带自驱动分离热管储能装置的太阳能热泵供热系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能热利用和太阳能热泵技术领域，特别是涉及一种带自驱动分离热管储能装置的太阳能热泵供热系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，在工农业生产、生活供热、采暖等方面充分利用太阳能资源可以节约传统能源、降低环境污染。
[0003]常规的太阳能热利用技术采用太阳能集热器(主要有全玻璃真空管集热器、全玻璃真空热管集热器和平板太阳能集热器)吸收太阳能转化为热能用来加热流经集热器的介质，加热的介质用来作为加热生活热水、采暖和工业供热的热源。
[0004]但由于太阳能能量密度小、连续性差以及受环境、天气变化的影响等缺点，使得太阳能集热系统安装面积大、在低环境温度和低太阳辐照强度下热利用效率低、供热负荷不稳定需要储能装置以及在寒冷的冬季需要加装防冻措施等等，限制了太阳能热利用技术在生产生活中的应用。
[0005]热泵技术是利用热力学卡诺循环的原理，消耗少量高品味能源(如电能)将大量的热能从低温热源向高温热源输送，输送的热量除以所消耗高品味能源称为热泵的能效比(COP)，热泵技术已大规模应用于工业生产和人们的日常生活中，如制取生活热水和采暖。
[0006]常见的热泵供热应用技术有空气源热泵技术和水(地)源热泵技术，分别从空气和水(地)源这两种低温热源中提取热量。但空气源热泵受环境温度的影响很大，在低温环境温度下由于蒸发器蒸发温度的降低以及蒸发器翅片表面的结霜需要除霜，使得空气源热泵的效率大大降低，限制了空气源热泵的推广使用，尤其在寒冷地区。而水(地)源热泵中水源热泵受水源的限制，地源热泵长期从土壤中取热会造成:第一、土壤全年的取放热不平衡，第二、长期取热导致土壤温度逐步下降，带来热泵效率的下降，严重的时候会导致热泵系统的崩溃。
[0007]将热泵技术和太阳能热利用技术结合，以太阳能作为热泵系统的低温热源，既能提高热泵系统运行效率，又能提高太阳能的利用率。太阳能与热泵技术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，存在二次换热过程。
[0008]直膨太阳能热泵结构紧凑，并且由于制冷剂吸热蒸发，集热器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，是实现太阳能热泵供热的最佳技术途径。
[0009]在众多太阳能集热器中，平板式太阳能集热器由于集热面积大、安装方便、易与建筑结合以及作为热泵的蒸发器制作简单，更为主要的是平板式太阳能集热器的闷晒温度远较真空管式太阳能集热器的闷晒温度低。所以选择平板太阳能集热器作为太阳能热泵的集热蒸发器是最佳的技术选择。
[0010]太阳能集热蒸发器的集热量受太阳辐射强度和环境温度变化的影响很大，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，同时平板太阳能集热器的闷晒温度高达130°c以上，而真空管式太阳能集热器的闷晒温度更是高达250°C以上，太阳能集热蒸发器内热泵工作介质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。
[0011]现有热泵压缩机的蒸发温度范围-15°C ~25°C，无法适合太阳能热泵的工况。
[0012]另外，太阳能热泵在夜间和阴雨天气无法正常工作，而在太阳能能量充足时会产生富余能量的浪费。将太阳能热泵技术和储能技术结合，利用储能设备储存太阳能，能起到削峰填谷的作用，可以很好地克服太阳能不连续的缺陷。目前，储能技术多采用主动储能，利用外界动力，将能量储至蓄能材料内部，在储能过程要消耗一定的外界能量，使得整个太阳能热泵换热系统的效率降低。
[0013]当太阳能热泵应用到大型工程中时，系统供热负荷较大，所需太阳能集热蒸发器面积较大，此时需要多块集热蒸发器并联运行，受各种因素影响，这就经常出现不同集热蒸发器运行状况不同，且系统也经常需要长距离、大高差运送制冷剂，集热蒸发器布置受限于场地等无法规则布置。同时在运行过程中会受到不同程度遮荫的影响，使得通过各太阳能集热蒸发器的制冷剂流量不一致，各太阳能集热蒸发器获得的热量也不一致，控制不当会使得整个太阳能集热系统效率下降，严重的时候甚至会导致太阳能热泵换热系统的崩溃。
[0014]热泵压缩机的回气温度有一定的工作范围，过高的回气温度会引起压缩机电机的损毁，当太阳辐照强度较大时，必须控制压缩机的回气温度不超过极限值，保证压缩机一直处在允许工况范围内正常运行。
[0015]热泵系统停机后，太阳能集热蒸发器内温度和压力会因为暴晒而剧增，使得太阳能集热蒸发器承受巨大的压力，同时当热泵系统再次开机时会出现压缩机回气温度过高而引起压缩机的损毁。
[0016]平板太阳能集热器在有太阳时是集热器，在没太阳时是散热器，太阳能集热板芯温度和环境温度相同，在严寒地区应用的必须解决防冻问题。
[0017]在严寒地区，太阳能集热器表面经常会收到雪、霜覆盖，这样会影响太阳能热泵的正常运行。
[0018]上述技术缺陷和技术难题都是本发明需要解决的。
【发明内容】
[0019]本发明主要解决的技术问题是提供一种带自驱动分离热管储能装置的太阳能热泵供热系统及控制方法，能够提高热泵系统运行效率和连续运行的稳定性，又能提高太阳能的利用率，满足了太阳能热泵复杂多变的工况，并实现了太阳能热泵供热技术的产品化。
[0020]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种带自驱动分离热管储能装置的太阳能热泵供热系统，包括:太阳能集热蒸发器阵列、回气温度控制单元、自驱单元、主机单元、储能单元和末端换热单元，所述太阳能集热蒸发器阵列与回气温度控制单元连接，所述回气温度控制单元分别与自驱动单元和主机单元连接，所述自驱单元再分别与主机单元和储能单元连接，所述储能单元还与主机单元连接，所述主机单元再与末端换热单元连接。
[0021]在本发明一个较佳实施例中，所述太阳能集热蒸发器阵列包括多个并联设置的太阳能集热蒸发器模块，所述太阳能集热蒸发器模块包括太阳能集热蒸发器、第一电子膨胀阀、第一控制器、第一温度传感器和第一压力变送器，所述第一电子膨胀阀连接在太阳能集热蒸发器的入口端，所述太阳能集热蒸发器的出口端设置有第一温度传感器和第一压力变送器，所述第一温度传感器和第一压力变送器通过信号线与第一控制器连接，第一控制器再通过信号线与第一电子膨胀阀连接，所述太阳能集热蒸发器阵列中的液相干管上连接有第五电磁阀。
[0022]在本发明一个较佳实施例中，所述太阳能集热蒸发器包括吸热板芯、透明盖板、保温边框和保温背板，所述吸热板芯由表面带太阳能选择性涂层的吸热板和背面蛇形布置的蒸发换热管组成，蒸发换热管与吸热板通过焊接和胀接结合，吸热板芯上部设有透明盖板，侧边设有保温边框，底部设有保温背板。
[0023]在本发明一个较佳实施例中，所述回气温度控制单元包括第二电子膨胀阀、第二控制器、第二温度传感器、第二压力变送器和第一电磁阀，所述第二电子膨胀阀的一端与第一电磁阀连接，第二电子膨胀阀的另一端同时与太阳能集热蒸发器阵列的液相干管和自驱动单元连接，所述第一电磁阀的另一端同时与太阳能集热蒸发器阵列的气相干管和主机单元连接，所述第二温度传感器和第二压力变送器设置在回气温度控制单元与主机单元之间，所述第二温度传感器和第二压力变送器通过信号线与第二控制器连接，第二控制器再通过信号线与第二电子膨胀阀连接。
[0024]在本发明一个较佳实施例中，所述自驱单元包括恒压储液器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、冷凝储液器、第二电磁阀、第三电磁阀和第六电磁阀，所述第一单向阀的出口端同时与回气温度控制单元和主机单元连接，第一单向阀的入口端与第六电磁阀连接，第六电磁阀的另一端与恒压储液器的底部接口连接，恒压储液器的侧面接口与第二单向阀的出口端连接，第二单向阀的入口端与冷凝储液器的侧面接口连接，冷凝储液器的顶部接口与第二电磁阀连接，第二电磁阀的另一端与主机单元连接，冷凝储液器的底部接口与第三单向阀的出口端连接，第三单向阀的入口端连与第三电磁阀连接，第三电磁阀的另一端与储能单元连接。
[0025]在本发明一个较佳实施例中，所述主机单元包括第一电磁三通阀、第二电磁三通阀、第三电磁三通阀、第四电磁三通阀、压缩机、四通换向阀、第三电子膨胀阀、第三控制器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第四电磁阀，所述第一电磁三通阀的I接口端与回气温度控制单连接，第一电磁三通阀的II接口端与四通换向阀的I接口端连接，四通换向阀的π、ιπ、ιν接口端分别与压缩机的吸气端、第二电磁三通阀的I接口端以及压缩机的排气端连接，第二电磁三通阀的II接口端与末端换热单元连接，第二电磁三通阀的III接口端与同时与储能单元和第三电子膨胀阀连接，第三电子膨胀阀的另一端与第三电磁三通阀的III接口端连接，第三电磁三通阀的I接口端与自驱单元连接，第三电磁三通阀的II接口端与第四电磁三通阀的I接口端连接，第四电磁三通阀的II接口端与末端换热单元连接，第四电磁三通阀的III接口端同时与储能单元和第四电磁阀连接，第四电磁阀的另一端同时与第一电磁三通阀的III接口端和自驱单元中的第二电磁阀连接，第三温度传感器设置在压缩机的回气口处，第四温度传感器设置在第三电磁三通阀的III接口端与第三电子膨胀阀之间，第五温度传感器设置在第三电子膨胀阀的另一端，第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器分别通过信号线与第三控制器连接，第三控制器再通过信号线与第三电子膨胀阀连接。
[0026]在本发明一个较佳实施例中，所述储能单元包括板式换热器、水泵和地埋管，所述板式换热器的制冷剂管路一端同时与自驱单元中的第三电磁阀和主机单元中第三电子膨胀阀的一端连接，板式换热器的制冷剂管路另一端同时与主机单元中第四电磁阀和第四电磁三通阀的III接口端连接，板式换热器的水管路一端与地埋管的入口端连接，板式换热器的水管路另一端与水泵的出口端连接，水泵的入口端与地埋管的出口端连接。
[0027]在本发明一个较佳实施例中，所述末端换热单元包括换热器，换热器的一端与主机单元中第二电磁三通阀的II接口端连接，换热器的另一端与主机单元中的第四电磁三通阀的II接口端连接。
[0028]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种带自驱动分离热管储能装置的太阳能热泵供热系统的控制方法，包括五种运行模式:太阳能热泵制热模式、自驱动分离热管储能模式、储能热泵制热模式、制冷模式和融雪化霜模式，各个运行模式的具体控制过程如下:
一、太阳能热泵制热模式
开启:第一电磁三通阀(I — I