家用壁挂式平板太阳能热泵热水器的控制方法与流程

本发明涉及太阳能热利用和热泵系统设计和制造技术领域，特别是涉及一种家用壁挂式平板太阳能热泵热水器的控制方法。

背景技术：

太阳能热水器走进城市的唯一途径是像安装分体式空气源热泵热水器一样安装分体壁挂式太阳能热水器。其具体实施的技术路线是将太阳能集热板安装在建筑南向外立面（如阳台、墙面、遮阳等），将储热水箱安装在室内，集热板和储热水箱件布置集热循环管路。

太阳能集热板安装在建筑外立面必须和建筑完美结合，即满足建筑一体化的要求，在众多的集热板中平板式太阳能集热板以其特有的优势——采光面积大、整体强度高、能够承压运行、抗腐蚀和外观美观而脱颖而出。但现有的平板太阳能集热板也因其固有的缺陷影响城市太阳能热水器市场的推广，这些缺陷包括：①低温环境和高温工作区效率低；②环境温度0℃以下集热板的防冻问题。

防冻是太阳能平板集热板最需要解决的问题，现有技术中解决防冻问题最好的方法是采用防冻液作为加热载体，但防冻液在经过夏天高温的暴晒会产生裂解失效，所以防冻液必须每年（至多2-3年）更换一次才能充分保证系统的正常运行。

空气源热泵热水器由于其节能和安装方便而得到了广泛的应用，但由于其在环境温度0℃以下需要除霜以及系统效率低受到使用限制，在我国北方地区几乎无法推广使用。

将热泵和太阳能热水器想结合，在太阳辐射不足时，采用热泵系统制取热水，既能保证供热的稳定，又具有相对较高的制热效率，节能效果显著。

目前研究较多的太阳能热水装置与热泵的结合主要有直接膨胀式和间接膨胀式两种，直接膨胀式太阳能热泵的集热器直接作为热泵系统的蒸发器，制冷剂直接吸收太阳辐射能蒸发；间接膨胀式太阳能热泵的集热器与热泵蒸发器分开，制冷剂从集热器获得的热水中吸收热量蒸发。

直接膨胀式太阳能热泵结构紧凑，并且由于制冷剂吸热蒸发，集热板芯温度相对不高且分布均匀，集热效率能始终保持在较高水平，所需太阳能集热器面积大大缩小，是实现家用壁挂式平板太阳能热泵热水器的最佳技术途径。但太阳能平板集热器的集热效率受太阳辐射强度和环境温度的影响很大，其中太阳辐射强度受气候（如冬夏两季）、环境（如间阴间晴）以及太阳能入射角的影响很大且极不稳定，使得太阳能集热器作为热泵的蒸发器承受巨大的考验，平板太阳能集热器的闷晒温度高达130℃以上，蒸发温度及压力的范围将变得很宽，现有热泵系统根本无法适应这些复杂多变的工况。

专利“直膨式太阳能热泵热水器”（授权公开号：CN2520486，申请号：01276456Y）采用无玻璃盖板、无底部保温的裸板式太阳能集热器作为热泵蒸发器，避开了平板太阳能集热器复杂多变的工况，但没有充分利用太阳能集热器太阳能光能转化效率高的优点，同时裸板容易受到环境污染（如表面粘附灰尘等），表面太阳选择性涂层必须具有极高的耐蚀性和耐候性。

发明专利“一种直膨式太阳能热泵热水系统”（申请号：201210157307.3）采用裸板式太阳能集热器和带玻璃太阳能集热器相结合作为热泵蒸发器，根据外界环境的变化通过PLC实时控制集热面积来实现热泵工况的相对稳定。此专利系统复杂，同样的裸板容易受到环境污染（如表面粘附灰尘等），表面太阳选择性涂层必须具有极高的耐蚀性和耐候性。

现有技术中的其他直膨式太阳能热泵方面都没有涉及到怎么控制和实现太阳能热泵复杂多变和各种恶劣的工况。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种家用壁挂式平板太阳能热泵热水器的控制方法，能够解决：

1、分体壁挂式平板太阳能热水器：①低温环境和高温工作区效率低；②环境温度0℃以下集热板的防冻等问题；

2、空气源热泵热水器冬季除霜以及系统效率低的问题。

3、平板太阳能集热器的集热效率受太阳辐射强度和环境温度的影响很大，闷晒温度更是高达130℃以上，蒸发温度及压力的范围将变得很宽，现有直膨式太阳能热泵系统根本无法适应这些复杂多变和各种恶劣的工况。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种家用壁挂式平板太阳能热泵热水器，包括：室外机和室内机，所述室外机包括太阳能集热蒸发器，太阳能集热蒸发器内部设置有管翼式吸热蒸发板芯，管翼式吸热蒸发板芯由平板太阳能集热板中的集热板芯与热泵的蒸发器一体形成，所述室内机包括控制器、储热水箱以及设置在储热水箱内部的盘管式冷凝器。

在本发明一个较佳实施例中，所述管翼式吸热蒸发板芯上方或内部设置有蒸发换热管与吸热翅片，吸热翅片和蒸发换热管之间通过焊接或胀接方式连接成一整板，蒸发换热管的内部充注有制冷剂。

在本发明一个较佳实施例中，所述管翼式吸热蒸发板芯采用多根蒸发换热管串联、多根蒸发换热管并联或多根蒸发换热管串并联的形式。

在本发明一个较佳实施例中，所述室外机还包括压缩机、储液器、干燥过滤器、电磁阀和热力膨胀阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述太阳能集热蒸发器通过压缩机与盘管式冷凝器汽相连接，所述盘管式冷凝器通过储液器、干燥过滤器、电磁阀和热力膨胀阀与太阳能集热蒸发器液相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述压缩机为太阳能热泵压缩机。

在本发明一个较佳实施例中，所述压缩机的蒸发温度范围为-15℃—45℃，压缩机的吸气温度为≤80℃。

在本发明一个较佳实施例中，所述控制器与储热水箱设置为一体设置或控制器与储热水箱为分离式设置。

在本发明一个较佳实施例中，所述控制器与储热水箱设置为一体或控制器与储热水箱为分离式设置。

在本发明一个较佳实施例中，所述控制器包括：

第一水温传感器，用于检测所述储热水箱的水温温度；

第二温度传感器，用于检测室外环境的温度；

第三温度传感器，用于检测所述管翼式吸热蒸发板芯的温度；

第四温度传感器，用于检测太阳能集热蒸发器中汽态制冷剂温度。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种家用壁挂式平板太阳能热泵热水器的控制方法，包括如下步骤：

启动控制器，当管翼式吸热蒸发板芯的温度高于环境温度时，打开电磁阀并延时开启压缩机；

当管翼式吸热蒸发板芯的温度低于环境温度设定的温差时，关闭压缩机，并同时关闭电磁阀；

当储热水箱的水温温度达到设定温度时，关闭电磁阀并延时关闭压缩机。

本发明的有益效果是：

将平板太阳能集热板中的集热板芯与热泵的蒸发器制成一体形成管翼式集热蒸发器，蒸发换热均匀，整个集热板芯表面温度均匀，大大降低了表面热迁移损失，同时汽液相变传热是对流换热的几十倍，相对于太阳能热水系统效率大大提高，同时彻底解决了平板太阳能集热器的防冻问题，通过控制保证集热蒸发器蒸发温度不会过低，克服了空气源热泵热水器冬季除霜和效率低下的问题，实现太阳能热泵系统的高效率，通过控制器实现对压缩机、热力膨胀阀以及电磁阀的控制，克服了太阳能集热蒸发器复杂多变以及各种恶劣的工况，实现了热泵技术于太阳能热利用的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的家用壁挂式平板太阳能热泵热水器一较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的管翼式集热蒸发器的一较佳实施例的结构示意图；

图3是图2的A-A向视图；

附图中各部件的标记如下：1、太阳能集热蒸发器，2、管翼式吸热蒸发板芯，3、压缩机，4、控制器，5、储热水箱，6、盘管式冷凝器，7、储液器，8、干燥过滤器，9、电磁阀，10、热力膨胀阀，11、蒸发换热管，12、吸热翅片，13、边框，14、隔热保温层，15、透明盖板，16、背板。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图3，本发明实施例包括：

一种家用壁挂式平板太阳能热泵热水器，包括：室外机和室内机，所述室外机包括太阳能集热蒸发器1，太阳能集热蒸发器1内部设置有管翼式吸热蒸发板芯2，管翼式吸热蒸发板芯2由平板太阳能集热板中的集热板芯与热泵的蒸发器一体形成，所述室内机包括储控制器4、储热水箱5以及设置在储热水箱5内部由的盘管式冷凝器6。

所述室外机还包括压缩机3、储液器7、干燥过滤器8、电磁阀9和热力膨胀阀10，所述太阳能集热蒸发器1通过压缩机3与盘管式冷凝器6汽相连接，所述盘管式冷凝器6通过储液器7、干燥过滤器8、电磁阀9和热力膨胀阀10与太阳能集热蒸发器1液相连接。

本发明中采用热泵技术应用在太阳能热利用方面，具体为将平板太阳能集热板的集热板芯与热泵的蒸发器一体形成管翼式吸热蒸发板芯2，将热泵的冷凝器制成盘管式冷凝器6并置于储热水箱5的内部，安装在阳台或室内。

其中，盘管式冷凝器6可以不设置在储热水箱5内部，通过设置独立的冷凝器二次换热或将盘管式冷凝器6绕在储热水箱5的内胆外壁上。

所述管翼式吸热蒸发板芯2上方或内部设置有蒸发换热管11与吸热翅片12，吸热翅片12和蒸发换热管11之间通过焊接或胀接方式连接成一整板，蒸发换热管11的内部充注有制冷剂。

所述管翼式吸热蒸发板芯2采用多根蒸发换热管11串联、多根蒸发换热管11并联或多根蒸发换热管11串并联的形式。

所述太阳能集热蒸发器1包括管翼式吸热蒸发板芯2、边框13、保温隔热层14、透明盖板15和背板16，如图2所示。

其中，所述管翼式吸热蒸发板芯2的上方安装有透明盖板15，管翼式吸热蒸发板芯2的背部安装有背板16，边框13安装在太阳能集热蒸发器1的四周，太阳能集热蒸发器1的背板16与管翼式吸热蒸发板芯2之间以及四周均设置有保温隔热层14。

保温隔热层14采用了聚氨酯发泡或玻璃棉，杜绝了热桥，降低热损，大大提高了集热器集热效率。

所述透明盖板15采用低铁、布纹、钢化玻璃，高透光率和布纹漫反射使得管翼式吸热蒸发板芯2与玻璃内腔之间形成温室效应，钢化使得强度更高，不易损伤。

所述管翼式吸热蒸发板芯2的上方或内部设置有连接成一体的蒸发换热管11与吸热翅片12，吸热翅片12的表面采用磁控溅射氮氧化钛或电镀黑铬太阳能选择性吸收涂层，吸热率达95％±2％，发射率低于8％，性能稳定。

所述吸热翅片12之间相互连接成一整板，蒸发换热管11与吸热翅片12通过焊接或胀接方式连接。

所述蒸发换热管11采用铜、合金铝等金属制成，由多根蒸发换热管11串联形成所述管翼式吸热蒸发板芯2，或者采用多根蒸发换热管11并联的形式，或者采用多根蒸发换热管11串并联的形式。

所述热泵内部的工质采用制冷剂R134a，抽真空注入。

太阳能热泵启动前，太阳能集热蒸发器1内部流道充满制冷剂蒸汽，这时蒸发器内制冷剂蒸汽的温度与环境温度相等，随着管翼式吸热蒸发板芯2吸收太阳辐射能量，吸热板芯温度上升，当吸热板芯温度上升到比环境温度高到一定值时，打开电磁阀9，储液器7内的制冷剂液体通过热力膨胀阀10进入到管翼式集热蒸发器1内部的流道，开始蒸发并吸收热量，温度和压力开始下降。

在延时一段时间后，启动压缩机3，太阳能集热蒸发器1内的低温低压制冷剂蒸汽进入压缩机3，经压缩机3做功在压缩机3出口排出高温高压的制冷剂蒸汽进入设置在储热水箱5中的盘管式冷凝器6冷凝放热并加热储热水箱5中的冷水，冷凝液进入储液器7，在高低压差的作用下通过热力膨胀阀10降压降温进入蒸发器中吸收蒸发，从而形成一个热泵工作循环。

随着储热水箱5内冷水温度不断提高，压缩机3的排气压力和排气温度以及盘管式冷凝器6内冷凝压力和冷凝温度也不断升高，以适应新的工况下动力学和热力学平衡，直到储热水箱5中的水温加热到设定值时，关闭电池阀9，停止供液，太阳能集热蒸发器1中残留液态工质会继续蒸发，直到全部干枯形成过热蒸汽，压缩机3延时一定时间停止运行。

本发明中，所述蒸发换热管11内充满制冷剂（R134a），呈汽液两相流动状态，形成干式蒸发，具有以下优点：

①将原有的液体对流换热方式改变成相变换热方式，大大降低了热损，提高了热传递效率，使得太阳能平板集热器在低温区就能保持高的集热效率；

②制冷剂在蒸发换热管11流动蒸发，蒸发均匀充分，整个集热板芯表面温度均匀，大大降低了表面热迁徙损失；

③采用制冷剂R134a作为热泵的工作介质，在正常工作温度范围内，系统始终处于正压运行，避免常规热管真空运行带来的诸多不利影响；

④在正常工作温度范围内，工作介质无冰点，彻底解决防冻问题。

上述几点实现了热泵技术应用于太阳能热水系统的高效和稳定运行。

所述压缩机3安装在太阳能集热蒸发器1的出口，压缩机3采用改进型的太阳能热泵专用压缩机，具有蒸发温度范围宽（上限温度达到45℃）、吸气温度高（上限温度达到80℃）的特点，适合太阳能热泵复杂多变和各种恶劣的工况。盘管式冷凝器6设置在储热水箱5中，直接加热储热水箱5中的冷水，相对于与储热水箱5分离的冷凝器，省却了加热水循环泵，避免了二次换热，换热效率高。

在盘管式冷凝器6的出口安装了储液器7、干燥过滤器8、电磁阀9和热力膨胀阀10，当储热水箱5水温达到设定温度时，首先关闭电磁阀9、延时一段时间后关闭压缩机3，这样能够有效避免太阳能集热蒸发器1出现过高的压力，如果不停止对太阳能集热蒸发器1的供液，在阳光充足的情况下，会使整个系统压力过高。

控制器4安装在室内，可设置在储热水箱5上和水箱做成一体，也可和储热水箱5分离。控制器4设置四路温度传感器：第一水温传感器，用于检测所述储热水箱5的水温温度；第二温度传感器，用于检测周围环境的温度；第三温度传感器，用于检测所述管翼式吸热蒸发板芯2的温度；第四温度传感器，用于检测太阳能集热蒸发器1中汽态制冷剂温度。

控制器4还三路控制输出端（包括分别连接压缩机3、辅助热源和电磁阀9的控制输出端），一路连接外部告警信号的控制输出端（用于高低压保护等）。主要功能有：

①温度显示和控制：可以显示水箱水温和环境温度，并将水箱温度控制在设定温度的上下限之内；

②辅助电加热的控制：控制器有“自动”和“经济”两种运行模式， 在“经济”模式下，电加热的不启动；

③排气温度保护：当排气温度过高时，停止机组运行并产生告警信号；

④外部告警功能：一路外部开关量告警信号输入，可设置成常开、常闭或禁用，可设置故障自动恢复次数和时间；

⑤定时段运行：具有定时段运行功能；

⑥其它：实时钟、掉电记忆开关机状态(可设置)、压缩机3开机延时保护、温度传感器故障告警、加氟、测试等。

本发明家用壁挂式平板太阳能热泵热水器的工作原理为：

阳光透过透明盖板15照射到管翼式吸热蒸发板芯2上，此时吸热翅片12上太阳能选择性吸收涂层吸收太阳辐射能并转换为热能，同时将热量传递给蒸发换热管11内部的制冷剂工质，使之由液态吸热变成汽态；在太阳能集热蒸发器1进口处热力膨胀阀10的作用下，汽态制冷剂保持一定的过热度进入压缩机3，经过压缩机3压缩，形成高温高压制冷剂蒸汽，进入设置在储热水箱5中的盘管式冷凝器6，由汽态放热冷凝成液态，制冷剂工质冷凝放出的热量加热储热水箱5中的冷水，液态制冷剂工质在压力作用下经过经储液器7、干燥过滤器8、电磁阀9进入热力膨胀阀10节流膨胀，降压降温进入太阳能集热蒸发器1，再次吸收自管翼式吸热蒸发板芯2转换的太阳能而进入下一个热量传输循环。

系统的启停由控制器4实现，当管翼式吸热蒸发板芯2温度高于环境温度设定温差时，表明太阳能辐照强度已达到一定值，打开电磁阀9并延时开启压缩机3，系统启动。

当储热水箱5的水温达到设定水温时，关闭电磁阀9并延时关闭压缩机3；或者管翼式吸热蒸发板芯2温度低于环境温度设定温差以及管翼式吸热蒸发板芯2温度低于设定值时，关闭压缩机3，同时关闭电磁阀9.

以下阐述几个特殊的运行工况：

工况一：间阴间晴。

当出现间阴间晴的气候状况时，太阳能辐射强度会出现很大的波动，在选择定频压缩机时，太阳能集热蒸发器1的蒸发温度随着出现很大波动，尤其在冬天，蒸发温度会出现低于压缩机工况范围的状况；另外蒸发温度低于0℃，系统能效就比较低，同时在太阳能集热蒸发器1的玻璃盖板15表面可能出现结霜的现象，不利于系统稳定运行。

针对这种工况，本发明采用控制管翼式吸热蒸发板芯2温度来实现系统稳定高效运行。当管翼式吸热蒸发板芯2温度高于环境温度设定温差时，表明太阳能辐照强度已达到一定值，打开电磁阀9并延时开启压缩机3，系统启动。当储热水箱5水温达到设定水温，关闭电磁阀9并延时关闭压缩机3；或者管翼式吸热蒸发板芯2温度低于环境温度设定温差（这时太阳能辐照强度已低于一定值）以及管翼式吸热蒸发板芯2温度低于设定值时，关闭压缩机3，同时关闭电磁阀9。当太阳能辐照强度再次升高已达到一定值，同时管翼式吸热蒸发板芯2温度高于环境温度设定温差时，再次启动压缩机3，完成对储热水箱5中冷水的加热

工况二：储热水箱5已达到设定水温，太阳能辐照强度仍很强。

这种工况在夏季经常会碰到，如果不停止对太阳能集热蒸发器1的供液，在阳光充足的情况下，会使太阳能集热蒸发器1出现过高的蒸发温度和蒸发压力，整个系统压力过高，不利于系统的设计和长期稳定运行。

这个时候，系统控制采用关闭电磁阀9并延时关闭压缩机3，关闭电磁阀9停止向太阳能集热蒸发器1供液，延时关闭压缩机3，将太阳能集热蒸发器1内的残留制冷剂液体蒸发吸走，使得在太阳能集热蒸发器1内形成过热蒸汽，使得整个系统压力降低。

本发明家用壁挂式平板太阳能热泵热水器的控制方法的有益效果是：

一、将平板太阳能集热板中的集热板芯与热泵的蒸发器制成一体形成管翼式吸热蒸发板芯2，蒸发换热均匀，整个集热板芯表面温度均匀，大大降低了表面热迁移损失，同时汽液相变传热是对流换热的几十倍，相对于太阳能热水系统效率大大提高；

二、由于采用太阳能集热蒸发器1，制冷剂蒸发温度较相同环境温度下的空气源热泵蒸发温度高，所以太阳能热泵系统COP值较空气源热泵系统COP值高；

三、采用制冷剂（R134a等）作为热泵工作液，R134a的冰点温度为-103℃，彻底解决了平板太阳能集热器的防冻问题；

四、太阳能的太阳能集热蒸发器1始终处在低温（接近环境温度）运行，太阳能光热效率高达75%以上，较常规太阳能集热器40%-45%的热效率大大提高；

五、改进了压缩机3的工况，将压缩机3的蒸发温度和吸气温度上限变大，适应了直膨式太阳能热泵蒸发温度和吸气温度的变化范围；

六、改进了热力膨胀阀10，将热力膨胀阀10的开启范围变大，适应了直膨式太阳能热泵制冷剂流量的变化；

七、在热力膨胀阀10和储液器7之间设置电磁阀9，保护平板太阳能集热蒸发器1不在超高压下运行；

八、通过控制压缩机3的启停，保证集热蒸发器蒸发温度不会过低，实现太阳能热泵系统的高效率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。