CN202188633U - 空气源热泵热水器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种空气源热泵热水器，包括主制冷回路、热水回路及电气控制系统，所述主制冷回路包括依次连接的压缩机、四通阀、热水换热器、节流装置、室外换热器；所述电气控制系统包括电源电路、输入模块、主控板、负载及负载驱动电路，在所述热水换热器出口和室外换热器出口间设置有旁通回路，所述旁通回路上设有电磁阀和电加热器；所述压缩机是变频压缩机，所述电气控制系统还包括与主控板连接的变频控制模块，所述电源电路还包括功率因数校正电路。本实用新型的空气源热泵热水器可以在高低温环境以及宽电压范围下高效工作，制热水效果好，是一款节能、环保、恒温能力强、使用范围广的热水器产品。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种热水器，更具体地说是涉及一种空气源热泵热水器。
背景技术
目前市面销售的热水器有燃气热水器、电热水器、太阳能热水器以及空气源热泵热水器等几种热水器。燃气热水器是能过燃烧液化气、天然气、酒精等有机燃料来加热热水的一种热水器，该类热水器容易受水压、燃气等因素影响从而导致水温波动较大，而且容易产生一氧化碳等有毒气体，危害人们的健康，同时需要消耗大量的不可再生能源，使成本偏高，对环境也会造成严重污染。电热水器是通过消耗电能来加热水的热水器，虽然无污染，但能量转换效率低，能耗高，而且还有漏电带来的安全隐患。太阳能热水器利用真空管收集太阳能来加热水温，虽然在节能、环保方面有燃气热水器和电热水器无法比拟的优点，但受天气影响大，夜晚或阴雨天气就很难正常使用。空气源热泵热水器是一种目前比较理想的热水器，它利用逆卡诺循环原理，以极少的耗电量从环境中获取大量的热量来加热水，其效率是电热水器的3-5倍，所以其运行费用经济，另外，因热泵热水器的水、电是隔离开的，无安全隐患，对环境也无污染。但目前所使用的空气源热泵热水器也还存在不少缺陷：
1)目前的空气源热泵热水器大多使用的是定速压缩机，用电高峰输入电压下降的情况下，定速机无法正常制热水，甚至不能正常启动。而且它只能以固定的转速运转，传送的制冷剂量基本恒定，水温控制能力差，当进出水温与设定温度温差较小时容易出现压缩机频繁开停的现象，而在水温温差大的时候，压缩机不能提供更多的冷媒循环，制热水能力又显得不足。
2)由于压缩机转速固定，当在室外高温环境下制热水时，容易引起排气压力过高，排气温度过高等现象，同时运行电流大，功率大，极易产生过载，影响压缩机的使用寿命。而在低温环境下(-10℃以下)运行时，则蒸发温度降低，压缩机吸气比容增大，吸气量减少，出现回气压力低而冷凝压力高的现象，高压缩比容易导致压缩机排气温度过高，出现频繁保护甚至影响压缩机的使用寿命。
3)压缩机的启动电流大，对电网以及其它用电器存在冲击。电机以及室外侧风扇电机均为普通交流异步电机，交流电机效率只有45％左右。
实用新型内容
本实用新型目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用范围广、能够在较宽的温度带及较宽的电压范围下高效工作的空气源热泵热水器，它恒温效果好，热效率高，能在150V-260V宽电压下正常工作，对电网无冲击，使用寿命长。
本实用新型的技术方案是这样的：一种空气源热泵热水器，包括主制冷回路、热水回路及电气控制系统，所述主制冷回路包括依次连接的压缩机、四通阀、热水换热器、节流装置、室外换热器；所述电气控制系统包括电源电路、输入模块、主控板、负载及负载驱动电路，在所述热水换热器出口和室外换热器出口间设置有旁通回路，所述旁通回路上设有电磁阀和电加热器；所述压缩机是变频压缩机，所述电气控制系统还包括与主控板连接的变频控制模块，所述电源电路还包括升压型稳压电路。
优选地，所述四通阀的D口连接变频压缩机的排气口，四通阀的C口连接热水换热器，四通阀的S口连接储液器，四通阀的E口连接室外换热器；所述的热水回路包括水箱、进水管路和出水管路，所述热水换热器设置在水箱内。
优选地，所述变频压缩机的排气管路上设有排气温度传感器；所述压缩机回气管路上设有吸气温度传感器；
优选地，所述水箱进水管路和出水管路各布置了有进水温度传感器和出水温度传感器。
优选地，所述旁通回路上还设有单向阀。
优选地，所述升压型稳压电路包括桥式整流电路、电感L1、脉宽调节信号驱动电路、晶体管稳压电路；所述桥式整流电路连接电感L1，电感L1与脉宽调节信号驱动电路连接晶体管稳压电路。
优选地，室外风扇电机是直流永磁同步电机或交流异步电机。
优选地，所述变频压缩机的电机为为直流永磁同步电机。
优选地，所述的节流装置，可以是电子膨胀阀或毛细管。
本实用新型的有益效果在于：
1)本实用新型采用变频压缩机和升压型PFC控制，能将低电压自动升压并稳定输出供变频压缩机正常运转，以适应宽广的电压范围。
2)本实用新型增加一辅助加热的旁通回路，当环境温度过低时，让一小部分冷媒通过单向阀，经电磁阀节流后进入电加热器，冷媒在电加热器中被加热成高温的气态制冷剂，然后再与主回路的室外换热器出口的冷媒混合，来提高制冷剂温度与压力，即提高回气温度，从而提高制热量和COP，并降低压缩机的压缩比，使得压缩机的排气温度下降，从而提高了压缩机系统的可靠性。该旁通回路受主控板控制，只在低温制热水的状态动作。
3)本实用新型的空气源热泵热水器变频压缩机的电机为直流永磁同步电机，效率可高达75％以上，相对定频压缩机电机可以节能25-30％。其次直流变频压缩机启动时采用低频软启动技术，启动电流很小，对电网无冲击。而且直流变频压缩机采用目前最先进的180度正弦波驱动技术，达到高效节能、低振动低噪音的运行效果。
附图说明
图1是本实用新型空气源热泵热水器的制冷系统结构示意图；
图2是本实用新型空气源热泵热水器的控制原理框图；
图3是本实用新型空气源热泵热水器的升压型PFC电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种空气源热泵热水器，包括主制冷回路、热水回路及电气控制系统，由依次连接的变频压缩机1、四通阀2、热水换热器3、节流装置(电子膨胀阀5)、室外换热器6构成本实用新型的主制冷回路，在热水换热器3的出口和室外换热器6出口间设置有旁通回路，该旁通回路上设有电磁阀8和电加热器9。
热水换热器3放置在水箱4内，由水箱4、进水管路和出水管路组成了热水回路。水源从在水箱4的进水口进入，与热水换热器3内的制冷剂交换热量，吸热升温后从水箱的出水口流走。
如图1所示，变频压缩机1的排气口与四通阀2的D口连接，四通阀2的C口与热水换热器3的入口连接，室外换热器6的出液口与四通阀2的E口连接，在变频压缩机1旁还设有储液器7，四通阀2的S口经储液器7与所述的压缩机1的吸气口连接。在旁通回路的电磁阀8前还设有单向阀10。主制冷回路的制冷剂是R410a。变频压缩机1的排气管路上设有一排气温度传感器15，变频压缩机1回气管路上设置有回气温度传感器16，在室外换热器6的进口设换热器入口温度传感器17，在室外换热器6附近设置环境温度传感器18。由回气温度传感器16、换热器入口温度传感器17的参数值控制电子膨胀阀5的开度。由环境温度传感器18的参数值控制电磁阀8的启闭。由排气温度传感器15的参数值控制变频压缩机1的频率大小，当排气温度大于一定值时(如120℃)，主控板降低变频压缩机1的运行频率。在水箱4的进水口和出水口处设置有进水温度传感器14和出水温度传感器13，两温度传感器的温度参数差作为压缩机1频率的控制输出的依据。出水温度与进水温度的温差决定压缩机1的运行频率，温差越大变频压缩机1运行频率越高，提供的热量越多，水温升得越快，反之温差低则压缩机运1行频率低，产生的热量少，水温上升慢，当温差接近时，压缩机1以极低频率运行，维持水温恒定。
在正常制热水情况下，当水箱出水温度低于设定值时，由主控板控制变频压缩机1开始启动制热水运行，此时四通阀2的D、C口接通，高温高压的制冷剂气体进入热水换热器3中与水箱4内的水进行热交换使水温升高，与水进行热交换后的制冷剂成为低温高压液体经电子膨胀阀5节流后流入室外换热器6中，并在其中通过室外风扇12与空气进行热交换，吸收空气中的热量转变成高温低压的气体，然后从压缩机1的回气口回到压缩机1中，不断循环。
当运行在低温环境中，如测得的环境温度在-12℃以下时，为了获得较高的制热水能力，直流变频压缩机1以高速运行，冷媒的流量增大，但回气温度与回气压力还是比较低，压缩机1的压缩比升高会导致排气温度激增，甚至会超出120℃的保护范围，因此，本热水器在热水换热器3的出口增加旁通回路，让一小部分冷媒通过单向阀10并通过小口径电磁阀8节流后进入电加热器9，冷媒在电加热器9中被加热成相对高温的气态制冷剂，与主回路低温气态制冷剂混合后使到整个流回变频压缩机1的制冷剂温度与压力提高，从而提高制热量和COP，并降低压缩机1压缩比，使排气温度下降，提高压缩机1系统的可靠性。
在一般环境温度下制热水时，无需对压缩机1回气进行升温补气，所以旁通回路的电加热器9不工作，电磁阀8关闭。R410a制冷剂全部流向室外换热器6。当环境温度极低(一般低于-12℃)时，才打开电磁阀8，同时开启电加热9。
参见图2，电气控制系统包括电源电路21、输入模块22、主控板(DSP)23、负载26及负载驱动电路25、变频控制模块(IPM)24。
图2是本实用新型空气源热泵热水器的控制原理框图。交流220V电源经过EMC滤波处理后进行桥式整流，整流后滤波并进行升压功率因数校正(PFC)和滤波，生成300-360V直流电，供给变频控制模块(IPM)24进行压缩机频率变换，同时300-360V直流经过开关电源产生+15V和+5V低压直流电供驱动电路以及主控板(DSP)23工作。
主控板(DSP)23连接操作显示、温度传感等输入模块22的元件，包括环境温度传感器18、排气温度传感器15，回气温度传感器16、换热器入口温度传感器17、进水温度传感器14和出水温度传感器13等。室外换热器中部根据采集的温度点以及输入的设定水温等参数控制压缩机1运行频率、电子膨胀阀5开度、室外风机、电加热器以及四通阀的动作。主控板(DSP)23还连接变频控制模块(IPM)24，变频控制模块(IPM)24用于变频压缩机1的运行频率控制。主控板(DSP)23还连接负载驱动电路25，负载驱动电路25用于驱动负载26(加热器、风扇电机、四通阀、电子膨胀阀)的动作。电源电路21包括PFC功率因数校正电路，使得当输入电压较低时或较高时，如150V或260V，在P、N端都能输出稳定的高压，使系统得以稳定高效运行。电抗器L1、二极管D3、电解电容E1在通断过程的充电、放电过程，输出端的直流电压能被提升到300V以上。当输入电压正常时，IGBT晶体管截止，此时输出直流电压为正常值。若输入电压下降，PFC控制信号输出PWM驱动信号驱动IGBT晶体管Q1。
如图3所示，本实用新型空气源热泵热水器的升压型PFC电路原理如下：交流电压输入经桥式整流电路DN1整流后，通过电抗器L1以及快恢复二极管D3以及E1滤波后输出直流电压，R1串联在桥式整流电路DN1负极与接地之间，通过采样电阻R1两端电压降来获取回路上的电流，该电压值经过放大电路放大后以及A/D转换后与单片机内部标准信号进行比较处理产生PWM信号，该信号经由驱动电路控制I GBT晶体管Q1的通断，从而达到让电流波形跟踪电压的效果。
当Q1导通时，桥式整流电路DN1输出电压对L1进行充电，L1储能。当Q1截止时，L1上储能通过D3叠加到输出端。如此，只要控制Q1的导通与截止时间，就可以实现输出端P、N之间电压值。同时，L1的电感特性可以使输出电流波形始终跟踪电压波形，达到提高功率因数的效果。从而实现对输出端P、N之间直流电压的调节。
本实用新型并不局限于以上实施方式，在上述实施方式公开的技术内容下，还可以进行各种变化。凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种空气源热泵热水器，包括主制冷回路、热水回路及电气控制系统，所述主制冷回路包括依次连接的压缩机、四通阀、热水换热器、节流装置、室外换热器；所述电气控制系统包括电源电路、输入模块、主控板、负载及负载驱动电路，其特征在于：在所述热水换热器出口和室外换热器出口间设置有旁通回路，所述旁通回路上设有电磁阀和电加热器；所述压缩机是变频压缩机，所述电气控制系统还包括与主控板连接的变频控制模块，所述电源电路还包括功率因数校正电路。
2.根据权利要求1所述的空气源热泵热水器，其特征在于：所述四通阀的D口连接变频压缩机的排气口，四通阀的C口连接热水换热器，四通阀的S口连接储液器，四通阀的E口连接室外换热器；所述的热水回路包括水箱、进水管路和出水管路，所述热水换热器设置在水箱内。
3.根据权利要求2所述的空气源热泵热水器，其特征在于：所述变频压缩机的排气管路上设有排气温度传感器；所述压缩机回气管路上设有吸气温度传感器；
4.根据权利要求3所述的空气源热泵热水器，其特征在于：所述水箱进水管路和出水管路各布置了有进水温度传感器和出水温度传感器。
5.根据权利要求4所述的空气源热泵热水器，其特征在于：所述旁通回路上还设有单向阀。
6.根据权利要求1至5任一项所述的空气源热泵热水器，其特征在于：所述功率因数校正电路包括桥式整流电路、电感L1、脉宽调节信号驱动电路、晶体管稳压电路；所述桥式整流电路连接电感L1，电感L1与脉宽调节信号驱动电路连接晶体管稳压电路。
7.根据权利要求6所述的空气源热泵热水器，其特征在于：室外风扇电机是直流永磁同步电机或交流异步电机。
8.根据权利要求6所述的空气源热泵热水器，其特征在于：所述变频压缩机的电机为为直流永磁同步电机。
9.根据权利要求1所述的空气源热泵热水器，其特征在于：所述的节流装置，可以是电子膨胀阀或毛细管。
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