CN202868984U - 一种多温区二氧化碳热泵热水器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多温区二氧化碳热泵热水器，包括压缩机，多级气体冷却器、回热器，节流阀，蒸发器，气液分离器，分区保温水箱。多级气体冷却器采用串联形式，压缩机的出口的高温高压二氧化碳气体经过多级气体冷却器，根据用水需求，采用相应的控制方法选择经过不同的气体冷却器制取相应温区的热水，获得的不同温度的水并储存在水箱的不同温区。二氧化碳经过的气体冷却器越多，其出水温度越高。本实用新型采用多级气体冷却器，充分利用二氧化碳的冷凝余热，根据不同需求制取不同温区的热水，既满足了用户的多样化需求，又提高了系统的能源利用效率。

Description

一种多温区二氧化碳热泵热水器

技术领域

本实用新型涉及一种二氧化碳热泵系统，尤其是涉及一种多温区的二氧化碳热泵热水系统。 

背景技术

随着生产工艺的提高及人们生活水平的提高，人们对热水的需求量越来越大。目前国内的热水器主要有：电热水器、燃气热水器、太阳能热水器、热泵热水器。其中电加热热水器虽然安装简单、方便，但是其使用时需要预热，热水量受限制，耗电量大；燃气热水器出热水快，热水量不受限制，但是其要求浴室通风，且废气对环境有污染，使用时也容易发生燃气泄露中毒事件；太阳能热水器安全、节能环保，但是其安装复杂，维护较麻烦，且受天气因素影响；热泵热水器由于其高效节能、安全可靠、全天候使用、长久耐用等特点得到了迅速的发展。目前国内的市场上的热泵热水器主要还是以R22，R410A等为主要工质，其具有破坏大气层及会产生温室效应等缺点，不符合我国节能环保的发展战略。而二氧化碳来源于自然界，是一种对环境无害的天然存在的物质（ODP=0，GWP=1），其具有以下优点：优良经济性，不存在回收问题；无毒，不可燃，安全性和化学稳定性良好；蒸发潜热大，具有良好的热力学性质；优良的流动和传热性能。二氧化碳的以上优点迅速成为R22等传统工质的最佳替代。 

二氧化碳热泵热水器能够提供温度较高的热水，其不仅能满足家庭生活的需要，同时也能满足工业生产的需要。针对不同人群，不同行业所需求的不同温度的热水这一问题，目前普通热泵热水器采用的是高温水与常温水混合的方式，这样必然会造成能源的浪费，降低了整个热泵热水系统的利用率，增加了成本。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种充分利用能源、节能环保并能提供多温区热水的二氧化碳热泵热水器。 

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是： 

一种多温区二氧化碳热泵热水器，其包括二氧化碳热泵系统、水循环系统、实现所述的二氧化碳热泵系统与所述的水循环系统的热量交换的热交换系统，所述的热交换系统包括n个相串联的气体冷却器，且所述的热交换系统具有热泵系统进口、热泵系统出口、水循环进口、水循环出口；

所述的二氧化碳热泵系统包括压缩机、回热器、节流阀、蒸发器、气液分离器；所述的压缩机的出气口与所述的热交换系统的热泵系统进口相连接，相邻的两个所述的气体冷却器之间连接有与所述的二氧化碳热泵系统相连接的第一三通阀，所述的第一三通阀具有第一端口、第二端口、第三端口，相邻的两个气体冷却器分别与所述的第一三通阀的第一端口和第三端口相连接，所述的热交换系统还包括第一多通阀，所述的第一多通阀具有n+1个端口，每个所述的第一三通阀的第三端口和第n个所述的气体冷却器的出口分别与所述的第一多通阀的一个端口相连接，所述的第一多通阀的一个剩余的端口为所述的热交换系统的热泵系统出口而经过所述的回热器和所述的节流阀与所述的蒸发器的进口相连接，所述的蒸发器的出口经过所述的气液分离器和所述的回热器与所述的压缩机的进气口相连接；

所述的水循环系统包括多层保温水箱、水泵，所述的多层保温水箱中具有n个保温区，第一个所述的保温区具有水循环出口且每个所述的保温区均具有水循环进口和出水口；所述的水循环出口经所述的水泵与所述的热交换系统的水循环进口相连接，相邻两个所述的气体冷却器之间连接有与所述的水循环系统相连接的第二三通阀，所述的第二三通阀具有第一端口、第二端口、第三端口，相邻的两个气体冷却器分别与所述的第二三通阀的第一端口和第三端口相连接，所述的第二三通阀的第二端口分别与所述的多层保温水箱中的保温区的水循环进口一一对应连接，所述的水循环系统还包括第二多通阀，所述的第二多通阀具有n+1个端口，每个所述的保温区的所述的出水口与所述的第二多通阀的一个端口相连接，所述的第二多通阀的一个剩余的端口为所述的水循环系统的出水口。

优选的，所述的热交换系统包括三个所述的气体冷却器，分别为第一气体冷却器、第二气体冷却器、第三气体冷却器；所述的第一气体冷却器与所述的第二气体冷却器之间、所述的第二气体冷却器与所述的第三气体冷却器直接分别设置有一个所述的第一三通阀和一个所述的第二三通阀；所述的第一多通阀和所述的第二多通阀均为为四通阀；所述的多层保温水箱中设置有三个所述的保温区，分别为低温区、中温区、高温区。 

优选的，所述的蒸发器为翅片式蒸发器。 

优选的，所述的蒸发器为风冷式蒸发器。 

优选的，所述的回热器为套管式回热器。 

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型充分利用二氧化碳冷凝过程中所释放的热量，根据不同的用水需求，巧妙的将多种不同性能的气体冷却器串联组成多级气体冷却器系统，制取多种不同温区的热水，并可提供以下多种制热水模式，不仅响应了国家节能环保的要求，还使得整个系统更加优化，效率大大提高，同时满足生活和生产的多元化需求，结构设计合理，市场应用价值高。 

附图说明

附图1为本实用新型的一种多温区二氧化碳热泵热水器的系统示意图。 

以上附图中：A、压缩机；B、第一气体冷却器；C第二气体冷却器；D、第三气体冷却器；E、回热器；F、节流阀；G、蒸发器；H、气液分离器；I、第一三通阀；J、第二三通阀；K、第一三通阀；L、第二三通阀；M、第一四通阀；N、水泵；P、多层保温水箱；Q、第二四通阀。 

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步描述。 

实施例一：参见附图1所示。 

一种多温区二氧化碳热泵热水器，其包括二氧化碳热泵系统、水循环系统、实现二氧化碳热泵系统与水循环系统的热量交换的热交换系统。 

热交换系统包括n个相串联的气体冷却器，每个气体冷却器均具有工质进口、工质出口、水进口和水出口，第一个气体冷却器的工质进口为热交换系统的热泵系统进口，最后一个气体冷却器的工质出口与热交换系统的热泵系统出口相连接，第一个气体冷却器的水进口为热交换系统的水循环进口。 

除第一个气体冷却器以外的各个气体冷却器的工质进口与上一气体冷却器的工质出口通过第一三通阀相连接。第一三通阀具有第一端口1、第二端口2、第三端口3，即除第一个气体冷却器以外的各个气体冷却器的工质进口和上一气体冷却器的工质出口分别连接于第一三通阀的两个端口，如第一端口1和第三端口3上。上述各个气体冷却器构成多级气体冷却系统。热交换系统还包括第一多通阀，第一多通阀具有（n+1）个端口，每个第一三通阀的第三端口3和第n个气体冷却器的工质出口分别与第一多通阀的一个端口相连接，第一多通阀的一个剩余的端口为热交换系统的热泵系统出口。 

二氧化碳热泵系统包括压缩机A、回热器E、节流阀F、蒸发器G、气液分离器H。蒸发器G为翅片式蒸发器G，且为风冷式蒸发器。回热器E为套管式回热器。压缩机A的出气口与热交换系统的热泵系统进口相连接，而热交换系统的热泵系统出口经过回热器E和节流阀F与蒸发器G的进口相连接，蒸发器G的出口经过气液分离器H和回热器E与压缩机A的进气口相连接。 

水循环系统包括多层保温水箱P、水泵N，多层保温水箱P中具有n个保温区。第一个保温区具有水循环出口且每个保温区均具有水循环进口和出水口。水循环出口经水泵N与热交换系统的水循环进口相连接。 

除第一个气体冷却器以外的各个气体冷却器的水进口与上一气体冷却器的水出口通过第二三通阀相连接，第二三通阀具有第一端口1、第二端口2、第三端口3，即除第一个气体冷却器以外的各个气体冷却器的水进口和上一气体冷却器的水出口分别连接于第二三通阀的两个端口，如第一端口1和第三端口3上。第二三通阀的第二端口2分别与多层保温水箱P中的各个保温区的水循环进口一一对应连接。水循环系统还包括第二多通阀，第二多通阀具有（n+1）个端口，每个保温区的出水口与第二多通阀的一个端口相连接，第二多通阀的一个剩余的端口为水循环系统的出水口。 

下面以热交换系统为三级气体冷却系统为例进行介绍。 

热交换系统包括三个气体冷却器，分别为第一气体冷却器B、第二气体冷却器C、第三气体冷却器D。第一气体冷却器B与第二气体冷却器C之间、第二气体冷却器C与第三气体冷却器D直接分别设置有一个第一三通阀I、K和一个第二三通阀J、L，即：第一气体冷却器B的工质出口与一个第一三通阀I的第一端口1相连接，第二气体冷却器C的工质进口与上述第一三通阀I的第三端口3相连接；第二气体冷却器C的工质出口与另一个第一三通阀K的第一端口1相连接，第三气体冷却器D的工质进口与上述第一三通阀K的第三端口3相连接；而第一气体冷却器B的水出口与一个第二三通阀J的第一端口1相连接，第二气体冷却器C的水进口与上述第二三通阀J的第三端口3相连接；第二气体冷却器C的水出口与另一个第二三通阀L的第一端口1相连接，第三气体冷却器D的水进口与上述第二三通阀L的第三端口3相连接。 

第一多通阀为第一四通阀M，其具有四个端口，分别为第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4。连接于第一气体冷却器B和第二气体冷却器C之间的第一三通阀I的第二端口2与第一四通阀M的第一端口1相连接，连接于第二气体冷却器C和第三气体冷却器D之间的第一三通阀K的第二端口2与第一四通阀M的第二端口2相连接，第三气体冷却器D的工质出口与第一四通阀M的第三端口3相连接，第一四通阀M的第四端口4为热交换系统的热泵系统出口并经回热器E和节流阀F连接至蒸发器G中。 

多层保温水箱P中设置有三个保温区，分别为低温区、中温区、高温区。低温区具有水循环出口，且低温区、中温区、高温区均具有水循环进口和出水口。低温区的水循环出口通过水泵N与第一气体冷却器B的水进口相连接。连接于第一气体冷却器B和第二气体冷却器C之间的第二三通阀J的第二端口2与低温区的水循环进口相连接，连接于第二气体冷却器C和第三气体冷却器D之间的第二三通阀L的第二端口2与中温区的水循环进口相连接，第三气体冷却器D的水出口与高温区的水循环进口相连接。 

第二多通阀为第二四通阀Q，其也具有四个端口，分别为第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4。第二四通阀Q的第一端口1与低温区的出水口相连接，第二端口2与中温区的出水口相连接，第三端口3与高温区的出水口相连接，第二四通阀Q的第四端口4为热交换系统的出水口。 

上述二氧化碳热泵热水器充分利用二氧化碳冷凝过程中所释放的热量，根据不同的用水需求，巧妙的将三种不同性能的气体冷却器串联组成三级气体冷却器系统，制取低温、中温、高温三种不同温区的热水。其中低温水为45-55℃的热水，中温水为55-75℃的热水，高温水为75-90℃的热水。其可以提供以下7种制热水模式：①制取低温热水，②制取中温热水，③制取高温热水，④制取低温和中温热水，⑤制取低温和高温热水，⑥制取中温和高温热水，⑦同时制取低温水、中温水和高温水。 

（1）单独制取低温水： 

当只需要用低温热水时，将第一三通阀I的第一端口1的第二端口2接通，第二三通阀J的第一端口1和第二端口2接通，第一四通阀M的第一端口1和第四端口4接通。

此时系统的工质循环回路是：经压缩机A压缩后的高温高压二氧化碳经第一气体冷却器B加热水源，被冷却后的二氧化碳经过第一三通阀I的第一端口1至第二端口2、第一四通阀M的第一端口1至第四端口4后进入回热器E中过冷，之后在节流阀F处膨胀降压，经降压后的二氧化碳液体进入蒸发器G中吸收热量进行蒸发，然后再进入回热器E中过热，经过气液分离器H进入压缩机A，完成一个制取低温热水的循环，即压缩机A、第一气体冷却器B、回热器E、节流阀F、蒸发器G、气液分离器H构成一个回路。 

此时单独制取低温水系统的水源循环回路是：水泵N抽取常温水经过第一气体冷却器B进行热换热后经第二三通阀J的第一端口1至第二端口2直接进入多层保温水箱P的低温区。 

（2）单独制取中温水和同时制取低温水与中温水： 

单独制取中温水与同时制取低温水和中温水系统的工质循环回路是一样的，不同的是第二三通阀J的流通方向。

此时的系统的工质循环回路如下：经压缩机A压缩后的高温高压二氧化碳气体经第一气体冷却器B加热水源，被冷却后的二氧化碳经过第一三通阀I的第一端口1和第三端口3后进入第二气体冷却器C继续冷却并加热水源，被二次冷却的二氧化碳经第一三通阀K的第一端口1至第二端口2、第一四通阀M的第二端口2至第四端口4后进入回热器E进一步降温，之后在节流阀F处膨胀降压，经降压后的二氧化碳液体进入翅片管式蒸发器G中吸收热量进行蒸发，然后在进入回热器E中进一步吸热，经过气液分离器H进入压缩机A，完成一个循环。即压缩机A、第一气体冷却器B、第二冷却器、回热器E、节流阀F、蒸发器G、气液分离器H构成一个回路。 

此时单独制取中温水系统的水源循环回路是：水泵N抽取常温水经过第一气体冷却器B进行热交换后经第二三通阀J的第一端口1至第三端口3进入第二气体冷却器C进行二次热交换，之后经第二三通阀L的第一端口1和第二端口2直接进入多层保温水箱P的中温区。 

同时制取低温水和中温水系统的水源循环回路是：水泵N抽取常温水经过第一气体冷却器B进行热交换后，一部分水经第二三通阀J的第一端口1和第二端口2直接进入多层保温水箱P的低温区，另一部分水经第二三通阀J的第一端口1和第三端口3进入第二气体冷却器C进行热交换，被两次加热的水源经第二三通阀L的第一端口1和第二端口2直接进入多层保温水箱P的中温区。 

（3）单独制取高温水，同时制取低温水和高温水，同时制取中温水和高温水，同时制取低温水、中温水和高温水： 

单独制取高温水与同时制取低温水和高温水系统、同时制取中温水和高温水、同时制取低温水、中温水和高温水系统的工质循环回路是一样的，不同的是第二三通阀J、L的流通方向。

此时的系统的工质循环回路如下：经压缩机A压缩后的高温高压二氧化碳气体经第一气体冷却器B加热水源，被冷却后的二氧化碳经过第一三通阀I的第一端口1和第三端口3后进入第二气体冷却器C继续冷却并加热水源，经二次冷却的二氧化碳经第一三通阀K的第一端口1和第三端口3进入第三气体冷却器D再次冷却并加热水源，被三次冷却的二氧化碳经第一四通阀M的第三端口3和第四端口4后进入回热器E中进一步降温，之后在节流阀F处膨胀降压，经降压后的二氧化碳液体进入翅片管式蒸发器G中吸收热量进行蒸发，然后在进入回热器E中进一步吸热，经过气液分离器H进入压缩机A，完成一个循环，即压缩机A、第一气体冷却器B、第二冷却器、第三气体冷却器D、回热器E、节流阀F、蒸发器G、气液分离器H构成一个回路。 

此时单独制取高温水系统的水源循环回路是：水泵N抽取常温水经过第一气体冷却器B进行热交换后经第二三通阀J的第一端口1至第三端口3进入第二气体冷却器C进行第二次热交换，之后经第二三通阀L的第一端口1和第三端口3进入第三气体冷却器D进行第三次热交换，最后直接进入多层保温水箱P的高温区。 

制取低温水和高温水系统的水源循环回路是：水泵N抽取常温水经过第一气体冷却器B进行热交换后，一部分水经第二三通阀J的第一端口1和第二端口2直接进入多层保温水箱P的低温区；另一部分水经第二三通阀J的第一端口1和第三端口3进入第二气体冷却器C进行第二次热交换，之后经第二三通阀L的第一端口1和第三端口3进入第三气体冷却器D进行第三次热交换，最后直接进入多层保温水箱P的高温区。 

制取中温水和高温水系统的水源循环回路是：水泵N抽取常温水经过第一气体冷却器B进行热交换后经第二三通阀J的第一端口1和第三端口3进入第二气体冷却器C进行第二次热交换并分成两部分，一部分水经第二三通阀L的第一端口1和第二端口2直接进入多层保温水箱P的中温区，另一部分水经第二三通阀L的第一端口1和第三端口3进入第三气体冷却器D进行第三次热交换，最后直接进入多层保温水箱P的高温区。 

同时制取低温水+中温水+高温水系统的水源循环回路是：水泵N抽取常温水经过第一气体冷却器B进行热交换后分成两部分，一部分经第二三通阀J的第一端口1和第二端口2直接进入多层保温水箱P的低温区；另一部分经第二三通阀J的第一端口1和第三端口3进入第二气体冷却器C进行第二次热交换后再次分为两部分，其中一部分经第二三通阀L的第一端口1和第二端口2后直接进入多层保温水箱P的中温区，另一部分经第二三通阀L的第一端口1和第三端口3进入第三气体冷却器D进行第三次热交换，最后直接进入多层保温水箱P的高温区。 

本实用新型采用多级气体冷却器，充分利用二氧化碳的冷凝余热，根据不同需求制取不同温区的热水，既满足了用户的多样化需求，又提高了系统的能源利用效率。 

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种多温区二氧化碳热泵热水器，其特征在于：其包括二氧化碳热泵系统、水循环系统、实现所述的二氧化碳热泵系统与所述的水循环系统的热量交换的热交换系统，所述的热交换系统包括n个相串联的气体冷却器，且所述的热交换系统具有热泵系统进口、热泵系统出口、水循环进口、水循环出口；

所述的二氧化碳热泵系统包括压缩机、回热器、节流阀、蒸发器、气液分离器；所述的压缩机的出气口与所述的热交换系统的热泵系统进口相连接，相邻的两个所述的气体冷却器之间连接有与所述的二氧化碳热泵系统相连接的第一三通阀，所述的第一三通阀具有第一端口、第二端口、第三端口，相邻的两个气体冷却器分别与所述的第一三通阀的第一端口和第三端口相连接，所述的热交换系统还包括第一多通阀，所述的第一多通阀具有n+1个端口，每个所述的第一三通阀的第三端口和第n个所述的气体冷却器的出口分别与所述的第一多通阀的一个端口相连接，所述的第一多通阀的一个剩余的端口为所述的热交换系统的热泵系统出口而经过所述的回热器和所述的节流阀与所述的蒸发器的进口相连接，所述的蒸发器的出口经过所述的气液分离器和所述的回热器与所述的压缩机的进气口相连接；

所述的水循环系统包括多层保温水箱、水泵，所述的多层保温水箱中具有n个保温区，第一个所述的保温区具有水循环出口且每个所述的保温区均具有水循环进口和出水口；所述的水循环出口经所述的水泵与所述的热交换系统的水循环进口相连接，相邻两个所述的气体冷却器之间连接有与所述的水循环系统相连接的第二三通阀，所述的第二三通阀具有第一端口、第二端口、第三端口，相邻的两个气体冷却器分别与所述的第二三通阀的第一端口和第三端口相连接，所述的第二三通阀的第二端口分别与所述的多层保温水箱中的保温区的水循环进口一一对应连接，所述的水循环系统还包括第二多通阀，所述的第二多通阀具有n+1个端口，每个所述的保温区的所述的出水口与所述的第二多通阀的一个端口相连接，所述的第二多通阀的一个剩余的端口为所述的水循环系统的出水口。

2.根据权利要求1所述的一种多温区二氧化碳热泵热水器，其特征在于：所述的热交换系统包括三个所述的气体冷却器，分别为第一气体冷却器、第二气体冷却器、第三气体冷却器；所述的第一气体冷却器与所述的第二气体冷却器之间、所述的第二气体冷却器与所述的第三气体冷却器直接分别设置有一个所述的第一三通阀和一个所述的第二三通阀；所述的第一多通阀和所述的第二多通阀均为为四通阀；所述的多层保温水箱中设置有三个所述的保温区，分别为低温区、中温区、高温区。

3.根据权利要求1所述的一种多温区二氧化碳热泵热水器，其特征在于：所述的蒸发器为翅片式蒸发器。

4.根据权利要求3所述的一种多温区二氧化碳热泵热水器，其特征在于：所述的蒸发器为风冷式蒸发器。

5.根据权利要求1所述的一种多温区二氧化碳热泵热水器，其特征在于：所述的回热器为套管式回热器。

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