CN107435970A - 一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***，旨在克服现有太阳能水源热泵采暖***水箱蓄热能力不强，极端天气时***循环水易结冰、运行可靠性低等缺点。本发明采用相变蓄能水箱增加蓄热能力，开发圆柱体相变单元强化换热效果，采用双蒸发器(水冷式蒸发器和风冷式蒸发器)，在水箱蓄热能力不足或阴冷天气条件而导致水冷模式***的能效值低于同工况下风冷模式的能效值时，***能切换至风冷蒸发器模式以维持***稳定高效运行。本发明开发一套智能控制算法，根据***能效和集热器出水水温进行自动控制。该***是一种技术可行，控制方便，节约运行费用，运行效率高的供热***。特别适用于气候干燥，太阳能比较富余的区域。
Description
技术领域
本发明属于土木工程类建筑环境与能源应用工程学科技术领域，具体涉及一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***及其控制方法。
背景技术
近年来，中国经济迅速发展，工业化进程加快，能源消耗量越来越大。为了响应国家“节能减排”的号召，坚持走可持续发展的道路。在我国推行新能源以及新型节能材料的应用已经刻不容缓。
太阳能作为一种自然能源，以其储量丰富且无污染性显示了其独特的优势，已被国际社会公认为未来最具竞争力的能源之一。将太阳能利用与建筑节能技术相结合，可以降低能源消耗，减少环境污染，是建筑节能的一个重要途径。
相变储能技术则是利用相变材料在相变过程中会吸收会释放大量的潜热的优点来进行能量储存的技术，近些年，相变储能技术在建筑节能和暖通空调领域中的应用越来越受到重视。
热泵***是通过消耗一部分高品位的能源作为驱动能源，从低温热源吸取热量将其提升到高位能源，具有很高的能效比，将热泵技术与太阳能技术有机结合能够达到更加节能的目的，因此带蓄热水箱的太阳能水源热泵***在近些年得到了充分的研究。然而由于常规蓄热水箱蓄热能力较小，太阳能又具有不稳定性和间歇性，当太阳能强度不足时会造成水箱蓄存能力不足，造成***较低的能效比。当冬天室外温度很低而水箱蓄热能力不足时，如果继续从水源热泵取热，则有可能造成***循环水结冰，影响***的正常使用。
发明内容
本发明的目的在于：为解决以上问题提出一种可行性高，控制方便，节约运行费用，运行效率高的供热***及其控制方法。
本发明所采用的技术方案是这样的：
一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***，包括太阳能热水***和双蒸发器热泵采暖***，
所述太阳能热水***包括太阳能集热器、第一循环水泵、第一截止阀、第二循环水泵、第二截止阀、第三截止阀、第七截止阀、第一调节阀、第四截止阀、相变蓄能水箱，所述太阳能集热器、第一循环水泵、第一截止阀、第二循环水泵、第二截止阀、调节阀、第四截止阀依次连接形成环形的水循环***。相变蓄能水箱一端连接第七截止阀，第七截止阀的另一端连接在第四截止阀与第一调节阀之间，相变蓄能水箱的另一端连接在第一截止阀与第二循环水泵之间；第三截止阀与第二循环水泵和第二截止阀串联后的管路并联；
所述双蒸发器热泵采暖***包括室外水冷蒸发器、风冷蒸发器、压缩机、风冷冷凝器、节流阀、第五截止阀、第六截止阀；所述水冷蒸发器、第五截止阀、压缩机、风冷冷凝器和节流阀依次连接形成环形的热泵循环***，风冷蒸发器和第六截止阀串联后与水冷蒸发器和第五截止阀串联后的管路并联；
在所述风冷蒸发器、风冷冷凝器、水冷蒸发器和太阳能集热器端均设置有温度传感器，该***由智能控制器根据所述温度传感器所测得的温度统一控制。
优选地，所述相变蓄能水箱内相变单元呈圆柱体结构，能够使热水与相变材料换热充分，充分利用了相变材料储热能力强的特点；且圆柱体相变单元的组成成分的相变温度应该与太阳能热水***在常规天气时的水温相适应，通常为50度左右。
优选地，所述第一调节阀为可以控制流量的电动比例调节阀；所述第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀均为电磁阀。
优选地，所述太阳能热水***中的热媒为盐水或添加了防冻液的水。
本发明采用的另一个技术方案是这样的：
一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***的控制方法，包括如下步骤：
步骤A：检测风冷蒸发器进风口温度T1、风冷冷凝器回风口温度T2、水冷蒸发器进水口温度T3，太阳能集热器出水口温度T4，水冷蒸发器出口水温T5，计算风冷蒸发器模式和水冷蒸发器模式的COP值，具体方法如下：
a.风冷蒸发器模式下COP：
通过实验建立基于室内外空气温度的COP模型，嵌入智能控制器内，***运行时通过检测室内外空气温度来计算当前工况下的COPwind，表达式如下：
COPwind＝a0+a1T1+a2T2+a3T1T2
所述a0、a1、a2、a3为拟合系数，基于实验数据采用最小二乘法辨识获得；
b.水冷蒸发器模式下COP：
通过实验建立基于水冷蒸发器进水温度T3和室内空气温度的COP模型，嵌入智能控制器内，***运行时通过检测水冷蒸发器进水温度T3和室内空气温度来计算当前工况下的COPwater，表达式如下：
COPwater＝b0+b1T3+b2T2+b3T3T2
所述b0、b1、b2、b3为拟合系数，通过实验数据进行辨识得到；
步骤B：比较两种模式下各自COP值，当COPwater≥COPwind，进入步骤a1；否则进入步骤a2；
步骤a1：当T4＞Tsp，进入步骤c1，否则进入步骤c2；其中Tsp为相变温度设定值；
步骤a2：关闭第一截止阀、第四截止阀、第七截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第五截止阀、第二循环水泵，开启第六截止阀、第一循环水泵，进入步骤d1；
步骤c1:开启第一截止阀、第四截止阀、第七截止阀、第三截止阀、第五截止阀、第二循环水泵，关闭第二截止阀、第六截止阀、第一循环水泵，进入步骤d1；
步骤c2：开启第一截止阀、第四截止阀、第三截止阀、第五截止阀、第二循环水泵，关闭第七截止阀，第二截止阀、第六截止阀、第一循环水泵，进入步骤d1；
步骤d1：检测水冷蒸发器出口水温T5，反馈到PI控制器，第一调节阀，实现水冷蒸发器供水量随动调节。
优选地，其中COP值的计算方法是在实验条件下利用温度传感器模块检测风冷冷凝器出风温度ts、回风温度th；利用风量传感器检测风冷冷凝器风量m；利用功率计检测此时***的耗功率Qtotal；***的COP值可表达为：
所述c为空气比热容，根据不同的空气温度查表确定。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
将圆柱体相变蓄热单元放置于太阳能水源热泵热风采暖***的蓄水箱中，使相变材料能够与***中的循环水进行充分换热，有效利用了相变材料储热能力强的特点来克服太阳能的不稳定性和间歇性。并且***中的各种阀门及设备均由自控装置根据循环水温度进行统一控制，实现了控制智能化，使***大部分时间保持高效运行，大大节约了运行能耗。此外，热泵***还采用双蒸发器，由自控装置根据COP和水温控制切换运行模式，最大程度节约能耗。特殊天气下采用风冷蒸发器，避免水源热泵在极端工况下结冰，大大增大了***运行可靠性。
附图说明
图1为本发明相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***示意图；
图中标记：1、太阳能集热器；2、第一循环水泵；3、第二循环水泵；4、相变蓄能水箱；41、相变单元；5、水冷蒸发器；6、风冷蒸发器；7、压缩机；8、风冷冷凝器；9、节流阀；10、第一截止阀；11、第四截止阀；12、第七截止阀；13、第一调节阀；14、第二截止阀；15、第三截止阀；16、第五截止阀；17、第六截止阀；
图2为本发明相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***的控制结构框图；
图3为本发明相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***的相变储能模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-2所示，一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***，包括太阳能热水***和双蒸发器热泵采暖***，所述太阳能热水***包括太阳能集热器1、第一循环水泵2、第一截止阀10、第二循环水泵3、第二截止阀14、第三截止阀15、第七截止阀12、第一调节阀13、第四截止阀11、相变蓄能水箱4，所述太阳能集热器1、第一循环水泵2、第一截止阀10、第二循环水泵3、第二截止阀14、调节阀13、第四截止阀11依次连接形成环形的水循环***。相变蓄能水箱4一端连接第七截止阀12，第七截止阀12的另一端连接在第四截止阀11与第一调节阀13之间，相变蓄能水箱4的另一端连接在第一截止阀10与第二循环水泵3之间；第三截止阀15与第二循环水泵3和第二截止阀14串联后的管路并联；
所述双蒸发器热泵采暖***包括室外水冷蒸发器5、风冷蒸发器6压缩机7、风冷冷凝器8、节流阀9、第五截止阀16、第六截止阀17；所述水冷蒸发器5、第五截止阀16、压缩机7、风冷冷凝器8和节流阀9依次连接形成环形的热泵循环***，风冷蒸发器6和第六截止阀17串联后与水冷蒸发器5和第五截止阀16串联后的管路并联；
在所述风冷蒸发器6、风冷冷凝器8、水冷蒸发器5和太阳能集热器1端均设置有温度传感器，该***由智能控制器根据所述温度传感器所测得的温度统一控制。
设备运行时首先通过传感器检测水冷蒸发器5侧和风冷蒸发器6的温度、风冷冷凝器8侧的温度，通过温度间的拟合关系计算两种模式的COP值，优先选择COP较高的模式运行。
当白天太阳能比较充足，采用水冷蒸发器模式时，太阳能集热器1出水口温度T4较高，此处温度传感器测得后反馈给智能控制器，当此温度值高于相变温度Tsp时，大循环启动，即除第二截止阀14和第六截止阀17关闭外，其余截止阀全开启。第一循环水泵2启动，第二循环水泵3关闭，循环水在第一循环水泵2的驱动作用下从太阳能集热器1流出到达分流点a，此时智能控制器会根据水冷蒸发器出口水温T5控制第一调节阀13对进入两条支路的流量比例进行调节；当夜晚或者阴雨天日照强度不足时，太阳能集热器1的出水口温度T4较低，当低于相变温度Tsp时，开启阀门第一截止阀10、第四截止阀11、第三截止阀15、第五截止阀16，关闭阀门第七截止阀12、第二截止阀14、第六截止阀17；第一循环水泵2关闭，第二循环水泵3开启。智能控制器检测水冷蒸发器出口水温T5，控制第一调节阀13，实现水冷蒸发器供水量随动调节。
当白天太阳能不足或夜间相变储能水箱供热量不足时，采用水冷蒸发器模式***COP值会降低，当其低于当前工况下风冷蒸发器模式的COP值时，关闭阀门第一截止阀10、第四截止阀11、第七截止阀12、第二截止阀14、第三截止阀15、第五截止阀16，第一循环水泵2、第二循环水泵3均关闭；第六截止阀17开启，将室外蒸发器切换成风冷蒸发器6，即将***切换成风冷蒸发器模式，以保证整个***的高效运行。
此外当极端天气(连续较长时间无日照)出现时，太阳能集热器1出水口温度T4很低，当低于某安全设置温度时，关闭阀门第一截止阀10、第四截止阀11、第七截止阀12、第二截止阀14、第三截止阀15、第五截止阀16，第一循环水泵2、第二循环水泵3均关闭；第六截止阀17开启，将室外蒸发器切换成风冷蒸发器6，即将***切换成风冷蒸发器模式，以保证整个***的高效运行；所述安全设置温度具体数值必须根据实际运行时测试数据分析得到。
参见图3，本发明采用的相变材料为圆柱体相变单元，以便热水与相变材料充分换热。当日照充足时，热水从水箱下部进人相变蓄热水箱4再从上部流出；当日照不足时，热水从水箱上部进入水箱与圆柱形相变单元换热后从下部流出。
本发明将相变蓄能装置加入相变水箱，应用到了太阳能热泵采暖***中，并且采用了双蒸发器***根据不能模式下***的能耗系数选择运行模式，节约能耗。同时能避免极端天气时***供热效果不佳造成的热不舒适，确保***运行的安全可靠。采用了与太阳能热水***水温相适应的相变材料作为相变材料，并制成圆柱体相变单元，充分利用了相变材料储能效率高的特性。并且将***中的各项阀门和设备与自动控制***结合，以此实现了智能控制。***始终在最佳性能模式下运行，相比纯风冷热泵***，大大提高了***的平均COP，相比普通太阳能水源热泵***，由于相变储能水箱较高的蓄热能力，可以在夜间或日照不太充足的时候依然使***中的水保持较高的温度，使***绝大部分时间处于高效运行状态，并且避免了极端天气下水源热泵结冰，提升了***运行的可靠性。
Claims (6)
1.一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***，其特征在于：包括太阳能热水***和双蒸发器热泵采暖***，
所述太阳能热水***包括太阳能集热器、第一循环水泵、第一截止阀、第二循环水泵、第二截止阀、第三截止阀、第七截止阀、第一调节阀、第四截止阀、相变蓄能水箱，所述太阳能集热器、第一循环水泵、第一截止阀、第二循环水泵、第二截止阀、调节阀、第四截止阀依次连接形成环形的水循环***；相变蓄能水箱一端连接第七截止阀，第七截止阀的另一端连接在第四截止阀与第一调节阀之间，相变蓄能水箱的另一端连接在第一截止阀与第二循环水泵之间；第三截止阀与第二循环水泵和第二截止阀串联后的管路并联；
所述双蒸发器热泵采暖***包括室外水冷蒸发器、风冷蒸发器、压缩机、风冷冷凝器、节流阀、第五截止阀、第六截止阀；所述水冷蒸发器、第五截止阀、压缩机、风冷冷凝器和节流阀依次连接形成环形的热泵循环***，风冷蒸发器和第六截止阀串联后与水冷蒸发器和第五截止阀串联后的管路并联；
在所述风冷蒸发器、风冷冷凝器、水冷蒸发器和太阳能集热器端均设置有温度传感器，该***由智能控制器根据所述温度传感器所测得的温度统一控制。
2.根据权利要求1所述的一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***，其特征在于：所述相变蓄能水箱内相变单元呈圆柱体结构。
3.根据权利要求1所述的一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***，其特征在于：所述第一调节阀为可以控制流量的电动比例调节阀；所述第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀均为电磁阀。
4.根据权利要求1所述的一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***，其特征在于：所述太阳能热水***中的热媒为盐水或添加了防冻液的水。
5.一种相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤A：检测风冷蒸发器进风口温度T1、风冷冷凝器回风口温度T2、水冷蒸发器进水口温度T3，太阳能集热器出水口温度T4，水冷蒸发器出水口温度T5，计算风冷蒸发器模式和水冷蒸发器模式的COP值，具体方法如下：
a.风冷蒸发器模式下COP：
通过实验建立基于室内外空气温度的COP模型，嵌入智能控制器内，***运行时通过检测室内外空气温度来计算当前工况下的COPwind，表达式如下：
COPwind＝a0+a1T1+a2T2+a3T1T2
所述a0、a1、a2、a3为拟合系数，基于实验数据采用最小二乘法辨识获得；
b.水冷蒸发器模式下COP：
通过实验建立基于水冷蒸发器进水温度T3和室内空气温度的COP模型，嵌入智能控制器内，***运行时通过检测水冷蒸发器进水温度T3和室内空气温度来计算当前工况下的COPwater，表达式如下：
COPwater＝b0+b1T3+b2T2+b3T3T2
所述b0、b1、b2、b3为拟合系数，通过实验数据进行辨识得到；
步骤B：比较两种模式下各自COP值，当COPwater≥COPwind，进入步骤a1；否则进入步骤a2；
步骤a1：当T4＞Tsp，进入步骤c1，否则进入步骤c2；其中Tsp为相变温度设定值；
步骤a2：关闭第一截止阀、第四截止阀、第七截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第五截止阀、第二循环水泵，开启第六截止阀、第一循环水泵，进入步骤d1；
步骤c1:开启第一截止阀、第四截止阀、第七截止阀、第三截止阀、第五截止阀、第二循环水泵，关闭第二截止阀、第六截止阀、第一循环水泵，进入步骤d1；
步骤c2：开启第一截止阀、第四截止阀、第三截止阀、第五截止阀、第二循环水泵，关闭第七截止阀，第二截止阀、第六截止阀、第一循环水泵，进入步骤d1；
步骤d1：检测水冷蒸发器出口水温T5，反馈到PI控制器，第一调节阀，实现水冷蒸发器供水量随动调节。
6.根据权利要求5所述相变储能双蒸发器太阳能热泵采暖***，其特征在于：其中COP值的计算方法是在实验条件下利用温度传感器模块检测风冷冷凝器出风温度ts、回风温度th；利用风量传感器检测风冷冷凝器风量m；利用功率计检测此时***的耗功率Qtotal；***的COP值可表达为：
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所述c为空气比热容，根据不同的空气温度查表确定。
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