TWI452246B - 熱泵熱水系統 - Google Patents

Description

熱泵熱水系統

本發明係有關一種熱泵熱水系統，詳而言之，係有關於可提升製熱效能之熱泵熱水系統。

熱泵熱水系統為一種根據逆-朗肯循環(Rankine cycle)設計，利用壓縮機壓縮氣態冷媒為高溫高壓的過熱冷媒來加熱液體，並經膨脹閥等焓(constant enthalpy)膨脹後成低溫低壓冷媒，再經鰭管式熱交換器(如蒸發器)從外界取熱之製熱設備。

如第1圖所示，其概略繪示傳統熱泵熱水系統的基本構件，熱泵熱水系統主要包括蒸發器11、壓縮機12、冷凝器13、膨脹閥14和儲水槽15。蒸發器11從空氣中取得熱能Q_L 以將冷媒加熱為氣態，輸入電能We予壓縮機12以將冷媒壓縮成高壓高溫，接著流入冷凝器13排出熱能Q_H ，此時冷媒又冷凝為較低溫的高壓冷媒，再經膨脹閥14流入蒸發器11內蒸發成蒸氣而產生吸熱效應，蒸氣又被壓縮機吸入繼續進行壓縮，產生一循環迴路。因此，於熱泵熱水系統中，熱能在蒸發器11處被吸收然後在冷凝器13處被排出，進而利用所排出的熱能來提升儲水槽15中的水溫。

此外，熱泵熱水系統亦有其他的技術改良。例如，美國第US2011/0197600A1號專利公開案主要提出一種熱泵的控制模式，能有效控制熱泵熱水系統的能源利用。又如中華民國第568255號專利案，係於熱泵熱水系統的壓縮機的高壓端設置多重動態熱交換裝置，於低壓端設置多段蒸發裝置，並以電路控制排放至儲水槽的熱能，據以多重動態熱交換裝置，提高熱泵熱水系統的製熱效率。

再者，目前市場上為了提高熱泵熱水系統之製熱效率，多半採用提高蒸發器或冷凝器的熱交換能力之方式。例如中華民國第I336388號專利案，其冷凝器為內置有螺旋內管的管線，該螺旋內管的內外管壁皆具螺旋紋路，水經由螺旋內管內壁會產生漩渦亂流，而冷媒經由螺旋內管之外壁而產生螺旋流體，藉以增加接觸面積，進而提高冷凝器的熱交換效率。然而，此種方式雖然有效但成本較高。

針對冷凝器的熱交換能力而言，惟有提高壓縮機出口的冷媒與水的溫差，才能有效提升熱交換的能力。是以，如何提升壓縮機出口的冷媒溫度，係為亟待解決之課題。

鑑於上述習知技術之種種缺失，本發明提供一種熱泵熱水系統，得以提升壓縮機出口的冷媒溫度，而提高壓縮機出口的冷媒與水的溫差，進而有效提升熱交換的能力。

本發明提供一種熱泵熱水系統，係利用冷媒對流入該熱泵熱水系統的液體進行熱交換，該熱泵熱水系統包括：壓縮機，係用以將該冷媒進行壓縮；第一熱交換器，係與該壓縮機連接，用以將壓縮後之冷媒與流入該熱泵熱水系統的液體進行熱交換；膨脹裝置，係與該第一熱交換器連接，用以膨脹與該液體進行熱交換後之冷媒；閥件，用以控制流入該熱泵熱水系統的液體；及熱交換模組，係分別連接冷媒迴路管線及液體迴路管線，該冷媒迴路管線係依序連接該壓縮機、該第一熱交換器、該膨脹裝置及該熱交換模組，而該液體迴路管線係依序連接該閥件、該熱交換模組及該第一熱交換器，其中，該熱交換模組包括第二熱交換器和效率增強器，而該液體由外部經該液體迴路管線透過該閥件流至該效率增強器中，以與經該膨脹裝置膨脹後的冷媒進行熱交換。

於第一實施例中，該效率增強器係設在該第二熱交換器與該壓縮機之間。於第二實施例中，該效率增強器係設在該膨脹裝置與該第二熱交換器之間。

本發明之第二熱交換器為空氣熱交換器，例如蒸發器。本發明之第一熱交換器為液體熱交換器，例如冷凝器。

其次，本發明之閥件可具有第一輸出口及第二輸出口。於該液體等於或低於預定溫度時，該液體係自該第一輸出口流至該效率增強器。於該液體高於該預定溫度時，該液體係部分或全部地自該第二輸出口流至該第一熱交換器。另外，本發明之熱泵熱水系統還可包括連接於該閥件的控制器，可用以控制流至該效率增強器或第一熱交換器的液體的流量。再者，該閥件復感測該液體的流量及溫度，並將所感測的訊號回饋至該控制器，以供該控制器控制流經該第一輸出口或第二輸出口的液體的流量。

相較於習知技術，對於冷凝器的熱交換能力而言，本發明無須設置多個動態熱交換裝置或多個蒸發裝置，亦無須重新設計冷凝器的結構來提高冷媒和水的接觸面積，得以節省成本。因此，本發明係利用設於壓縮機的冷媒輸入口的熱交換模組來提高冷媒的溫度，即提高壓縮機的冷媒輸入口的過熱度，並使壓縮機的過冷度增加、冷凝溫度降低，而增加第一熱交換器的冷媒和液體的溫差，有效提升第一熱交換器的熱交換能力，藉此增強熱泵熱水系統的製熱效率。

以下係藉由特定的實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如“第一”、及“第二”等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

請參閱第2圖，其為本發明之熱泵熱水系統之基本構件圖。熱泵熱水系統2主要包括熱交換模組20、壓縮機22、第一熱交換器23、膨脹裝置24、閥件26、冷媒迴路管線Ⅰ及液體迴路管線Ⅱ。

壓縮機22係用以將冷媒進行壓縮。

第一熱交換器23係與壓縮機22連接，用以將壓縮後之冷媒與流入熱泵熱水系統2的液體進行熱交換。

膨脹裝置24係與第一熱交換器23連接，用以膨脹與該液體進行熱交換後之冷媒。

閥件26用以控制流入熱泵熱水系統2的液體，具有輸入口26a、第一輸出口26b及第二輸出口26c。

熱交換模組20係分別連接冷媒迴路管線Ⅰ及液體迴路管線Ⅱ。冷媒迴路管線Ⅰ係依序連接壓縮機22、第一熱交換器23、膨脹裝置24及熱交換模組20，而液體迴路管線Ⅱ係依序連接閥件26、熱交換模組20及第一熱交換器23。

熱交換模組20、壓縮機22、第一熱交換器23及膨脹裝置24係依序串接形成提供冷媒循環的冷媒迴路管線Ⅰ，其中，冷媒沿著箭頭方向在熱交換模組20、壓縮機22、第一熱交換器23及膨脹裝置24之中依序循環。需說明的是，雖然冷媒迴路管線Ⅰ主要由如第2圖所示之熱交換模組20、壓縮機22、第一熱交換器23及膨脹裝置24串接而成，惟，其中係省略多個習知構件，例如可設置受液器於第一熱交換器23的冷媒出口端或可設置乾燥過濾器於膨脹裝置24的冷媒入口端等，所屬技術領域的人員應瞭解熱泵熱水系統還可包含其他習知構件。

熱交換模組20包括串接的第二熱交換器和效率增強器。該效率增強器可設於壓縮機22的冷媒輸入口(此圖未顯示，係於後續第4A圖詳述之)，或設於該第二熱交換器的冷媒輸入口(此圖未顯示，係於後續第4B圖詳述之)。第二熱交換器一般為空氣熱交換器，例如蒸發器。第一熱交換器一般為液體熱交換器，例如冷凝器。

液體迴路管線Ⅱ具有輸入管線Ⅱa和輸出管線Ⅱb，液體迴路管線Ⅱ係依序串接有閥件26、熱交換模組20的效率增強器及第一熱交換器23，其中，液體自輸入管線Ⅱa流入，沿著箭頭方向通過閥件26流至熱交換模組20的效率增強器中，以與經膨脹裝置24膨脹後的冷媒進行熱交換再至第一熱交換器23，最後自輸出管線Ⅱb流出。

當液體自液體迴路管線Ⅱ的輸入管線Ⅱa流入經閥件26流至熱交換模組20時，液體會與熱交換模組20的效率增強器中的冷媒進行熱交換，以使冷媒於進入壓縮機22之前提升其溫度，如此可提升壓縮機22的過熱度，進而反應壓縮機22的冷凝溫度下降及過冷度提升，以增加自壓縮機22流出的冷媒溫度。接著，液體迴路管線Ⅱ的液體流至第一熱交換器23時，會與第一熱交換器23中的冷媒進行熱交換，此時由於自壓縮機22的冷媒輸出口流出的冷媒溫度增加因而液體迴路管線Ⅱ中的液體相對於第一熱交換器23中的冷媒係相對低溫，使得第一熱交換器23的熱交換能力增強，故第一熱交換器23將冷媒迴路管線I中的冷媒的熱能傳予液體迴路管線Ⅱ中的液體，俾提升自液體迴路管線Ⅱ的輸出管線Ⅱb流出的液體的溫度。

本發明之熱泵熱水系統主要是利用提高第一熱交換器23的熱交換能力來提升熱泵熱水系統2的製熱效率。換言之，本發明之熱泵熱水系統2可增加第一熱交換器23的冷媒和液體的溫差，亦即，提高自壓縮機22流出的冷媒溫度。因此，在膨脹裝置24的冷媒輸出口及壓縮機22的冷媒輸入口之間設置效率增強器，可於冷媒進入壓縮機22之前提升其溫度，以增加壓縮機22的冷媒輸入口的過熱度，以提升壓縮機22的蒸發溫度，並反應降低冷凝溫度及提升過冷度，進而增加第一熱交換器23的冷媒和液體的溫差，俾提高第一熱交換器23的熱交換能力，提升熱泵熱水系統的製熱效率。

如第3A、3B及3C圖所示，其分別為壓縮機的蒸發溫度、冷凝溫度及過冷度對於熱泵熱水系統的性能係數(coefficient of performance；COP)之影響，其中，COP可代表熱泵熱水系統的製熱效率。由第3A圖可知，壓縮機的蒸發溫度越高，熱泵熱水系統的性能係數越高；第3B圖可知，壓縮機的冷凝溫度越低，熱泵熱水系統的性能係數越高；第3C圖可知，壓縮機的過冷度越高，熱泵熱水系統的性能係數越高。因此，本發明之熱泵熱水系統在冷媒進入壓縮機之前提升其溫度，即提高壓縮機的冷媒輸入口的過熱度，而該過熱度增加時，會導致壓縮機的蒸發溫度提升，並反應冷凝溫度降低和過冷度增加，故可使熱泵熱水系統的性能係數增加，即提升了熱泵熱水系統的製熱效率。

為使本發明之熱泵熱水系統的壓縮機的蒸發溫度提高、冷凝溫度降低和過冷度提高，效率增強器的位置有以下兩種設置方式，分別為第4A圖所示之將效率增強器設置於壓縮機的冷媒輸入口，或著如第4B圖所示之將效率增強器設置於第二熱交換器的冷媒輸入口。

請參閱第4A圖，其為本發明之熱泵熱水系統之第一實施例。冷媒迴路管線Ⅰ’與第2圖的冷媒迴路管線Ⅰ相同地串接有壓縮機22’、第一熱交換器23’、膨脹裝置24’和熱交換模組20’，其中，熱交換模組20’包括串接的第二熱交換器21’和效率增強器25’，且效率增強器25’設置於壓縮機22’的冷媒輸入口。第二熱交換器21’可為空氣熱交換器，第一熱交換器23’、效率增強器25’可為液體熱交換器。

於第4A圖所示之實施例中，第二熱交換器21’會與熱泵熱水系統2’之外的空氣進行熱交換，以將冷媒從液態變相為氣態，因此，自第二熱交換器21’的冷媒輸出口輸出的冷媒為低溫氣態。閥件26將液體引至效率增強器25’之目的在於提升氣態冷媒的溫度，以提升壓縮機22’的過熱度，而壓縮機22’的冷凝溫度亦降低及過冷度亦增加，因而提升熱泵熱水系統2’的製熱效率。藉此，使得自壓縮機22’輸出的冷媒溫度較未設置效率增強器25’之前來得高，因而增加至第一熱交換器23’的冷媒和液體的溫差，故，提升第一熱交換器23’的熱交換能力。

請參閱第4B圖，本發明之熱泵熱水系統之第二實施例。冷媒迴路管線Ⅰ”與第2圖的冷媒迴路管線Ⅰ相同地串接有壓縮機22”、第一熱交換器23”、膨脹裝置24”和熱交換模組20”，其中，熱交換模組20”包括串接的第二熱交換器21”和效率增強器25”，且效率增強器25”設置於第二熱交換器21”的冷媒輸入口。第二熱交換器21”可為空氣熱交換器，第一熱交換器23”、效率增強器25”可為液體熱交換器。

於第4B圖所示之實施例中，自膨脹裝置24”輸出的冷媒為氣、液態混合的低溫冷媒，冷媒流至效率增強器25”時，透過閥件26所導引的液體來加熱效率增強器25”中的冷媒，使得自第二熱交換器21”流出的冷媒為過熱的低溫氣態，以提升壓縮機22”的過熱度，亦降低冷凝溫度及提升過冷度，因而提升熱泵熱水系統2”的製熱效率。因此，得以提升熱泵熱水系統2”的製熱效率。

再者，於第2、4A及4B圖所示之閥件26具有輸入口26a、第一輸出口26b和第二輸出口26c。輸入口26a用以將液體引入，再視液體的溫度而決定該液體係自第一輸出口26b或第二輸出口26c流出。於該液體等於或低於預定溫度時，該液體自第一輸出口26b流至效率增強器25’或25”；於該液體高於該預定溫度時，該液體係部分或全部地自第二輸出口26c流至該第一熱交換器23、23’或23”。

另外，熱泵熱水系統2、2’或2”可包括連接閥件26的控制器(未圖示)，該控制器可用以控制流至效率增強器25’或25”、或第一熱交換器23、23’或23”的液體的流量，以控制效率增強器25’或25”的熱交換量。此外，閥件26還可感測溫度和流量並將感測訊號回饋至該控制器，以供該控制器進行液體的流量控制。

雖然閥件26用以將液體藉由液體迴路管線Ⅱ引至效率增強器25’或25”來加熱冷媒，但其溫度亦不能和冷媒迴路管線Ⅰ、Ⅰ’或Ⅰ”中的冷媒相差太多，因此需要該控制器控制閥件26以篩選溫度，以將溫度高於該預定溫度的液體直接導入第一熱交換器23、23’或23”，或是將高於該預定溫度的液體的一部分導入第一熱交換器23、23’或23”。

此外，本發明之熱泵熱水系統2、2’或2”更可包括儲液槽(未圖示)，係具有輸入口及輸出口，其中，該儲液槽之輸入口係與第一熱交換器23、23’或23”連接，且該儲液槽之輸出口係與閥件26連接。該儲液槽可提供流入液體迴路管線Ⅱ的輸入管線Ⅱa的液體，並接收流出液體迴路管線Ⅱ的輸出管線Ⅱb的液體。

綜上所述，本發明之熱泵熱水系統在膨脹裝置的冷媒輸出口和壓縮機的冷媒輸入口之間除了設置有習知的第二熱交換器之外，另設置有效率增強器，且該效率增強器可設置於膨脹裝置的冷媒輸出口和第二熱交換器的冷媒輸入口之間，或設置於第二熱交換器的冷媒輸出口和壓縮機的冷媒輸入口之間。藉此，在冷媒進入壓縮機之前提高其溫度，以提高壓縮機的冷媒輸入口的過熱度，進而提升壓縮機的蒸發溫度，並反應降低冷凝溫度和提升過冷度，如此使得自壓縮機流出的冷媒溫度提高，以增加第一熱交換器的冷媒和液體的溫差，因而第一熱交換器的熱交換能力提升，俾增加熱泵熱水系統的製熱能力，更延長熱泵熱水系統的運作壽命。

上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

11．．．蒸發器

12．．．壓縮機

13．．．冷凝器

14．．．膨脹閥

15．．．儲水槽

2、2’、2”．．．熱泵熱水系統

20、20’、20”．．．熱交換模組

21’、21”．．．第二熱交換器

22、22’、22”．．．壓縮機

23、23’、23”．．．第一熱交換器

24、24’、24”．．．膨脹裝置

25’、25”．．．效率增強器

26．．．閥件

26a．．．輸入口

26b．．．第一輸出口

26c．．．第二輸出口

Ⅰ、Ⅰ’、Ⅰ”．．．冷媒迴路管線

Ⅱ．．．液體迴路管線

Ⅱa．．．輸入管線

Ⅱb．．．輸出管線

第1圖係概略繪示傳統熱泵熱水系統的基本構件；

第2圖係為本發明之熱泵熱水系統之基本構件示意圖；

第3A圖係表示本發明之熱泵熱水系統之蒸發溫度對性能係數的影響；

第3B圖係為本發明之熱泵熱水系統之冷凝溫度對性能係數的影響；

第3C圖係為本發明之熱泵熱水系統之過冷度對性能係數的影響；

第4A圖係為本發明之熱泵熱水系統之第一實施例的基本構件示意圖；以及

第4B圖係為本發明之熱泵熱水系統之第二實施例的基本構件示意圖。

2．．．熱泵熱水系統

20．．．熱交換模組

22．．．壓縮機

23．．．第一熱交換器

24．．．膨脹裝置

26．．．閥件

26a．．．輸入口

26b．．．第一輸出口

26c．．．第二輸出口

Ⅰ．．．冷媒迴路管線

Ⅱ．．．液體迴路管線

Ⅱa．．．輸入管線

Ⅱb．．．輸出管線

Claims (11)

1. 一種熱泵熱水系統，係利用冷媒對流入該熱泵熱水系統的液體進行熱交換，該熱泵熱水系統包括：壓縮機，係用以將該冷媒進行壓縮；第一熱交換器，係與該壓縮機連接，用以將壓縮後之冷媒與流入該熱泵熱水系統的液體進行熱交換；膨脹裝置，係與該第一熱交換器連接，用以膨脹與該液體進行熱交換後之冷媒；閥件，用以控制流入該熱泵熱水系統的液體；及熱交換模組，係分別連接冷媒迴路管線及液體迴路管線，該冷媒迴路管線係依序連接該壓縮機、該第一熱交換器、該膨脹裝置及該熱交換模組，而該液體迴路管線係依序連接該閥件、該熱交換模組及該第一熱交換器，其中，該熱交換模組包括第二熱交換器及效率增強器，而該液體由外部經該液體迴路管線透過該閥件流至該效率增強器中，以與經該膨脹裝置膨脹後的冷媒進行熱交換。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱泵熱水系統，其中，該效率增強器係設於該第二熱交換器與該壓縮機之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱泵熱水系統，其中，該效率增強器係設於該膨脹裝置與該第二熱交換器之間。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之熱泵熱水系統，其中，該第二熱交換器為空氣熱交換器，該第一熱交換器為液體熱交換器。
5. 如申請專利範圍第4項所述之熱泵熱水系統，其中，該第二熱交換器為蒸發器，該第一熱交換器為冷凝器。
6. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之熱泵熱水系統，其中，該閥件具有第一輸出口及第二輸出口，於該液體等於或低於預定溫度時，該液體係自該第一輸出口流至該效率增強器，於該液體高於該預定溫度時，該液體係部分或全部地自該第二輸出口流至該第一熱交換器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之熱泵熱水系統，復包括控制器，係連接該閥件，該控制器係用以控制流至該效率增強器或該第一熱交換器的液體的流量。
8. 如申請專利範圍第7項所述之熱泵熱水系統，其中，該閥件用以感測該液體的流量及溫度，並將所感測的訊號回饋至該控制器，以供該控制器控制流經該第一輸出口或該第二輸出口的液體的流量。
9. 如申請專利範圍第1項所述之熱泵熱水系統，復包括儲液槽，係具有輸入口及輸出口，其中，該儲液槽之輸入口係與該第一熱交換器連接，且該儲液槽之輸出口係與該閥件連接。
10. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之熱泵熱水系統，其中，該效率增強器係用以提升該熱泵熱水系統的蒸發溫度、過冷度、或降低熱泵熱水系統的冷凝溫度。
11. 如申請專利範圍第1項所述之熱泵熱水系統，其中，該液體自該液體迴路管線的輸入管線經該閥件流至該熱交換模組時，該液體係與該熱交換模組的效率增強器中的冷媒進行熱交換，以使該冷媒於進入該壓縮機之前提升其溫度，以提升該壓縮機的過熱度，進而反應該壓縮機的冷凝溫度下降及過冷度提升，以增加自該壓縮機流出的冷媒的溫度，接著，該液體迴路管線中的液體流至該第一熱交換器時，係與該第一熱交換器中的冷媒進行熱交換，由於自該壓縮機的冷媒輸出口流出的冷媒的溫度增加因而該液體迴路管線中的液體相對於該第一熱交換器中的冷媒係相對低溫，使得該第一熱交換器的熱交換能力增強，使該第一熱交換器將該冷媒迴路管線中的冷媒的熱能傳予該液體迴路管線中的液體，俾提升自該液體迴路管線的輸出管線流出的液體的溫度。