CN114110849B - 一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置 - Google Patents

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Abstract

随着人们对生活品质要求的不断提高，空调、热/开水器广泛应用。本发明涉及一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置，装置充分利用三种设备的间歇工作特点，实现设备之间的热量匹配。相较传统机组，本发明装置对各设备之间的热量进行了匹配，夏季工况下，热水器子系统和开水器子系统充分利用冷凝器释放的中低品位热源，减小了热水器和开水器的加热温差；冬季工况下，蒸发器中的制冷剂吸收开水器子系统的余热，避免了因环境温度过低带来的蒸发器结霜问题，有效提高机组的工作效率。本发明装置在对不同子系统耦合、匹配的同时，亦对开水器子系统进行了设备优化。发明装置适用于不同气候区，办公室、家庭、学校等需热、冷及有用水要求的场所。

Description

一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置
技术领域
本发明涉及能源高效利用技术领域，更具体的说，涉及一种空调制冷制热与热水器、开水器之间耦合工作及热量匹配技术领域。
背景技术
为营造舒适的人居环境以及办公环境，空调、热水器、开水器等设备的使用成为了家庭、办公、学校等场所必不可少的部分。户式分体空调多采用变频压缩机，当室内温度达到设定值后，机组停止工作，室内温度偏离设定值后，机组再次启动。空调运行过程中，室外机产生废热和风机噪音并排放至外界环境，是今城市环境破坏因素之一。合理回收外机废热，可以降低空调室外侧换热负荷，减小风机功率，降低外机噪音，减少城市环境污染。
常用的热水器包括两种，一种是生活用热水器，对水质无较高要求，达到洗漱卫生用水标准即可；一种是饮用开水器，对水质的纯净度和温度有较高的要求；两种热水器的工作模式相似，都是水温(质)达到要求后，设备停止运行，水温降低至偏离设定值后，设备开始工作。室内空气品质、饮用热水与生活用热水的品质都与我们生活息息相关，尤其是饮用水，由于城市供水水质较硬，需要进行过滤处理、高温杀菌才能达到饮用标准。市面上常见的开水器多采用冷热水混合式加热方式，此加热方式易产生“阴阳水”，另一种通过换热升温方式得到温开水的开水器则难以保证卫生标准。
空调机组在夏季工作时，室内蒸发器吸收空气中的热量，室外冷凝器将热量排至外界环境中，与此同时，热水器和开水器的加热环节则需吸收大量的热量；空调机组在冬季运行过程中，机组蒸发器从外界环境中吸取热量，而后在室内冷凝器放出热量，实现冬季供热的功能，但室外蒸发器在低温天气下易出现结霜现象，结霜会使空调制热效率大幅下降，而除霜过程则会带来额外的电能消耗，将开水器设备的富余热量释放给蒸发器，可有效解决上述问题。
基于上述，空调、热水器、开水器设备都具有间歇工作的特点，且作为建筑非固定能耗的主要来源，对建筑总体能耗有着重要影响。如果能够将三种设备高效的耦合在一起，实现热量匹配，将可以对建筑能源消耗产生良好的经济效益、对社会产生积极的社会效益，因此，该项目具有很广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置。包括空调子系统、热水器子系统、开水器子系统以及运行控制子系统。
所述空调子系统用以调节室内温、湿度，营造舒适的人居环境和办公环境；所述一体化装置中的空调子系统分冬夏季两种工作方式，每种工况下，根据开水器的启停状态又分可为两种工作模式。夏季工况下，空调冷凝器产生的废热与开水器和热水器的入口水进行充分换热，冷凝器实现冷却降温的同时，也减小了开水器和热水器的加热负荷；冬季工况下，空调室外机内蒸发器易出现结霜现象，利用电辅助除霜和逆向运行除霜，会导致空调运行效率降低，增加运行成本，将三种设备耦合在一起，可以将开水器工作余热放给蒸发器内需吸收热量的低温低压制冷剂，避免蒸发器发生结霜现象，提高机组运行效率；
所述热水器子系统用以制备生活用水；夏季工况下，该子系统与空调子系统耦合换热，在实现对空调室外侧机组内冷凝器有效降温的同时，又可对开水器前端入水进行预热；冬季工况下，该子系统与空调子系统断开耦合；
所述开水器子系统用以制备纯净、卫生、安全的饮用水；本发明所述一体化装置中的开水器子系统进行了设备系统优化，开水器子系统充分利用空调子系统中的冷凝器产生的废热进行入水预热；再者，该子系统可根据出水阀的开启监测用水状态，设备在设定时间未监测到出水，则默认饮用水已经变为“隔夜水”，自动打开泄水阀，将水箱内部的全部余水排出；此外，该子系统将加热水箱与热水蓄水箱分离设置，可有效避免“阴阳水”和“千滚水”的生成；该子系统利用蒸汽管道将加热水箱所生成的高温蒸汽输送至缓冲水箱内，充分利用了蒸汽热量，减少了能量浪费；
所述运行控制子系统用以监测整个装置中的点位状态，对阀门开度以及阀门通断进行调节，并根据设置参数对装置运行状态进行调节。
进一步，所述的空调子系统包括：变频压缩机1，四通换向阀2、8，三通阀3、6、32，制冷剂-水换热器4、5，空调室外侧换热器7，节流机构9，空调室内侧换热器10，旁通管11、12，平板换热器26及连接管道；其中：变频压缩机1制冷剂出口与四通换向阀2-a相连，四通换向阀2-b连接三通阀3-a，四通换向阀2-c连接变频压缩机1制冷剂入口，四通换向阀2-d与空调室外侧换热器7相连，三通阀3-c通过旁通管12与三通阀6-c相连，三通阀3-b与制冷剂-水换热器4制冷剂入口相连，制冷剂-水换热器4制冷剂出口与制冷剂-水换热器5制冷剂入口相连，制冷剂-水换热器5制冷剂出口与三通阀6-a相连，三通阀6-b与空调室外侧换热器7连接，空调室外侧换热器7与三通阀32-c连接，三通阀6-c经旁通管11与三通阀32-b连接，三通阀32-a与四通换向阀8-b连接，四通换向阀8-c、8-d经过管道与平板换热器26连接，四通换向阀8-a与节流机构9连接，节流机构9与空调室内侧换热器10连接。
进一步，所述的热水器子系统包括：自来水进水管，逆止阀13，制冷剂-水换热器5，三通阀14，热水器15，末端16；其中：自来水进水管与截止阀13连接，截止阀13与制冷剂-水换热器5水侧入口连接，制冷剂-水换热器5水侧出口与三通阀14-b连接，三通阀14-c与热水器15连接，三通阀14-a与末端16连接。
进一步，所述的开水器子系统包括：自来水进水管，电磁阀17，过滤器18，制冷剂-水换热器4，缓冲水箱19，温水蓄水箱20，加热水箱21，热水蓄水箱22，电辅助加热器23，出水阀24、28，逆止阀25，平板换热器26，换热铜管27，泄水阀29、30；其中：自来水进水管与电磁阀17连接，电磁阀17与过滤器18连接，过滤器18与制冷剂-水换热器4水侧入口连接，制冷剂-水换热器4水侧出口与缓冲水箱19连接，缓冲水箱19通过换热铜管27与加热水箱21连接，加热水箱21内部安装有电辅助加热器23-1，加热水箱21经管道与温水蓄水箱20连接，温水蓄水箱20内安装有电辅助加热器23-2，温水蓄水箱20上安装有出水阀28和泄水阀30，且温水蓄水箱20外壁上贴有一平板换热器26，加热水箱21与热水蓄水箱22连接，连接管道上安装有逆止阀25，热水蓄水箱22上安装有出水阀24和泄水阀29，加热水箱21经过蒸汽管道31与缓冲水箱19连接。
进一步，所述的运行控制子系统包括：变频压缩机1，四通换向阀2、8，三通阀3、6、14、32，电磁阀17，电辅助加热器23，泄水阀29、30以及装置中的水箱水位，温度、压力监测点。
区别于现有技术，本发明针对小型空调、热水器、开水器等设备单独工作时，因设备之间缺乏耦合性、匹配性，造成设备工作时产生热量的浪费，以及带来建筑非固定能源消耗，通过对三种设备进行耦合、匹配，以提高设备能源利用率，减少能量浪费。本发明对热水器子系统进行了设备优化，可以有效避免“阴阳水”、“隔夜水”、“千滚水”的生成，保证用水安全。
本发明装置包括夏季、冬季两种运行工况。
夏季运行工况下，空调子系统中的蒸发器在室内吸收热量，室内温度降低，冷凝器则与开水器与热水器的入水口侧通过换热器相连，冷凝器放出的热量被入口水吸收，既可以实现制冷剂降温降压，又可以实现对开水器与热水器入口段水的预热，以减少能源浪费。
冬季工况下，空调系统的冷凝器在室内放热，室内温度升高，蒸发器则与开水器温水出水管外壁侧换热器相连，吸收温水储罐壁面温度，该技术可以有效降低冬季工况下空调室外机组结霜的风险，保证冬季低温环境下空调系统的工作效率。热水器子系统用以制备生活用水；夏季工况下，该子系统与空调子系统的耦合换热，在实现对空调室外侧机组内冷凝器有效降温的同时，又可对开水器前端入水进行预热；冬季工况下，该子系统与空调子系统断开耦合；
热水器子系统用以制备生活用水；夏季工况下，该子系统与空调子系统的耦合换热，在实现对空调室外侧机组内冷凝器有效降温的同时，又可对开水器前端入水进行预热；冬季工况下，该子系统与空调子系统断开耦合；
开水器子系统用以制备纯净、卫生、安全的饮用水；区别于传统开水器工作方式，本文所述一体化装置中的开水器子系统进行了设备系统优化，开水器子系统充分利用空调子系统中室外机产生的废热进行入水预热；再者，该子系统可根据出水阀的开启监测用水状态，设备在设定时间未监测到出水，则默认饮用水已经变为“隔夜水”，自动打开泄水阀，将水箱内部的全部余水排出；此外，该子系统将加热水箱与热水蓄水箱分离设置，可有效避免“阴阳水”和“千滚水”的生成；该子系统利用蒸汽管道将加热水箱所生成的高温蒸汽输送至缓冲水箱内，充分利用了蒸汽热量，减少了能量浪费。
附图说明
下面将结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明，附图中：
图1是本发明提供一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置的结构示意图；
图2是本发明提供一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置的分解结构示意图。
图2中：1：变频压缩机；2、8：四通换向阀；3、6、14、32：三通阀；4、5：制冷剂-水换热器；7：空调室外侧换热器；9：节流机构；10：室内侧换热器；11、12：旁通管；13、25：逆止阀；15：热水器；16：末端用水；17：电磁阀；18：过滤器；19：缓冲水箱；20：温水蓄水箱；21：加热水箱；22：热水蓄水箱；23-1、23-2、23-3：电辅助加热器；24、28：出水阀；26：平板换热器；27：换热铜管；29、30：泄水阀；31：蒸汽管道。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置，包括空调子系统、热水器子系统、开水器子系统，以及运行控制子系统。空调子系统用以实现对室内温湿度参数度进行调节；热水器子系统用以制备高、中、低温度的生活用水；开水器子系统用以制备卫生、安全的饮用热水与温水；运行控制子系统用于监测装置各点的实时状态参数，并对系统进行部件启停控制，以实现装置之间的耦合匹配。
如图2所示，一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置，其中，空调子系统包括：变频压缩机1、四通换向阀2、三通阀3、制冷剂-水换热器4、制冷剂-水换热器5、三通阀6、室内侧换热器7、四通换向阀8、节流机构9、空调室内侧换热器10、旁通管11、旁通管12以及连接管道等。空调子系统运行工况主要包含冬季和夏季两种工况。
夏季工况下，制冷剂经压缩机1压缩后，高温高压的制冷剂气体从四通换向阀2-a口流入，经四通换向阀2-b口流出，后流入三通阀3-a口，从三通阀3-b口流出，制冷剂气体依次流过制冷剂-水换热器4和制冷剂-水换热器5，制冷剂-水换热器5的出口安装有温度、压力监测装置，高温高压的制冷剂气体与低温的自来水换热，当制冷剂气体温度、压力达到设计要求后，经三通阀6-a口流入，三通阀6-c口流出，并经旁通管11，流至四通换向阀8-b，经四通换向阀8-a流出，并经过节流机构9，节流后进入室内侧换热器10，制冷剂吸收室内热量，经四通换向阀2-d、2-c口流回压缩机入口，完成循环；当温度压力装置监测到制冷剂气体的温度、压力没有达到设计要求时，制冷剂气体经三通阀6-a口流入，三通阀6-b口流出，在空调室外侧换热器继续放热，温度、压力达到设计要求的制冷剂气体流至四通换向阀8-b口，经四通换向阀8-a流出，并经过节流机构9，节流后进入室内侧换热器10，制冷剂吸收室内热量，经四通换向阀2-c、2-d口流回压缩机入口，完成循环。
冬季工况下，制冷剂经压缩机1压缩后，高温高压的制冷剂气体从四通换向阀2-a口流入，经四通换向阀2-d口流出，并进入空调室内侧换热器10，高温高压的制冷剂气体在空调室内侧换热器10进行放热，放热后的制冷剂气体流至节流元件9，经节流后，流至四通换向阀8-a口。
当开水器子系统正常工作时，经节流后的制冷剂液体经四通换向阀8-d流至平板换热器26，吸收温水蓄水箱20的富余热量。此处，根据饮水习惯，冬季状况下热水的消耗量要大于温水的消耗量，因此，设计工况下温水箱中的水温要低于夏季工况下水箱内水的温度，当水箱内部温度低于设定值后，电辅助加热器23-2开启，进行热量补充。制冷剂液体经平板换热器26吸热后，流至四通换向阀8-c口，平板换热器26出口管路上设有温度、压力监测点，当吸热后的制冷剂气体温度、压力达到设计要求后，制冷剂气体从四通换向阀8-b口流至三通阀32-a，从32-b经旁通管11、旁通管12流至三通阀3-c口，后从三通阀3-a口流至四通换向阀2-b口，再从四通换向阀2-c口流回至变频压缩机1入口；当经平板换热器26吸热后的制冷剂温度、压力参数未达设计要求，则制冷剂气体流入三通阀32-a口后，从三通阀32-c口流至空调室外侧换热器7进行二次吸热，温度、压力参数达标后经三通阀6-b流入，从6-c流出，经旁通管12流至三通阀3-a入口，经三通阀3-a流至四通换向阀2-b口，后从四通换向阀2-c口流回至变频压缩机1入口。
当开水器子系统处于停机状态时，四通换向阀8-d、平板换热器26、四通换向阀8-c及连接管道与空调子系统形成短路，不进行热交换，以防温水蓄水箱放热过多，造成水箱冻裂，损坏设备。此时空调子系统的工作通路为：低温低压的制冷剂气体经变频压缩机1压缩后，从四通换向阀2-a口流入，经四通换向阀2-d口流至空调室内侧换热器10，高温高压制冷剂气体在空调室内侧换热器10放热后，流至节流机构9，而后经四通换向阀8-a流入，经8-b流至三通阀32-a，并经出口32-c流至空调室外侧换热器7，完成吸热后的制冷剂气体依次经三通阀6-b、三通阀6-c、旁通管12、三通阀3-c、三通阀3-a、四通换向阀2-b、四通换向阀2-c流回至变频压缩机1入口，完成系统冬季工况下开水器装置停机时的空调子系统制热循环。
如图2所示，一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置，其中，热水器子系统包括：自来水进水管，逆止阀13，制冷剂-水换热器5，三通阀14，热水器15，末端用水16以及连接管道等。具体实施方式为，夏季工况下，自来水经逆止阀13流至制冷剂-水换热器5，经制冷剂-水换热器4流出的高温制冷剂继续与制冷剂-水换热器5中的低温自来水进行换热，制冷剂温度降低，低温自来水则达到预热升温的效果，经预热升温后的自来水达到洗漱或净手等卫生使用要求后，经三通阀14-b、14-a流至末端用以提供生活用中低温水；若预热升温后的自来水不满足使用要求，则经三通阀14-b、14-c流至加热器15，经加热器15加热处理后经管道送至末端16。
如图2所示，一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置，其中，开水器子系统包括：自来水进水管，电磁阀17，过滤器18，制冷剂-水换热器4，缓冲水箱19，温水蓄水箱20，加热水箱21，热水蓄水箱22，电辅助加热器23-1，出水阀24、28，逆止阀25，换热铜管27，泄水阀29、30，蒸汽管道31。具体实施方式为：自来水经电动阀17、过滤器18至制冷剂-水换热器4，低温自来水与高温高压的制冷剂气体在制冷剂-水换热器4内进行热交换，制冷剂气体温度降低，低温自来水则实现首次预热，温度升高，而后进入缓冲水箱19，缓冲水箱19内的水经换热铜管27流经温水蓄水箱20，实现缓冲水箱19内的水在温水水箱20内换热，温度再次升高，而后进入加热水箱21，加热水箱21通过管道与缓冲水箱19、温水蓄水箱20、热水蓄水箱22连接，加热水箱21用于把二次换热后的过滤水加热至100℃，达到饮用水标准的水一部分经管道进入热水蓄水箱22，饮用热水可由出水阀24流出；一部分经过止逆阀25流入温水蓄水箱放热后用以提供饮用温水，温水可由出水阀28流出；加热过程中产生高温蒸汽通过蒸汽管道24送回至缓冲水箱19中。
如图2所示，一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置，其中，运行控制子系统包括：变频压缩机1，四通换向阀2、8，三通阀3、6、14、32，电磁阀17，电辅助加热器23，泄水阀29、30以及装置中的所有温度、压力监测点。具体实施方式为：根据室内温度，控制压缩机1的启停及四通换向阀2、8及三通阀3、6、32的阀门通断调节；根据场所用水要求，控制温水蓄水箱20，加热水箱21及热水器15中电辅助加热器23的启停，根据缓冲水箱的用水情况，控制电磁阀17的启停；根据从制冷剂-水换热器5流出的中低温自来水的温度，进行三通阀14的通断调节及热水器15中电辅助加热器23-3的启停；根据出水阀24、28的运行状态，对泄水阀25、29进行开闭控制。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置，其特征在于：包括空调子系统、热水器子系统、开水器子系统，以及运行控制子系统；
所述的空调子系统包括：变频压缩机(1)，四通换向阀(2、8)，三通阀(3、6、32)，制冷剂-水换热器(4、5)，空调室外侧换热器(7)，节流机构(9)，空调室内侧换热器(10)，旁通管(11、12)，平板换热器(26)及连接管道；变频压缩机(1)制冷剂出口与四通换向阀(2-a)相连，四通换向阀(2-b)连接三通阀(3-a)，四通换向阀(2-c)连接变频压缩机(1)制冷剂入口，四通换向阀(2-d)与空调室外侧换热器(7)相连，三通阀(3-c)通过旁通管(12)与三通阀(6-c)相连，三通阀(3-b)与制冷剂-水换热器(4)制冷剂入口相连，制冷剂-水换热器(4)制冷剂出口与制冷剂-水换热器(5)制冷剂入口相连，制冷剂-水换热器(5)制冷剂出口与三通阀(6-a)相连，三通阀(6-b)与空调室外侧换热器(7)连接，空调室外侧换热器(7)与三通阀(32-c)连接，三通阀(6-c)经旁通管(11)与三通阀(32-b)连接，三通阀(32-a)与四通换向阀(8-b)连接，四通换向阀(8-c、8-d)经管道与平板换热器(26)连接，四通换向阀(8-a)与节流机构(9)连接，节流机构(9)与空调室内侧换热器(10)连接；
所述的热水器子系统包括：自来水进水管，逆止阀(13)，制冷剂-水换热器(5)，三通阀(14)，热水器(15)，末端(16)；自来水进水管与逆止阀(13)连接，逆止阀(13)与制冷剂-水换热器(5)水侧入口连接，制冷剂-水换热器(5)水侧出口与三通阀(14-b)连接，三通阀(14-c)与热水器(15)连接，三通阀(14-a)与末端(16)连接；
所述的开水器子系统包括：自来水进水管，电磁阀(17)，过滤器(18)，制冷剂-水换热器(4)，缓冲水箱(19)，温水蓄水箱(20)，加热水箱(21)，热水蓄水箱(22)，电辅助加热器(23)，出水阀(24、28)，逆止阀(25)，平板换热器(26)，换热铜管(27)，泄水阀(29、30)；自来水进水管与电磁阀(17)连接，电磁阀(17)与过滤器(18)连接，过滤器(18)与制冷剂-水换热器(4)水侧入口连接，制冷剂-水换热器(4)水侧出口与缓冲水箱(19)连接，缓冲水箱(19)通过换热铜管(27)与加热水箱(21)连接，加热水箱(21)内部安装有电辅助加热器(23-1)，加热水箱(21)经管道与温水蓄水箱(20)连接，温水蓄水箱(20)内安装有电辅助加热器(23-2)，温水蓄水箱(20)上安装有出水阀(28)和泄水阀(30)，且温水蓄水箱(20)外壁上贴有一平板换热器(26)，加热水箱(21)与热水蓄水箱(22)连接，连接管道上安装有逆止阀(25)，热水蓄水箱(22)上安装有出水阀(24)和泄水阀(29)，加热水箱(21)经过蒸汽管道(31)与缓冲水箱(19)连接；
所述的控制子系统包括：变频压缩机(1)，四通换向阀(2、8)，三通阀(3、6、14、32)，电磁阀(17)，电辅助加热器(23)，泄水阀(29、30)以及装置中的温度、压力监测点子装置。
2.根据权利要求1所述的一种耦合式空调与热水器、开水器一体化装置，其特征在于：所述开水器子系统可根据出水阀的开启监测用水状态，设备在设定时间未监测到出水，则默认饮用水已经变为“隔夜水”，自动打开泄水阀，将水箱内部的全部余水排出。
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