基于负荷自适应的太阳能光伏光热热泵控制系统及方法

1.本发明涉及太阳能光伏光热(pvt)热泵控制技术领域，具体是一种基于负荷自适应的pvt热泵控制系统及方法。


背景技术：

2.太阳能光伏光热一体化(pvt)热泵，作为一种新兴的热电联供系统，具有以下优势：a)利用热泵对非连续的太阳能进行补偿，以保障系统运行的稳定性；b)利用太阳能提高热泵的蒸发温度，改善系统热力性能，从而实现清洁能源的优势互补与梯级利用。但pvt热泵实际的应用效果还需要考虑系统供能与建筑负荷的匹配特性。实时变化的太阳辐射照度等气象参数会引发源端pvt蒸发器内部能量耦合与传递过程的非定常性以及荷端用户用能行为的复杂多变和不确定性，外界扰量、系统供能与建筑负荷的波动幅度之间存在一定的衰减与延迟。然而，目前的pvt热泵系统控制多是根据遥控器或线控器进行人为设置，使得热泵系统无法根据不同地区、天气、建筑类型及室内温度需求特点进行灵活控制，系统供能与建筑负荷相适配的控制系统与方法还需要进一步改进。


技术实现要素：

3.针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便的pvt热泵控制系统及方法。在天气条件及建筑负荷发生变化时，控制系统能够对pvt热泵的工作环境准确感知，从而自动调节运行方式，提升系统热电联产效率。
4.本发明提供一种基于负荷自适应的pvt热泵控制系统，具体技术方案如下：pvt热泵机组和控制系统，所述pvt热泵机组包括冷凝器、压缩机、膨胀阀、pvt蒸发器和风冷式蒸发器，控制系统包括传感监测端、数据采集模块、数据处理模块、输出控制端、反馈监测端和数据库模块，其特征在于：
5.pvt蒸发器外壳呈直角三棱柱状，直角边的一个侧面固定在房顶或待安装物的安装平面上，斜侧面安装换热板，斜侧面朝南向安装，光伏板固定在换热板上表面；换热板的下表面安装pvt蒸发盘管支路；在直角三棱柱内部平行于斜侧面安装风冷蒸发盘管支路，风冷蒸发盘管支路到外壳的相邻侧面之间的空间安装风机，所述风机位于pvt蒸发器进风侧；风冷蒸发盘管支路由串联的两层管路构成，每层管路上都设置有翅片，且两层管路均平行于换热板布置在外壳内部；制冷剂入口位于与上部翅片相连的风冷蒸发盘管支路上，制冷剂出口位于与下部翅片相连的风冷蒸发盘管支路上。相比于专利zl202010453021.4中提出的喷雾蒸发型太阳能光伏光热(pvt)冷凝器而言结构略有不同，本发明提出的pvt热泵机组用于冬季供热工况下，故不需要喷雾蒸发冷却装置，而且为避免控制系统过于复杂，保证系统运行的稳定性，本发明中的pvt热泵机组中并不含水盘管支路。
6.传感监测端包括室外温度监测端、风速监测端、太阳辐射监测端等，室外安装有小型气象站，用于监测太阳辐射、室外空气温度和风速。传感监测端监测到的数据与设定温度一同作为输入端实时上传到数据采集模块。
7.数据采集模块用于采集传感监测端监测到的数据并将其传输至数据处理模块。
8.数据处理模块对数据采集模块传输来的数据进行接收与处理，依据室内外环境条件计算出建筑热负荷，并将其与数据库模块中的预设数据，即不同室外环境条件、运行模式下系统的供热量进行比较，从而得出系统在当下室内外环境条件下的运行模式，并将处理结果转换为控制信号传输至输出控制端。
9.输出控制端包括风冷式蒸发盘管支路控制端、pvt蒸发盘管支路控制端、室外风机控制端、室内风机控制端、膨胀阀控制端和压缩机控制端。输出控制端根据数据处理模块传递的控制信号，控制两组蒸发盘管支路的开闭、风机的启停、膨胀阀开度以及压缩机的转速，以改变系统在不同工况下的运行模式。
10.数据库中储存有不同地区、天气、室内设计参数、运行模式下系统的供热量(如日间系统单独采用风冷式蒸发盘管支路控制端供热量q
air
、单独采用pvt蒸发盘管支路控制端供热量q
pvt
、以及同时采用两种盘管支路控制端供热量q
air
‑
pvt
；夜间系统单独采用风冷式蒸发盘管支路控制端制热量q’air
、单独采用pvt蒸发盘管支路控制端制热量q’pvt
、以及同时采用两种盘管支路控制端制热量q’air
‑
pvt
)和相应运行策略(如单独采用风冷式蒸发盘管支路、单独采用pvt蒸发盘管支路以及同时采用pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路)。供热量和运行策略依据试验和模拟结果经大数据统计得出。
11.反馈监测端为保证系统稳定高效运行和室内环境参数满足设定要求而设。反馈监测端包括温度监测端、压力监测端、流量监测端，其中温度监测端包括蒸发、冷凝器进出口空气温度监测端及制冷剂温度监测端。在制冷剂盘管进口安装有制冷剂流量传感器、在进出口安装有温度、压力传感器，在蒸发、冷凝器空气进口安装有空气流量传感器、在进出口安装有温度传感器。反馈监测端将监测到的温度、压力、流量等参数经数据采集模块传递至数据处理模块，在数据处理模块通过分析室内侧回风温度是否满足用户设定温度要求对系统运行进行调节：如不满足，输出控制端可以通过调节风机转速、膨胀阀开度以及压缩机的转速等，调整系统供热量，以满足用户热环境需求；如果满足，则以当前方案继续运行。
12.本发明还提供一种基于负荷自适应的pvt热泵控制系统，该方法的具体控制过程为：
13.用户设定温度，传感监测端监测室外空气温度、室外风速、太阳辐射照度等参数，将数据传输至数据采集模块，数据采集模块接收数据后将其传输至数据处理模块，数据处理模块依据室内外环境条件计算出建筑热负荷，并将其与数据库中的设定供热量进行比较，进而确定热泵机组在不同工况下的运行模式，并将处理结果转换为控制信号传输至输出控制端，输出控制端根据信号控制系统各部件的运作。运行期间，系统反馈监测端会对制冷剂温度、压力、流量及室内侧回风温度和风量进行监测，保证系统高效稳定运行和满足用户热环境需求。若不满足用户热环境需求，系统将会调节风机转速、膨胀阀开度和压缩机转速等，调整系统供热量，以满足用户热环境需求；若满足用户热环境需求，则以当前方案继续运行。
14.在日间，系统监测太阳辐射照度s、室外温度t，室外风速v等参数，将数据经数据采集模块传递至数据处理模块，数据处理模块根据室内外环境条件计算出建筑热负荷q。在运行模式选择过程中为了充分利用太阳能提供的热量，系统会首先判断太阳辐射照度是否满足要求，然后再判断热负荷与供热量的关系，进而确定系统运行模式。当太阳辐射照度s小
于太阳辐射照度设定值s
min
时，若建筑热负荷q小于供热量设定值q
air
，系统输出控制端控制打开风冷式蒸发盘管支路，由该支路单独工作为建筑供热，盘管内制冷剂吸收空气中的热能为建筑提供热量；若建筑热负荷q大于或等于供热量设定值q
air
，系统输出控制端会同时打开pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路，二者同时工作为建筑提供热量。当太阳辐射照度s大于或等于太阳辐射照度设定值s
min
时，若建筑热负荷q小于供热量设定值q
pvt
，系统输出控制端控制打开pvt蒸发盘管支路，由该支路单独工作为建筑供热，盘管内制冷剂同时吸收太阳能和空气热能为建筑供热，同时光伏板产生的电能可以供系统使用；若建筑热负荷q大于或等于供热量设定值q
pvt
，系统输出控制端会同时打开pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路，二者同时工作为建筑提供热量。
15.在夜间，系统监测室外温度t等参数，将数据经采集模块传递至数据处理模块，数据处理模块根据室内外环境条件计算出建筑热负荷q’。夜间情况下太阳辐射照度s’为0，若建筑热负荷q’小于供热量设定值q’air
，系统输出控制端控制打开风冷式蒸发盘管支路，由该支路单独工作为建筑供热，盘管内制冷剂吸收空气中的热能为建筑提供热量；若建筑热负荷q’大于或等于供热量设定值q’air
，系统输出控制端会同时打开pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路，二者同时工作为建筑供热。
16.针对上述多种运行模式，室外侧风机是否运行根据蒸发温度与室外空气温度的差值δt判断。设定启停温差δt0，当δt大于或等于设定值δt0时，风机不开启；当δt小于设定值δt0时，输出控制端控制风机开启，空气流速增大，增加了对流换热系数，蒸发器从空气侧吸取更多热量。同时在系统运行期间，若反馈监测端监测到室内侧回风温度过高或过低，系统会调节风机转速和压缩机转速，进而调节系统制热能力。具体调节方式为：当室内侧回风温度过高，室内侧回风温度与室内设定温度的差值大于设定值δt
in
时，系统会首先调节压缩机转速，减慢压缩机转速m％使其输出的制热量减少，以此来减少系统制热量，直至满足室内温度要求；若压缩机调节到最低要求转速n0后仍无法满足室内温度要求，系统会调节风机转速，逐级降低风机转速，减弱空气与制冷剂的对流换热以减少制热量，直至满足室内温度要求。当室内侧回风温度过低，室内设定温度与室内侧回风温度的差值大于设定值δt
in
时，系统会首先调节风机转速，逐级增大风机转速，增强空气与制冷剂的对流换热系数，直至满足室内温度要求且室内风速不超过最大限值要求；若风机调到最高档或室内风速达到最大限值要求v
max
后仍无法满足室内温度要求，系统会调节压缩机转速，增大压缩机转速m％使其输出的制热量增加，以此来增加系统制热量，直至满足室内温度要求。若反馈监测端监测到室内侧回风温度满足热环境需求，则系统以当前方案继续运行。
17.在调节过程中，风机有高中低档之分，所以风机可以实现逐档逐级调节。压缩机可以实现无级调节，即转速可以连续变化，所以在调节压缩机转速中人为设定每次的调节幅度m％，m跟转速有关，m太大或太小可能会导致能耗的增加或者压缩机的频繁调节，运行不稳定，本实施例中设置m为2、2.5、3、4、4.5、5等，按一定规则减慢或增大压缩机转速。压缩机的最低要求转速n0是为了保证压缩机的运行效率和稳定运行而定，在压缩机制造出厂时就被规定好。室内最大风速限值v
max
可通过查阅相关规范标准确定。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
19.(1)本发明优化了pvt热泵控制系统，通过控制两组蒸发盘管支路的开闭、风机的启停、膨胀阀开度以及压缩机的转速等，调整系统供热量，以满足用户热环境需求。该热泵
控制系统可以针对不同地区、天气、建筑类型及室内温度需求特点采取不同的运行模式，实现了pvt蒸发器与风冷式蒸发器的耦合运行，充分利用了太阳能清洁可再生能源进行热电联产，达到节能降耗的目的。
20.(2)本发明还相应地提出一种控制方法，综合考虑系统供能与建筑负荷的匹配特性，使得热泵系统对变化工况的适应性较好。在数据库模块中预先编入设定不同室内外参数、运行模式下系统供热量和相应运行策略，并与传感监测端监测得到的太阳辐射照度与建筑热负荷分别进行比较，进而确定热泵机组在不同工况下的运行模式，控制系统各部件的运作。在控制系统中引入反馈监测端，系统运行期间会根据室内热环境是否满足用户要求及时调整运行模式，既能营造良好的室内热环境，又能减少热泵系统耗电量，保证系统高效稳定运行。
21.(3)本发明提出的热泵控制系统在控制工程中首先判断太阳辐射照度是否满足要求，然后再通过热负荷与供热量的关系确定系统运行模式，采用这种判断顺序的优势在于可以最大限度利用太阳能，节省电能消耗，同时又可以保证系统的高效稳定运行。当室内侧回风温度过高，说明系统制热量大于房间需热量，此时需要减少制热量，本技术系统会先减慢压缩机转速，减少压缩机耗电量，若不满足要求再逐级降低风机转速，减弱空气与制冷剂的对流换热效果；当室内侧回风温度过低，说明系统制热量小于房间需热量，此时需要增加制热量，系统会先增大风机转速，增强对流换热系数，以此增加制热量，若不满足要求再调节压缩机转速，本技术的控制方法能最大程度地实现节能、减少耗电。
附图说明
22.图1pvt热泵控制系统结构图；
23.图2各端点和模块连接示意图；
24.图3pvt热泵控制流程图；
25.图4pvt热泵控制系统模式选择逻辑图。
26.图中，1数据采集模块、2数据处理模块、3输出控制端、4热泵机组、5反馈监测端、6数据库模块、7传感监测端(小型气象站)；8气液分离器、9压缩机、10膨胀阀、11温度传感器、12压力传感器、13流量传感器。
具体实施方式
27.下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本技术保护范围的限定。
28.本发明提出的一种pvt热泵控制系统，如图1所示，所述控制系统包括：传感监测端7、数据采集模块1、数据处理模块2、输出控制端3、反馈监测端5和数据库模块6，其中各端点和模块间的连接方式见图2所示。
29.传感监测端7包括室外温度监测端、风速监测端、太阳辐射监测端等，室外安装有小型气象站，用于监测太阳辐射、室外空气温度和风速。传感监测端7监测到的数据与用户室内设定温度一同作为输入端实时上传到数据采集模块1。
30.数据采集模块1用于采集传感监测端7监测到的数据并将其传输至数据处理模块2。
31.数据处理模块2对数据采集模块传输来的数据进行接收与处理，依据室内外环境条件计算出建筑热负荷，并将其与数据库模块中的预设数据，即不同室外环境条件、运行模式下系统的供热量进行比较，从而得出系统在当下室内外环境条件下的运行模式，并将处理结果转换为控制信号传输至输出控制端3。
32.输出控制端3包括风冷式蒸发盘管支路控制端、pvt蒸发盘管支路控制端、室外风机控制端、室内风机控制端、膨胀阀控制端和压缩机控制端。输出控制端3根据数据处理模块2传递的控制信号，控制两组蒸发盘管支路的开闭、风机的启停、膨胀阀开度以及压缩机的转速，以改变系统在不同工况下的运行模式。
33.数据库6中储存有不同地区、天气、室内设计参数、运行模式下系统的供热量(如日间系统单独采用风冷式蒸发盘管支路控制端供热量q
air
、单独采用pvt蒸发盘管支路控制端供热量q
pvt
、以及同时采用两种盘管支路控制端供热量q
air
‑
pvt
；夜间系统单独采用风冷式蒸发盘管支路控制端制热量q’air
、单独采用pvt蒸发盘管支路控制端制热量q’pvt
、以及同时采用两种盘管支路控制端制热量q’air
‑
pvt
)和相应运行策略(如单独采用风冷式蒸发盘管支路、单独采用pvt蒸发盘管支路以及同时采用pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路)。供热量和运行策略依据试验和模拟结果经大数据统计得出。
34.反馈监测端5为保证系统稳定高效运行和室内环境参数满足设定要求而设。反馈监测端5包括温度监测端、压力监测端、流量监测端，其中温度监测端包括蒸发、冷凝器进出口空气温度监测端及制冷剂温度监测端。在制冷剂盘管进口安装有制冷剂流量传感器、在进出口安装有温度、压力传感器，在蒸发、冷凝器空气进口安装有空气流量传感器、在进出口安装有温度传感器。反馈监测端将监测到的温度、压力、流量等参数经数据采集模块传递至数据处理模块，在数据处理模块通过分析室内侧回风温度是否满足用户设定温度要求对系统运行进行调节：如不满足，输出控制端可以通过调节风机转速、膨胀阀开度以及压缩机的转速等，调整系统供热量，以满足用户热环境需求；如果满足，则以当前方案继续运行。
35.该pvt热泵控制系统的控制流程和运行模式选择逻辑分别如图3和4所示，具体为：
36.用户设定温度，即确定室内温度，传感监测端监测室外空气温度、室外风速、太阳辐射照度等参数，将数据传输至数据采集模块，数据采集模块接收数据后将其传输至数据处理模块，数据处理模块依据室内外环境条件计算出建筑热负荷，并将其与数据库中的设定供热量进行比较，进而确定热泵机组在不同工况下的运行模式，并将处理结果转换为控制信号传输至输出控制端，输出控制端根据信号控制系统各部件的运作。运行期间，系统反馈监测端会对制冷剂温度、压力和流量及室内侧回风温度进行监测，保证系统高效稳定运行和满足用户热环境需求。若不满足用户热环境需求，系统将会返回“选择、调整系统运行模式”，即控制两组蒸发盘管支路的开闭、风机的启停、膨胀阀开度以及压缩机的转速等，调整系统供热量，以满足用户热环境需求；若满足用户热环境需求，则以当前方案继续运行。
37.在日间，系统监测太阳辐射照度s、室外温度t，室外风速v等参数，将数据经数据采集模块传递至数据处理模块，数据处理模块根据室内外环境条件计算出建筑热负荷q。在运行模式选择过程中为了充分利用太阳能提供的热量，系统会首先判断太阳辐射照度是否满足要求，然后再判断热负荷与供热量的关系，进而确定系统运行模式。当太阳辐射照度s小于太阳辐射照度设定值s
min
时，若建筑热负荷q小于供热量设定值q
air
，系统输出控制端控制打开风冷式蒸发盘管支路，由该支路单独工作为建筑供热，盘管内制冷剂吸收空气中的热
能为建筑提供热量；若建筑热负荷q大于或等于供热量设定值q
air
，系统输出控制端会同时打开pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路，二者同时工作为建筑提供热量。当太阳辐射照度s大于或等于太阳辐射照度设定值s
min
时，若建筑热负荷q小于供热量设定值q
pvt
，系统输出控制端控制打开pvt蒸发盘管支路，由该支路单独工作为建筑供热，盘管内制冷剂同时吸收太阳能和空气热能为建筑供热，同时光伏板产生的电能可以供系统使用；若建筑热负荷q大于或等于供热量设定值q
pvt
，系统输出控制端会同时打开pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路，二者同时工作为建筑提供热量。
38.在夜间，系统监测室外温度t等参数，将数据经采集模块传递至数据处理模块，数据处理模块根据室内外环境条件计算出建筑热负荷q’。夜间情况下太阳辐射照度s’为0，若建筑热负荷q’小于供热量设定值q’air
，系统输出控制端控制打开风冷式蒸发盘管支路，由该支路单独工作为建筑供热，盘管内制冷剂吸收空气中的热能为建筑提供热量；若建筑热负荷q’大于或等于供热量设定值q’air
，系统输出控制端会同时打开pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路，二者同时工作为建筑供热。
39.针对上述多种运行模式，室外侧风机运行与否根据蒸发温度与室外空气温度的差值δt判断。设定启停温差δt0，当δt大于或等于设定值δt0时，风机不开启；当δt小于设定值δt0时，输出控制端控制风机开启，空气流速增大，增加了对流换热系数，蒸发器从空气侧吸取更多热量。同时在系统运行期间，若反馈监测端监测到室内侧回风温度过高或过低，系统会调节风机转速和压缩机转速，进而调节系统制热能力。具体调节方式为：当室内侧回风温度过高，室内侧回风温度与室内设定温度的差值大于设定值δt
in
时，系统会首先调节压缩机转速，减慢压缩机转速m％使其输出的制热量减少，以此来减少系统制热量，直至满足室内温度要求；若压缩机调节到最低要求转速n0后仍无法满足室内温度要求，系统会调节风机转速，逐级降低风机转速，减弱空气与制冷剂的对流换热以减少制热量，直至满足室内温度要求。当室内侧回风温度过低，室内设定温度与室内侧回风温度的差值大于设定值δt
in
时，系统会首先调节风机转速，逐级增大风机转速，增强空气与制冷剂的对流换热系数，直至满足室内温度要求且室内风速不超过最大限值要求；若风机调到最高档或室内风速达到最大限值要求v
max
后仍无法满足室内温度要求，系统会调节压缩机转速，增大压缩机转速m％使其输出的制热量增加，以此来增加系统制热量，直至满足室内温度要求。若反馈监测端监测到室内侧回风温度满足热环境需求，则系统以当前方案继续运行。
40.本发明控制系统的数据库模块中各项设定参数(如太阳辐射照度s
min
、启停温差δt0等)，设定供热量(如日间系统单独采用风冷式蒸发盘管支路控制端供热量q
air
、单独采用pvt蒸发盘管支路控制端供热量q
pvt
、以及同时采用两种盘管支路控制端供热量q
air
‑
pvt
；夜间系统单独采用风冷式蒸发盘管支路控制端制热量q’air
、单独采用pvt蒸发盘管支路控制端制热量q’pvt
、以及同时采用两种盘管支路控制端制热量q’air
‑
pvt
)与运行策略(如单独采用风冷式蒸发盘管支路、单独采用pvt蒸发盘管支路以及同时采用pvt蒸发盘管支路和风冷式蒸发盘管支路)需要针对不同地区、天气、建筑类型及室内温度需求特点进行试验和模拟得出，并将热泵系统在不同工况下的运行模式直接编入其中，供用户直接使用。
41.实施例
42.以天津市为例，查阅资料可知天津市冬季一月份最冷，日均最低气温为
‑
5℃，年平均风速为2～4m/s，日照百分率为60％，十一月份开始供暖，日均气温在5℃左右。
43.在日间有太阳辐射时，光伏板产生的电能可以供系统使用，pvt蒸发盘管支路可以通过吸收光伏板发电产生的热量为建筑供热，风冷式蒸发盘管支路也可以通过吸收空气热能为建筑供热。当太阳辐射照度较低时，如s<200w/m2，光伏板工作效率较低，若此时建筑热负荷也较低，如q<3000w，系统输出控制端仅控制打开风冷式蒸发盘管支路为建筑供热；若此时建筑热负荷较高，如q≥3000w，风冷式蒸发盘管单独工作无法满足供热需求，系统输出控制端同时打开pvt蒸发盘管支路与风冷式蒸发盘管支路，二者联合工作为建筑供热。当太阳辐射照度较高时，如s≥200w/m2，光伏板产热较多，若此时建筑热负荷较低，如q<3000w，系统输出控制端仅控制打开pvt蒸发盘管支路为建筑供热；若此时建筑热负荷较高，如q≥3000w，pvt蒸发盘管单独工作可能无法满足供热需求，系统输出控制端同时打开pvt蒸发盘管支路与风冷式蒸发盘管支路，二者联合工作为建筑供热。
44.在夜间无太阳辐射，风冷式蒸发盘管支路和pvt蒸发盘管支路均可以吸收空气中的热能为建筑供热。当建筑热负荷较小时，如q’<2000w，系统输出控制端仅控制打开风冷式蒸发盘管支路，由该支路单独工作为建筑供热；当建筑热负荷q’≥2000w时，系统输出控制端同时打开pvt蒸发盘管支路与风冷式蒸发盘管支路，二者联合工作为建筑供热。
45.针对上述多种运行模式，室外侧风机运行与否根据蒸发温度与室外空气温度的差值δt判断。设定启停温差δt0为5℃，当系统监测到δt0≥5℃时，风机不工作；当δt0<5℃时，输出控制端控制启动风机。同时在系统运行期间，若反馈控制模块监测到室内侧回风温度与用户设定的室内温度绝对差值|δt
in
|>1℃，系统会调节风机转速和压缩机转速等，本实施例中设置m为3.5，按3.5％减慢或增大压缩机转速，进而改变系统制热能力，调节室内空气温度，实现最低能耗状态下的运行。
46.本发明未述及之处适用于现有技术。