嚴曉晨 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在進行卡諾循環(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和進行逆卡諾循環(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是節(jié)能。隨著大氣環(huán)境溫度的不同，空氣能熱水器的運行費用約為電熱水器的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)只能進行空氣調(diào)節(jié)的功能；空氣能熱水器也由于設(shè)計結(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)計思路后，通過設(shè)計及實驗認證后，設(shè)計生產(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。

而在水箱中運行中升至一定設(shè)定的溫度后，在壓縮機的循環(huán)制冷劑溫度升高到保護值時，壓縮機的保護電路便會自動控制停止壓縮機工作。

空調(diào)和空氣能熱水器均是利用電機驅(qū)動。壓縮機進行卡諾循環(huán)或者逆卡諾循環(huán)實現(xiàn)空調(diào)制冷或從空氣中吸熱實現(xiàn)制熱水的目的。壓縮機在運轉(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，達到制熱水的目的。

1.2 具有冷凝功能的可控散熱儲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水箱，儲水箱包括內(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”[1]出水進口和循環(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蓋，活動蓋開啟關(guān)閉分別通過可控驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動。如圖2、3、4所示。

圖2 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中內(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)，包括儲水箱，儲水箱內(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、汽液分離器、蒸發(fā)器、過濾器和儲液罐依次連接；其中， 水冷式制冷壓縮機的自來水冷卻出口與內(nèi)水箱的 水冷式制冷壓縮機出水進口連通，自來水冷卻出口與水冷式制冷壓縮機出水進口之間的管道上設(shè)有制冷壓縮機出水電磁閥，水冷式制冷壓縮機的冷凝劑出口與冷凝器盤管進口連通，冷凝器盤管出口與儲液罐連通，水冷式制冷壓縮機的冷凝劑進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的自來水冷卻進口連通，二位三通電磁閥進口連通至自來水。

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)定值后便啟動繼電囂接通，內(nèi)水箱水位未到設(shè)定水位時，電路系統(tǒng)將自來水進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”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”的溫度升高，當外殼充水的 “水冷式制冷壓縮機”溫度升高到一定設(shè)定數(shù)值時，“水冷式制冷壓縮機”上溫度傳感器便使“水冷式制冷壓縮機”外殼的制冷壓縮機出水電磁閥打開，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”出水進口進入到內(nèi)水箱中；而同時內(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)自來水進水二位三通電磁閥繼電器斷開，進水關(guān)斷，自來水便不在補充至內(nèi)水箱中；

2）當內(nèi)水箱充滿水時，并且水溫也達到水箱水溫的設(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推桿的電路，在電動推桿的推動下，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”出水進口的制冷壓縮機出水電磁閥進水關(guān)斷，從而保證整個系統(tǒng)能正常制冷進行空氣調(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)熱泵空氣能儲水箱可以在一套裝置上實現(xiàn)空氣能熱水器及同時進行空氣調(diào)節(jié)的功能。

這套控制裝置在部件設(shè)計認證實施中，儲水箱容量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)口和進風(fēng)口的溫差可維持在10 ℃左右。而在實驗撿證中若運用“水冷式制壓縮機”加強散熱，空調(diào)蒸發(fā)、冷凝裝置都不改變，空調(diào)冷凝散熱器進風(fēng)和出風(fēng)的溫差會明顯加大。證明了“水冷制冷壓縮機”的運用明顯提高了空調(diào)的制冷效率。在設(shè)計認證實施中制作的儲水箱水容量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，因此將儲水箱外殼表面積作為散熱面積將儲水箱底部低的冷卻水通過水泵進行水循環(huán)，只要 儲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，增強了散熱效果，降低了產(chǎn)品成本。

2 不需要空氣調(diào)節(jié)時，實現(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，人們不需要空調(diào)制冷時，前述的技術(shù)裝置的缺陷就不能實現(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，通過具有室內(nèi)外空氣轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)的風(fēng)機盤管裝置，將室外空氣經(jīng)過該裝置風(fēng)機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，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)有開啟格柵進風(fēng)口同時關(guān)閉進風(fēng)口或關(guān)閉格柵進風(fēng)口時開啟進風(fēng)口的第一風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置，和開啟格柵出風(fēng)口同時關(guān)閉排風(fēng)口或關(guān)閉格柵出風(fēng)口員時開啟排風(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，隔斷墻上下對應(yīng)開有與進風(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)板通過第一電機驅(qū)動開啟格柵進風(fēng)口同時關(guān)閉進風(fēng)口或關(guān)閉格柵進風(fēng)口同時開啟進風(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)板通過第二電機驅(qū)動開啟格柵出風(fēng)口同時關(guān)閉排風(fēng)口或關(guān)閉格柵出風(fēng)口同時開啟排風(fēng)口。

它的控制方法，包括以下步驟：在夏季時，調(diào)節(jié)第一風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置，開啟格柵進風(fēng)口關(guān)閉進風(fēng)口，從格柵進風(fēng)口頂部吸進室內(nèi)高溫空氣，在通過風(fēng)機蒸發(fā)器盤管時被吸收熱量降溫，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)機扇動的經(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)，達到空調(diào)降溫的目的；在春、秋、冬季時，室內(nèi)大氣環(huán)境較低不需利用空調(diào)進行降溫時，調(diào)節(jié)第一風(fēng)口調(diào)節(jié)裝置，關(guān)閉格柵進風(fēng)口開啟進風(fēng)口，及隔斷墻上第一通風(fēng)口，室內(nèi)空氣便無法進入室體內(nèi)，在軸流風(fēng)機的扇動下，便將室外空氣經(jīng)隔斷墻上開的第一通風(fēng)孔在經(jīng)過上室的進風(fēng)口時在蒸發(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)機盤管裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，為裝置制冷空調(diào)時狀況

圖7 風(fēng)機盤管裝置，為春、秋、冬季時裝置結(jié)構(gòu)時的狀況

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，實現(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到空氣能制熱的目的。

4 結(jié)語

經(jīng)過設(shè)計論證實驗，“具有冷凝功能的可控散熱儲水箱和熱泵空氣能系統(tǒng)及控制方法”在熱泵儲水箱表面有足夠的散熱面積，并在熱泵系統(tǒng)中運用可控散熱的控制方法，完全可以在一套裝置上實現(xiàn)空氣熱水器并同時進行空氣調(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，通過室內(nèi)外空氣轉(zhuǎn)換，從而保證了本技術(shù)裝置達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。