直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置及方法

摘要

本发明公开了一种直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置及方法，包括直膨式太阳能热泵单元：太阳能集热蒸发器、压缩机、冷凝器、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；回气温度控制单元：第二电子膨胀阀、第二控制器、第二温度传感器和第二压力变送器；回气温度控制方法包括简单模式：控制系统的蒸发温度T

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能热泵技术领域，特别是涉及一种直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置及方法。

背景技术

太阳能作为地球上分布最广泛的可再生能源，越来越成为相关学者和技术人员的关注热点。直膨式太阳能热泵是将太阳能集热器兼做热泵蒸发器，制冷工质直接在集热器中吸收太阳能和周围环境中的热量，然后通过热泵循环将冷凝热量传递给被加热的物质，太阳能集热蒸发器内蒸发换热均匀充分，整个集热板芯表面温度均匀，大大降低了表面热迁移损失，同时汽液相变换热是对流换热的几十倍。

直膨式太阳能热泵系统与非直膨式太阳能热泵系统相比，具有以下特点：

一、直膨式太阳能热泵系统的太阳能集热器板芯温度较非直膨式太阳能热泵系统低，因此前者太阳能集热器的集热效率高于后者；

二、直膨式太阳能热泵系统节省了非直膨式太阳能热泵系统中集热循环与热泵循环之间的换热温差，制冷剂直接在太阳能集热器内蒸发吸热，所以前者的热泵蒸发温度高于后者，前者的热泵能效比也随之提高。

上述优势使得直膨式太阳能热泵系统成为太阳能热利用领域的热点，近年来公开和授权了一些相关专利：

发明专利《一种带有复合抛物面聚光器的直膨式太阳能热泵》（申请号：200810233401.6；公开号：CN101363668A）公开了在平板型太阳能集热裸板上加装复合抛物面型反光面增加太阳能集热板的板温来加热流经其中的制冷剂，在热泵循环下，循环制冷剂不断的把被复合抛物面汇集起来的太阳辐照热量用于加热水，以此方法来提高太阳能热泵的能效比；

发明专利《一种直膨式太阳能热泵热水系统》（申请号：201210157307.3；公开号：CN102645044A）公开了一种裸板式集热器和带有玻璃盖板并联的直膨式太阳能热泵热水体统，冬季时，单独运行带有玻璃盖板的集热器，热量不足时，带有玻璃盖板和裸板式集热器同时运行，在太阳辐照强度较大时，单独运行裸板式集热器；

发明专利《直膨式太阳能热泵热水器》（申请号：01126634.1；授权号：CN1125299C）和发明专利《直膨式太阳能热泵供暖系统》（申请号：201310112971.0；公开号：CN104061619A）均采用太阳能集热器兼做热泵蒸发器，太阳能集热蒸发器出来的制冷剂直接进入压缩机，结构简单，加热效果好且效率高。

以上四个相关发明专利在合适的太阳辐照强度下，热泵系统的能效比确实很高,但是它们共同存在一个致命的缺陷，当太阳辐照强度较大时，太阳能集热蒸发器内的温度很高，此时的蒸发温度和过热度也很高，即压缩机的回气温度很高，当回气温度超过压缩机回气温度的极限值时，压缩机很容易被烧坏。直膨式太阳能热泵系统由于上述缺陷，导致其压缩机容易被烧坏，使用寿命大幅缩短，压缩机故障率高，极大的限制了直膨式太阳能热泵系统的应用。

因此，有必要提供一种直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置及控制方法，能有效控制系统的蒸发温度和回气温度，保证压缩机在太阳辐照强度较大的天气状况下不被烧坏而且能正常运行，增长压缩机的使用寿命。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置及方法，能够实现直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度和回气温度的有效控制，在太阳辐照强度较大时，能控制蒸发温度不超过压缩机的蒸发温度极限值，并且还能控制回气温度不超过压缩机的回气温度极限值，保证压缩机一直处在允许工况范围内正常运行，增长压缩机使用寿命，减少压缩机故障率。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置，包括：直膨式太阳能热泵单元和回气温度控制单元，所述回气温度控制单元连接在直膨式太阳能热泵单元上，

所述直膨式太阳能热泵单元包括太阳能集热蒸发器、压缩机、冷凝器、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，所述太阳能集热蒸发器的出口与压缩机的吸气口连接，压缩机的排气口与冷凝器的一端连接，冷凝器的另一端与第一电子膨胀阀连接，第一电子膨胀阀的另一端与太阳能集热蒸发器的入口连接，形成太阳能热泵闭路循环，

所述第一压力变送器安装在太阳能集热蒸发器出口与压缩机吸气口之间，所述第一温度传感器固定在太阳能集热蒸发器出口与第一压力变送器之间，第一压力变送器与第一控制器连接，第一温度传感器与第一控制器连接，第一控制器还与第一电子膨胀阀连接；

所述回气温度控制单元包括第二电子膨胀阀、第二控制器、第二温度传感器和第二压力变送器，所述第二电子膨胀阀的一端连接在第一电子膨胀阀与冷凝器之间，第二电子膨胀阀的另一端连接在第一压力变送器与压缩机的吸气口之间，第二压力变送器安装在压缩机的吸气口前段，第二温度传感器固定在第二压力变送器附近，第二压力变送器与第二控制器连接，第二温度传感器与第二控制器连接，第二控制器还与第二电子膨胀阀连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述压缩机允许的最大蒸发温度为T_cemax，所述压缩机允许的最大回气温度为T_crmax。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一电子膨胀阀开度范围为Ψ₁～Ψ₂，第一电子膨胀阀开度到达最大开度Ψ₂时，节流后的制冷剂饱和温度等于所述压缩机允许的最大蒸发温度T_cemax。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一电子膨胀阀初始化后以初始开度Ψ_初（Ψ₁<Ψ_初<Ψ₂）打开，所述第一电子膨胀阀目标过热度为ΔT_s。

在本发明一个较佳实施例中，所述第二电子膨胀阀开度范围为0～Ψ₂，当第二电子膨胀阀开度到达最大开度Ψ₂时，节流后的制冷剂饱和温度等于所述压缩机允许的最大蒸发温度T_cemax。

在本发明一个较佳实施例中，所述第二电子膨胀阀初始化后以初始开度Ψ=0打开, 所述第一电子膨胀阀目标过热度为ΔT_s。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀开度控制的检测周期为t时间，所述t=1mins。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置的控制方法，包括两种控制模式：

简单模式和保护模式

设第一温度传感器的温度为T₁，第一压力变送器检测到的蒸发压力P₁所对应的饱和温度为T_sp1：

一、简单模式

当太阳辐照强度适中时，第一电子膨胀阀的开度Ψ≤Ψ₂且T₁-T_sp1≤ΔT_s+0.5，此时第一电子膨胀阀正常工作，第二电子膨胀阀维持开度Ψ=0不变，第一电子膨胀阀单独工作时能同时控制直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度T_e≤T_cemax，回气温度T_r≤T_crmax；

简单模式时的控制流程为：

第一，开启直膨式太阳能热泵系统，当第一电子膨胀阀的开度初始化完成，开度范围为Ψ₁～Ψ₂，第一电子膨胀阀以初始开度Ψ_初（Ψ₁<Ψ_初<Ψ₂）打开，第一温度传感器检测太阳能集热蒸发器出口处过热蒸汽的温度T₁，并将温度信号T₁通过数据线传送给第一控制器，第一压力变送器检测太阳能集热蒸发器出口过热蒸汽的压力P₁，并将压力信号P₁通过数据线传送给第一控制器，第一控制器将压力信号P₁转换成制冷剂对应的饱和温度值T_sp1，第一控制器将检测到的实际过热度ΔT₁= T₁-T_sp1与目标过热度ΔT_s进相比较并发出控制指令：

当ΔT₁= T₁-T_sp1<ΔT_s-0.5时，第一电子膨胀阀开度减小，

当ΔT₁= T₁-T_sp1>ΔT_s+0.5且第一电子膨胀阀开度Ψ<Ψ₂时，第一电子膨胀阀开度增大，

当ΔT_s-0.5≤ΔT₁≤ΔT_s+0.5时，第一电子膨胀阀开度保持不变；

在时间间隔t=1mins后，第一控制器再次获取第一温度传感器和第一压力变送器的检测数据，对第一电子膨胀阀的开度进行上述步骤的控制，如此往复的循环获取检测数据以及对第一电子膨胀阀开度的控制；

第二，当第二电子膨胀阀开度初始化完成，开度范围为0～Ψ₂，第二电子膨胀阀以初始开度Ψ=0打开，第二温度传感器用于检测压缩机的回气温度T₂，并将温度信号T₂通过数据线传送给第二控制器，第二压力变送器检测压缩机的回气压力P₂，并将压力信号P₂通过数据线传送给第二控制器，第二控制器将压力信号P₂转换成制冷剂对应的饱和温度值T_sp2,第二控制器将检测到的实测过热度ΔT₂= T₂-T_sp2与目标过热度ΔT_s进行比较并发出控制指令：

当 ΔT₂= T₂-T_sp2≤ΔT_s+0.5且第二电子膨胀阀开度Ψ=0时，第二电子膨胀阀开度保持Ψ=0不变；

时间间隔t=1mins后，第二控制器再次获取第二温度传感器和第二压力变送器的检测数据，对第二电子膨胀阀的开度进行上述步骤的控制，如此往复的循环获取检测数据与对第二电子膨胀阀开度的控制；

二、保护模式：

当太阳辐照强度较大时，第一电子膨胀阀的开度达到最大开度Ψ=Ψ₂且T₁-T_sp1>ΔT_s+0.5，此时第一电子膨胀阀维持最大开度Ψ=Ψ₂，第二电子膨胀阀正常工作，第一电子膨胀阀控制直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度T_e=T_cemax，第二电子膨胀阀控制控制直膨式太阳能热泵系统的回气温度T_r≤T_crmax；

保护模式时的控制流程为：

第一，第一电子膨胀阀开度范围为Ψ₁～Ψ₂，当ΔT₁= T₁-T_sp1>ΔT_s+0.5且第一电子膨胀阀开度Ψ=Ψ₂时，第一电子膨胀阀开度维持最大开度Ψ=Ψ₂不变；

时间间隔t=1mins后，第一控制器再次获取第一温度传感器和第一压力变送器的检测数据，对第一电子膨胀阀的开度进行上述步骤的控制，如此往复的循环获取检测数据与对第一电子膨胀阀开度的控制；

第二，第二电子膨胀阀开度范围为0～Ψ₂：

当 ΔT₂= T₂-T_sp2>ΔT_s+1时，第二电子膨胀阀开度增大，

当 ΔT₂= T₂-T_sp2≤ΔT_s+0.5且第二电子膨胀阀开度Ψ>0时，第二电子膨胀阀开度减小，

当ΔT_s+0.5<ΔT₂≤ΔT_s+1, 第二电子膨胀阀开度不变；

时间间隔t=1mins后，第二控制器再次获取第二温度传感器和第二压力变送器的检测数据，对第二电子膨胀阀的开度进行上述步骤的控制，如此往复的循环获取检测数据与对第二电子膨胀阀开度的控制。

本发明的有益效果是：本发明直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置及方法能够实现在太阳辐照强度较大的情况下，能较好的控制直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度和回气温度，使其在压缩机允许范围之内，避免压缩机因蒸发温度和回气温度过高而被烧坏，保证压缩机正常稳定运行，延长压缩机使用寿命，确保系统全年高效运行。

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是本发明的直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置一较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制方法的控制流程图；

附图中各部件的标记如下：1、太阳能集热蒸发器，2、第一温度传感器，3、第一压力变送器，4、第二电子膨胀阀，5、第二温度传感器，6、第二压力变送器，7、压缩机，8、冷凝器，9、第一电子膨胀阀，10、第一控制器，11、第二控制器。

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2，本发明实施例包括：

一种直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置，包括：直膨式太阳能热泵单元和回气温度控制单元，所述回气温度控制单元连接在直膨式太阳能热泵单元上。

所述直膨式太阳能热泵单元包括太阳能集热蒸发器1、压缩机7、冷凝器8、第一电子膨胀阀9、第一控制器10、第一温度传感器2和第一压力变送器3，所述太阳能集热蒸发器1的出口与压缩机7的吸气口连接，压缩机7的排气口与冷凝器8的一端连接，冷凝器8的另一端与第一电子膨胀阀9连接，第一电子膨胀阀9的另一端与太阳能集热蒸发器1的入口连接，形成太阳能热泵闭路循环。

所述第一压力变送器3安装在太阳能集热蒸发器1出口与压缩机7吸气口之间，所述第一温度传感器2固定在太阳能集热蒸发器1出口与第一压力变送器3之间，第一压力变送器3与第一控制器10连接，第一温度传感器2与第一控制器10连接，第一控制器10还与第一电子膨胀阀9连接。

所述回气温度控制单元包括第二电子膨胀阀4、第二控制器11、第二温度传感器5和第二压力变送器6，所述第二电子膨胀阀4的一端连接在第一电子膨胀阀9与冷凝器8之间，第二电子膨胀阀4的另一端连接在第一压力变送器3与压缩机7的吸气口之间，第二压力变送器6安装在压缩机7的吸气口前段，第二温度传感器5固定在第二压力变送器6附近，第二压力变送器6与第二控制器11连接，第二温度传感器5与第二控制器11连接，第二控制器11还与第二电子膨胀阀4连接。

所述压缩机7允许的最大蒸发温度设为T_cemax，压缩机7允许的最大回气温度设为T_crmax。

所述第一电子膨胀阀9的开度范围为Ψ₁～Ψ₂，当第一电子膨胀阀9开度到达最大开度Ψ₂时，节流后的制冷剂饱和温度等于所述压缩机7允许的最大蒸发温度T_cemax。

所述第一电子膨胀阀9初始化后以初始开度Ψ_初（Ψ₁<Ψ_初<Ψ₂）打开，所述第一电子膨胀阀9目标过热度为ΔT_s。

所述第二电子膨胀阀4的开度范围为0～Ψ₂，当第二电子膨胀阀4开度到达最大开度Ψ₂时，节流后的制冷剂饱和温度等于所述压缩机7允许的最大蒸发温度T_cemax。

所述第二电子膨胀阀4初始化后以初始开度Ψ=0打开，所述第一电子膨胀阀9的目标过热度为ΔT_s。

所述第一电子膨胀阀9和第二电子膨胀阀4开度控制的检测周期为t时间，其中t=1mins。

本发明直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置的控制方法包括有两种控制模式：简单模式和保护模式：

设第一温度传感器2的温度为T₁，第一压力变送器3检测到的蒸发压力P₁所对应的饱和温度为T_sp1。

上述两种模式的控制过程分别如下：

一、简单模式

当太阳辐照强度适中时，第一电子膨胀阀9的开度Ψ≤Ψ₂且T₁-T_sp1≤ΔT_s+0.5，此时，第一电子膨胀阀9正常工作，第二电子膨胀阀4维持开度Ψ=0不变，第一电子膨胀阀9单独工作时能同时控制直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度T_e≤T_cemax，回气温度T_r≤T_crmax；

简单模式时的控制流程为：

开启直膨式太阳能热泵系统，当第一电子膨胀阀9的开度初始化完成，开度范围为Ψ₁～Ψ₂，第一电子膨胀阀9以初始开度Ψ_初（Ψ₁<Ψ_初<Ψ₂）打开，第一温度传感器2检测太阳能集热蒸发器1出口处过热蒸汽的温度T₁，并将温度信号T₁通过数据线传送给第一控制器10，第一压力变送器3检测太阳能集热蒸发器1出口过热蒸汽的压力P₁，并将压力信号P₁通过数据线传送给第一控制器10，第一控制器10将压力信号P₁转换成制冷剂对应的饱和温度值T_sp1，第一控制器10将检测到的实际过热度ΔT₁= T₁-T_sp1与目标过热度ΔT_s进相比较并发出控制指令：

当ΔT₁= T₁-T_sp1<ΔT_s-0.5时，第一电子膨胀阀9开度减小，

当ΔT₁= T₁-T_sp1>ΔT_s+0.5且第一电子膨胀阀9开度Ψ<Ψ₂时，第一电子膨胀阀9开度增大，

当ΔT_s-0.5≤ΔT₁≤ΔT_s+0.5时，第一电子膨胀阀9开度保持不变；

在时间间隔t=1mins后，第一控制器10再次获取第一温度传感器2和第一压力变送器3的检测数据，对第一电子膨胀阀9的开度进行上述步骤的控制，如此往复的循环获取检测数据以及对第一电子膨胀阀9开度的控制。

由于设定的第一电子膨胀阀9开度到达最大开度Ψ₂时，节流后的制冷剂饱和温度等于所述压缩机7允许的最大蒸发温度T_cemax，所以直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度T_e≤T_cemax，且过热度控制在目标过热度ΔT_s附近，因而也能控制太阳能集热蒸发器1出口制冷剂的温度T≤T_crmax。

第二电子膨胀阀4开度初始化完成，开度范围为0～Ψ₂，第二电子膨胀阀4以初始开度Ψ=0打开，第二温度传感器5用于检测压缩机7的回气温度T₂，并将温度信号T₂通过数据线传送给第二控制器11，第二压力变送器6检测压缩机7的回气压力P₂，并将压力信号P₂通过数据线传送给第二控制器11，第二控制器11将压力信号P₂转换成制冷剂对应的饱和温度值T_sp2,第二控制器11将检测到的实测过热度ΔT₂= T₂-T_sp2与目标过热度ΔT_s进行比较并发出控制指令：

当 ΔT₂= T₂-T_sp2≤ΔT_s+0.5且第二电子膨胀阀4开度Ψ=0时，第二电子膨胀阀4开度保持Ψ=0不变；

时间间隔t=1mins后，第二控制器11再次获取第二温度传感器5和第二压力变送器6的检测数据，对第二电子膨胀阀4的开度进行上述步骤的控制，如此往复的循环获取检测数据与对第二电子膨胀阀4开度的控制。

二、保护模式：

当太阳辐照强度较大时，第一电子膨胀阀9的开度达到最大开度Ψ=Ψ₂且T₁-T_sp1>ΔT_s+0.5，此时第一电子膨胀阀9维持最大开度Ψ=Ψ₂，第二电子膨胀阀4正常工作，第一电子膨胀阀9控制直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度T_e=T_cemax，第二电子膨胀阀4控制直膨式太阳能热泵系统的回气温度T_r≤T_crmax。

具体控制流程为：

第一电子膨胀阀9开度范围为Ψ₁～Ψ₂，当ΔT₁= T₁-T_sp1>ΔT_s+0.5且第一电子膨胀阀9开度Ψ=Ψ₂时，第一电子膨胀阀9开度维持最大开度Ψ=Ψ₂不变；

时间间隔t=1mins后，第一控制器10再次获取第一温度传感器2和第一压力变送器3的检测数据，对第一电子膨胀阀9的开度进行上述步骤的控制，如此往复的循环获取检测数据与对第一电子膨胀阀9开度的控制。

由于设定的第一电子膨胀阀9开度到达最大开度Ψ₂时，节流后的制冷剂饱和温度等于所述压缩机7允许的最大蒸发温度T_cemax，所以此时直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度T_e=T_cemax，太阳能集热蒸发器1出口处制冷剂的过热度ΔT₁= T₁-T_sp1>ΔT_s+0.5，因而太阳能集热蒸发器1出口处制冷剂的温度T>T_crmax。

第二电子膨胀阀4开度范围为0～Ψ₂：

当 ΔT₂= T₂-T_sp2>ΔT_s+1时，第二电子膨胀阀4开度增大，

当 ΔT₂= T₂-T_sp2≤ΔT_s+0.5且第二电子膨胀阀4开度Ψ>0时，第二电子膨胀阀4开度减小，

当ΔT_s+0.5<ΔT₂≤ΔT_s+1, 第二电子膨胀阀4开度不变；

时间间隔t=1mins后，第二控制器11再次获取第二温度传感器5和第二压力变送器6的检测数据，对第二电子膨胀阀4的开度进行上述步骤的控制，如此往复的循环获取检测数据与对第二电子膨胀阀4开度的控制。

由于第一电子膨胀阀9已经控制好直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度T_e=T_cemax，第二电子膨胀阀4的开度0<Ψ≤Ψ₂，第二电子膨胀阀4节流后的制冷剂饱和温度T≤T_cemax，因而经太阳能集热蒸发器1加热后的制冷剂过热蒸汽与经第二电子膨胀阀4节流后的气液两相饱和制冷剂混合后，混合后的制冷剂饱和温度T_混≤T_cemax，即压缩机7吸入蒸汽的饱和温度（压缩机7对应的蒸发温度）T_ce=T_混≤T_cemax; 压缩机7回气过热度控制在目标过热度ΔT_s附近，因而也能控制直膨式太阳能热泵系统的回气温度T_r≤T_crmax。

简单模式和保护模式可以根据第一温度传感器2、第一压力变送器3、第二温度传感器5和第二压力变送器6检测的温度和压力数据进行自由切换，从而对直膨式太阳能热泵系统压缩机7的回气温度和蒸发温度进行实时控制。

本发明直膨式太阳能热泵系统压缩机回气温度控制装置及控制方法的有益效果是：

一、在太阳辐照强度较大的情况下，能够较好的控制直膨式太阳能热泵系统的蒸发温度和回气温度，使其在压缩机7允许范围之内，避免压缩机7因蒸发温度和回气温度过高而被烧坏，保证压缩机7正常稳定运行，延长压缩机7使用寿命；

二、能够扩大直膨式太阳能热泵系统的正常运行工况范围，使得直膨式太阳能热泵系统对太阳辐照强度变化的适应性大幅度提升；

三、能够实现直膨式太阳能热泵系统在辐照强度较大的情况下使用常规压缩机也能正常运行；

四、能够确保系统全年高效运行。

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。