CN112629039B - 热泵热水器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热水器技术领域，具体涉及一种热泵热水器及其控制方法。所述热泵热水器包括水箱，盘绕于水箱内胆周侧分别布设的上部换热器与下部换热器，以及分别与上下部换热器串接并通过管路依次连通形成循环流道的节流阀、风侧换热器、四通阀、以及压缩机，所述水箱内胆的相对上部开设有出水口，相对下部开设有进水口，且上下部换热器位于进出水口之间。本发明提供了一种可独立控制的双热交换的热泵热水器，同时提供了一种依据水箱内胆不同位置处水温执行上部换热器单独的，下部换热器单独的，或者上下部换热器共同的串接入冷媒循环流道中，以使热泵热水器换热效率提升的控制方法。

Description

热泵热水器及其控制方法

技术领域

本发明涉及热水器技术领域，具体涉及一种热泵热水器及其控制方法。

背景技术

目前热泵热水器水箱常见的设置有微通道换热器或者铜管换热器，且都具有统一的进出水口，当压缩机的排气口排出高温高压的气体时会在整个换热器中全流程走完，该种方式会导致高温高压冷媒在换热器中压降偏大，系统能耗增高；同时，由于静态加热的水箱制热过程中，相对下部的热水会上浮，导致换热器上部水温温差较小，换热不充分，换热器利用率偏低，从而使得换热效率降低，换热成本增加。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种依据水箱内胆不同位置处水温执行上部换热器单独的，下部换热器单独的，或者上部换热器和下部换热器共同的串接入冷媒循环流道中，以使热泵热水器换热效率提升的控制方法。

本发明的目的之二在于提供一种可独立控制的双热交换的热泵热水器。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

热泵热水器控制方法，该热泵热水器包括水箱，盘绕于水箱内胆周侧分别布设的上部换热器与下部换热器，以及分别与上部换热器和下部换热器串接并通过管路依次连通形成循环流道的节流阀、风侧换热器、四通阀、以及压缩机，所述水箱内胆的相对上部开设有出水口，相对下部开设有进水口，且上部换热器和下部换热器位于进出水口之间，所述控制方法包含步骤：获取环境温度T_h，以及水箱内胆中的上部出水温度T₁，中部储水温度T₂，和下部进水温度T₃；当机组处于待机状态时，若满足条件ΔT₁≥T_B，则控制下部换热器开启制热水，在下部换热器开启制热水后，若用户存在用水情况并且满足条件ΔT₂≥T_C，则同时控制上部换热器开启制热水直至满足条件T₁+T₂≥T_A且T₂+T₃≥T_A时控制上部换热器和下部换热器关闭机组进入待机状态，其中ΔT₁为上部出水温度下降值，ΔT₂为中部储水温度下降值，T_B为下部换热器启动最佳回差温度，T_C为上部换热器启动最佳回差温度；反之，若满足条件ΔT₁＜T_B，则首先判断条件T₁+T₂＜T_A成立与否，若条件成立，则控制上部换热器开启制热水，若条件不成立，则进一步判断条件T₂+T₃＜T_A成立与否，若条件成立，则控制上部换热器关闭同时控制下部换热器开启制热水，若条件不成立，则控制下部换热器关闭机组进入待机状态，其中，T_A为换热器切换最佳温度点。

进一步地，所述的当机组处于待机状态时还包含步骤：依据环境温度T_h计算下部换热器启动最佳回差温度T_B，计算公式为：T_B=aT_h+bT_A，其中，a为环境温度修正系数，b为换热器切换修正系数。

进一步地，所述控制方法还包括机组启动至首次待机过程中的制热水控制步骤：控制下部换热器启动制热水；若满足条件T₂+T₃≥T_A，则控制下部换热器关闭同时控制上部换热器开启制热水直至满足条件T₁+T₂≥T_A时控制上部换热器关闭机组进入待机状态。

进一步地，所述的机组启动至首次待机过程中的制热水控制步骤之前还包括步骤：复位节流阀并且根据环境温度T_h调整节流阀的初始开度。

热泵热水器，包括用于测定环境温度，上部出水温度，中部储水温度，和下部进水温度的温度检测组件，以及用于控制上部换热器和下部换热器启闭的阀组件，以及与所述温度检测组件和阀组件电性连通的控制器，所述控制器用于执行如上所述的控制方法的步骤。

进一步地，所述温度检测组件包括靠近水箱内胆出水口装设的上部温度传感器，位于水箱内胆中部装设的中部温度传感器，靠近水箱内胆进水口装设的下部温度传感器，及邻设于风侧换热器的环境温度传感器。

进一步地，还包括用于机组启动时针对各温度检测组件进行检测的故障报警装置。

进一步地，上部换热器和下部换热器自上而下盘绕水箱设置，上部换热器进口端通过第一管路连通至四通阀，所述节流阀通过第二管路连通至上部换热器出口端，所述下部换热器进口端连通有第三管路，所述第三管路远离下部换热器进口端交汇至第一管路，所述下部换热器的出口端连通有第四管路，所述第四管路远离下部换热器的出口端交汇至第二管路。

进一步地，所述阀组件包含布设于所述第一管路的用于控制上部换热器启闭的第一冷媒阀，以及布设于所述第三管路的用于控制下部换热器启闭的第二冷媒阀。

进一步地，所述第一冷媒阀与第二冷媒阀为截止阀，球阀，闸阀，隔膜阀，及旋塞阀中的一种或者多种。

本发明提供的热泵热水器控制方法，依据水箱内胆上中下位置处水温执行上部换热器单独的，下部换热器单独的，或者上部换热器和下部换热器共同的串接入冷媒循环流道中，一方面，缩短了接入至冷媒循环流道中的换热行程，冷媒于换热器中的压降减小，系统能耗降低；另一方面，充分考虑到静态加热水温自上而下逐步降低的特性，有效的平衡了换热效率与用户用水需求之间的关系，保证用户用水量充足的同时具有最佳的换热效率，降低了换热成本。

本发明还提供了一种双热交换的热泵热水器，具有可独立控制上部换热器和下部换热器启闭的冷媒阀，控制便利，准确，且及时。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例所述的热泵热水器的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的热泵热水器控制方法的流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

需要说明的是，本文中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，为本发明实施例所述的热泵热水器的结构示意图，所述热水器包括竖向设置的水箱3，设置于水箱内用于储水的水箱内胆12，盘绕于水箱内胆周侧分别布设的上部换热器7与下部换热器9，以及分别与上部换热器和下部换热器串接并通过管路依次连通形成循环流道的节流阀2、风侧换热器1、四通阀15、以及压缩机17，所述水箱内胆12的相对上部开设有出水口6，且相对下部开设有进水口11，上部换热器和下部换热器自上而下的覆盖至水箱内胆进出水口间的侧壁上，以提供冷媒与储水间充分换热的需要，作为优选的，上部换热器7的换热行程等于下部换热器9的换热行程，使得水温制热均匀的同时可控性较佳。具体的，所述水箱3与水箱内胆12间设置保温层4，且所述保温层4选取聚氨酯发泡，石棉，海绵，或者泡沫塑料。

所述上部换热器进口端通过第一管路连通至四通阀，所述风侧换热器通过第二管路连通至上部换热器出口端，所述下部换热器进口端连通有第三管路，所述第三管路远离下部换热器进口端交汇至第一管路，所述下部换热器的出口端连通有第四管路，所述第四管路远离下部换热器的出口端交汇至第二管路，且所述节流阀2布设于第二管路上与第四管路非并联部位。为了独立控制上部换热器和下部换热器启闭，所述热水器还包括阀组件，所述阀组件包含布设于第一管路上用于控制上部换热器启闭的第一冷媒阀13，以及布设于第三管路上用于控制下部换热器启闭的第二冷媒阀14，作为优选的，所述第一冷媒阀13与第二冷媒阀14为截止阀，球阀，闸阀，隔膜阀，及旋塞阀中的一种或者多种，且可通过电磁或者电动控制流道通断。需要说明的是，本发明中的上部换热器和下部换热器的相对下侧为进口端，且相对上侧为出口端。该实施方式的管路布置形式及阀组件装设部位，可实现上部换热器单独的，下部换热器单独的，或者上部换热器和下部换热器共同的串接入冷媒循环流道中，控制便利，准确的同时充分考虑到静态加热水温自上而下逐步降低的特性，使得换热效率提升，换热成本降低。

所述四通阀15用于热水器化霜时进行制冷与制热的转换，所述四通阀15的第一接口连通至风侧换热器1，第二接口连通至压缩机进气口，第三接口连通至压缩机出气口，且连通四通阀15与压缩机出气口的冷媒管路上布设用于过压保护的高压开关16，所述四通阀15的第四接口连通至第一管路。通常的，所述四通阀选取15电磁阀。

为了动态获取控制参数，所述热水器还包括温度检测组件，具体的，所述温度检测组件包含靠近水箱内胆出水口装设的上部温度传感器5，位于水箱内胆中部装设的中部温度传感器8，靠近水箱内胆进水口装设的下部温度传感器10，及邻设于风侧换热器1的环境温度传感器18。优选的，所述上部温度传感器5与下部温度传感器10的装设部位为水箱内胆高度的五分之一至六分之一处，以使获取水温的范围覆盖至水箱内胆整体高度，以此为基准执行的控制步骤更为准确，及时，进而提升水侧的换热效率。为了保证各温度检测组件处于正常工作状态，热水器中还安装有机组启动时针对各温度检测组件进行检测的故障报警装置。

所述热水器还包括与所述阀组件，温度检测组件，及故障报警装置电性连通的控制器，所述控制器包括存储器与处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，以实现如下所述的热泵热水控制方法的步骤。

请参阅图2，为本发明实施例所述的热泵热水器控制方法的流程图，具体包括步骤如下：

在S0节点开启热水器，然后进入步骤S1。在步骤S1中，检测机组各温度检测组件是否处于正常工作状态，若温度检测组件中存在非正常工作状态，则进入步骤S2，否则进入步骤S3。在步骤S2中，控制器针对非正常工作状态的温度检测组件发出报警指令，待操作人员修复或者更换后返回步骤S1。在步骤S3中，热水器获取温度检测组件测定的环境温度T_h，上部出水温度T₁，中部储水温度T₂，和下部进水温度T₃，以及操作人员预设的控制参数：换热器切换最佳温度点T_A，和上部换热器启动最佳回差温度T_C，然后进入步骤S4。在步骤S4中，复位节流阀并且根据环境温度T_h调整节流阀的初始开度，然后进入步骤S5。在步骤S5中，控制第二冷媒阀开启，下部换热器启动制热水，然后进入步骤S6。在步骤S6中，热水器对于上部出水温度与中部储水温度之和是否不低于换热器切换最佳温度点T_A进行判断，仅当判断结果为是时，进入步骤S7。在步骤S7中，关闭第二冷媒阀，同时开启第一冷媒阀，使得上部换热器接入冷媒循环流道进行制热水，然后进入步骤S8。在步骤S8中，热水器对于中部储水温度与下部进水温度之和是否不低于换热器切换最佳温度点T_A进行判断，仅当判断结果为是时，进入步骤S9。在步骤S9中，关闭第一冷媒阀，机组进入待机状态，然后进入步骤S10。在步骤S10中，热水器依据公式：T_B=aT_h+bT_A，计算出下部换热器启动最佳回差温度T_B，其中，a为环境温度修正系数，b为换热器切换修正系数，然后进入步骤S11。在步骤S11中，热水器对于上部出水温度下降值ΔT₁是否不低于下部换热器启动最佳回差温度T_B进行判断，若判断结果为否，进入步骤S12，反之，进入步骤S18。在步骤S12中，热水器针对上中部温度传感器检测水温之和低于换热器切换最佳温度点T_A与否进行判断，若判断结果为是，则进入步骤S13，反之，进入步骤S15。在步骤S13中，开启第一冷媒阀，以使上部换热器制热水，然后进入步骤S14。在步骤S14中，判断条件T₁+T₂≥T_A成立与否，仅当判断条件成立时，进入步骤S15。在步骤S15中，热水器针对中下部温度传感器检测水温之和低于换热器切换最佳温度点T_A与否进行判断，若判断结果为是，则进入步骤S16，反之，返回步骤S9。在步骤S16中，关闭第一冷媒阀，同时开启第二冷媒阀，以使下部换热器接入冷媒循环流道进行制热水，然后进入步骤S17。在步骤S17中，判断条件T₂+T₃≥T_A成立与否，仅当判断条件成立时，返回步骤S9。在步骤S18中，开启第二冷媒阀，以使下部换热器接入冷媒循环流道进行制热水，然后进入步骤S19。在步骤S19中，热水器对于中部储水温度下降值ΔT₂是否不低于上部换热器启动最佳回差温度T_C进行判断，仅当判断结果为是时，进入步骤S20。在步骤S20中，开启第一冷媒阀，此时，上部换热器和下部换热器并联串接入冷媒循环流道进行制热水，然后进入步骤S21。在步骤S21中，热水器针对机组的待机条件：T₁+T₂≥T_A且T₂+T₃≥T_A进行判断，仅当判断结果为是时，返回步骤S9。

需要说明的是，该实施方式中的控制参数a，b，T_A，T_C为用户预先设定参数，可根据系统差异，经实验确定具体数值，确保所述控制方法快速、准确、稳定的执行。T_B为依据环境温度Th计算而得，且随环境温度的升高而增大，充分考虑了环温因素对于水温下降速率的影响。

本发明采用上述控制步骤具有如下突出的有益效果：

其一，当机组处于待机状态时，若上部出水温度下降值ΔT₁不低于下部换热器启动最佳回差温度T_A时，由于下部水温相较上部水温下降更多，优先开启下部换热器制热水，利用热水上浮原理使得水温迅速升高，若当中用户用水量过多，为了满足用户用水需求，则同时开启上部换热器制热水，以使用户较短时间内即可获取足够的热水，过程中，对于换热器的启闭，控制灵活，换热效率得到显著提升。

其二，当机组处于待机状态时，若上部出水温度下降值ΔT₁小于下部换热器启动最佳回差温度T_A时，说明水箱内部水温整体下降幅度较小，此时，可通过优先开启上部换热器制热水，以满足用户正常用水需求，当上中部水温均值不低于1/2 T_A，且中下部水温均值不高于1/2 T_A时，才启动下部换热器制热水，避免上部换热器和下部换热器常开状态下能源的浪费。通过水温均值进行换热器切换控制，具有准确，及时的益处。

其三，热水器开机至首次待机过程中，通过上中部及中下部水温均值优先开启下部换热器制热水，利用热水上浮原理使得水温迅速升高，进而开启上部换热器制热水，以使水温达到用户预期温度。控制准确，及时，且节能。

其四，热水器开机后，针对各温度检测组件正常工作与否进行检测，避免由于传感失灵导致的错误控制，以保证机组安全稳定的运行。

需要指出的是，尽管上述控制方法中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时(并行)执行或以其他顺序执行，这些变化都在本发明的保护范围之内。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.热泵热水器控制方法，其特征在于，该热泵热水器包括水箱(3)，盘绕于水箱内胆(12)周侧分别布设的上部换热器(7)与下部换热器(9)，以及分别与上部换热器（7）和下部换热器（9）串接并通过管路依次连通形成循环流道的节流阀(2)、风侧换热器(1)、四通阀(15)、以及压缩机(17)，所述水箱内胆(12)的相对上部开设有出水口(6)，相对下部开设有进水口(11)，且上部换热器（7）和下部换热器（9）位于进出水口之间，所述控制方法包含步骤：

获取环境温度T_h，以及水箱内胆中的上部出水温度T₁，中部储水温度T₂，和下部进水温度T₃；

当机组处于待机状态时，若满足条件ΔT₁≥T_B，则控制下部换热器开启制热水，在下部换热器开启制热水后，若用户存在用水情况并且满足条件ΔT₂≥T_C，则同时控制上部换热器开启制热水直至满足条件T₁+T₂≥T_A且T₂+T₃≥T_A时控制上部换热器（7）和下部换热器（9）关闭机组进入待机状态，其中ΔT₁为上部出水温度下降值，ΔT₂为中部储水温度下降值，T_B为下部换热器启动最佳回差温度，T_C为上部换热器启动最佳回差温度；

反之，若满足条件ΔT₁＜T_B，则首先判断条件T₁+T₂＜T_A成立与否，若条件成立，则控制上部换热器开启制热水，若条件不成立，则进一步判断条件T₂+T₃＜T_A成立与否，若条件成立，则控制上部换热器关闭同时控制下部换热器开启制热水，若条件不成立，则控制下部换热器关闭机组进入待机状态，其中，T_A为换热器切换最佳温度点。

2.根据权利要求1所述的热泵热水器控制方法，其特征在于，所述的当机组处于待机状态时还包含步骤：依据环境温度T_h计算下部换热器启动最佳回差温度T_B，计算公式为：T_B=aT_h+bT_A，其中，a为环境温度修正系数，b为换热器切换修正系数。

3.根据权利要求1所述的热泵热水器控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括机组启动至首次待机过程中的制热水控制步骤：

控制下部换热器启动制热水；

若满足条件T₂+T₃≥T_A，则控制下部换热器关闭同时控制上部换热器开启制热水直至满足条件T₁+T₂≥T_A时控制上部换热器关闭机组进入待机状态。

4.根据权利要求3所述的热泵热水器控制方法，其特征在于，所述的机组启动至首次待机过程中的制热水控制步骤之前还包括步骤：复位节流阀并且根据环境温度T_h调整节流阀的初始开度。

5.热泵热水器，其特征在于，包括用于测定环境温度，上部出水温度，中部储水温度，和下部进水温度的温度检测组件，以及用于控制上部换热器（7）和下部换热器（9）启闭的阀组件，以及与所述温度检测组件和阀组件电性连通的控制器，所述控制器用于执行权利要求1-4任一所述的控制方法的步骤。

6.根据权利要求5所述的热泵热水器，其特征在于，所述温度检测组件包括靠近水箱内胆出水口装设的上部温度传感器(5)，位于水箱内胆中部装设的中部温度传感器(8)，靠近水箱内胆进水口装设的下部温度传感器(10)，及邻设于风侧换热器的环境温度传感器(18)。

7.根据权利要求6所述的热泵热水器，其特征在于，还包括用于机组启动时针对各温度检测组件进行检测的故障报警装置。

8.根据权利要求5所述的热泵热水器，其特征在于，上部换热器（7）和下部换热器（9）自上而下盘绕水箱设置，上部换热器进口端通过第一管路连通至四通阀(15)，所述节流阀(2)通过第二管路连通至上部换热器出口端，所述下部换热器进口端连通有第三管路，所述第三管路远离下部换热器进口端交汇至第一管路，所述下部换热器的出口端连通有第四管路，所述第四管路远离下部换热器的出口端交汇至第二管路。

9.根据权利要求8所述的热泵热水器，其特征在于，所述阀组件包含布设于所述第一管路的用于控制上部换热器启闭的第一冷媒阀(13)，以及布设于所述第三管路的用于控制下部换热器启闭的第二冷媒阀(14)。

10.根据权利要求9所述的热泵热水器，其特征在于，所述第一冷媒阀(13)与第二冷媒阀(14)为截止阀，球阀，闸阀，隔膜阀，及旋塞阀中的一种或者多种。

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