一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统及控制方法技术方案

本发明专利技术属于一种热泵技术领域，尤其涉及一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，具体是一种太阳能热泵集热系统及控制方法。本发明专利技术系统包含热泵子系统和太阳能集热子系统，两系统通过热能增效器相连接。本发明专利技术依据热泵能效曲线、环境温度、光照强度等优化热泵、太阳能集热子系统联合运行方式，最大限度减少集热器热量损失，把该热量用于提高热泵子系统中蒸发器换热介质温度，从而同时提升太阳能集热子系统、热泵子系统换热效率；采用能量微增率，能够跟随环境温度、日照强度等变化最大限度的吸收热量，同时降低整体太阳能集热子系统电能能耗；不改变热泵子系统结构，简化太阳能集热子系统与热泵子系统结合的复杂度，设计调试灵活。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统及控制方法
本专利技术属于一种热泵
，尤其涉及一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，具体是一种太阳能热泵集热系统及控制方法。
技术介绍
太阳能利用形式有光电和光热。光热在环境温度较高或光热集热器换热介质温度与环境温度温差较大时COP(能效)较高，若环境温度较低或集热器换热介质温度与环境温度温差较小时，COP急剧降低。现有太阳能集热器在换热介质温度与环境温度温差较大时COP较低，主要是因为温差大集热器向周围环境散热多，热泵在低温环境COP低与从环境所能汲取热量少，功耗大有关。此外现有太阳能结合热泵技术，仅简单的将太阳能集热板与蒸发器串联，通过热泵将集热器低品味的热变为高品味热予以采集，并未考虑减少集热器散热问题，且通常采用制冷剂换热而使得造价较高，同时也未考虑运行中的能耗。因此，太阳能低能量密度、低效率等缺点制约其在寒冷地区进一步推广应用。热泵与光热有类似问题。当环境温度较高或热泵蒸发器制冷剂温度与环境温度温差较大时COP(能效)较高，若环境温度较低或温差较小时，COP较低。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供了一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统及控制方法。其目的是为了实现在不改变热泵子系统结构的前提条件下，简化太阳能集热子系统与热泵子系统结合的复杂度，最大限度减少集热器热量损失的专利技术目的。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，包括热泵子系统和太阳能集热子系统，所述太阳能集热子系统经热能增效器与热泵子系统的蒸发器相连接。进一步的，所述热能增效器包括余热收集器、空气预热器或集成在热泵子系统、太阳能集热子系统的设备中的热量收集设备。进一步的，所述蒸发器包含有引风机或循环泵，所述蒸发器为能量增效器。进一步的，所述太阳能集热子系统为集热发电一体化系统，通过热能增效器，集成在热泵子系统中的蒸发器里，将太阳能集热子系统与热泵子系统相结合。进一步的，所述热泵子系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器依次通过管路相连接构成；其中压缩机的排气口连接冷凝器的一次侧入口，冷凝器的一次侧出口连接至膨胀阀的入口，膨胀阀的出口与蒸发器的加热室入口相连，蒸发器的蒸发室出口连接到压缩机的吸气口，形成闭环管路；管路中为冷媒。进一步的，所述冷凝器为套管式换热器。进一步的，所述太阳能集热子系统包括蓄热水箱、集热器、引风机、第一电控阀、第二电控阀、第三电控阀、第一三通阀、入风口、温控开关、排风口、第二三通阀、第三三通阀、换热器、换热器及第二循环水构成；其中，集热器的出风口连接至引风机的入口，引风机的出口连接到第三三通阀汇流口，第三三通阀一个分流口连接换热器的一次侧风道入口，第三三通阀的另一个分流口连接蒸发器的一次侧风道入口；换热器的一次侧风道出口和蒸发器的一次侧风道出口汇流后连接至第二三通阀汇流端口，第二三通阀的一个分流口连接排风口，第二三通阀的另一个分流口连接温控开关的入口；温控开关的出口连接到第一三通阀汇流口，第一三通阀的一个分流口连接排风口，第一三通阀的另一个分流口连接集热器的入风口，形成换热风道；其中，第一电控阀、第二电控阀、第三电控阀串联连接，将集热器中的个太阳能集热板风道两两串联后，分别于与第一电控阀、第二电控阀和第二电控阀、第三电控阀并联，依据需要控制电控阀的通断；第一循环水泵的入口与冷凝器的二次侧入口连接，第一循环水泵的出口与蓄热水箱相连接；冷凝器的二次侧出口与蓄热水箱相连接，形成闭环，用于储热；第二循环水泵的入口与换热器的二次侧入口连接，第二循环水泵的的出口与蓄热水箱相连接；换热器的二次侧出口与蓄热水箱相连接，形成闭环，用于储热；第三循环水泵与用户的出口连接，第三循环水泵的出口与蓄热水箱相连，用户的入口与蓄热水箱相连，形成闭环向用户供热。进一步的，所述换热器为翅片式换热器；所述换热器、冷凝器放置于蓄热水箱内部或者外部换热；所述用户包括暖气或地热。一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统的控制方法，包括两种运行状态：独立运行和联合运行；所述独立运行是指太阳能集热子系统单独运行，首先优化选择太阳能集热子系统运行的起止时间，包括：中午光照强、温度高，选择热量最高的时间段集热；所述联合运行是指热泵与集热子系统联合运行：采用与独立运行相同方法确定系统运行时间段，结合环境温度、光照强度及热泵能效曲线，依据用户需求设定热能增效器出口温度值，依据设定温度调整循环换热的速度及运行方式；当集热器白天集热量不满足用户用热需求或快速提升蓄热水箱温度或在环境温度较低低导致热泵COP低的条件下，将热泵子系统与太阳能集热子系统联合运行。进一步的，所述起止时间的选择方法包括以下步骤：步骤1.计算用户热量需求；依据环境温度、风速、光照强度计算集热器采集热量，达到用户热量需求集热最短的时间段为太阳能集热子系统运行的起止时间；步骤2.设定集热器出口温度；依据集热系统散热量最小设定集热器的出口温度；步骤3.依据设定集热器出口温度，通过第一电控阀、第二电控阀、第三电控阀的通断改变集热器串并联运行方式，同时控制引风机变频速度，改变换热速率；第一电控阀、第三电控阀通，第二电控阀断时为串联运行；第一电控阀、第二电控阀通，第三电控阀断时为并联运行；所述联合运行包括以下步骤：步骤(1)优化选择太阳能集热子系统运行的起止时间；其优化过程与独立运行相同，即依据环境温度、风速、光照强度优化选择太阳能集热子系统运行的起止时间；步骤(2)设定集热器出口温度；依据环境温度、风速、光照强度，参考热泵能效曲线，在满足用户热能需求前提下，以集热系统能耗比最小设定集热器出口温度值；太阳能集热子系统及热泵子系统分别控制，太阳能集热子系统控制集热器出口温度；若集热器出口升高，提高引风机的风速；反之减小引风机的风速；若蒸发器换热出口空气温度低于环境温度时，换热后的空气经过排风口直接排于环境中，其中空气换热循环为开环运行；若蒸发器换热出口空气温度高于环境温度时，换热后的空气则经温控开关送回集热器，此时空气换热循环为闭环运行；热泵子系统控制依据热泵热量微增率，即测量热泵子系统集热量增量ΔQ与电能能耗增量ΔP的比值dQ/dP，具体为通过测量循环水泵的流速与出入口水温差计算换热器的集热量增量ΔQ，与对应热泵的电能能耗增量ΔP计算dQ/dP，当dQ/dP>0，增加热泵的换热速率；当dQ/dP<0,反之减少热泵的换热速率；其中，上述式中d表示求导，Q表示热量，P,表示能耗；所述集热器出口温度、热能增效器出口温度值是依据用户需求设定优化目标，通过优化算法计算得出；依据集热器出口温度、热能增效器出口温度设定值确定集热子系统中集热板及热能增效器串并组合方式；所述太阳能集热子系统依据设定温度调整循环换热的速度，即若热能增效器温度升高，提高换热介质流动速度；反之减小换热介质流动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：包括热泵子系统和太阳能集热子系统，所述太阳能集热子系统经热能增效器与热泵子系统的蒸发器相连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：包括热泵子系统和太阳能集热子系统，所述太阳能集热子系统经热能增效器与热泵子系统的蒸发器相连接。


2.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述热能增效器包括余热收集器、空气预热器或集成在热泵子系统、太阳能集热子系统的设备中的热量收集设备。


3.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述蒸发器(4)包含有引风机或循环泵，所述蒸发器(4)为能量增效器。


4.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述太阳能集热子系统为集热发电一体化系统，通过热能增效器，集成在热泵子系统中的蒸发器里，将太阳能集热子系统与热泵子系统相结合。


5.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述热泵子系统由压缩机(1)、冷凝器(2)、膨胀阀(3)、蒸发器(4)依次通过管路相连接构成；其中压缩机(1)的排气口连接冷凝器(2)的一次侧入口，冷凝器(2)的一次侧出口连接至膨胀阀(3)的入口，膨胀阀(3)的出口与蒸发器(4)的加热室入口相连，蒸发器(4)的蒸发室出口连接到压缩机(1)的吸气口，形成闭环管路；管路中为冷媒。


6.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述冷凝器(2)为套管式换热器。


7.根据权利要求1所述的一种基于热泵技术高能效太阳能集热系统，其特征是：所述太阳能集热子系统包括蓄热水箱(6)、集热器(7)、引风机(8)、第一电控阀(9)、第二电控阀(10)、第三电控阀(11)、第一三通阀(12)、入风口(13)、温控开关(14)、排风口(15)、第二三通阀(16)、第三三通阀(17)、换热器(18)、换热器(18)及第二循环水(19)构成；其中，集热器(7)的出风口连接至引风机(8)的入口，引风机(8)的出口连接到第三三通阀(17)汇流口，第三三通阀(17)一个分流口连接换热器(18)的一次侧风道入口，第三三通阀(17)的另一个分流口连接蒸发器(4)的一次侧风道入口；换热器(18)的一次侧风道出口和蒸发器(4)的一次侧风道出口汇流后连接至第二三通阀(16)汇流端口，第二三通阀(16)的一个分流口连接排风口(15)，第二三通阀(16)的另一个分流口连接温控开关(14)的入口；温控开关(14)的出口连接到第一三通阀(12)汇流口，第一三通阀(12)的一个分流口连接排风口(15)，第一三通阀(12)的另一个分流口连接集热器(7)的入风口(13)，形成换热风道；
其中，第一电控阀(9)、第二电控阀(10)、第三电控阀(11)串联连接，将集热器(7)中的(4)个太阳能集热板风道两两串联后，分别于与第一电控阀(9)、第二电控阀(10)和第二电控阀(10)、第三电控阀(11)并联，依据需要控制电控阀的通断；
第一循环水泵(5)的入口与冷凝器(2)的二次侧入口连接，第一循环水泵(5)的出口与蓄热水箱(6)相连接；冷凝器(2)的二次侧出口与蓄热水箱(6)相连接，形成闭环，用于储热；
第二循环水泵(19)的入口与换热器(18)的二次侧入口连接，第二循环水泵(19)的的出口与蓄热水箱(6)相连接；换热器(18)的二次侧出口与蓄热水箱(6)相连接，形成闭环，用于储热；
第三循环水泵(20)与用户(21)的出口连接，第三循环水泵(20)的出口与蓄热水箱(6)相连，用户(21)的入口与蓄热水箱(6)相连，形成闭环向用户供热。

【专利技术属性】
技术研发人员：郭权利，
申请(专利权)人：郭权利，
类型：发明
国别省市：辽宁;21