一種熱泵熱管複合的太陽能熱水器控制系統及運行方法與流程

2023-06-05 00:57:26

本發明涉及壓縮機變容量控制、光伏熱泵/熱管複合熱水器的技術，尤其涉及一種利用控制器和傳感器根據從網絡獲取的天氣預報數據和採集的環境參數，決定系統啟動時間、熱泵/熱管運行模式和切換時機，控制光伏熱泵模式變容量運行的裝置及方法。

背景技術：

隨著人們生活水平的不斷提高，普通家庭對生活熱水的需求也越來越大，生活熱水的能耗的比重也不斷增大，因此，實現高效節能的生活熱水供應成為亟待解決的問題。

太陽能熱水器是解決家庭生活熱水需求的有效手段。傳統的太陽能熱水器在陰雨天氣或冬季太陽輻射較弱的天氣必須依靠電加熱才能滿足用戶製取生活用水的需求，但是電加熱製取生活熱水的能效遠低於使用熱泵製取生活熱水的能效。

光伏熱泵熱水器是一種將光伏電池板和熱泵熱水器結合的光伏光熱一體化裝置。它能在有限的面積內同時滿足光伏發電和光熱製取生活熱水，熱泵系統保證了系統全年都能製取滿足要求的生活熱水。

太陽能電池板在吸收太陽輻射發電時，僅10％-18％的能量轉化為電能，其餘能量則轉化為熱能。太陽能電池的光電轉換效率與電池片溫度負相關，太陽能電池電池溫度每升高1℃，光電效率下降約0.4％。在較強陽光下，電池片溫度很容易達到50-70℃，如果吸收這些熱量、降低電池片溫度則能讓發電效率保持在較高水平。

太陽能是一種時空分布不均勻、受天氣影響較大的可再生能源。使用太陽能集熱器作為熱泵熱源時，隨著太陽高度角變化、雲層不規律遮擋，太陽輻射時刻都在變化。現有太陽能熱泵熱水器系統或光伏熱泵系統大多採用定頻壓縮機或僅在機組啟動前根據太陽輻射和環境溫度數據設定本次運行的壓縮機工作頻率。定頻運行的系統應對變化太陽輻射環境的能力不足。在輻射顯著增強時，定頻運行的系統制熱水速度變快，但是造成縮短的時間內光伏電池沒有降溫運行，也沒有抓住有利時機降低運行頻率，綜合來看全天系統淨髮電量減少。在輻射顯著減弱時，也無法及時作出調整，可能無法在規定的運行時間內完成制熱水任務。

壓縮機變頻技術能調節壓縮機運行頻率以調節壓縮機吸氣量，改變熱泵熱水器系統的吸熱能力，進而改變熱泵系統的蒸發溫度，以滿足熱泵系統製取生活熱水的時間限制、調節光伏電池工作溫度以及系統節能運行的目的。

太陽能熱泵熱水器在輻射強度較高時，蒸發溫度過高時，定頻啟動會造成壓縮機過載，造成太陽能熱泵熱水器在某些輻射較強的工況下無法使用。如果採用變頻壓縮機，在較低頻率下啟動，則能避免壓縮機過載。然而這種工況下，壓縮機也不能以過低的頻率啟動，否則熱泵系統中的節流閥處壓力倒掛，系統也無法正常運行。

在氣溫較高、輻射較強的夏季晴天，光伏太陽能熱泵熱水器需要的製取熱水的時間只需要在2小時以內，造成大量時間光伏組件沒有得到冷卻，熱泵的運行卻仍消耗較多的電能。工質泵驅動的環形熱管是利用循環工質在高溫處吸收熱量氣化，通過工質泵克服管道阻力，在低溫處冷凝放出熱量的一種傳熱環路。太陽輻射較強時，光伏集熱蒸發板的溫度遠高於水箱水溫，如能採用工質泵驅動的環形熱管模式進行制熱水過程，一方面可以避免壓縮機啟動方面的過載或壓力倒掛，另一方面可以用耗能比壓縮機更小的工質泵就完成制熱水任務。然而同等工質流量下，工質泵驅動的環形熱管模式的加熱速率小於壓縮機驅動的熱泵模式的加熱速率。天氣條件也不一定能支持僅靠環形熱管運行完成制熱水任務。因此，需要熱泵/熱管複合運行來滿足制熱水任務的時間限制。

從上述分析可知，光伏太陽能熱泵/熱管複合熱水器系統能在工作期間降低光伏組件的工作溫度、提高光伏組件的發電量，同時熱泵模式保證全年條件下的生活熱水供應，熱管模式有利於有利工況下進一步降低制熱水運行能耗，具有佔地面積小的優點。跟蹤環境工況變化的熱泵/熱管模式選擇策略和根據環境工況的熱泵模式變容量運行控制對光伏太陽能熱泵/熱管複合熱水器的適應環境變化、控制工作時間和提高性能係數具有重要作用。因此，研究能跟蹤環境工況的變容量光伏太陽能熱泵/熱管複合熱水器系統及方法具有重要意義。

技術實現要素：

針對上述存在的問題，本發明目的在於提供一種跟蹤環境工況的變容量的熱泵熱管複合的太陽能熱水器控制系統及運行方法。

為了達到上述目的，本發明採用的技術方案如下：一種熱泵熱管複合的太陽能熱水器控制系統，所述的控制系統安裝在太陽能熱水器的光伏集熱蒸發板與保溫冷凝水箱之間，控制系統包括核心控制組件、環境工況和水箱溫度傳感組件、熱泵與熱管的模式切換組件、熱泵模式變容量控制組件。

本發明的核心控制組件為聯網控制器4；所述的環境工況和水箱溫度傳感組件包括太陽輻射強度傳感器3，環境溫度傳感器2和水箱水溫傳感器6；所述的熱泵與熱管的模式切換組件包括壓縮機支路，旁路截止閥11、9，膨脹閥支路，旁路截止閥14、16；所述的熱泵模式變容量控制組件包括變頻器5，變頻壓縮機12，膨脹閥13，膨脹閥配套的溫度壓力傳感器8。

本發明的光伏太陽能熱泵循環中，光伏集熱蒸發板出口與壓縮機支路截止閥、變頻壓縮機、保溫冷凝水箱、儲液罐、膨脹閥支路截止閥、膨脹閥依次連接，最後回到光伏集熱蒸發板入口形成環路，各部件間採用銅管連接，循環介質為製冷劑，所述保溫水箱內部有供製冷劑放熱的管道，所述光伏集熱板內有供製冷劑從光伏電池吸熱的管道。

光伏太陽能熱管循環與光伏太陽能熱泵循環共用光伏集熱蒸發器和保溫冷凝水箱，光伏集熱蒸發板出口與壓縮機旁路截止閥、工質泵、保溫冷凝水箱、儲液罐、膨脹閥旁路截止閥依次連接，最後回到光伏集熱蒸發器入口形成環路，各部件間採用銅管連接，循環介質與熱泵循環相同。

傳感聯網控制系統與光伏太陽能熱泵循環和光伏太陽能熱管循環共用壓縮機支路、旁路截止閥和膨脹閥支路、旁路截止閥，太陽輻射強度傳感器、環境溫度傳感器、水箱溫度傳感器作為傳感部分與聯網控制器連接，變頻器、膨脹閥、工質泵、壓縮機支路及旁路截止閥、膨脹閥支路及旁路截止閥作為執行機構與聯網控制器連接，變頻壓縮機與變頻器連接，聯網傳感器與網際網路連接。

本發明公開了一種熱泵熱管複合的太陽能熱水器控制系統的運行方法；所述的運行方法包括如下步驟：

1)系統啟動前，聯網控制器中存儲有已制定好的熱管模式控制策略表和熱泵模式控制策略表；

2)聯網控制器訪問網際網路，獲得當天當地氣象預報數據；根據當月日照時長設定最大制熱水時間，根據當日氣象預報數據設定開機時間，同時採集水箱水溫，確定當天完成制熱水任務需要的時間；

3)系統啟動時，聯網控制器根據實時採集的太陽輻射強度、環境溫度和水箱水初溫數據，選擇啟動不同的工作模式：全程熱泵模式，全程熱管模式或先熱管後熱泵模式；

4)在熱泵模式下，根據實時採集的數據，聯網控制器控制光伏太陽能熱泵熱水器變容運行；

5)水溫達到預定溫度，則控制器控制系統停機。

本發明的該方法主要依託聯網控制器，該聯網控制器可為plc、單片機、計算機或其他具有聯網、存儲、採集和輸出功能的集成控制元件。

本發明的聯網控制器的功能主要進行兩方面的工作：

一方面是獲取天氣預報數據、獲取實時太陽輻射強度、環境溫度和水箱溫度數據，控制複合熱水器系統的啟動時間、運行模式和切換時機，

另一方面是根據實時太陽輻射強度、環境溫度和水箱溫度，控制熱泵模式的變容量運行。為了做好這兩方面的工作，聯網控制器中存儲有已制定好的熱管模式控制策略表和熱泵模式控制策略表，

熱管模式控制策略表中存儲有根據產品特性得到的在各種環境工況下能在規定時間內完成制熱水任務的最低初始水箱水溫，熱泵模式控制策略表中存儲有根據產品特性得到的在各種環境工況和水箱溫度組合下能在規定時間內完成制熱水任務的最低運行頻率。

啟動前，聯網控制器訪問網際網路獲得當天當地氣象預報數據，採集水箱水溫確定當天完成制熱水任務需要的時間。啟動時，聯網控制器採集傳感器部分得到的太陽輻射強度、環境溫度和水箱水初溫數據，如果太陽輻射強度很高且水箱水初始溫度不超出環境溫度很多，則將當前環境工況與熱管模式控制策略表進行比對，若最低初始水箱水溫不低於當前水箱水初溫，則進一步調取當天天氣預報數據，若在預定製熱水任務期間全部是晴天，則聯網控制器設定全程熱管運行模式。若在上述比對中最低初始水箱水溫高於當前水箱水初溫或在預定製熱水任務區間內有多雲天氣，則轉為先熱管後熱泵的複合運行模式。若太陽輻射強度不高或水箱水初溫超出環境溫度很多，則直接轉為全程熱泵運行模式。

熱管運行模式通過聯網控制器開啟壓縮機旁路截止閥、膨脹閥旁路截止閥和工質泵，關閉壓縮機支路截止閥、膨脹閥支路截止閥，製冷劑在光伏集熱蒸發器中吸熱，通過工質泵輸送到保溫冷凝水箱中放熱並回到光伏集熱蒸發器中繼續吸熱形成循環。

熱泵運行模式通過聯網控制器開啟壓縮機支路截止閥、膨脹閥支路截止閥、變頻壓縮機和膨脹閥，關閉壓縮機旁路截止閥、膨脹閥旁路截止閥，製冷劑在光伏集熱蒸發器中吸熱，經過壓縮機壓縮後輸送到保溫冷凝水箱放熱冷凝，經過膨脹閥重新變為低溫低壓的狀態繼續在光伏集熱蒸發器的循環過程。

聯網控制器無論在何種運行模式都實時採集環境工況數據和水箱水溫數據。在先熱管後熱泵的運行模式下，聯網控制器控制熱管模式切換熱泵模式的時機。

熱管模式運行過程中，如果聯網控制器採集到的太陽輻射強度變弱，不足以支持高效的環形熱管模式，則聯網控制器立刻切換系統為熱泵模式，即使太陽輻射強度保持較強，但是根據啟動時的判斷無法在預定時間內完成制熱水任務，則當水箱水溫超過環境溫度一定程度後，聯網控制器自動切換系統為熱泵模式。

在熱泵模式下，聯網控制器控制光伏太陽能熱泵熱水器的跟蹤環境工況的變容量高效運行。一方面，聯網控制器實時根據環境工況和水箱溫度的組合查詢比對熱泵模式控制策略表，聯網控制器根據查詢到的最低運行頻率控制變頻器輸出最低運行頻率，變頻壓縮機在變頻器規定的頻率下運行，另一方面，聯網控制器根據膨脹閥配套的安裝在蒸發器出口的溫度、壓力傳感器控制膨脹閥開度，保持光伏集熱蒸發器的較低過熱度值，兩方面結合實現熱泵模式的跟蹤環境工況的變容量高效運行。

水溫達到預定溫度，則控制器控制系統停機。此方法可以實現光伏熱泵熱水系統節能運行，也保證系統完成制熱水任務，滿足用戶需求。

本發明的優點在於：

1)此方法在非變頻光伏熱泵熱水器的基礎上增加有限部件，連接改造簡便可靠，可在非變頻光伏熱泵熱水器基礎上改造升級；

2)採用實時變頻調節動態適應環境參數變化，既節約熱泵系統運行能耗，也能保證光伏電池保持較高的發電效率、在輻射較弱時保證完成制熱水任務；

3)熱管模式或先熱管後熱泵的混合運行模式能避免單純熱泵模式在某些工況下啟動階段的蒸發冷凝壓力倒掛現象，也能節約系統能耗。

附圖說明

圖1為本發明系統連接的示意圖；

圖2為本發明系統運行的工藝流程圖；

圖3為本發明的實施例6中的當日的天氣情況；

圖4為本發明的實施例6中的實施過程圖。

其中，1光伏集熱蒸發板、2環境溫度傳感器、3太陽輻射傳感器、4聯網控制器、5變頻器、6水溫傳感器、7保溫冷凝水箱、8膨脹閥用蒸發器出口的溫度壓力傳感器、9壓縮機旁路截止閥、10工質泵、11壓縮機支路截止閥、12變頻壓縮機、13膨脹閥、14膨脹閥支路截止閥、15儲液罐、16膨脹閥旁路截止閥。

具體實施方式

下面結合附圖說明和具體實施方式對本發明作進一步詳細的描述。

本發明中的熱管模式控制策略表與熱泵模式控制策略表為客戶在固定太陽輻射強度和環境溫度在模擬程序中制定的控制表。

實施例1：如圖1所示，本發明的系統包括光伏太陽能熱泵循環、光伏太陽能熱管循環和傳感聯網控制系統。光伏太陽能熱泵循環中，光伏集熱蒸發板1出口與壓縮機支路截止閥11、變頻壓縮機12、保溫冷凝水箱7、儲液罐15、膨脹閥支路截止閥14、膨脹閥13依次連接，最後回到光伏集熱蒸發板1入口形成環路，各部件間採用銅管連接，循環介質為製冷劑，所述保溫水箱內部有供製冷劑放熱的管道，所述光伏集熱板內有供製冷劑從光伏電池吸熱的管道。

光伏太陽能熱管循環與光伏太陽能熱泵循環共用光伏集熱蒸發器1和保溫冷凝水箱7，光伏集熱蒸發板1出口與壓縮機旁路截止閥9、工質泵10、保溫冷凝水箱7、儲液罐15、膨脹閥旁路截止閥16依次連接，最後回到光伏集熱蒸發器1入口形成環路，各部件間採用銅管連接，循環介質與熱泵循環相同。

傳感聯網控制系統與光伏太陽能熱泵循環和光伏太陽能熱管循環共用壓縮機支路、旁路截止閥11、9和膨脹閥支路、旁路截止閥14、16，太陽輻射強度傳感器3、環境溫度傳感器2、水箱溫度傳感器6作為傳感部分與聯網控制器4連接，變頻器5、膨脹閥13、工質泵10、壓縮機支路及旁路截止閥11、9、膨脹閥支路及旁路截止閥14、16作為執行機構與聯網控制器4連接，變頻壓縮機12與變頻器5連接，聯網傳感器4與網際網路連接。

實施例2：如圖1和2所示，該系統能在聯網控制器的控制下實現兩種運行模式：

1)熱管運行模式通過聯網控制器4開啟壓縮機旁路截止閥9、膨脹閥旁路截止閥16和工質泵10，關閉壓縮機支路截止閥11、膨脹閥支路截止閥14，製冷劑在光伏集熱蒸發器1中吸熱，通過工質泵10輸送到保溫冷凝水箱7中放熱並回到光伏集熱蒸發器1中繼續吸熱形成循環。

2)熱泵運行模式通過聯網控制器4開啟壓縮機支路截止閥9、膨脹閥支路截止閥14、變頻壓縮機12和膨脹閥13，關閉壓縮機旁路截止閥9、膨脹閥旁路截止閥16，製冷劑在光伏集熱蒸發器1中吸熱，經過壓縮機12壓縮後輸送到保溫冷凝水箱7放熱冷凝，經過膨脹閥13重新變為低溫低壓的狀態繼續在光伏集熱蒸發器1的循環過程。

實施例3：如圖1所示，聯網控制器4是該系統的核心部件，改聯網控制器可以是plc、單片機、計算機或其他具有聯網、存儲、採集和輸出功能的集成控制元件。環境溫度傳感器2、水箱水溫傳感器6可以是熱電偶、熱電阻等溫度傳感器，太陽輻射傳感器3可以是太陽總輻射表等能量化輻射強度大小的元件。聯網控制器4能實時採集環境溫度傳感器2、太陽輻射傳感器3和水箱溫度傳感器6的信號，聯網控制器4能通過輸出信號控制壓縮機旁路、支路截止閥9、11，膨脹閥支路、旁路截止閥14、15，工質泵10的開關通斷。聯網控制器4能通過通訊方式或端子控制方式設定變頻器5的輸出電頻率，能通過通訊方式或端子控制方式設定膨脹閥13和膨脹閥配套的溫度、壓力傳感器8控制的光伏集熱蒸發器1的過熱度。

實施例4：如圖1所示，變頻器5輸入電網交流電，根據聯網控制器4提供的運行頻率輸出一定頻率的電流驅動壓縮機12變頻運行。膨脹閥13根據膨脹閥配套的溫度壓力傳感器8檢測蒸發器出口製冷劑狀態，根據內置pid算法自動調節膨脹閥閥芯的開度大小，保證光伏集熱蒸發器1的過熱度與聯網控制器4設置的過熱度相同。

實施例5：如圖1和2所示，本發明系統運行方法的詳細控制流程如下：

1、啟動前，聯網控制器4聯網獲取日期、當天當地天氣預報、水箱水初溫數據；

隨後根據當月日照時長設定最大制熱水時長，冬天最大制熱水時長小，夏天最大制熱水時長大；

隨後根據天氣預報設定開機時間，若是完全晴天或少雲天氣，以12點半為中心按預定時間設定啟動時間，若是多雲，以12點15分為中心按預定時間設定啟動時間，若是陰天或更差，以12點為中心按預定時間設定啟動時間。

2、啟動時，採集啟動時的太陽輻射強度、環境溫度和水箱水初溫。

若輻射強度大於700w/m2且水箱水初溫不高於環境溫度5℃以上，則進一步判斷，否則按全程熱泵模式啟動機組。

若上一步符合，此時若水箱初始水溫不小於熱管運行策略表查得的最低水箱水初溫，且在預定製熱水時長內都是晴天，則按全程熱管模式啟動機組；

任何一項要求不符合則按先熱管後熱泵模式啟動機組。

3、在運行過程中，無論何種運行模式，聯網控制器4每分鐘採集當前太陽輻射強度、環境溫度和水箱水溫數據。

1)全程熱管模式時，若水箱水溫達到預設水溫則關機結束整個制熱水流程，否則繼續熱管模式制熱水過程。

2)全程熱泵模式時，聯網控制器4採集各傳感器的數據後，查詢熱泵模式控制策略表，得出當前環境工況下滿足預定製熱水時間限制的最低運行頻率f，隨後設定變頻器5運行在新的頻率f，若水箱水溫達到預設水溫則關機結束整個制熱水流程，否則繼續熱泵模式制熱水過程。

3)先熱管後熱泵模式時，若採集環境數據和水箱溫度數據後，太陽輻射強度大於700w/m2且水溫不高於環境溫度10℃以上，則仍然繼續熱管模式製取熱水，若某次任何一項不滿足，則轉為熱泵模式繼續制熱水過程。

:實施例6：如圖3和4所示，本發明系統運行方法的實施流程如下：

1、啟動前，聯網控制器4聯網獲取日期為2017年3月15日當日的天氣情況如圖3所示：

其中水箱水初溫為12.73℃，隨後根據3月份的日照時長設定最大制熱水時長，在本實施例中，為了方便說明，此處最大制熱水時長設定為300min，隨後根據天氣預報設定開機時間，其當日天氣為晴天和少雲的天氣，故以12:30為中心設定啟動時間，啟動時間為10點整；系統中制定熱泵模式控制策略表需用部分節選如下表所示：

熱泵模式控制策略表

2)啟動時，發現10點整啟動時的太陽輻射強度超過700w/m2、環境溫度為13℃，水箱水初溫為12.73℃。因此發現其輻射強度大於700w/m2且水箱水初溫不高於環境溫度5℃以上，系統判定為先熱管後熱泵模式啟動。

3)聯網控制器每分鐘採集當前太陽輻射強度、環境溫度和水箱水溫數據；其採集的數據如圖4所示：

若太陽輻射持續大於700w/m2且水溫不高於環境溫度10℃以上，則仍然以熱管模式製取熱水，由於12：30時太陽輻射首次下降到700w/m2以下，因此若12：30前水溫未達到環境溫度10℃以上，則持續熱管模式，直到12：30切換熱泵模式，若12：30前已達到環境溫度10℃以上，則在溫度達標時立刻切換熱泵模式。

切換熱泵模式後，聯網控制器採集各傳感器的數據後，查詢熱泵模式控制策略表，得出當前環境工況下滿足預定製熱水時間限制的最低運行頻率f，隨後設定變頻器運行在新的頻率f，若水箱水溫達到預設水溫，則關機結束整個制熱水流程；否則繼續熱泵模式制熱水過程。

從實施例6中可知：天氣預報基本預測準確了當天的天氣情況，但是其精度無法滿足光伏太陽能熱泵熱水器實時變容量運行的需求。通過本發明的系統跟隨太陽輻射值的變化實時調節壓縮機運行頻率，配合電子膨脹閥完成了實時變容量運行的任務，跟隨效果優異。

需要說明的是，上述僅僅是本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的保護範圍，在上述實施例的基礎上所做出的任意組合或等同變換均屬於本發明的保護範圍。