太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
太阳能热泵智能感知与自主控制供暖系统
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术提供的技术方案如下：本专利技术包括蒸发器、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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术利用公知的太阳能热泵水暖系统的部件：本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2017.02.07 CN 20171007047321.一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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏毅立，
申请(专利权)人：包头市爱能控制工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15