CN108800612B - 太阳能热管式空气源热泵热水器 - Google Patents

Abstract

一种太阳能热管式空气源热泵热水器，包括太阳能集热器、预热蒸发器、压缩机、冷凝器、冷凝热管组和双腔水箱；冷凝热管组包括第一热管冷凝段、第二热管冷凝段和热管蒸发段；双腔水箱包括相互连通的预热腔和主加热腔；其中，第一热管冷凝段设置于预热蒸发器上，第二热管冷凝段设置于预热腔上，热管蒸发段设置于太阳能集热器上，冷凝器设置于主加热腔上；压缩机与冷凝器连接；压缩机运行时，第一热管冷凝段工作，第二热管冷凝段关闭；压缩机关闭时，第二热管冷凝段工作，第一热管冷凝段关闭。本发明能有效提升空气源热泵热水器系统在低温环境下的热效率，显著改善低温环境下的结霜现象，并在热泵系统不运行的状态下能有效地收集并储存太阳能。

Description

太阳能热管式空气源热泵热水器

技术领域

本发明涉及一种空气源热泵热水器，特别涉及一种太阳能热管式空气源热泵热水器。

背景技术

现有的空气源热泵热水器主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀以及其他辅助部件，该空气源热泵热水器是通过蒸发器吸收空气的热量，然后运输热量并在冷凝器中进行放热，从而加热并获得热水。普通空气源热泵热水器只能利用空气的热量，但在低温天气时由于蒸发器传热温差小，换热效率低，导致热泵热水器的能效低下，而且由于吸气温度低，导致压缩机的压缩比过大，使得压缩机的排气过热度大，不利于压缩机及系统的运行。此外，由于低温天气蒸发温度低，蒸发器表面会出现结霜现象，换热性能恶化，需频繁开启除霜模式，严重影响系统运行。

太阳能是一种方便获取的可利用的清洁能源，因此如何设计一种装置，使得该装置通过利用太阳能，有效提升空气源热泵热水器系统在低温环境下的热效率，显著改善低温环境下的结霜现象，而且在热泵系统不运行的状态下也能有效地储存太阳能热量，从而节约能源和耗材，是本领域技术人员亟待解决的重要问题。

因此，有必要做进一步改进。

发明内容

本发明旨在针对以上所述现有空气源热泵热水器存在的不足，提供一种太阳能热管式空气源热泵热水器，该空气源热泵热水器能有效提升空气源热泵热水器系统在低温环境下的热效率，显著改善低温环境下的结霜现象，并在热泵系统不运行的状态下能有效地收集并储存太阳能。

按此目的设计的一种太阳能热管式空气源热泵热水器，包括太阳能集热器、预热蒸发器、压缩机、冷凝器；其特征在于：还包括冷凝热管组和双腔水箱；所述冷凝热管组包括相互并联连接的第一热管冷凝段、第二热管冷凝段和热管蒸发段；所述双腔水箱包括相互连通的预热腔和主加热腔；其中，第一热管冷凝段设置于预热蒸发器上，第二热管冷凝段设置于预热腔上，热管蒸发段设置于太阳能集热器上，冷凝器设置于主加热腔上；所述压缩机与冷凝器连接；压缩机运行时，第一热管冷凝段工作，第二热管冷凝段关闭；压缩机关闭时，第二热管冷凝段工作，第一热管冷凝段关闭。

所述第一热管冷凝段的进水管路上设置第一电子阀，第二热管冷凝段的进水管路上设置第二电子阀；所述第一热管冷凝段和第二热管冷凝段的出水管路相互交汇汇合，并通过回流管连接热管蒸发段的进水端，回流管上设置有单向阀。

所述第一热管冷凝段采用管翅式换热器，管排为竖向布置；所述第二热管冷凝段采用盘管式换热器；第一热管冷凝段和/或第二热管冷凝段的进水端和出水端为上下布置。

所述第一热管冷凝段和/或第二热管冷凝段的出水端至回流管部分有一定的下倾角度，下倾角度以0°-15°为宜。

所述预热蒸发器包括蒸发器主体、流道连接件和引风机；所述第一热管冷凝段设置于蒸发器主体迎风的一侧，引风机设置于蒸发器主体另一侧，流道连接件将第一热管冷凝段与蒸发器主体的同侧周边连接，以构成环形的密闭流道；所述蒸发器主体、压缩机和冷凝器环路连接，蒸发器主体与冷凝器之间设置有膨胀阀。

所述压缩机与蒸发器主体和/或冷凝器之间设置有四通阀，压缩机通过四通阀与蒸发器主体和/或冷凝器连接。

所述双腔水箱由预热腔和主加热腔并靠而成，预热腔上部设置有水箱进口管，主加热腔上部设置有水箱出口管，预热腔下部与主加热腔下部通过腔间连接管相互连通，预热腔与主加热腔通过腔间连接杆相互固定连接。

所述太阳能集热器为集热板型或真空管型，优选真空管型。

本发明有以下技术效果：

本发明克服了普通空气源热泵热水器在低温环境由于蒸发器传热温差小，换热效率低，导致热泵热水器的能效低下，压缩机的排气过热度大，不利于压缩机及系统的运行，而且由于低温天气蒸发温度低，蒸发器表面会出现结霜现象，换热性能恶化，需频繁开启除霜模式等缺点。本发明的空气源热泵热水器通过利用清洁能源太阳能，提高了低温环境下空气热源的温度，提高了蒸发器的蒸发温度，增大了换热温差，提高了换热效率，从而提高空气源热泵热水器的整体效率；而且还能有效改善低温环境下蒸发器结霜对的现象；此外，在热泵系统不运行的情况下，太阳能可有效地在水箱中进行存储，达到节约耗材和能源的效果。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图。

图2为本发明一实施例中第一热管冷凝段与预热蒸发器组合的局部剖视图。

图3为本发明一实施例中第一热管冷凝段的工作示意图(局部剖视)。

图4为本发明一实施例中预热蒸发器的工作示意图(局部剖视)。

图5为本发明一实施例中双腔水箱组装状态下的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-图5，本太阳能热管式空气源热泵热水器，包括太阳能集热器1、冷凝热管组2、预热蒸发器3、压缩机5、冷凝器6和双腔水箱7；冷凝热管组2包括相互并联连接的第一热管冷凝段21、第二热管冷凝段22和热管蒸发段23；双腔水箱7包括相互连通的预热腔71和主加热腔72；其中，第一热管冷凝段21设置于预热蒸发器3上，第二热管冷凝段22设置于预热腔71内，热管蒸发段23设置于太阳能集热器1上，冷凝器6设置于主加热腔72内；压缩机5与冷凝器6连接。太阳能集热器1和热管蒸发段23构成太阳能模块，预热蒸发器3和第一热管冷凝段21构成热泵系统模块，第二热管冷凝段22、冷凝器6和双腔水箱7构成水箱模块，太阳能热管式空气源热泵热水器由太阳能模块、热泵系统模块和水箱模块相互叠合而成。压缩机5运行时，第一热管冷凝段21工作，第二热管冷凝段22关闭；压缩机5关闭时，第二热管冷凝段22工作，第一热管冷凝段21关闭。本太阳能热管式空气源热泵热水器分三种运行模式：模式一，热泵运行模式时，第二热管冷凝段22进水管路上的第二电子阀42关闭，第二热管冷凝段22截止，而第一热管冷凝段21进水管路上的第一电子阀41开启，第一热管冷凝段21连通，第二热管冷凝段22与预热腔71内的水没有热交换；模式二，热泵停止模式时，第二热管冷凝段22进水管路上的第二电子阀42开启，第二热管冷凝段22连通，而第一热管冷凝段21进水管路上的第一电子阀41关闭，第一热管冷凝段21截止，太阳能通过第二热管冷凝段22将热量储存在预热腔71内的水中；模式三，热泵除霜模式时，第一电子阀41和/或第二电子阀42开启，相应的热管冷凝段连通。

进一步说，第一热管冷凝段21的进水管路上设置第一电子阀41，第二热管冷凝段22的进水管路上设置第二电子阀42；第一热管冷凝段21和第二热管冷凝段22的出水管路相互交汇汇合，并通过回流管24连接热管蒸发段23的进水端，回流管24上设置有单向阀9。

进一步说，第一热管冷凝段21采用管翅式换热器，为减少热管工质的流动阻力以及更好利用重力回流，管排为竖向布置；第二热管冷凝段22采用盘管式换热器(即螺旋管换热器)，采用水平的蛇形或者平行流集液管式设置，有利于安装和工质换热流动；第一热管冷凝段21和/或第二热管冷凝段22的进水端和出水端为上下布置。

进一步说，第一热管冷凝段21和/或第二热管冷凝段22的出水端至回流管24部分有一定的下倾角度，下倾角度优选0°-15°为宜。

进一步说，预热蒸发器3包括蒸发器主体31、流道连接件32和引风机33；第一热管冷凝段21设置于蒸发器主体31迎风的一侧，引风机33设置于蒸发器主体31另一侧，空气将先与第一热管冷凝段21进行换热，然后与蒸发器主体31换热，此时蒸发器主体31的传热温差增大，换热效率有效提高；流道连接件32将第一热管冷凝段21与蒸发器主体31的同侧周边拆卸式连接，以构成环形的密闭流道，同时起到固定支撑作用；蒸发器主体31、压缩机5和冷凝器6环路连接，蒸发器主体31与冷凝器6之间设置有膨胀阀8。

进一步说，压缩机5与蒸发器主体31和/或冷凝器6之间设置有四通阀10，压缩机5通过四通阀10与蒸发器主体31和/或冷凝器6连接。

进一步说，双腔水箱7由预热腔71和主加热腔72并靠而成，预热腔71和主加热腔72外壁均设置有保温层77；预热腔71上部设置有水箱进口管74，主加热腔72上部设置有水箱出口管75，预热腔71下部与主加热腔72下部通过腔间连接管73相互连通，水先从水箱进口管74进入预热腔71，然后通过腔间连接管73进入主加热腔72，最后热水从水箱出口管75输出；预热腔71与主加热腔72通过腔间连接杆76相互固定连接，以连接和固定两个腔体。其中，腔间连接管73可设置于与腔间连接杆76相同或不同的壁面上，可用管道硬连接或软连接；优选地，腔间连接管73应设置于预热腔71和主加热腔72相对的壁面上，并采用管道软连接。

进一步说，太阳能集热器1为真空管型，热管蒸发段23设置于真空管内。

工作原理：1.热泵运行时，第一电子阀41开启，第一热管冷凝段21支管路连通，同时第二电子阀42关闭，第二热管冷凝段22支管路截止；此时热管热管工质从热管蒸发段23出发，依次经过：太阳能集热器1、第一电子阀41、第一热管冷凝段21、回流管24、单向阀9，最后回到热管蒸发段23；空气首先通过第一热管冷凝段21与热管工质进行换热，空气温度升高，然后通过蒸发器主体31与热泵的制冷剂进行换热，此时空气与蒸发器主体31中的制冷剂的温差增大，蒸发器主体31的换热能力增大，从而热泵的系统效率随之提高，此外，第一热管冷凝段21提高了环境空气温度，有效改善由于低温天气时，环境空气温度过低造成的蒸发器结霜问题。2.热泵停止时，第二电子阀42开启，第二热管冷凝段22支管路连通，同时第一电子阀41关闭，第一热管冷凝段21支管路截止；此时热管热管工质从热管蒸发段23出发，依次经过：太阳能集热器1、第二电子阀42、第二热管冷凝段22、回流管24、单向阀9，最后回到热管蒸发段23；工质将太阳能运输至第二热管冷凝段22，并与双腔水箱7的预热腔71中的水进行换热，从而将在热泵不运行时，有效将太阳能收集并储存在预热腔71的水中。

通过以上设置，本太阳能热管式空气源热泵热水器可在运行和不运行状态都可有效利用太阳能，并提升热泵系统的运行效率，改善低温环境下热泵蒸发器的结霜难题。

上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种太阳能热管式空气源热泵热水器，包括太阳能集热器(1)、预热蒸发器(3)、压缩机(5)、冷凝器(6)；其特征在于：还包括冷凝热管组(2)和双腔水箱(7)；所述冷凝热管组(2)包括相互并联连接的第一热管冷凝段(21)、第二热管冷凝段(22)和热管蒸发段(23)；所述双腔水箱(7)包括相互连通的预热腔(71)和主加热腔(72)；其中，第一热管冷凝段(21)设置于预热蒸发器(3)上，第二热管冷凝段(22)设置于预热腔(71)上，热管蒸发段(23)设置于太阳能集热器(1)上，冷凝器(6)设置于主加热腔(72)上；所述压缩机(5)与冷凝器(6)连接；压缩机(5)运行时，第一热管冷凝段(21)工作，第二热管冷凝段(22)关闭；压缩机(5)关闭时，第二热管冷凝段(22)工作，第一热管冷凝段(21)关闭；

所述第一热管冷凝段(21)的进水管路上设置第一电子阀(41)，第二热管冷凝段(22)的进水管路上设置第二电子阀(42)；所述第一热管冷凝段(21)和第二热管冷凝段(22)的出水管路相互交汇汇合，并通过回流管(24)连接热管蒸发段(23)的进水端，回流管(24)上设置有单向阀(9)；

所述预热蒸发器(3)包括蒸发器主体(31)、流道连接件(32)和引风机(33)；所述第一热管冷凝段(21)设置于蒸发器主体(31)迎风的一侧，引风机(33)设置于蒸发器主体(31)另一侧，流道连接件(32)将第一热管冷凝段(21)与蒸发器主体(31)的同侧周边连接，以构成环形的密闭流道；所述蒸发器主体(31)、压缩机(5)和冷凝器(6)环路连接，蒸发器主体(31)与冷凝器(6)之间设置有膨胀阀(8)。

2.根据权利要求1所述的太阳能热管式空气源热泵热水器，其特征在于：所述第一热管冷凝段(21)采用管翅式换热器，管排为竖向布置；所述第二热管冷凝段(22)采用盘管式换热器；第一热管冷凝段(21)和/或第二热管冷凝段(22)的进水端和出水端为上下布置。

3.根据权利要求1所述的太阳能热管式空气源热泵热水器，其特征在于：所述第一热管冷凝段(21)和/或第二热管冷凝段(22)的出水端至回流管(24)部分有一定的下倾角度。

4.根据权利要求3所述的太阳能热管式空气源热泵热水器，其特征在于：所述下倾角度以0°-15°为宜。

5.根据权利要求1所述的太阳能热管式空气源热泵热水器，其特征在于：所述压缩机(5)与蒸发器主体(31)和/或冷凝器(6)之间设置有四通阀(10)，压缩机(5)通过四通阀(10)与蒸发器主体(31)和/或冷凝器(6)连接。

6.根据权利要求1所述的太阳能热管式空气源热泵热水器，其特征在于：所述双腔水箱(7)由预热腔(71)和主加热腔(72)并靠而成，预热腔(71)上部设置有水箱进口管(74)，主加热腔(72)上部设置有水箱出口管(75)，预热腔(71)下部与主加热腔(72)下部通过腔间连接管(73)相互连通，预热腔(71)与主加热腔(72)通过腔间连接杆(76)相互固定连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的太阳能热管式空气源热泵热水器，其特征在于：所述太阳能集热器(1)为集热板型或真空管型。