夏制冷冬供暖四季热水机组的制作方法

本发明涉及空调热泵供暖热水系统。

背景技术：

1、室内空调、热水和供暖是人们的普遍需求，节能和低碳环保是人类生存和持续发展的要求；而目前家用的冷暖空调机，在夏天在给室内制取冷气的同时，向室外排放大量热能未能利用是能量浪费，更造成环境热污染；另外，传统的冷暖空调机，在春秋天长时间闲置，设备利用率太低，也是一种设备的浪费；再者，冬天采用冷暖空调机热风供暖，一般家庭多个房间要安装几台小功率空调机，热风吹顶不舒服；近年流行的空气源热泵提供热水，地板下铺设热水管的地暖方式，虽然舒适度好，缺点是工程巨大，地暖成本超过热泵成本，热容大，启动慢，需要持续供暖，在白天上班家里没有人时，连续供暖的热量都通过房屋墙壁散热给环境，节能效果也大打折扣；利用空气源热泵冬季供暖的最大障碍是除霜问题，在阴冷多湿地区，热泵室外换热器的结霜严重危害热泵正常运行，而现在最普遍的逆循环除霜方式，压缩机排气进入室外换热器除霜后，通过节流器进入室内换热器，而不许可从室内吸热，否则就变成对室内制冷，流经室内换热器的液体制冷剂只好经四通阀流入气液分离器，尽管气液分离器的存液会提供部分热量，但是还是有液体制冷剂被吸入压缩机，只能利用压缩机压缩功产生的热量让其气化，因此，除霜的热量只是利用压缩机消耗的电功；用高品质电能化霜，就是能量使用的一种浪费；由于化霜能量不足，化霜时间长，严重降低热泵的供热能力；遇恶劣天气，频繁除霜，热泵就不能正常工作；由于在室内换热器不能获得热量蒸发的制冷剂液体，有可能造成压缩机液击的风险；所以热泵除霜没有找到合适能源是困扰制冷界的难题；虽然也有提出采用吸收压缩机排气热储热的方式，但因相变储热器的传热性能、容积等原因，或系统复杂而未得推广。

技术实现思路

1、鉴于现有空调机的节能空间尚没有被充分挖掘，现有空气源热泵冬季供暖除霜的困局，以及地暖供暖方式成本高施工复杂的不足，本发明提出夏制冷冬供暖四季热水机组，具有夏制冷气空调兼制热水，热水免费；春秋制生活热水，比电热水器节能70%以上；冬天为空气源热泵供暖除霜循环，提供自制热水的热量，比单纯消耗压缩机电功节能50%；除霜能量充足，除霜时间缩短，提供机组供热能力；另外还设计了制热风兼制热水双形式供暖功能，比地暖方式节约成本70%；本所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，其氟路只用一个四通阀，就可组织包括压缩机，室内、外换热器，第一、二热水换热器和四节流器组成的四种循环；其水路使用一个三通阀，可组织自循环、强迫循环和供暖循环；节能、简约、舒适、功能齐全，是家用冷暖空调热水三用机的至尊版。

2、本发明的夏制冷冬供暖四季热水机组，包括氟路系统的冷暖热水机和热水系统；所述的冷暖热水机：包括压缩机，四通阀，室内、外换热器，热水换热器，节流器，气液分离器（储液器）；其特征是：所述的冷暖热水机的热水换热器有第一、二热水换热器，第一热水换热器是热水箱热水换热器一体式的热水换热器，第二热水换热器，兼有制热水和为化霜供热作用；所述的节流器有第一、二、三、四节流器；所述的冷暖热水机的连接方式是：压缩机的出气口分两路，第一路与第一热水换热器的氟路进气口连接，第二路与四通阀的第一接口连接；第一热水换热器的氟路出液口，用第一、二节流器分别与室外、内换热器的第二接口（进液口）连接；四通阀的第二、三、四接口，分别与室外、内换热器的第一接口、气液分离器的进气口连接；第二热水换热器的进气口与室内换热器的第二接口连接；第二热水换热器的出液口，与第三节流器的进口和第四节流器经单向阀d的出口连接；第三节流器的出口和第四节流器的进口，与室外换热器的第二接口连接；所连成的回路充注制冷剂，具有三种功能循环：夏天室内换热器制冷气，第一热水换热器兼制热水循环；春秋天室外换热器吸热，第一、二热水换热器制热水循环；冬天室外换热器吸热，室内换热器制热气，第一、二热水换热器制热水的热水供暖循环；以及除霜循环。

3、本发明的夏制冷冬供暖四季热水机组，其特征是：所述的热水系统，是由热水循环泵，第一、二热水换热器的水路，三通阀，热水暖风机，热水循环管，热水供暖管，热水管，回水管，进水阀，进水安全泄压阀，热水龙头组成，有三种换热水路：自循环换热水路，强迫循环换热水路，供暖循环水路；采用自来水顶压出热水方式；

4、所述的自循环换热水路，是第一热水换热器的热水箱内水自循环换热水路；无需热水循环泵运行，在夏天制冷兼制热水模式使用；

5、所述的强迫循环换热水路，是由热水循环泵，第二热水换热器，第一热水换热器，三通阀的第一出口，热水循环管，回水管，热水循环泵，依序连成的循环水路；热水循环泵运行，在春秋天制热水模式使用；

6、所述的供暖循环换热水路，是由热水循环泵，第二热水换热器，第一热水换热器，三通阀的第二出口，热水供暖管，若干并联的热水暖风机，回水管，热水循环泵，依序用连接水管连成的供暖循环水路；热水循环泵、供暖风机都运行，冬天热水供暖时使用；

7、所述的自来水顶压出热水水方式，是由进水阀、进水安全泄压阀、第一热水换热器、热水管及其并联接的若干热水龙头构成；连接自来水管的进水阀，始终处于开通状态，只要旋开水龙头，无论在何种循环水路状态，都可以使用热水。

8、所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，其特征是：所述的冷暖热水机的四三功能循环与热水系统的三种换热循环水路配合，执行三种功能模式运行：分别简记作：热水、制冷、供暖模式；三种模式的氟路循环、水路运行方式和热交换分别介绍如下：

9、热水模式，是春秋天独立制热水模式；氟路循环：压缩机出口分两路，第一氟路，经第一热水换热器（冷凝放热，制热水），第一节流器，进入室外换热器（蒸发，从室外空气吸热）；第二氟路，经四通阀、室内换热器（室内风机停，无有效换热），第二热水换热器（冷凝放热，制热水），第三节流器，进入室外换热器（蒸发，吸热）；汇合的两路制冷剂气体，经四通阀，气液分离器，回到压缩机，完成氟路循环；热水循环泵运行，三通阀在第一出口位，做强迫循环换热水路运行；

10、制冷模式，是夏天制冷气兼制热水模式；氟路循环：压缩机的出口分两路，第一氟路，经第一热水换热器（冷凝换热，制热水）、第二节流器、进入室内换热器（蒸发吸热，制冷气）；第二氟路，经四通阀，室外换热器（冷凝，放热），第四节流器，单向阀d， 第二热水换热器（无流水，无换热通过），室内换热器（蒸发吸热，制冷气）；两路汇合的制冷剂气体，经四通阀，气液分离器，回到压缩机，完成氟路循环；第一热水换热器的热水箱内水自循环换热，热水循环泵停；

11、供暖模式，是冬天制暖气兼供暖热水模式；氟路循环：压缩机的出口分两路，第一氟路，经第一热水换热器（冷凝放热，制热水），第一节流器，进入室外换热器（吸热）；第二氟路，经四通阀，室内换热器（风机开，散热制热风；风机停，无有效换热不吹热风），第二热水换热器（冷凝放热，制热水），第三节流器，进入室外换热器（吸热，蒸发）；两路汇合的制冷剂气体，再经四通阀，气液分离器，回到压缩机，完成氟路循环；水路执行供暖循环换热，热水循环泵运行，三通阀在第二出口位；供暖模式1，是热风供暖模式，室内风机转，供暖风机停；供暖模式2，是热水暖风机供暖模式，室内风机停，供暖风机运转；供暖模式3，是热风、热水联合供暖模式，室内风机、供暖风机都运转。

12、所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，系统设置有：室内、外气温，室内、外换热器的近压缩机端口的管壁温度，压缩机的吸、排气管口温度，第一热水换热器的出水温度，热水箱中位的热水温度，热水暖风机的进、出水温，热水暖风机的出风温度，压缩机电流的信号检测；设置有空调机过流保护和过热保护；其特征是：所述的夏制冷冬供暖四季热水机组的三种功能模式：热水、制冷、供暖采用手动与自动相结合的控制方式；三种功能模式的运行状态、控制分别是：

13、热水模式： 以热水温度tw与设定水温tw0的差值△tw进行自动控制；默认tw0 =45℃，默认最大水温波动允许偏差△ta0 = 5℃，默认安全最高水温tw,max = 52℃；用户手动按钮，或声控指定“热水”模式，用户首先对设定水温tw0值进行确认或修改，限定在40 -45℃范围内；在指定了“热水”模式时，四通阀就处于制热位（线圈断电位）（①③、②④内连通），三通阀处于第一出口位（约定为断电状态），机组进入制热水模式待机状态；

14、当tw ≤ tw0时，自动启动制热水运行，压缩机、室外风机、热水循环泵都运转，室内风机停（人为干预停或自动执行停）；

15、当tw ≥ （tw0 ＋ △tw0），自动停止制热水运行，压缩机、室外风机、热水循环泵的停止运转，机组恢复热水模式的待机状态；欲退出热水模式，采用人为干预方式，即触动“关机”按钮；

16、制冷模式：以室内温度ta与设定室温ta0的差值△ta进行控制，热水温度不做控制参数；默认ta0 = 26℃，默认最大室温波动允许偏差△ta0 = 2℃；用户手动按钮，或声控指定“制冷”模式；用户首先对设定室温ta0值进行确认或修改，限定在22 - 28℃范围内；在指定了“制冷模式”运行时，四通阀（制冷位）有电，三通阀（第一出口位）断电，机组进入制冷模式待机状态，热水循环泵停；

17、当室温ta≥ta0时，自动启动制冷模式运行，压缩机、室内、外风机都立即运转，供冷风为主，第一热水换热器的热水自循环换热制热水为副；在制冷模式运行时，热水箱的水温会因为接收过热气的热量而超出最高水温设限，任其自然；

18、当室温ta≤（ta0－△ta0）时，自动停止制冷，压缩机和室內、外风机都停止，处于制冷待机状态；

19、当使用的压缩机和风机是变频机时，压缩机和室、内外风机的转速，在初始时为最大值vmax，随室温下降转速逐渐减小，在接近ta0做最小维持速度运行；

20、供暖模式：以室内温度ta与设定室温ta0的差值△ta进行控制；启动方式：用户手动按钮，或声控指定“供暖”模式；供暖模式运行时，用户首先对设定室温ta0值进行确认或修改，推荐设定室温ta0 = 22℃（国家供暖标准室内气温不低于18℃）；在指定了“供暖模式”运行时，四通阀（制热位①③、②④内连通）断电；三通阀（第二出口位）通电，机组自动进入待机状态；

21、当室温ta≤ta0时，机组自动启动供暖模式运行，启动压缩机，室外风机，热水循环泵运转，当室内换热器管壁温高于开启室内风机的设定温度（默认45℃）和热水温度高于45℃时，开启室内风机和供暖风机，中速运行；采用人为干预室内风机和供暖风机起停和转速，推荐输出热风温度高于室温8℃为调节风机转速的指标；当室内风机运转，供暖风机停，是热风供暖模式；当室内风机停，供暖风机运转，是热水供暖模式；当室内风机和供暖风机都运转，是热风供暖模式；

22、当ta≥（ta0 ＋ △ta）时，自动停止供暖，压缩机和室內、外风机，热水循环泵，供暖风机都停止，处于供暖待机状态；欲要退出供暖模式，采用人为“关机”；

23、当压缩机、风机是变频机时，压缩机和室、内外风机的转速，在初始时为最大值vmax，随室温上升，转速逐渐减小，在接近ta0做最小维持速度运行；

24、自动模式控制：执行热水优先原则，即在热水、制冷、供暖的三种模式，优先执行（制）热水模式，其后，根据室温与默认设定的室温比较值，选择制冷或供暖模式。

25、所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，其特征是：所述的夏制冷冬供暖四季热水机组的除霜能量是由流过第二热水换热器的热水和压缩机输入功提供；启动条件：在供暖模式运行室外气温低于5℃期间，出现室外气温度与室外换热器管壁温的温差突然超过设定值；或室外换热器管壁温突然快速下降，下降速率超过正常下降速率1倍，控制系统发出除霜指令，进入除霜模式运行：四通阀处于制冷位（线圈通电位）（①②、③④内连通），压缩机、热水循环泵运转；室内风机、室外风机都停止；三通阀在第一出口位；执行强迫循环换热水路运行；除霜模式的氟路：压缩机、四通阀、室外换热器（相当冷凝器，热气凝结化霜）、第四节流器，单向阀d、第二热水换热器（有热流水，提供热量，制冷剂蒸发）、室内换热器（风扇不转，无热交换）、四通阀、气液分离器、压缩机（输入压缩功）；当室外换热器管壁温恢复超过8℃时，自动转为供暖模式，三通阀恢复到第二出口位，恢复热水供暖循环。

26、本发明所述的所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，其特征是：所述的第一热水换热器，是热水箱热水换热器一体式的热水换热器，是热水箱内置有导流套筒套装螺旋盘管的换热器，导流套筒的筒径比螺旋盘管的外圈径大20-40毫米，与热水箱的顶、低都有5-10厘米间距；所述的第一热水换热器，是氟水板式换热器，或是套管式换热器。

27、本发明所述的所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，根据南北气候差异，衍生设计有高级型、实用型、简约型、极简型几种形式； 其特征是：所述的高级型，其压缩机为变频压缩机，其第一、三节流器为电子膨胀阀，其控制方式配有声控和远程智能控制系统，全自动连续运行；所述的实用型，其压缩机为定频或变频压缩机，其第一、二、三、四节流器均为毛细管，其三通阀为手动三通阀，手动选择运行模式，备有自动模式；所述的简约型，不配置热水暖风机供暖系统；所述的极简型，取消第二热水换热器和热水循环泵，仅依靠热水箱热水换热器一体式的热水箱内水自对流换热，简单保留制冷气、暖气和热水功能。

28、本发明的创新点主要有：

29、1.发明所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，其冷暖热水机仅仅使用一个四通阀就可以巧妙实现三种功能循环：夏制冷气兼制热水，春秋季从室外空气吸热制热水，冬热气和热水双供暖；三种功能的有四氟路循环：即以第一热水换热器为冷凝器，室、内外换热器为蒸发器的两种独立制热水循环，和室内、外换热器互为蒸发器和冷凝器的制冷气、暖气循环；其设计创新点是：传统的冷暖空调机氟路与增添的第一热水换热器制热水的氟路巧妙并联结合，在第一热水换热器底部的出液口，通过第一、二节流器，分别与室外、内换热器的第二接口（进液口）连接，产生了三点出乎意料的效果：（1）热水换热器的凝结液，通过两路节流器，借助压缩机出口与室内、或室外换热器作蒸发器用时的压力差，自动选择节流通路，巧妙地组成室内或室外换热器为蒸发器与热水换热器为冷凝器的制热水循环，而不需要另外阀门控制；（2）无论空调热水机执行制冷气或制暖气循环都能产生热水；（3）压缩机出口与四通阀第一接口保留连接，也就维持了原冷暖空调机的制冷、制暖气的功能；这是神奇的发明，上述三点创新，把具有制冷、制热、双源制热水四循环的空调热水机，做到了极简单，新颖性明显，先进性突出，属于原创性的发明。

30、2. 本发明所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，彻底解决了冷暖空调机的除霜难题 特在室内换热器与第三节流器之间增设了第二热水换热器，其作用有二：（1）是在除霜时的反向除霜循环时，作为蒸发器，提供热水箱热水的热量用于除霜；克服了传统空调机冬天在除霜循环时不能从室内吸热得不到热量的难题，节能又安全；传统普遍采用的反向循环除霜法，因为进入室内换热器的液体制冷剂得不到热量，只能通过压缩机快速运转的压缩功产生的热量除霜，而本发明采用第二热水换热器除霜时做蒸发器用，利用热水箱热水的热量化霜，能量代价仅仅电能（压缩功）的1/3，而且化霜速度快，是热泵机冬天安全高效运行的保障性突破；（2）在制热循环时，能回收冷凝液体至节流前的过冷液显热，节能，且提高制热效率；所增设的第二热水换热器，是本发明所述的夏制冷冬供暖四季热水机组的创新点之一，确保冬季供暖能连续可靠运行。

31、3. 本发明所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，双供暖模式，采用带风轮强制散热的热水暖风机供暖方式，其贡献点有四：（1）保证热水暖风机传热温区与空气源热泵出热水温区的匹配，热水50℃回水42℃，从而可以实现取代地暖方式的空气源热泵新供暖方式，热水暖风机供暖与地暖采暖相比，工程简单很多，成本和安装费不到地暖的1/4；（2）改变单一空调机固定区热风吹顶的供暖方式，双供暖方式，多房间延伸热水暖风机供暖，热水暖风机安装如同暖气片一样，出风口离地不到1米，采用离心风轮散热，噪声低，而传热能力比暖气片强几倍，有集中移送热量到不同需要地方的优势；（3）双供暖方式，热容适中，可以通过按人性化时间调整供暖时间，比地暖呆板的长时间运行节能；（4）比一机多拖氟路暖风方式，和地暖方式，简单，成本低，控制方便，舒适；双供暖方式，是供暖方式的创新。

32、4. 本发明所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，其热水系统，用一个三通阀组织了四种热水循环水路：自循环换热水路；强迫循环换热水路；供暖循环换热水路；采用自来水顶压出热水方式；自循环换热水路，夏天用，省热水循环泵运行费；强迫循环换热水路，春秋天用，第一、二热水换热器都参与换热，强化换热，提高机组效率和热水输出功率；供暖循环换热水路，承担把第一、二热水换热器获得热量输运给热水暖风机，为远离室内机的房间供暖，省能舒适；为除霜输送热水热量；采用自来水顶压出水方式，自动方便；可把用户已有的电热水器串联，作为增储热水箱，增加储能作用。

33、本发明所述的第一热水换热器，采用热水箱内置有导流套筒套装螺旋盘管的换热器的设计，由于导流套筒内的水被螺旋盘管的换热器加热温度迅速上升，导流套筒外的水尚未被加热，套筒内外的水在密度差作用下，形成导流套筒内外水的自强化的热对流；因此，在夏天制冷兼制热水的模式中，热水箱的热水只要依靠自循环方式换热即可满足需求，节省了热水强迫循环的动力消耗，也使控制简单了。

34、本发明所述的所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，最突出优点是，节能效果明显，在夏天执行制冷气同时兼制热水，所得热水完全免费，夏天时间越长的地区越受益；在春秋季，从室外吸热制热水模式，比电热水器节电70-75%；多模式节能运行，在冬季除霜模式效果好，节能；机组制热水年均cop大于5.5。

35、综上所述，本发明的所述的夏制冷冬供暖四季热水机组，结构新颖性清晰，创新技术理论根据扎实，设计功能强大，节能效果显著，先进性突出，实用性明显，符合发明专利的三性要求。