CN107741070A - 一种空气源热泵热水器高密度储热一体机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，包括室外风机(6)，还包括通过制冷剂管道(2)依次连接并构成循环回路的蒸发器(1)、压缩机(3)、冷凝器/储热器一体化装置(4)和节流装置(5)，其中，所述冷凝器/储热器一体化装置(4)具有制冷剂冷凝器与高密度储热的双重功能。与现有技术相比，本发明采用冷凝器与储热器一体化设计，与传统储热换热技术相比其储/放热换热温差可降低5‑15℃，具有结构紧凑、高效换热、安装方便、换热温差小等显著优点，若利用谷电驱动压缩机工作为相变材料储热，其运行费用是传统直接电加热的1/3～1/6，具有良好的节能经济性，可广泛应用于生活热水领域。

Description

一种空气源热泵热水器高密度储热一体机
技术领域
本发明涉及一种热泵热水器，尤其是涉及一种空气源热泵热水器高密度储热一体机。
背景技术
近年来，相变储热技术以其高储热密度、吸放热温度稳定等优势受到广泛关注。相变储能是利用相变储热材料在相变过程中，吸收或释放相变潜热来进行能量储存和释放的技术。相变储能技术在太阳能热利用、废热余热回收、电力“削峰填谷”、热管理系统及建筑节能等诸多领域具有广泛的应用前景。
空气源热泵热水器作为一种节能环保的产品得到了广泛的发展，已经形成了一个年销售超过60亿元的新兴产业，但市场上常见的热泵热水器以带储热水箱的为主，将热泵热水器产生的低温位热能以显热的方式储存在储热水箱中，而显热储热的密度较低，带来了较大的制造费用和空间费用，储热水箱安装空间较大严重制约了空气源热泵热水器的推广使用，因此开发紧凑式空气源热泵热水器已成为该领域的发展趋势。
经对现有技术的文献检索，与热泵热水器相关的先进技术主要有：申请号为201110422397.X的发明专利公开了“一种乳化相变储热型热泵热水器”，通过热泵结构对相变乳液加热，当用户需要使用热水时，启动乳液泵使相变乳液通过换热器向自来水放热，加热后的热水供用户使用。该方法利用相变乳液储热，相比常规热泵热水器缩小了储热水箱的体积，但是系统中存在多处换热，即热泵通过换热器加热相变乳液，相变乳液通过另一个换热器加热自来水，额外地增加了换热设备的体积和换热温差，降低了热利用效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种空气源热泵热水器高密度储热一体机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，包括室外风机，还包括通过制冷剂管道依次连接并构成循环回路的蒸发器、压缩机、冷凝器/储热器一体化装置和节流装置，其中，所述冷凝器/储热器一体化装置具有制冷剂冷凝器与高密度储热的双重功能。
优选的，所述的冷凝器/储热器一体化装置包括外壳与内壳，两者之间填充有隔热保温材料，其中，内壳腔体中设有两组交错排列的换热盘管，其中一组为分别连接压缩机与节流装置的制冷剂冷凝盘管，另一组为用于供热的传热流体换热盘管，内壳腔体内还填充有相变材料。储热时通过制冷剂冷凝盘管利用制冷剂的冷凝热对相变材料加热实现蓄热，放热时通过传热流体换热盘管利用相变材料储存的热量向外界热用户供热。
更优选的，所述的两组换热盘管之间还共用一组换热翅片。此种换热翅片的设置大大提高了换热面积，大大提高了换热效率，安装使用方便，此外，还使得整个蓄热-放热过程近似等温，放热温度均衡，使得系统具有供热的稳定性及用户使用的舒适性。
更优选的，所述的换热盘管为蛇形换热盘管。
更优选的，不同换热盘管内部管道之间的连接形式为串联、并联或串并联结合。
更优选的，所述的相变材料为有机相变材料或无机相变材料，其中，有机相变材料为石蜡或有机酸(如硬脂酸、月桂酸)等中的一种或几种的复合，无机相变材料为碱及碱土金属的卤化物、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、醋酸盐、硫代硫酸盐或碳酸盐(如十水合硫酸钠、十二水合磷酸氢二钠、三水醋酸钠、五水硫代硫酸钠)中的一种或几种的复合。
更优选的，所述的内壳采用金属箱体，外壳处留有四个管道接口，分别为制冷剂入口与制冷剂出口、外界换热流体入口与外界换热流体出口，其中，制冷剂入口与制冷剂出口连接所述制冷剂冷凝盘管并分别连接压缩机出口与节流装置入口，外界换热流体入口与外界换热流体出口连接所述传热流体换热盘管。
优选的，所述的压缩机为活塞压缩机、螺杆压缩机、离心压缩机或直线压缩机，其级数为单级或多级压缩。
优选的，所述的蒸发器采用风冷翅片管换热器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明采用40-60度的高储热密度的相变材料，相变温度与冷凝剂温度匹配，而且采用各种结构等控制放热过程近似等温，放热温度均衡，使得系统具有供热的稳定性及用户使用的舒适性。利用谷电驱动压缩机工作为相变材料储热，其运行费用是传统直接电加热的1/3～1/6，具有良好的节能经济性。
第二，本发明实现冷凝器/储热器一体化设计，结构紧凑合理，储/放热换热温差相对传统技术可降低5-15℃，储热时通过制冷剂换热管路利用制冷剂的冷凝热对相变材料加热实现蓄热，放热时通过传热流体管路利用相变材料储存的热量向外界热用户供热；管道以蛇形换热管形式交错排列，只需在一个容器中换热，换热容器不需要承受压力，减少制造成本，同时加入板式换热翅片增大换热面积，大大提高了换热效率，安装使用方便。
第三，本发明与传统空气源热泵热水器相比，实现了高密度相变储热与空气源热泵热水器技术的结合，因采用高密度储热装置，与传统储热水箱的显热相比单位体积的储热量提高2-5倍，可显著减少热水器的储热体积，从而降低制造费用和空间费用，实现空气源热泵热水器紧凑式高密度储热。
附图说明
图1为本发明的一种具体实施方式的结构示意图；
图中，1-蒸发器，2-制冷剂管道，3-压缩机，4-冷凝器/储热器一体化装置，5-节流装置，6-室外风机，41-制冷剂入口，42-制冷剂出口，43-制冷剂冷凝盘管，44-换热翅片，45-传热流体换热盘管，46-隔热保温材料，47-相变材料，48-传热流体进口，49-传热流体出口，410-外壳，411-内壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，包括室外风机6，还包括通过制冷剂管道2依次连接并构成循环回路的蒸发器1、压缩机3、冷凝器/储热器一体化装置4和节流装置5，其中，所述冷凝器/储热器一体化装置4具有制冷剂冷凝器与高密度储热的双重功能。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的冷凝器/储热器一体化装置4包括外壳410与内壳411，两者之间填充有隔热保温材料46，其中，内壳411腔体中设有两组交错排列的换热盘管，其中一组为分别连接压缩机3与节流装置5的制冷剂冷凝盘管43，另一组为用于供热的传热流体换热盘管45，内壳411腔体内还填充有相变材料47。储热时通过制冷剂冷凝盘管43利用制冷剂的冷凝热对相变材料47加热实现蓄热，放热时通过传热流体换热盘管45利用相变材料47储存的热量向外界热用户供热。
作为上述优选的实施方式的更优选，所述的制冷剂冷凝盘管43和传热流体换热盘管45之间还共用一组换热翅片44。此种换热翅片44的设置大大提高了换热面积，大大提高了换热效率，安装使用方便，此外，还使得整个蓄热-放热过程近似等温，放热温度均衡，使得系统具有供热的稳定性及用户使用的舒适性。
作为上述优选的实施方式的更优选，所述的换热盘管制冷剂冷凝盘管43和传热流体换热盘管45为蛇形换热盘管。
作为上述优选的实施方式的更优选，制冷剂冷凝盘管43或传热流体换热盘管45内部管道之间的连接形式为串联、并联或串并联结合。
作为上述优选的实施方式的更优选，所述的相变材料47为有机相变材料47或无机相变材料47，其中，有机相变材料47为石蜡或有机酸(如硬脂酸、月桂酸)等中的一种或几种的复合，无机相变材料47为碱及碱土金属的卤化物、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、醋酸盐、硫代硫酸盐或碳酸盐(如十水合硫酸钠、十二水合磷酸氢二钠、三水醋酸钠、五水硫代硫酸钠)中的一种或几种的复合。
作为上述优选的实施方式的更优选，所述的内壳411采用金属箱体，外壳410处留有四个管道接口，分别为制冷剂入口41与制冷剂出口42、外界换热流体入口48与外界换热流体出口49，其中，制冷剂入口41与制冷剂出口42连接所述制冷剂冷凝盘管43并分别连接压缩机3出口与节流装置5入口，外界换热流体入口48与外界换热流体出口49连接所述传热流体换热盘管45。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的压缩机3为活塞压缩机3、螺杆压缩机3、离心压缩机3或直线压缩机3，其级数为单级或多级压缩。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的蒸发器1采用风冷翅片管换热器。
实施例1
一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其结构如图1所示，包括室外风机6，还包括通过制冷剂管道2依次连接并构成循环回路的蒸发器1、压缩机3、冷凝器/储热器一体化装置4和节流装置5，其中，所述冷凝器/储热器一体化装置4具有制冷剂冷凝器与高密度储热的双重功能。所述的冷凝器/储热器一体化装置4包括外壳410与内壳411，两者之间填充有隔热保温材料46，其中，内壳411腔体中设有两组交错排列的换热盘管，其中一组为分别连接压缩机3与节流装置5的制冷剂冷凝盘管43，另一组为用于供热的传热流体换热盘管45，内壳411腔体内还填充有相变材料47。所述的内壳411采用金属箱体，外壳410处留有四个管道接口，分别为制冷剂入口41与制冷剂出口42、外界换热流体入口48与外界换热流体出口49，其中，制冷剂入口41与制冷剂出口42连接所述制冷剂冷凝盘管43并分别连接压缩机3出口与节流装置5入口，外界换热流体入口48与外界换热流体出口49连接所述传热流体换热盘管45。
储热阶段，利用相变材料47的相变潜热实现热量储存以备热用户使用，首先制冷剂在蒸发器1中向外界环境吸热蒸发，然后进入压缩机3，变成高温高压的气体后再进入冷凝器/储热器一体化装置4，通过制冷剂冷凝盘管43利用制冷剂的冷凝热对相变材料47加热实现蓄热，同时相变材料47吸热熔化，放热后的制冷剂经节流装置5减压后回到蒸发器1，进入下一次循环，直到完成相变材料47的熔化储热。该阶段若采用夜间低谷电驱动空气源热泵热水器工作为相变材料47储热，可显著降低运行费用，是传统直接电加热的1/3～1/6，具有良好的节能经济性。
放热阶段，利用相变材料47储存的相变潜热满足热用户需求，压缩机3停止工作，热用户将传热流体(如空气、水、导热油等)通入冷凝器/储热器一体化装置4，通过传热流体换热盘管45利用相变材料47储存的热量向外界热用户供热，液态相变材料47发生凝固释放出热量对换热流体加热，传热流体温度升高变为热流体后输出给用户使用。由于采用冷凝器/储热器一体化设计等，本发明空气源热泵热水器高密度储热一体机结构紧凑、换热温差小且效率高，与传统储热换热技术相比其储/放热换热温差可降低5-15℃；与传统空气源热泵热水器的储热水箱相比，因采用高密度储热其单位体积的储热量可提高2-5倍，从而有利于降低制造费用和安装空间。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，包括室外风机(6)，还包括通过制冷剂管道(2)依次连接并构成循环回路的蒸发器(1)、压缩机(3)、冷凝器/储热器一体化装置(4)和节流装置(5)，其中，所述冷凝器/储热器一体化装置(4)具有制冷剂冷凝器与高密度储热的双重功能。
2.根据权利要求1所述的一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，所述的冷凝器/储热器一体化装置(4)包括外壳(410)与内壳(411)，两者之间填充有隔热保温材料(46)，其中，内壳(411)腔体中设有两组交错排列的换热盘管，其中一组为分别连接压缩机(3)与节流装置(5)的制冷剂冷凝盘管(43)，另一组为用于供热的传热流体换热盘管(45)，内壳(411)腔体内还填充有相变材料(47)。
3.根据权利要求2所述的一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，所述的制冷剂冷凝盘管(43)与传热流体换热盘管(45)之间还共用一组换热翅片(44)。
4.根据权利要求2所述的一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，所述的制冷剂冷凝盘管(43)与传热流体换热盘管(45)均为蛇形换热盘管。
5.根据权利要求2所述的一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，制冷剂冷凝盘管(43)或传热流体换热盘管(45)内部管道之间的连接形式为串联、并联或串并联结合。
6.根据权利要求2所述的一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，所述的相变材料(47)为有机相变材料(47)或无机相变材料(47)，其中，有机相变材料(47)为石蜡或有机酸中的一种或几种的复合，无机相变材料(47)为碱及碱土金属的卤化物、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、醋酸盐、硫代硫酸盐或碳酸盐中的一种或几种的复合。
7.根据权利要求2所述的一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，所述的内壳(411)采用金属箱体，外壳(410)处留有四个管道接口，分别为制冷剂入口(41)与制冷剂出口(42)、外界换热流体入口(48)与外界换热流体出口(49)，其中，制冷剂入口(41)与制冷剂出口(42)连接所述制冷剂冷凝盘管(43)并分别连接压缩机(3)出口与节流装置(5)入口，外界换热流体入口(48)与外界换热流体出口(49)连接所述传热流体换热盘管(45)。
8.根据权利要求1所述的一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，所述的压缩机(3)为活塞压缩机(3)、螺杆压缩机(3)、离心压缩机(3)或直线压缩机(3)，其级数为单级或多级压缩。
9.根据权利要求1所述的一种空气源热泵热水器高密度储热一体机，其特征在于，所述的蒸发器(1)采用风冷翅片管换热器。
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