CN108895665A - 一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，包括沿制冷剂流动方向依次连接并构成循环的蒸发器、压缩机、具有冷凝制冷剂和加热升温热水两种作用的冷凝器/储热器一体化装置和节流装置。本发明采用分区域梯级储热技术，可满足用户冬天和夏天的用水需求，与传统储热水箱相比，因相变储热具有较高的储能密度可有效减小储热装置的安装空间和降低生产成本；与单一的相变储热器相比，本发明采用的分区域梯级储热技术可以保证空气源热泵在冬季外界环境温度很低时仍具有较高的性能系数，通过相变储热材料预热和电加热再热升温保证外界用户的用热需求，具有高效节能，结构紧凑，更实用等特点，可广泛用于生活热水、建筑采暖领域。

Description

一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机

技术领域

本发明属于热泵热水器技术领域，涉及一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机。

背景技术

近几年来，相变储热因其具有高储热密度，吸热放热稳定，材料价位低廉等特点而受到广泛关注，而被应用于空气源热泵热水器中。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品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CN201620599119.X的发明专利公开了“一种相变储热空气源热泵热水器”，通过相变材料将制冷剂的冷凝热储存起来，在用户需要使用热水时，相变材料再通过换热器向自来水放热，加热后的热水供用户使用。该方法单纯的依靠相变材料实现了制冷剂的冷凝热对自来水的加热以供用户使用，相变温度过高时虽然能满足用户用水需求，但是会使得热泵系统的性能系数比较低，能耗太大，能源利用率较低。

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分区域梯级储热一体机，与传统储热水箱相比，因相变储热具有较高的储能密度可有效减小储热装置的安装空间和降低生产成本；与单一的相变储热器相比，本发明采用的分区域梯级储热技术可以保证空气源热泵在冬季外界环境温度很低时仍具有较高的性能系数，通过相变储热材料预热和电加热再热升温保证外界用户的用热需求，具有高效节能，结构紧凑，更实用等特点，可广泛用于生活热水、建筑采暖领域。

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分区域梯级储热一体机，包括沿制冷剂流动方向依次连接并构成循环的蒸发器、压缩机、冷凝器/储热器一体化装置和节流装置，所述的冷凝器/储热器一体化装置包括相变材料的中温腔体和内置加热单元的高温腔体，在中温腔体中还布置有制冷剂盘管和热水盘管，其中，制冷剂盘管的两端分别伸出中温腔体并分别连接所述压缩机和节流装置，热水盘管的一端伸出中温腔体作为常温水进口，另一端伸入所述高温腔体内连接所述加热单元后，作为热水出口伸出。

在一种优选的实施方式中，所述的中温腔体内的相变材料中填埋有换热翅片，所述制冷剂盘管与热水盘管分别横插在所述换热翅片上并交错排列。

在一种优选的实施方式中，所述的相变材料的熔点为40-55℃的无机相变材料或有机相变材料。

更优选的，所述的有机相变材料为石蜡或有机酸中的一种或几种的复合；

所述的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中的一种或几种的复合。

进一步更优选的，所述的有机酸为硬脂酸或月桂酸；

所述的无机相变材料为十水合硫酸钠、十二水合磷酸氢二钠、三水醋酸钠或五水硫代硫酸钠中的一种或几种的复合。

在一种优选的实施方式中，所述的加热单元为电加热装置。电加热装置采用常用的可对热水盘管加热的电加热器即可。

在一种优选的实施方式中，所述的蒸发器旁还布置有室外风机。

在一种优选的实施方式中，所述的压缩机为容积式压缩机或离心式压缩机。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

第一，本发明采用40-55度的相变材料，相变温度与制冷剂冷凝温度匹配，而且放热过程近似等温，放热温度均衡，使得系统具有供热的稳定性与用户的舒适性。压缩机依靠谷电驱动，其运行成本是传统电加热运行的1/2～1/5，节能效果明显。

第二，本发明采用相变储热与电加热装置相结合的梯级加热方式，高温腔体内安设有电加热装置，弥补了中温腔体内热水盘管中水温不足的缺陷，保证热水管中的水温能够达到用户所需温度。

第三，中温腔体与高温腔体一体化设计，结构紧凑，相变储热与电加热器共同作用，既保证了热泵系统的高性能系数也保证了热泵热水器系统的高性能系数，比单纯的相变储热热水器更加节能，并且使用户舒适感更强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记说明：

1为室外风机，2为蒸发器，3为节流装置，4为冷凝器/储热器一体化装置，4-1为壳体，4-2为电加热装置，4-3为相变材料，4-4为换热翅片，5为制冷剂盘管，6为压缩机，7为热水盘管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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分区域梯级储热一体机，其结构如图1所示，包括沿制冷剂流动方向依次连接并构成循环的蒸发器2、压缩机6、冷凝器/储热器一体化装置4和节流装置3，所述的冷凝器/储热器一体化装置4包括相变材料4-3的中温腔体和内置加热单元的高温腔体，在中温腔体中还布置有制冷剂盘管5和热水盘管7，其中，制冷剂盘管5的两端分别伸出中温腔体并分别连接所述压缩机6和节流装置3，热水盘管7的一端伸出中温腔体作为常温水进口，另一端伸入所述高温腔体内连接所述加热单元后，作为热水出口伸出。中温腔体和高温腔体可以集成在同一壳体4-1内部，从而形成一体化单元。

储热时通过制冷剂盘管5利用制冷剂的冷凝热对相变材料4-3加热实现蓄热，放热时，首先在中温腔体内，利用相变材料4-3储存的热量对热水盘管7中的自来水加热升温，接着在高温腔体内通过电加热装置4-2对热水盘管7进一步加热升温，以达到外界热用户需求。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述的中温腔体内的相变材料4-3中填埋有换热翅片4-4，所述制冷剂盘管5与热水盘管7分别横插在所述换热翅片4-4上并交错排列。此种换热翅片4-4与制冷剂盘管5、热水盘管7等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。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述的相变材料4-3的熔点为40-55℃的无机相变材料4-3或有机相变材料4-3。更优选的，所述的有机相变材料4-3为石蜡或有机酸等中的一种或几种的复合；所述的无机相变材料4-3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等中的一种或几种的复合。

进一步更优选的，所述的有机酸为硬脂酸或月桂酸等；所述的无机相变材料4-3为十水合硫酸钠、十二水合磷酸氢二钠、三水醋酸钠或五水硫代硫酸钠等中的一种或几种的复合。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述的加热单元为电加热装置4-2。电加热装置4-2采用常用的可对热水盘管7加热的电加热器即可。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述的蒸发器2旁还布置有室外风机1。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述的压缩机6为容积式压缩机6或离心式压缩机6等。

在本发明的一种优选的实施方式中，节流装置3采用节流阀。

实施例1

一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其结构如图1所示，包括室外风机1，还包括依次连接并构成循环回路的蒸发器2、压缩机6、冷凝器/储热器一体化装置4和节流装置3，其中，冷凝器/储热器一体化装置4具有制冷剂冷凝器与分区域梯级储热的双重功能，包括中温腔体和高温腔体两部分，其中，中温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6与节流装置3的制冷剂盘管5，另一组为用于供热的热水盘管7，中温腔体内还填充有相变材料4-3，高温腔体内中安装有电加热装置4-2，并与从中温腔体内引出的热水盘管7连接。

储热阶段，利用中温腔体内相变材料4-3的相变潜热实现热量储存以备用户使用，首先制冷剂在蒸发器2中吸收外界环境热量蒸发，然后进入压缩机6，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，通过制冷剂盘管5利用制冷剂的冷凝热对相变材料4-3加热实现蓄热，同时相变材料4-3吸热熔化，放热后的制冷剂经节流装置3减压后回到蒸发器2，进入下一次循环，直到完成相变材料4-3的熔化储热。如果该阶段采用夜间低谷电驱动空气源热泵热水器工作为相变材料4-3储热，可降低运行成本，是传统直接电加热的1/2～1/7，具有良好的节能经济性。

放热阶段，相变材料4-3储存的相变潜热和电加热装置4-2共同作用以满足热用户需求，压缩机6停止工作，用户将自来水通入冷凝器/储热器一体化装置4，通过热水盘管5利用相变材料4-3储存的热量向外界热用户供热，液态相变材料4-3凝固时放出的热量对自来水初步加热，自来水温度升高后进入高温腔体，电加热装置4-2对热流体进一步加热升温后输出给用户使用。由于采用冷凝器/储热器分区域梯级一体化设计等，本发明空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机结构紧凑、换热温差小且效率高，与普通热水器相比其储/放热换热温差可降低5-15℃；与单一依靠相变潜热的空气源热泵热水器的储热水箱相比，因采用分区域梯级储热其系统的性能系数能够维持在一个比较高的水平。

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 (8)

1.一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其特征在于，包括沿制冷剂流动方向依次连接并构成循环的蒸发器(2)、压缩机(6)、冷凝器/储热器一体化装置(4)和节流装置(3)，所述的冷凝器/储热器一体化装置(4)包括相变材料(4-3)的中温腔体和内置加热单元的高温腔体，在中温腔体中还布置有制冷剂盘管(5)和热水盘管(7)，其中，制冷剂盘管(5)的两端分别伸出中温腔体并分别连接所述压缩机(6)和节流装置(3)，热水盘管(7)的一端伸出中温腔体作为常温水进口，另一端伸入所述高温腔体内连接所述加热单元后，作为热水出口伸出。

2.根据权利要求1所述的一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其特征在于，所述的中温腔体内的相变材料(4-3)中填埋有换热翅片(4-4)，所述制冷剂盘管(5)与热水盘管(7)分别横插在所述换热翅片(4-4)上并交错排列。

3.根据权利要求1或2所述的一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其特征在于，所述的相变材料(4-3)的熔点为40-55℃的无机相变材料(4-3)或有机相变材料(4-3)。

4.根据权利要求3所述的一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其特征在于，所述的有机相变材料(4-3)为石蜡或有机酸中的一种或几种的复合；

所述的无机相变材料(4-3)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。

5.根据权利要求4所述的一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其特征在于，所述的有机酸为硬脂酸或月桂酸；

所述的无机相变材料(4-3)为十水合硫酸钠、十二水合磷酸氢二钠、三水醋酸钠或五水硫代硫酸钠中的一种或几种的复合。

6.根据权利要求1所述的一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其特征在于，所述的加热单元为电加热装置(4-2)。

7.根据权利要求1所述的一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其特征在于，所述的蒸发器(2)旁还布置有室外风机(1)。

8.根据权利要求1所述的一种空气源热泵热水器分区域梯级储热一体机，其特征在于，所述的压缩机(6)为容积式压缩机(6)或离心式压缩机(6)。