专利名称：直膨式太阳能热泵空调热水器的制作方法
技术领域：
一种直膨式太阳能热泵空调热水器，属于采暖、空调和生活热水设备技术领域。
背景技术：
在全球能源紧张、环境恶化的形势下，采暖、空调与生活热水的节能已成为节约能源、控制温室效应的重要议题。在工业发达国家中，建筑运行能耗一般占社会总能耗的1/3以上。据保守数据，我国现在民用建筑运行能耗约占社会总能耗的1/4。随着人民生活水平的提高，建筑运行能耗的比重将进一步增长。在我国建筑运行能耗中，采暖、空调与生活用水能耗达60％左右。由于采暖、空调与生活用水能耗是社会总能耗的大户，也是温室气体CO2产生的大户，可再生能源在该领域中的开发利用引起高度重视，使得热泵技术的应用迅速发展。
热泵是一种环保高效节能的采暖、空调与生活热水设备。这种设备从自然能源中吸取热、冷能。提升或降低温度以适应建筑物采暖、生活热水或空调的需求。根据获取的自然能源的来源不同，热泵大致可分为土壤源热泵、水源热泵、空气源热泵、以及太阳能辅助热泵几大类。使用热泵供暖和生活热水，同直接用电加热相比，可以节约70％左右的电能。为了进一步提高热泵供暖和生活热水的性能系数，综合利用太阳能和其它可再生能源的直膨式太阳能辅助热泵(简称直膨式太阳能热泵)逐步引起重视。直膨式太阳能热泵把太阳能集热器和热泵蒸发器的功能结合起来成为一体，即太阳能集热/散热器。在太阳能集热/散热器中，液体制冷剂吸收太阳能蒸发。
日本2000年6月公开了一项直膨式太阳能热泵空调热水系统专利(英译名Solar heat pump cooler/heater water heater，日本专利公告JP2000-171105)，该项专利所述的装置同时具有冬季供暖、夏季制冷和全年生活热水供应的功能。所述装置把热水分系统与空调/采暖室内换热器并联，不利于同时制冷/制热水，不利于同时采暖/制热水，且不能在极冷时利用热水箱蓄热或电辅助补偿采暖。王如竹等2003年申请了名为“直膨式太阳能热泵空调及热水系统”的中国专利，并于2006年获得中国专利授权(ZL03150625.9)。该专利利用蓄热(冷)槽向室内供热(冷)水，作为室内采暖(空调)的热(冷)源，不适于用做住宅多联机式或空气处理机式设备。
目前，利用直膨式太阳能热泵技术，从户式集中采暖、空调和热水供应的角度进行设计，形成多联机式或国外流行的中央空气处理机式的家用设备，报道极少，仅有的报道在设计、结构、控制等方面需要改进。
发明内容
本发明的直膨式太阳能热泵空调热水器针对直膨式太阳能热泵技术在住宅集中采暖、空调和热水供应方面存在的问题，提供一种直膨式太阳能热泵空调热水器。它是住宅集中采暖、空调和热水供应的一体化设备。可以实现的运行模式包括制冷模式(夏季空调)、制热模式(冬季采暖)、制热水模式、制冷/制热水模式、以及制热/制热水模式。
本发明由室外机、室内机和热水单元三大模块组成。所述室外机结构如下压缩机的进气管与四通阀的B端接通；压缩机的排气管接头分成两路，一路经由第一个电磁阀，另一路经由热水箱中的换热器，然后合成一路，与四通阀的A端接通；四通阀的D端接管分成两路，一路经过室外蒸发/冷凝器，另一路依次经过太阳能集热/散热器和第二个电磁阀，然后合成一路，接膨胀阀组件；膨胀阀组件的另一端分成两路，一路经过第三个电磁阀，另一路经过室内机，然后合成一路，接四通阀的C端。
本发明的室内机的一种型式是多联机式室内机群，包括一个或多个风机-蒸发/冷凝盘管末端装置。室内机也可以是由风机、蒸发/冷凝盘管和金属箱体组成的空气处理机，风机和蒸发/冷凝盘管在金属箱体内，金属箱体有一个回风口，一个送风口，该送风口接室内空气分配管网。
热水单元包括热水箱和置于热水箱内的换热器。热水箱密封、耐压、保温。热水箱上设有冷水接口、热水接口、以及水温控制器传感元件接口。热水箱内还可以增设电辅助加热器，以便在极冷时起辅助加热作用。可以由温度控制器根据热水箱的水温控制第一个电磁阀和电辅助加热器。
太阳能集热/散热器的上表面还可以安装太阳能光伏电池，利用太阳能进行发电。
膨胀阀组件可以是具有膨胀降压作用、满足热泵循环要求的单个部件，也可以是多个部件的组合。一种组合型式是由两个互为反向的分别服务于制冷和制热模式的通路并联，每个通路由一个单向阀和一个膨胀阀构成。单向阀的作用是使每一个运行模式中，制冷剂只能流过这两个并联通路中的一个。
本发明集冬季采暖、夏季空调以及全年生活热水供应等多种功能于一体，结构紧凑，占用有效空间少；一机多用，设备利用率高；综合利用太阳能和环境空气源，节能效果更加显著，与现在采用的分散式住宅采暖、空调和生活热水系统相比，本发明在总体上节能可达30％以上。
图1是一种直膨式太阳能热泵空调热水器的示意图。
图2是一种膨胀阀组件的示意图。
图中标号名称1.压缩机，2.四通阀，3.第一个电磁阀，4.太阳能集热/散热器，5.第二个电磁阀，6.室外蒸发/冷凝器，7.室外机风机，8.膨胀阀组件，9.第三个电磁阀，10.热水箱，11.换热器，12.电辅助加热器，13.室外机，14.室内机，15.热水单元，16.第一个单向阀，17.第一个膨胀阀，18.第二个单向阀，19.第二个膨胀阀。
具体实施例方式
图1是本发明的一个优选实施方式。如图1所示，本发明由室外机13、室内机14和热水单元15组成。室外机13的结构如下压缩机1的进气管与四通阀2的B端接通；压缩机1的排气管接头分成两路，一路经由第一个电磁阀3，另一路经由热水箱10中的换热器11，然后合成一路，与四通阀2的A端接通；四通阀2的D端接管分成两路，一路经过室外蒸发/冷凝器6，另一路依次经过太阳能集热/散热器4和第二个电磁阀5，然后合成一路，接膨胀阀组件8；膨胀阀组件8的另一端分成两路，一路经过第三个电磁阀9，另一路经过室内机14，然后合成一路，接四通阀2的C端。
室内机14可以是多联机式室内机群，也可以是由风机、蒸发/冷凝盘管和金属箱体组成的空气处理机，该空气处理机的送风口接室内空气分配管网。
热水单元15包括热水箱10和置于热水箱内的换热器11。热水箱密封、耐压、保温。热水箱上设有冷水接口、热水接口、以及水温控制器传感元件接口。热水箱10内还可以增设电辅助加热器12，以便在极冷时起辅助加热作用。
膨胀阀组件8可以是具有膨胀降压作用、满足热泵循环要求的单个部件，也可以式多个部件的组合。一种组合膨胀阀组件8结合图2所示，它由两个互为反向的分别服务于制冷和制热模式的通路并联，一个通路由第一个单向阀16和第一个膨胀阀17构成，另一个通路由第二个单向阀18和第二个膨胀阀19构成。制冷模式时，制冷剂依次经过第一个单向阀16和第一个膨胀阀17，第二个单向阀18使另一个通路关闭。制热模式时，制冷剂依次经过第二个单向阀18和第二个膨胀阀19，第一个单向阀16使自己所在的通路关闭。
以下结合图1说明该实施方式的制冷模式(夏季空调)、制热模式(冬季采暖)、制热水模式、制冷/制热水模式、以及制热/制热水模式。
1、制冷模式(夏季空调)。压缩机1启动。四通阀2的A端与D端接通，B端与C端接通。第三个电磁阀9关闭。第一个电磁阀3打开。高温高压气体制冷剂经过压缩机1的排气口，经由第一个电磁阀3，进入四通阀2的A端，流出四通阀2的D端，进入室外蒸发/冷凝器6。在室外蒸发/冷凝器6内，该高温高压气体制冷剂通过室外蒸发/冷凝器6释放热量给室外空气，从而凝结成高温高压液体。然后，该高温高压液体经过膨胀阀组件8膨胀为低温低压的两相流。该低温低压两相流制冷剂进入室内机14的蒸发/冷凝盘管，通过该蒸发/冷凝盘管吸收室内空气的热量而蒸发成低温低压气体，然后依次经过四通阀2的C端和四通阀2的B端，进入压缩机1的进气口。在压缩机1中，该低温低压气体制冷剂被压缩成高温高压气体制冷剂，完成了一个制冷循环。该制冷循环不断重复，维持夏季制冷模式。室外机风机3可能开，也可能关，取决于太阳能集热/散热器是否由足够的散热能力。第二个电磁阀5由室外蒸发/冷凝器6的入口温度和太阳能集热/散热器4的表面温度控制。
2、制冷/制热水模式。压缩机1启动。四通阀2的A端与D端接通，B端与C端接通。第三个电磁阀9关闭。第一个电磁阀3关闭。高温高压气体制冷剂经过压缩机1的排气口，进入热水箱10中的换热器11，通过换热器11释放热量给水。热水箱10内的水吸热后温度升高，与此同时，高温高压气体制冷剂变成高温高压两相流(当水温很低时，可能全部冷凝成液体)制冷剂，然后进入四通阀2的A端，流出四通阀2的D端，进入室外蒸发/冷凝器6。在室外蒸发/冷凝器6内，该高温高压两相流制冷剂释放热量给室外空气，从而凝结成高温高压液体制冷剂，然后经过膨胀阀组件8渐膨胀为低温低压的两相流。该低温低压两相流制冷剂进入室内机14的蒸发/冷凝盘管，通过该蒸发/冷凝盘管吸收室内空气的热量而蒸发成低温低压气体，然后依次经过四通阀2的C端和四通阀2的B端，进入压缩机1的进气口。在压缩机1中，该低温低压气体制冷剂被压缩成高温高压气体制冷剂，完成了一个制冷循环。该循环不断重复，维持制冷/制热水模式。室外机风机3可能开，也可能关，取决于太阳能集热/散热器是否由足够的散热能力。第二个电磁阀5由室外蒸发/冷凝器6的入口温度和太阳能集热/散热器4的表面温度控制。
当热水箱中的水温达到设定值时，温度控制器打开第一个电磁阀3，这时运行模式变为制冷模式。
3、制热水模式。压缩机1启动。四通阀2的A端与C端接通，B端与D端接通。第二个电磁阀5打开。第三个电磁阀9打开。第一个电磁阀3关闭。高温高压气体制冷剂经过压缩机1的排气口，进入热水箱10中的换热器11，通过换热器11释放热量给热水箱中的水，变成高温高压液体制冷剂。热水箱10内的水吸热后温度升高。该高温高压液体制冷剂流出换热器11，进入四通阀2的A端，流出四通阀2的C端，经过膨胀阀组件8膨胀为低温低压的两相流。该低温低压两相流分为两路，一路经由第二个电磁阀5进入太阳能集热/散热器4，另一路进入室外蒸发/冷凝器6。在太阳能集热/散热器4和室外蒸发/冷凝器6中，两相流中的液体制冷剂吸收来自环境空气和太阳的热能，蒸发成低温低压气体制冷剂。该低温低压气体经过四通阀2的D端、四通阀2的B端，进入压缩机1的进气口。在压缩机1中，该低温低压气体制冷剂被压缩成高温高压气体制冷剂，完成了一个制热水循环。该循环不断重复，维持制热水模式。室外机风机3可能开，也可能关，取决于太阳能集热/散热器是否由足够的供热能力。
当室外温度很低且无太阳，使得系统缺乏应有的制热能力时，电辅助加热器12通电补热。当室外温度很低且无太阳，使得系统运行不利于压缩机的使用寿命时，压缩机1和室外机风机3关闭，仅使用电辅助加热器12制热水。
4、制热模式(冬季采暖)。压缩机1启动。四通阀2的A端与C端接通，B端与D端接通。第二个电磁阀5打开。第三个电磁阀9关闭。当室外环境使系统有足够的制热能力时，第一个电磁阀3打开。这时，高温高压气体制冷剂经过压缩机1的排气口，经由第一个电磁阀3，进入四通阀2的A端，流出四通阀2的C端，进入室内机14的蒸发/冷凝盘管，通过该蒸发/冷凝盘管释放热量给室内空气而冷凝成高温高压液体制冷剂。该高温高压液体制冷剂经过膨胀阀组件8膨胀为低温低压的两相流。该低温低压两相流分为两路，一路经由第二个电磁阀5进入太阳能集热/散热器4，另一路进入室外蒸发/冷凝器6。在太阳能集热/散热器4和室外蒸发/冷凝器6中，两相流中的液体制冷剂吸收来自环境空气和太阳的热能，蒸发成低温低压气体制冷剂。该低温低压气体经过四通阀2的D端、四通阀2的B端，进入压缩机1的进气口。在压缩机1中，该低温低压气体制冷剂被压缩成高温高压气体制冷剂，完成了一个制热循环。该循环不断重复，维持制热模式。室外机风机3可能开，也可能关，取决于太阳能集热/散热器是否由足够的供热能力。
当室外温度很低且无太阳，使得系统缺乏应有的制热能力时，第一个电磁阀3关闭，电辅助加热器12通电补热。这时，气体制冷剂经过压缩机1的排气口，进入热水箱10中的换热器11，通过换热器11吸收热水箱中的热量后进入四通阀2的A端，流出四通阀2的C端，进入室内机14的蒸发/冷凝盘管。
5、制热/制热水模式。压缩机1启动。四通阀2的A端与C端接通，B端与D端接通。第二个电磁阀5打开。第三个电磁阀9关闭。第一个电磁阀3关闭。高温高压气体制冷剂经过压缩机1的排气口，进入热水箱10中的换热器11，通过换热器11释放热量给热水箱中的水，水吸热后温度升高，与此同时，高温高压气体制冷剂变成高温高压两相流，进入四通阀2的A端，流出四通阀2的C端，进入室内机14的蒸发/冷凝盘管，通过该蒸发/冷凝盘管释放热量给室内空气而冷凝成高温高压液体制冷剂。该高温高压液体制冷剂经过膨胀阀组件8膨胀为低温低压的两相流。该低温低压两相流分为两路，一路经由第二个电磁阀5进入太阳能集热/散热器4，另一路进入室外蒸发/冷凝器6。在太阳能集热/散热器4和室外蒸发/冷凝器6中，两相流中的液体制冷剂吸收来自环境空气和太阳的热能，蒸发成低温低压气体制冷剂。该低温低压气体经过四通阀2的D端、四通阀2的B端，进入压缩机1的进气口。在压缩机1中，该低温低压气体制冷剂被压缩成高温高压气体制冷剂，完成了一个制热循环。该循环不断重复，维持制热/制热水模式。室外机风机3可能开，也可能关，取决于太阳能集热/散热器是否由足够的供热能力。
当室外温度很低且无太阳，使得系统缺乏应有的制热能力时，电辅助加热器12通电补热。
权利要求
1.一种直膨式太阳能热泵空调热水器，由室外机(13)、室内机(14)和热水单元(15)组成，其特征在于所述室外机(13)结构如下压缩机(1)的进气管与四通阀(2)的B端接通；压缩机(1)的排气管接头分成两路，一路经由第一个电磁阀(3)，另一路经由热水箱(10)中的换热器(11)，然后合成一路，与四通阀(2)的A端接通；四通阀(2)的D端接管分成两路，一路经过室外蒸发/冷凝器(6)，另一路依次经过太阳能集热/散热器(4)和第二个电磁阀(5)，然后合成一路，接膨胀阀组件(8)；膨胀阀组件(8)的另一端分成两路，一路经过第三个电磁阀(9)，另一路经过室内机(14)，然后合成一路，接四通阀(2)的C端。
2.根据权力要求1所述的一种直膨式太阳能热泵空调热水器，其特征在于所述的室内机(14)是多联机式室内机群。
3.根据权力要求1所述的一种直膨式太阳能热泵空调热水器，其特征在于所述的室内机(14)是由风机、蒸发/冷凝盘管和金属箱体组成的空气处理机；风机和蒸发/冷凝盘管在金属箱体内；该金属箱体有一个回风口，一个送风口；该送风口接室内空气分配管网。
4.根据权力要求1所述的一种直膨式太阳能热泵空调热水器，其特征在于所述的太阳能集热/散热器(4)的上表面安装有太阳能光伏电池。
5.根据权力要求1所述的一种直膨式太阳能热泵空调热水器，其特征在于所述的膨胀器组件(8)是单个部件，或多个部件的组合。
6.根据权力要求1所述的一种直膨式太阳能热泵空调热水器，其特征在于所述的热水单元(15)包括热水箱(10)和置于热水箱(10)内的换热器(11)；热水箱(14)上设有冷水接口、热水接口、以及水温控制器传感元件接口。
7.根据权力要求1所述的任一种直膨式太阳能热泵空调热水器，其特征在于所述的热水箱(10)内设有电辅助加热器(12)。
全文摘要
一种直膨式太阳能热泵空调热水器，属采暖、空调和生活热水设备技术领域。它由室外机(13)、室内机(14)和热水单元(15)组成，其室外机(13)的压缩机(1)进气管与四通阀(2)的B端接通；排气管接头分两路，一路经第一个电磁阀(3)，另一路经换热器(11)，然后合成一路与四通阀(2)A端接通；四通阀(2)D端接管分成两路，一路经室外蒸发/冷凝器(6)，另一路依次经太阳能集热/散热器(4)和第二个电磁阀(5)，合成一路，接膨胀阀组件(8)；膨胀阀组件(8)的另一端分成两路，一路经第三个电磁阀(9)，另一路经室内机(14)，合成一路，接四通阀(2)的C端。本发明结构紧凑，一机多用，节能环保。
文档编号F24H4/04GK101055119SQ20071002228
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月14日 优先权日2007年5月14日
发明者方贤德, 杨婷婷 申请人:南京航空航天大学