CN204678683U - 一种一次加热式热泵热水机 - Google Patents

Abstract

一种一次加热式热泵热水机，涉及利用热泵的流体加热器，尤其涉及一种具备温控切换的三水箱双回路循环热水结构的一次加热式热泵热水机，包括热泵机组和三个水箱，第一、二水箱通过三通阀和循环泵连接到冷凝器，构成三通阀控制切换的第一加热循环回路和第二加热循环回路；第一、二水箱的冷水进口，通过第一、二电磁阀连接到冷水进水管路；第一、二水箱顶部的热水出口通过三通恒温热水管连接到储热水箱，构成第一、二电磁阀控制的第一恒温出水通道和第二恒温出水通道；采用温控切换的三水箱双回路循环热水结构制取热水，出水温度达到设定温度且不受进水流量的影响，保证加热热水的稳定性和持续性。

Description

一种一次加热式热泵热水机

技术领域

本实用新型涉及利用热泵的流体加热器，尤其涉及一种具备温控切换的三水箱双回路循环热水结构的一次加热式热泵热水机。

背景技术

当前煤炭、石油、天然气等“化石类能源”的不可再生性及全球储量的高速减少，带来了世界性的能源短缺，加上地球生态环境的日益恶化，使得保护生态环境、加速开发和利用可再生能源，成为人类紧迫而艰巨的任务。蓬勃发展的中国经济、高速增长的热水需求，作为节能环保的热泵热水机也得到了国家和社会的认可，节能产品的美好市场前景，对传统制热水设备也产生了革命性的替代趋势。GB/T 21362-2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》标准中将热泵热水产品分为一次加热式和循环加热式两个类型。一次加热式热泵热水机也称为直热式或即热式热泵热水机，一次加热式热泵热水机因为冷水不进储热水箱而热水稳定的优点，在长江以南市场大量推广。现有的一次加热式热泵热水机的基本结构如图1所示，包括压缩机1、翅片换热器2、冷凝器3、节流元件5和气液分离器6构成的热泵机组，冷凝器3用作水氟换热器，将翅片换热器2从空气中吸取的热量，通过循环泵4传送到储热水箱40中，利用水氟换热器进水管的水量调节阀30，调节冷水的进水流量使出水温度恒定。但是，由于现有的一次加热式热泵热水机的冷水直接进入冷凝器3，水流量的大小直接影响机组的制热量和能效，在环境温度低于0度时，为了保证产品的出水温度达到55度，进水流量会非常小，这导致冷凝器3的热交换效果差，热泵机组的制热量和能效严重下降，甚至会出现冷凝不了的现象，使机组不能正常制热水。由于水量调节阀的孔径很小，很容易被堵住，导致机组因水流量不正常而故障停机。同时，由于冷水进水水压经常变化，也会对机组正常制热产生比较大的影响，往往需要对冷水进水的水压进行升降压，以满足机组对水压的要求。再加上水量调节阀30及循环泵4的设置，一方面使机组成本提高、安装复杂；另一方面，当系统中出现故障后，需要同时检测水量调节阀30及循环泵4，检修点比较多，从而增加了维修维护的工作量。

中国发明专利“一种多级串联水路一次加热式热泵热水机”(中国发明专利号：ZL200710143443.6，授权公告号：CN100501267C)公开了一种多级串联水路一次加热式热泵热水机，由至少两个相对独立的热泵系统和多级串联水系统组成，在终级(即最髙级)热泵系统中加入冷凝液体制冷剂热回收器：其中：热水机组的进水连接至该制冷剂热回收器的进水口，该制冷剂热回收器的出水口连接至第一级热泵系统的冷凝器进水口，第一级热泵系统的冷凝器出水口连接至第二级热泵系统的冷凝器进水口，以此类推，直至终级热泵系统的冷凝器出水口；该制冷剂热回收器的氟侧进口接入终级热泵系统的冷凝器排出的液态制冷剂，该制冷剂热回收器的氟侧出口连接至终级热泵系统的节流装置进口。该方案通过多级串联水路提高出水温度，但存在以下几方面缺点：1、当串联的水系统少时，机组制热量低、进水温度低，机组要保证低环境温度制取55度热水，水流量会变的很小，冷凝器热交换效果会很差，从而出现制热量差，能效低，甚至会出现冷凝效果差，机组不能正常工作的严重问题。2、当串联的部分机组除霜时，此台机组不制热或制冷，此时还要维持出水温度达到55度，则还在正常制热的机组会因为流量非常小出，冷凝不好，机组的制热效果和能效会受到很大影响，当除霜的机组台数多于正常制热的机组台数，制热的机组会出现冷凝压力过高的严重故障，而除霜的机组有可能会出现出水温度低于0度而产生冻结的严重故障。3、串联的最后一台机组，始终加热的是高温热水，一直运行在高负载区，产品的寿命会受到较大的影响，而第一台机组一直运行在低负荷区，产品的能力得不到很好的利用，从而导致系统中机组不能均衡工作，设备利用率低。

中国实用新型专利“一次加热式热泵热水器”(实用新型专利号：ZL201420373457.2，授权公告号：CN203949362U)公开了一种一次加热式热泵热水器，包括：压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器、水箱、调节水泵和温控装置；水箱的进水口通过进水管与冷凝器的出水口相连接，出水口通过出水管与冷凝器的进水口相连接；调节水泵设置在进水管上；温控装置设置在出水管上，温控装置检测出水管内水的温度，并根据水的温度控制通过调节水泵的水流量。该实用新型利用温控装置利用调节水泵控制进入冷凝器内的水流量，虽然可以解决水量调节阀在一次加热过程中带来的各种问题，但是还没有根本解决机组在保证低环境温度稳定制取热水的问题。而且机组在除霜时还会将大量的冷水送到水箱中，这样就不能保证热水的正常使用。此外，该实用新型专利采用承压式水箱，在热水需求量比较大时，承压式水箱的成本会很高，这必然会大大提高初期投资费用。

实用新型内容

本实用新型的目的是要提供一种一次加热式热泵热水机，可以保证出水温度达到设定温度且不受进水流量的影响，在保证加热热水的稳定性和持续性的同时，解决现有水量调节阀在一次加热过程中带来的易堵塞、故障率高的技术问题。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种一次加热式热泵热水机，包括压缩机、翅片换热器、冷凝器、节流元件和气液分离器连接组成的热泵机组，与冷凝器的水路连通的循环泵和储热水箱，以及控制热泵热水机运行的控制装置，其特征在于：

所述的储热水箱通过一根三通恒温热水管连接到第一循环水箱和第二循环水箱，并且通过第一电磁阀、第二电磁阀和三通阀的连接控制，依照以下连接方式构成温控切换的三水箱双回路循环热水结构：

第一循环水箱和第二循环水箱顶部的循环进水口并联连接到冷凝器的出水口；第一循环水箱和第二循环水箱底部的循环出水口分别连接到三通阀的b口和c口，三通阀的a口通过循环泵连接到冷凝器的进水口，构成三通阀控制切换的第一加热循环回路和第二加热循环回路，其中：

第一加热循环回路：冷凝器->第一循环水箱->三通阀b口->三通阀a口->循环泵->冷凝器；

第二加热循环回路：冷凝器->第二循环水箱->三通阀c口->三通阀a口->循环泵->冷凝器；

第一循环水箱和第二循环水箱底部的冷水进口，分别通过第一电磁阀和第二电磁阀，连接到冷水进水管路；第一循环水箱和第二循环水箱顶部的热水出口，通过三通恒温热水管连接到储热水箱，构成第一电磁阀和第二电磁阀控制的第一恒温出水通道和第二恒温出水通道，其中：

第一恒温出水通道：冷水进水->第一电磁阀->第一循环水箱->三通恒温热水管->储热水箱；

第二恒温出水通道：冷水进水->第二电磁阀->第二循环水箱->三通恒温热水管->储热水箱。

本实用新型的一次加热式热泵热水机的一种较佳的技术方案，其特征在于在第一循环水箱和第二循环水箱的下部，分别设置第一水温传感器和第二水温传感器；在三通恒温热水管的出口通道,设置出水温度传感器，在储热水箱的内部设置液位传感器；所述的控制装置连接到液位传感器，根据储热水箱的液位控制热泵机组的启动或停止；所述的控制装置连接到第一水温传感器、第二水温传感器和出水温度传感器，根据水箱水温和出水温度控制第一电磁阀、第二电磁阀和三通阀，实现温控切换的三水箱双回路循环热水结构。

本实用新型的一次加热式热泵热水机的一种更好的技术方案，其特征在于所述的第一循环水箱和第二循环水箱是两个同容量的水箱，每个循环水箱的容量为名义工况下单位小时制热水量的1/4～1/8；储热水箱的容量大于单位小时峰值热水需求量与名义工况下单位小时制热水量之差。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的一次加热式热泵热水机，采用温控切换的三水箱双回路循环热水结构制取热水，可以保证出水温度达到设定温度且不受进水流量的影响，符合一次加热式热水机标准的要求，保证加热热水的稳定性和持续性。

2、本实用新型的一次加热式热泵热水机，热泵循环加热水流不经过储热水箱，除霜时不影响出水温度，除霜效果好，除霜时间比现有的一次加热式热泵热水机缩短50％以上。

3、本实用新型的一次加热式热泵热水机，省略了现有技术用于恒定出水温度的水量调节阀，冷凝器的热交换效果提高，故障率降低，系统稳定、结构简单，应用推广性强。

附图说明

图1是现有的一次加热式热泵热水机的结构示意图；

图2是本实用新型的一次加热式热泵热水机的结构示意图；

图3是本实用新型的一次加热式热泵热水机的控制装置的原理图；

图4是本实用新型的一次加热式热泵热水机的控制方法流程图。

以上图中的各部件的标号：1-压缩机，2-翅片换热器，20-风机，3-冷凝器，30-水量调节阀，31-第一电磁阀，32-第二电磁阀，33-三通阀，4-循环泵，40-储热水箱，41-第一循环水箱，42-第二循环水箱，43-三通恒温热水管，5-节流元件，51-储液罐，52-过滤器，6-气液分离器，7-四通阀，8-控制装置，80-液位传感器，81-第一水温传感器，82-第二水温传感器，83-出水温度传感器，84-环境温度传感器，85-翅片温度传感器，800-运行参数设定模块，810-水量检测控制模块，820-水温检测控制模块，830-热泵控制器，840-电磁阀驱动器，850-除霜控制模块。

具体实施方式

为了能更好地理解本实用新型的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。图2是本实用新型的一次加热式热泵热水机的一个实施例，包括压缩机1、翅片换热器2、冷凝器3、节流元件5和气液分离器6连接组成的热泵机组，与冷凝器3的水路连通的循环泵4和储热水箱40，以及控制热泵热水机运行的控制装置8；

如图2所示，所述的储热水箱40通过一根三通恒温热水管43连接到第一循环水箱41和第二循环水箱42，并且通过第一电磁阀31、第二电磁阀32和三通阀33的连接控制，依照以下连接方式构成温控切换的三水箱双回路循环热水结构：

第一循环水箱41和第二循环水箱42顶部的循环进水口并联连接到冷凝器3的出水口；第一循环水箱41和第二循环水箱42底部的循环出水口分别连接到三通阀33的b口和c口，三通阀33的a口通过循环泵4连接到冷凝器3的进水口，构成三通阀33控制切换的第一加热循环回路和第二加热循环回路，其中：

第一加热循环回路：冷凝器->第一循环水箱->三通阀b口->三通阀a口->循环泵->冷凝器；

第二加热循环回路：冷凝器->第二循环水箱->三通阀c口->三通阀a口->循环泵->冷凝器；

第一循环水箱41和第二循环水箱42底部的冷水进口，分别通过第一电磁阀31和第二电磁阀32，连接到冷水进水管路；第一循环水箱41和第二循环水箱42顶部的热水出口，通过三通恒温热水管43连接到储热水箱40，构成第一电磁阀31和第二电磁阀32控制的第一恒温出水通道和第二恒温出水通道，其中：

第一恒温出水通道：冷水进水->第一电磁阀->第一循环水箱->三通恒温热水管->储热水箱；

第二恒温出水通道：冷水进水->第二电磁阀->第二循环水箱->三通恒温热水管->储热水箱；

所述的一次加热式热泵热水机通过循环执行以下步骤连续制取恒温热水：

S1：当第一循环水箱41里的水在第一加热循环回路加热到设定水温Tsd后，所述的控制装置8通过控制三通阀33的导通状态，将循环水流切换至第二加热循环回路，同时打开第一电磁阀31，将第一循环水箱41中的热水，通过第一恒温出水通道输送到储热水箱40中；

S2：当第二循环水箱42里的水在第二加热循环回路加热到设定水温Tsd后，所述的控制装置8通过控制三通阀33的导通状态，将循环水流切换至第一加热循环回路，同时打开第二电磁阀32，将第二循环水箱42中的热水，通过第二恒温出水通道输送到储热水箱40中；

S3：当流经三通恒温热水管43的出水温度Tcs低于设定水温Tsd时，所述的控制装置8控制关闭处于打开状态的第一电磁阀31或第二电磁阀32，阻止未达到设定水温Tsd的水流入储热水箱40，从而保证储热水箱40的水温保持恒定。

在图2所示的本实用新型的一次加热式热泵热水机的实施例中，在第一循环水箱41和第二循环水箱42的下部，分别设置第一水温传感器81和第二水温传感器82；在三通恒温热水管43的出口通道,设置出水温度传感器83，在储热水箱40的内部设置液位传感器80；所述的控制装置8连接到液位传感器80，根据储热水箱40的液位Wyw控制热泵机组的启动或停止；所述的控制装置8连接到第一水温传感器81、第二水温传感器82和出水温度传感器83，根据水箱水温和出水温度控制第一电磁阀31、第二电磁阀32和三通阀33，实现温控切换的三水箱双回路循环热水结构。

根据本实用新型的一次加热式热泵热水机的一个实施例，所述温控切换的三水箱双回路循环热水结构的循环水流量G＝Q/(ΔT*1.163)，其中，G为循环水流量，Q为热泵机组的名义制热量，ΔT为冷凝器的进出水温差，取值为5℃；冷水进水的水压应能够保证将第一循环水箱41和第二循环水箱42中产生的热水顶入到储热水箱40中，并且进水流量应能满足连续供应热水的要求。由于储热水箱40为上进水方式，热水供水水压不受进水水压影响，三个水箱可以为承压型，也可以为非承压型。

根据本实用新型的一次加热式热泵热水机的一个实施例，第一循环水箱41和第二循环水箱42是两个同容量的水箱，其容量为名义工况下每小时制热水量的1/4～1/8，本实施例中，第一循环水箱41和第二循环水箱42的容量为名义工况下每小时制热水量的1/6；储热水箱40的容量大于单位小时峰值热水需求量与名义工况下单位小时制热水量之差，以保证在用水高峰时段能够连续提供足够的热水。

在图2所示的本实用新型的一次加热式热泵热水机的实施例中，所述的节流元件5是电子膨胀阀，来自压缩机1的高压侧的制冷剂，依次通过的冷凝器3的制冷剂管路、储液罐51、过滤器52和气液分离器6回到压缩机1的低压侧，构成制冷剂循环回路；所述的控制装置8通过控制电子膨胀阀的开度调节制冷剂的循环量。

本实用新型的一次加热式热泵热水机的控制装置8的一个实施例如图3所示，包括运行参数设定模块800，水量检测控制模块810，水温检测控制模块820，热泵控制器830和电磁阀驱动器840；

所述运行参数设定模块800连接到水量检测控制模块810和水温检测控制模块820；

液位传感器80连接到水量检测控制模块810的输入端，水量检测控制模块810的输出端连接到热泵控制器830的输入端，热泵控制器830的输出端连接到压缩机1、翅片换热器风机20和循环泵4的电机；水量检测控制模块810还通过热泵控制器830连接到电磁阀驱动器840；

第一水温传感器81、第二水温传感器82和出水温度传感器83连接到水温检测控制模块820的输入端；水温检测控制模块820的输出端，通过电磁阀驱动器840，连接到第一电磁阀31、第二电磁阀32和三通阀33的驱动线圈；

所述的水量检测控制模块810检测储热水箱40的液位Wyw，当液位Wyw低于水位下限值Wxx时，控制热泵机组启动，从第一加热循环回路开始制取热水；当液位Wyw到达水位上限值Wsx时，所述的水量检测控制模块810控制热泵机组停止运行，同时关闭第一电磁阀31和第二电磁阀32，停止进水；

水温检测控制模块820检测第一水箱水温Ts1，第二水箱水温Ts2和三通恒温热水管的出水温度Tcs；

当第一水箱水温Ts1达到设定水温Tsd时，三通阀33从a-b口连通状态切换至a-c口连通状态，进入第二加热循环回路运行状态；同时，第一电磁阀31开启，利用冷水进水压力和冷热水温差重力，将第一循环水箱41内完成加热的恒温热水，顶到储热水箱40内；

当第二水箱水温Ts2达到设定水温Tsd时，三通阀33从a-c口连通状态切换至a-b口连通状态，返回第一加热循环回路运行状态；同时，第二电磁阀32开启，利用冷水进水压力和冷热水温差重力，将第二循环水箱42内完成加热的恒温热水，顶到储热水箱40内；

当进入第一循环水箱41或第二循环水箱42冷水使出水温度Tcs低于设定水温Tsd时，水温检测控制模块820控制第一电磁阀31和第二电磁阀32关闭，停止冷水进水。

在图3所示的本实用新型的一次加热式热泵热水机的控制装置8的实施例中，所述的控制装置8还包括除霜控制模块850，所述的热泵机组还包括连接在制冷剂循环回路的四通阀7，所述的除霜控制模块850通过环境温度传感器84获取环境温度，通过设置在翅片换热器2上的翅片温度传感器85获取翅片温度，根据环境温度和翅片温度判断翅片换热器2的结霜状态，通过热泵控制器830控制四通阀7改变制冷剂的流向，执行除霜操作。由于热泵机组的循环水流不直接经过储热水箱40，除霜时产生的冷水不会影响出水温度，除霜期间仍可以保证连续的热水供应。

图4是本实用新型的一次加热式热泵热水机的一个实施例的控制方法流程图，包括以下步骤：

S100：运行参数设定模块获取水温设定值Tsd，水位上限值Wsx和水位下限值Wxx；

S200：水量检测控制模块检测储热水箱液位Wyw；

S220：若储热水箱液位Wyw≥水位下限值Wsx，关闭第一、二电磁阀，热泵机组停机，压缩机、风机和循环泵停止运行，返回步骤S200；否则，转步骤S240；

S240：若储热水箱液位Wyw＜水位下限值Wxx，热泵机组启动，压缩机、风机和循环泵开始运行，三通阀切换为a-b口连通状态；转步骤S300；

S300：水温检测控制模块检测第一水箱水温Ts1，第二水箱水温Ts2和三通恒温热水管的出水温度Tcs；

S320：若出水温度Tcs＜设定水温Tsd，水温检测控制模块关闭第一电磁阀和第二电磁阀，停止冷水进水；根据本实用新型的一次加热式热泵热水机控制方法的一个优选实施例，为了提高温度控制的稳定性，控制装置8在出水温度Tcs比设定水温Tsd低1℃时关闭第一电磁阀和第二电磁阀。

S340：若第一水箱水温Tc1＞设定水温Tsd，水温检测控制模块控制三通阀切换为a-c口连通状态，第一电磁阀打开，转步骤S200；否则，转步骤S360；

S360：若第二水箱水温Tc2＞设定水温Tsd，水温检测控制模块控制三通阀切换为a-b口连通状态，第二电磁阀开启，转步骤S200；否则，转步骤S300。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的技术方案，而并非用作为对本实用新型的限定，任何基于本实用新型的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本实用新型的权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种一次加热式热泵热水机，包括压缩机、翅片换热器、冷凝器、节流元件和气液分离器连接组成的热泵机组，与冷凝器的水路连通的循环泵和储热水箱，以及控制热泵热水机运行的控制装置，其特征在于：

所述的储热水箱通过一根三通恒温热水管连接到第一循环水箱和第二循环水箱，并且通过第一电磁阀、第二电磁阀和三通阀的连接控制，依照以下连接方式构成温控切换的三水箱双回路循环热水结构：

第一循环水箱和第二循环水箱顶部的循环进水口并联连接到冷凝器的出水口；第一循环水箱和第二循环水箱底部的循环出水口分别连接到三通阀的b口和c口，三通阀的a口通过循环泵连接到冷凝器的进水口，构成三通阀控制切换的第一加热循环回路和第二加热循环回路，其中：

第一加热循环回路：冷凝器->第一循环水箱->三通阀b口->三通阀a口->循环泵->冷凝器；

第二加热循环回路：冷凝器->第二循环水箱->三通阀c口->三通阀a口->循环泵->冷凝器；

第一循环水箱和第二循环水箱底部的冷水进口，分别通过第一电磁阀和第二电磁阀，连接到冷水进水管路；第一循环水箱和第二循环水箱顶部的热水出口，通过三通恒温热水管连接到储热水箱，构成第一电磁阀和第二电磁阀控制的第一恒温出水通道和第二恒温出水通道，其中：

第一恒温出水通道：冷水进水->第一电磁阀->第一循环水箱->三通恒温热水管->储热水箱；

第二恒温出水通道：冷水进水->第二电磁阀->第二循环水箱->三通恒温热水管->储热水箱。

2.根据权利要求1所述的一次加热式热泵热水机，其特征在于在第一循环水箱和第二循环水箱的下部，分别设置第一水温传感器和第二水温传感器；在三通恒温热水管的出口通道,设置出水温度传感器，在储热水箱的内部设置液位传感器；所述的控制装置连接到液位传感器，根据储热水箱的液位控制热泵机组的启动或停止；所述的控制装置连接到第一水温传感器、第二水温传感器和出水温度传感器，根据水箱水温和出水温度控制第一电磁阀、第二电磁阀和三通阀，实现温控切换的三水箱双回路循环热水结构。

3.根据权利要求1或2所述的一次加热式热泵热水机，其特征在于所述的第一循环水箱和第二循环水箱是两个同容量的水箱，每个循环水箱的容量为名义工况下单位小时制热水量的1/4～1/8；储热水箱的容量大于单位小时峰值热水需求量与名义工况下单位小时制热水量之差。