CN106524502A - 直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***及控制方法 - Google Patents

直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***及控制方法，***包括压缩机，压缩机出口连接储水箱入口，储水箱的出口分为两路，一路通过电磁阀依次连接太阳能集热器、电磁阀和喷射器工作流体入口；另一路通过电磁阀连接喷射器的工作流体入口；喷射器出口连接气液分离器入口，气液分离器出口分为两路，一路饱和制冷剂液体出口依次连接节流机构、蒸发器、喷射器的被引射流体入口；另一路饱和制冷剂气体出口直接连接压缩机入口，形成制冷剂的闭合循环通道；太阳能辐射仪和三个温度传感器连接控制器输入端，控制器输出端连接三个电磁阀；本发明还提供了该***的控制方法，可以充分利用太阳能和空气源两种能源，保证该***可以全天候情况下保持较高的性能。

Description

直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***及控制方法
技术领域
本发明属于热泵技术领域，具体涉及一种直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***及控制方法。
背景技术
热泵热水***是一种应用逆卡诺循环原理从空气源、地源和水源等吸取低品位能量来加热热水的***，相对于常用的电热水器和燃气热水器具有高效节能的特点，因而受到了市场的广泛青睐。近年来随着节能减排的压力和环境气候问题的日益突出，对热泵热水***在节能、环保等方面提出更高的要求，因此，如何提高热泵热水***的能效成为了其主要的发展方向。
常规的热泵热水***通常采用膨胀阀作为节流部件，在节流过程中会存在较大的节流损失，而实际上是可以通过使用喷射器替代膨胀阀来回收部分膨胀功从而提高***能效的。同时，喷射器本身结构简单、成本低廉、无运动部件,适于包括两相流的任何流体使用，所以在热泵热水***中采用喷射器替代膨胀阀来提高***能效是一种经济可行的方案。另外，作为一种取之不尽用之不竭的可再生清洁能源，太阳能也是可以用来提高热泵热水***的能效，降低能源消耗的。专利《直膨式太阳能热泵热水器》和《一种直膨式太阳能热泵热水***》等公布了常规的直膨式太阳能热泵热水***及其改进***，这些***中都是采用平板型集热板兼做太阳能集热器和蒸发器。研究证明，在晴空强光照条件下，相对于常规的空气源热泵热水***，直膨式太阳能热泵热水***能大大提高热泵热水器的性能，但是在低光照或无照条件下，直膨式太阳能热泵热水***的性能反而低于常规的空气源热泵热水***。这是因为在高光照条件下，集热/蒸发器可以吸收大量的太阳能从而大大提高了***的蒸发温度，有效改善***的性能。但是，在低光照或无照条件下，由于直膨式太阳能热泵热水***采用的平板式集热/蒸发器与空气的换热性能要远逊于常规空气源热泵***所采用的翅片管式蒸发器，故而不能从空气中吸收足够的热量来弥补太阳能的不足，从而导致其性能反而低于常规的空气源热泵热水***，甚至不能保证正常的热水供应。
为了提高热泵热水器的性能同时解决现有的直膨式太阳能热泵存在的不能充分利用空气源的问题，结合喷射器具有的回收膨胀功的能力，本发明提出了一种直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，该***可以充分利用太阳能和空气源两种能源，保证该***全天候保持较高的性能。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，该***包含两种工作模式：太阳能辅助工作模式和空气源工作模式，在强光照条件下，该***采用太阳能辅助工作模式充分利用太阳能来帮助提高***性能；在低光照或无光照条件下，该***采用空气能工作模式通过充分利用空气能来保证***仍然可以获得较高的能效；简言之，该***可以充分利用太阳能和空气能两种能源，保证该***全天候保持较高的性能。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，包括压缩机1，压缩机1出口连接储水箱2的外盘管冷凝器的入口，储水箱2的外盘管冷凝器的出口分为两路，一路依次连接第一电磁阀9、太阳能集热器3、第二电磁阀10和喷射器4的工作流体入口；另一路通过第三电磁阀11直接连接喷射器4的工作流体入口；喷射器4的出口连接气液分离器5的入口，气液分离器5的出口分为两路，一路饱和制冷剂液体出口通过节流机构6连接蒸发器7的入口，蒸发器7的出口连接喷射器4的被引射流体入口；另一路饱和制冷剂气体出口直接连接压缩机1的入口，形成制冷剂的闭合循环通道；太阳辐射仪12、环境温度传感器13、设置在太阳能集热器3中心的制冷剂管路上的制冷剂温度传感器14以及设置在储水箱2中的水温度传感器15连接控制器8的输入端，控制器8的输出端连接第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11和压缩机1；太阳辐射仪12检测太阳集热器3上的太阳辐射强度，环境温度传感器13检测外界环境温度，制冷剂温度传感器14检测太阳能集热器3中制冷剂管内的制冷剂的蒸发温度，水温度传感器15检测储水箱2中水的温度。
所述的储水箱2为外盘管式静态加热水箱，储水箱从内到外依次由内胆、缠绕于内胆外侧面的冷凝器管路、保温层和外壳组成。
所述的太阳能集热器3为带玻璃盖板，底部有隔热保温层的平板式集热器。
所述的节流机构6为热力膨胀阀或者电磁膨胀阀。
所述的蒸发器7为风冷式翅片管蒸发器。
所述控制器8为可编式程序控制器，输入端连接太阳辐射仪12、环境温度传感器13、制冷剂温度传感器14和水温度传感器15，输出端连接第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11和压缩机1。
所述太阳辐射仪12和环境温度传感器13布置于太阳能集热器3上方，制冷剂温度传感器14布置于太阳能集热器3中心的制冷剂管路上，水温度传感器15布置于储水箱2内水中。
所述压缩机1和第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11的开关受控制器8的控制，进行***工作模式的切换。当压缩机1开启，第一电磁阀9和第二电磁阀10开启，第三电磁阀11关闭时，***开启太阳能辅助工作模式；当压缩机1开启，第三电磁阀11开启，第一电磁阀9和第二电磁阀10关闭时，***开启空气源工作模式。
相对于常规的热泵循环***和直膨式热泵循环***，该直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***可以达到如下有益效果：
(1)相对于常规的热泵循环***热泵***，在高光照条件下，本***可以采用太阳能辅助工作模式充分利用太阳能来提高***的性能；在低光照和无光照条件下，本***采用空气源工作模式，***中的喷射器可以回收节流过程的部分膨胀功，相对于常规的空气源热泵热水***仍然可以保持相对较高的性能。
(2)该***克服了常规直膨式热泵热水***在低光照或无光照条件下不能充分利用空气源导致能效低的缺点，在低光照或无光照条件下该***通过将工作模式切换到空气源工作模式来充分利用空气能，从而保证仍然可以获得较高的能效。
(3)该***能根据太阳能辐射强度、环境温度和集热器中制冷剂温度来判定***的最佳工作模式，保证***全天候保持较高的性能
附图说明
图1是本发明***的结构示意图。
图2是本发明***的控制方法流程图。
具体实施方式
本发明主要由压缩机1、储水箱2、太阳能集热器3、喷射器4、气液分离器5、节流机构6、蒸发器7、控制器8、第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11、太阳能辐射仪12，环境温度传感器13，制冷剂温度传感器14和水温度传感器15组成，分为制冷剂循环和控制电路两个部分。
制冷剂循环：压缩机1出口连接储水箱2的外盘管冷凝器的入口，储水箱2的外盘管冷凝器的出口分为两路，一路储水箱2的外盘管冷凝器的出口、第一电磁阀9、太阳能集热器3、第二电磁阀10和喷射器4的工作流体入口依次连接；另一路，储水箱2的外盘管冷凝器的出口通过第三电磁阀11直接连接喷射器4的工作流体入口。喷射器4的出口连接气液分离器5的入口，气液分离器5的出口分为两路，一路饱和制冷剂液体出口通过节流机构6连接蒸发器7的入口，蒸发器7的出口连接喷射器4的被引射流体入口；另一路饱和制冷剂气体出口直接连接压缩机1的入口，形成制冷剂的闭合循环通道。
控制电路：太阳辐射仪12、环境温度传感器13、制冷剂温度传感器14和水温度传感器15连接控制器8的输入端，控制器8的输出端连接第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11和压缩机1，其中太阳辐射仪12和环境温度传感器13布置于太阳能集热器3上方，制冷剂温度传感器14布置于太阳能集热器中心的制冷剂管路上，水温度传感器15布置于储水箱2内水中。太阳辐射仪12检测太阳集热器上的太阳辐射强度，环境温度传感器13检测外界环境温度，制冷剂温度传感器14检测太阳能集热器中制冷剂管内的制冷剂的蒸发温度，水温度传感器15检测储水箱2中水的温度。
该直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***包括两个工作模式，太阳能辅助工作模式和空气源工作模式，具体工作方式如下：(1)太阳能辅助工作模式
从压缩机1出来的高温高压制冷剂蒸气通过储水箱2的外盘管冷凝器加热储水箱2中的水并冷凝成为饱和或过冷制冷剂液体。该饱和或过冷制冷剂液体从储水箱2的外盘管冷凝器流出后经过第一电磁阀9进入太阳能集热器3中，在太阳能集热器3中吸收太阳能辐射并部分蒸发成为两相制冷剂流体，然后经过第二电磁阀10进入进喷射器4的工作流体入口。喷射器4出口的两相制冷剂流体进入气液分离器5中气液分离分为两路，一路饱和制冷剂液体通过节流机构6节流后进入蒸发器7中完全蒸发，然后回到喷射器4的被引射流体入口；另一路饱和制冷剂气体出口直接连接压缩机1入口，完成循环。
(2)空气源工作模式
从压缩机1出来的高温高压制冷剂蒸气通过储水箱2的外盘管冷凝器加热储水箱2中的水并冷凝成为饱和或过冷制冷剂液体。制冷剂从储水箱2的外盘管冷凝器流出后经过第三电磁阀11直接进入喷射器4的工作流体入口。喷射器4出口的两相制冷剂流体进入气液分离器5中气液分离分为两路，一路饱和制冷剂液体通过节流机构6节流后进入蒸发器7中完全蒸发，然后回到喷射器4的被引射流体入口；另一路饱和制冷剂气体出口直接连接压缩机1入口，完成循环。
如图2所示，本发明还提供了该直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：热泵热水***开启之后，首先由水温度传感器15检测储水箱2内水的温度Tw，与设定的热水目标温度Ts对比；若Ts-Tw≤△T，***不开启；若Ts-Tw＞△T，则开启第一电磁阀9、第二电磁阀10和第三电磁阀11，***自检，开启压缩机1，△T范围为1～10℃。
步骤2：基于太阳辐射仪12、环境温度传感器13和制冷剂温度传感器14采集的工况数据，控制器8计算出太阳能集热器与环境之间的漏热量Ql和太阳能集热器接收到的太阳辐射量Qr；若Qr＞Ql，则第一电磁阀9和第二电磁阀10开启，第三电磁阀11关闭，***开启太阳能辅助工作模式；若Qr≤Ql，则第三电磁阀11开启，第一电磁阀9和第二电磁阀10关闭，***开启空气源工作模式；同时开始对***运行时间进行计时，累计工作时间为t1。
步骤3：在热泵热水***开机期间，水温度传感器15定时采集储水箱2内水的温度Tw，与设定的热水目标温度Ts对比，采集时间间隔为1～10s；若Tw-Ts≤△T，则对比累计工作时间t1与***预设检测时间间隔ts大小，ts范围为5～20min；若ts<t1，则***保持目前工作模式不变；若ts≥t1，则t1清零，***回到步骤2，继续工作；若Tw-Ts＞△T，***关机，完成热水加热过程。
作为本发明的优选实施方式，所述控制器8计算太阳能集热器3与环境之间的漏热量Ql以及太阳能集热器3接收到的太阳辐射量Qr的计算公式如下：
Ql＝UApl(tr-ta)
Qr＝ηopt AplG
其中：U为太阳能集热器3的热损系数，其值主要由太阳能集热器的结构参数和材料特性决定，由实验测得或者理论计算得出；
Apl为太阳能集热器3中集热板的面积；
tr为制冷剂温度传感器14采集的太阳能集热器3中制冷剂管内的制冷剂的蒸发温度；
ta为环境温度传感器13采集的环境温度；
ηopt为太阳能集热器3中太阳能集热板的吸收率；
G为太阳辐射仪12测得辐射在太阳能集热器3上的太阳辐射强度。
基于太阳能集热器的特性，上述公式忽略次要因素对太阳能集热器传热特性影响，采用集总参数法给出了太阳能集热器的漏热量和接收到的辐射量的计算方法，兼顾了计算精度和计算速度两方面因素。采用上述计算方法，控制器8可以简单快捷计算出太阳能集热器接受到的太阳辐射量和漏热量，并进行工作模式的选择。

Claims (9)

1.一种直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，包括压缩机(1)，其特征在于：压缩机(1)出口连接储水箱(2)的外盘管冷凝器的入口，储水箱(2)的外盘管冷凝器的出口分为两路，一路依次连接第一电磁阀(9)、太阳能集热器(3)、第二电磁阀(10)和喷射器(4)的工作流体入口；另一路通过第三电磁阀(11)直接连接喷射器(4)的工作流体入口；喷射器(4)的出口连接气液分离器(5)的入口，气液分离器(5)的出口分为两路，一路饱和制冷剂液体出口通过节流机构(6)连接蒸发器(7)的入口，蒸发器(7)的出口连接喷射器(4)的被引射流体入口；另一路饱和制冷剂气体出口直接连接压缩机(1)的入口，形成制冷剂的闭合循环通道；太阳辐射仪(12)、环境温度传感器(13)、制冷剂温度传感器(14)以及水温度传感器(15)连接控制器(8)的输入端，控制器(8)的输出端连接第一电磁阀(9)、第二电磁阀(10)、第三电磁阀(11)和压缩机(1)。
2.根据权利要求1所述的直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，其特征在于：所述的储水箱(2)为外盘管式静态加热水箱，储水箱从内到外依次由内胆、缠绕于内胆外侧面的冷凝器管路、保温层和外壳组成。
3.根据权利要求1所述的直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，其特征在于：所述的太阳能集热器(3)为带玻璃盖板，底部有隔热保温层的平板式集热器。
4.根据权利要求1所述的直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，其特征在于：所述的节流机构(6)为热力膨胀阀或者电磁膨胀阀。
5.根据权利要求1所述的直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，其特征在于：所述的蒸发器(7)为风冷式翅片管蒸发器。
6.根据权利要求1所述的直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***，其特征在于：所述太阳辐射仪(12)和环境温度传感器(13)布置于太阳能集热器(3)上方，制冷剂温度传感器(14)布置于太阳能集热器(3)中心的制冷剂管路上，水温度传感器(15)布置于储水箱(2)内水中；太阳辐射仪(12)检测太阳集热器(3)上的太阳辐射强度，环境温度传感器(13)检测外界环境温度，制冷剂温度传感器(14)检测太阳能集热器(3)中制冷剂管路内的制冷剂的蒸发温度，水温度传感器(15)检测储水箱(2)中水的温度。
7.权利要求1所述的直膨式太阳能辅助的喷射器增效热泵热水***的控制方法，其特征在于：根据太阳辐射强度的不同，该***有两种工作模式供选择：太阳能辅助工作模式和空气源工作模式；其中太阳能辅助工作模式适用于强光照工作条件，空气源工作模式适用于低光照或无光照工作条件；基于太阳辐射仪(12)、环境温度传感器(13)和制冷剂温度传感器(14)采集的工况数据，控制器(8)通过计算太阳能集热器与环境的漏热量和太阳能集热器接收到的太阳辐射量来判定***最佳工作模式，并通过控制第一电磁阀(9)、第二电磁阀(10)和第三电磁阀(11)的开关来进行工作模式的切换。
8.权利要求7所述的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：热泵热水***开启之后，首先由水温度传感器(15)检测储水箱(2)内水的温度Tw，与设定的热水目标温度Ts对比，若Ts-Tw≤△T，***不开启；若Ts-Tw＞△T，则开启第一电磁阀(9)、第二电磁阀(10)和第三电磁阀(11)，***自检，开启压缩机(1)，△T范围为1～10℃；
步骤2：基于太阳辐射仪(12)、环境温度传感器(13)和制冷剂温度传感器(14)采集的工况数据，控制器(8)计算出太阳能集热器(3)与环境之间的漏热量Ql以及太阳能集热器(3)接收到的太阳辐射量Qr，若Qr＞Ql，则第一电磁阀(9)和第二电磁阀(10)开启，第三电磁阀(11)关闭，***开启太阳能辅助工作模式；若Qr≤Ql，则第三电磁阀(11)开启，第一电磁阀(9)和第二电磁阀(10)关闭，***开启空气源工作模式；同时开始对***运行时间进行计时，累计工作时间为t1；
步骤3：在热泵热水***开机期间，水温度传感器(15)定时采集储水箱(2)内水的温度Tw，与设定的热水目标温度Ts对比，采集时间间隔为1～10s；若Tw-Ts≤△T，则对比累计工作时间t1与***预设检测时间间隔ts大小，ts范围为5～20min；若ts<t1，则***保持目前工作模式不变；若ts≥t1，则t1清零，***回到步骤2，继续工作；若Tw-Ts＞△T，***关机，完成热水加热过程。
9.权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述控制器(8)计算太阳能集热器(3)与环境之间的漏热量Ql以及太阳能集热器(3)接收到的太阳辐射量Qr的计算公式如下：
Ql＝UApl(tr-ta)
Qr＝ηopt AplG
其中：U为太阳能集热器(3)的热损系数，其值主要由太阳能集热器的结构参数和材料特性决定，由实验测得或者理论计算得出；
Apl为太阳能集热器(3)中集热板的面积；
tr为制冷剂温度传感器(14)采集的太阳能集热器(3)中制冷剂管内的制冷剂的蒸发温度；
ta为环境温度传感器(13)采集的环境温度；
ηopt为太阳能集热器(3)中集热板的吸收率；
G为太阳辐射仪(12)测得辐射在太阳能集热器(3)上的太阳辐射强度。
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