梯级能量利用的可调容量的家庭能源系统

摘要

一种梯级能量利用的可调容量的家庭能源系统，本发明包括压缩机、热水换热器、四通换向阀、室外风冷盘管、第一单向阀、第二单向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、空调冷热水换热器、气液分离器、水侧电动三通调节阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第一水泵、第二水泵。这些部件构成制冷剂回路、生活热水和冷冻水回路，实现制冷兼热水供应、单独制冷、单独供热水、单独供暖、供暖兼热水供应五种模式。本发明的制冷剂回路中控制部件仅有传统空调系统中的四通换向阀和电子膨胀阀，不存在制冷剂安全隐患。系统各项功能的实现主要通过水侧两个电磁阀和电动三通调节阀的开关与调节实现，具有控制简单、安全可靠的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热力工程技术领域的系统，具体是一种梯级能量利用的可调容量的家庭能源系统。

背景技术

随着科学技术的发展，社会的进步，人类在认识自然、改造自然的过程中，正逐渐地开始重视加强保护自然的意识，并付诸于实际行动。而同时，环境保护又对科学技术提出了更高的要求。近年来，日趋严重的臭氧层破坏，全球变暖使得空调领域向高效、节能、环保的制冷技术不断进步。

在目前的家庭生活中，家用热水器和热泵空调器是不可缺少的必需品。据统计，我国各种热水器的累计生产总量已经超过空调器，而在各种热水器中，燃气热水器、电热水器和太阳能热水器占主导地位。其中，燃气热水器使用高品位的燃料来生产60度左右的热水，造成一定的能源浪费，而且存有严重的安全隐患，每年因燃气热水器使用而引起的中毒事件时有报道，而且燃气价格不断上升，燃气热水器的竞争力大大减小；电热水器安全、方便，其市场份额与日俱增，然而在日常家庭使用中，家用电热水器直接将高品位电能转化为热能，使用时间长，没有季节的区别，耗电量较大，造成很大的能源浪费，而且存有触电的隐患；常规的太阳能热水器在阴雨天，特别是长江中下游的梅雨季节不能使用，只能靠电加热来弥补太阳能的不足，也存在能源的浪费现象，而且太阳能热水器普遍存在初投资过高、水资源浪费严重、管路腐蚀及影响建筑美观等诸多问题。而同时，由于空调器是季节性产品，实际使用时间较短，长期被闲置，故其使用率比较低，空调器和热水器的这些使用特点使得整个家庭的耗能情况比较严重。

目前，将空调和热水器组合起来，使之具有供冷、供热和提供热水的功能，已经成为解决现有家庭耗能严重问题，减少热岛效应的一个重要方案。比如在空调室外机一侧增设水箱，该热水换热器位于四通换向阀之后，与空调室外风冷盘管串联使用，通过制冷剂回路中多个电磁阀与膨胀器的使用，完成系统供冷、供热和热水供应的功能，但在系统的制冷剂管路上增加多个电磁控制阀。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN101033866A，该专利发明了热泵热水器联合系统，采用2个空气源或水源换热器，3个水冷换热器，通过换热器之间的串并联组合，结合多个制冷剂管路的电动三通阀、电磁阀等连通位置与开闭状态，实现冬夏季不同工况的系统管路，实现冬夏季供暖、供冷及供应生活热水的目的。但不足之处在于在系统的制冷剂管路上增加多个电磁控制阀，可靠性难以保证，而且系统结构复杂，控制困难，经济性和实用性欠缺。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种梯级能量利用的可调容量的家庭能源系统，使其解决目前家庭冷热能源供应中存在热水供应效率低、安全隐患多，空调夏季存在大量冷凝废热，形成城市热岛效应，而过渡季节闲置时间较长的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括压缩机、热水换热器、四通换向阀、室外风冷盘管、第一单向阀、第二单向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、空调冷热水换热器、气液分离器、水侧电动三通调节阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第一水泵、第二水泵。这些部件构成制冷剂回路、生活热水和冷冻水回路，具体说明如下。

制冷剂回路的各部件的连接方式：压缩机的出口与热水换热器的制冷剂进口连接，热水换热器制冷剂出口与四通换向阀的第一连接端连接，四通换向阀的第二连接端与室外风冷盘管的入口连接，冷风盘管的出口分成两路，一路与第一单向阀入口连接，第一单向阀的出口与第一电子膨胀阀的入口连接；另一路与第二电子膨胀阀的入口连接，第二电子膨胀阀的出口与第二单向阀的入口连接，第一管路的第一电子膨胀阀的出口与第二管路的第二单向阀的出口合并，与空调冷热水换热器的制冷剂入口连接，空调冷热水换热器的制冷剂出口与四通换向阀的第三连接端连接，四通换向阀第四连接端与气液分离器的入口连接，气液分离器的出口与压缩机的入口连接。

生活热水回路的连接方式：

生活热水的进口与第一水泵的入口连接，第一水泵的出口与电动三通调节阀的入口连接，然后分成两路，一路通过电动三通调节阀的一个出口与热水换热器的水侧入口连接，另一路通过水侧电动三通调节阀另一出口与第一路的热水换热器的水侧出口合并，与第一电磁阀的入口连接，第一电磁阀的出口与生活热水的出口连接。

冷冻水回路的连接方式：

冷冻水的进口与第二水泵的入口连接，第二水泵的出口与空调冷热水换热器的水侧入口连接，空调冷热水换热器的水侧出口与第二电磁阀的入口连接，第二电磁阀的出口与冷冻水的出口连接。

本发明采用数码涡旋压缩机在10％-100％的范围内实施连续和无级调节，无电磁干涉问题，而且具有良好的回油特性，安装灵活性更大。在压缩机吸气侧设有气液分离器以防止压缩机产生湿压缩。热水换热器采用套管式结构，高效地与制冷剂交换热量，且换热器放置在四通换向阀之前，可以保证机组无论在冬季制热、夏季制冷还是过渡季节都可以实现热水的供应，而且不影响机组的空调功能，而且此换热器可以吸收高温高压制冷剂气体的显热，得到温度较高的热水。

本发明的室外风冷盘管由蒸发盘管及其配套风机组成，蒸发盘管为翅片管式结构，配套风机采用多转速轴流风机，可以调节风机的转速，从而调节室外换热器的换热量，改善机组在冬季和夏季由于环境温度不同造成的换热量差异大的问题，一定程度上降低压缩机的压比，提高系统的安全性与稳定性。室外风冷盘管在冬季和夏季分别做蒸发器和冷凝器，从环境中吸收热量或冷量，然后通过空调冷热水换热器，将热量或冷量传递给冷冻水，从而实现家庭的空气调节的需求。

本发明控制部件通过采用电子膨胀阀、四通换向阀、水侧电磁阀的共同使用与调节，可以根据用户需要，实现制冷兼热水供应、单独制冷、单独供热水、单独供暖、供暖兼热水供应五种模式，并通过数码涡旋压缩机、多转速轴流风机和水侧电动三通调节阀等部件的使用与耦合调节，合理分配热水供应和空调供应的负荷比例，并通过合理分析典型家庭用热水习惯来合理选用，同时兼顾系统中制冷剂冷凝过程中的显热和潜热的比例，使得冷凝热能合理、高效地梯级利用，达到降低冷凝温度、提高能源利用率、增强系统安全性的目的，并保证系统的安全可靠运行，而且可根据环境因素、峰谷电价因素等确定与之相适应的智能控制策略。本发明的制冷剂回路中控制部件仅有传统空调系统中的四通换向阀和电子膨胀阀，不存在制冷剂安全隐患。系统各项功能的实现主要通过水侧两个电磁阀和电动三通调节阀的开关与调节实现，具有控制简单、安全可靠的优点。

与现有技术相比，本发明可以将热泵空调与热水器有机结合起来，夏季利用冷凝废热来加热生活热水，提高能源利用效率，而且可以减少夏季空调的排热量，大大改善因为空调冷凝热带来的城市热岛效应，改善城市的整体环境；过渡季转换成热泵热水器运行，可以大大增加热泵的使用时间，提高能源利用效率，达到节约能源的目的；冬季，同时供应空调热水和卫生热水，可以实现能量的梯级利用，且比例可调。该发明可以根据用户需要，实现制冷兼热水供应、单独制冷、单独供热水、单独供暖、供暖兼热水供应五种模式，并保证系统的安全可靠运行，并且可以调节热水供应和空调供应的负荷比例，满足家庭的个性化需求，而且可根据环境因素、峰谷电价因素等确定与之相适应的智能控制策略。该发明只需外接卫生热水水管和冷冻水水管，就可以满足一个家庭的空调、热水所有能量的需求，真正实现一机多用，具有稳定可靠、高效节能、智能控制、安装简单、保护环境等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图1中，1数码涡旋压缩机，2热水换热器，3四通换向阀，4室外风冷盘管，5多转速轴流风机，6第一单向阀，7第二单向阀，8第一电子膨胀阀，9第二电子膨胀阀，10空调冷热水换热器，11气液分离器，12水侧电动三通调节阀，13第一电磁阀，14第二电磁阀，15第一水泵，16第二水泵，17生活热水入口，18生活热水出口，19冷冻水入口，20冷冻水出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括压缩机1，热水换热器2，四通换向阀3，室外风冷盘管4，第一单向阀6，第二单向阀7，第一电子膨胀阀8，第二电子膨胀阀9，空调冷热水换热器10，气液分离器11，水侧电动三通调节阀12，第一电磁阀13，第二电磁阀14，第一水泵15，第二水泵16，生活热水入口17，生活热水出口18，冷冻水入口19，冷冻水出口20。

制冷剂回路的各部件的连接方式如下：压缩机1的出口与热水换热器2的制冷剂进口连接，热水换热器2的制冷剂出口与四通换向阀3的第一连接端3a连接，四通换向阀3的第二连接端3b与室外风冷盘管4的入口连接，冷风盘管4的出口分成两路，一路与第一单向阀6入口连接，第一单向阀6的出口与第一电子膨胀阀8的入口连接；另一路与第二电子膨胀阀9的入口连接，第二电子膨胀阀9的出口与第二单向阀7的入口连接，第一管路的第一电子膨胀阀8的出口与第二管路的第二单向阀7的出口合并，与空调冷热水换热器10的制冷剂入口连接，空调冷热水换热器10的制冷剂出口与四通换向阀3的第三连接端3c连接，四通换向阀第四连接端3d与气液分离器11的入口连接，气液分离器11的出口与压缩机1的入口连接。

生活热水回路的连接方式如下：

生活热水的进口17与第一水泵15的入口连接，第一水泵15的出口与水侧电动三通调节阀12的入口连接，然后分成两路，一路通过水侧电动三通调节阀12的一个出口与热水换热器2的水侧入口连接，另一路通过水侧电动三通调节阀12另一出口与第一路的热水换热器2的水侧出口合并，与第一电磁阀13的入口连接，第一电磁阀13的出口与生活热水出口18连接。

冷冻水回路的连接方式如下：

冷冻水的进口19与第二水泵16的入口连接，第二水泵16的出口与空调冷热水换热器10的水侧入口连接，空调冷热水换热器10的水侧出口与第二电磁阀14的入口连接，第二电磁阀14的出口与冷冻水的出口20连接。

所述压缩机1为数码涡旋压缩机在10％-100％的范围内实施连续和无级调节。

所述热水换热器2为套管式结构，且热水换热器2放置在四通换向阀3之前。

所述室外风冷盘管4由蒸发盘管及其配套风机组成，蒸发盘管为翅片管式结构，配套风机采用多转速轴流风机5。

以下结合附图对三种工作模式进行进一步描述：

1)制冷兼热水供应模式

制冷剂的循环回路是从数码涡旋压缩机1排除的高温高压的制冷剂蒸汽通过热水换热器2将显热和部分(或全部)潜热传递给生活热水，经过四通换向阀3(3a与3b相通)后，通过室外风冷盘管4将多余的热量排放到环境中，冷凝成高温高压的液体，该液体通过电子膨胀阀8节流变成低温低压的气液混合物，再通过空调冷热水换热器10，从冷冻水中吸收热量变成过热蒸汽，冷冻水向房间提供冷量，过热蒸汽通过气液分离器11，吸入压缩机1完成一个循环。

该模式中，调节水侧电动三通调节阀12的开度以改变热水流量，达到按需调节冷凝热的回收量。此外，数码涡旋压缩机1、电子膨胀阀9和多转速轴流风机5的采用也可以调节系统的冷热能量输出比例，满足家庭的个性需求。

2)单独供热水模式

制冷剂的循环回路是从数码涡旋压缩机1排出的高温高压的制冷剂蒸汽通过热水换热器2将显热和全部潜热传递给生活热水，冷凝成高温高压的液体，经过四通换向阀3(3a与3c相通)，到达空调冷热水换热器10(空调冷冻水水泵不开，基本无换热)，该液体通过电子膨胀阀9节流变成低温低压的气液混合物，再通过室外风冷盘管4从环境中吸收热量变成过热蒸汽，最后通过气液分离器11，吸入压缩机1完成一个循环。

该模式中，可以通过调节水侧电动三通调节阀12的开度以改变热水流量，实现按需调节热水温度和热水总量的目标。此外，数码涡旋压缩机1、电子膨胀阀9和多转速轴流风机5的采用也可以调节从环境中吸收的热量，满足系统的热水热量输出，实现不同环境温度的需求，保证机组安全可靠运行。

3)供暖兼热水供应模式

制冷剂的循环回路是从数码涡旋压缩机1排除的高温高压的制冷剂蒸汽通过热水换热器2将显热和部分潜热传递给生活热水，经过四通换向阀3(3a与3c相通)后，通过空调冷热水换热器10将热量传递到“冷冻水”中，“冷冻水”向房间提供热量，蒸汽冷凝成高温高压的液体，该液体通过电子膨胀阀9节流变成低温低压的气液混合物，再通过室外风冷盘管4，从环境中吸收热量变成过热蒸汽，最后通过气液分离器11，吸入压缩机1完成一个循环。

该模式中，通过电磁阀的通断及调节水侧电动三通调节阀12的开度以改变热水流量，实现热水负荷和空调供暖合理分配，按需调节比例。此外，数码涡旋压缩机1、电子膨胀阀9和多转速轴流风机5的采用也可以调节从环境中吸收的热量，满足系统的卫生热水热量和空调热量输出，实现家庭的个性化需求，保证机组安全可靠运行。

通过五种工作模式的组合，该发明可以满足家庭对于冷热能量的所有需求，真正做到一机多用，运行可靠，智能控制。