一种热泵热管复合的太阳能热水器控制系统及运行方法与流程

本发明涉及压缩机变容量控制、光伏热泵/热管复合热水器的技术，尤其涉及一种利用控制器和传感器根据从网络获取的天气预报数据和采集的环境参数，决定系统启动时间、热泵/热管运行模式和切换时机，控制光伏热泵模式变容量运行的装置及方法。

背景技术：

随着人们生活水平的不断提高，普通家庭对生活热水的需求也越来越大，生活热水的能耗的比重也不断增大，因此，实现高效节能的生活热水供应成为亟待解决的问题。

太阳能热水器是解决家庭生活热水需求的有效手段。传统的太阳能热水器在阴雨天气或冬季太阳辐射较弱的天气必须依靠电加热才能满足用户制取生活用水的需求，但是电加热制取生活热水的能效远低于使用热泵制取生活热水的能效。

光伏热泵热水器是一种将光伏电池板和热泵热水器结合的光伏光热一体化装置。它能在有限的面积内同时满足光伏发电和光热制取生活热水，热泵系统保证了系统全年都能制取满足要求的生活热水。

太阳能电池板在吸收太阳辐射发电时，仅10％-18％的能量转化为电能，其余能量则转化为热能。太阳能电池的光电转换效率与电池片温度负相关，太阳能电池电池温度每升高1℃，光电效率下降约0.4％。在较强阳光下，电池片温度很容易达到50-70℃，如果吸收这些热量、降低电池片温度则能让发电效率保持在较高水平。

太阳能是一种时空分布不均匀、受天气影响较大的可再生能源。使用太阳能集热器作为热泵热源时，随着太阳高度角变化、云层不规律遮挡，太阳辐射时刻都在变化。现有太阳能热泵热水器系统或光伏热泵系统大多采用定频压缩机或仅在机组启动前根据太阳辐射和环境温度数据设定本次运行的压缩机工作频率。定频运行的系统应对变化太阳辐射环境的能力不足。在辐射显著增强时，定频运行的系统制热水速度变快，但是造成缩短的时间内光伏电池没有降温运行，也没有抓住有利时机降低运行频率，综合来看全天系统净发电量减少。在辐射显著减弱时，也无法及时作出调整，可能无法在规定的运行时间内完成制热水任务。

压缩机变频技术能调节压缩机运行频率以调节压缩机吸气量，改变热泵热水器系统的吸热能力，进而改变热泵系统的蒸发温度，以满足热泵系统制取生活热水的时间限制、调节光伏电池工作温度以及系统节能运行的目的。

太阳能热泵热水器在辐射强度较高时，蒸发温度过高时，定频启动会造成压缩机过载，造成太阳能热泵热水器在某些辐射较强的工况下无法使用。如果采用变频压缩机，在较低频率下启动，则能避免压缩机过载。然而这种工况下，压缩机也不能以过低的频率启动，否则热泵系统中的节流阀处压力倒挂，系统也无法正常运行。

在气温较高、辐射较强的夏季晴天，光伏太阳能热泵热水器需要的制取热水的时间只需要在2小时以内，造成大量时间光伏组件没有得到冷却，热泵的运行却仍消耗较多的电能。工质泵驱动的环形热管是利用循环工质在高温处吸收热量气化，通过工质泵克服管道阻力，在低温处冷凝放出热量的一种传热环路。太阳辐射较强时，光伏集热蒸发板的温度远高于水箱水温，如能采用工质泵驱动的环形热管模式进行制热水过程，一方面可以避免压缩机启动方面的过载或压力倒挂，另一方面可以用耗能比压缩机更小的工质泵就完成制热水任务。然而同等工质流量下，工质泵驱动的环形热管模式的加热速率小于压缩机驱动的热泵模式的加热速率。天气条件也不一定能支持仅靠环形热管运行完成制热水任务。因此，需要热泵/热管复合运行来满足制热水任务的时间限制。

从上述分析可知，光伏太阳能热泵/热管复合热水器系统能在工作期间降低光伏组件的工作温度、提高光伏组件的发电量，同时热泵模式保证全年条件下的生活热水供应，热管模式有利于有利工况下进一步降低制热水运行能耗，具有占地面积小的优点。跟踪环境工况变化的热泵/热管模式选择策略和根据环境工况的热泵模式变容量运行控制对光伏太阳能热泵/热管复合热水器的适应环境变化、控制工作时间和提高性能系数具有重要作用。因此，研究能跟踪环境工况的变容量光伏太阳能热泵/热管复合热水器系统及方法具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种跟踪环境工况的变容量的热泵热管复合的太阳能热水器控制系统及运行方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种热泵热管复合的太阳能热水器控制系统，所述的控制系统安装在太阳能热水器的光伏集热蒸发板与保温冷凝水箱之间，控制系统包括核心控制组件、环境工况和水箱温度传感组件、热泵与热管的模式切换组件、热泵模式变容量控制组件。

本发明的核心控制组件为联网控制器4；所述的环境工况和水箱温度传感组件包括太阳辐射强度传感器3，环境温度传感器2和水箱水温传感器6；所述的热泵与热管的模式切换组件包括压缩机支路，旁路截止阀11、9，膨胀阀支路，旁路截止阀14、16；所述的热泵模式变容量控制组件包括变频器5，变频压缩机12，膨胀阀13，膨胀阀配套的温度压力传感器8。

本发明的光伏太阳能热泵循环中，光伏集热蒸发板出口与压缩机支路截止阀、变频压缩机、保温冷凝水箱、储液罐、膨胀阀支路截止阀、膨胀阀依次连接，最后回到光伏集热蒸发板入口形成环路，各部件间采用铜管连接，循环介质为制冷剂，所述保温水箱内部有供制冷剂放热的管道，所述光伏集热板内有供制冷剂从光伏电池吸热的管道。

光伏太阳能热管循环与光伏太阳能热泵循环共用光伏集热蒸发器和保温冷凝水箱，光伏集热蒸发板出口与压缩机旁路截止阀、工质泵、保温冷凝水箱、储液罐、膨胀阀旁路截止阀依次连接，最后回到光伏集热蒸发器入口形成环路，各部件间采用铜管连接，循环介质与热泵循环相同。

传感联网控制系统与光伏太阳能热泵循环和光伏太阳能热管循环共用压缩机支路、旁路截止阀和膨胀阀支路、旁路截止阀，太阳辐射强度传感器、环境温度传感器、水箱温度传感器作为传感部分与联网控制器连接，变频器、膨胀阀、工质泵、压缩机支路及旁路截止阀、膨胀阀支路及旁路截止阀作为执行机构与联网控制器连接，变频压缩机与变频器连接，联网传感器与互联网连接。

本发明公开了一种热泵热管复合的太阳能热水器控制系统的运行方法；所述的运行方法包括如下步骤：

1)系统启动前，联网控制器中存储有已制定好的热管模式控制策略表和热泵模式控制策略表；

2)联网控制器访问互联网，获得当天当地气象预报数据；根据当月日照时长设定最大制热水时间，根据当日气象预报数据设定开机时间，同时采集水箱水温，确定当天完成制热水任务需要的时间；

3)系统启动时，联网控制器根据实时采集的太阳辐射强度、环境温度和水箱水初温数据，选择启动不同的工作模式：全程热泵模式，全程热管模式或先热管后热泵模式；

4)在热泵模式下，根据实时采集的数据，联网控制器控制光伏太阳能热泵热水器变容运行；

5)水温达到预定温度，则控制器控制系统停机。

本发明的该方法主要依托联网控制器，该联网控制器可为plc、单片机、计算机或其他具有联网、存储、采集和输出功能的集成控制元件。

本发明的联网控制器的功能主要进行两方面的工作：

一方面是获取天气预报数据、获取实时太阳辐射强度、环境温度和水箱温度数据，控制复合热水器系统的启动时间、运行模式和切换时机，

另一方面是根据实时太阳辐射强度、环境温度和水箱温度，控制热泵模式的变容量运行。为了做好这两方面的工作，联网控制器中存储有已制定好的热管模式控制策略表和热泵模式控制策略表，

热管模式控制策略表中存储有根据产品特性得到的在各种环境工况下能在规定时间内完成制热水任务的最低初始水箱水温，热泵模式控制策略表中存储有根据产品特性得到的在各种环境工况和水箱温度组合下能在规定时间内完成制热水任务的最低运行频率。

启动前，联网控制器访问互联网获得当天当地气象预报数据，采集水箱水温确定当天完成制热水任务需要的时间。启动时，联网控制器采集传感器部分得到的太阳辐射强度、环境温度和水箱水初温数据，如果太阳辐射强度很高且水箱水初始温度不超出环境温度很多，则将当前环境工况与热管模式控制策略表进行比对，若最低初始水箱水温不低于当前水箱水初温，则进一步调取当天天气预报数据，若在预定制热水任务期间全部是晴天，则联网控制器设定全程热管运行模式。若在上述比对中最低初始水箱水温高于当前水箱水初温或在预定制热水任务区间内有多云天气，则转为先热管后热泵的复合运行模式。若太阳辐射强度不高或水箱水初温超出环境温度很多，则直接转为全程热泵运行模式。

热管运行模式通过联网控制器开启压缩机旁路截止阀、膨胀阀旁路截止阀和工质泵，关闭压缩机支路截止阀、膨胀阀支路截止阀，制冷剂在光伏集热蒸发器中吸热，通过工质泵输送到保温冷凝水箱中放热并回到光伏集热蒸发器中继续吸热形成循环。

热泵运行模式通过联网控制器开启压缩机支路截止阀、膨胀阀支路截止阀、变频压缩机和膨胀阀，关闭压缩机旁路截止阀、膨胀阀旁路截止阀，制冷剂在光伏集热蒸发器中吸热，经过压缩机压缩后输送到保温冷凝水箱放热冷凝，经过膨胀阀重新变为低温低压的状态继续在光伏集热蒸发器的循环过程。

联网控制器无论在何种运行模式都实时采集环境工况数据和水箱水温数据。在先热管后热泵的运行模式下，联网控制器控制热管模式切换热泵模式的时机。

热管模式运行过程中，如果联网控制器采集到的太阳辐射强度变弱，不足以支持高效的环形热管模式，则联网控制器立刻切换系统为热泵模式，即使太阳辐射强度保持较强，但是根据启动时的判断无法在预定时间内完成制热水任务，则当水箱水温超过环境温度一定程度后，联网控制器自动切换系统为热泵模式。

在热泵模式下，联网控制器控制光伏太阳能热泵热水器的跟踪环境工况的变容量高效运行。一方面，联网控制器实时根据环境工况和水箱温度的组合查询比对热泵模式控制策略表，联网控制器根据查询到的最低运行频率控制变频器输出最低运行频率，变频压缩机在变频器规定的频率下运行，另一方面，联网控制器根据膨胀阀配套的安装在蒸发器出口的温度、压力传感器控制膨胀阀开度，保持光伏集热蒸发器的较低过热度值，两方面结合实现热泵模式的跟踪环境工况的变容量高效运行。

水温达到预定温度，则控制器控制系统停机。此方法可以实现光伏热泵热水系统节能运行，也保证系统完成制热水任务，满足用户需求。

本发明的优点在于：

1)此方法在非变频光伏热泵热水器的基础上增加有限部件，连接改造简便可靠，可在非变频光伏热泵热水器基础上改造升级；

2)采用实时变频调节动态适应环境参数变化，既节约热泵系统运行能耗，也能保证光伏电池保持较高的发电效率、在辐射较弱时保证完成制热水任务；

3)热管模式或先热管后热泵的混合运行模式能避免单纯热泵模式在某些工况下启动阶段的蒸发冷凝压力倒挂现象，也能节约系统能耗。

附图说明

图1为本发明系统连接的示意图；

图2为本发明系统运行的工艺流程图；

图3为本发明的实施例6中的当日的天气情况；

图4为本发明的实施例6中的实施过程图。

其中，1光伏集热蒸发板、2环境温度传感器、3太阳辐射传感器、4联网控制器、5变频器、6水温传感器、7保温冷凝水箱、8膨胀阀用蒸发器出口的温度压力传感器、9压缩机旁路截止阀、10工质泵、11压缩机支路截止阀、12变频压缩机、13膨胀阀、14膨胀阀支路截止阀、15储液罐、16膨胀阀旁路截止阀。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

本发明中的热管模式控制策略表与热泵模式控制策略表为客户在固定太阳辐射强度和环境温度在模拟程序中制定的控制表。

实施例1：如图1所示，本发明的系统包括光伏太阳能热泵循环、光伏太阳能热管循环和传感联网控制系统。光伏太阳能热泵循环中，光伏集热蒸发板1出口与压缩机支路截止阀11、变频压缩机12、保温冷凝水箱7、储液罐15、膨胀阀支路截止阀14、膨胀阀13依次连接，最后回到光伏集热蒸发板1入口形成环路，各部件间采用铜管连接，循环介质为制冷剂，所述保温水箱内部有供制冷剂放热的管道，所述光伏集热板内有供制冷剂从光伏电池吸热的管道。

光伏太阳能热管循环与光伏太阳能热泵循环共用光伏集热蒸发器1和保温冷凝水箱7，光伏集热蒸发板1出口与压缩机旁路截止阀9、工质泵10、保温冷凝水箱7、储液罐15、膨胀阀旁路截止阀16依次连接，最后回到光伏集热蒸发器1入口形成环路，各部件间采用铜管连接，循环介质与热泵循环相同。

传感联网控制系统与光伏太阳能热泵循环和光伏太阳能热管循环共用压缩机支路、旁路截止阀11、9和膨胀阀支路、旁路截止阀14、16，太阳辐射强度传感器3、环境温度传感器2、水箱温度传感器6作为传感部分与联网控制器4连接，变频器5、膨胀阀13、工质泵10、压缩机支路及旁路截止阀11、9、膨胀阀支路及旁路截止阀14、16作为执行机构与联网控制器4连接，变频压缩机12与变频器5连接，联网传感器4与互联网连接。

实施例2：如图1和2所示，该系统能在联网控制器的控制下实现两种运行模式：

1)热管运行模式通过联网控制器4开启压缩机旁路截止阀9、膨胀阀旁路截止阀16和工质泵10，关闭压缩机支路截止阀11、膨胀阀支路截止阀14，制冷剂在光伏集热蒸发器1中吸热，通过工质泵10输送到保温冷凝水箱7中放热并回到光伏集热蒸发器1中继续吸热形成循环。

2)热泵运行模式通过联网控制器4开启压缩机支路截止阀9、膨胀阀支路截止阀14、变频压缩机12和膨胀阀13，关闭压缩机旁路截止阀9、膨胀阀旁路截止阀16，制冷剂在光伏集热蒸发器1中吸热，经过压缩机12压缩后输送到保温冷凝水箱7放热冷凝，经过膨胀阀13重新变为低温低压的状态继续在光伏集热蒸发器1的循环过程。

实施例3：如图1所示，联网控制器4是该系统的核心部件，改联网控制器可以是plc、单片机、计算机或其他具有联网、存储、采集和输出功能的集成控制元件。环境温度传感器2、水箱水温传感器6可以是热电偶、热电阻等温度传感器，太阳辐射传感器3可以是太阳总辐射表等能量化辐射强度大小的元件。联网控制器4能实时采集环境温度传感器2、太阳辐射传感器3和水箱温度传感器6的信号，联网控制器4能通过输出信号控制压缩机旁路、支路截止阀9、11，膨胀阀支路、旁路截止阀14、15，工质泵10的开关通断。联网控制器4能通过通讯方式或端子控制方式设定变频器5的输出电频率，能通过通讯方式或端子控制方式设定膨胀阀13和膨胀阀配套的温度、压力传感器8控制的光伏集热蒸发器1的过热度。

实施例4：如图1所示，变频器5输入电网交流电，根据联网控制器4提供的运行频率输出一定频率的电流驱动压缩机12变频运行。膨胀阀13根据膨胀阀配套的温度压力传感器8检测蒸发器出口制冷剂状态，根据内置pid算法自动调节膨胀阀阀芯的开度大小，保证光伏集热蒸发器1的过热度与联网控制器4设置的过热度相同。

实施例5：如图1和2所示，本发明系统运行方法的详细控制流程如下：

1、启动前，联网控制器4联网获取日期、当天当地天气预报、水箱水初温数据；

随后根据当月日照时长设定最大制热水时长，冬天最大制热水时长小，夏天最大制热水时长大；

随后根据天气预报设定开机时间，若是完全晴天或少云天气，以12点半为中心按预定时间设定启动时间，若是多云，以12点15分为中心按预定时间设定启动时间，若是阴天或更差，以12点为中心按预定时间设定启动时间。

2、启动时，采集启动时的太阳辐射强度、环境温度和水箱水初温。

若辐射强度大于700w/m²且水箱水初温不高于环境温度5℃以上，则进一步判断，否则按全程热泵模式启动机组。

若上一步符合，此时若水箱初始水温不小于热管运行策略表查得的最低水箱水初温，且在预定制热水时长内都是晴天，则按全程热管模式启动机组；

任何一项要求不符合则按先热管后热泵模式启动机组。

3、在运行过程中，无论何种运行模式，联网控制器4每分钟采集当前太阳辐射强度、环境温度和水箱水温数据。

1)全程热管模式时，若水箱水温达到预设水温则关机结束整个制热水流程，否则继续热管模式制热水过程。

2)全程热泵模式时，联网控制器4采集各传感器的数据后，查询热泵模式控制策略表，得出当前环境工况下满足预定制热水时间限制的最低运行频率f，随后设定变频器5运行在新的频率f，若水箱水温达到预设水温则关机结束整个制热水流程，否则继续热泵模式制热水过程。

3)先热管后热泵模式时，若采集环境数据和水箱温度数据后，太阳辐射强度大于700w/m²且水温不高于环境温度10℃以上，则仍然继续热管模式制取热水，若某次任何一项不满足，则转为热泵模式继续制热水过程。

:实施例6：如图3和4所示，本发明系统运行方法的实施流程如下：

1、启动前，联网控制器4联网获取日期为2017年3月15日当日的天气情况如图3所示：

其中水箱水初温为12.73℃，随后根据3月份的日照时长设定最大制热水时长，在本实施例中，为了方便说明，此处最大制热水时长设定为300min，随后根据天气预报设定开机时间，其当日天气为晴天和少云的天气，故以12:30为中心设定启动时间，启动时间为10点整；系统中制定热泵模式控制策略表需用部分节选如下表所示：

热泵模式控制策略表

2)启动时，发现10点整启动时的太阳辐射强度超过700w/m²、环境温度为13℃，水箱水初温为12.73℃。因此发现其辐射强度大于700w/m²且水箱水初温不高于环境温度5℃以上，系统判定为先热管后热泵模式启动。

3)联网控制器每分钟采集当前太阳辐射强度、环境温度和水箱水温数据；其采集的数据如图4所示：

若太阳辐射持续大于700w/m²且水温不高于环境温度10℃以上，则仍然以热管模式制取热水，由于12：30时太阳辐射首次下降到700w/m²以下，因此若12：30前水温未达到环境温度10℃以上，则持续热管模式，直到12：30切换热泵模式，若12：30前已达到环境温度10℃以上，则在温度达标时立刻切换热泵模式。

切换热泵模式后，联网控制器采集各传感器的数据后，查询热泵模式控制策略表，得出当前环境工况下满足预定制热水时间限制的最低运行频率f，随后设定变频器运行在新的频率f，若水箱水温达到预设水温，则关机结束整个制热水流程；否则继续热泵模式制热水过程。

从实施例6中可知：天气预报基本预测准确了当天的天气情况，但是其精度无法满足光伏太阳能热泵热水器实时变容量运行的需求。通过本发明的系统跟随太阳辐射值的变化实时调节压缩机运行频率，配合电子膨胀阀完成了实时变容量运行的任务，跟随效果优异。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。