一种高效的梯级耦合热泵热水器的制作方法

本发明属于热水器，涉及一种梯级耦合热泵热水器。

背景技术：

近年来，人们的生活质量随着经济的增长而不断提高，各个生产生活领域对于热水的需求亦不断提高。这也就促进了热水器行业的磅礴发展，对于具有节能、环保、高效等优点热泵热水器越来越受到用户的欢迎。

但是现有的热泵热水机大多采用的是单级压缩加热至某一特定的温度，再将冷水与其混合得到适合的温度。采用这种加热与用热模式会导致较大的熵产，造成不必要的损失，并大大的减小了热泵的能效系数(cop)。现有热泵热水器在水的温升需求较大，环境温度较低的情况下，会使进出口温差值和吸排气压始终处于较大值，排气温度高，极大的加重了压缩机的负荷，这样不仅会使压缩机的使用寿命大大的降低，甚至可能造成整个系统的损坏。

空气源热泵是由电动机驱动，利用蒸汽压缩制冷循环工作原理，以空气为冷热源制取热风或者热水的设备，它的优点是节能环保，可制冷可制热还可以制取热水，使用寿命长，也是国家“煤改电”政策中的一大优势选择。但是现有市场上的热泵均是采用将冷水加热至某一温度，再和冷水混合得到所需的温度，这样不但造成了大量的损失而且会增大压缩机的负荷，导致其使用寿命减少。同时，现有的热水器仅能制取一种温度的热水，需通过在水龙头处混合冷水来得到不同温度的热水，又造成损失，降低系统的效率。

无排放无污染、节能减耗可为生产生活各领域提供热水的热泵受到了极大的欢迎。但是现如今市面上的热泵多为单级压缩的形式，这种形式的热泵不但能耗大，而且能源利用率低。而且无法适应低温的环境，尤其是我国东北、西北、华北等地区。同时这种热泵系统仅能提供单一温度的热源，不能满足用户对多种温度的使用要求。因此提高热泵系统的能源利用率、提升工作使用范围和满足用户的多种需求成为了亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了克服已有热水器的效率较低、低温环境下压缩机负荷较重、使用寿命较短的不足，本发明提供了一种效率较高、低温环境下压缩机负荷较轻、延长使用寿命的高效的级耦合热泵热水器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高效的梯级耦合热泵热水器，所述热水器为直热式梯级耦合热泵热水器，所述热水器包括蒸发器、第一压缩机、中间换热器、第一节流阀、第一水泵、储水箱、第二水泵和第二压缩机；所述蒸发器出口与第一压缩机吸气口相连，第一压缩机排气口与中间换热器的第一进口相连，中间换热器的第一出口与第一节流阀进口相连，第一节流阀出口与蒸发器进口相连；所述第一水泵出口与储水箱第一进口相连，储水箱第一出口与中间换热器第二进口相连，中间换热器第二出口与第二水泵进口相连，第二水泵出口与储水箱的第二进口相连，储水箱第三出口为中温热水出口。

进一步，所述热水器还包括冷凝器、第二节流阀和第三水泵，所述的第二压缩机排气口与冷凝器的第一进口相连，冷凝器的第一出口与第二节流阀进口相连，第二节流阀出口与中间换热器的第三进口相连，中间换热器的第三出口与第二压缩机吸气口相连；储水箱的第二出口与第三水泵进口相连，第三水泵出口与冷凝器第二进口相连，冷凝器的第二出口为高温热水出口。

一种高效的梯级耦合热泵热水器，所述热水器为双温升梯级耦合循环热泵热水器，包括第一蒸发器、第一压缩机、第一冷凝器、第一节流装置、第一储水箱、第一水泵和第二水泵，所述第一蒸发器出口与第一压缩机吸气口相连，第一压缩机排气口与第一冷凝器的第一进口相连，第一冷凝器第一出口与第一节流装置进口相连，第一节流装置的第一出口与蒸发器的进口相连；第一储水箱的第一进口与第一冷凝器的第二出口相连，第一储水箱的第一出口与第一水泵的进口相连，第一水泵的出口与第一冷凝器的第二进口相连；第二水泵的出口与第一储水箱的第二进口相连，第一储水箱的第二出口为中温水出口。

进一步，所述热水器还包括第二蒸发器、第三水泵、第四水泵、第二冷凝器、第二节流装置、第二压缩机、第二储水箱和第五水泵，所述第一储水箱的第三进口与第二蒸发器的第一出口相连，第一储水箱的第三出口与第三水泵和第四水泵的进口分别相连，第三水泵的出口与第二蒸发器的第一进口相连；第四水泵的出口与第二储水箱的第一进口相连，第二储水箱的第一出口与第五水泵的进口相连，第五水泵的出口与第二冷凝器的第二进口相连，第二冷凝器的第二出口又与第二储水箱的第一进口相连，第二储水箱的第二出口为高温水出口。

一种高效的梯级耦合热泵热水器，所述热水器为极低温回热式双温升梯级耦合热泵热水器，所述热水器包括蒸发器、第一压缩机、中间换热器、回热器、第一节流装置、第一水泵、第一储水箱、第二水泵和第三水泵，所述蒸发器的出口与回热器的第二进口相连，回热器的第二出口与第一压缩机的吸气口相连，第一压缩机的排气口与中间换热器的第一进口相连，中间换热器的第一出口与回热器的第一进口相连，回热器的第一出口与第一节流装置的进口连接，第一节流装置的出口与蒸发器的进口相；第一水泵出口与第一储水箱的第一进口相连，第一储水箱的第一出口与第二水泵的进口相连，第二水泵的出口与中间换热器的第二进口连接，中间换热器的第二出口与第一储水箱的第二进口相连，第一储水箱的第二出口为中温热水出口。

进一步，所述热水器还包括第二压缩机、冷凝器、第二节流装置、第二储水箱和第四水泵，所述第二压缩机的排气口与冷凝器的第一进口相连，冷凝器的第一出口与第二节流装置的进口相连，第二节流装置的出口与中间换热器的第三进口连接，中间换热器的第三出口与第二压缩机的吸气口连接；第一储水箱的第一出口还与第三水泵进口相连，第三水泵的出口与第二储水箱的第一进口连接，第二储水箱的第一出口与第四水泵的进口相连，第四水泵的出口与冷凝器的第二进口连接，第二冷凝器的第二出口与第二储水箱的第一进口和第三水泵的出口分别相连，第二储水箱的第二出口为高温热水出口。

本发明的有益效果主要表现在：第一，本发明提出了梯级耦合升温技术，传统的直热式热泵热水器效率较低的一个重要原因是制冷剂与冷水之间的换热存在较大温差导致的，本发明从理论层面进行创新，通过一个机组提供两种不同温度的热源，将冷水与热源梯级耦合，冷水将会被分两级加热，这样一来大大减少了制冷剂与冷水之间的换热温差，减少损失，从而提高热泵的效率。第二，本发明采用了复叠式的结构，与普通热泵相比可以大大的减小单个压缩机的压缩比，与普通热泵相比可以大大的减小在低环境温度下单个压缩机的压缩比，改善压缩机工况，提高了单个压缩机的效率与系统的稳定性。第三，本发明采用了分级供水模式，传统的热泵热水器采用的高温水与冷水直接混合的方式，这样在混合过程有大量的损失，通过对系统进行改造优化，将冷水先加热至中等温度，若用户需要该温度的水就不需要与冷水进行混合，大大的增加了系统的损失，若用户需要更高温度的水，可以将中等温度的水再进行加热，这样就提高了热泵效率。第四，传统的循环水需要将水箱内热水进行循环，采用功率较大水泵，还需要较大的水箱，导致漏热较大，系统复杂且效率低，本发明采用了高温水直接供热的模式，可以减少甚至去掉水箱，提高效率减少造价。第五，本发明还可以通过两台压缩机的匹配，减少在低环境温度下运行时的制热量衰退，提高系统的可靠性；第六，采用双级循环可以通过两台压缩机的匹配，减少在低环境温度下运行时的制热量衰退，提高系统的可靠性；第七，当环境温度极低时，蒸发温度也相应很低，为了提高其焓值，本发明结合回热器回收节流前工质的热量，与传统的热泵系统相比可显著提升制热量和能效比，因此具有很强的节能实用性。

附图说明

图1是高效的直热式梯级耦合热泵热水器的示意图。

图2是高效的双温升梯级耦合循环热泵热水器的示意图。

图3是极低温回热式双温升梯级耦合热泵热水器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1，一种高效的梯级耦合热泵热水器，所述热水器为直热式梯级耦合热泵热水器，包括蒸发器1、第一压缩机2、中间换热器3、第一节流阀4、第一水泵5、储水箱6、第二水泵7、第二压缩机8、冷凝器9、第二节流阀10和第三水泵11；所述蒸发器出口与第一压缩机吸气口相连，第一压缩机排气口与中间换热器的第一进口相连，中间换热器的第一出口与第一节流阀进口相连，第一节流阀出口与蒸发器进口相连，该循环组成了热泵的一级循环系统；所述第一水泵出口与储水箱第一进口相连，储水箱第一出口与中间换热器第二进口相连，中间换热器第二出口与第二水泵进口相连，第二水泵出口与储水箱的第二进口相连，储水箱的第三出口供用户取用中温热水，该循环为一级热泵系统提供循环水；第二压缩机排气口与冷凝器的第一进口相连，冷凝器的第一出口与第二节流阀进口相连，第二节流阀出口与中间换热器的第三进口相连，中间换热器的第三出口与第二压缩机吸气口相连，该循环组成了二级热泵循环；储水箱的第二出口与第三水泵进口相连，第三水泵出口与冷凝器第二进口相连，冷凝器的第二出口供用户使用高温热水，该系统为二级热泵循环提供了热水。

本实施例的工作过程为：

低压级压缩单级加热模式：当环境温度相对较高时，而所需的热水温度正常时，采用该模式。第二压缩机8、第二节流阀10、第三水泵11关闭，蒸发器1、第一压缩机2、第一节流阀4、第一水泵5和第二水泵7均打开。低温低压的气态制冷剂由第一压缩机2从吸气口吸入，通过压缩变成中温中压的气态制冷剂，经过中间换热器3放热成为低温中压的气态制冷剂，再经由第一节流阀4的节流降压变为低温低压的两相态的制冷剂，经由蒸发器1吸热成为低温低压的气态制冷剂，最后又经由第一压缩机2压缩完成循环。第一水泵5将冷水打入储水箱6，然后冷水进入中间换热器3吸热成为了中温热水，再经由第二水泵7将水运回储水箱6进行储存，可将储水箱6中的水全部加热，同时可以将水通过储水箱6的第三出口供给用户使用。

两级压缩加热模式：当环境温度较低，所需热水温度又较高时，采用该模式。蒸发器1、第一压缩机2、第二压缩机8、第一节流阀4、第二节流阀10、第一水泵5、第二水泵7、第三水泵11均开启。低温低压的气态制冷剂由第一压缩机2吸气口吸入，通过压缩变成中温中压的气态制冷剂，经过中间换热器3放热成为中压低温的气态制冷剂，再由第一节流阀4节流降压成为低温低压的两相态的制冷剂，经由蒸发器1吸热成为低温低压的气态制冷剂，最后又被经由第一压缩机2压缩完成循环。第一水泵5将冷水打入储水箱6，然后冷水进入中间换热器3吸热成为了中温水，再经由第二水泵7将水运回储水箱6进行储存，直至将储水箱6中的水全部加热。第二压缩机8吸入中温中压的气态制冷剂，被压缩成为高温高压的气态制冷剂，然后进入冷凝器9放热成为中温高压的气态制冷剂，再进过第二节流阀10节流降压成为中温中压的两相态制冷剂，最后进入中间换热器3吸热成为中温中压的气态制冷剂后进入第二压缩机8被压缩循环。第三水泵11将储水箱中的中温水抽至冷凝器9吸热成为高温热水后从冷凝器9的第二出口流出供用户使用，若用户需要中温热水可以从储水箱6的第三出口取用。

实施例2

参照图2，一种高效的梯级耦合热泵热水器，所述热水器为双温升梯级耦合循环热泵热水器，包括第一蒸发器1、第一压缩机2、第一冷凝器3、第一节流装置4、第一储水箱5、第一水泵6、第二水泵7、第二蒸发器8、第三水泵9、第四水泵10、第二蒸发器11、第二节流装置12、第二压缩机13、第二储水箱14和第五水泵15。

所述蒸发器出口与第一压缩机吸气口相连，第一压缩机排气口与第一冷凝器的第一进口相连，第一冷凝器第一出口与第一节流装置进口相连，第一节流装置的第一出口与蒸发器的进口相连，这就组成了一级压缩系统。第二压缩机的排气口与第二冷凝器的第一进口相连，第二冷凝器的第一出口与第二节流装置的进口相连，第二节流装置的出口与第二蒸发器的第二进口相连，第二蒸发器的第二出口与第二压缩机的进气口相连，这就组成了二级压缩系统。第一储水箱的第一进口与第一冷凝器的第二出口相连，第一储水箱的第一出口与第一水泵的进口相连，第一水泵的出口与第一冷凝器的第二进口相连，这就组成一级压缩循环水系统。第二水泵的出口与第一储水箱的第二进口相连，第一储水箱的第二出口直接供用户使用，这就组成了中温循环水供取系统。第一储水箱的第三进口与第二蒸发器的第一出口相连，第一储水箱的第三出口与第三水泵和第四水泵的进口分别相连，第三水泵的出口与第二蒸发器的第一进口相连，这就为二级压缩提供了中温水；第四水泵的出口与第二储水箱的第一进口相连，第二储水箱的第一出口与第五水泵的进口相连，第五水泵的出口与第二冷凝器的第二进口相连，第二冷凝器的第二出口又与第二储水箱的第一进口相连，第二储水箱的第二出口直接供用户使用，这就组成了高温循环水供取系统。

本实施例的工作过程为：

低压级压缩单级加热模式：当环境温度相对较高时，而所需的热水温度正常时，采用该模式。第二压缩机13、第二节流装置12、第三水泵9、第四水泵10、第五水泵15均关闭，蒸发器1、第一压缩机2、第一节流装置4、第一水泵6和第二水泵7均打开。低温低压的气态制冷剂由第一压缩机2从吸气口吸入，通过压缩变成中温中压的气态制冷剂，经过第一冷凝器3放热成为中压低温的气态制冷剂，再由第一节流装置4节流降压成为低温低压的两相态的制冷剂，经由蒸发器1吸热成为低温低压的气态制冷剂，最后又经由第一压缩机2压缩完成循环。第二水泵7将冷水打入第一储水箱5中储存，然后由第一水泵6抽出送入第一冷凝器3中吸热成为中温水，再回到第一储水箱5中储存，最后由第一储水箱5的第二出口供给用户使用。

两级压缩加热循环模式：当环境温度较低，所需热水温度又较高时，采用该模式。蒸发器1、第一压缩机2、第二压缩机13、第一节流装置4、第二节流装置12、第一水泵6、第二水泵7、第三水泵9、第四水泵10、第五水泵15均开启。低温低压的气态制冷剂由第一压缩机2吸气口吸入，通过压缩变为中温中压的气态制冷剂，经过第一冷凝器3放热成为中压低温的气态制冷剂，再由第一节流装置4节流降压成为低温低压的两相态的制冷剂，经由蒸发器1吸热成为低温低压的气态制冷剂，最后经由第一压缩机2压缩完成循环。第二水泵7将冷水打入第一储水箱5中储存，然后由第一水泵6抽出送入第一冷凝器3中吸热成为中温水，再回到第一储水箱5中储存，第三水泵9将第一储水箱5中的水抽出由第二蒸发器8的第一进口送入第二蒸发器8中放热，然后由第二蒸发器8的第一出口通过第一储水箱5的第三进口回到第一储水箱5中。同时，第二压缩机13由吸气口吸入中温中压的气态制冷剂，经过压缩后变为高温高压的气态制冷剂，然后由排气口送入第二冷凝器11中放热变为高压中温的气态制冷剂，再由第二冷凝器11的第一出口送入第二节流装置12，经过节流降压后变为中温中压的两相态制冷剂，然后进入第二蒸发器8中吸热变为中温中压的气态制冷剂，最后回到第二压缩机13完成循环。第四水泵10将中温水抽出送入第二储水箱14进行储存，然后由第五水泵15抽出送入第二冷凝器11吸热成为高温水进行储存，最后由第二储水箱14的第二出口供用户使用高温水。若用户同时也需要中温水，可以从第一储水箱5的第二出口取用。

实施例3

参照图3，一种高效的梯级耦合热泵热水器，所述热水器为极低温回热式双温升梯级耦合热泵热水器，包括蒸发器1、第一压缩机2、中间换热器3、回热器4、第一节流装置5、第一水泵6、第一储水箱7、第二水泵8、第三水泵9、第二压缩机10、冷凝器11、第二节流装置12、第二储水箱13和第四水泵14。

所述蒸发器的出口与回热器的第二进口相连，回热器的第二出口与第一压缩机的吸气口相连，第一压缩机的排气口与中间换热器的第一进口相连，中间换热器的第一出口与回热器的第一进口相连，回热器的第一出口与第一节流装置的进口连接，第一节流装置的出口与蒸发器的进口相连，这就组成了一级回热式压缩系统。第一水泵6出口与第一储水箱的第一进口相连，第一储水箱的第一出口与第二水泵的进口相连，第二水泵的出口与中间换热器的第二进口连接，中间换热器的第二出口与第一储水箱的第二进口相连，用户通过第一储水箱的第二出口取用中温热水，这就组成了一级压缩供取水循环系统。第二压缩机的排气口与第二冷凝器的第一进口相连，第二冷凝器的第一出口与第二节流装置的进口相连，第二节流装置的出口与中间换热器的第三进口连接，中间换热器的第三出口与第二压缩机的吸气口连接，这就组成了二级压缩系统。第一储水箱的第一出口还与第三水泵进口相连，第三水泵的出口与第二储水箱的第一进口连接，第二储水箱的第一出口与第四水泵的进口相连，第四水泵的出口与第二冷凝器的第二进口连接，第二冷凝器的第二出口与第二储水箱的第一进口和第三水泵的进口分别相连，第二储水箱的第二出口提供用户使用高温热水，这就组成了二级压缩的供取水模式。

本发明的工作过程为：

单级回热压缩模式：当环境温度极低时，所需热水温度正常时，采用该模式。第三水泵9、第二压缩机10、第二节流装置12、第四水泵14关闭，蒸发器1、第一压缩机2、第一节流装置5、第一水泵6、第二水泵8均开启。第一压缩机2吸入中温中压的气态制冷剂，经过压缩后变为高温高压的气态制冷剂，然后由中间换热器3第一进口进入换热器放热变为中温高压的气态制冷剂，再经由回热器4的第一进口进入冷凝器放热成为了低温高压的气态制冷剂，然后由第一节流装置5节流减压变为低温中压的两相态制冷剂，再进入蒸发器1吸热变为了低温中压的气态制冷剂，然后由回热器4的第二进口进入回热器4吸热成为中温中压的气态制冷剂，最后由第一压缩机2吸气口回到压缩机进行循环。第一水泵6将冷水打入第一储水箱7中进行储存，由第二水泵8抽出从中间换热器3的第二进口进入换热器吸热，然后从中间换热器3的第二出口沿着第一储水箱7的第二进口回到储水箱直至将冷水全部加热，最后用户可以从第一储水箱7的第二出口取用中温热水。

两级压缩加热模式：当环境非常低，所需的水温度很高时，采用该模式。蒸发器1、第一压缩机2、第一节流装置5、第一水泵6、第二水泵8、第三水泵9、第二压缩机10、第二节流装置12、第四水泵14全部打开。第一压缩机2吸入中温中压的气态制冷剂，经过压缩后变为高温高压的气态制冷剂，然后由中间换热器3第一进口进入换热器放热变为中温高压的气态制冷剂，再经由回热器4的第一进口进入冷凝器放热成为了低温高压的气态制冷剂，然后由第一节流装置5节流减压变为低温中压的两相态制冷剂，再进入蒸发器1吸热变为了低温中压的气态制冷剂，然后由回热器4的第二进口进入回热器4吸热成为中温中压的气态制冷剂，最后由第一压缩机2吸气口回到压缩机进行循环。第一水泵6将冷水打入第一储水箱7中进行储存，由第二水泵8抽出从中间换热器3的第二进口进入换热器吸热，然后从中间换热器3的第二出口沿着第一储水箱7的第二进口回到储水箱直至将冷水全部加热。同时，第二压缩机10吸入中温中压的气态制冷剂，经过压缩后变为高温高压的气态制冷剂，再由第二冷凝器11的第一进口进入冷凝器放热变为中温高压的气态制冷剂，然后经由第二冷凝器11的第一出口进入第二节流装置12，节流降压后变为中温中压的两相态制冷剂，再沿着中间换热器3的第三进口进入换热器吸热成为中温中压的气态制冷剂，最后通过中间换热器3的第三出口回到第二压缩机10中进行压缩循环。第三水泵9将第一储水箱7中的中温水抽出，由第二储水箱13的第一进口送入第二储水箱13中储存，然后第四水泵14由第二储水箱的第一出口将中温水抽入第二冷凝器11中吸热成为高温水，再回到第二储水箱13中进行循环，直到将第二储水箱中的中温水全部加热至高温为止。若用户此时需要高温热水，可以通过第二储水箱13的第二出口进行取用；若用户需要中温热水，也可以从第一储水箱7的第二出口取用，用来满足用户对不同温度热水的需求。