直膨式太陽能輔助的噴射器增效熱泵熱水系統及控制方法與流程

2023-09-11 20:30:20 2

本發明屬於熱泵技術領域，具體涉及一種直膨式太陽能輔助的噴射器增效熱泵熱水系統及控制方法。

背景技術：

熱泵熱水系統是一種應用逆卡諾循環原理從空氣源、地源和水源等吸取低品位能量來加熱熱水的系統，相對於常用的電熱水器和燃氣熱水器具有高效節能的特點，因而受到了市場的廣泛青睞。近年來隨著節能減排的壓力和環境氣候問題的日益突出，對熱泵熱水系統在節能、環保等方面提出更高的要求，因此，如何提高熱泵熱水系統的能效成為了其主要的發展方向。

常規的熱泵熱水系統通常採用膨脹閥作為節流部件，在節流過程中會存在較大的節流損失，而實際上是可以通過使用噴射器替代膨脹閥來回收部分膨脹功從而提高系統能效的。同時，噴射器本身結構簡單、成本低廉、無運動部件,適於包括兩相流的任何流體使用，所以在熱泵熱水系統中採用噴射器替代膨脹閥來提高系統能效是一種經濟可行的方案。另外，作為一種取之不盡用之不竭的可再生清潔能源，太陽能也是可以用來提高熱泵熱水系統的能效，降低能源消耗的。專利《直膨式太陽能熱泵熱水器》和《一種直膨式太陽能熱泵熱水系統》等公布了常規的直膨式太陽能熱泵熱水系統及其改進系統，這些系統中都是採用平板型集熱板兼做太陽能集熱器和蒸發器。研究證明，在晴空強光照條件下，相對於常規的空氣源熱泵熱水系統，直膨式太陽能熱泵熱水系統能大大提高熱泵熱水器的性能，但是在低光照或無照條件下，直膨式太陽能熱泵熱水系統的性能反而低於常規的空氣源熱泵熱水系統。這是因為在高光照條件下，集熱/蒸發器可以吸收大量的太陽能從而大大提高了系統的蒸發溫度，有效改善系統的性能。但是，在低光照或無照條件下，由於直膨式太陽能熱泵熱水系統採用的平板式集熱/蒸發器與空氣的換熱性能要遠遜於常規空氣源熱泵系統所採用的翅片管式蒸發器，故而不能從空氣中吸收足夠的熱量來彌補太陽能的不足，從而導致其性能反而低於常規的空氣源熱泵熱水系統，甚至不能保證正常的熱水供應。

為了提高熱泵熱水器的性能同時解決現有的直膨式太陽能熱泵存在的不能充分利用空氣源的問題，結合噴射器具有的回收膨脹功的能力，本發明提出了一種直膨式太陽能輔助的噴射器增效熱泵熱水系統，該系統可以充分利用太陽能和空氣源兩種能源，保證該系統全天候保持較高的性能。

技術實現要素：

為解決上述現有技術中存在的缺陷和不足，本發明的目的在於提供一種直膨式太陽能輔助的噴射器增效熱泵熱水系統，該系統包含兩種工作模式：太陽能輔助工作模式和空氣源工作模式，在強光照條件下，該系統採用太陽能輔助工作模式充分利用太陽能來幫助提高系統性能；在低光照或無光照條件下，該系統採用空氣能工作模式通過充分利用空氣能來保證系統仍然可以獲得較高的能效；簡言之，該系統可以充分利用太陽能和空氣能兩種能源，保證該系統全天候保持較高的性能。

為達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：

一種直膨式太陽能輔助的噴射器增效熱泵熱水系統，包括壓縮機1，壓縮機1出口連接儲水箱2的外盤管冷凝器的入口，儲水箱2的外盤管冷凝器的出口分為兩路，一路依次連接第一電磁閥9、太陽能集熱器3、第二電磁閥10和噴射器4的工作流體入口；另一路通過第三電磁閥11直接連接噴射器4的工作流體入口；噴射器4的出口連接氣液分離器5的入口，氣液分離器5的出口分為兩路，一路飽和製冷劑液體出口通過節流機構6連接蒸發器7的入口，蒸發器7的出口連接噴射器4的被引射流體入口；另一路飽和製冷劑氣體出口直接連接壓縮機1的入口，形成製冷劑的閉合循環通道；太陽輻射儀12、環境溫度傳感器13、設置在太陽能集熱器3中心的製冷劑管路上的製冷劑溫度傳感器14以及設置在儲水箱2中的水溫度傳感器15連接控制器8的輸入端，控制器8的輸出端連接第一電磁閥9、第二電磁閥10、第三電磁閥11和壓縮機1；太陽輻射儀12檢測太陽集熱器3上的太陽輻射強度，環境溫度傳感器13檢測外界環境溫度，製冷劑溫度傳感器14檢測太陽能集熱器3中製冷劑管內的製冷劑的蒸發溫度，水溫度傳感器15檢測儲水箱2中水的溫度。

所述的儲水箱2為外盤管式靜態加熱水箱，儲水箱從內到外依次由內膽、纏繞於內膽外側面的冷凝器管路、保溫層和外殼組成。

所述的太陽能集熱器3為帶玻璃蓋板，底部有隔熱保溫層的平板式集熱器。

所述的節流機構6為熱力膨脹閥或者電磁膨脹閥。

所述的蒸發器7為風冷式翅片管蒸發器。

所述控制器8為可編式程序控制器，輸入端連接太陽輻射儀12、環境溫度傳感器13、製冷劑溫度傳感器14和水溫度傳感器15，輸出端連接第一電磁閥9、第二電磁閥10、第三電磁閥11和壓縮機1。

所述太陽輻射儀12和環境溫度傳感器13布置於太陽能集熱器3上方，製冷劑溫度傳感器14布置於太陽能集熱器3中心的製冷劑管路上，水溫度傳感器15布置於儲水箱2內水中。

所述壓縮機1和第一電磁閥9、第二電磁閥10、第三電磁閥11的開關受控制器8的控制，進行系統工作模式的切換。當壓縮機1開啟，第一電磁閥9和第二電磁閥10開啟，第三電磁閥11關閉時，系統開啟太陽能輔助工作模式；當壓縮機1開啟，第三電磁閥11開啟，第一電磁閥9和第二電磁閥10關閉時，系統開啟空氣源工作模式。

相對於常規的熱泵循環系統和直膨式熱泵循環系統，該直膨式太陽能輔助的噴射器增效熱泵熱水系統可以達到如下有益效果：

(1)相對於常規的熱泵循環系統熱泵系統，在高光照條件下，本系統可以採用太陽能輔助工作模式充分利用太陽能來提高系統的性能；在低光照和無光照條件下，本系統採用空氣源工作模式，系統中的噴射器可以回收節流過程的部分膨脹功，相對於常規的空氣源熱泵熱水系統仍然可以保持相對較高的性能。

(2)該系統克服了常規直膨式熱泵熱水系統在低光照或無光照條件下不能充分利用空氣源導致能效低的缺點，在低光照或無光照條件下該系統通過將工作模式切換到空氣源工作模式來充分利用空氣能，從而保證仍然可以獲得較高的能效。

(3)該系統能根據太陽能輻射強度、環境溫度和集熱器中製冷劑溫度來判定系統的最佳工作模式，保證系統全天候保持較高的性能

附圖說明

圖1是本發明系統的結構示意圖。

圖2是本發明系統的控制方法流程圖。

具體實施方式

本發明主要由壓縮機1、儲水箱2、太陽能集熱器3、噴射器4、氣液分離器5、節流機構6、蒸發器7、控制器8、第一電磁閥9、第二電磁閥10、第三電磁閥11、太陽能輻射儀12，環境溫度傳感器13，製冷劑溫度傳感器14和水溫度傳感器15組成，分為製冷劑循環和控制電路兩個部分。

製冷劑循環：壓縮機1出口連接儲水箱2的外盤管冷凝器的入口，儲水箱2的外盤管冷凝器的出口分為兩路，一路儲水箱2的外盤管冷凝器的出口、第一電磁閥9、太陽能集熱器3、第二電磁閥10和噴射器4的工作流體入口依次連接；另一路，儲水箱2的外盤管冷凝器的出口通過第三電磁閥11直接連接噴射器4的工作流體入口。噴射器4的出口連接氣液分離器5的入口，氣液分離器5的出口分為兩路，一路飽和製冷劑液體出口通過節流機構6連接蒸發器7的入口，蒸發器7的出口連接噴射器4的被引射流體入口；另一路飽和製冷劑氣體出口直接連接壓縮機1的入口，形成製冷劑的閉合循環通道。

控制電路：太陽輻射儀12、環境溫度傳感器13、製冷劑溫度傳感器14和水溫度傳感器15連接控制器8的輸入端，控制器8的輸出端連接第一電磁閥9、第二電磁閥10、第三電磁閥11和壓縮機1，其中太陽輻射儀12和環境溫度傳感器13布置於太陽能集熱器3上方，製冷劑溫度傳感器14布置於太陽能集熱器中心的製冷劑管路上，水溫度傳感器15布置於儲水箱2內水中。太陽輻射儀12檢測太陽集熱器上的太陽輻射強度，環境溫度傳感器13檢測外界環境溫度，製冷劑溫度傳感器14檢測太陽能集熱器中製冷劑管內的製冷劑的蒸發溫度，水溫度傳感器15檢測儲水箱2中水的溫度。

該直膨式太陽能輔助的噴射器增效熱泵熱水系統包括兩個工作模式，太陽能輔助工作模式和空氣源工作模式，具體工作方式如下：(1)太陽能輔助工作模式

從壓縮機1出來的高溫高壓製冷劑蒸氣通過儲水箱2的外盤管冷凝器加熱儲水箱2中的水並冷凝成為飽和或過冷製冷劑液體。該飽和或過冷製冷劑液體從儲水箱2的外盤管冷凝器流出後經過第一電磁閥9進入太陽能集熱器3中，在太陽能集熱器3中吸收太陽能輻射並部分蒸發成為兩相製冷劑流體，然後經過第二電磁閥10進入進噴射器4的工作流體入口。噴射器4出口的兩相製冷劑流體進入氣液分離器5中氣液分離分為兩路，一路飽和製冷劑液體通過節流機構6節流後進入蒸發器7中完全蒸發，然後回到噴射器4的被引射流體入口；另一路飽和製冷劑氣體出口直接連接壓縮機1入口，完成循環。

(2)空氣源工作模式

從壓縮機1出來的高溫高壓製冷劑蒸氣通過儲水箱2的外盤管冷凝器加熱儲水箱2中的水並冷凝成為飽和或過冷製冷劑液體。製冷劑從儲水箱2的外盤管冷凝器流出後經過第三電磁閥11直接進入噴射器4的工作流體入口。噴射器4出口的兩相製冷劑流體進入氣液分離器5中氣液分離分為兩路，一路飽和製冷劑液體通過節流機構6節流後進入蒸發器7中完全蒸發，然後回到噴射器4的被引射流體入口；另一路飽和製冷劑氣體出口直接連接壓縮機1入口，完成循環。

如圖2所示，本發明還提供了該直膨式太陽能輔助的噴射器增效熱泵熱水系統的控制方法，包括如下步驟：

步驟1：熱泵熱水系統開啟之後，首先由水溫度傳感器15檢測儲水箱2內水的溫度Tw，與設定的熱水目標溫度Ts對比；若Ts-Tw≤△T，系統不開啟；若Ts-Tw＞△T，則開啟第一電磁閥9、第二電磁閥10和第三電磁閥11，系統自檢，開啟壓縮機1，△T範圍為1～10℃。

步驟2：基於太陽輻射儀12、環境溫度傳感器13和製冷劑溫度傳感器14採集的工況數據，控制器8計算出太陽能集熱器與環境之間的漏熱量Ql和太陽能集熱器接收到的太陽輻射量Qr；若Qr＞Ql，則第一電磁閥9和第二電磁閥10開啟，第三電磁閥11關閉，系統開啟太陽能輔助工作模式；若Qr≤Ql，則第三電磁閥11開啟，第一電磁閥9和第二電磁閥10關閉，系統開啟空氣源工作模式；同時開始對系統運行時間進行計時，累計工作時間為t1。

步驟3：在熱泵熱水系統開機期間，水溫度傳感器15定時採集儲水箱2內水的溫度Tw，與設定的熱水目標溫度Ts對比，採集時間間隔為1～10s；若Tw-Ts≤△T，則對比累計工作時間t1與系統預設檢測時間間隔ts大小，ts範圍為5～20min；若ts<t1，則系統保持目前工作模式不變；若ts≥t1，則t1清零，系統回到步驟2，繼續工作；若Tw-Ts＞△T，系統關機，完成熱水加熱過程。

作為本發明的優選實施方式，所述控制器8計算太陽能集熱器3與環境之間的漏熱量Ql以及太陽能集熱器3接收到的太陽輻射量Qr的計算公式如下：

Ql＝UApl(tr-ta)

Qr＝ηopt AplG

其中：U為太陽能集熱器3的熱損係數，其值主要由太陽能集熱器的結構參數和材料特性決定，由實驗測得或者理論計算得出；

Apl為太陽能集熱器3中集熱板的面積；

tr為製冷劑溫度傳感器14採集的太陽能集熱器3中製冷劑管內的製冷劑的蒸發溫度；

ta為環境溫度傳感器13採集的環境溫度；

ηopt為太陽能集熱器3中太陽能集熱板的吸收率；

G為太陽輻射儀12測得輻射在太陽能集熱器3上的太陽輻射強度。

基於太陽能集熱器的特性，上述公式忽略次要因素對太陽能集熱器傳熱特性影響，採用集總參數法給出了太陽能集熱器的漏熱量和接收到的輻射量的計算方法，兼顧了計算精度和計算速度兩方面因素。採用上述計算方法，控制器8可以簡單快捷計算出太陽能集熱器接受到的太陽輻射量和漏熱量，並進行工作模式的選擇。