CN107614985A - 热泵热水供给系统 - Google Patents

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Abstract

具备：热泵热水供给器(100)，具有主回路(80)，该主回路(80)依次连接对制冷剂进行压缩的压缩机(1)、气体冷却器(2)、第1电磁阀(80V1)、蓄热热交换器(3)、膨胀阀(4)、空气热交换器(5)；热水供给箱(20)，具有与流经气体冷却器(2)的内部的制冷剂热交换的热介质；蓄热槽(30)，具有与流经蓄热热交换器(3)的内部的制冷剂热交换的热介质，热泵热水供给器(100)具有：第1分流回路(81)，被设置成在位于气体冷却器(2)的出口侧且第1电磁阀(80V1)的入口侧的第1分支部(81a)从主回路(80)分支，在位于蓄热热交换器(3)的出口侧且膨胀阀(4)的入口侧的第1合流部(81b)与主回路(80)合流；控制单元(50)，切换第1电磁阀(80V1)的开闭。

Description

热泵热水供给系统
技术领域
本发明涉及热泵热水供给系统，特别涉及利用制冷剂的冷凝热等热能的热泵热水供给系统。
背景技术
近年来，受到去氟利昂化的趋势的影响，使用自然制冷剂的热泵装置的开发盛行。尤其，将二氧化碳(CO2)作为制冷剂的热泵装置的普及处于逐年增加的趋势。CO2具有臭氧破坏系数为0而全球变暖系数为1的特性，所以能够减小对环境的负担。另外，CO2在无毒性无可燃性这点上安全性优良，易于获得，比较廉价。进而，从压缩机排出的高压侧的CO2与氟利昂系列的制冷剂不同，具有成为超过临界点的超临界状态的特性。即，该超临界状态的CO2在通过热交换对其它流体(例如，水、空气、制冷剂等)提供热时，不冷凝，而仍保持为超临界状态。关于具有这样特性的CO2，由于状态迁移所致的损耗少，适合于热泵装置中的尤其要求高温的热泵装置。因而，提出一种热泵热水供给机，该热泵热水供给机将CO2用作制冷剂，有效利用CO2的优点，使水沸腾至90[℃]以上的高温。
另外，提出一种热水供给系统，该热水供给系统使用了利用制冷剂的冷凝热对水进行加热的热泵热水供给器(例如参照专利文献1)。专利文献1所记载的热水供给系统具备热泵热水供给器以及作为辅助热水供给单元的燃烧设备，该燃烧设备将气体、油作为燃料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4139827号公报
发明内容
然而，在专利文献1所记载的发明中，在热水供给负荷临时变大、燃烧设备工作时，因为热泵热水供给器的瞬间爆发能力小，所以运转率极端变小。因此，存在导致在1次换算能量中效率下降、CO2排出量增加的课题。另外，如果想要不使燃烧设备工作而在负荷小的夜间等蓄热于热水储存箱，则热水储存箱的容量变大，存在设置空间变大、初始投资额增大的课题。
本发明是以如上所述的课题为背景而完成的，其目的在于得到比以往廉价且设置空间小的热泵热水供给系统。
本发明的热泵热水供给系统，具有热泵热水供给器，具有主回路，该主回路依次连接对制冷剂进行压缩的压缩机、气体冷却器、第1电磁阀、蓄热热交换器、膨胀阀、空气热交换器；热水供给箱，具有与流经所述气体冷却器的内部的制冷剂进行热交换的热介质；以及蓄热槽，具有与流经所述蓄热热交换器的内部的制冷剂进行热交换的热介质，所述热泵热水供给器具有：第1分流回路，被设置成在位于所述气体冷却器的出口侧且所述第1电磁阀的入口侧的第1分支部从所述主回路分支，在位于所述蓄热热交换器的出口侧且所述膨胀阀的入口侧的第1合流部与所述主回路合流；以及控制单元，切换所述第1电磁阀的开闭。
根据本发明，热泵热水供给系统具有：第1分流回路，被设置成在位于气体冷却器的出口侧且第1电磁阀的入口侧的第1分支部从主回路分支，在位于蓄热热交换器的出口侧且膨胀阀的入口侧的第1合流部与主回路合流；以及控制单元，切换第1电磁阀的开闭。因此，不使用对存积于热水供给箱的热水进行加热的燃烧设备、不增大热水储存箱的容量而能够对存积于热水供给箱的热水进行加热。因而，能够得到比以往廉价且设置空间小的热泵热水供给系统。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的热泵热水供给系统200的结构图的图。
图2是示出本发明的实施方式1的热泵热水供给系统200的概略图的图。
图3是示出本发明的实施方式1的热泵热水供给系统200的蓄热槽30的具体结构的图。
图4是示出本发明的实施方式2的热泵热水供给系统200的概略图的图。
附图标记说明
1：压缩机；2：气体冷却器；3：蓄热热交换器；4：膨胀阀；5：空气热交换器；6：风扇；20：热水供给箱；21：热水供给回路；22：输水单元；29：胶囊；30：蓄热槽；31：蓄热回路；32：输水单元；50：控制单元；80：主回路；80V1：第1电磁阀；80V2：第2电磁阀；81：第1分流回路；81V：第1分流电磁阀；81a：第1分支部；81b：第1合流部；82：第2分流回路；82V：第2分流电磁阀；82a：第2分支部；82b：第2合流部；83：第3分流回路；83a：第3分支部；83b：第3合流部；100：热泵热水供给器；121：热水供给回路；122：输水单元；131：热水供给循环回路；132：循环泵；141：连接回路；151：分流连接回路；152：燃烧设备；153：循环泵；190：负载；200：热泵热水供给系统。
具体实施方式
以下，使用附图，详细地说明本发明的热泵热水供给器100。此外，在以下的附图中，有时各结构部件的大小关系与实际的大小关系不同。另外，在以下的附图中，标注有相同符号的结构为相同或者与其相当的结构，这在说明书的全文中是共同的。进而，在说明书全文中表示的结构要素的方式仅仅是例示，并不限定于这些记载。
实施方式1.
图1是示出本发明的实施方式1的热泵热水供给系统200的结构图的图。图2是示出本发明的实施方式1的热泵热水供给系统200的概略图的图。
如图1所示，热泵热水供给系统200具备热泵热水供给器100、热水供给箱20、热水供给回路21、输水单元22、蓄热槽30、蓄热回路31以及输水单元32。
如图2所示，热泵热水供给器100将在制冷循环的高压侧超过临界点的流体、例如CO2用作制冷剂。热泵热水供给器100具备压缩机1、气体冷却器2、蓄热热交换器3、膨胀阀4、空气热交换器5、风扇6、控制单元50以及主回路80。主回路80是将压缩机1、气体冷却器2、蓄热热交换器3、膨胀阀4以及空气热交换器5依次连接而成的回路。
压缩机1是压缩被吸入的制冷剂而排出为高温以及高压的制冷剂的可变容量的压缩机。气体冷却器2用于将从压缩机1排出的流经主回路80的制冷剂与流经热水供给回路21的热介质进行热交换，被设置于压缩机1的排出侧。蓄热热交换器3用于将流经主回路80的制冷剂与流经蓄热回路31的热介质进行热交换。此外，从热水供给箱20流出而流经热水供给回路21的热介质例如为热水。另外，从蓄热槽30流出而流经蓄热回路31的热介质例如为热水。
膨胀阀4对在主回路80上流动的制冷剂进行减压膨胀，被设置于主回路80上的蓄热热交换器3的出口侧。空气热交换器5使从膨胀阀4流出的制冷剂蒸发气化，被设置于膨胀阀4的出口侧。风扇6是用于生成将空气导入到空气热交换器5的气流的送风单元。
热水供给箱20临时蓄积热水供给用的热水。热水供给回路21是被设置成通过热水供给箱20的内部和气体冷却器2的内部的回路。输水单元22用于使从热水供给箱20的内部排出的热水向气体冷却器2侧送出并再次返回到热水供给箱20。
蓄热槽30以比热水供给温度低的温度(例如，20℃～40℃的温度段)作为热水来蓄积。蓄热回路31是被设置成通过蓄热槽30的内部和蓄热热交换器3的内部的回路。输水单元32用于使从蓄热槽30的内部排出的热水向蓄热热交换器3侧送出并再次返回到蓄热槽30。
控制单元50例如控制第1电磁阀80V1、第2电磁阀80V2、第1分流电磁阀81V以及第2分流电磁阀82V的开闭。控制单元50例如由实现该功能的电路元件等硬件、或者在微型计算机或CPU等运算装置上执行的软件构成。
第1电磁阀80V1是设置于气体冷却器2的出口侧且蓄热热交换器3的入口侧的电磁阀。第2电磁阀80V2是设置于膨胀阀4的出口侧且空气热交换器5的入口侧的电磁阀。
第1分流回路81被设置成在位于气体冷却器2的出口侧且第1电磁阀80V1的入口侧的第1分支部81a从主回路80分支，在位于蓄热热交换器3的出口侧且膨胀阀4的入口侧的第1合流部81b与主回路80合流。第1分流电磁阀81V设置于第1分流回路81上。
第2分流回路82被设置成在位于压缩机1的排出侧且气体冷却器2的入口侧的第2分支部82a从主回路80分支，在位于气体冷却器2的出口侧且比第1分支部81a更靠近气体冷却器2侧的位置的第2合流部82b与主回路80合流。第2分流电磁阀82V设置于第2分流回路82上。
第3分流回路83被设置成在位于膨胀阀4的出口侧且第2电磁阀80V2的入口侧的第3分支部83a从主回路80分支，在位于第2电磁阀80V2的出口侧且空气热交换器5的入口侧的第3合流部83b与主回路80合流。
以下，说明热泵热水供给器100的运转模式。作为运转模式，例如可举出(1)热水供给模式、(2)蓄热模式、(3)热回收热水供给模式以及(4)保温蓄热同时模式。
(1)热水供给模式
热水供给模式是如下模式：在热水供给负荷少的情况下或者在几乎没有热水供给负荷的情况下，使热水供给箱20的下部的低水温的水升温，在热泵热水供给器100的内部使其升温而成为高温的热水之后，使热水返回到热水供给箱20的上部。在热水供给模式下，控制单元50关闭第1电磁阀80V1，打开第2电磁阀80V2，打开第1分流电磁阀81V，关闭第2分流电磁阀82V。
在执行了热水供给模式的情况下，从压缩机1排出的高温高压的制冷剂流入到气体冷却器2。流入到气体冷却器2的制冷剂在使在热水供给回路21中循环的热水供给水加热升温之后，成为低温的制冷剂状态，流经第1分流回路81而流入到膨胀阀4。流入到膨胀阀4的制冷剂被减压膨胀而成为低温低压的二相制冷剂状态，从膨胀阀4流出而流入到空气热交换器5。流入到空气热交换器5的制冷剂与大气热交换而成为气体状态，流入到压缩机1。
另一方面，通过使输水单元22工作，热水供给箱20下部的低水温的水通过热水供给回路21而流入到气体冷却器2。流入到气体冷却器2的热水通过与流经气体冷却器2的制冷剂热交换，从而升温而成为高温度的热水，通过热水供给回路21而流入到热水供给箱20的上部。
(2)蓄热模式
蓄热模式是如下模式：在热水供给箱20由热水量为某个阈值以上的热水(例如100％)填充的情况下使蓄热槽30的内部的热水升温。在蓄热模式下，控制单元50打开第1电磁阀80V1，打开第2电磁阀80V2，关闭第1分流电磁阀81V，打开第2分流电磁阀82V。
在执行了蓄热模式的情况下，从压缩机1排出的高温高压的制冷剂流经第2分流回路82而流入到蓄热热交换器3。流入到蓄热热交换器3的制冷剂使在蓄热回路31中循环的热水加热升温，成为低温的制冷剂状态，流入到膨胀阀4。流入到膨胀阀4的制冷剂被减压膨胀而成为低温低压的二相制冷剂状态，流入到空气热交换器5。流入到空气热交换器5的制冷剂与大气热交换而成为气体状态，流入到压缩机1。
另一方面，通过使输水单元32工作，储存于蓄热槽30的内部的热水通过蓄热回路31而流入到蓄热热交换器3。流入到蓄热热交换器3的热水与流经蓄热热交换器3的制冷剂热交换而被加热升温，通过蓄热回路31而流入到蓄热槽30。
(3)热回收热水供给模式
热回收热水供给模式是如下模式：在热水供给负荷临时增大而热水供给箱20的热水量为某个阈值以下的情况下，将蓄热槽30的热水作为热源，使蓄热热交换器3和蓄热槽30的内部的热水循环，并且利用蓄热热交换器3使热水供给箱20的内部的热水升温。在热回收热水供给模式下，控制单元50关闭第1电磁阀80V1，关闭第2电磁阀80V2，打开第1分流电磁阀81V，关闭第2分流电磁阀82V。
在执行了热回收热水供给模式的情况下，从压缩机1排出的高温高压的制冷剂流入到气体冷却器2。流入到气体冷却器2的制冷剂使在热水供给回路21中循环的热水加热升温，成为低温的制冷剂状态，流经第1分流回路81而流入到膨胀阀4。流入到膨胀阀4的制冷剂被减压，成为低温低压的二相制冷剂状态，通过第3分流回路83而流入到蓄热热交换器3。流入到蓄热热交换器3的制冷剂对在蓄热回路31中循环的热水进行冷却，制冷剂蒸发而成为气体状态，流入到空气热交换器5。流入到空气热交换器5的制冷剂与大气热交换而成为气体状态，流入到压缩机1。
另一方面，通过使输水单元22工作，热水供给箱20下部的低水温的水通过热水供给回路21而流入到气体冷却器2。流入到气体冷却器2的热水通过与流经气体冷却器2的制冷剂热交换从而升温而成为高温度的热水，通过热水供给回路21而流入到热水供给箱20的上部。另外，通过使输水单元32工作，储存于蓄热槽30的内部的热水通过蓄热回路31而流入到蓄热热交换器3。流入到蓄热热交换器3的热水与流经蓄热热交换器3的制冷剂热交换而被冷却，通过蓄热回路31而流入到蓄热槽30。
(4)保温蓄热同时模式
保温蓄热同时模式是如下模式：在虽然热水供给负荷小但由于散热等的温度下降而需要再次升温的情况、即来自热水供给箱20的进水温度比某个阈值(例如55℃)高的情况下，使热水供给箱20的内部的热水再次升温，并且使蓄热槽30内的热水升温。在保温蓄热同时模式下，控制单元50打开第1电磁阀80V1，打开第2电磁阀80V2，关闭第1分流电磁阀81V，关闭第2分流电磁阀82V。
在执行了保温蓄热同时模式的情况下，从压缩机1排出的高温高压的制冷剂流入到气体冷却器2。流入到气体冷却器2的制冷剂使在热水供给回路21中循环的热水加热升温，成为中温的制冷剂状态而流入到蓄热热交换器3。流入到蓄热热交换器3的制冷剂使在蓄热槽30中循环的热水加热升温而成为低温的制冷剂状态，从蓄热热交换器3流出。从蓄热热交换器3流出的制冷剂流入到膨胀阀4而被减压，成为低温低压的二相制冷剂状态而流入到空气热交换器5。流入到空气热交换器5的制冷剂在空气热交换器5中与大气热交换而成为气体状态，流入到压缩机1。
另一方面，通过使输水单元22工作，热水供给箱20下部的低水温的水通过热水供给回路21而流入到气体冷却器2。流入到气体冷却器2的热水通过与流经气体冷却器2的制冷剂热交换而升温，成为高温度的热水，通过热水供给回路21而流入到热水供给箱20的上部。另外，通过使输水单元32工作，储存于蓄热槽30的内部的热水通过蓄热回路31而流入到蓄热热交换器3。流入到蓄热热交换器3的热水与流经蓄热热交换器3的制冷剂热交换而被加热升温，通过蓄热回路31而流入到蓄热槽30。
图3是示出本发明的实施方式1的热泵热水供给系统200的蓄热槽30的具体结构的图。如图3所示，在蓄热槽30内存积有在20℃～40℃的温度下从液相相变化为固相的胶囊29。胶囊29例如是封入有醋酸钠等潜热蓄热材料的部件。在这样构成的情况下，被构成为热水在胶囊29的周围流过。另外，胶囊29例如也可以由封入有石蜡树脂系列等潜热蓄热材料的几百μ以下的部件构成。在该情况下，被构成为以胶囊29与热水的混合物的状态存积于蓄热槽30，在热回收热水供给模式、蓄热模式时，以胶囊29与热水的混合物的状态在蓄热热交换器3与蓄热槽30之间循环。
如上那样，本实施方式1的热泵热水供给器100具备：热泵热水供给器100，具有将对制冷剂进行压缩的压缩机1、气体冷却器2、第1电磁阀80V1、蓄热热交换器3、膨胀阀4以及空气热交换器5依次连接而成的主回路80；热水供给箱20，具有与流经气体冷却器2的内部的制冷剂热交换的热介质；以及蓄热槽30，具有与流经蓄热热交换器3的内部的制冷剂热交换的热介质，热泵热水供给器100具有：第1分流回路81，被设置成在位于气体冷却器2的出口侧且第1电磁阀80V1的入口侧的第1分支部81a从主回路80分支，在位于蓄热热交换器3的出口侧且膨胀阀4的入口侧的第1合流部81b与主回路80合流；以及控制单元50，切换第1电磁阀80V1的开闭。
因此，不使用如以往那样对存积于热水供给箱20的热水进行加热的燃烧设备，能够不增大热水供给箱20的容量而对存积于热水供给箱20的热水进行加热。因而，能够得到比以往廉价且设置空间小的热泵热水供给系统200。
另外，控制单元50通过关闭第1电磁阀80V1、关闭第2电磁阀80V2、打开第1分流电磁阀81V、关闭第2分流电磁阀82V，能够执行热回收热水供给模式。通过执行热回收热水供给模式，特别是能够在热水供给负荷大的冬季使热水供给能力上升。例如，在以往的热水供给模式下，从低的大气温度热转移到热水供给水，但通过追加热回收热水供给模式，是从蓄热槽30的中热水向热水供给水的热转移，易于进行热转移，并且由于蒸发温度上升，所以压缩机1的吸入制冷剂密度上升。由此，不变更压缩机1的容量而热水供给能力上升。
另外，控制单元50通过打开第1电磁阀80V1，打开第2电磁阀80V2，关闭第1分流电磁阀81V，关闭第2分流电磁阀82V，能够执行保温蓄热同时模式。通过执行保温蓄热同时模式，在使用了CO2制冷剂的情况下，以往在气体冷却器出口处为与进水温度相当的55℃，但由于设置有蓄热热交换器3，所以下降至蓄热槽30内的热水温度，所以热量增加，热量/制冷剂输送动力增加，能够进行效率良好的运转。
此外，在以上说明中，说明了控制单元50使第1电磁阀80V1、第2电磁阀80V2、第1分流电磁阀81V以及第2分流电磁阀82V开闭的例子，但这些电磁阀的开度能够阶梯性地适当地决定。
实施方式2.
图4是示出本发明的实施方式2的热泵热水供给系统200的概略图的图。此外，在本实施方式2中，关于不特别记述的项目与实施方式1相同，关于相同的功能、结构，使用相同的符号进行叙述。
如图4所示，热泵热水供给系统200具备热水供给回路121、输水单元122、热水供给循环回路131、循环泵132、连接回路141、分流连接回路151、燃烧设备152以及循环泵153。
热水供给回路121是被设置成将气体冷却器2与蓄热热交换器3进行连接的回路。输水单元122是将从蓄热槽30流出的热水引导到热水供给箱20的回路，被设置于热水供给回路121上。热水供给循环回路131是使从负载190流出的热水循环的回路。循环泵132是在蓄热槽30的水温下降到规定值以下的情况下进行工作的泵，被设置于热水供给循环回路131上。
连接回路141是将热水供给箱20与蓄热槽30进行连接的回路。分流连接回路151是将热水供给箱20与蓄热槽30进行连接的回路，是不经由连接回路141而将从蓄热槽30流出的热水引导到热水供给箱20的回路。
燃烧设备152用于对从蓄热槽30排出的热水进行加热、将加热后的热水供给到热水供给箱20，被设置于分流连接回路151上。燃烧设备152作为即使在气体冷却器2中进行热交换来进行热水供给但加热也不充分的情况下的备用单元发挥功能。循环泵153将从燃烧设备152供给的热供给到加热对象，被设置于分流连接回路151上。
如以上那样，本实施方式2的热泵热水供给系统200还具备：连接回路141，将从蓄热槽30流出的热水引导到热水供给箱20；分流连接回路151，不经由连接回路141而将从蓄热槽30流出的热水引导到热水供给箱20；以及燃烧设备152，设置于分流连接回路151，对从蓄热槽30流出而流经分流连接回路151的热水进行加热。因此，在热水供给负荷临时变大的情况下，蓄热槽30的内部的热水在通过分流连接回路151而由燃烧设备152加热之后流经热水供给箱20的内部。因而，在临时产生过度的负荷的情况下，也能够对热水供给箱20供给热水。

Claims (10)

1.一种热泵热水供给系统，具备：
热泵热水供给器，具有主回路，该主回路依次连接了对制冷剂进行压缩的压缩机、气体冷却器、第1电磁阀、蓄热热交换器、膨胀阀、空气热交换器；
热水供给箱，具有与流经所述气体冷却器的内部的制冷剂进行热交换的热介质；以及
蓄热槽，具有与流经所述蓄热热交换器的内部的制冷剂进行热交换的热介质，
所述热泵热水供给器具有：
第1分流回路，被设置成在位于所述气体冷却器的出口侧且所述第1电磁阀的入口侧的第1分支部从所述主回路分支，在位于所述蓄热热交换器的出口侧且所述膨胀阀的入口侧的第1合流部与所述主回路合流；以及
控制单元，切换所述第1电磁阀的开闭。
2.根据权利要求1所述的热泵热水供给系统，还具备：
第1分流电磁阀，设置于所述第1分流回路上；
第2分流回路，被设置成在位于所述压缩机的排出侧且所述气体冷却器的入口侧的第2分支部从所述主回路分支，在位于所述气体冷却器的出口侧且比所述第1分支部更靠近所述气体冷却器侧的第2合流部与所述主回路合流；以及
第2分流电磁阀，设置于所述第2分流回路上。
3.根据权利要求1或者2所述的热泵热水供给系统，还具备：
第2电磁阀，设置于所述膨胀阀的出口侧且所述空气热交换器的入口侧；以及
第3分流回路，被设置成在所述膨胀阀的出口侧且所述第2电磁阀的入口侧从所述主回路分支，在所述第2电磁阀的出口侧且所述空气热交换器的入口侧与所述主回路合流。
4.根据从属于权利要求2的权利要求3所述的热泵热水供给系统，其中，
所述控制单元具有热水供给模式，在所述热水供给模式下，关闭所述第1电磁阀，打开所述第2电磁阀，打开所述第1分流电磁阀，关闭所述第2分流电磁阀。
5.根据从属于权利要求2的权利要求3所述的热泵热水供给系统，其中，
所述控制单元具有蓄热模式，在所述蓄热模式下，打开所述第1电磁阀，打开所述第2电磁阀，关闭所述第1分流电磁阀，打开所述第2分流电磁阀。
6.根据从属于权利要求2的权利要求3所述的热泵热水供给系统，其中，
所述控制单元具有热回收热水供给模式，在所述热回收热水供给模式下，关闭所述第1电磁阀，关闭所述第2电磁阀，打开所述第1分流电磁阀，关闭所述第2分流电磁阀。
7.根据从属于权利要求2的权利要求3所述的热泵热水供给系统，其中，
所述控制单元具有保温蓄热同时模式，在所述保温蓄热同时模式下，打开所述第1电磁阀，打开所述第2电磁阀，关闭所述第1分流电磁阀，关闭所述第2分流电磁阀。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的热泵热水供给系统，其中，
所述蓄热槽的热介质为在20℃～40℃的温度段发生相变化的蓄热材料。
9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的热泵热水供给系统，还具备：
连接回路，将从所述蓄热槽流出的热水引导到所述热水供给箱；
分流连接回路，不经由所述连接回路地将从所述蓄热槽流出的热水引导到所述热水供给箱；以及
燃烧设备，设置于所述分流连接回路，对从所述蓄热槽流出而流经所述分流连接回路的热水进行加热。
10.根据权利要求1～9中的任意一项所述的热泵热水供给系统，其中，
所述制冷剂包括二氧化碳。
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