CN108361984A - 一种速热式热泵热水器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种速热式热泵热水器系统，属于热水器技术领域。该系统包括热泵主机、水箱、控制单元；水箱装有上、下换热器，并分别设置有上、下温度传感器和出水温度传感器；热泵主机的冷媒出管通过三通阀分别与上、下换热器的进管连通；上、下温度传感器和出水温度传感器的信号输出端分别与控制单元智能器件的信号输入端连接，智能器件的相应控制输出端分别接三通阀和热泵主机的受控端。本发明可以在需要节能为主时，按用户选择的半胆加热以最节能的方式工作，而在用户选择全胆加热后，识别用户实际需要确定是否对水箱及时补热，并进而以尽可能合理的高效节能方式控制不同的换热器工作，从而适应各种因素变化，充分发挥热泵的优势。

Description

一种速热式热泵热水器系统

技术领域

本发明涉及一种热泵热水器系统，尤其是一种速热式热泵热水器系统，属于热水器技术领域。

背景技术

储水式热泵热水器具有节能环保、水温舒适等优势，因此日渐推广。此类热水系统包含主机和水箱两部分，主机从室外环境吸收热量，水箱将主机所吸收的热量释放至水中，从而加热水箱中的水供用户使用。据了解，现有家用热泵热水器的水箱容量一般为150L，配备热泵制热量约为3kW，当一箱水用完之后，大约需2h才能将整箱水加热完成再次使用（冬季水温15℃，温升至45℃），等待时间较长。并且，现有常规储水式热泵机组换热器基本为从上至下一体式加热，加热效率和主机功耗会随着水箱水温的升高而逐渐降低。实测表明，热泵水箱45℃→50℃比20℃→25℃的加热时间长约40%，主机能耗升高约30%，整机能效降低约50%，因此在水箱高温段不能持续发挥热泵高效节能的优势。

为解决再加热等待时间长的问题，申请号为CN201120330412的中国专利申请公开了一种速热式热泵热水器，通过水箱内设置上、下换热盘管和外接两个电磁阀，正常工作时冷媒通过下盘管换热加热水箱，速热时冷媒先通过上盘管、再通过下盘管。理论分析和试验表明，由于此方案速热时上、下盘管串联分散加热整个水箱，速热效果并不明显，并且由于两种下盘管换热和上、下盘管串联换热时的盘管换热面积变化较大，热泵系统无法保持在理想工况下运行，反而容易引起系统的不稳定。

申请号为201320263130.5的中国专利申请公开了一种速热式热泵热水器，通过在热泵热水器内设置两个电加热器，结合通过热泵微通道换热器换热，预热内胆中的水，同时启动电加热管，实现快速出热水。由于此方案以电热为主、热泵为辅，因此不能充分发挥热泵的节能优势。尤其实际上，除了希望热水器高效、节能之外，诸如不同季节、不同时段等因素影响着用户对于热水器的具体使用需求，例如日常间断用水希望热水器快速提供热水，洗浴时希望热水器较长时间提供稳定温度的热水，等等。上述现有技术均未能妥善处理在不同影响因素情况下，热泵热水器的适应性控制问题。

发明内容

本发明的目的在于:针对上述现有技术存在的问题，提出一种可以根据实际需求，综合考虑水温、速热、节能、高效等各种因素，使热泵热水器以理想的适应性状态工作的速热式热泵热水器系统，同时给出相应的控制方法，从而充分发挥热泵的优势。

为了达到上述目的，本发明的速热式热泵热水器系统包括热泵主机、具有下进水口和上出水口的水箱，以及含有智能器件的控制单元；所述水箱的上部和下部分别装有换热面积基本一致的上换热器和下换热器，并分别设置有上温度传感器和下温度传感器，所述上出水口设置有出水温度传感器；所述热泵主机的冷媒出管通过三通阀分别与上换热器和下换热器的进管连通，所述上换热器和下换热器的出管分别与热泵主机的冷媒回管连通；所述上温度传感器、下温度传感器和出水温度传感器的信号输出端分别与控制单元智能器件的信号输入端连接，所述智能器件的相应控制输出端分别接三通阀和热泵主机的受控端。

进一步，所述控制单元具有可选择的半胆加热和全胆加热模式；

当选择半胆加热模式时，所述智能器件用以接收上温度传感器探测的温度信号并控制进行温低判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否低于设定温度减去第一预定值，如温低判断为否则循环探测上温度传感器探测的温度信号并循环该判断；如温低判断为是则控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并开启热泵主机加热，之后控制进行温高判断：判断上温度传感器探测的信号是否大于设定值，如温高判断为否则保持主机开启，循环该判断；如温高判断为是则控制关闭热泵主机并返回接收上温度传感器的探测信号。

更进一步，当选择全胆加热模式时，所述智能器件用以接收上、下温度传感器的探测信号并判断上温度传感器、下温度传感器之一的探测温度下降率是否大于预定速率；如否则进入整胆速热控制流程，如是则进入放水补热控制流程；

——进入整胆速热控制流程后，所述智能器件用以接收上、下温度传感器的探测信号并控制进行初始判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否小于设定温度减去第一预定值或下温度传感器探测的温度信号是否小于设定温度减去第二预定值；如初始判断为否则循环该判断,如初始判断为是则控制进行双温判断：判断上温度传感器和下温度传感器探测的温度信号是否均小于设定温度减去预定下限阈值；

如双温判断为否则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通并开启热泵主机后进行终了判断；如双温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并开启热泵主机加热水箱上部，之后控制进行上温判断：判断上温度传感器探测的信号是否大于设定值减去第二预定值；

如上温判断为否则控制则保持三通阀使冷媒出管与上换热器连通，循环该判断，如上温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通，之后控制进行终了判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否大于设定温度且下温度传感器探测的温度信号是否大于设定温度减去第一预定值；

如终了判断为否则返回保持三通阀使冷媒出管与下换热器连通，循环该判断；如终了判断为是则控制关闭热泵主机，之后返回初始判断之前的接收上、下温度传感器的探测信号；

——进入放水补热控制流程后，所述智能器件用以控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并控制热泵主机开启加热，接收上、下温度传感器以及出水温度传感器的探测信号并控制进行高温判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否大于设定温度加第一预定值；

如高温判断为否则保持冷媒出管与上换热器连通,循环该判断；如高温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通,之后控制进行低温判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否小于设定温度与预定上限阈值之和；

如低温判断为是则返回控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通；如低温判断为否则返回保持三通阀使冷媒出管与下换热器连通，循环该判断；

且在此控制流程的两个循环判断中随时穿插进行转换判断：判断出水温度传感器的探测温度是否在预定时间间隔内出现预定温降或者上温度传感器和下温度传感器探测的温度信号在设定时长内无下降；

如转换判断为是则转至整胆速热控制流程,如转换判断为否则返回本控制流程，继续运行。

采用本发明后，在可以根据用户选择、以十分高效且节能的半胆加热或以可以确保用水便捷舒适的全胆加热方式工作的基础上，科学地根据水温下降速率智能识别用水量需求情况，决定进入整胆速热还是放水补热流程，在识别日常间断性用水进入整胆速热情况下，判断是否需要加热之后，根据水温是否过低决定上换热器换热、从而高效快速提供热水，还是下换热器换热、从而稳定提供充分热水且保证高能效比。由于放水过程中，加热上部区域才能将热量全部补充至所放出热水中，若首先加热已有部分冷水的下部区域，该部分冷水是不能短时间被加热供给用户使用的，因此本发明在识别遇到洗浴等临时性大用水而进入放水补热功能时，切换三通阀至上换热器、开启热泵主机加热，及时对水箱上部区域进行补热，确保在大水量放水过程中能及时补充热量，同时检测上部水温是否超出设定的阈值即第一预定值，考虑到超出该阈值会引起用户体感温度明显变化不适、且会引起热泵排气高温高压、能效和可靠性降低，因此及时切换至下换热器加热，而一旦发现上部水温较低则及时恢复到上换热器加热，并且随时不断探测水温下降速率，当发现大量用水结束时，及时切换到整胆速热状态，以便稳定提供充分热水且保证高能效比。

由此可见，本发明可以利用智能化的控制，在需要节能为主时，按用户选择的半胆加热以最节能的方式工作，而在用户选择全胆加热后，可以智能识别用户实际需要确定是否对水箱及时补热，并进而以尽可能合理的高效节能方式控制不同的换热器工作，从而尽可能适应各种因素变化，充分发挥热泵的优势。

本发明进一步的完善是，所述上换热器和下换热器的出管分别经单向阀与热泵主机的冷媒回管连通。这样可以确保所需的冷媒流向，有助于系统的稳定工作。

本发明更进一步的完善是，所述上换热器和下换热器由两端与圆形集管相联的微通道集成换热器构成，所述集管内设有分隔出换热面积基本一致的上、下独立换热器的隔离板，以及使各独立换热器形成迂回流道的隔板。

本发明经过大数据试验分析确定的优选参数为：

所述第一预定值的取值范围为3~5℃，所述第二预定值的取值范围为8~10℃，所述温度下降率为45s内下降3℃，所述预定下限阈值的取值范围为12~14℃，所述预定上限阈值的取值范围为2~3℃。

附图说明

图1是本发明一个实施例的系统构成结构示意图（换热器展开）。

图2是图1实施例的总体控制流程图。

图3是图1实施例的整胆速热控制流程图。

图4是图1实施例的全胆放水补热控制流程图。

图5是图1实施例的半胆加热控制流程图。

图6是图1实施例的控制电路图。

具体实施方式

本实施例的速热式热泵热水器系统如图1所示，包括热泵主机1、具有下进水口和上出水口的水箱3，以及含有智能器件的控制单元2。水箱3外包绕微通道集成换热器6，该换热器6通过平行微通道扁管组中的冷媒与水箱内胆中的水换热，每个微通道扁平管内有数十条细微流道,在扁平管的两端与圆形集管相联，集管两端封闭并在内部设置隔板,将换热器流道分隔成迂回流程。本实施例的微通道集成换热器6不仅通过集管6-3、6-4中的隔板分隔流道，而且借助隔离板6-6、6-7分隔为换热面积基本一致的两个独立换热器：即上部换热器6-1和下部换热器6-2。上部换热器6-1通过集管上端封闭板、隔板6-5分隔成迂回流道；下部换热器6-2通过隔板6-8和集管下端封闭板分隔成迂回流道。

水箱3上设置三个探温点，上温度传感器T1设置在上换热器6-1区域，下温度传感器T2设置在下换热器6-2区域，出水温度传感器T3设置在上出水口区域，分别用于检测水箱上部、下部的水温和出水口温度。

热泵主机1的冷媒出管通过三通阀4分别与上换热器6-1和下换热器6-2的进管连通，上换热器6-1和下换热器6-2的出管分别与热泵主机1的冷媒回管连通。两个换热器的出管分别设置有单向阀7，以确保在两个换热器间进行换热切换时，整个系统运行可靠稳定。

上温度传感器T1、下温度传感器T2和出水温度传感器T3的信号输出端分别与控制单元2内智能器件的信号输入端连接，该智能器件的相应控制输出端分别接三通阀4和热泵主机1的受控端，从而借助三通阀4调控冷媒进换热器的路径，当冷媒在上换热器6-1内换热时，换向阀的4-1和4-2口导通；当冷媒在下换热器6-2内换热时，换向阀4-1和4-3口导通。

控制单元的具体控制电路如图6所示，包括智能器件芯片D1构成的控制模块、分别外接温度传感器T1、T2、T3的探温模块、三通阀和热泵控制模块，以及电源模块和显示板通讯模块，其中热泵控制模块含有热泵的压缩机、四通阀、风机控制电路。其具体的连接即信号传输关系不难根本签署技术方案理解，故不详述。

控制单元具有可选择的半胆加热和全胆加热模式。当选择半胆加热模式时，如图5所示，智能器件控制步骤为：

探测上温度传感器探测的温度信号T1；

进行温低判断：判断其是否低于设定温度Ts减去第一预定值5℃，如判断为否则循环探测上温度传感器探测的温度信号T1并循环该判断；如判断为是则控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并开启热泵主机加热；

进行温高判断：判断上温度传感器探测的信号T1是否大于设定值Ts，如温高判断为否则保持主机开启，循环该判断；如温高判断为是则控制关闭热泵主机并返回接收上温度传感器的探测信号。

当选择全胆加热模式时，如图2所示，智能器件控制步骤为：

接收上、下温度传感器的探测信号T1、T2并判断上温度传感器、下温度传感器之一的探测温度下降率是否大于45秒内下降3℃的预定速率，从而得知是否发生了大用水事件；如否则进入整胆速热控制流程，如是则进入放水补热控制流程。

进入整胆速热控制流程后，如图3所示，智能器件控制步骤为：

接收上、下温度传感器的探测信号T1、T2；

控制进行初始判断：判断上温度传感器探测的温度信号T1是否小于设定温度Ts减去第一预定值5℃或下温度传感器探测T2的温度信号是否小于设定温度Ts减去第二预定值10℃；如初始判断为否则循环该判断；

如初始判断为是则控制进行双温判断：判断上温度传感器和下温度传感器探测的温度信号T1和T2是否均小于设定温度Ts减去预定下限阈值12℃；

如双温判断为否则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通并开启热泵主机后进行终了判断；

如双温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并开启热泵主机加热水箱上部，之后控制进行上温判断：判断上温度传感器探测的信号T1是否大于设定值Ts减去第二预定值10℃；

如上温判断为否则控制则保持三通阀使冷媒出管与上换热器连通，循环该判断；

如上温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通，之后控制进行终了判断：判断上温度传感器探测的温度信号T1是否大于设定温度Ts且下温度传感器探测的温度信号T2是否大于设定温度Ts减去第一预定值5℃；

如终了判断为否则返回保持三通阀使冷媒出管与下换热器连通，循环该判断；

如终了判断为是则控制关闭热泵主机，之后返回初始判断之前的接收上、下温度传感器的探测信号。

进入放水补热控制流程后，如图4所示，智能器件控制步骤为：

控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并控制热泵主机开启加热；

接收上、下温度传感器以及出水温度传感器的探测信号T1、T2、T3；

控制进行高温判断：判断上温度传感器探测的温度信号T1是否大于设定温度Ts加第一预定值5℃；

如高温判断为否则保持冷媒出管与上换热器连通,循环该判断；如高温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通,之后控制进行低温判断：判断上温度传感器探测的温度信号T1是否小于设定温度Ts与预定上限阈值℃之和；

如低温判断为是则返回控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通；如低温判断为否则返回保持三通阀使冷媒出管与下换热器连通，循环该判断；

且在此控制流程的两个循环判断中随时穿插进行转换判断，：判断出水温度传感器的探测温度是否在预定时间间隔90秒内出现预定温降3 ℃或者上温度传感器和下温度传感器探测的温度信号在设定时长10min内无下降；

如转换判断为是则转至整胆速热控制流程,如转换判断为否则返回本控制流程，继续运行。本实施例的转换判断分别穿插在接收上、下温度传感器以及出水温度传感器的探测信号步骤、以及控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通步骤之后，也可以按需穿插在其它步骤之后。

试验证明，本实施例具有如下显著优点：

1）合理设置了半胆、全胆加热，以及整胆速热和放水补热模式，巧妙通过探测T1或T2在45s内下降3℃判断用户在持续放水，从而控制换向阀相应动作，在用户放水的过程中及时补热，提升热水量，满足需求。

2）换热结构独立但整体不分离的集成式微通道换热器成本低，安装时仅需整体包覆在内胆上，方便快捷，换热效率高。当然，实际应用时也可采用吹胀式结构或盘管结构。

3）上、下换热器独立设置的结构可以按需自如调节加热区域，实现全胆加热以及独特的夏季或使用人员较少时的半胆加热，尽可能减少不必要的能耗。

4）整胆速热模式下，当上部区域温度较低时，首先加热上部区域，确保快速制得热水；当上部区域水温升高但未到设定温度时就切换至下胆加热，在水箱加热下部区域水的过程中，合理利用热水自然上升的趋势，上部水温同时也会上升，此时水箱底部温度较低，切换冷媒至下换热器加热，可加大系统在水箱低温区的加热时间比例，提升热泵热水器系统在整个加热过程的综合能效。

5）放水补热模式尤为适合冬季或用户用水需求量较大时，可以在用户放水的过程中合理控制换向阀动作，及时补热，提升热水量，并确保整个系统的稳定可靠；而一旦出水口探温（T3→T3-3℃）<90s或T1和T2在10min内无温降，则判定用户停止放水，及时转换模式。

Claims (6)

1.一种速热式热泵热水器系统，包括热泵主机、具有下进水口和上出水口的水箱，以及含有智能器件的控制单元；其特征在于：所述水箱的上部和下部分别装有换热面积基本一致的上换热器和下换热器，并分别设置有上温度传感器和下温度传感器，所述上出水口设置有出水温度传感器；所述热泵主机的冷媒出管通过三通阀分别与上换热器和下换热器的进管连通，所述上换热器和下换热器的出管分别与热泵主机的冷媒回管连通；所述上温度传感器、下温度传感器和出水温度传感器的信号输出端分别与控制单元智能器件的信号输入端连接，所述智能器件的相应控制输出端分别接三通阀和热泵主机的受控端。

2.根据权利要求1所述的速热式热泵热水器系统，其特征在于：所述控制单元具有可选择的半胆加热和全胆加热模式；

当选择半胆加热模式时，所述智能器件用以接收上温度传感器探测的温度信号并控制进行温低判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否低于设定温度减去第一预定值，如温低判断为否则循环探测上温度传感器探测的温度信号并循环该判断；如温低判断为是则控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并开启热泵主机加热，之后控制进行温高判断：判断上温度传感器探测的信号是否大于设定值，如温高判断为否则保持主机开启，循环该判断；如温高判断为是则控制关闭热泵主机并返回接收上温度传感器的探测信号。

3.根据权利要求2所述的速热式热泵热水器系统，其特征在于：

当选择全胆加热模式时，所述智能器件用以接收上、下温度传感器的探测信号并判断上温度传感器、下温度传感器之一的探测温度下降率是否大于预定速率；如否则进入整胆速热控制流程，如是则进入放水补热控制流程；

——进入整胆速热控制流程后，所述智能器件用以接收上、下温度传感器的探测信号并控制进行初始判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否小于设定温度减去第一预定值或下温度传感器探测的温度信号是否小于设定温度减去第二预定值；如初始判断为否则循环该判断,如初始判断为是则控制进行双温判断：判断上温度传感器和下温度传感器探测的温度信号是否均小于设定温度减去预定下限阈值；

如双温判断为否则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通并开启热泵主机后进行终了判断；如双温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并开启热泵主机加热水箱上部，之后控制进行上温判断：判断上温度传感器探测的信号是否大于设定值减去第二预定值；

如上温判断为否则控制则保持三通阀使冷媒出管与上换热器连通，循环该判断，如上温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通，之后控制进行终了判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否大于设定温度且下温度传感器探测的温度信号是否大于设定温度减去第一预定值；

如终了判断为否则返回保持三通阀使冷媒出管与下换热器连通，循环该判断；如终了判断为是则控制关闭热泵主机，之后返回初始判断之前的接收上、下温度传感器的探测信号；

——进入放水补热控制流程后，所述智能器件用以控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通并控制热泵主机开启加热，接收上、下温度传感器以及出水温度传感器的探测信号并控制进行高温判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否大于设定温度加第一预定值；

如高温判断为否则保持冷媒出管与上换热器连通,循环该判断；如高温判断为是则控制三通阀使冷媒出管与下换热器连通,之后控制进行低温判断：判断上温度传感器探测的温度信号是否小于设定温度与预定上限阈值之和；

如低温判断为是则返回控制三通阀使冷媒出管与上换热器连通；如低温判断为否则返回保持三通阀使冷媒出管与下换热器连通，循环该判断；

且在此控制流程的两个循环判断中随时穿插进行转换判断：判断出水温度传感器的探测温度是否在预定时间间隔内出现预定温降或者上温度传感器和下温度传感器探测的温度信号在设定时长内无下降；

如转换判断为是则转至整胆速热控制流程,如转换判断为否则返回本控制流程，继续运行。

4.根据权利要求1或3所述的速热式热泵热水器系统，其特征在于：所述上换热器和下换热器的出管分别经单向阀与热泵主机的冷媒回管连通。

5.根据权利要求4所述的速热式热泵热水器系统，其特征在于：所述上换热器和下换热器由两端与圆形集管相联的微通道集成换热器构成，所述集管内设有分隔出换热面积基本一致的上、下独立换热器的隔离板，以及使各独立换热器形成迂回流道的隔板。

6.根据权利要求5所述的速热式热泵热水器系统，其特征在于：所述第一预定值的取值范围为3~5℃，所述第二预定值的取值范围为8~10℃，所述温度下降率为45s内下降3℃，所述预定下限阈值的取值范围为12~14℃，所述预定上限阈值的取值范围为2~3℃。