CN109307362B - 高效的极低温跨临界复叠式空气源热泵热水器 - Google Patents

Abstract

一种高效的极低温跨临界复叠式空气源热泵热水器，包括水箱、第一水泵、第二水泵和电加热器，水箱的第一出口与第一水泵的入口相连，第一水泵的出口与第一截止阀入口相连，第一截止阀的出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的出口与气冷器第一的入口相连，气冷器的第一出口与水箱的第一入口相连；冷水进水口与第三截止阀的入口相连，第三截止阀的出口与第四截止阀的入口相连。本发明基于能量梯级利用的热力学原理，采用以亚临界循环为低温级，和以跨临界循环为高温级组成的复叠系统，将不同加热模式巧妙结合，发挥不同梯级能量的优势，降低低温下气冷器出口温度，以此增加从空气吸收的热量，提升总体能效，系统可以在‑40℃的极低温下运行。

Description

高效的极低温跨临界复叠式空气源热泵热水器

技术领域

本发明属于热水器，涉及一种空气源热泵热水器。

背景技术

鉴于跨临界热泵循环的特性和优势，跨临界空气源热泵成为热泵领域的重点研究和发展对象。跨临界空气源热泵可以采用CO₂工质，相比传统的卤代烃类（氟利昂类）工质更环保，温室效应更低，更易获取。此外，由于其气冷器中工质处于超临界的特性使得特别适合通过逆流换热制取温度较高的热水，较为节能。

但该种热泵在使用中难免会出现热水在水箱中静止时导致温度降低需要循环加热的情况，此时其效率就较低。更致命的是，随着应用面的扩大，当其用于低温环境时，如中国北方冬季普遍可以降到-10℃乃至-20℃以下，该种热泵的效率快速下降。原蒸发温度10℃，北方冬季蒸发温度-20℃，伴随着蒸发温度降低，其吸气压力快速降低，由于压缩机的压比变化有限，其排气压力也必然下降，例如从10MPa下降为7MPa。产生热水不变，例如温度是65℃时，则65℃等温线与10MPa和7MPa等压线交点分别为a和b，我们可以看到b点相比a向右移动了很大的距离，这导致从a点和b点分别膨胀达到相应的蒸发温度后的c点与e点的位置相差较大，线段ef非常短，远远短于cd，这意味着ef对应的过程蒸发器从空气中吸收的热量非常少，即系统的能效很低，非常接近于1，考虑到压缩机效率、漏热损失、压力损失等，效率可能低于传统电加热。

发明内容

为了克服已有跨临界空气源热泵的能效较低的不足，为了改善上述问题，本发明基于能量梯级利用的热力学原理，采用以亚临界循环为低温级和以跨临界循环为高温级组成的复叠系统，将循环加热、直热和电加热三种模式巧妙结合，发挥不同梯级能量的优势，降低低温下气冷器出口温度，以此增加从空气吸收的热量，优化热泵运行工况，提升总体能效，系统可以在-40℃的极低温下运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高效的极低温跨临界复叠式空气源热泵热水器，包括水箱、蒸发器、第一压缩机、蒸发冷凝器、第一节流装置、第二压缩机、气冷器、第二节流装置、第一水泵、第二水泵和电加热器，所述水箱的第一出口与第一水泵的入口相连，第一水泵的出口与第一截止阀的入口相连，第一截止阀的出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的出口与气冷器的第一入口相连，气冷器的第一出口与水箱的第一入口相连；冷水进水口与第三截止阀的入口相连，第三截止阀的出口与第四截止阀的入口相连，第四截止阀的出口同时与第一截止阀的出口和第二截止阀的入口相连；第三截止阀的出口还与第五截止阀的入口相连，第五截止阀的出口与水箱的第三入口相连；水箱的第二出口与第二水泵的入口相连，第二水泵的出口与电加热器的入口相连，电加热器的出口与第六截止阀的入口相连，第六截止阀的出口与第七截止阀的入口相连，第七截止阀的出口与水箱的第二入口相连；水箱的第三出口与第八截止阀的入口相连，第八截止阀的出口与第九截止阀入口相连，第九截止阀的出口与用户相连；第六截止阀的出口还与第九截止阀的入口相连；蒸发器的出口与第一压缩机的入口相连，第一压缩机的出口与蒸发冷凝器的第一入口相连，蒸发冷凝器的第一出口与第一节流装置的入口相连，第一节流装置的出口与蒸发器的入口相连，蒸发冷凝器的第二出口与第二压缩机的入口相连，第二压缩机的出口与气冷器的第二入口相连，气冷器的第二出口与第二节流装置的入口相连，第二节流装置的出口与蒸发冷凝器的第二入口相连。

进一步，水箱的第一出口位于水箱底部，水箱第二出口位于水箱顶部，水箱第三出口位于水箱中部。

所述热水器还包括控制器，所述第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀、第八截止阀、第九截止阀均与所述控制器连接。

所述热水器还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，所述第一温度传感器位于水箱顶部，第二温度传感器位于水箱中部，第三温度传感器位于水箱底部，所述第四温度传感器为环境温度传感器，所述控制器还与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器连接。

所述热水器还包括用于检测用户是否取水的流量传感器，所述流量传感器位于热水器出口处，即第八截止阀的出口与第九截止阀入口之间，所述流量传感器与所述控制器连接。

本发明的有益效果主要表现在：1.低温下运行时，且水箱热水低于设定温度较少时，如采用循环式加热其效率可能反而低于电加热，因此采用从水箱顶部取水，并消耗少量电能直接加热后供给用户，以保证效率。2.低温下运行时，且水箱热水温度较低时，从水箱底部取水，通过复叠式热泵进行循环加热，尽可能的降低气冷器出口温度，提高能效。3.低温下运行时，水箱需要补水时，采用直热式加热，是效率较高的形式。

附图说明

图1是现有跨临界空气源热泵能效随蒸发温度降低原理图。

图2是高效的极低温跨临界复叠式空气源热泵热水器的示意图，其中，1：电加热器；2：第二水泵；3：第一温度传感器；4：第二温度传感器；5：第三温度传感器；6：水箱；7：控制器；8：第一水泵

9：流量传感器；18：第一截止阀；16：第二截止阀；14：第三截止阀；15：第四截止阀；17：第五截止阀；11：第六截止阀；12：第七截止阀；13：第八截止阀；10：第九截止阀；19：气冷器；20：第二节流装置；21：蒸发冷凝器；22：第二压缩机；23：第一节流装置；24：第四温度传感器；25：蒸发器；26：第一压缩机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图2，一种高效的极低温跨临界复叠式空气源热泵热水器，包括水箱6、蒸发器25、第一压缩机26、蒸发冷凝器21、第一节流装置23、第二压缩机22、气冷器19、第二节流装置20、第一水泵8、第二水泵2、电加热器1、第一截止阀18、第二截止阀16、第三截止阀14、第四截止阀15、第五截止阀17、第六截止阀11、第七截止阀12、第八截止阀13、第九截止阀10、第一温度传感器3、第二温度传感器4、第三温度传感器5、第四温度传感器24和流量传感器9，所述水箱的第一出口与第一水泵的入口相连，第一水泵的出口与第一截止阀的入口相连，第一截止阀的出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的出口与气冷器的第一入口相连，气冷器的第一出口与水箱的第一入口相连；冷水进水口与第三截止阀的入口相连，第三截止阀的出口与第四截止阀的入口相连，第四截止阀的出口同时与第一截止阀的出口和第二截止阀的入口相连；第三截止阀的出口还与第五截止阀的入口相连，第五截止阀的出口与水箱的第三入口相连；水箱的第二出口与第二水泵的入口相连，第二水泵的出口与电加热器的入口相连，电加热器的出口与第六截止阀的入口相连，第六截止阀的出口与第七截止阀的入口相连，第七截止阀的出口与水箱的第二入口相连；水箱的第三出口与第八截止阀的入口相连，第八截止阀的出口与第九截止阀入口相连，第九截止阀的出口与用户相连；第六截止阀的出口还与第九截止阀的入口相连；蒸发器的出口与第一压缩机的入口相连，第一压缩机的出口与蒸发冷凝器的第一入口相连，蒸发冷凝器的第一出口与第一节流装置的入口相连，第一节流装置的出口与蒸发器的入口相连，蒸发冷凝器的第二出口与第二压缩机的入口相连，第二压缩机的出口与气冷器的第二入口相连，气冷器的第二出口与第二节流装置的入口相连，第二节流装置的出口与蒸发冷凝器的第二入口相连。

进一步，水箱的第一出口位于水箱底部，水箱第二出口位于水箱顶部，水箱第三出口位于水箱中部。

所述热水器还包括控制器，所述第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀、第八截止阀、第九截止阀均与所述控制器连接。

所述热水器还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，所述第一温度传感器位于水箱顶部，第二温度传感器位于水箱中部，第三温度传感器位于水箱底部，所述第四温度传感器为环境温度传感器，所述控制器还与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器连接。

所述热水器还包括用于检测用户是否取水的流量传感器，所述流量传感器位于热水器出口处，即第八截止阀的出口与第九截止阀入口之间，所述流量传感器与所述控制器连接。

本实施例的运行模式如下：

第一、低温电加热直出水补水模式

当第四温度传感器24检测到环境温度低时（如低于0℃），且第二温度传感器4检测到水箱水温仅略微低于出水温度设定值，此时若流量传感器9检测到用户取水，若启动热泵加热由于环境温度低且水箱温度高热泵效率极低，考虑到管路损失，漏热损失等甚至低于电加热，所以此时采用电加热直出水模式，即电加热器1启动，第二水泵2和第六截止阀11也开启，第七截止阀12和第八截止阀13关闭，同时第二、第三、第四截止阀（14-16）以及第二压缩机22和第一压缩机26也开启，进行直热补水模式，而第一截止阀18、第五截止阀17和第一水泵8关闭。

第二、低温循环加热蓄水模式

当第四温度传感器24检测到环境温度低时（如低于0℃），流量传感器9未检测到用户取水，且第二温度传感器4检测到水箱水温也较低（如低于25℃），此时采用热泵循环加热可以维持一定的效率，所以第一水泵8，第二截止阀16，第一截止阀18以及第二压缩机22和第一压缩机26均开启，其余所有设备和阀门关闭。

第三、低温电加热循环蓄水模式

当第四温度传感器24检测到环境温度低时（如低于0℃），流量传感器9未检测到用户取水，且第二温度传感器4检测到水箱水温较高远高于环境温度且仅略微低于出水温度设定值时，若启动热泵加热由于环境温度低且水箱温度高热泵效率极低，考虑到管路损失，漏热损失等甚至低于电加热，而用户不急于用水，所以此时采用电加热循环模式，即电加热器1启动，第二水泵2，第六截止阀11和第七截止阀12也开启，其余所有设备和阀门关闭。

第四、低温/常温直热补水模式

当流量传感器9检测到用户取水时，无论第四温度传感器24检测到环境温度如何（即低温或常温），且第二温度传感器4检测到水箱水温仅略微低于出水温度设定值，此时采用热泵直热式加热可以达到一定的效率，所以此时采用热泵直热模式，即第二、第三、第四截止阀（14-16）以及第二压缩机22和第一压缩机26开启，其余所有设备和阀门关闭。

第五、常温循环加热蓄水模式

当第四温度传感器24检测到环境温度较高时（如20℃左右），且第二温度传感器4检测到水箱水温低于出水温度设定值，此时采用热泵循环加热可以达到一定的效率，即第一水泵8，第二截止阀16，第一截止阀18以及第二压缩机22和第一压缩机26均开启，其余所有设备和阀门关闭。

Claims (1)

1.一种高效的极低温跨临界复叠式空气源热泵热水器，其特征在于，包括水箱、蒸发器、第一压缩机、蒸发冷凝器、第一节流装置、第二压缩机、气冷器、第二节流装置、第一水泵、第二水泵和电加热器，所述水箱的第一出口与第一水泵的入口相连，第一水泵的出口与第一截止阀的入口相连，第一截止阀的出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的出口与气冷器的第一入口相连，气冷器的第一出口与水箱的第一入口相连；冷水进水口与第三截止阀的入口相连，第三截止阀的出口与第四截止阀的入口相连，第四截止阀的出口同时与第一截止阀的出口和第二截止阀的入口相连；第三截止阀的出口还与第五截止阀的入口相连，第五截止阀的出口与水箱的第三入口相连；水箱的第二出口与第二水泵的入口相连，第二水泵的出口与电加热器的入口相连，电加热器的出口与第六截止阀的入口相连，第六截止阀的出口与第七截止阀的入口相连，第七截止阀的出口与水箱的第二入口相连；水箱的第三出口与第八截止阀的入口相连，第八截止阀的出口与第九截止阀入口相连，第九截止阀的出口与用户相连；第六截止阀的出口还与第九截止阀的入口相连；蒸发器的出口与第一压缩机的入口相连，第一压缩机的出口与蒸发冷凝器的第一入口相连，蒸发冷凝器的第一出口与第一节流装置的入口相连，第一节流装置的出口与蒸发器的入口相连，蒸发冷凝器的第二出口与第二压缩机的入口相连，第二压缩机的出口与气冷器的第二入口相连，气冷器的第二出口与第二节流装置的入口相连，第二节流装置的出口与蒸发冷凝器的第二入口相连；

所述水箱的第一出口位于水箱底部，水箱第二出口位于水箱顶部，水箱第三出口位于水箱中部；

所述热水器还包括控制器，所述第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀、第八截止阀、第九截止阀均与所述控制器连接；

所述热水器还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，所述第一温度传感器位于水箱顶部，第二温度传感器位于水箱中部，第三温度传感器位于水箱底部，所述第四温度传感器为环境温度传感器；所述控制器还与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器连接；

所述热水器还包括用于检测用户是否取水的流量传感器，所述流量传感器位于热水器出口处，即第八截止阀的出口与第九截止阀入口之间，所述流量传感器与所述控制器连接。