CN111854161A - 一种适用低温工况的空气能热泵热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用低温工况的空气能热泵热水器。所述空气能热泵热水器包括由压缩机、油分离器、冷凝器、高压储液器、膨胀阀、风冷型翅片管蒸发器、保温水箱、水泵、冷凝器以及多个电磁阀，形成三个循环回路利用被加热后的冷却介质热水实现对风冷型翅片管蒸发器的融霜，提高系统性能系数。本发明一种适用低温工况的空气能热泵热水器无需逆向融霜，可避免热泵热水器中热水温度波动，能够快速融霜和提高系统蒸发压力，提高系统性能系数，在提高其舒适性的同时，其节能特性较为明显。

Description

一种适用低温工况的空气能热泵热水器

技术领域

本发明属于空气能热泵系统技术领域，具体涉及一种低温工况下可提高系统性能的热泵热水器系统，进一步具体为一种适用低温工况的空气能热泵热水器。

背景技术

空气热泵热水器的热量来源为空气，空气热泵热水器通过把空气中的低温热量吸收进来经过氟介质气化，然后通过压缩机压缩后增压升温，再通过换热器转化给水加热，压缩后的高温热能以此来加热水温。空气热泵热水器具有高效节能的特点，制造相同的热水量，是一般电热水器的4-6倍，其年平均热效比是电加热的4倍，利用能效高。

相比于电热水器和燃气热水器，由于空气热泵热水器的工作是通过介质换热，因此其不需要电加热元件与水直接接触，避免了电热水器漏电的危险，也防止了燃气热水器有可能爆炸和中毒的危险，更有效控制了燃气热水器排放废气造成的空气污染。

相比于太阳能热水器，空气热泵热水器克服了太阳能热水器依靠阳光采热和安装不便的缺点。由于空气热泵热水器不需要阳光，因此放在家里或室外都可以。太阳能热水器储存的水用完之后，很难再马上产生热水，如果电加热又需要很长的时间，而空气能热水器在温度为0-40℃以上就可以24小时全天候承压运行，1小时左右空气热泵热水器甚至更短时间内就会再产生一箱热水。同时，它也能从根本上消除电热水器漏电、干烧以及燃气热水器使用时产生有害气体等安全隐患。

当今市场上大部分的空气能热泵热水器设计正常工作温度在0-40℃，故在环境温度比较高的南方，空气能热泵热水器往往有上佳的表现，而在冬季气温只有-10℃的北方城市，空气能热泵热水器很难达到设计中预想的效果，如果气温为-20℃机组甚至都不能启动。因此，对于空气能热泵热水器其问题主要在于低温工况下的适用性较差很难满足使用需求。

经过申请人前期对相关文献的检索，当风冷型翅片管蒸发器温度通过蒸发器的空气降到空气温度时，空气中的水分子凝聚翅片上，而零度工况对机组换热是有利的，具备显热和潜热，干工况交换时是显热交换，零度工况时就是潜热交换，如果零度工况时蒸发器的表面温度低于0℃时就会结霜，风冷型翅片管蒸发器表面开始有微霜时也会对换热效果有所提高，由于此时蒸发器表面呈现毛刺状因此能够强化排热。但是，随着霜层的加厚，空气流通的阻力增大，势必阻碍空气的流通，而且由于风冷型翅片管蒸发器是通过空气吸热，而空气流量减少导致吸热量也同样减少，此时机组性能就开始削减，即在冬季制热工况时，热泵机组随着外界环境温度的降低制热能力下降性能系数减小，当环境温度降至-20℃时，便很难从环境中吸收热量，分析原因在于由于空调机组在室外温度低且带有一定的湿度情况下运行时，室外的风冷型翅片管蒸发器运行一段时间后会产生霜层，霜层的产生会堵塞翅片管间通道，增加空气流动的阻力使循环风量减小，不利于蒸发器吸收空气中的热量，同时因结霜导致风冷型翅片管蒸发器的传热热阻增大，传热系数降低，蒸发器的换热能力下降，因此，在相同工况下，需增大制冷剂的流量和空气的换热温差，最终导致风冷型翅片管蒸发器内制冷剂的蒸发压力和蒸发温度降低，进一步加剧风冷型翅片管换热器的结霜程度，造成压缩机轴功率增大和性能系数下降。

因此，针对现有热气旁通融霜和四通换向逆向融霜等除霜方式可靠性较差、能耗高、舒适性差等问题，基于空气能热泵热水器，探索一种在低温工况下提高空气能热泵热水器蒸发压力、蒸发温度、抑制结霜及融霜的技术和方法，实现空气能热泵热水器高效运行，这在空气能热泵热水器领域具有重要的现实意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用低温工况的空气能热泵热水器，能够快速融霜和提高系统蒸发压力，使得所述装置在低温工况下能够高效运行。

为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下记载。

一种适用低温工况的空气能热泵热水器，包括压缩机1、油分离器2、第一电磁阀3、第二电磁阀4、冷凝器5、第三电磁阀6、高压贮液器7、电子膨胀阀8、风冷型翅片管蒸发器9、气液分离器10、保温水箱11、第四电磁阀12、第五电磁阀13、水泵14，并且风冷型翅片管蒸发器9包括风机9-1、制冷剂环路盘管9-2和冷却水路盘管9-3，风机9-1循环送风；

压缩机1连接油分离器2，油分离器2分别连接第一电磁阀3、第二电磁阀4，第一电磁阀3连接压缩机1为润滑油回路将分离出的润滑油循环回到压缩机1，循环介质为润滑油，第二电磁阀4连接冷凝器5，冷凝器5连接第三电磁阀6，第三电磁阀6连接高压贮液器7，高压贮液器7连接电子膨胀阀8，电子膨胀阀8连接风冷型翅片管蒸发器9的制冷剂环路盘管9-2后连接气液分离器10，气液分离器10连接压缩机1为热泵回路，循环介质为制冷剂；

保温水箱11连接水泵14，水泵14分别连接第四电磁阀12、第五电磁阀13驱动循环运行，第五电磁阀13连接冷凝器5，冷凝器5连接保温水箱11为热水循环回路，循环介质为热水；

第四电磁阀12连接风冷型翅片管蒸发器9的冷却水路盘管9-3后连接保温水箱11为热水旁通回路，循环介质为热水。

优选，冷凝器5为板式换热器或者管壳式换热器。

优选，所述制冷剂为R22冷媒、R134a、R410A中的任意一种。

本发明突出的实质性特点在于系统整体上各部分本身具有的功能效果以及各部件之间的连接关系构成适用低温工况的空气能热泵热水器，本发明设计的热水旁通回路进入风冷型翅片管蒸发器的冷却水路盘管，通过对流和导热的形式对制冷剂环路盘管抑制霜层的生成，进而实现在冬季低温工况下的正常使用。进一步分析，相比于热气旁通融霜的思路（即压缩机的高温热气通过旁通管路直接进入室外换热器进行除霜的系统），本发明的设计思路着眼点并非压缩机本身而在于如何利用冷凝器的热量，区别在于是否直接利用压缩机的热量除霜，原因在于热气旁通融霜的方式存在由于压缩机供给除霜用的热量不足引起吸气、排气压力变化剧烈对压缩机的冲击大的缺陷，同时，由于系统制冷剂吸气端回液量大也会导致热泵系统能效降低的问题，而且，在除霜过程中室内外换热器风扇不可避免的停止运行，严重影响了系统使用的舒适度。本发明利用冷凝器的热量设计热水旁通回路通过对流和导热的形式对制冷剂环路融霜，优势在于提高了系统的蒸发压力和蒸发温度，可不停机进行融霜，即在不间断供热的同时达到融霜的目的，分析原因在于低温工况下，本发明并联的冷却水盘管内运行高温热水对制冷剂盘管外霜层起到抑制生长和融霜的作用。

四通换向逆向融霜的原理在于通过四通换向阀将制热过程转换成制冷过程，热泵从室内吸热排到室外换热器融化室外换热器上的积霜。但是，四通换向逆向融霜使得蒸发器和冷凝器频繁转换破坏机组的正常运行，而且除霜过程不仅不制热，而且还从供热空间吸收热量，从而对水箱内储存的热水造成很大影响，导致供给除霜用的热量不足，进而使得除霜时间加长，除霜能耗损失加大。与四通换向逆向融霜相比，本发明无需设置四通换向阀，而且融霜时，无需蒸发器和冷凝器的转换，提高机组的正常运行的稳定性。

有益效果：

（1）本发明具有不停机进行融霜的优势，即实现了在不间断供热的同时达到融霜的发明目的。

（2）热水旁通系统利用被加热后的冷却介质热水实现对风冷型翅片管蒸发器的融霜，提高低温环境工况下制冷系统的蒸发压力和蒸发温度，进而提高系统性能系数。

（3）本发明无需逆向融霜，系统无需设置四通换向阀，结构简单。融霜时，无需蒸发器和冷凝器的转换，提高了热泵机组的正常运行的稳定性。

（4）本发明无需逆向融霜，可避免热泵热水器中热水温度波动，提高其舒适性的同时节能特性明显。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明的一种适用低温工况的空气能热泵热水器示意图。

图例说明：压缩机1、油分离器2、第一电磁阀3、第二电磁阀4、冷凝器5、第三电磁阀6、高压贮液器7、电子膨胀阀8、风冷型翅片管蒸发器9、气液分离器10、保温水箱11、第四电磁阀12、第五电磁阀13、水泵14，并且风冷型翅片管蒸发器9包括风机9-1、制冷剂环路盘管9-2和冷却水路盘管9-3。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明的结构原理作进一步的说明，其中表示了本发明的优选实施例，但本实施例是叙述性的，而非限制性的，因此，并不局限于本发明所要保护的范围。应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

一种适用低温工况的空气能热泵热水器，包括压缩机1、油分离器2、第一电磁阀3、第二电磁阀4、冷凝器5、第三电磁阀6、高压贮液器7、电子膨胀阀8、风冷型翅片管蒸发器9、气液分离器10、保温水箱11、第四电磁阀12、第五电磁阀13、水泵14，并且风冷型翅片管蒸发器9包括风机9-1、制冷剂环路盘管9-2和冷却水路盘管9-3，风机9-1循环送风；

压缩机1连接油分离器2，油分离器2分别连接第一电磁阀3、第二电磁阀4，第一电磁阀3连接压缩机1为润滑油回路，循环介质为润滑油，第二电磁阀4连接冷凝器5，冷凝器5连接第三电磁阀6，第三电磁阀6连接高压贮液器7，高压贮液器7连接电子膨胀阀8，电子膨胀阀8连接风冷型翅片管蒸发器9的制冷剂环路盘管9-2后连接气液分离器10，气液分离器10连接压缩机1为热泵回路，循环介质为制冷剂R134a；

保温水箱11连接水泵14，水泵14分别连接第四电磁阀12、第五电磁阀13驱动循环运行，第五电磁阀13连接冷凝器5，冷凝器5连接保温水箱11为热水循环回路，循环介质为热水；

第四电磁阀12连接风冷型翅片管蒸发器9的冷却水路盘管9-3后连接保温水箱11为热水旁通回路，循环介质为热水。

其中，第一电磁阀3为润滑油回路电磁阀。夹带润滑油的制冷剂经压缩机1压缩提高压力后排入油分离器2，油分离器2分离后的润滑油经第一电磁阀3循环回压缩机1保障压缩机1的润滑，油分离器2分离后的制冷剂进入第二电磁阀4。

第二电磁阀4和第三电磁阀6是热泵回路控制用电磁阀。热泵机组运行时，第二电磁阀4和第三电磁阀6均开启，热泵机组关机时，第二电磁阀4和第三电磁阀6均关闭。

第五电磁阀13为热水循环回路电磁阀，热泵机组运行时，第五电磁阀13开启，保温水箱11中的冷却水经水泵14和第五电磁阀13进入冷凝器5，对冷凝器5中的制冷剂进行冷凝，冷却水温度升高循环进入保温水箱11。

第四电磁阀12为热水旁通回路电磁阀，在低温环境或者需对风冷型翅片管蒸发器9进行融霜时开启，储存在保温水箱11内的冷却水在经水泵14驱动分为并联的两路，一路经第四电磁阀12进入风冷型翅片管蒸发器9中的冷却水路盘管9-3，风机9-1循环送风的作用下在风冷型翅片管蒸发器9中放出热量进行融霜，然后循环回到保温水箱11。另一路经第五电磁阀13进入冷凝器5，对冷凝器5中的制冷剂进行冷凝后循环进入保温水箱11。

第一电磁阀3、第二电磁阀4、第三电磁阀6和第五电磁阀13在压缩机1启动时开启。

本例的一种适用低温工况的空气能热泵热水器在正常工况下，即风冷型翅片管蒸发器9不出现结霜现象或较为轻微的结霜现象时，可以将第四电磁阀12关闭，保证系统的性能系数降低能耗。在低温环境或者需对风冷型翅片管蒸发器9进行融霜时，第四电磁阀12开启。

对于冬季低温制热工况下，本例的空气能热泵热水器的制冷介质制冷剂R134a在风冷型翅片管蒸发器9中的制冷剂环路盘管9-2内吸热汽化，然后进入气液分离器10，其中制冷剂R134a蒸汽经压缩机1提高压力后先后经过油分离器2和第二电磁阀4排入冷凝器5放热冷凝，冷凝后的制冷剂R134a液体经第三电磁阀6进入高压储液器7，然后经膨胀阀8节流降压后再循环进入风冷型翅片管蒸发器9中的制冷剂环路盘管9-2内，完成热泵回路的循环。

与此同时，储存在保温水箱11内的冷却介质水在经冷却水泵14驱动和第五电磁阀13进入冷凝器5中吸收制冷剂R134a放出的热量，然后循环回到保温水箱11，获得高温热水，完成热水循环回路的循环。

为进一步提高系统的蒸发温度和蒸发压力，抑制风冷型翅片管蒸发器9中的制冷剂环路盘管9-2霜层的厚度，储存在保温水箱11内的冷却介质水在经冷却水泵14驱动后，一路经第四电磁阀12旁通进入风冷型翅片管蒸发器9中的冷却水路盘管9-3，风机9-1循环送风的作用下在风冷型翅片管蒸发器9中放出热量进行融霜，然后循环回到保温水箱11，完成热水旁通回路的循环。此过程，因风冷型翅片管蒸发器9中的冷却水路盘管9-3内循环高温热水便于快速融霜和提高系统蒸发压力，从而达到在低温工况下空气能热泵热水器正常使用的目的。

实施例2

本例一种适用低温工况的空气能热泵热水器与实施例1相同，其区别在于所用制冷剂为R410A。所述制冷剂R410A由50%R32（二氟甲烷）和50%R125（五氟乙烷）组成，分子式中不含氯元素，臭氧层破坏潜能值（ODP）为0。

由于R410A的化学和热稳定性很高能提高能效比，因此，实施例2的空气能热泵热水器具有更佳的能效比。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用低温工况的空气能热泵热水器，包括压缩机（1）、油分离器（2），其特征是还包括其它组件以及组件之间的连接构成的具有实质性特点的系统回路，组件包括第一电磁阀（3）、第二电磁阀（4）、冷凝器（5）、第三电磁阀（6）、高压贮液器（7）、电子膨胀阀8、风冷型翅片管蒸发器（9）、气液分离器（10）、保温水箱（11）、第四电磁阀（12）、第五电磁阀（13）、水泵（14），并且风冷型翅片管蒸发器（9）包括风机（9-1）、制冷剂环路盘管（9-2）和冷却水路盘管（9-3），风机（9-1）循环送风；

压缩机（1）连接油分离器（2），油分离器（2）分别连接第一电磁阀（3）、第二电磁阀（4），第一电磁阀（3）连接压缩机（1）为润滑油回路，循环介质为润滑油，第二电磁阀（4）连接冷凝器（5），冷凝器（5）连接第三电磁阀（6），第三电磁阀（6）连接高压贮液器（7），高压贮液器（7）连接电子膨胀阀（8），电子膨胀阀（8）连接风冷型翅片管蒸发器（9）的制冷剂环路盘管（9-2）后连接气液分离器（10），气液分离器（10）连接压缩机（1）为热泵回路，循环介质为制冷剂；

保温水箱（11）连接水泵（14），水泵（14）分别连接第四电磁阀（12）、第五电磁阀（13）驱动循环运行，第五电磁阀（13）连接冷凝器（5），冷凝器（5）连接保温水箱（11）为热水循环回路，循环介质为热水；

第四电磁阀（12）连接风冷型翅片管蒸发器（9）的冷却水路盘管（9-3）后连接保温水箱（11）为热水旁通回路，循环介质为热水。

2.根据权利要求1所述一种适用低温工况的空气能热泵热水器，其特征是冷凝器（5）为板式换热器或者管壳式换热器。

3.根据权利要求1所述一种适用低温工况的空气能热泵热水器，其特征是所述制冷剂为R22冷媒、R134a、R410A中的任意一种。

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