热泵热水装置及其控制方法与流程

本发明涉及热泵制热技术领域，尤其涉及一种热泵热水装置及其控制方法。

背景技术：

热泵热水器是一种通过吸收低温热源中的热量，并对其进行压缩做功转换为高温热能，从而对用户端的水进行加热的设备。考虑到将空气作为低温热源较为方便，因而空气能热水器得到了广泛的应用。空气能热水器能够利用热泵原理加热生活用水，通过吸收空气中的热量来达到加热水的目的。

空气能热水器是目前一种高效、节能、环保的加热器产品，但是由于空气能热水器工作原理的特殊性，水箱为持续补水状态，即只要出水管有水流出，进水管就有水补入。

这样在实际使用过程中发现空气能热水器至少存在以下问题之一：

(1)在用水过程中水温会不断降低，即本来加热到设定温度的水，由于水箱不断补水，出水温度持续降低，这就使得水箱内的热水无法得到有效利用。

(2)通过感温元件控制机组启停，即当出水温度低于设定值时，才开始整箱对水进行制热，此时水箱内的水用户无法使用，加热时间长，无法满足用户持续用水的需求，用户使用舒适性难以得到满足。

可见，随着用户生活品质的改善，对热水器的使用需求也逐渐提高，迫切地需要提供一种能够高效、节能地持续提供热水的热水器。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种热泵热水装置及其控制方法，能够在用户使用过程中持续地提供热水。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种热泵热水装置，包括加热器和控制部件，所述加热器包括用于容纳水的容器、并联设置的第一换热器和第二换热器，所述容器上设有出水口，所述第一换热器设在靠近所述出水口的位置，所述控制部件能够控制所述第一换热器和第二换热器各自独立工作。

进一步地，所述第一换热器设在所述容器内。

进一步地，所述第二换热器设在所述容器的外壁上，或者所述第二换热器设在所述容器内。

进一步地，所述第一换热器和第二换热器沿着所述容器的长度方向以预设距离间隔设置。

进一步地，还包括压缩机、室外换热器、第一阀和第二阀，在所述压缩机的出口与所述室外换热器之间设有并联的第一换热支路和第二换热支路，

所述第一换热器和所述第一阀设在所述第一换热支路上，所述第一阀用于控制所述第一换热支路的通断；

所述第二换热器和所述第二阀设在所述第二换热支路上，所述第二阀设在所述第二换热支路上，用于控制所述第二换热支路的通断。

进一步地，所述控制部件能够在出水流量为零且出水温度低于预设温度、以及出水流量大于预设流量且出水温度不大于预设温度的情况下控制所述第一换热器和第二换热器同时工作，并在出水流量小于预设流量且出水温度小于预设温度、以及出水流量大于预设流量且出水温度大于预设温度的情况下控制所述第一换热器单独工作。

进一步地，还包括检测部件，所述检测部件包括流量检测元件和第一感温元件，所述流量检测元件设在靠近所述出水口的位置，用于检测出水流量，所述第一感温元件设在靠近所述出水口的位置，用于检测所述容器的出水温度，所述控制部件用于根据所述流量检测元件和第一感温元件的检测值控制所述第一换热器和第二换热器工作。

进一步地，所述检测部件还包括第二感温元件，所述第二感温元件在所述容器的长度方向上与所述第一感温元件以预设距离间隔设置，所述控制部件用于根据所述流量检测元件、第一感温元件和第二感温元件的检测值控制所述第一换热器和第二换热器工作。

进一步地，所述热泵热水装置为空气能热水器。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种基于上述实施例所述热泵热水装置的控制方法，包括：

在检测到出水流量为零的情况下，判断出水温度是否小于预设温度，如果是则所述控制部件控制所述第一换热器和第二换热器同时工作，否则控制所述第一换热器和第二换热器均停止工作；

在检测到出水流量小于预设流量的情况下，判断出水温度是否小于预设温度，如果是则所述控制部件控制所述第一换热器单独工作，否则控制所述第一换热器和第二换热器均停止工作；

在检测到出水流量不小于预设流量的情况下，判断出水温度是否高于预设温度，如果是则所述控制部件控制所述第一换热器单独工作，否则控制所述第一换热器和第二换热器同时工作。

进一步地，在检测到出水流量为零的情况下，在判断出水温度的同时，还包括：

判断所述容器内在长度方向上与所述出水口间隔预设距离处的水温是否小于预设温度，如果出水温度和所述容器内与出水口间隔预设距离处的水温均小于预设温度，则所述控制部件控制所述第一换热器和第二换热器同时工作，否则控制所述第一换热器和第二换热器均停止工作。

基于上述技术方案，本发明实施例的热泵热水装置，在加热器中并联设有第一换热器和第二换热器，此种热泵热水装置在工作的过程中，控制部件能够控制第一换热器和第二换热器各自独立工作，以根据加热需求调整加热状态，使机组持续换热，不仅能够对容器内持续补入的水及时进行加热，以使容器内的热水得到有效利用；而且还能保证在用户使用过程中持续提供热水，以满足用户的持续用水需求，提高使用舒适性；另外，第一换热器设在靠近出水口的位置能够快速加热出水口附近区域的水，从而提高机组的换热效率，使机组更节能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明热泵热水装置的一个实施例的结构原理示意图；

图2为本发明热泵热水装置的另一个实施例的结构原理示意图。

附图标记说明

1、加热器；2、风机；3、室外换热器；4、压缩机；5、气液分离器；6、换向阀；7、第一阀；8、第二阀；9、节流元件；11、外壳；12、第一换热器；13、容器；14/14’、第二换热器；15、流量检测元件；16、出水口；17、第一感温元件；18、第二感温元件；19、进水口。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

本发明首先提出了一种热泵热水装置，热泵热水装置能够通过吸收低温热源中的热量，并对其进行压缩做功转换为高温热能，以供用户端对水进行加热。参考图1和图2，热泵热水装置在主循环回路上沿着冷媒的流通路径依次包括：压缩机4、加热器1、节流元件9、室外换热器3、换向阀6和气液分离器5。其中，室外换热器3作为蒸发器，用于吸收低温热源中的热量；加热器1位于用户端，用于容纳水并通过内部的换热器对水进行加热，加热器1内部的换热器作为冷凝器，通过冷凝放热对水进行加热。

该热泵热水装置按照如下的原理进行工作：压缩机4启动后，流经室外换热器3的液态冷媒通过内外温差与外界进行换热，液态冷媒在蒸发的过程中吸热，并转化为低温低压的气态冷媒，经过换向阀6和气液分离器5后，进入压缩机4进行压缩，转化为高温高压的气态冷媒流入加热器1内的换热器中，与储存在加热器1中的水进行换热，在此过程中水的温度得到提高，同时气态冷媒转化为液态冷媒，经过节流元件9节流降压后转化为气液两相冷媒后进一步提供给室外换热器3，由此完成一个循环。

在一个示意性的实施例中，如图1和图2所示，该热泵热水装置中的加热器1包括用于容纳水的容器13、第一换热器12和第二换热器，第二换热器为图1中标号为14的部件或图2中标号为14’的部件。在容器13上设有进水口19和出水口16，进水口19用于将冷水通入容器13内，出水口16用于使容器13内的热水流出。对于圆柱形的容器13，进水口19和出水口16可分别设在容器13上沿长度方向靠近两端的位置。第一换热器12设在靠近出水口16的位置，第一换热器12和第二换热器并联设置。此处容器13内的水可以是生活用水或其它待加热液体。

该热泵热水装置还包括控制部件，控制部件能够控制第一换热器12和第二换热器相互独立工作，以根据加热需求使第一换热器12和第二加热器切换为不同的工作模式对容器13内的水加热。可供选择的工作模式包括第一换热器12和第二换热器同时工作、第一换热器12单独工作、第一换热器12和第二换热器均不工作。在第一换热器12单独工作时，热泵热水装置内部流动的冷媒集中供应至第一换热器12，能够快速高效地对出水口16附近区域的水进行加热。

将第一换热器12和第二换热器并联设置，每个换热器均设有独立的冷媒进口和冷媒出口，例如，热泵热水装置在对水进行加热时，第一换热器12的端口a作为冷媒进口，端口b作为冷媒出口，第二换热器的端口c作为冷媒进口，端口d作为冷媒出口。

此种热泵热水装置可使第一换热器12和第二换热器单独分开制热，两个换热器的工作互不影响，以灵活地根据加热需求选择不同的工作模式。此种热泵热水装置对水进行加热时，可通过不同工作模式的切换调整加热状态，使机组持续换热，不仅能够对容器内持续补入的水及时进行加热，以使容器内已达到预设温度的热水得到有效利用；而且还能保证在用户使用过程中持续提供热水，以满足用户持续用水的需求，提高使用舒适性。与此同时，第一换热器12设在靠近出水口16的位置能够快速加热出水口16附近区域的水，加热区域小，以达到快速提高出水温度的目的，从而提高机组的换热效率，使机组更节能，进而实现热泵热水装置高效、节能地持续提供热水。

优选地，将第一换热器12上在设在容器13内部，能够直接对容器13内的水进行加热，可提高机组换热效率和节能性。除此之外，第一换热器12也可设在容器13外壁上靠近出口的位置，以通过容器13的外壁间接加热容器13内的水。

进一步地，第二换热器有两种设置方式。如图1所示，第二换热器14设在容器13的外壁上，例如，将换热管缠绕在容器13的外壁上，以通过容器13的外壁对内部的水进行加热。如图2所示，第二换热器14’设在容器13内，以直接对容器13内部的水进行加热，能够通过直接换热的方式提高机组的制热效率。

第一换热器12和第二换热器沿着容器13的长度方向以预设距离间隔设置，能够使换热器的加热区域尽量覆盖较大的范围，以提高容器13内水温的均匀性。

在实际设计时，从功率的角度考虑，可将第一换热器12作为辅助换热器，第二换热器作为主要换热器。由于第一换热器12设在靠近出水口16的位置，能够快速加热出水口16附近区域的水，以满足用户对出水温度的需求，因而第一换热器12设置较小的功率就能获得较快的温度响应。即使在用水过程中保持第一换热器12处于开启状态以持续对水进行加热，也不会对整个机组的耗能造成太大影响，这为用户持续使用热水提供了条件。只有在出水流量较大且容器13内的水温较低时，才同时打开第一换热器12和第二换热器共同制热，这时第二换热器发挥主要制热作用。

仍参考图1和图2，在压缩机4的出口与室外换热器3之间设有并联的第一换热支路和第二换热支路，第一换热器12设在第一换热支路上，第二换热器设在第二换热支路上。如果设有节流元件9，第一换热支路和第二换热支路并联设在压缩机4的出口与节流元件9之间。

欲使特定的换热器工作，就需要接通换热器对应的换热支路。为此，热泵热水装置还包括第一阀7和第二阀8，第一阀7设在第一换热支路上，用于控制第一换热支路的通断，第二阀8设在第二换热支路上，用于控制第二换热支路的通断。优选地，第一阀7和第二阀8可以为电磁阀，在工作过程中可通过控制部件控制电磁阀的通断，以灵活地控制第一换热器和第二换热器的制热方式。可替代地，第一阀7和第二阀8也可以为手动阀。

为了能够控制第一阀7和第二阀8的工作状态，需要检测容器13内水的状态参数。本发明的热泵热水装置还包括检测部件，如图1和图2所示，检测部件包括流量检测元件15和第一感温元件17。流量检测元件15设在靠近出水口16的位置，用于实时检测出水流量。第一感温元件17设在靠近出水口16的位置，用于实时检测出水口16附近区域的水温，并发送给控制部件。控制部件与检测部件连接，用于根据流量检测元件15和第一感温元件17的检测值控制第一阀7和第二阀8接通或关断，以选择第一换热器12和第二换热器的制热方式。

进一步地，检测部件还包括第二感温元件18，第二感温元件18在容器13的长度方向上与第一感温元件17以预设距离间隔设置。对于容器13呈立式设置的热泵热水装置，第二感温元件18设在容器13沿高度方向的下部区域。优选地，第二感温元件18设在靠近进水口19的位置。

两个感温元件间隔设置能够对容器13内不同区域的水温进行检测，通过多点检测的方式能够更加全面准确地反映出容器13内的当前水温。控制部件能够同时根据流量检测元件15、第一感温元件17和第二感温元件18的检测值控制第一阀7和第二阀8接通或关断，以选择第一换热器12和第二换热器的制热方式，从而使机组更稳定地提供热水，提高用户的使用舒适性。

上述实施例的热泵热水装置可以为空气能加热器。空气能加热器将空气作为低温热源，通过吸收空气中的热量达到对容器13内水进行加热的目的，为了加强室外换热器3的换热效果，在室外换热器3附近还设有风机2，以通过促进空气流动增加室外换热器3内部冷媒与空气的换热效率。此外，本发明的热泵热水装置还可以利用地下水、工业废热等热源。

另外，本发明还提供了一种基于上述实施例所述热泵热水装置的控制方法。在一个实施例中，热泵热水装置包括设在出水口16处的流量检测元件15和第一感温元件17，相应地其控制方法包括如下步骤：

(1)在流量检测元件15检测到出水流量为零的情况下(q＝0)，判断第一感温元件17检测的出水温度(t1)是否小于预设温度(t0)，如果是(t1<t0)则控制部件控制第一换热器12和第二换热器同时工作，否则(t1≥t0)控制第一换热器12和第二换热器均停止工作；

(2)在流量检测元件15检测到出水流量小于预设流量的情况下(q<q0)，判断第一感温元件17检测的出水温度(t1)是否小于预设温度(t0)，如果是(t1<t0)则控制部件控制第一换热器12单独工作，否则(t1≥t0)控制第一换热器12和第二换热器均停止工作；

(3)在流量检测元件15检测到出水流量不小于预设流量的情况下(q≥q0)，判断第一感温元件17检测的出水温度(t1)是否高于预设温度(t0)，如果是(t1>t0)则控制部件控制第一换热器12单独工作，否则(t1≤t0)控制第一换热器12和第二换热器同时工作。

在另一个实施例中，热泵热水装置包括设在出水口16处的流量检测元件15和第一感温元件17、在容器13的长度方向上与第一感温元件17以预设距离间隔设置的第二感温元件18。相应地，上述步骤(1)中在检测到出水流量为零的情况下，在判断第一感温元件17检测的出水温度的同时，还包括如下步骤：

判断第二感温元件18检测的容器13内在长度方向上与出水口16间隔预设距离处的水温(t2)是否小于预设温度，如果第一感温元件17和第二感温元件18检测的水温均小于预设温度(t1<t0且t2<t0)，则控制部件控制第一换热器12和第二换热器同时工作，否则控制第一换热器12和第二换热器均停止工作。

在上述各步骤中，判断出水流量与预设流量的关系以及当前水温与预设水温的关系也可由控制部件执行。

在热泵热水装置工作的过程中，控制部件同时依据容器13内两处不同区域的水温选择换热器的工作模式，能够全面准确地获得容器13内的当前水温，以使机组更稳定地提供热水，从而提高用户的使用舒适性。

第一换热器12和第二换热器并联设置，可在控制部件的控制下独立制热，两个换热器的工作互不影响，这为在不同的出水流量和水温下选择不同的制热方式提供了基础。此种热泵热水装置的控制方法可使机组持续换热，不仅能够对容器内持续补入的水及时进行加热，以使容器内已达到预设温度的热水得到有效利用；而且还能保证在用户使用过程中持续提供热水，以满足用户持续用水的需求，提高使用舒适性。另外，在靠近出水口16的位置设置第一换热器12能够快速加热出水口16附近区域的水，为机组在工作过程中持续换热提供了条件。

为了使本领域技术人员更清楚地理解本发明热泵热水装置的工作原理，下面以图1所示的热泵热水装置为例来说明其工作过程。在图1中，容器13内用于容纳水，冷水从进水口19进入容器13被加热后，再从出水口16流出。除了与进水口19和出水口16连接的管路之外，该装置中其它管路中流动的均是冷媒。

流量检测元件15用于检测出水流量，第一感温元件17用于检测容器13内靠近出水口16位置的水温，第二感温元件18用于检测容器13内在长度方向上与第一感温元件17存在预设距离处的水温。检测部件将出水流量和水温信号发送给控制部件。

上面在控制方法的主题中给出了第一换热器12和第二换热器14在不同出水流量和水温下的工作模式，下面将着重给出在各个模式下的工作原理。

在第一换热器12和第二换热器14同时工作的情况下，控制部件同时开启第一阀7和第二阀8。压缩机4启动后，从压缩机4出口排出的高温高压气态冷媒分成两路，一路气态冷媒从端口a进入第一换热器12，并在第一换热器12内冷凝放热，同时对容器13内的水进行加热，之后变成液态冷媒从端口b流出，并流经第一阀7；同时，另一路气态冷媒经第二阀8进入换向阀6的端口①，从与端口①连通的端口④流出，并从端口c进入第二换热器14，在第二换热器14内冷凝放热，同时对容器13内的水进行加热，之后变成液态冷媒从端口d流出。

从第一换热器12和第二换热器14流出的液态冷媒汇合后，经过节流元件9例如电子膨胀阀或毛细管等节流后，变为气液两相状态，进入室外换热器3，气液两相冷媒在室外换热器3中流动的过程中吸收空气中的热量后变为气态，经换向阀6的端口②以及与端口②连通的端口③后进入气液分离器5，被分离出的气态冷媒从压缩机4的入口被吸入，完成一个循环。

在第一换热器12单独工作的情况下，控制部件开启第一阀7，关断第二阀8。压缩机4启动后，从压缩机4出口排出高温高压的气态冷媒从端口a进入第一换热器12，并在第一换热器12内冷凝放热，同时对容器13内靠近出水口16区域的水进行加热，之后变成液态冷媒从端口b流出，并流经第一阀7后，经过节流元件9节流，变为气液两相状态，进入室外换热器3，气液两相冷媒在室外换热器3中流动的过程中吸收空气热量后变为气态，经换向阀6的端口②以及与端口②连通的端口③后进入气液分离器5，被分离出的气态冷媒从压缩机4的入口被吸入，完成一个循环。第二阀8关断后，冷媒无法进入第二换热器14制热。

在第一换热器12和第二换热器14都不工作的情况下，控制部件同时关断第一阀7和第二阀8，此时也可控制压缩机4停止工作。

以上对本发明所提供的一种热泵热水装置及其控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。