，同时随着人们对热水需求的增加，热水器的能耗在家庭能耗中的占比也是越来越大。目前市场上的热水器还是以传统的电热水器、燃气热水器和太阳能热水器为主。

而这些热水器都或多或少具有一定的缺点，如燃气热水器会产生大量的废气，如二氧化碳和一氧化碳，容易发生中毒事故。电热水器能耗比较严重，触电事故也时有发生，具有一定的危险性。太阳能热水器受天气影响较大，在使用区域和时间上也受到很大限制。

市场上也出现了热泵热水器，但这些热泵热水器的工质一般为R22、R410A等传统冷媒，不仅会破坏臭氧层而且还会带来温室效益，并且这些常规冷媒要生产60℃以上的热水会使压缩机排气压力过高、热泵能效比(EER)过低。因此这些常规冷媒的热泵热水器产品只能产生60度以下的热水，水温受到限制。

另外，家庭中除了对热水的需求外，对热水供暖的需求也逐年增大，尤其是在一些没有集中供暖的地区。采用热水供暖的常规冷媒热泵热水器产品由于只能产生60度以下的热水，用于供暖也受到一定的限制。因此，热水器的结构有待改进。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

绿色环保天然工质的二氧化碳以其无毒、对臭氧层无影响、不产生温室效应和良好的热力学性质等优点，再度受到了人们的重视。此外，跨临界循环系统所具有的较高排气温度和气体冷却器较大的温度滑移，使其在热泵热水器应用领域具有其它工质无法比拟的优势。

同时，二氧化碳热泵具有较强的制取热水能力，可以轻松制取90度的高温热水，这非常有利于热水供暖。

由于超临界二氧化碳放热特点，最适合用于直热式热泵，即跨临界二氧化碳热泵系统不同于常规冷媒的循环加热方式，而是出水温度直接达到设定的温度，加热水效果好，可以用于供热水和供暖的系统中。

本申请采用天然存在的二氧化碳为冷媒，开发了一种可以供暖和供热水的供暖热泵热水器系统。在开发的过程中，充分考虑到供暖和对热水的不同温度需求，充分利用跨临界二氧化碳热泵直热运行和水箱内温度自然分层的特点，对供暖循环和热水循环分别提供不同温度的热水。

具体实施方法就是对供热水温度需求较高，热水出水从水箱内水温最高的高温区供水；而供暖所需的热水对温度要求相对较低，可以灵活地将供暖换热器放置在高温区或者中温区，从而与水箱中的热水换热。

中国专利CN101576283公开了一种跨临界二氧化碳热泵供暖热水器。其中，跨临界二氧化碳热泵回路上设有两个相互串联的气冷器，一个气冷器用于供暖系统的换热，另一个气冷器用于热水供应系统的换热。在采暖和热水使用步调不一致的情况下，系统的运行控制会非常复杂。同时，供暖系统的水在回热器处需要不断地进行换热，有一定的热量损失。

本申请的发明人经过研究得出了一种可以有效减小系统运行控制的复杂度，同时减小换热损失的一种热水器。首先将气冷器减少为一个，在运行控制中不用再兼顾两个回热器的运行状况问题，有效减小了系统运行控制的复杂度，保证了系统运行的稳定性。其次，供暖回路所用的热水通过利用供暖换热器与水箱中的热水换热获得，与相关技术中气冷器内的换热相比，该种换热效果更好，供暖换热器的结构也比气冷器的结构更简单，控制更方便，热水器制造成本更低。

另外，考虑到供暖回路与供热水回路使用了同一个水箱，两个回路可能会出现相互干涉的问题。为解决该问题，本申请进一步采用了将供暖回路的供暖换热器与供热水回路的取水点设置在从水箱的不同部位，即供热水回路从水箱高温区取水，而供暖换热器则放置在中温区，以减小两者之间的相互干涉，同时这种从不同部位取水和换热的操作也满足了这两个回路对于水温的不同需求。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种热水器，所述热水器可以同时满足供热水和供暖对不同温度的需求运行控制更简单，热量损失更小。

根据本发明实施例的热水器,包括：跨临界二氧化碳热泵系统，所述跨临界二氧化碳热泵系统包括依次相连构成回路的气冷器、压缩机、回热器、节流阀和蒸发器，所述回路内具有循环流动的二氧化碳；水箱，所述水箱设有自来水进口、出水口和进水口，所述出水口与所述进水口分别与所述回热器的两端相连构成热水加热回路，所述水箱内形成有高温区、中温区和低温区；供暖换热器，所述供暖换热器设在所述中温区与所述高温区中的一个内；供暖装置，所述供暖装置的两端分别与所述供暖换热器的两端相连构成供暖回路；出水装置，所述出水装置与所述高温区相连。

根据本发明实施例的热水器，充分利用跨临界二氧化碳热泵循环特性和水箱内水温分层的特点，根据供暖和供热水对热水的不同温度需求分别选择从水箱不同部位取水，避免了常规供暖热水系统供水温度难以同时满足的缺点，可以满足对热水的不同温度需求，简化了系统，系统运行控制更简单，热量损失更小。

另外，根据本发明上述实施例的热水器还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述供暖换热器设在所述中温区，所述供暖换热器具有进口和出口，所述进口设在所述低温区，所述出口设在所述中温区。

根据本发明的一个实施例，所述自来水进口处设有进水阀。

根据本发明的一个实施例，热水器还包括第一进水支路，所述第一进水支路的两端分别与所述储水装置和所述进水阀相连。

根据本发明的一个实施例，还包括补水箱和第二进水支路，所述第二进水支路的一端与所述补水箱相连，所述第二进水支路的另一端与所述供暖回路相连，所述第二进水支路上设有截止阀。

根据本发明的一个实施例，所述出水装置为出水阀。

根据本发明的一个实施例，所述出水口与所述回热器之间的热水加热回路上设有热水循环泵。

根据本发明的一个实施例，所述供暖换热器与所述供暖装置之间的供暖回路上设有供暖循环水泵。

根据本发明的一个实施例，所述高温区、中温区和低温区在所述水箱内由上至下依次分布。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的热水器的结构示意图。

附图标记：

热水器100；

压缩机1；气冷器2；回热器3；节流阀4；蒸发器5；风机51；水箱6；自来水进口61；出水口62；进水口63；出水装置7；进水阀8；供暖装置9；供暖循环水泵10；热水循环泵11；第一进水支路12；供暖换热器13；补水箱14；第二进水支路15；截止阀16。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图详细描述根据本发明实施例的热水器100。

参照图1所示，根据本发明实施例的热水器100包括跨临界二氧化碳热泵系统、水箱6、供暖装置9、供暖换热器13和出水装置7。

跨临界二氧化碳热泵系统包括依次相连构成回路的气冷器2、压缩机1、回热器3、节流阀4和蒸发器5。回路内具有循环流动的二氧化碳。水箱6设有自来水进口61、出水口62和进水口63，出水口62与进水口63分别与回热器3的两端相连构成热水加热回路。水箱6内形成有高温区A、中温区B和低温区C。

供暖换热器13设在中温区与高温区中的一个内。供暖装置9的两端分别与供暖换热器13两端相连以构成供暖回路，也即供暖回路的热水是通过供暖换热器13与水箱6的中温区B的热水换热得到，供暖换热器只承担换热作用，而不承担换水功能。这样采暖的热水与水箱中的热水是分割开来的，供暖回路中的水不会与水箱中的水发生混合，保证了供热水的卫生。出水装置7与高温区A相连，使出水装置7可以直接出热水。

根据本发明实施例的热水器100，充分利用跨临界二氧化碳热泵循环特性和水箱6内水温分层的特点，根据供暖和供热水对热水的不同温度需求选择从水箱6的不同部位取水，避免了常规供暖热水系统供水温度难以同时满足的缺点，同时也简化了系统，只需要一个水箱6、一套制热循环系统就可以满足对热水的不同温度需求。同时，该跨临界二氧化碳热泵系统中只有一个气冷器2，不用兼顾相关技术中两个气冷器2的运行状况，控制运行更简单，本发明采用的方法对系统的稳定运行不会产生任何不利影响。

如图1所示，在本发明的一些示例中，供暖换热器13设在中温区B，供暖换热器13具有进口和出口，进口设在低温区C，出口设在中温区B。由此，从出水装置7流出的热水与供暖换热器13换热所用的热水分别取自水箱6的不同部位，两者可以同时取水，相互之间不会干涉，并且可以很好的满足供暖与供热水对于温度的不同需求。

高温区A、中温区B和低温区C在水箱6内由上至下依次分布。这里，高温区A的温度范围为100℃-70℃、中温区B的温度范围为70℃-35℃，低温区C的温度范围为0℃-35℃。

可选地，自来水进口61处设有进水阀8，以控制水箱6进水。可选地，出水装置7为出水阀，以方便控制热水流出。

根据本发明的一些实施例，热水器100还包括第一进水支路12，第一进水支路12的两端分别与出水装置7和进水阀8相连。当进水阀8打开时，冷水可以从第一进水支路12流向出水装置7，并与从高温区A流向出水装置7的热水发生混合，使出水装置7的水温可以得到调节，避免温度过高造成安全隐患。

在本发明的另一些实施例中，供暖换热器13设在高温区A。对于某些对供暖要求较高的情况下，可以采用该种结构：即供暖换热器13与高温区A的热水进行换热的结构。

可选地，热水器100还包括补水箱14和第二进水支路15，第二进水支路15的一端与补水箱14相连，第二进水支路15的另一端与供暖回路相连。补水箱14中的水可以通过第二进水支路15流入到供暖回路中，对供暖回路的用水进行补给，以避免供暖回路出现缺水的情况出现，保证供暖效果。进一步地，第二进水支路15上可以设置截止阀16，截止阀16可以控制第二进水支路15的进水，保证供暖回路内可以进入适量的水。

如图1所示，出水口62与回热器3之间的热水加热回路上可以设置热水循环泵11，热水循环泵11可以提供动力，使水箱6的低温区C的水可以流入到气冷器2内进行加热然后流入到水箱6的高温区A。中温区B与供暖装置9之间的供暖回路上可以设置供暖循环水泵10，以向供暖回路内的水提供动力，使水能够循环流动，供暖效果好。

下面结合图1对根据本发明实施例的热水器100的工作原理进行描述。如图1所示，热水器100包括两大回路：主循环回路和水箱循环回路。主循环回路由跨临界二氧化碳热泵系统构成。具体而言，主循环回路由压缩机1、气冷器2、回热器3、节流阀4和带风机51的蒸发器5组成。水箱循环回路由热水加热回路、供热水回路和供暖回路三个回路组成。其中，热水加热回路由水箱6、热水循环泵11和气冷器2组成。供热水回路由水箱6、出水装置7和管道组成。供暖回路由水箱6、供暖循环水泵10和供暖装置9和供暖换热器13组成，其中水箱6不直接参与供暖回路，而是与供暖换热器13发生作用。

跨临界二氧化碳热泵系统主循环回路构成室外机部分。二氧化碳经压缩机1后被压缩成高温高压的超临界流体，该流体经过气冷器2时与水箱6循环过来的水进行热交换，从而将水加热，经过气冷器2后的二氧化碳再经过回热器3，将从蒸发器5出来的低压二氧化碳加热，提高其过热度，而经过回热器3的高压二氧化碳的温度进一步降低，再经过膨胀阀后，变成低压低温的液体，在蒸发器5内蒸发，吸收室外空气中的热量，并在经过回热器3后被进一步加热，最后回到压缩机1完成一次循环。

在热水加热回路中，热水循环泵11从水箱6的底部低温区C抽水至气冷器2，通过与高温高压的二氧化碳冷媒进行换热将水加热到设定的温度，被加热的热水返回水箱6顶部的高温区A。

对于供热水回路，通过水箱6内自然压力直接从水箱6顶部的高温区A排水到用水位置即出水装置7处。同时，为了调节热水使用温度，进水管路上有第一进水支路12与热水管通过出水装置7，例如出水阀混合热水，使出水装置7的出水水温可以得到调节。

对于供暖回路，在供暖循环水泵10的作用下，供暖换热器13内热交换得到的热水被抽至供暖装置9，如地板供暖换热器，供暖装置9的回水流经水箱6的底部的低温区再次进入到供暖换热器13内进行热交换。

综上所述，根据本发明实施例的热水器100，具有由压缩机1、气冷器2、回热器3、节流阀4和带风机51的蒸发器5组成的跨临二氧化碳热泵系统以及以该系统为基础的热水加热回路、供热水回路和供暖回路，使水箱内可以具有不同温度的水温区，并且供热水和供暖可以分别从水箱6的不同部位取水和换热。例如，供暖从水箱6的中温区B换取热量，经供暖装置9后经过水箱6底部的低温区C返回供暖换热器13；供热水从水箱6的高温区A取水，在高温管路上有出水阀混合自来水和热水，以满足用户对不同水温的需求。

该系统只有一个气冷器2，保证了系统运行的稳定性，控制方面也简单。而且供暖回路中的热水是通过供暖换热器13从水箱6中温区B取热，和供热水回路共用一个水箱6且分别利用了水箱6的不同部位，该系统完全可以满足供暖和供热水的不同需求，并且仅需要一个水箱6和一套制热循环系统即可，结构更简单、系统运行稳定，使用性能好。

根据本发明实施例的热水器100的其他构成以及操作对于本领域的普通技术人员来说是可知的，在此不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种热水器，其特征在于，包括：

跨临界二氧化碳热泵系统，所述跨临界二氧化碳热泵系统包括依次相连构成回路的气冷器、压缩机、回热器、节流阀和蒸发器，所述回路内具有循环流动的二氧化碳；

水箱，所述水箱设有自来水进口、出水口和进水口，所述出水口与所述进水口分别与所述气冷器的两端相连构成热水加热回路，所述水箱内形成有高温区、中温区和低温区；

供暖换热器，所述供暖换热器设在所述中温区与所述高温区中的一个内；

供暖装置，所述供暖装置的两端分别与所述供暖换热器的两端相连构成供暖回路；

出水装置，所述出水装置与所述高温区相连。

2.根据权利要求1所述的热水器，其特征在于，所述供暖换热器设在所述中温区，所述供暖换热器具有进口和出口，所述进口设在所述低温区，所述出口设在所述中温区。

3.根据权利要求1所述的热水器，其特征在于，所述自来水进口处设有进水阀。

4.根据权利要求3所述的热水器，其特征在于，还包括第一进水支路，所述第一进水支路的两端分别与所述出水装置和所述进水阀相连。

5.根据权利要求1所述的热水器，其特征在于，还包括补水箱和第二进水支路，所述第二进水支路的一端与所述补水箱相连，所述第二进水支路的另一端与所述供暖回路相连，所述第二进水支路上设有截止阀。

6.根据权利要求1所述的热水器，其特征在于，所述出水装置为出水阀。

7.根据权利要求1所述的热水器，其特征在于，所述出水口与所述回热器之间的热水加热回路上设有热水循环泵。

8.根据权利要求1所述的热水器，其特征在于，所述供暖换热器与所述供暖装置之间的供暖回路上设有供暖循环水泵。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的热水器，其特征在于，所述高温区、中温区和低温区在所述水箱内由上至下依次分布。