專利名稱：梯級能量利用的可調容量的家庭能源系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱力工程技術領域的系統，具體是一種梯級能量利用的可調 容量的家庭能源系統。
技術背景隨著科學技術的發展，社會的進步，人類在認識自然、改造自然的過程中， 正逐漸地開始重視加強保護自然的意識，并付諸于實際行動。而同時，環境保護 又對科學技術提出了更高的要求。近年來，日趨嚴重的臭氧層破壞，全球變暖使 得空調領域向高效、節能、環保的制冷技術不斷進步。在目前的家庭生活中，家用熱水器和熱泵空調器是不可缺少的必需品。據統 計，我國各種熱水器的累計生產總量已經超過空調器，而在各種熱水器中，燃氣 熱水器、電熱水器和太陽能熱水器占主導地位。其中，燃氣熱水器使用高品位的 燃料來生產60度左右的熱水，造成一定的能源浪費，而且存有嚴重的安全隱患， 每年因燃氣熱水器使用而引起的中毒事件時有報道，而且燃氣價格不斷上升，燃 氣熱水器的競爭力大大減小；電熱水器安全、方便，其巿場份額與日俱增，然而 在日常家庭使用中，家用電熱水器直接將高品位電能轉化為熱能，使用時間長， 沒有季節的區別，耗電量較大，造成很大的能源浪費，而且存有觸電的隱患；常 規的太陽能熱水器在陰雨天，特別是長江中下游的梅雨季節不能使用，只能靠電 加熱來彌補太陽能的不足，也存在能源的浪費現象，而且太陽能熱水器普遍存在 初投資過高、水資源浪費嚴重、管路腐蝕及影響建筑美觀等諸多問題。而同時， 由于空調器是季節性產品，實際使用時間較短，長期被閑置，故其使用率比較低， 空調器和熱水器的這些使用特點使得整個家庭的耗能情況比較嚴重。目前，將空調和熱水器組合起來，使之具有供冷、供熱和提供熱水的功能， 已經成為解決現有家庭耗能嚴重問題，減少熱島效應的一個重要方案。比如在空 調室外機一側增設水箱，該熱水換熱器位于四通換向閥之后，與空調室外風冷盤 管串聯使用，通過制冷劑回路中多個電磁閥與膨脹器的使用，完成系統供冷、供 熱和熱水供應的功能，但在系統的制冷劑管路上增加多個電磁控制閥。經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利公開號CN101033866A，該專利發 明了熱泵熱水器聯合系統，采用2個空氣源或水源換熱器，3個水冷換熱器，通 過換熱器之間的串并聯組合，結合多個制冷劑管路的電動三通閥、電磁閥等連通 位置與開閉狀態，實現冬夏季不同工況的系統管路，實現冬夏季供暖、供冷及供 應生活熱水的目的。但不足之處在于在系統的制冷劑管路上增加多個電磁控制 閥，可靠性難以保證，而且系統結構復雜，控制困難，經濟性和實用性欠缺。發明內容本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種梯級能量利用的可調容量 的家庭能源系統，使其解決目前家庭冷熱能源供應中存在熱水供應效率低、安全 隱患多，空調夏季存在大量冷凝廢熱，形成城市熱島效應，而過渡季節閑置時間 較長的問題。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括壓縮機、熱水換熱器、四通 換向閥、室外風冷盤管、第一單向閥、第二單向閥、第一電子膨脹閥、第二電子 膨脹閥、空調冷熱水換熱器、氣液分離器、水側電動三通調節閥、第一電磁閥、 第二電磁閥、第一水泵、第二水泵。這些部件構成制冷劑回路、生活熱水和冷凍 水回路，具體說明如下。制冷劑回路的各部件的連接方式壓縮機的出口與熱水換熱器的制冷劑進口 連接，熱水換熱器制冷劑出口與四通換向閥的第一連接端連接，四通換向閥的第 二連接端與室外風冷盤管的入口連接，冷風盤管的出口分成兩路， 一路與第一單 向閥入口連接，第一單向閥的出口與第一電子膨脹閥的入口連接；另一路與第二 電子膨脹閥的入口連接，第二電子膨脹閥的出口與第二單向閥的入口連接，第一 管路的第一電子膨脹閥的出口與第二管路的第二單向閥的出口合并，與空調冷熱 水換熱器的制冷劑入口連接，空調冷熱水換熱器的制冷劑出口與四通換向閥的第 三連接端連接，四通換向閥第四連接端與氣液分離器的入口連接，氣液分離器的 出口與壓縮機的入口連接。生活熱水回路的連接方式生活熱水的進口與第一水泵的入口連接，第一水泵的出口與電動三通調節閥 的入口連接，然后分成兩路， 一路通過電動三通調節閥的一個出口與熱水換熱器 的水側入口連接，另一路通過水側電動三通調節閥另一出口與第一路的熱水換熱 器的水側出口合并，與第一電磁闊的入口連接，第一電磁閥的出口與生活熱水的出口連接。冷凍水回路的連接方式冷凍水的進口與第二水泵的入口連接，第二水泵的出口與空調冷熱水換熱器 的水側入口連接，空調冷熱水換熱器的水側出口與第二電磁閥的入口連接，第二 電磁閥的出口與冷凍水的出口連接。本發明采用數碼渦旋壓縮機在10%-100%的范圍內實施連續和無級調節，無 電磁干涉問題，而且具有良好的回油特性，安裝靈活性更大。在壓縮機吸氣側設 有氣液分離器以防止壓縮機產生濕壓縮。熱水換熱器采用套管式結構，高效地與 制冷劑交換熱量，且換熱器放置在四通換向閥之前，可以保證機組無論在冬季制 熱、夏季制冷還是過渡季節都可以實現熱水的供應，而且不影響機組的空調功能，而且此換熱器可以吸收高溫高壓制冷劑氣體的顯熱，得到溫度較高的熱水。本發明的室外風冷盤管由蒸發盤管及其配套風機組成，蒸發盤管為翅片管式 結構，配套風機采用多轉速軸流風機，可以調節風機的轉速，從而調節室外換熱 器的換熱量，改善機組在冬季和夏季由于環境溫度不同造成的換熱量差異大的問 題， 一定程度上降低壓縮機的壓比，提高系統的安全性與穩定性。室外風冷盤管 在冬季和夏季分別做蒸發器和冷凝器，從環境中吸收熱量或冷量，然后通過空調 冷熱水換熱器，將熱量或冷量傳遞給冷凍水，從而實現家庭的空氣調節的需求。 本發明控制部件通過采用電子膨脹閥、四通換向閥、水側電磁閥的共同使用 與調節，可以根據用戶需要，實現制冷兼熱水供應、單獨制冷、單獨供熱水、單 獨供暖、供暖兼熱水供應五種模式，并通過數碼渦旋壓縮機、多轉速軸流風機和 水側電動三通調節閥等部件的使用與耦合調節，合理分配熱水供應和空調供應的 負荷比例，并通過合理分析典型家庭用熱水習慣來合理選用，同時兼顧系統中制 冷劑冷凝過程中的顯熱和潛熱的比例，使得冷凝熱能合理、高效地梯級利用，達 到降低冷凝溫度、提高能源利用率、增強系統安全性的目的，并保證系統的安全 可靠運行，而且可根據環境因素、峰谷電價因素等確定與之相適應的智能控制策 略。本發明的制冷劑回路中控制部件僅有傳統空調系統中的四通換向閥和電子膨 脹閥，不存在制冷劑安全隱患。系統各項功能的實現主要通過水側兩個電磁閥和 電動三通調節閥的開關與調節實現，具有控制簡單、安全可靠的優點。與現有技術相比，本發明可以將熱泵空調與熱水器有機結合起來，夏季利用 冷凝廢熱來加熱生活熱水，提高能源利用效率，而且可以減少夏季空調的排熱量，大大改善因為空調冷凝熱帶來的城市熱島效應，改善城市的整體環境；過渡季轉 換成熱泵熱水器運行，可以大大增加熱泵的使用時間，提高能源利用效率，達到 節約能源的目的；冬季，同時供應空調熱水和衛生熱水，可以實現能量的梯級利 用，且比例可調。該發明可以根據用戶需要，實現制冷兼熱水供應、單獨制冷、 單獨供熱水、單獨供暖、供暖兼熱水供應五種模式，并保證系統的安全可靠運行， 并且可以調節熱水供應和空調供應的負荷比例，滿足家庭的個性化需求，而且可 根據環境因素、峰谷電價因素等確定與之相適應的智能控制策略。該發明只需外 接衛生熱水水管和冷凍水水管，就可以滿足一個家庭的空調、熱水所有能量的需 求，真正實現一機多用，具有穩定可靠、高效節能、智能控制、安裝簡單、保護環境等優點。
圖l為本發明的結構示意圖。圖1中，1數碼渦旋壓縮機，2熱水換熱器，3四通換向閥，4室外風冷盤 管，5多轉速軸流風機，6第一單向闊，7第二單向閥，8第一電子膨脹閥，9第 二電子膨脹閥，10空調冷熱水換熱器，11氣液分離器，12水側電動三通調節 閥，13第一電磁閥，14第二電磁閥，15第一水泵，16第二水泵，17生活 熱水入口， 18生活熱水出口， 19冷凍水入口， 20冷凍水出口。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括壓縮機1，熱水換熱器2，四通換向閥3，室外 風冷盤管4，第一單向閥6，第二單向閥7，第一電子膨脹閥8，第二電子膨脹閥 9，空調冷熱水換熱器10，氣液分離器11，水側電動三通調節閥12，第一電磁 閥13，第二電磁閥14，第一水泵15，第二水泵16，生活熱水入口 17，生活熱 水出口 18，冷凍水入口 19，冷凍水出口 20。制冷劑回路的各部件的連接方式如下壓縮機1的出口與熱水換熱器2的制 冷劑進口連接，熱水換熱器2的制冷劑出口與四通換向閥3的第一連接端3a連 接，四通換向閥3的第二連接端3b與室外風冷盤管4的入口連接，冷風盤管4 的出口分成兩路， 一路與第一單向閥6入口連接，第一單向閥6的出口與第一電子膨脹閥8的入口連接；另一路與第二電子膨脹閥9的入口連接，第二電子膨脹閥9的出口與第二單向閥7的入口連接，第一管路的第一電子膨脹閥8的出口與 第二管路的第二單向閥7的出口合并，與空調冷熱水換熱器10的制冷劑入口連 接，空調冷熱水換熱器10的制冷劑出口與四通換向閥3的第三連接端3c連接， 四通換向閥第四連接端3d與氣液分離器11的入口連接，氣液分離器ll的出口 與壓縮機l的入口連接。生活熱水回路的連接方式如下生活熱水的進口 17與第一水泵15的入口連接，第一水泵15的出口與水側 電動三通調節閥12的入口連接，然后分成兩路， 一路通過水側電動三通調節閥 12的一個出口與熱水換熱器2的水側入口連接，另一路通過水側電動三通調節 閥12另一出口與第一路的熱水換熱器2的水側出口合并，與第一電磁閥13的入 口連接，第一電磁閥13的出口與生活熱水出口 18連接。冷凍水回路的連接方式如下冷凍水的進口 19與第二水泵16的入口連接，第二水泵16的出口與空調冷 熱水換熱器10的水側入口連接，空調冷熱水換熱器10的水側出口與第二電磁閥 14的入口連接，第二電磁閥14的出口與冷凍水的出口 20連接。所述壓縮機1為數碼渦旋壓縮機在10%-100%的范圍內實施連續和無級調節。 所述熱水換熱器2為套管式結構，且熱水換熱器2放置在四通換向閥3之前。 所述室外風冷盤管4由蒸發盤管及其配套風機組成，蒸發盤管為翅片管式結 構，配套風機采用多轉速軸流風機5。以下結合附圖對三種工作模式進行進一步描述 1)制冷兼熱水供應模式制冷劑的循環回路是從數碼渦旋壓縮機1排除的高溫高壓的制冷劑蒸汽通 過熱水換熱器2將顯熱和部分(或全部)潛熱傳遞給生活熱水，經過四通換向閥 3 (3a與3b相通)后，通過室外風冷盤管4將多余的熱量排放到環境中，冷凝 成高溫高壓的液體，該液體通過電子膨脹閥8節流變成低溫低壓的氣液混合物， 再通過空調冷熱水換熱器10，從冷凍水中吸收熱量變成過熱蒸汽，冷凍水向房 間提供冷量，過熱蒸汽通過氣液分離器ll，吸入壓縮機1完成一個循環。該模式中，調節水側電動三通調節閥12的開度以改變熱水流量，達到按需 調節冷凝熱的回收量。此外，數碼渦旋壓縮機l、電子膨脹閥9和多轉速軸流風機5的采用也可以調節系統的冷熱能量輸出比例，滿足家庭的個性需求。2) 單獨供熱水模式制冷劑的循環回路是從數碼渦旋壓縮機1排出的高溫高壓的制冷劑蒸汽通 過熱水換熱器2將顯熱和全部潛熱傳遞給生活熱水，冷凝成高溫高壓的液體，經 過四通換向閥3 (3a與3c相通)，到達空調冷熱水換熱器10 (空調冷凍水水泵 不開，基本無換熱)，該液體通過電子膨脹閥9節流變成低溫低壓的氣液混合物， 再通過室外風冷盤管4從環境中吸收熱量變成過熱蒸汽，最后通過氣液分離器 11，吸入壓縮機1完成一個循環。該模式中，可以通過調節水側電動三通調節閥12的開度以改變熱水流量， 實現按需調節熱水溫度和熱水總量的目標。此外，數碼渦旋壓縮機l、電子膨脹 閥9和多轉速軸流風機5的采用也可以調節從環境中吸收的熱量，滿足系統的熱 水熱量輸出，實現不同環境溫度的需求，保證機組安全可靠運行。3) 供暖兼熱水供應模式制冷劑的循環回路是從數碼渦旋壓縮機1排除的高溫高壓的制冷劑蒸汽通 過熱水換熱器2將顯熱和部分潛熱傳遞給生活熱水，經過四通換向闊3 (3a與 3c相通)后，通過空調冷熱水換熱器10將熱量傳遞到"冷凍水"中，"冷凍水" 向房間提供熱量，蒸汽冷凝成高溫高壓的液體，該液體通過電子膨脹閥9節流變 成低溫低壓的氣液混合物，再通過室外風冷盤管4，從環境中吸收熱量變成過熱 蒸汽，最后通過氣液分離器ll，吸入壓縮機l完成一個循環。該模式中，通過電磁閥的通斷及調節水側電動三通調節閥12的開度以改變 熱水流量，實現熱水負荷和空調供暖合理分配，按需調節比例。此外，數碼渦旋 壓縮機1、電子膨脹閥9和多轉速軸流風機5的采用也可以調節從環境中吸收的 熱量，滿足系統的衛生熱水熱量和空調熱量輸出，實現家庭的個性化需求，保證 機組安全可靠運行。通過五種工作模式的組合，該發明可以滿足家庭對于冷熱能量的所有需求， 真正做到一機多用，運行可靠，智能控制。
權利要求
1、一種梯級能量利用的可調容量的家庭能源系統，包括壓縮機、熱水換熱器、四通換向閥、室外風冷盤管、第一單向閥、第二單向閥、第一電子膨脹閥、第二電子膨脹閥、空調冷熱水換熱器、氣液分離器、水側電動三通調節閥、第一電磁閥、第二電磁閥、第一水泵、第二水泵，其特征在于壓縮機的出口與熱水換熱器的制冷劑進口連接，熱水換熱器制冷劑出口與四通換向閥的第一連接端連接，四通換向閥的第二連接端與室外風冷盤管的入口連接，冷風盤管的出口分成兩路，一路與第一單向閥入口連接，第一單向閥的出口與第一電子膨脹閥的入口連接；另一路與第二電子膨脹閥的入口連接，第二電子膨脹閥的出口與第二單向閥的入口連接，第一管路的第一電子膨脹閥的出口與第二管路的第二單向閥的出口合并，與空調冷熱水換熱器的制冷劑入口連接，空調冷熱水換熱器的制冷劑出口與四通換向閥的第三連接端連接，四通換向閥第四連接端與氣液分離器的入口連接，氣液分離器的出口與壓縮機的入口連接，此部分構成制冷劑回路；生活熱水的進口與第一水泵的入口連接，第一水泵的出口與水側電動三通調節閥的入口連接，然后分成兩路，一路通過水側電動三通調節閥的一個出口與熱水換熱器的水側入口連接，另一路通過水側電動三通調節閥另一出口與第一路的熱水換熱器的水側出口合并，與第一電磁閥的入口連接，第一電磁閥的出口與生活熱水的出口連接，此部分構成生活熱水回路；冷凍水的進口與第二水泵的入口連接，第二水泵的出口與空調冷熱水換熱器的水側入口連接，空調冷熱水換熱器的水側出口與第二電磁閥的入口連接，第二電磁閥的出口與冷凍水的出口連接，此部分構成冷凍水回路。
2、 根據權利要求1所述的梯級能量利用的可調容量的家庭能源系統，其特 征是，所述壓縮機為數碼渦旋壓縮機在10%-100%的范圍內實施連續和無級調節。
3、 根據權利要求1所述的梯級能量利用的可調容量的家庭能源系統，其特征是，所述熱水換熱器為套管式結構，且放置在四通換向閥之前。
4、 根據權利要求1所述的梯級能量利用的可調容量的家庭能源系統，其特征是，所述室外風冷盤管由蒸發盤管及其配套風機組成，蒸發盤管為翅片管式結 構，配套風機為多轉速軸流風機。
全文摘要
一種梯級能量利用的可調容量的家庭能源系統，本發明包括壓縮機、熱水換熱器、四通換向閥、室外風冷盤管、第一單向閥、第二單向閥、第一電子膨脹閥、第二電子膨脹閥、空調冷熱水換熱器、氣液分離器、水側電動三通調節閥、第一電磁閥、第二電磁閥、第一水泵、第二水泵。這些部件構成制冷劑回路、生活熱水和冷凍水回路，實現制冷兼熱水供應、單獨制冷、單獨供熱水、單獨供暖、供暖兼熱水供應五種模式。本發明的制冷劑回路中控制部件僅有傳統空調系統中的四通換向閥和電子膨脹閥，不存在制冷劑安全隱患。系統各項功能的實現主要通過水側兩個電磁閥和電動三通調節閥的開關與調節實現，具有控制簡單、安全可靠的優點。
文檔編號F25B30/06GK101240949SQ200810034560
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月13日 優先權日2008年3月13日
發明者吳靜怡, 王如竹, 許煜雄, 雙 魯 申請人:上海交通大學