CN101231003A - 基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统 - Google Patents

Abstract

一种节能技术领域的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统。本发明中，自适应控制模块包括太阳辐射仪、自适应控制器和显示电路，太阳辐射仪与自适应控器相连，自适应控器与显示电路相连实时显示水温，与通用变频器相连实时调节系统运行频率，至预定水温后停机。太阳能集热器出口与变频压缩机的吸气口相连，变频压缩机排气口与套管换热器进口连接，套管换热器出口与膨胀阀进口连接，膨胀阀出口与太阳能集热器进口相连，蓄热水箱水循环出口通过水泵后与套管换热器连接，套管换热器出口与蓄热水箱水循环入口相连，另一路通过蓄热水箱与地板采暖盘管相连并提供热量，回水通过循环水泵排入蓄热水箱。本发明系统性能高，适用地区广泛。

Description

基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统

技术领域

本发明涉及的是一种太阳能技术领域的供热系统，是一种基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统。

背景技术

作为可持续利用的绿色清洁能源，太阳能被认为是21世纪以后人类可期待的、最有希望的能源，得到了国际社会的普遍重视。太阳能是地球上一切能源的主要来源，每年到达地球表面的太阳辐射能为5.57×1018MJ，相当于190万亿吨标煤，约为目前全世界一次能源消耗总量的1.56×104倍。相对于人类发展历史的有限年代而言，太阳能可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。我国太阳能资源同样十分丰富，主要集中在西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏和内蒙古等西部地区。由于太阳能资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。因此太阳能的有效利用，对于缓解我国能源需求量大而且资源紧张的状况，具有极大的现实意义。

太阳能在建筑中的应用主要包含两大方面。其一是太阳能热应用：用太阳辐射能加热水，以供给建筑生活用热水、供暖或驱动制冷；另一方面太阳能光伏发电(PV)系统：将太阳辐射能通过太阳能光付技术直接转化为电能，为建筑提供环保的能源。由于目前太阳能电池价格较高，光伏发电技术在民用建筑中还难以普遍推广。根据中国的实际情况，推广太阳能热利用技术，将太阳能光热技术与电动热泵技术有机结合起来，是能够大力促进建筑节能的。直膨式太阳能热泵本身的原理决定了在运行过程中集热器的工作温度被大大降低了，热泵的蒸发温度大幅提高，因而具有较高的集热器效率和热泵性能系数，而且结构紧凑、适用性强、技术经济性能也较好，为太阳能热利用的产业化发展道路提供了一条有效途径。以直膨式太阳能热泵为核心的建筑供热系统以太阳辐射热能作为蒸发器主热源，以环境空气(甚至是降雨)潜热作为蒸发器辅助热源，由于采用了自适应控制策略的调节技术，合理控制了系统运行频率，再加上系统本身对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能，因此具有良好的商业实用化前景。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利名称为：直膨式太阳能热泵热水器，专利号为：ZL 01126634.1，该专利中公开了一种太阳能热泵热水器。采用无盖板、无底部保温的平板型集热器，其出口与变频压缩机的吸气口相连，变频压缩机的排气口与冷凝器的进气口连接，冷凝器的出液口与贮液器相连，然后分别经干燥过滤器、膨胀阀与太阳能集热器的进液口相连，形成制冷剂的闭合循环通道，冷凝器布置在贮热水箱之中。其不足在于变频压缩机采用定频，无法随外界环境参数的变化而调节，而如果环境参数的变化超出定频变频压缩机的设计工况，系统的能耗将随着系统运行的频率快速增加，这也就导致了系统的效率(包括集热效率和COP等)将在外界工况大幅度变化时显著下降；另外，原文献系统所生产的热水没有考虑节能建筑的一体化问题，导致实用性不高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，使其具有结构简单、成本低廉、系统随外界工况变化而自动调节运行状态，能够与建筑完美集成并且全年能够保持较高效率运行，达到运行经济性更高、适用性更广泛的最终目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括太阳能集热器、气液分离器、变频压缩机、套管换热器、蓄热水箱、水泵、启动电容、膨胀阀、自适应控制模块、通用变频器，室外机箱壳，自适应控制模块包括太阳辐射仪、自适应控制器和显示电路。

本发明上述的组件中，太阳能集热器、气液分离器、变频压缩机、套管换热器、启动电容、膨胀阀、自适应控制模块、通用变频器，室外机箱壳组成制冷剂侧系统；套管换热器、蓄热水箱、水泵组成水侧系统，气液分离器、变频压缩机、套管换热器、启动电容、膨胀阀、自适应控制器、显示电路，通用变频器容于室外机箱壳之中构成室外机部分，整个系统的连接方式为：电源正负极与自适应控制器相连，自适应控制器分别与启动电容、显示电路和通用变频器接电源处正负极分别相连，通用变频器和启动电容与变频压缩机的三极分别连接，太阳能集热器出口与气液分离器相连，气液分离器与变频压缩机的吸气口相连，变频压缩机的排气口与套管换热器的进气口连接，套管换热器的出口与膨胀阀的进口连接，膨胀阀的出口与太阳能集热器的进口相连，此部分完成制冷剂侧系统的闭合循环；蓄热水箱水循环出口与水泵连接，水泵出口与套管换热器入口连接，由套管换热器的出水口与蓄热水箱水循环入口相连，此部分完成水侧系统的闭合循环，当需要地板采暖时，启动循环水泵，热水通过地板采暖盘管与室内空气换热，回水由循环水泵排回到蓄热水箱，以上循环均通过自适应控制器控制实现，太阳辐射仪与自适应控器相连，自适应控器与显示电路相连实时显示水温，直至水温达到预定温度，控制停机。

所述自适应控制器，以单片机为核心，主要采集的物理参数有：太阳能集热器进出口温度、蓄热水箱水温、环境温度以及太阳辐射强度，通过将采集信号放大处理，在单片机里进行计算，然后输出信号对系统进行控制调节。自适应控制器通过系统扫描程序对所输入的温度传感器信号和太阳辐射仪的信号进行逻辑判别，当读数超出设定值时发出信号，控制变频器动作，改变变频压缩机的供电频率，从而改变压缩机的运行容量和制冷剂的流量，达到调节系统耗能与外界环境工况相适应的功能，从而实现高效运行。

所述的太阳能集热器，包括总管、铜翅片、铝合金边框、玻璃盖板、制冷剂铜管、太阳能集热器发泡保温材料，其中铜翅片涂覆Ni-Cr选择性吸收涂层，玻璃盖板盖装于铝合金边框上，铜翅片中央焊于制冷剂铜管上，且均匀布置于铝合金边框内，制冷剂铜管两端垂直通连总管，接口处焊接，总管接头连接气液分离器吸入口，发泡保温材料设置在太阳能集热器背面。

所述Ni-Cr选择性吸收涂层，其吸收率为90％，发射率为45％，集热温度达到摄氏110度。

所述蓄热水箱和太阳能集热器均加装铂电阻传感器，用于检测温度。

所述蓄热水箱为闭式承压蓄热水箱，水箱内无铜盘管，通过套管换热器采用水泵强制对流换热。

所述套管换热器内管为制冷剂通路，外管为水流通路。

本发明中，自适应控制器、阳辐射仪和显示电路均可以采用现有技术实现。如自适应控制器采用日本瑞萨科技公司740系列的M37544型8位单片机为核心处理单元，通过编程实现控制策略。

采用直膨式太阳能热泵的系统形式，即将太阳能集热器直接作为热泵的蒸发器，使太阳能的吸收过程与制冷剂的蒸发过程在同一设备中完成。直膨式系统中制冷剂R22(CHF₂Cl)作为太阳能集热介质直接在太阳能集热器中吸热蒸发，经出口进入变频压缩机，在变频压缩机中多变状态下压缩，进入套管换热器与水侧闭合循环进行逆流换热，从套管换热器的出口进入膨胀阀，节流后进入太阳能集热器，完成制冷剂侧的闭合循环，与此同时，冷却水由水泵循环强制换热，首先由水泵抽出并经过水泵，再通过套管换热器与制冷剂侧闭合循环进行逆流换热，被加热后由套管换热器的出水口回到蓄热水箱，完成水侧的闭合循环，在此过程中，本发明中采用有透射率为95％的玻璃盖板、底部发泡材料保温、表面喷涂吸收率90％且发射率45％的Ni-Cr选择性吸收涂层的平板型集热器，是考虑到冬季是热水需求最大而热水系统工作环境又最为恶劣，特别在太阳能集热器上加装了透射率达到95％的玻璃盖板以引入温室效应，有效保护收集到的热量，同时玻璃盖板还可以起到保护集热板，灵活多变地安装与房顶的一体化建筑接口的作用。吸热体采用铜焊接板，同时底部及四周加以保温，表面喷涂Ni-Cr选择性吸收涂层，高吸收率达到90％，而发射率较低，只有45％，管路承压要求在25kgf/cm²以上。

与常规的太阳能热水装置相比较，基于自适应控制的，被控对象是直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化热泵供热系统的本发明具有以下几个显著特点：(1)首先，本系统可以根据检测到的外界环境参数自适应地调节运行参数，使得系统运行于设定状态下，以达到降低系统能耗，提高运行效率和运行安全性的目的；(2)该系统产生的热水不仅应用于家用厨房，洗浴等用途，更可以与建筑地板采暖的设计进行一体化组合；(3)常规太阳能热水装置的工作温度高于环境温度，集热器通过对流换热以及辐射换热造成的散热损失较大，而太阳集热板内由于制冷剂的节流冷效应，使得工作温度远低于环境温度，因此在吸收太阳辐射的同时，还可以进一步吸收周围空气中的热量，集热效率高。在太阳辐射条件较好的情况下，本发明变频压缩机的耗电量仅占所供热量的一小部分(1/COP)。

附图说明

图1为本发明实施例中系统结构示意图。

图1中，1为太阳能集热器，2为气液分离器，3为变频压缩机，4为套管换热器，5为蓄热水箱，6为水泵，7为启动电容，8为膨胀阀，9为自适应控制器，10为显示电路，11为通用变频器，12为太阳辐射仪，13为室外机箱壳，14为地板采暖盘管，15为循环水泵。A处通往用户用水处，B处连接自来水供水处。

图2为本发明实施例中自适应控制模块的控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括太阳能集热器1、气液分离器2、变频压缩机3、套管换热器4、蓄热水箱5、水泵6、启动电容7、膨胀阀8、自适应控制模块、通用变频器11、室外机箱壳13，自适应控制模块包括太阳辐射仪12、自适应控制器9和显示电路10。

本实施例整个系统分为两路，一路是制冷剂侧系统，一路是水侧系统。制冷剂侧系统由太阳能集热器1，气液分离器2，变频压缩机3，套管换热器4，启动电容7，膨胀阀8，自适应控制器9，显示电路10，通用变频器11，太阳辐射仪12，室外机箱壳13组成；水侧系统又分为两路，一路由套管换热器4，蓄热水箱5，水泵6组成，另一路由蓄热水箱5，地板采暖盘管14，循环水泵15组成。整个系统的连接方式为：气液分离器2，变频压缩机3，套管换热器4，水泵6，启动电容7，膨胀阀8，自适应控制器9，显示电路10，通用变频器11容于室外机箱壳13之中构成室外机部分。电源正负极与自适应控制器9相连，自适应控制器9分别与启动电容7，显示电路10和通用变频器11接电源处正负极分别相连，通用变频器11和启动电容7分别与变频压缩机3的三极连接，在制冷剂系统一侧，太阳能集热器1出口与气液分离器2相连，气液分离器2与变频压缩机3的吸气口相连，变频压缩机3的排气口与套管换热器4的进气口连接，套管换热器4的出口与膨胀阀8的进口连接，膨胀阀8的出口与太阳能集热器1的进口相连，完成制冷剂侧系统的闭合循环；在水系统一侧，蓄热水箱5水循环出口与水泵6连接，水泵6出口与套管换热器4入口连接，由套管换热器4的出水口与蓄热水箱5水循环入口相连，同时，在水箱另一侧，地板采暖盘管14与蓄热水箱5相通，地板采暖盘管14与循环水泵15相连，循环水泵15排水口与蓄热水箱5相连，完成水侧系统的闭合循环，当需要地板采暖时，启动循环水泵6，热水通过地板采暖盘管与室内空气换热，回水由循环水泵排回到蓄热水箱5，以上循环均通过自适应控制器9控制实现，太阳辐射仪12与自适应控制器9相连，自适应控制器9与显示电路10相连实时显示水温，直至水温达到预定温度，控制停机。

本实施例中，显示电路10采用现有的江苏华扬太阳能有限公司生产的显示电路板，其主要作用是测量显示水温，当水温到达预设温度时切断电源，同时检测水泵6和变频压缩机3的运行电流，出现电流过大时切断电源，保护系统。

本实施例中，所述的自适应控制器9以日本瑞萨科技公司740系列的M37544型8位单片机为核心处理单元，通过编程实现控制策略。自适应控制器9通过系统扫描程序对所输入的温度传感器信号和太阳辐射仪12的信号进行逻辑判别，当读数超出设定值时发出信号，控制通用变频器11动作，改变变频压缩机3的供电频率，从而改变压缩机3的运行容量和制冷剂的流量，达到调节系统耗能与外界环境工况相适应的功能，从而实现高效运行。

M37544是日本瑞萨科技公司740系列的8位单片机，它的最小指令时间为0.25μs，ROM大小为8K，RAM大小为256字节，有可编程I/O口25个，3个定时器，6个8位A/D转换器，A/D的转换速度非常快，约8μs，12个中断源，是一种低功耗、高性能的一次性可编程微控制器。

自适应控制器9中主要采集的物理参数有太阳能集热器1进出口温度、蓄热水箱5水温、环境温度以及太阳辐射强度，通过将采集信号放大处理，在M37544型单片机里进行计算，然后输出信号对系统进行控制调节。

本实施例中，通用变频器11采用艾默生公司生产的EV1000-2S0015G变频器。其参数为：额定容量：3.0KVA，额定输入电流：14.0A，额定输出电流：7.5A，适配电机：1.5KW。该变频器的控制调节是通过变频器的485总线通讯端口，由外部输入特定的信号与变频器进行通讯。接口通讯方式为RS485接口，异步，半双工。默认：8-N-1，9600bps。上位机(微处理器)采用广播地址127和下位机(变频器)通讯，下位机不做任何应答。

本实施例中，蓄热水箱5和太阳能集热器1均设有铂电阻传感器，用于检测温度。

用4路铂电阻传感器分别检测太阳能集热器1进出口温度、环境温度以及蓄热水箱5内热水温度。根据系统控制器的控制要求，分别将太阳能集热器1的进、出口温度、环境温度、蓄热水箱5内热水温度、太阳辐射强度等相关传感器接在控制器预留的ADC端口上，将采集到的模拟信号通过数/模转换后，M37544型单片机即可得到当前的系统状态参数；在运行过程中，M37544型单片机不断扫描系统参数和设置在自适应控制器9上的指令按键，如检测到某个参数改变超过设定值或按键被按下，即执行相应的操作，借此实现系统运行的自适应；

而对于太阳辐射强度的采集，采用辽宁锦州322厂制造的TBQ-2总辐射表来测量。感应元件为表面涂有高吸收率黑色涂层的绕线电镀式多接点热电堆，热结点在感应面上，冷结点位于机体内，通过测量冷热结点产生的温差电势即可换算得出太阳辐射强度。而冷热结点产生的温差电势是非常微弱的，其输出范围大约为0-20mv。因此需要对被测量信号进行源端放大。运放(运算放大器集成电路)为选择AD公司的仪表放大器AD620。在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比。为减小温度的影响则配有温度补偿线路，为了防止环境对其性能的影响，则用两层石英玻璃罩，罩是经过精密的光学冷加工磨制而成的。该表用来测量光谱范围为0.3-3μm的太阳总辐射，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射，在硬件设计上，将太阳辐射仪12的输出信号线接至AD620的差分输入端上，输出的被放大信号即可引入自适应控制器9的单片机的AD上。

本实施例中，为保证系统的有效稳定运行，采用看门狗装置对系统进行监护，实现对系统死机、低电压等的保护；通过M37544型单片机对显示屏LED进行驱动，显示当前系统的运行参数以及人为输入的查询状态量；将自适应控制器9上预留的485总线差分信号输入端(+和-)分别和通用变频器11的输入端相连，然后再通过通用变频器11输出到变频压缩机3上，M37544型单片机即可通过485总线和通用变频器11通讯，改变直膨式太阳能热泵热水器系统的变频压缩机3容量，从而实现系统变频压缩机3容量控制和制冷剂流量控制。

表1是本实施例的设计指标及相关参数。

表1主要部件参数

名称	规格及型号	备注
			变频压缩机热水箱太阳能集热器膨胀阀	滚动转子式承压式保温水箱铜材管板式外平衡式	变频压缩机电效率ηd＝0.65，排气量10.9cm3/rev容积150升，内置铜盘管式冷凝换热器3块集热板，分为3个流程并联，总集热面积为4.5m21#阀芯

上述结构的系统运行时工作循环过程描述如下：系统启动后，自适应控制器9得电，通用变频器11得电，同时启动电容7得电，延时启动变频压缩机3，运行频率为前一次关机时通用变频器11所记录的频率，直膨式系统中制冷剂R22(CHF₂Cl)作为太阳能集热介质直接在太阳能集热器1中吸热蒸发，经出口进入变频压缩机3，在变频压缩机3中多变状态下压缩，进入套管换热器4与水侧闭合循环进行逆流换热，从套管换热器4的出口进入膨胀阀8，节流后进入太阳能集热器1，完成制冷剂侧的闭合循环，与此同时，冷却水由水泵6循环强制换热，首先由水泵6抽出并经过水泵6，再通过套管换热器4与制冷剂侧闭合循环进行逆流换热，被加热后由套管换热器4的出水口回到蓄热水箱5，完成水侧的闭合循环，当需要地板采暖时，启动循环水泵15，热水通过地板采暖盘管14与室内空气换热，回水由循环水泵排回到蓄热水箱5，以上循环均通过自适应控制器9编程控制实现，直至水温达到预定温度，控制停机。夏季工况下，因为系统的工作温度高于制冷剂的蒸发温度，在外界环境温度和太阳辐射达到某设定值时，自适应控制器9扫描检测到环境温度增大，按照控制规则(列于表2)进行频率调节，增大频率，这样系统的热效率就会因为制冷机流量增大，采集到热量的增多而大幅度提高，而在冬季工况下，外界环境温度或太阳辐射低于某设定值时，自适应控制模块扫描检测到环境温度或太阳辐射减小，按照控制规则减小频率，这样系统的热效率同样因为系统能耗减小而增大。

表2压缩机运行控制策略

本实施例采用基于自适应控制的，被控对象是直膨式太阳能热泵的太阳能建筑一体化热泵供热系统，使得太阳能集热器的工作状态始终匹配于外界的环境工况，大大提高了太阳能集热器效率和热泵性能系数(集热器效率一般可达70％～90％，夏季热泵COP一般可超过6，冬季也可以超过3)和全年环境的实用性。本实施例具有适用性好、设备利用率高、节能效果显著、寿命长、技术经济性能较好等诸多优点，是一种新型的绿色环保型的建筑复合能量系统，适用于我国广大城乡建筑。

Claims (10)

1.一种基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，包括太阳能集热器、气液分离器、变频压缩机、套管换热器、蓄热水箱、水泵、启动电容、膨胀阀、室外机箱壳，其特征在于，还包括：自适应控制模块，所述自适应控制模块包括太阳辐射仪、自适应控制器和显示电路，太阳辐射仪与自适应控器相连，自适应控器与显示电路相连实时显示水温，直至水温达到预定温度，控制停机，电源正负极与自适应控制器相连，自适应控制器分别与启动电容，变频压缩机接电源处正负极分别相连，启动电容与变频压缩机第三极连接，太阳能集热器出口与气液分离器相连，气液分离器与变频压缩机的吸气口相连，变频压缩机的排气口与套管换热器的进气口连接，套管换热器的出口与膨胀阀的进口连接，膨胀阀的出口与太阳能集热器的进口相连，此部分完成制冷剂侧系统的闭合循环；蓄热水箱水循环出口与水泵连接，水泵出口与套管换热器入口连接，由套管换热器的出水口与蓄热水箱水循环入口相连，此部分完成水侧系统的闭合循环，当需要地板采暖时，启动循环水泵，热水通过地板采暖盘管与室内空气换热，回水由循环水泵排到蓄热水箱，以上循环均通过自适应控制器控制实现。

2.如权利要求1所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述的自适应控制器通过系统扫描程序对所输入的温度传感器信号和太阳辐射仪的信号进行逻辑判别，当读数超出设定值时发出信号，控制变频器动作，改变变频压缩机的供电频率，从而改变压缩机的运行容量和制冷剂的流量，达到调节系统耗能与外界环境工况相适应的功能，从而实现高效运行。

3.如权利要求1或2所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述自适应控制器，以单片机为核心，主要采集的物理参数有：太阳能集热器进出口温度、蓄热水箱水温、环境温度以及太阳辐射强度，通过将采集信号放大处理，在单片机里进行计算，然后输出信号对系统进行控制调节。

4.如权利要求3所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述自适应控制器，其单片机为日本瑞萨科技公司740系列的M37544型8位单片机。

5.如权利要求1或2所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述自适应控制器，其单片机对显示屏进行驱动，显示当前系统的运行参数以及人为输入的查询状态量，自适应控制器上预留的485总线差分信号输入端分别和通用变频器的输入端相连，然后再通过通用变频器输出到变频压缩机上，单片机即能通过485总线和通用变频器通讯，改变直膨式太阳能热泵热水器系统的变频压缩机容量，从而实现系统变频压缩机容量控制和制冷剂流量控制。

6.如权利要求1所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述的太阳能集热器，包括总管、铜翅片、铝合金边框、玻璃盖板、制冷剂铜管、太阳能集热器发泡保温材料，其中铜翅片涂覆Ni-Cr选择性吸收涂层，玻璃盖板盖装于铝合金边框上，铜翅片中央焊于制冷剂铜管上，且均匀布置于铝合金边框内，制冷剂铜管两端垂直通连总管，接口处焊接，总管接头连接气液分离器吸入口，发泡保温材料设置在太阳能集热器背面。

7.如权利要求6所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述Ni-Cr选择性吸收涂层，其吸收率为90％，发射率为45％，集热温度达到摄氏110度。

8.如权利要求1所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述蓄热水箱和太阳能集热器均设有铂电阻传感器，用于检测温度。

9.如权利要求1或8所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述蓄热水箱为闭式承压蓄热水箱，蓄热水箱内无铜盘管，通过套管换热器采用水泵强制对流换热。

10.如权利要求1所述的基于自适应控制的建筑一体化太阳能热泵供热系统，其特征是，所述套管换热器内管为制冷剂通路，外管为水流通路。

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