CN107062347A - 太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统 - Google Patents

太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，包括蒸发器、压缩机、压缩机驱动电机、膨胀阀、冷凝器、控制器，其中：蒸发器为太阳能集热器，其特征是：太阳能集热器由带翅片的金属管构成，控制器通过集热器温度传感器和气温传感器，智能感知太阳能集热器吸收的太阳能，自主控制膨胀阀开度，从而控制工质流量，使太阳能集热器温度与气温的温差控制到设定值；控制器通过集热器温度传感器、气温传感器和压缩机出口工质温度传感器，智能感知压缩机出口气态工质压力和过热度，自主控制压缩机转速，使得在不同太阳能辐射度的情况下，始终保持压缩机出口气态工质压力恒定，以保持压缩机出口气态工质温度在设定值。其优点是：太阳能集热器不需要保温和透光盖板，供暖效率高、成本低。

Description

太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
当前日趋严峻的能源及环境问题，已经在全世界形成了规模化开发利用非化石能源的大趋势。我国作为最大的发展中国家和碳排放总量最大的国家，已经在实现能源低碳化和经济转型方面做了工作。2015年我国向联合国气候变化框架公约秘书处提交《强化应对气候变化—中国国家自主贡献》文件，2016年成为缔约方。面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，需要积极开展太阳能利用的创新。
压缩式太阳能热泵供暖系统的基本部件是蒸发器、压缩机、膨胀阀和冷凝器，太阳能集热器作为热泵蒸发器，将从太阳能获得的热量用于热泵的蒸发端热源，流入太阳能集热器的液态工质，在太阳能集热器中吸收来自太阳能的热能后相变为气态工质，气态工质从太阳能集热器输出。压缩机转速和膨胀阀开度同时影响集热器工质的流量和压力。在膨胀阀开度一定的情况下，压缩机转速越高，集热器工质流量越大，集热器工质压力越小。在压缩机转速一定的情况下，膨胀阀开度越大，集热器工质流量越大。
国内太阳能热泵供暖系统研究已经取得成绩，公开了133项这方面的专利。但目前，太阳能热泵供暖系统存在效率低和成本高的问题，制约了太阳能热泵供暖系统的推广应用。太阳能热泵集热器的效率随着外界温度降低而降低，在低温天气时热泵制热效果无法保证，无法满足北方地区冬季供暖需求。高效率的太阳能热泵供暖系统是很好的降成本方案，因此，提高太阳能集热器效率是非常重要的，另一方面，太阳能是不稳定的能源，在各种工况下，通过智能感知与自主控制，提高太阳能利用率，使太阳能热泵供暖系统在各种工况下高效率运行，是当前技术的发展方向。
压缩式太阳能热泵供暖系统基本部件压缩机、膨胀阀和冷凝器的技术比较成熟，可以利用空调和空气源热泵技术。在低温天气时，太阳能集热器的效率由于外界温度降低而很低，导致压缩式太阳能热泵供暖系统供热效果无法保证，无法满足供暖需求。因此，高效低成本太阳能集热器是压缩式太阳能热泵供暖系统的技术关键。
集热器温度受到吸收的太阳能热量、工质在蒸发器中蒸发量、集热器对流散热量和集热器辐射散热量等物理量有关，集热器温度控制是关键技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种供暖效率高、成本低的太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统。
本发明提供的技术方案如下：
本发明包括蒸发器、压缩机、压缩机驱动电机、膨胀阀、冷凝器、控制器，其中：蒸发器为太阳能集热器，其特征是：太阳能集热器由带翅片的金属管构成，不设置保温和透光盖板，带翅片的金属管裸露在大气中，直接吸收太阳能，控制器通过信号线与集热器温度传感器、气温传感器和压缩机出口气态工质温度传感器连接，控制器通过集热器温度传感器和气温传感器，智能感知太阳能集热器吸收的太阳能，自主控制膨胀阀开度，从而控制工质流量，使太阳能集热器温度与气温的温差控制到设定值；控制器通过集热器温度传感器、气温传感器和压缩机出口工质温度传感器，智能感知压缩机出口气态工质压力和过热度，自主控制压缩机转速，使得在不同太阳能辐射度的情况下，始终保持压缩机出口气态工质压力恒定，以保持压缩机出口气态工质温度在在设定温度状态，从而保持冷凝器工作在设定温度状态。
所述太阳能集热器温度与气温的温差设定值在小于+15℃并且大于-10℃的范围之内。
所述供暖系统取消压缩机出口气态工质压力传感器，压缩机出口气态工质压力由太阳能集热器温度、气温以及压缩机出口气态工质温度智能感知，压缩机出口气态工质压力传感器被替代。
本发明的一种太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，它的太阳能集热器温度受控，使集热器温度控制到设定值，能够控制温度的集热器称之为温度受控集热器。控制器通过集热器温度传感器和气温传感器，智能感知太阳能集热器吸收的太阳能，自主控制膨胀阀开度，从而控制工质流量，使集热器温度与气温的温差控制到设定值。控制集热器温度与大气温度或环境温度（气温）相等，也就是控制集热器温度与气温的温差为零。当集热器温度与气温的温差为零时，消除了集热器传导散热、对流散热和辐射散热，也就是集热器吸收的太阳能不向外界散热，大大提高了太阳能集热器效率，同时大大提高了太阳能利用率。集热器效率和太阳能利用率的提高，可以减小集热器面积，降低了集热器成本。太阳能集热器作为该供暖系统的热泵蒸发器，由于集热器温度与气温的温差为零，集热器不向环境散热，因此，太阳能集热器不需要保温和透光盖板，太阳能集热器由带翅片的金属管构成，带翅片的金属管裸露在大气中，直接吸收太阳能，使得太阳能集热器简单化，进一步降低了集热器成本，有利于太阳能热泵供暖系统在北方地区冬季清洁取暖的推广应用。
控制器通过集热器温度传感器和气温传感器，智能感知太阳能集热器吸收的太阳能。当集热器温度等于或大于气温，并且集热器温度与气温的温差有上升趋势时，智能感知到太阳能集热器吸收的太阳能在增加，需要增加工质流量，膨胀阀开度需要增加，控制器自主控制膨胀阀开度使膨胀阀开度增加，从而使工质流量增加。当集热器温度等于气温，并且集热器温度与气温温差没有变化的趋势时，智能感知到太阳能集热器吸收的太阳能没有变化，工质流量维持不变，膨胀阀开度维持不变，控制器自主控制膨胀阀开度维持不变使膨胀阀开度维持不变，从而使工质流量维持不变。当集热器温度等于或小于气温，并且集热器温度与气温温差有下降的趋势时，智能感知到太阳能集热器吸收的太阳能在减小，工质流量需要减小，膨胀阀开度需要减小，控制器自主控制膨胀阀开度使膨胀阀开度减小，从而使工质流量减小。集热器不吸收太阳能时，控制器自主控制膨胀阀开度使膨胀阀开度为零，从而使工质流量为零。
控制器通过太阳能集热器温度、气温和压缩机出口气态工质温度智能感知膨胀阀开度、压缩机转速和工质质量流量，工质压缩过程可以认为是等熵过程，压缩机轴功是压缩机转速的函数，控制器就能智能感知压缩机出口气态工质压力，取消压缩机出口气态工质压力传感器，气态工质压力与气态工质饱和温度有严格的一一对应关系，控制器智能感知压缩机出口气态工质过热度。因为温度传感器价格比压力传感器价格低，因此选用太阳能集热器温度传感器、气温传感器和压缩机出口气态工质温度传感器通过软测量替代压缩机出口气态工质压力传感器。控制器通过太阳能集热器温度传感器、气温传感器和压缩机出口工质温度传感器，智能感知压缩机出口气态工质压力，自主控制压缩机转速，使得在不同太阳能辐射度的情况下，始终保持压缩机出口气态工质压力恒定，以保持压缩机出口气态工质温度在设定温度状态，从而保持冷凝器工作在设定温度状态。
控制器可以控制太阳能集热器的温度高于气温，并控制集热器温度与气温的正温差在设定值，由控制器智能感知与自主控制实现。
控制器也可以控制该太阳能集热器温度低于气温，并控制集热器温度与气温的负温差在设定值，此时集热器不仅没有对外传导散热、对流散热和辐射散热，集热器还能从环境中吸收热能，太阳能集热器同时吸收太阳能和环境热能。
本发明利用公知的太阳能热泵空调供暖系统的部件：变频器、压缩机驱动电机、压缩机、冷凝器、膨胀阀、热空气输出、风机，与温度受控太阳能集热器构成无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制空调供暖系统。
本发明利用公知的太阳能热泵水暖系统的部件：变频器、压缩机驱动电机、压缩机、冷凝器、膨胀阀、换热蓄热水罐、供暖散热器、循环水泵，与温度受控太阳能集热器构成无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制水暖系统。
控制太阳能集热器温度与气温相同，这样，太阳能集热器输出的气态工质温度也与气温相同，因此，太阳能集热器输出气态工质的户外管路也不需要保温材料。太阳能热泵供暖系统正常运行时，膨胀阀出口液态工质温度可能大于室温、更大于气温，如果把膨胀阀出口液态工质直接供到太阳能集热器，户外液态工质管路要向环境散热，为了解决这一问题，系统设置回热器把膨胀阀出口液态工质的热能回收，减少户外液态工质管路向环境散发的热能，可以提高太阳能热泵供暖系统的效率。
本发明的优点是：太阳能集热器不需要保温和透光盖板，供暖效率高、成本低。
附图说明
图1是无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器；
图2是压缩机和膨胀阀的流量压力特性曲线；
图3是无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制空调供暖系统；
图4是无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制水暖系统；
图5是带有回热器的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制供暖系统。
附图中：1-太阳能集热器；2-阳光；3-输入集热器的液态工质；4-集热器输出的气态工质；5-集热器温度传感器；6-气温传感器；7-控制器；8-压缩机转速给定信号；9-膨胀阀开度给定信号；10-压缩机出口工质温度传感器；11-变频器；12-压缩机驱动电机；13-压缩机；14-冷凝器；15-膨胀阀；16-热空气输出；17-风机；18-压缩机出口工质气体；19-冷凝器出口工质液体；20-换热蓄热水罐；21-供暖散热器；22-循环水泵；23-低转速压缩机流量压力特性曲线；24-高转速压缩机流量压力特性曲线；25-小开度膨胀阀流量压力特性曲线；26-大开度膨胀阀流量压力特性曲线；27-回热器；28-回热器气态出口工质；29-回热器液态入口工质。
具体实施方式
太阳能集热器1不设置保温材料，也不设置透光盖板，由带翅片的金属管构成，带翅片的金属管裸露在大气中，直接吸收太阳能。流入太阳能集热器1的液态工质3，在太阳能集热器1中吸收来自太阳能的热能后相变为气体工质，然后，太阳能集热器1输出气态工质4。
如附图1所示，控制器7通过集热器温度传感器5和气温传感器6，智能感知太阳能集热器1吸收的太阳能。当集热器温度等于或大于气温，并且集热器温度与气温的温差有上升趋势时，智能感知到太阳能集热器1吸收的太阳能在增加，需要增加工质流量，膨胀阀开度需要增加，自主控制膨胀阀开度给定信号9使膨胀阀开度增加，从而使工质流量增加。当集热器温度等于气温，并且集热器温度与气温温差没有变化的趋势时，智能感知到太阳能集热器1吸收的太阳能没有变化，工质流量维持不变，膨胀阀开度维持不变，自主控制膨胀阀开度给定信号9维持不变使膨胀阀开度维持不变，从而使工质流量维持不变。当集热器温度等于或小于气温，并且集热器温度与气温温差有下降的趋势时，智能感知到太阳能集热器1吸收的太阳能在减小，工质流量需要减小，膨胀阀开度需要减小，自主控制膨胀阀开度给定信号9使膨胀阀开度减小，从而使工质流量减小。集热器不吸收太阳能时，自主控制膨胀阀开度给定信号9使膨胀阀开度为零，从而使工质流量为零。
参照附图1、3、4，压缩机出口气态工质温度与压缩机出口气态工质压力成正比的关系，压缩机出口气态工质温度越高则压缩机出口气态工质压力越大，压缩机出口气态工质温度越低则压缩机出口气态工质压力越小，控制器7通过压缩机出口工质温度传感器10，智能感知压缩机出口气态工质压力。因为压缩机出口气态工质温度传感器10价格比压缩机出口气态工质压力传感器价格低，因此选用压缩机出口气态工质温度传感器10而不选用压缩机出口气态工质压力传感器。
参照附图2，膨胀阀流量压力特性曲线与压缩机流量压力特性曲线的交点，是太阳能热泵供暖系统流量和高压部分压力的工作点。膨胀阀开度一定时，压缩机转速越高系统工作流量越大，并且系统高压部分的工作压力越大；同样压缩机转速越低系统工作流量越小，并且系统高压部分的工作压力越小。在压缩机转速一定的情况下，膨胀阀开度越大，集热器工质流量越大，系统高压部分的工作压力越小；同样膨胀阀开度越小，集热器工质流量越小，系统高压部分的工作压力越大。由于供暖的需要，热泵供暖系统工作时，要求冷凝器温度要高于室温，因此，压缩机出口工质温度要有较高的值，并且保持不变，也就是要求压缩机出口工质压力要有较高的值，并且保持不变。低转速压缩机流量压力特性曲线23与小开度膨胀阀流量压力特性曲线25的交点是低太阳能时热泵供暖系统的工作点，高转速压缩机流量压力特性曲线24与大开度膨胀阀流量压力特性曲线26的交点是高太阳能时热泵供暖系统的工作点，两个交点的压力一致，也就是不同太阳能辐射度时热泵供暖系统工作点的冷凝器14温度一致。
参照附图1、2，控制器7通过集热器温度传感器5、气温传感器6和压缩机出口工质温度传感器10，智能感知压缩机出口气态工质压力和过热度，自主控制压缩机转速给定信号8，自主控制压缩机转速，使得在不同太阳能辐射度的情况下，始终保持压缩机出口气态工质压力恒定，以保持冷凝器工作在较高的温度并且保持一致。
参照附图1、2、3，利用公知的太阳能热泵空调供暖系统的部件：变频器11、压缩机驱动电机12、压缩机13、冷凝器14、膨胀阀15、热空气输出16、风机17，与温度受控太阳能集热器构成无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制空调供暖系统。
参照附图1、2、4，利用公知的太阳能热泵水暖系统的部件：变频器11、压缩机驱动电机12、压缩机13、冷凝器14、膨胀阀15、换热蓄热水罐20、供暖散热器21、循环水泵22，与温度受控太阳能集热器构成无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制水暖系统。
参照附图1、2、3、4、5，系统设置回热器27把膨胀阀出口液态工质29的热能回收到回热器气态出口工质28。

Claims (6)

1.一种太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，包括蒸发器、压缩机、压缩机驱动电机、膨胀阀、冷凝器、控制器，其中：蒸发器为太阳能集热器，其特征是：太阳能集热器由带翅片的金属管构成，不设置保温和透光盖板，带翅片的金属管裸露在大气中，直接吸收太阳能，控制器通过信号线与集热器温度传感器、气温传感器和压缩机出口气态工质温度传感器连接，控制器通过集热器温度传感器和气温传感器，智能感知太阳能集热器吸收的太阳能，自主控制膨胀阀开度，从而控制工质流量，使太阳能集热器温度与气温的温差控制到设定值；控制器通过集热器温度传感器、气温传感器和压缩机出口工质温度传感器，智能感知压缩机出口气态工质压力和过热度，自主控制压缩机转速，使得在不同太阳能辐射度的情况下，始终保持压缩机出口气态工质压力恒定，以保持压缩机出口气态工质温度在设定温度状态，从而保持冷凝器工作在设定温度状态。
2.根据权利要求1所述的太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，其特征是：所述太阳能集热器温度与气温的温差设定值在小于+15℃并且大于-10℃的范围之内。
3.根据权利要求1所述的太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，其特征是：当集热器温度等于或大于气温，并且集热器温度与气温的温差有上升趋势时，控制器智能感知到太阳能集热器吸收的太阳能在增加，控制器自主控制膨胀阀开度使膨胀阀开度增加，从而使工质流量增加；当集热器温度等于气温，并且集热器温度与气温温差没有变化的趋势时，控制器智能感知到太阳能集热器吸收的太阳能没有变化，控制器自主控制膨胀阀开度维持不变使膨胀阀开度维持不变，从而使工质流量维持不变；当集热器温度等于或小于气温，并且集热器温度与气温温差有下降的趋势时，控制器智能感知到太阳能集热器吸收的太阳能在减小，控制器自主控制膨胀阀开度使膨胀阀开度减小，从而使工质流量减小；集热器不吸收太阳能时，控制器自主控制膨胀阀开度使膨胀阀开度为零，从而使工质流量为零。
4.根据权利要求1所述的太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，其特征是：利用公知的太阳能热泵空调供暖系统的部件：变频器、压缩机驱动电机、压缩机、冷凝器、膨胀阀、热空气输出、风机，与温度受控太阳能集热器构成无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制空调供暖系统。
5.根据权利要求1所述的太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，其特征是：利用公知的太阳能热泵水暖系统的部件：变频器、压缩机驱动电机、压缩机、冷凝器、膨胀阀、换热蓄热水罐、供暖散热器、循环水泵，与温度受控太阳能集热器构成无保温和透光盖板的温度受控太阳能集热器热泵智能感知与自主控制水暖系统。
6.根据权利要求1所述的太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统，其特征是：太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统中设有回热器。
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