商用太阳能热泵热水器 【技术领域】
本发明涉及一种热泵热水器，确切地说是一种商用太阳能热泵热水器。
背景技术
现有的各类商用太阳能热泵热水器，一类是利用太阳能加热热泵蒸发器外的传热介质，希望以此提高热泵的制热效率，另一类是利用热泵对太阳能水箱内的水进行铺助加热，以便提高太阳能出热水的品质，但是其实际的工作效果都不理想；并且，现有的各类太阳能热泵热水器均存在热泵系统的热量无法充分利用的缺陷，热泵系统流经水箱放热后的制冷剂仍存有大量的热能，该部分的热量目前均无法利用，造成能源浪费。
【发明内容】
本发明的目的，是提供了一种商用太阳能热泵热水器，它利用热泵和太阳能装置直接为水箱供热，可最大限度地发挥热泵和太阳能加热的作用，实际应用效果较好，可解现有技术存在的问题；并且，它可最大限度地充分利用热泵系统中制冷剂中的热量，可节省能源，提高热泵的工作效率。它还采用超声波水位探测器进行热水器水箱的水位探测，可以准确的探测水箱水位，可以使热泵热水器对热水器水箱中的水进行精确的补水、加热、出水控制。从而可大大提高热泵热水器的出水比例和热水品质。与使用压力水位传感器的水位变送器相比，可以大幅降低热水器的制造成本；另外，它使用自动水泵进行出水输送，无需借助自来水的水压将热水器水箱内的热水顶出，使热水流出同时防止冷水进入水箱，确保水箱内部水温的按要求做到恒定，从而，使用户可以得到高品质的热水，在水箱容积相同的情况下可以大大的提高热水器的出水量，经多次试验验证用本发明所述的商用太阳能热泵热水器，在水箱水温降10度的条件下，按水箱容积比出水率可以达到110％，而目前热泵热水器国家标准规定的在温度降10度的条件下出水率只有69左右％。所以，该发明可以使热泵热水器的出水率提高41％，在当前的技术经济条件下对节约能源、建设节约型社会具有巨大的技术、经济和社会有意义。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：商用太阳能热泵热水器，包括热泵机组，热泵机组由压缩机、蒸发器、四通换向阀和节流装置通过管路连接构成，节流装置与四通换向之间的管路上安装第二换热器和第一换热器，第二换热器位于第一换热器和节流装置之间，第二换热器与第二补水管的一端连接，第二补水管的一端与水箱连接，第二补水管上安装第一电动阀和第十一感温器，第一换热器与联通管的一端连接，联通管的另一端与第二换热器连接，联通管上安装第二电磁阀，第一换热器分别与水箱进水管和水箱出水管的一端连接，水箱进水管和水箱出水管的一端分别与水箱连接，水箱出水管上安装单向阀和第一水泵，水箱进水管上安装第一水流开关，第九感温器和第二电动阀，水箱内安装换热盘管，换热盘管通过太阳能出液管和太阳能进液管与太阳能集热器连接，太阳能集热器位于水箱外，太阳能进液管上安装第三水流开关和循环泵，水箱上设置排气孔。
为进一步实现本发明的目的，还可以采用以下技术方案实现：水箱内安装限位架，限位架的一端与水箱侧壁连接，限位架与水箱之间构成空间，水箱内安装出水软管，出水软管的上端安装浮球，出水软管的下端与水箱的出水口连接，出水软管的上端穿过空间。水箱的顶部安装超声波水位探测器，水箱内安装反射导向管，反射导向管位于超声波水位探测器正下方。反射导向管的下端靠近水箱的底部。水箱上安装出水循环管路，出水循环管路的两端分别与水箱连接，出水循环管路上安装第二水流开关、第五水泵、第二感温器和第三电磁阀，第五水泵和第二感温器之间的管路上安装出水管。压缩机与四通换向阀之间的管路上安装气液分离器。太阳能集热器上安装太阳能温度传感器。水箱内安装螺旋导轨，螺旋导轨与水箱的内壁之间安装浮球，浮球上安装出水软管，浮球与出水软管地进水端连接，出水软管的下端与水箱的出水口连接并相通。水箱内安装水箱温度传感器。第五水泵是自动水泵。
本发明的积极效果在于：它安装有螺旋形的导轨，导轨与水箱内壁之间安装出水软管，出水软管上安装浮球，一方面可确保出水管始终处于水箱内的上层水面，可输出高品质的热水，另一方面，螺旋形导轨可有效防上出水软管缠绕，可使浮球带动出水软管随水位及时上下移动。它利用超声波水位探测器替代现有的水位开关和压力传感器检测热水器水箱内的水位，可降低热水器整体的制造成本，同时又可提高水位检测的精度；它利用超声波水位探测器与电磁阀和水泵联动控制，可控制热水器水箱的出水、进水和加热情况，使热水器的出热水完全脱离自来水系统的水压，确保水箱内水温在用户用水过程中的按设计要求保持恒定，使用户可获得高品质的热水，提高热泵热水器的出水量和水箱利用率。它还可利用热泵系统加热水后的制冷剂内的热量加热补水的水温，从而，可节省能源，提高热泵的工作效率。本发明还具有结构简洁紧凑、使用简便、出水温度稳定的优点。
【附图说明】
图1是本发明的结构示意图；图2是水箱的结构示意图，图中水箱内安装螺旋导轨；图3是水箱的结构示意图，图中水箱内安装限位架；图4是图3的A-A剖视结构示意图，图中为清楚地表示出水软管和限位架的位置关系，省略了换热盘管、反射导向管和冷凝器等部件。
图中标号：1水箱 2第五感温器 3第一补水管 4出水循环管路 5第一电磁阀 6第二水流开关 7循环泵 8第九感温器 9第五水泵 10反射导向管 11超声波水位探测器 12第二感温器 13蒸发器 14节流装置 15第三电磁阀 16第二补水管 17排气孔 18第十一感温器 19压缩机 20四通换向阀 21水箱温度传感器 22单向阀 23第二电动阀 24风扇 25太阳能进液管 26太阳能集热器 27太阳能出液管 28螺旋导轨 29吊链 30浮球 31换热盘管 32出水软管 33太阳能温度传感器 34太阳管路温度传感器 35第三水流开关 36第一换热器 37第一水泵 38限位架 39空间 40水箱进水管 41水箱出水管 42第二电磁阀 43第二换热器44第十感温器 45气液分离器 46联通管 47第一电动阀 48出水管 49第一水流开关 a第二出液口 b进液口 c补水入口 d补水出口 e第一出液口 f进气口 g进水口 h出水口。
【具体实施方式】
本发明所述的商用太阳能热泵热水器，包括热泵机组，热泵机组由压缩机19、蒸发器13、四通换向阀20和节流装置14通过管路连接构成，节流装置14与四通换向阀20之间的管路上安装第二换热器43和第一换热器36；第二换热器43和第一换热器36相当于热泵机组的冷凝器部分，用于使热泵机组内的制冷剂向外界放热；为方便描述热泵的结构连接关系和工作原理，将第二换热器43和第一换热器36上的进气口、出液口以及进出水口分别用字母a至h标注，具体标注如下，第二换热器43上有第一出液口e、进气口f、进水口g和出水口h，第一出液口e、进气口f相通，进水口g、出水口h相通，第一出液口e、进气口f分别与热泵机组的管路连接相通；第一换热器36上设置第二出液口a、进液口b、补水入口c和补水出口d，第二出液口a、进液口b相通，补水入口c、补水出口d相通，第二出液口a、进液口b分别与热泵机组的管路连接相通；第二换热器43位于第一换热器36和节流装置14之间，第二换热器43的补水出口d与第二补水管16的一端连接，第二补水管16的一端与水箱1连接，第二补水管16上安装第一电动阀47和第十一感温器18，第一换热器36的进水口g与联通管46的一端连接，联通管46的另一端与第二换热器43的补水出口d连接，联通管46上安装第二电磁阀42，第一换热器36的进水口g、出水口h分别与水箱进水管40和水箱出水管41的一端连接，水箱进水管40和水箱出水管41的一端分别与水箱1连接，水箱进水管40上安装单向阀22和第一水泵37，水箱出水管41上安装第一水流开关49，第九感温器8和第二电动阀23；水箱1与热泵机组连接构成热泵热水器；为节省能源，如图1和图2所示，水箱1内安装换热盘管31，换热盘管31通过太阳能出液管27和太阳能进液管25与太阳能集热器26连接，太阳能集热器26位于水箱1外，太阳能进液管25上安装第三水流开关35和循环泵7，水箱1上设置排气孔17；换热盘管31、太阳能出液管27、太阳能进液管25和太阳能集热器26连接构成太阳能热水器的集热系统，太阳能集热器26将太阳的光能转换成热能，加热其内的导热介质；导热介质经太阳能出液管27和太阳能进液管25在换热盘管31和太阳能集热器26之间循环，从而不断加热水箱1内的水。上述太阳能热水器的集热系统可以是现有的板式太阳能集热器，也可以是现有的普通的太阳能循环集热器。为确保太阳能热水器的集热系统中的导热介质有效地循环，提高换热效率，太阳能进液管25可安装循环泵7，循环泵7也可安装于太阳能出液管27上，其功能和效果完全相同；为实现对循环泵7的控制，可在太阳能出液管27上安装太阳管路温度传感器34，在太阳能集热器26上安装太阳能温度传感器33。当太阳能温度传感器33测得太阳能集热器26内导热介质温度高于水箱1内的温度，可控制循环泵7启动，从而，利用太阳能集热器26收集的热量加热水箱1内的水；当太阳管路温度传感器34测得太阳能出液管27内导热介质的温度达到设定值时，说明水箱1内的水温已达到设定值，从而，可控制循环泵7停止工作。所述的节流装置14可以是现有的节流阀或毛细管一类的节流降压装置。第二换热器43的补水出口d可通过三通管分别与第二补水管16和联通管46的一端连接；第一换热器36的进水口g通过三通管分别与联通管46和水箱出水管41的一端连接。
水箱1上安装出水循环管路4，出水循环管路4的两端分别与水箱1的出水口和循环水口连接，出水循环管路4上安装第二水流开关6、第五水泵9、第二感温器12和第三电磁阀15，第五水泵9和第二感温器12之间的管路上安装出水管48。用水时，第三电磁阀15关闭，热水由水箱1依次经水循环管路4和出水管48流至喷头等用水终端供用户使用；当在非用水状态下，并且循环管路4中的水温低于设定温度时，关闭用水终端，打开第三电磁阀15，热水在出水循环管路4和水箱1之间循环，可以保证循环管路中的水温，当用户用水时，打开水龙头等用水终端立刻可得到所需温度的热水，从而，可达到节约水资源和使用方便的目的。
为了保护压缩机19，防止液体进入压缩机19，压缩机19与四通换向阀20之间的管路上可安装气液分离器45。
所述商用太阳能热泵热水器的工作原理：
日照充足时，关闭热泵机组，利用太阳能集热器26和换热盘管31为水箱1供热；日照不足时，启动热泵机组，热泵机组、第一换热器36和第二换热器43加热水箱1内的水，即，热泵机组通过换热器第一换热器36、水箱进水管40、水箱出水管41和第九感温器8与水箱1内的水进行热交换。
热泵工作通常又有两种工作状，即向水箱1内补水加热状态和保温循环加热状态。
补水加热：
第二换热器43的补水入口c通过第一补水管3与自来水系统连接，控制第一电动阀47关闭，第二电动阀23和第二电磁阀42打开，自来水先流经第二换热器43，在第二换热器43内吸收热泵制冷剂的余热升温后，经第二电磁阀42流入第一换热器36，在第一换热器36内吸热升温后进入水箱1，通过第九感温器8测定出水温度后，控制装置再根据设定出水温度和第九感温器8测得的温度的情况，调整第二电动阀23的开度，具体说就是：当第九感温器8测得的温度低于设定温度时，调小第二电动阀23的开度，当第九感温器8测得的温度高于设定温度时，调大第二电动阀23的开度，这样就可以使自来水经上述两次加热后进入水箱1时，即可达到设定温度。此工作过程中，第一水泵37停止工作，单向阀22可防止自来水由41流入水箱1。向水箱1内大量补水时，采用热泵该工作状态。为实现自动化控制，第一补水管3上可安装第五感温器2。所述的控制装置可以是可编程控制器、工控机或电脑。
循环加热：
当需对水箱1内的水进行保温加热时，控制第二电磁阀42关闭，第一水泵37、第一电动阀47和第二电动阀23开启，水箱1内的水在第一水泵37的作用下，经水箱出水管41流入第一换热器36进行加热，加热后的水经水箱进水管40流回水箱1内。此过程中，通过第十一感温器18测定出水温度后，控制板再根据设定出水温度和第十一感温器18测得的温度的情况，调整第二电动阀23的开度，具体说就是：当测得的温度低于设定温度时，调小第二电动阀23的开度，当测得的温度高于设定温度时，调大第二电动阀23的开度，这样就可以使水箱1中的水经过第一换热器36加热后即可达到设定温度。循环加热过程中也可同时向水箱1内补水，具体是，第一电动阀47开启，低温自来水流经第二换热器43、第一电动阀47和第二补水管路16，经第二换热器43加热后进入水箱1，此时就可以利用压缩机19工作时，制冷剂的余热对自来水进行加温预热，从而达到对热泵制冷剂余热进行回收的目的。具体过程是，通过第五感温器2测定来水温度第十一感温器18测定流出第二换热器43的水的温度，再把二者的温差进行比较，当温差大于设定温差时，控制装置调大第一电动阀47的开度，温差小时，减小第一电动阀47的开度，这样就可以使自来水流经第二换热器43时得到一个定温温升，从而达到最大限度的利用热泵的余热的目的。在设定一些其他控制条件后，通过调整第一电动阀47的开度还可以同时起到调节进入水箱1的补水量和补水的温度作用，这样即可以达到对热泵余热进行回收的目的又可以保证水箱内的水温能达到使用的要求。
如图2和图3所示，水箱1的顶部安装超声波水位探测器11，水箱1内安装反射导向管10，反射导向管10位于超声波水位探测器11正下方。超声波水位探测器11发出的超声波沿反射导向管10的内壁折射向下，只有当需到水面时，才会反射向上，因此，反射导向管10可防止超声波水位探测器11发出的超声波被第一换热盘管第九感温器8或水箱1内的其他部件反射，可确保超声波水位探测器11测量水位的精度。为提高测量水位的精度，反射导向管10的下端靠近水箱1的底部。
为增大换热盘管31的换热面积，换热盘管31的外周设置翅片。
为能精准检测到水箱1内的水温情况，水箱1内可安装水箱温度传感器21，水箱温度传感器21通过导线与所述的控制装置连接。
为确保水箱1内排出的水都是水箱1内的热水，防止水箱1底部的低温水流出，如图2所示，水箱1内安装螺旋导轨28，螺旋导轨28与水箱1的内壁之间安装浮球30，浮球30可在水箱1内水面的作用下向上或向下移动，浮球30与出水软管32的上端连接，即浮球30与出水软管32的进水端连接，可使出水软管32的进水端始终处于水箱1的上层水面内，从而，可确保进入出水软管32的水均是水箱1内的热水，出水软管32的下端与水箱1的出水口连接并相通，即与水循环管路4连接相通。为连接方便将浮球30与出水软管32连接，浮球30可通过吊链29与出水软管32连接。螺旋导轨28与水箱1内壁构成限位的空间39，使浮球30和出水软管32只能在39的范围内上下移动，可保证浮球30上下移动灵活，防止出水软管32缠绕，从而，确保出水软管32的上端始终位于水箱1内的上层水面，保证水箱1输出的都为高品质的热水。
为确保水箱1内排出的水都是热水，并确保出水软管32随水位升降过程中不会因缠绕而影响升降过程，也可采用以下方案，水箱1内安装限位架38，限位架38的一端与水箱1侧壁连接，限位架38与水箱1之间构成空间39，水箱1内安装出水软管32，出水软管32的上端安装浮球30，出水软管32的下端与出水循环管路4连接，出水软管32的上端穿过空间39，无论出水软管32随水位上升还是下降，都会在空间39的范围内运动。实际加工制造时，限位架38可以是倒L形，如图2所示，限位架38的上端与水箱1的侧壁连接，限位架38的下端与水箱1的底部连接；限位架38也可以是U形，U形的限位架38其两端均可分别与水箱1的侧壁连接。
第一电动阀47和第二电动阀23既可以是温度传感器外置的温度电动阀，也可以是温度传感器内置的温控电动阀。本发明所述的水流开关可以是现有的各类电控水阀。
本发明所述的商用太阳能热泵热水器在酒店、学校、洗浴中心等用水量大的环境下使用时，其实际使用效果最佳。
本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。