太阳能热泵热水装置及其控制方法与流程

本发明涉及热水器领域，特别是涉及一种太阳能热泵热水装置及其控制方法。

背景技术：

目前热水器一般分为燃油燃气热水器、电加热热水器、太阳能热水器、空气源热泵热水器等几种。燃油燃气热水器是通过燃烧液化气、天然气、煤油、酒精等矿物或有机燃料来加热水的一种热水器，该类热水器容易受到燃料的燃烧程度和水压的波动等因素的影响从而导致水温波动比较大，并且在供氧不足的情况下，容易产生一氧化碳等有毒气体，对人体有很大的伤害严重的时候可能导致中毒事件发生，更重要的是需要消耗大量的不可再生资源，使用成本高，对环境影响也较大。电加热热水器是一种通过消耗高品位的电能来加热的热水器，该类型得热水器使用比较方便，但对于电能的使用效率比较低，并且容易有触电的安全隐患。太阳能热水器是一种利用真空管收集太阳能热水器是一种利用真空管收集太阳能来加热的热水器，对环境友好并且运行成本低，即太阳能热水器存在阴雨天气制得的热水温度不足的缺陷。空气源热泵热水器是一种利用逆卡诺原理从自然环境吸取热量，并消耗少量的带电能将能量传递给水使其温度升高的热水器，然而空气源热泵热水器在环境温度较低时存在制热能力不足的缺陷。为了解决上述问题，现有的一些方案采用四个电磁阀来实现太阳能单独给蒸发器供热，或单独给水箱供热，以实现两种供热方式。然而，这些系统比较复杂，成本较高；并且其太阳能系统只能分别给蒸发器或者水箱供热，使太阳能系统利用率不高，并且可能造成热泵系统蒸发负荷较大，影响热泵系统可靠性。

技术实现要素：

本发明第一方面的一个目的旨在克服现有的太阳能热水器和空气源热泵热水器的至少一个缺陷，提供一种太阳能热泵热水装置，其可解决太阳能热水器和空气源热泵热水器各自存在的制热水缺陷，以获得较高的、稳定的水温。

本发明第一方面的另一个目的是要使太阳能同时给水箱和蒸发器供热，提高太阳能的利用率。

本发明第二方面的一个目的是要提供一种用于上述太阳能热泵热水装置的控制方法。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种太阳能热泵热水装置，包括：

水箱；

热泵加热装置，与所述水箱热连接，以利用其内的工作介质加热所述水箱中的水；和

太阳能加热装置，具有流路切换装置，且与所述水箱和所述热泵加热装置热连接，所述流路切换装置配置成受控地使所述太阳能加热装置依次加热所述水箱中的水和向所述热泵加热装置内的所述工作介质提供热量，或者仅向所述热泵加热装置内的所述工作介质提供热量。

可选地，所述太阳能加热装置还包括：

太阳能集热器，配置成吸收太阳能加热其内的载热剂，且具有载热剂进口和载热剂出口；

第一换热器，其进口连通至所述载热剂出口，配置成加热所述水箱中的水；

旁通管路，其进口连通至所述载热剂出口；以及

第二换热器，所述第一换热器的出口和所述旁通管路的出口均连通至所述第二换热器的进口，所述第二换热器配置成向所述热泵加热装置内的所述工作介质提供热量；且

所述流量切换装置配置成可控地使所述载热剂流出所述太阳能集热器后经由所述第一换热器进入所述第二换热器，或使所述载热剂流出所述太阳能集热器后经由所述旁通管路进入所述第二换热器。

可选地，所述流量切换装置包括第一阀门和第二阀门，且所述第一阀门设置于所述第一换热器的进口和所述载热剂出口之间的管路上，所述第二阀门设置于所述旁通管路上；或

所述流量切换装置为电动三通阀，其进口与所述载热剂出口连通，其两个出口分别连通所述第一换热器和所述旁通管路的进口。

可选地，所述热泵加热装置具有冷凝器和第一蒸发器，且所述冷凝器与所述水箱热连接，所述第一蒸发器与所述第二换热器热连接。

可选地，所述第一换热器为内置式盘管换热器，设置于所述水箱内；

所述冷凝器为外绕式盘管换热器或外绕式平行流微通道换热器，设置于所 述水箱的内胆的外壁上。

可选地，所述第一蒸发器和所述第二换热器均为换热管；且

所述第一蒸发器和所述第二换热器分别为板式换热器的两根换热管，或

所述第一蒸发器和所述第二换热器分别为套管式换热器的内管和外管。

可选地，所述热泵加热装置还包括第二蒸发器，所述第二蒸发器与所述第一蒸发器串联或并联设置。

可选地，所述第二蒸发器为翅片管式蒸发器。

可选地，所述太阳能加热装置还具有泵送装置，配置成促使所述载热剂循环流动；所述载热剂为防冻液或水。

根据本发明的第二方面，本发明还提供了一种用于上述任一种太阳能热泵热水装置的控制方法，其包括：

检测所述水箱中的水温，得到第一检测温度；以及检测所述太阳能加热装置的太阳能集热器的载热剂出口处的载热剂的温度，得到第二检测温度；

在所述第一检测温度与目标水温之间的差值大于或等于预设的第一阈值时，启动所述太阳能加热装置；

判断所述第二检测温度是否大于所述第一检测温度，若是，则判断所述第二检测温度与所述第一检测温度之间的差值是否大于预设的第二阈值；在所述第二检测温度与所述第一检测温度之间的差值大于所述第二阈值时，使所述太阳能加热装置依次加热所述水箱中的水和向所述热泵加热装置内的所述工作介质提供热量；

判断所述第一检测温度的上升速率是否小于或等于预设的第三阈值，以及判断所述第二检测温度与所述第一检测温度之间的差值是否小于或等于所述第二阈值；

在所述第一检测温度的上升速率小于或等于所述第三阈值时，或在所述第二检测温度与所述第一检测温度之间的差值小于或等于所述第二阈值时，启动所述热泵加热装置；且在所述第二检测温度与所述第一检测温度之间的差值小于或等于所述第二阈值时，使所述太阳能加热装置仅向所述热泵加热装置内的所述工作介质提供热量；

在启动所述太阳能加热装置后，判断得到所述第二检测温度大于所述第一检测温度，以及所述第二检测温度与所述第一检测温度之间的差值小于或等于所述第二阈值，启动所述热泵加热装置，且使所述太阳能加热装置仅向所述热泵加热装置内的所述工作介质提供热量。

本发明的太阳能热泵热水装置中因为太阳能加热装置可单独地加热水箱中的水、单独地加热热泵加热装置的蒸发器，以及可先加热水箱中的水，再利用余热加热热泵加热装置的蒸发器，热泵加热装置也可单独工作，可按天气情况选用最节能的制热水方式，也可同时工作，提高制热水速度，也可互为备用，保证用户热水供应。本发明的太阳能热泵热水装置能够满足用户全天候对热水量、热水加热速度的要求，极大地扩展热泵热水器使用地区，提高了热泵系统的能效比及可靠性。

本发明的太阳能热泵热水装置及其控制方法中，可根据太阳能加热后的载热剂温度和水箱中水温以及水箱中水温的上升速率控制太阳能热泵热水装置的工作，可实现节能、高水温、快速出热水等各种需求。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的太阳能热泵热水装置的示意性结构图；

图2是根据本发明一个实施例的太阳能热泵热水装置的示意性结构图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的太阳能热泵热水装置的示意性结构图。如图1所示，本发明实施例提供了一种太阳能热泵热水装置，该太阳能热泵热水装置可包括水箱20、热泵加热装置30、太阳能加热装置40、控制器50和温度检测装置。

水箱20可包括水箱内胆、保温层和外壳，且水箱内胆内用于储存水。

热泵加热装置30可具有压缩机、冷凝器31、节流元件和第一蒸发器32。节流元件为电子膨胀阀或毛细管。热泵加热装置30的循环管路内填充有工作介质，如氟利昂或自然工质制冷剂。热泵加热装置30与水箱20热连接，以利用其内的工作介质加热水箱20中的水。具体地，冷凝器31与水箱20热连接，以加热水箱20中的水。

太阳能加热装置40具有流路切换装置，且与水箱20和热泵加热装置30 热连接，流路切换装置配置成受控地使太阳能加热装置40依次加热水箱20中的水和向热泵加热装置30内的工作介质提供热量，或者仅向热泵加热装置30内的工作介质提供热量。具体地，太阳能加热装置40进一步包括太阳能集热器41、第一换热器42、旁通管路、第二换热器43。太阳能集热器41配置成吸收太阳能加热其内的载热剂，且具有载热剂进口和载热剂出口。第一换热器42和旁通管路的进口均连通至载热剂出口，第一换热器42的出口和旁通管路的出口均连通至第二换热器43的进口，第二换热器43的出口连通至载热剂进口。而且，第一换热器42配置成加热水箱20中的水，第二换热器43配置成向热泵加热装置30内的工作介质提供热量。流量切换装置与控制器50电连接，且可配置成可控地使载热剂流出太阳能集热器41后经由第一换热器42进入第二换热器43，或使载热剂流出太阳能集热器41后经由旁通管路进入第二换热器43。

温度检测装置与控制器50电连接，可包括环境温度传感器、水箱温度传感器61、太阳能出水温度传感器62、压缩机吸气温度传感器等。水箱温度传感器61设置于水箱20内，以检测水箱20中的水温。太阳能出水温度传感器62设置于载热剂出口处，以检测太阳能集热器的载热剂出口处的载热剂的温度。环境温度传感器和压缩机吸气温度传感器分别用于检测环境温度和压缩机的吸气温度。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，流量切换装置可为电动三通阀47，设置于载热剂出口处，电动三通阀47的进口与载热剂出口连通，两个出口分别连通第一换热器42和旁通管路的进口。在本发明的一些替代性实施例中，如图2所示，流量切换装置可包括两个二通阀，如第一阀门44和第二阀门45。载热剂出口处可安装有三通管，三通管的两个出口分别连通第一换热器42和旁通管路的进口。且第一阀门44设置于第一换热器42的进口和载热剂出口之间的管路上。第二阀门45设置于旁通管路上。优选地，第一阀门44和第二阀门45均为电磁阀。

在本发明的一些实施例中，太阳能集热器41可具有玻璃管集热器或平板集热器。载热剂优选为防冻型载热剂，如防冻液，防止载热剂在冬天时结冰。太阳能加热装置40还具有泵送装置46，配置成促使载热剂循环流动。在一些替代性实施例中，载热剂也可为水。

在本发明的一些实施例中，第一换热器42为内置式盘管换热器，设置于水箱20内。冷凝器31为外绕式盘管换热器或外绕式平行流微通道换热器，设 置于水箱的内胆的外壁上。在一些替代性实施例中，第一换热器42可为加热盘管，设置于水箱20的内胆的外壁上。冷凝器31可为内置式换热器，设置于水箱20内。进一步地，第一换热器42可设置于水箱20的下部，冷凝器31可设置于水箱20的上部。

在本发明的一些实施例中，第一蒸发器32与第二换热器43热连接，以使第二换热器43向热泵加热装置30内的工作介质提供热量。第二换热器43与第一蒸发器32为整体式结构，以便于第一蒸发器32与第二换热器43进行热交换。例如，第二换热器43和第一蒸发器32可构成双路换热器，如套管式换热器、板式换热器等。具体地，第一蒸发器32和第二换热器43均为换热管；且第一蒸发器32和第二换热器43分别为板式换热器的两根换热管，或第一蒸发器32和第二换热器43分别为套管式换热器的内管和外管。

优选地，在该实施例的一些实施方式中，第一蒸发器32也可被设置为同时具有吸收空气中热量的蒸发器。在另一些实施方式中，热泵加热装置30还包括第二蒸发器33和风机34，以使热泵加热装置30在太阳能加热装置40不工作时单独工作。第二蒸发器33与第一蒸发器32串联或并联设置。例如，第二蒸发器33为翅片管式蒸发器等。具体地，第二蒸发器33与第一蒸发器32串联，且如图1所示，第二蒸发器33设置于第一蒸发器32的上游。

本发明实施例的太阳能热泵热水装置可具有多种工作模式：当太阳能集热器41吸热效果极好时，太阳能加热装置40工作，第一阀门44打开，第二阀门45关闭，热泵加热装置30不工作，太阳能可单独加热水箱20中的水。当太阳能集热器41吸热效果极差时，第一阀门44和第二阀门45均可关闭，太阳能加热装置40不工作，热泵加热装置30单独工作，以单独加热水箱20中的水。优选地，太阳能加热装置40和热泵加热装置30也可同时工作，当太阳能集热器41吸热效果不太好或一般时，第一阀门44打开，第二阀门45关闭，太阳能先加热水箱20中的水，再利用加热水后的余热加热热泵加热装置30的第一蒸发器32，以充分利用太阳能。当太阳能集热器41吸热效果较差时，第一阀门44关闭，第二阀门45打开，太阳能只加热热泵加热装置30的第一蒸发器32，以提高热泵加热装置的工作效率。

本发明实施例的太阳能热泵热水装置具有热泵加热装置30和太阳能加热装置40组成的双制热系统，可按天气情况选用最节能的制热水方式；可以同时工作，提高制热水速度；可以互为备用，保证用户热水供应。双系统即可单独工作，也可并联同时工作，还可串联同时工作，能够满足用户全天候对热水 量、热水加热速度的要求。太阳能加热装置40可以作为热泵加热装置30的热源，极大地扩展热热泵加热装置30的使用地区，提高了热泵加热装置30的能效比及可靠性。

本发明实施例还提供了一种用于上述任一实施例中的太阳能热泵热水装置的控制方法，该控制方法可包括：

检测水箱中的水温，得到第一检测温度；以及检测太阳能加热装置的太阳能集热器的载热剂出口处的载热剂的温度，得到第二检测温度。为了控制热泵加热装置的工作，也要检测环境温度得到第三检测温度；以及检测压缩机的吸气温度，得到第四检测温度。

在第一检测温度与目标水温之间的差值大于或等于预设的第一阈值时，启动太阳能加热装置。

判断第二检测温度是否大于第一检测温度，若是，则判断第二检测温度与第一检测温度之间的差值是否大于预设的第二阈值；

在第二检测温度与第一检测温度之间的差值大于第二阈值时，使太阳能加热装置依次加热水箱中的水和向热泵加热装置内的工作介质提供热量，也就是说，使载热剂流出太阳能集热器，后经由第一换热器进入第二换热器，最后返回太阳能集热器；

判断第一检测温度的上升速率是否小于或等于预设的第三阈值，以及判断第二检测温度与第一检测温度之间的差值是否小于或等于第二阈值；

在第一检测温度的上升速率小于或等于第三阈值时，或在第二检测温度与第一检测温度之间的差值小于或等于第二阈值时，启动热泵加热装置；且在第二检测温度与第一检测温度之间的差值小于或等于第二阈值时，使太阳能加热装置仅向热泵加热装置内的工作介质提供热量，即，使载热剂流出太阳能集热器，后经由旁通管路进入第二换热器，最后返回太阳能集热器。热泵加热装置工作时，可根据第三检测温度和第四检测温度控制风机启停及节流装置的开度。

在启动太阳能加热装置后，判断得到第二检测温度大于第一检测温度，以及第二检测温度与第一检测温度之间的差值小于或等于第二阈值，启动热泵加热装置，且使太阳能加热装置仅向热泵加热装置内的工作介质提供热量，即，使载热剂流出太阳能集热器，后经由旁通管路进入第二换热器，最后返回太阳能集热器，并启动热泵加热装置。

在该控制方法中，还可包括：在第一检测温度与目标水温之间的差值大于 或等于预设的第一阈值时，判断得到第二检测温度小于或等于第一检测温度，可使太阳能加热装置的泵送装置不工作(即可理解为太阳能加热装置不工作)，启动热泵加热装置，以仅仅依靠热泵加热装置加热热水。

该控制方法可使控制器根据水箱内水温度、太阳能集热器的载热剂出口处的载热剂温度和水箱水温上升速率等，自动控制第一阀门和第二阀门的启停、控制泵送装置的启停、以及控制压缩机和风机的启停，实现用户节能、高水温、快速出热水等各种需求。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。