CN110081496A - 一种复合空气源热泵系统的循环模型 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合空气源热泵系统的循环模型，所述循环模型包括智能控制器，PV/T集热器进口温度T1和压力P1，压缩机进口温度T2和压力P2、出口温度T3和压力P3，冷凝盘管出口温度T4和压力P4，蓄热储水箱出口温度T5和压力P5、进口温度T6和压力P6，蓄热储水箱内热水温度T7，本发明采用不同的控制策略，能够适应多种气象条件下的供热需求，解决了太阳能的间歇性和空气源热泵的低温性能差的问题，使系统在冬季高效、稳定地运行，整个系统的运营，由控制系统控制，更加具有精确性和实时性，能快速反馈系统的运营情况，并且对系统的运营进行精细化调整，保证系统的效率。

Description

一种复合空气源热泵系统的循环模型
技术领域
本发明涉热泵系统领域，尤其涉及一种复合空气源热泵系统的循环模型。
背景技术
随着世界经济的飞速发展，能源需求压力与日俱增，人类对生存环境恶化和能源安全的担忧使得充分利用可再生能源与节能成为全球共识。为了有效缓解能源需求压力，减轻环境污染，目前世界各国大力倡导开发利用可再生能源。一个以新能源发电为主要标志，力求实现多能源综合互补利用的电力系统新时代正在兴起。
太阳能光伏光热综合利用(PV/T)技术将太阳能光伏发电技术与太阳能集热技术有机结合。一方面，可以将太阳能转化为电能和热能，同时获得两种能量的收益，提高了系统太阳能的综合利用率；冷却流体可以将光伏电池的热量带走，从而达到对电池的冷却作用，提高其光伏发电效率和PV阵列寿命。太阳能虽具备众多优点，但是光照资源受气象条件影响，具有间歇性与不稳定性。在太阳辐射强度较弱的情况下，仅靠集热器不能提供足够的热量，必须配备稳定可靠的辅助供热或蓄热设备，才能全时段满负荷地为用户供给热能。另外，PV/T在建筑行业的应用，应该充分考虑其与建筑完美结合的可能性，兼顾节能和美观的要求。
空气源热泵属于新型的高效节能设备，当作为冬季的热源设备使用时，它以电能为驱动，消耗少量的高品位能源(电能)，吸收空气中的热能并向室内转移。它比燃煤锅炉、电热锅炉以及燃气锅炉等传统加热装置更加安全、节能，并且运行过程中不产生任何排放物，平均热效率高达300％以上。空气源热泵节能优势显而易见，自出现以来，以其特有的优势在建筑能源应用领域扮演着重要角色。但是，空气源热泵本身也存在低温性能差与冬季易结霜等问题。
如果能够科学地将太阳能与空气源热泵集成使用，则正好能解决空气源热泵自身存在的问题，同时也能使用空气源热泵辅助太阳能供热。合理的集成方式能在充分发挥两者优势的同时弥补各自的缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，，本发明提供一种复合空气源热泵系统的循环模型。
本发明是以如下技术方案实现的：
一种复合空气源热泵系统的循环模型，其特征在于，所述循环模型包括智能控制器，PV/T集热器进口温度T1和压力P1，压缩机进口温度T2和压力P2、出口温度T3和压力P3，冷凝盘管出口温度T4和压力P4，蓄热储水箱出口温度T5和压力P5、进口温度T6和压力P6，蓄热储水箱内热水温度T7。
当太阳辐射强且冷凝段制冷剂工质温度T1高于水箱内冷却水温度T7时，系统以太阳能光伏-蒸发管-冷凝管的模式运行，PV/T集热器吸收太阳能，一部分用于工质的加热，一部分存贮在可控相变储热板中，作为光照不足时的补充热量；同时，光伏阵列吸收太阳能转化为电能并存储至副电源(蓄电池)中。
当太阳辐射较弱、冷凝段工质温度T3低于冷却水温度T7时，系统则启动双热源热泵运行模式，PV/T集热器同时吸收太阳能和空气中的热量，同时供电系统工作，压缩机启动，将工质变为高温高压蒸汽送至冷凝管内，保证系统的正常工作。
阴雨天气时则启动空气源热泵运行模式，PV/T集热器吸收空气中的热能以及释放可控相变储热板的热能加热工质，同时供电系统中的副电源工作，压缩机启动，将工质变为高温高压蒸汽送至冷凝管内，保证系统的正常工作。
无论何种气象条件，若单独的太阳能光伏模式不能满足用户使用热水需求，T6达不到设定温度，则启动双热源热泵模式继续提高水温，直至达到设定温度为止。
压缩机启停的控制策略为：
1)压缩机启动温度控制点设置在蓄热水箱循环热水进水口，当温度传感器T3测得的温度低于设定值时压缩机启动；
2)压缩机停机温度控制点设置在蓄热水箱内中间部位，当温度传感器T7测得的温度超过设定值时压缩机停机。
依据上述策略工作的循环模型，根据实验数据，当环境温度为-15℃时，双热源模式下的供热量和COP分别比单空气热源模式下增加62％和59％，且增幅随着环境温度的降低而增加。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种复合空气源热泵系统的循环模型，
本发明采用PV/T集热器采用新型，降低了背板温度，提高了光伏发电效率，采用新型储热材料大大减小了PV/T集热器的厚度，增加了其与建筑完美结合的可能性，兼顾节能和美观的要求。
本发明采用不同的控制策略，能够适应多种气象条件下的供热需求，解决了太阳能的间歇性和空气源热泵的低温性能差的问题，使系统在冬季高效、稳定地运行，整个系统的运营，由控制系统控制，更加具有精确性和实时性，能快速反馈系统的运营情况，并且对系统的运营进行精细化调整，保证系统的效率。
同时，本发明采用太阳能为主的供电系统，实现了太阳能最大限度的利用，同时，当室外太阳辐射强度降低时，在负载电源由太阳能向副电源的切换过程中，负载电流波形畸变率较小，负载冲击电流波动小，系统运行状态平稳、可靠，并不影响负载的正常运行，系统运行经济性较传统空气源热泵系统有显著提高，实现了节能减排的目的。
本发明提供的新型可控相变储热材料放热过程可控，存储热量损失小，相变温度可控，潜热储存能力高，无毒，无腐蚀性，对环境无害，稳定的化学和热性能。
附图说明
图1是本实施例提供的一种复合空气源热泵系统的循环模型示意图；
图2是本实施例提供的光伏光热复合空气源热泵系统的测点布置图；
图3是本实施例提供的PV/T集热器的结构示意图；
其中：1-PV/T集热器，2-压缩机，3-冷凝器，4-储液器，5-干燥过滤器，6-膨胀阀，7-蓄热储水箱，8-泄水阀，9-供水泵，10-风机盘管，11-压力保护器，12-光伏阵列，13-副电源，14-第一二极管，15-第二二极管，16-逆变器，17-供电箱，101-玻璃盖板，102-空气通道，103EVA-，104-光伏电池，105-TPT背板，106-新型可控相变储热板，107-蒸发管，108-铝合金框架。
图4是本实施例提供的新型可控相变储热材料原理示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1：
一种复合空气源热泵系统的循环模型，如图1所示，包括PV/T系统，采暖系统，供电系统和控制系统。
所述PV/T系统，包括PV/T集热器，压缩机，冷凝器，储液器，干燥过滤器，膨胀阀，蓄热储水箱，泄水阀，压力保护器。选用制冷剂作为系统循环工质，所述工质在PV/T集热器吸收太阳能和空气中的热量而蒸发，随后进入所述压缩机变成高温高压蒸汽，再进入所述冷凝管中冷凝放热，所述冷凝管设置在蓄热储水箱内部，冷凝管释放的热量加热水箱中的水，最后变回液态的工质依次流经储液器，干燥过滤器，膨胀阀，节流降压后回到PV/T集热器，完成一个循环，所述泄水阀设置在蓄热储水箱的底部，实现蓄热储水箱中水介质的排出；
进一步地，所述压缩机前设置有压力保护器，对压缩机启动和运行过程中加以保护，避免压缩机运行过程中出现吸气压力过低或者排气压力过高等异常情况造成压缩机损坏，
所述采暖系统由蓄热储水箱、供水泵、风机盘管依次连接组成循环系统，所述供水泵将蓄热储水箱内的热水强制循环到风机盘管内，经风机盘管将热量释放到空气中。
所述供电系统包括光伏阵列，副电源，第一二极管，第二二极管，逆变器，供电箱，所述光伏阵列和副电源以并联的方式同时作为光伏光热复合空气源热泵系统的电源，所述光伏阵列后端设置有第一二极管，所述副电源后端设置有第二二极管，两路输出汇合至逆变器，最后连接至供电箱为压缩机和供水泵提供电能。
进一步地，所述副电源可以是城市配电或蓄电池，使用城市配电时由自身提供电能；使用蓄电池时，连接至光伏阵列，由光伏阵列在光照充足时进行电能的存储。
所述供电系统的工作原理为：光伏阵列产生的直流电和副电源产生的直流电在两个二极管的输出端汇合，由于二极管具有单向导电性，两路直流电源竞争输入唯一的逆变器直流母线入口，电压较高的一方准入，后经供电箱为压缩机和供水泵提供电能。
实施例2：
一种PV/T集热器，如图2所示，包括从上到下依次设置的玻璃盖板、空气通道、EVA、光伏电池、TPT背板、新型可控相变储热板、蒸发管、铝合金框架，太阳光照射到玻璃盖板上，所述光伏电池采用单晶硅电池，通过吸收太阳光转换为电能，再将电能转换为热能储存在新型可控相变储热板中，所述新型可控相变储热板和蒸发管的结合采用管板式，随后通过开关控制将新型可控相变储热板的热量传递给蒸发管，所述蒸发管既可以吸收太阳能热量，也可以吸收空气中的热量，进而传递给蒸发管中的制冷剂工质，实现太阳能热泵与空气能热泵的复合，所述新型可控相变储热板由新型可控相变储热材料组成。
实施例3：
本发明所述光伏光热复合空气源热泵系统的测点布置，如图3所示，所述控制系统包括智能控制器，PV/T集热器进口温度T1和压力P1，压缩机进口温度T2和压力P2、出口温度T3和压力P3，冷凝盘管出口温度T4和压力P4，蓄热储水箱出口温度T5和压力P5、进口温度T6和压力P6，蓄热储水箱内热水温度T7。
依据天气情况和采集的数据，共采用以下几种集热策略：
1)当太阳辐射强且冷凝段制冷剂工质温度T1高于水箱内冷却水温度T7时，系统以太阳能光伏-蒸发管-冷凝管的模式运行，PV/T集热器吸收太阳能，一部分用于工质的加热，一部分存贮在可控相变储热板中，作为光照不足时的补充热量；同时，光伏阵列吸收太阳能转化为电能并存储至副电源(蓄电池)中；
2)当太阳辐射较弱、冷凝段工质温度T3低于冷却水温度T7时，系统则启动双热源热泵运行模式，PV/T集热器同时吸收太阳能和空气中的热量，同时供电系统工作，压缩机启动，将工质变为高温高压蒸汽送至冷凝管内，保证系统的正常工作；
3)阴雨天气时则启动空气源热泵运行模式，PV/T集热器吸收空气中的热能以及释放可控相变储热板的热能加热工质，同时供电系统中的副电源工作，压缩机启动，将工质变为高温高压蒸汽送至冷凝管内，保证系统的正常工作。
4)无论何种气象条件，若单独的太阳能光伏模式不能满足用户使用热水需求，T6达不到设定温度，则启动双热源热泵模式继续提高水温，直至达到设定温度为止。
压缩机启停的控制策略为：
1)压缩机启动温度控制点设置在蓄热水箱循环热水进水口，当温度传感器T3测得的温度低于设定值时压缩机启动。
2)压缩机停机温度控制点设置在蓄热水箱内中间部位，当温度传感器T7测得的温度超过设定值时压缩机停机。
依据以上策略工作的系统，根据实验数据，当环境温度为–15℃时，双热源模式下的供热量和COP分别比单空气热源模式下增加62％和59％，且增幅随着环境温度的降低而增加。
实施例4：
在XKR-160A热炼机上，将5:7的CH3(CH2)26CH3和C16H34充分混合热炼获得初级相变储热材料，热炼均匀后，采用ATRP法制将开关分子A导入初级相变储热材料主链；
优选地，所述开关分子A结构式为
优选地，所述开关分子A与初级相变储热材料的质量比例37.5mol％，混合反应均匀后置于平板硫化机上，加热20min，再置于冷压机上冷压15min出片，获得新型可控相变储热材料，熔点(Tm＝22℃)。
如图4所示，当外界温度超过新型可控相变储热材料熔点(Tm＝22℃)时，开关分子A在紫外光照射下从反式转化为顺式，并在熔融的相变材料中更易分散，反式结构能量比顺式结构能量低约75kJ/mol，光致异构化反应的能垒约为180kJ/mol，使得新型可控相变储热材料在低于结晶温度的环境下保持液态，存储的热能也可保持，开关分子需要触发才可克服反向异构化的活化能垒。
在本发明所述新型可控相变储热材料中，ΔTc是复合材料原始状态结晶点(T1)与吸热状态结晶点(T2)之差，代表了复合材料在没有热损失情况下的相稳定度，而ΔHtotal则表示系统的预期放热能量密度，在可见光照射的触发下，本发明所述新型可控相变储热材料可快速发生偶氮苯掺杂剂的异构化，按需释放存储的热量，在1h光照后，顺式异构体达到90％，在37.5mol％的掺杂水平下，ΔTc水平最高。本发明提供的新型相变材料无需大量隔热材料，利用光开关实现对热能释放的控制。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种复合空气源热泵系统的循环模型，其特征在于，所述循环模型包括智能控制器，PV/T集热器进口温度T1和压力P1，压缩机进口温度T2和压力P2、出口温度T3和压力P3，冷凝盘管出口温度T4和压力P4，蓄热储水箱出口温度T5和压力P5、进口温度T6和压力P6，蓄热储水箱内热水温度T7。
2.根据权利要求1所述循环模型，其特征在于，当太阳辐射强且冷凝段制冷剂工质温度T1高于水箱内冷却水温度T7时，系统以太阳能光伏-蒸发管-冷凝管的模式运行，PV/T集热器吸收太阳能，一部分用于工质的加热，一部分存贮在可控相变储热板中，作为光照不足时的补充热量；同时，光伏阵列吸收太阳能转化为电能并存储至副电源(蓄电池)中。
3.根据权利要求1所述循环模型，其特征在于，当太阳辐射较弱、冷凝段工质温度T3低于冷却水温度T7时，系统则启动双热源热泵运行模式，PV/T集热器同时吸收太阳能和空气中的热量，同时供电系统工作，压缩机启动，将工质变为高温高压蒸汽送至冷凝管内，保证系统的正常工作。
4.根据权利要求1所述循环模型，其特征在于，阴雨天气时则启动空气源热泵运行模式，PV/T集热器吸收空气中的热能以及释放可控相变储热板的热能加热工质，同时供电系统中的副电源工作，压缩机启动，将工质变为高温高压蒸汽送至冷凝管内，保证系统的正常工作。
5.根据权利要求1所述循环模型，其特征在于，无论何种气象条件，若单独的太阳能光伏模式不能满足用户使用热水需求，T6达不到设定温度，则启动双热源热泵模式继续提高水温，直至达到设定温度为止。
6.根据权利要求1所述循环模型，其特征在于，压缩机启停的控制策略为：1)压缩机启动温度控制点设置在蓄热水箱循环热水进水口，当温度传感器T3测得的温度低于设定值时压缩机启动；2)压缩机停机温度控制点设置在蓄热水箱内中间部位，当温度传感器T7测得的温度超过设定值时压缩机停机。
7.根据权利要求6所述循环模型，其特征在于，依据权利要求6所述策略工作的循环模型，根据实验数据，当环境温度为-15℃时，双热源模式下的供热量和COP分别比单空气热源模式下增加62％和59％，且增幅随着环境温度的降低而增加。
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