新型家用空調(diào)熱水器設(shè)計(jì)思路探討

嚴(yán)曉晨 朱志諱

（武漢鑫美龍新能源汽車服務(wù)有限公司 武漢 430034）

引言

現(xiàn)在空調(diào)已經(jīng)普及廣泛應(yīng)用在需要進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的各種領(lǐng)域。它工作原理是利用制冷壓縮機(jī)在進(jìn)行卡諾循環(huán)中通過制冷劑從周圍環(huán)境吸收汽化熱，并在循環(huán)中使制冷壓縮機(jī)壓縮后的制冷劑氣體將壓縮能變成熱能，使制冷劑氣體溫度升高，并通過散熱器傳至室外，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度的目的。而利用熱泵技術(shù)的空氣能熱水器也是利用制冷壓縮機(jī)和進(jìn)行逆卡諾循環(huán)。它可以從自然界的空氣中捕獲低品位熱能，經(jīng)過壓縮機(jī)做功提升溫度后輸出冷凝端，產(chǎn)生可被人們所需用的較高品位的熱能以及熱水，這是新開發(fā)具有節(jié)能環(huán)保功能的一種新型家電器產(chǎn)品。

空氣能熱水器的最大特點(diǎn)是節(jié)能。隨著大氣環(huán)境溫度的不同，空氣能熱水器的運(yùn)行費(fèi)用約為電熱水器的1/4至1/3。

空調(diào)和空氣能熱水器在中國(guó)已是成熟的家電產(chǎn)品，并且已經(jīng)普及。但是由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)控制方法的限制，空調(diào)只能進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的功能；空氣能熱水器也由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的限制，局限于熱水器的功能。因此在分析空調(diào)和空氣能熱水器產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的限制后，武漢鑫美龍新能源汽車服務(wù)有限公司技術(shù)人員，在改變空調(diào)熱水器傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路后，通過設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)認(rèn)證后，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有空調(diào)和空氣能熱水器雙功能的家電節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。

圖1 現(xiàn)有空氣能熱水器產(chǎn)品的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

1 空氣能熱泵系統(tǒng)

1.1 空氣能熱泵系統(tǒng)的特征

空氣能熱水器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，逆卡諾循環(huán)系統(tǒng)中的冷凝盤管纏繞在保溫水箱上，被制冷壓縮機(jī)壓縮后的高溫制冷劑氣體向水箱中的水放熱，水箱中的水于是便被加熱升溫。

而在水箱中運(yùn)行中升至一定設(shè)定的溫度后，在壓縮機(jī)的循環(huán)制冷劑溫度升高到保護(hù)值時(shí)，壓縮機(jī)的保護(hù)電路便會(huì)自動(dòng)控制停止壓縮機(jī)工作。

空調(diào)和空氣能熱水器均是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)進(jìn)行卡諾循環(huán)或者逆卡諾循環(huán)實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷或從空氣中吸熱實(shí)現(xiàn)制熱水的目的。壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中將制冷劑壓縮成高溫高壓液體，高溫高壓制冷劑經(jīng)過節(jié)流，在蒸發(fā)器內(nèi)汽化吸熱制冷，汽化的制冷劑在循環(huán)中反復(fù)經(jīng)過制冷壓縮機(jī)壓縮形成高溫高壓液體在冷凝器中放出熱量。如此周而復(fù)始達(dá)到空氣溫度調(diào)節(jié)的目的。而熱泵空氣能系統(tǒng)，它具有 能從大氣中大量吸收空氣中的熱能的功能，經(jīng)過制冷壓縮機(jī)把冷凝劑轉(zhuǎn)換成高溫高壓狀態(tài)，并在轉(zhuǎn)換過程中，在系統(tǒng)冷凝器中釋放出大量的熱量傳遞至水箱，達(dá)到制熱水的目的。

1.2 具有冷凝功能的可控散熱儲(chǔ)水箱和熱泵空氣能系統(tǒng)及控制方法

用于熱泵空氣能系統(tǒng)具有冷凝器功能的可控散熱儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱包括內(nèi)水箱和外保溫箱，內(nèi)水箱底部設(shè)有”水冷式制冷壓縮機(jī)”[1]出水進(jìn)口和循環(huán)水出口，循環(huán)水出口和循環(huán)水泵連接，內(nèi)水箱支撐固定于外保溫箱內(nèi)；外保溫箱包括側(cè)圍和裝有帶保溫層的活動(dòng)蓋，活動(dòng)蓋開啟關(guān)閉分別通過可控驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。如圖2、3、4所示。

圖2 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中內(nèi)水箱底部貼裝有冷凝器盤管

圖3 內(nèi)水箱頂部設(shè)有用于水溫水位傳感器

圖4 水箱頂部連接熱水出口管通至常用生活用熱水設(shè)備或者冬季取暖設(shè)備

圖5 熱泵空氣能系統(tǒng)

圖5所示這種熱泵空氣能系統(tǒng)，包括儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱內(nèi)水箱上頂部設(shè)置水溫水位傳感器；還包括水冷式制冷壓縮機(jī)、汽液分離器、蒸發(fā)器、過濾器和儲(chǔ)液罐依次連接；其中， 水冷式制冷壓縮機(jī)的自來水冷卻出口與內(nèi)水箱的 水冷式制冷壓縮機(jī)出水進(jìn)口連通，自來水冷卻出口與水冷式制冷壓縮機(jī)出水進(jìn)口之間的管道上設(shè)有制冷壓縮機(jī)出水電磁閥，水冷式制冷壓縮機(jī)的冷凝劑出口與冷凝器盤管進(jìn)口連通，冷凝器盤管出口與儲(chǔ)液罐連通，水冷式制冷壓縮機(jī)的冷凝劑進(jìn)口與汽液分離器連通。

循環(huán)水泵連通至二位三通電磁閥的第一出口，二位三通電磁閥的第二出口與水冷式制冷壓縮機(jī)的自來水冷卻進(jìn)口連通，二位三通電磁閥進(jìn)口連通至自來水。

這種熱泵空氣能系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

1）內(nèi)水箱中水溫水位傳感器感知水位和水溫到設(shè)定值后便啟動(dòng)繼電囂接通，內(nèi)水箱水位未到設(shè)定水位時(shí)，電路系統(tǒng)將自來水進(jìn)水二位三通電磁閥電路接通，自來水經(jīng)電磁閥注入 “水冷式制冷壓縮機(jī)”使系統(tǒng)內(nèi)工作的制冷劑形成高溫高壓液體，高溫高壓制冷劑便造成 “水冷式制冷壓縮機(jī)”的溫度升高，當(dāng)外殼充水的 “水冷式制冷壓縮機(jī)”溫度升高到一定設(shè)定數(shù)值時(shí)，“水冷式制冷壓縮機(jī)”上溫度傳感器便使“水冷式制冷壓縮機(jī)”外殼的制冷壓縮機(jī)出水電磁閥打開，經(jīng)加溫的自來水便經(jīng)管道連接的內(nèi)水箱上的 “水冷式制冷壓縮機(jī)”出水進(jìn)口進(jìn)入到內(nèi)水箱中；而同時(shí)內(nèi)水箱下邊的冷凝器盤管也將高溫高壓冷媒液的熱量傳導(dǎo)給內(nèi)水箱中的自來水，當(dāng)內(nèi)水箱的自來水沖滿后，內(nèi)水箱上部的水位傳感器便使系統(tǒng)自來水進(jìn)水二位三通電磁閥繼電器斷開，進(jìn)水關(guān)斷，自來水便不在補(bǔ)充至內(nèi)水箱中；

2）當(dāng)內(nèi)水箱充滿水時(shí)，并且水溫也達(dá)到水箱水溫的設(shè)定值后，水溫傳感器便使控制繼電器，接通循環(huán)水泵及外保溫箱蓋上電動(dòng)推桿的電路，在電動(dòng)推桿的推動(dòng)下，上蓋、下蓋便開啟，接通外保溫箱側(cè)邊冷卻風(fēng)幕電扇，空氣從外保溫箱底部進(jìn)入，經(jīng)過外保溫箱的內(nèi)水箱的散熱翅片，代走需散去的熱量，循環(huán)水泵也同時(shí)工作，將內(nèi)水箱底部冷卻的自來水經(jīng)過 “水冷式制冷壓縮機(jī)”出水進(jìn)口的制冷壓縮機(jī)出水電磁閥進(jìn)水關(guān)斷，從而保證整個(gè)系統(tǒng)能正常制冷進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)及冬季取暖的功能。因此這種即能保溫又能可控散熱的(具有冷凝器功能)熱泵空氣能儲(chǔ)水箱可以在一套裝置上實(shí)現(xiàn)空氣能熱水器及同時(shí)進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的功能。

這套控制裝置在部件設(shè)計(jì)認(rèn)證實(shí)施中，儲(chǔ)水箱容量75 L，水箱散熱表面積0.42 m2，在室溫20 ℃的大氣環(huán)境下，將空調(diào)蒸發(fā)器散熱器從空氣冷卻散熱變成水冷循環(huán)散熱，在這種狀況下空調(diào)冷凝出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口的溫差可維持在10 ℃左右。而在實(shí)驗(yàn)撿證中若運(yùn)用“水冷式制壓縮機(jī)”加強(qiáng)散熱，空調(diào)蒸發(fā)、冷凝裝置都不改變，空調(diào)冷凝散熱器進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的溫差會(huì)明顯加大。證明了“水冷制冷壓縮機(jī)”的運(yùn)用明顯提高了空調(diào)的制冷效率。在設(shè)計(jì)認(rèn)證實(shí)施中制作的儲(chǔ)水箱水容量75 L，水箱高度1 m，在輸入熱水后在自然散熱狀況下，水箱頂部和底部溫度差為10多度，因此將儲(chǔ)水箱外殼表面積作為散熱面積將儲(chǔ)水箱底部低的冷卻水通過水泵進(jìn)行水循環(huán)，只要 儲(chǔ)水箱散熱面積足夠大，空調(diào)熱水器裝置的蒸發(fā)器從風(fēng)冷變?yōu)樗涫峭耆尚械摹６覍⑺渫鈿け砻娣e作為系統(tǒng)的散熱面積，增強(qiáng)了散熱效果，降低了產(chǎn)品成本。

2 不需要空氣調(diào)節(jié)時(shí)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)熱水器制熱水的方法

本裝置在“具有冷凝功能的可控散熱儲(chǔ)水箱和熱泵空氣能系統(tǒng)及控制方法”[2]的技術(shù)中，空調(diào)在使用中將制冷系統(tǒng)中冷凝器對(duì)外釋放的熱能回收利用制熱水，并且能使熱泵系統(tǒng)一直能正常工作實(shí)現(xiàn)制冷空氣調(diào)節(jié)。但是在春、秋、冬季大氣環(huán)境溫度較低時(shí)，人們不需要空調(diào)制冷時(shí)，前述的技術(shù)裝置的缺陷就不能實(shí)現(xiàn)熱泵吸收空氣能制熱水的目的。

為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提供一種“具有室內(nèi)外空氣轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)功能的風(fēng)機(jī)盤管裝置和熱泵空氣能系統(tǒng)及控制方法”[3]，使居住室內(nèi)的空氣溫度保持使人舒適狀態(tài)。在春、秋、冬季任何大氣環(huán)境溫度下都能從室外環(huán)境大氣中吸收空氣的熱能達(dá)到熱泵空氣能制熱水的目的，從而使空調(diào)熱水器產(chǎn)品功能更加完備。而在春、秋、冬季無需使用空調(diào)時(shí)，通過具有室內(nèi)外空氣轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)盤管裝置，將室外空氣經(jīng)過該裝置風(fēng)機(jī)盤管吸熱后降低的溫度的空氣排至室外，因此并不影響室內(nèi)空氣溫度下降。

3 風(fēng)機(jī)盤管裝置和熱泵空氣能系統(tǒng)及控制方法

包含具有室內(nèi)外空氣轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)功能的風(fēng)機(jī)盤管裝置，包括室體，室體內(nèi)設(shè)蒸安器盤管，蒸發(fā)器盤管下發(fā)設(shè)有軸流風(fēng)機(jī)，蒸發(fā)器盤管兩端設(shè)用于與制冷劑循環(huán)回路連通的第一蒸發(fā)器盤管接頭和第二蒸發(fā)器盤管接頭，室體頂部開設(shè)格柵進(jìn)風(fēng)口，下部側(cè)面開設(shè)格柵出風(fēng)口中，室體后側(cè)面上部開有進(jìn)風(fēng)口，后側(cè)面下部開有排風(fēng)口，室體內(nèi)設(shè)有開啟格柵進(jìn)風(fēng)口同時(shí)關(guān)閉進(jìn)風(fēng)口或關(guān)閉格柵進(jìn)風(fēng)口時(shí)開啟進(jìn)風(fēng)口的第一風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置，和開啟格柵出風(fēng)口同時(shí)關(guān)閉排風(fēng)口或關(guān)閉格柵出風(fēng)口員時(shí)開啟排風(fēng)口的第二風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置。

該裝置安裝在室內(nèi)建筑的隔斷墻上，隔斷墻上下對(duì)應(yīng)開有與進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口相連通的第一通風(fēng)孔、第二通風(fēng)孔。

第一風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置包括設(shè)置于上室的第一擋風(fēng)板，第一擋風(fēng)板傾斜布置，一端通過轉(zhuǎn)軸鉸接于上室頂邊上，第一擋風(fēng)板通過第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)開啟格柵進(jìn)風(fēng)口同時(shí)關(guān)閉進(jìn)風(fēng)口或關(guān)閉格柵進(jìn)風(fēng)口同時(shí)開啟進(jìn)風(fēng)口。

第二風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置包括設(shè)置于下室的第二擋風(fēng)板，第二擋風(fēng)板傾斜布置，一端通過轉(zhuǎn)軸鉸接于下室底邊上，第二擋風(fēng)板通過第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)開啟格柵出風(fēng)口同時(shí)關(guān)閉排風(fēng)口或關(guān)閉格柵出風(fēng)口同時(shí)開啟排風(fēng)口。

它的控制方法，包括以下步驟：在夏季時(shí)，調(diào)節(jié)第一風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置，開啟格柵進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉進(jìn)風(fēng)口，從格柵進(jìn)風(fēng)口頂部吸進(jìn)室內(nèi)高溫空氣，在通過風(fēng)機(jī)蒸發(fā)器盤管時(shí)被吸收熱量降溫，調(diào)節(jié)第二風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置，開啟格柵出風(fēng)口關(guān)閉排風(fēng)口，經(jīng)軸流風(fēng)機(jī)扇動(dòng)的經(jīng)過蒸發(fā)器盤管的低溫空氣從下室上的出風(fēng)口排至室內(nèi)，達(dá)到空調(diào)降溫的目的；在春、秋、冬季時(shí)，室內(nèi)大氣環(huán)境較低不需利用空調(diào)進(jìn)行降溫時(shí)，調(diào)節(jié)第一風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置，關(guān)閉格柵進(jìn)風(fēng)口開啟進(jìn)風(fēng)口，及隔斷墻上第一通風(fēng)口，室內(nèi)空氣便無法進(jìn)入室體內(nèi)，在軸流風(fēng)機(jī)的扇動(dòng)下，便將室外空氣經(jīng)隔斷墻上開的第一通風(fēng)孔在經(jīng)過上室的進(jìn)風(fēng)口時(shí)在蒸發(fā)器盤管便可吸收通過的室外空氣的熱量，調(diào)節(jié)第二風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置，關(guān)閉格柵出風(fēng)口開啟排風(fēng)口及隔斷墻上第二通風(fēng)口，經(jīng)過蒸發(fā)器盤管吸收熱量的低溫空氣便從下室中后面的排風(fēng)口經(jīng)隔斷墻上第二通風(fēng)孔排至室外。

圖6 風(fēng)機(jī)盤管裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，為裝置制冷空調(diào)時(shí)狀況

圖7 風(fēng)機(jī)盤管裝置，為春、秋、冬季時(shí)裝置結(jié)構(gòu)時(shí)的狀況

因此這套裝置具有室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的功能外，還能在春、秋、冬季氣候條件下不需在居住環(huán)境使用制冷空調(diào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)居住室內(nèi)空氣轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)，從室外大氣環(huán)境中通過逆卡諾循環(huán)吸收室外大氣中的熱量達(dá)到空氣能制熱的目的。

4 結(jié)語

經(jīng)過設(shè)計(jì)論證實(shí)驗(yàn)，“具有冷凝功能的可控散熱儲(chǔ)水箱和熱泵空氣能系統(tǒng)及控制方法”在熱泵儲(chǔ)水箱表面有足夠的散熱面積，并在熱泵系統(tǒng)中運(yùn)用可控散熱的控制方法，完全可以在一套裝置上實(shí)現(xiàn)空氣熱水器并同時(shí)進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的功能。而“具有室內(nèi)外空氣轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)功能的風(fēng)機(jī)盤管裝置和熱泵控制空氣能系統(tǒng)及控制方法”能夠?qū)崿F(xiàn)在春、秋、冬季無需使用空調(diào)時(shí)，通過室內(nèi)外空氣轉(zhuǎn)換，從而保證了本技術(shù)裝置達(dá)到熱泵空氣能制熱水的目的，從而使“空調(diào)熱水器”產(chǎn)品功能更加完善。