CN106196595A - 二氧化碳热泵热水器及其出水温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化碳热泵热水器以及出水温度控制方法，热水器包括二氧化碳热泵系统、热水供应系统以及控制系统，二氧化碳热泵系统包括依次设置的二氧化碳压缩机、气冷器、电子膨胀阀、蒸发器，热水供应系统包括供水管路，所述的供水管路具有冷水入口、热水出口，压缩机的排气口处设置有压力传感器，热水出口处设置有温度传感器，供水管路上设置有水流量调节装置，压力传感器、温度传感器、电子膨胀阀以及水流量调节装置均与控制系统相信号连接，控制系统能够控制电子膨胀阀以及水流量调节装置工作。通过增设水流量调节装置，使得当压力稳定在设定压力附近且出水温度与设定温度差值较大时，可以利用进行水流量调节装置水流量进行控制水温。

Description

二氧化碳热泵热水器及其出水温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳热泵热水器及其出水温度控制方法。

背景技术

热泵热水器就是利用逆卡诺原理，通过介质，把热量从低温物体传递到高温的水里的设备。热泵装置，可以使介质（冷媒）相变，变成比低温热源更低，从而自发吸收低温热源热量；回到压缩机后的介质，又被压缩成高温（比高温的水还高）高压气体，从而自发放热到高温热源；实现从将低温热源“搬运”热量到高温热源。

由于二氧化碳的特性，可作为一种较为理想的制冷工质，其无毒，不易燃，对环境的副作用小且价格低廉，目前市面上也有很多二氧化碳热泵热水器出现。然而，采用二氧化碳通常效率较低，应用于热泵领域的技术难点较多，效率远远不及氟利昂工质的设备，因此目前在行业内，二氧化碳热泵热水器技术一直是研究的热点与难点，其中一个难点就是出水温度的控制。印染厂、热电厂等企业对水温要求比较严格，常规的只采用通过电子膨胀阀开度控制二氧化碳压缩机排气口压力的方案来调节出水温度的方法，满足不了用户对高出水温度的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的是提供一种能够精确控制出水温度的二氧化碳热泵热水器。本发明的第二目的是提供一种能够控制出水温度的二氧化碳热泵热水器出水温度控制方法。

为了实现上述发明的第一目的，本发明采用如下第一种技术方案：

一种二氧化碳热泵热水器，包括二氧化碳热泵系统、热水供应系统以及控制系统，所述的二氧化碳热泵系统包括依次设置的二氧化碳压缩机、气冷器、过滤器、电子膨胀阀、蒸发器、储液罐，所述的气冷器内部具有气通路和水通路，所述的热水供应系统包括供水管路，所述的供水管路具有冷水入口、水泵、热水出口，所述的冷水入口和热水出口分别与所述的气冷器的水通路的两端相连接，所述的气冷器的气通路的进气口与所述压缩器的排气口相连通、气通路的排气口与电子膨胀阀的入口相连通，所述的供水管路中的水在所述的气冷器中与进入气冷器的气通路内的二氧化碳进行热交换，所述压缩机的排气口处设置有一压力传感器，所述的热水出口处设置有用于检测出水温度的温度传感器，所述的供水管路上设置有水流量调节装置，所述的压力传感器、温度传感器、电子膨胀阀以及水流量调节装置均与所述的控制系统相信号连接，所述的压力传感器、温度传感器能够将其检测到的信息及时反馈给所述的控制系统，所述的控制系统内设置有温差波动范围阀值以及各种设定出水温度下对应的压缩机排气口处的压力阀值，所述的控制系统能够控制所述的电子膨胀阀以及水流量调节装置工作。

上述技术方案中，优选的，所述的水流量调节装置为比例流量阀。

为了实现上述第二发明目的，本发明在第一技术方案的基础上，采用如下第二技术方案：一种二氧化碳热泵热水器的出水温度控制方法，该方法包括如下步骤：

利用所述的温度传感器、压力传感器实时检测所述的热水出口处的实际出水温度以及所述压缩机的排气口处的实际压力并及时反馈给所述的控制系统；

当所述的控制系统接收到的实际出水温度与热水器预先设定的出水温度差值超过所述控制系统内置的温差波动范围、且所述控制系统接收到的排气口处实际压力低于或超过所述控制系统内置的对应此设定出水温度下的压力阀值时，所述的控制系统控制所述的电子膨胀阀工作来调节所述压缩机的排气压力直至所述的温度传感器检测到的实际出水温度与热水器预先设定的温度差值位于所述控制系统内置的温差波动范围内；

当所述的控制系统接收到的实际出水温度与热水器预先设定的出水温度差值超过所述控制系统内置的温差波动范围、且所述控制系统接收到的排气口处实际压力位于所述控制系统内置的对应此设定出水温度下的压力阀值内时，所述的控制系统控制所述的水流量调节装置工作来调节所述的供水管路中的水流量直至所述控制系统接收到的实际出水温度与热水器预先设定的出水温度差值位于所述控制系统内置的温差波动范围内。

本发明与现有技术相比获得如下有益效果：通过增设控制水流量的水流量调节装置，使得当压力稳定在设定压力附近且出水实际温度与设定温度差值超过预设温差波动阀值时，可以利用进行水流量调节装置对供水系统中的水流量进行控制，而当水流量发生变化的时候，出水温度会被影响，从而通过控制水流量大小，实现对热泵热水器出水温度的控制。

附图说明

附图1为本发明的二氧化碳热泵热水器的流程原理图；

附图2为本发明的热水器中的出水温度控制流程图；

其中：1、二氧化碳热泵系统；11、二氧化碳压缩机；12、气冷器；13、过滤器；14、电子膨胀阀；15、风机；16、蒸发器；17、储液罐；18、压力传感器；19、压力传感器；110、截止阀；111、电磁阀；112、二氧化碳旁路；2、热水供应系统；21、供水管路；22、冷水入口；23、水泵；24、热水出口；25比例流量阀；26、温度传感器；3、控制系统。

具体实施方式

为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

如图1所示的二氧化碳热泵热水器，采用二氧化碳为工质，其主要由二氧化碳热泵系统1、热水供应系统2以及控制系统3构成。

二氧化碳热泵系统1包括依次设置的二氧化碳压缩机11、气冷器12、过滤器13、电子膨胀阀14、带有风机15的蒸发器16、储液罐17，二氧化碳热泵系统1构成供制冷工质二氧化碳相变换热的循环系统。

热水供应系统2包括供水管路21，供水管路21具有冷水入口22、水泵23、热水出口24，供水管路21的冷水入口22的下游设置有用于调节水流量的比例流量阀25。

气冷器12即为一个换热器，二氧化碳热泵系统1中从二氧化碳压缩机11出来的高温二氧化碳气体和热水供应系统2从冷水入口11进入的冷水在此进行热量交换。气冷器12的内部具有供二氧化碳经过的气流通通路和供水流通的水通路，冷水入口22和热水出口24分别与气冷器12的水通路的入口端和出口端相连接。二氧化碳压缩机11的排出口与气冷器12的气通路的进气口相连通，气冷器12的气通路的排气口与电子膨胀阀14的入口端相通，过滤器13设置在气冷器12的气通路的排气口与电子膨胀阀14的入口端之间。供水管路21中的水在气冷器12的水通路流动过程中与在气通路中流动的二氧化碳进行热交换。电子膨胀阀14处相并列设置有截止阀110，截止阀110能对流入电子膨胀阀14内部的二氧化碳流量进行调节。电子膨胀阀14的出口端与蒸发器16的入口端相连，蒸发器16的出口端连接至储液罐17的入口端，储液罐17的出口端连接至二氧化碳压缩机11的入口处。另外，从压缩器11的出口处还设置有一条连通到电子膨胀阀与蒸发器连通路径上的二氧化碳旁路112，为了调节二氧化碳旁路112中的二氧化碳流量，在此旁路中还设置有一电磁阀111。

电子膨胀阀14、蒸发器16的风机15、水泵23均与控制系统3相控制连接并由其控制工作。本例中，二氧化碳压缩机11为半封闭往复式二氧化碳压缩机。二氧化碳压缩机11的进气口处设置有用于检测二氧化碳压缩机11进气口处二氧化碳压力的压力传感器18、排气口处设置有用于检测二氧化碳压缩机11排气口处二氧化碳压力的压力传感器19，压力传感器19分别与控制系统3相信号连接，压力传感器19能够将测得的压力参数及时传输给控制系统3。

在热水出口24处设置有用于检测热水出口24处水温的温度传感器26，温度传感器26也与控制系统3相信号连接，温度传感器26能够将测得的温度参数及时传输给控制系统3。控制系统3内设置有温差波动范围阀值以及各种设定出水温度下对应的压缩机排气口处的压力阀值

该热泵热水器的工作流程如下：储液罐17内的二氧化碳气体进入二氧化碳压缩机11，经过二氧化碳压缩机11的压缩之后变为高温高压的二氧化碳气体，高温高压的二氧化碳气体随后进入气冷器12的气通路，与气冷器12内水通路流过的水进行热交换，水吸收热量被加热而后由热水出口24流出，高温高压的二氧化碳气体被冷却从排气口排除，而后经过过滤器13过滤后进入电子膨胀阀14节流降温并部分气化变成湿蒸汽，湿蒸汽进入蒸发器16与空气换热变成气液混合物，经储液罐17回收后再次转变呈低温低压的二氧化碳气体进入二氧化碳压缩机11。其中，可通过比例流量阀25、电子膨胀阀14的开度来调节出水口温度。

如图2所示的出水温度控制图，温度传感器26、压力传感器113实时检测热水出口24处的实际出水温度以及二氧化碳压缩机11的排气口处的实际压力并及时反馈给控制系统。控制系统3通过将接收到的实际出水温度值与热水器预先设定的出水温度进行比对，当外界有扰动导致出水温度发生变换时，即实际出水温度值与热水器预先设定的出水温度二者的差值超过控制系统3内置的温差波动范围时，则首先判断二氧化碳压缩机11的排气口处的实际压力的情况；如果控制系统3接收到的排气口处实际压力低于或超过控制系统3内置的对应此设定出水温度下的压力阀值时，控制系统3控制电子膨胀阀14工作来调节二氧化碳压缩机11的排气压力直至温度传感器26检测到的实际出水温度与热水器预先设定的温度差值位于控制系统3内置的温差波动范围内；如果控制系统3接收到的二氧化碳压缩机11排气口处的实际压力位于控制系统3内置的对应此设定出水温度下的压力阀值内时，控制系统3控制比例流量阀25工作来调节供水管路21中的水流量直至控制系统3接收到的实际出水温度与热水器预先设定的出水温度差值位于控制系统3内置的温差波动范围内。

因此，本例中的温度控制方法中，当实际出水温度与设定出水温度不一致时，首先判断二氧化碳压缩机排气口处的排气压力是否产生波动，如果排气压力未产生波动，只需对供水管路中的水流量进行微调以改变与二氧化碳工质进行热交换的水流量，从而使得实际出水温度与设定出水温度恢复到一致；而当判断二氧化碳压缩机排气口处的排气压力产生了大的波动，机控制系统接收到的二氧化碳压缩机排气口处的实际压力位于控制系统内置的对应此设定出水温度下的压力阀值之外时，首先需对二氧化碳工质的压力进行调节，调节电子膨胀阀以使得二氧化碳压缩机排气压力和内置的设定压力相一致，最终使得实际出水温度与设定出水温度恢复到一致。

本发明在单一的压力控制方案中，加入水流量控制方案，当压力稳定在设定压力附近且出水温度与设定温度不一致时，开始进行水流量控制，如可以使用PID控制器进行控制，计算设定出水温度与实时出水温度的差值，调节比例流量阀的开度，即控制水流量大小，从而实现对热泵出水温度的控制。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种二氧化碳热泵热水器，包括二氧化碳热泵系统、热水供应系统以及控制系统，所述的二氧化碳热泵系统包括依次设置的二氧化碳压缩机、气冷器、过滤器、电子膨胀阀、蒸发器、储液罐，所述的气冷器内部具有气通路和水通路，所述的热水供应系统包括供水管路，所述的供水管路具有冷水入口、水泵、热水出口，所述的冷水入口和热水出口分别与所述的气冷器的水通路的两端相连接，所述的气冷器的气通路的进气口与所述压缩器的排气口相连通、气通路的排气口与电子膨胀阀的入口相连通，所述的供水管路中的水在所述的气冷器中与进入气冷器的气通路内的二氧化碳进行热交换，其特征在于：所述压缩机的排气口处设置有一压力传感器，所述的热水出口处设置有用于检测出水温度的温度传感器，所述的供水管路上设置有水流量调节装置，所述的压力传感器、温度传感器、电子膨胀阀以及水流量调节装置均与所述的控制系统相信号连接，所述的压力传感器、温度传感器能够将其检测到的信息及时反馈给所述的控制系统，所述的控制系统内设置有温差波动范围阀值以及各种设定出水温度下对应的压缩机排气口处的压力阀值，所述的控制系统能够控制所述的电子膨胀阀以及水流量调节装置工作。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵热水器，其特征在于：所述的水流量调节装置为比例流量阀。

3.一种如权利要求1或2中所述的二氧化碳热泵热水器的出水温度控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

利用所述的温度传感器、压力传感器实时检测所述的热水出口处的实际出水温度以及所述压缩机的排气口处的实际压力并及时反馈给所述的控制系统；

当所述的控制系统接收到的实际出水温度与热水器预先设定的出水温度差值超过所述控制系统内置的温差波动范围、且所述控制系统接收到的排气口处实际压力低于或超过所述控制系统内置的对应此设定出水温度下的压力阀值时，所述的控制系统控制所述的电子膨胀阀工作来调节所述压缩机的排气压力直至所述的温度传感器检测到的实际出水温度与热水器预先设定的温度差值位于所述控制系统内置的温差波动范围内；

当所述的控制系统接收到的实际出水温度与热水器预先设定的出水温度差值超过所述控制系统内置的温差波动范围、且所述控制系统接收到的排气口处实际压力位于所述控制系统内置的对应此设定出水温度下的压力阀值内时，所述的控制系统控制所述的水流量调节装置工作来调节所述的供水管路中的水流量直至所述控制系统接收到的实际出水温度与热水器预先设定的出水温度差值位于所述控制系统内置的温差波动范围内。