直膨式热泵装置以及集热液体的流程控制方法技术领域
本发明涉及太能辐射热能利用领域，具体涉及一种直膨式热泵装置以及集热液体
的流程控制方法。
背景技术
目前太阳能集热器内的集热液体靠自然对流或泵流动。集热温度和流量被动调
节，无法根据实际需要动态通过调整运行状态(集热温度和流量)以适应天气及使用需求的
变化；而且太阳能集热器通常采用平板结构的吸热面来吸收太阳能，且吸热面的温度普遍
比吸热管温度高，形成了一个高温辐射面和漏热面，影响集热效率。
目前对于太阳能集热器的改进，主要是针对集热器的集热温度进行。如在真空管
集热器内插入金属管以改变流体流程，或者在平板集热器的集热管内进行部分集热流程的
串联布置等。但是对太阳能集热器的优化十分有限，如何从根本上改变集热器的集热量以
及提高集热器的利用率，使集热器能根据使用需求自动调整集热液体流程高效运行，是尚
待进一步优化的问题。
结合太阳能集热器形成直膨式热泵进行供热的应用非常广泛。但是目前太阳能集
热器内的集热液体主要靠自然对流或泵流动，集热水平受太阳辐射影响大，因此集热温度
和集热量的波动较大，无法根据直膨式热泵装置的实际供热需求动态调节。
发明内容
技术问题
本发明要解决的技术问题是，如何根据直膨式热泵装置的供热需求而调整集热液
体的集热温度和集热量。
解决方案
有鉴于此，本发明的一个实施例提供了一种直膨式热泵装置，该直膨式热泵装置
包括：
热泵循环支路，其包括第一支路和第二之路；
其中，所述第一支路包括依次相连的压缩机和冷凝器；
其中，所述第二支路包括换热器；
其中，且所述冷凝器和所述换热器均置于盛放供热流体的蓄热水箱内；
以及太阳能集热器，其包括壳体以及置于所述壳体内的集热部；
其中，所述集热部包括进液分液管、出液集液管以及置于二者之间的、若干个并列
的集热单元；
其中，每个所述集热单元包括复合抛物聚光器以及跨列式置于所述复合抛物聚光
器上的毛细管吸热器，所述毛细管吸热器内的集热液体吸收由所述复合抛物聚光器反射的
太能辐射能，所述集热液体在所述进液分液管、所述出液集液管和至少一部分所述毛细管
吸热器之间形成流动路径；且在具有物理意义的前提下，能够通过可调整的方式接入所述
流动路径的所述毛细管吸热器的个数；
通过将所述第一支路和所述第二支路分别并入所述进液分液管和所述出液集液
管之间，能够形成有第一供热循环和第二供热循环。
对于上述直膨式热泵装置，在一种可能的实现方式中，所述进液分液管和所述出
液集液管上分布有若干个电动阀门，通过调整各个所述电动阀门的开关状态，处于开状态
的电动阀门使得集热液体在所述进液分液管、所述出液集液管和所述毛细管吸热器之间形
成可调整的、多级毛细管吸热器吸热的流动路径；其中，以进液分液管上游到下游的方向为
毛细管吸热器的吸热级数递增的方向，则级数较高的高温级的毛细管吸热器的吸热面积≥
处于级数较低的低温级的毛细管吸热器的吸热面积。
对于上述直膨式热泵装置，在一种可能的实现方式中，还包括控制部，其与各个电
动阀门均为电连接，用于调整各个所述电动阀门的开关状态；对于经所述控制部调整各个
所述电动阀门的开关状态形成的流动路径而言，在毛细管吸热器的吸热级数递增的方向
上，当毛细管吸热器的总吸热级数为奇数时，设于所述进液分液管上的最下游的电动阀门
应当关闭，设于所述出液集液管上的最下游的电动阀门应当打开；当毛细管吸热器的吸热
级数为偶数时，反之。
对于上述直膨式热泵装置，在一种可能的实现方式中，所述进液分液管上还设有
调节流量控制阀，通过调整所述调节流量控制阀的开度来调整集热液体在所述流动路径中
的流量。
对于上述直膨式热泵装置，在一种可能的实现方式中，所述太阳能集热器还包括
传感器组，其包括：第一传感器组，其设于所述进液分液管的上游，用于检测集热液体在进
口处的特征参数；第二传感器组，其设于所述出液集液管的下游，用于检测集热液体在出口
处的特征参数；第三传感器组，其设于所述太阳能集热器所处的环境中，用于检测环境参
数；以及供热温度传感器，其设于所述蓄热水箱的供热出口处，用于检测该供热出口处的供
热温度；上述(第一、第二、第三)传感器组以及供热温度传感器分别与所述控制部电连接，
用于向所述控制部提供用于调整各个所述电动阀门的开关状态的基准参数。
优选地，以所述毛细吸热器的轴向方向为长度方向，所述复合抛物聚光器与所述
毛细吸热器在该长度方向的尺寸相适应，且所述复合抛物聚光器的截取比的范围为0～4/
5。优选地，所述毛细管吸热器沿长度方向置于所述复合抛物聚光器的焦点圆上，且所述毛
细管吸热器的管径≤4mm。
对于上述直膨式热泵装置，在一种可能的实现方式中，将所述两路及以上的所述
毛细管吸热器并联形成毛细管组，所述毛细管组的两侧分别通过二级分液器与所述进液分
液管和所述出液集液管连通。
本发明的还提供了一种集热液体的流程控制方法，该流程控制方法包括：控制部
采集太阳能集热器的参数以及运行数据，还采集蓄热水箱的供热出口处的供热温度；控制
部基于所述参数、所述运行数据以及所述供热温度，对选定的当前供热模式下对应的太阳
能集热器的目标函数进行优化；控制部获取目标函数为最优值时对应的设于太阳能集热器
的进液分液管和出液集液管上的各个电动阀门的目标开关状态；其中，所述最优值为给定
温度和流量下的最小泵功；控制部将电动阀门的开关状态调整为目标开关状态，使得太阳
能集热器的集热液体在进液分液管、出液集液管、毛细管吸热器和所述第一支路或者所述
第二支路之间形成可调整的流动路径。
对于上述流程控制方法，在一种可能的实现方式中，该流程控制方法还包括：控制
部显示所述供热温度以及根据所述参数以及运行数据得出的信息，包括：集热液体的温度、
流量和压差；当前的环境参数；以及各个所述电动阀门的当前的开关状态；存储直膨式热泵
装置的参数以及运行数据，用于后续调出。
有益效果
本发明的直膨式热泵装置提高了热泵装置的稳定性和效率，具体地，通过采用毛
细管吸热器与复合抛物聚光器组成的集热单元改善了集热效率，以及通过改变集热液体的
流动路径来调整集热效率，进而改善了太阳能集热器的集热温度和集热量，能够动态地适
应热泵装置的供热需求。
附图说明
当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供
对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1示出本发明一个实施例的直膨式热泵装置的结构示意图；图2示出本发明一个
实施例的直膨式热泵装置的太阳能集热器的剖视示意图。
图3示出本发明的一个实施例的直膨式热泵装置中的太阳能集热器的控制部的逻
辑框图；图4-1示出本发明的一个实施例的直膨式热泵装置中的太阳能集热器的控制部的
一种实施例的逻辑框图；图4-2示出本发明的一个实施例的直膨式热泵装置中的太阳能集
热器的控制部的另一种实施例的逻辑框图；图5示出本发明的一个实施例的直膨式热泵装
置中的太阳能集热器的控制部的一种优化方式的逻辑框图。
附图标记列表
1、进液分液管 2、毛细管吸热器 3、出液集液管 4、复合抛物聚光器 5、电动阀门
61、第一温度传感器 62、第二温度传感器 63、第三温度传感器 64、供热温度传感器 7、流
量传感器 81、第一压差传感器测点 82、第二压差传感器测点 9、流量控制阀 10、风速传感
器 11、太阳辐射传感器 12、压缩机 13、冷凝器 14、节流阀 15、三通阀 16、工质泵 17、蓄
热水箱 18、换热器、19、信号线 20、底板 21、保温层 22、框架 23、盖板玻璃。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
本发明的直膨式热泵装置属于太阳能集热器的一种应用。具体地，通过太阳能集
热器(下文中简称为集热器)作为热泵装置的蒸发器来加热蓄热水箱17内的供热流体(第一
供热循环)，或者集热器内的集热液体吸收太能辐射能之后直接加热蓄热水箱17内的供热
流体(第一供热循环)。在第一供热循环运行的情况下，集热液体可以为适用于直膨式热泵
循环的制冷剂，如R134a(1，1，1，2-四氟乙烷)、R32(二氟甲烷)等。本发明通过对集热器的集
热性能进行优化来使得集热器的集热水平与直膨式热泵装置的运行及供热需求更加匹配。
实施例1
图1示出本发明一个实施例的直膨式热泵装置的结构示意图。主要通过集热器内
的集热液体所吸收的热能用于加热供热流体。且通过调整集热器的集热效率，能够满足不
同的供热需求。
如图1所示，该直膨式热泵装置主要包括：1)热泵循环支路，其结构主要包括并联
的两个支路，其中第一支路主要包括依次相连的压缩机12和冷凝器13，第二支路主要包括
换热器18，其中冷凝器13和换热器18均置于蓄热水箱17内。以及2)集热器，其结构主要包括
壳体以及置于壳体内的集热部；壳体主要用作集热部的载体，以及保证阳光可以透过壳体
的盖板玻璃23照射至集热部。集热部主要包括进液分液管1、出液集液管3以及置于二者之
间的、若干个并列的集热单元。将第一支路和第二支路的两侧分别通过三通阀15并入出液
集液管3的下游和进液分液管1的上游，即形成了第一供热循环和第二供热循环。作为一种
优选，在第一支路中，冷凝器13的下游设有节流阀14，在第二支路中，换热器18的下游设有
工质泵16。
在一种可能的实施方式中，上述的第一供热循环可以为：集热器内的集热液体在
在进液分液管1、出液集液管3和至少一部分毛细管吸热器2之间形成流动路径。流动路径内
的集热液体吸热气化，然后经出液集液管3下游的三通阀15进入压缩机12，使得吸热气化后
的集热液体变为高温高压的气体。该高温高压的气体在冷凝器13内放热给蓄热水箱17内的
供热流体后，变为为低温高压的液体。该低温高压的液体经过节流阀14节流降压之后，即可
经流量调节阀9进入集热器的进液分液管1，在集热部内按照设定的流动路径吸收太阳辐射
能再次吸热气化，之后经出液集液管3下游的三通阀15再次流入换热器18，如此循环。在这
种情况下，集热器整体是作为热泵循环的蒸发器，为供热流体提供热源。
在一种可能的实施方式中，上述的第二供热循环可以为：集热器内的集热液体在
进液分液管1、出液集液管3和至少一部分毛细管吸热器2之间形成流动路径。而换热器18使
流动路径形成闭环。经出液集液管3下游的三通阀15流入换热器18内的集热液体在加热蓄
热水箱17内的供热流体之后经工质泵16泵入进液分液管1的上游，在集热部内按照设定的
流动路径吸收太阳辐射能，之后经出液集液管3下游的三通阀15再次流入换热器18，对蓄热
水箱17内的供热流体进行加热，如此循环。在这种情况下，集热器内的集热液体直接加热供
热流体。第二供热循环主要适用于供热量要求较高而太阳辐射较低的情况，此时需要通过
运行压缩机来完成供热循环。
且在具有物理意义的前提下，能够通过可调整的方式接入流动路径的毛细管吸热
器2的个数；即通过一定的调整方式使得路径可变，如可以最简易的手动调整或者控制部的
优化调整来实现路径的改变。此外，通过将CPC4固定于底板18实现了相应的集热单元的固
定。毛细管吸热器2的两端分别与进液分液管1和出液集液管3相连通，换热器14内的集热液
体通过集热器上游的集热器入口经进液分液管1进入毛细管吸热器2，在毛细管吸热器2内
吸收CPC4反射的热量后，流至出液集液管3，并通过集热器下游的集热器出口流入换热器
14。
在一种可能的实施方式中，进一步参照图1，每个集热单元主要包括复合抛物聚光
器4(CPC)以及跨列式置于CPC4上的毛细管吸热器2，毛细管吸热器2内的集热液体吸收由
CPC4反射的太能辐射能之后，将吸收的热能用于本发明的供热。作为一种优选，并列的集热
单元为均匀、平行的排布方式。
进一步如图2所示，壳体的结构主要包括底板20、框架22、保温层21以及盖板玻璃
23；其中：框架22的上表面覆盖高透光的盖板玻璃23，除上表面外的框架22的内侧均设有保
温层21；底板20设于框架22底部的保温层21的上方。
作为一种优选，为了保证吸热结构上的稳定性以及热转换效率，将毛细管吸热器2
置于CPC4的焦点圆的位置上，此处的置于，绝非严格意义的置于，而是通过大致置于的位置
关系达到集热效率提高的效果即可，如可以解释为相对于焦点圆的位置，偏差不超过一定
数值即可(如0.5mm)。由于该位置处在整个CPC4的结构范围内具有收集热量最密集的优点，
因此有利于提高毛细管吸热器2内的集热液体的集热效率。
在一种可能的实施方式中，通过一定的调整方式使得路径可变，如可以是，管路上
分布有若干个电动阀门5，通过调整各个电动阀门5的开关状态，使得作为吸热介质的集热
液体经入液分液管1的上游端进入集热器之后，处于开状态的电动阀门使得集热液体在进
液分液管1、出液集液管3和毛细管吸热器2之间形成可调整的、多级毛细管吸热器2吸热的
目标流动路径。其中，以进液分液管1上游到下游的方向为毛细管吸热器2的吸热级数递增
的方向，则为了保证集热具有实际的意义，级数较高的高温级的毛细管吸热器2的吸热面积
≥处于级数较低的低温级的毛细管吸热器2的吸热面积。集热液体沿该目标流动路径流动
的过程中，仅进入该目标流动路径所包含的毛细管吸热器2吸收由CPC4反射的太阳辐射的
热能之后，最后由出液集液管3的下游流出至相应的收集装置和/或应用场合。如本发明中，
通过集热液体与蓄热水箱17中的供热流体之间的换热，以实现目标供热。
通过调整设置于进液分液管1和出液集液管3之间的若干个电动阀门5的开关状
态，使得同一个集热器可以根据实际情况具有不同的目标流动路径，即不同的集热强度。在
一种可能的实施方式中，各个电动阀门5的开关状态可以相对独立地调整，也可以将其中的
一个以上作为一个整体，进行联动调整。进一步参照图1，在一种可能的实施方式中，电动阀
门5的安装原则可以为：从集热液体进入进液分液管1的上游开始，在进液分液管1每次通过
毛细管吸热器2对集热液体进行分液后，在进液分液管1的下游侧的主管上安装并入电动阀
门5，从并入第二路电动阀门5起，在毛细管吸热器2所连接的出液集液管3的相应位置的下
游侧的主管上也安装并入电动阀门5。
当然，前述的集热器主要由多组小尺度的CPC4以及相应的毛细管吸热器2构成的
集热单元并列而成。在一种可能的实施方式中，可以在毛细管吸热管2的长度比较短且管数
比较多时，可以将两路或者两路以上的毛细管吸热器2并联，形成功能相当于之前单个毛细
管吸热器2的毛细管组，即以该毛细管组作为最基本的单元，在进液分液管1和出液集液管3
之间设有若干个这样的毛细管组，不过，每个毛细管组中的各个毛细管吸热器2需要通过二
级分液器实现其与进液分液管1和出液集液管3的连通。
可以看出，除了以单根的毛细管吸热器2作为一个单独的最基本单元之外，也可以
将多路毛细管吸热器2并联形成功能相当的最基本单元。以便进一步提高集热器的集热效
率。
此外，为了保证集热部的结构整体性，CPC4与毛细管吸热器2在长度方向的尺寸应
当相适应，此处的相适应，应当解释为大致相同，此处的大致相同，如可以解释为毛细管吸
热器2的长度可以略长，且长度差不超过某个临界数值(如单侧不超过2cm)。在一种可能的
实施方式中，在CPC4的截取比范围为0～4/5，且毛细管吸热器2的外径不大于4mm(优选1～
4mm，更优选为2～4mm)的情形下，CPC4可以具有与常规的平板集热器或者真空管集热器相
当的尺寸(如高度≤50mm)，在CPC4与常规的集热器的尺寸相当的情形下，其能够产生较之
于常规集热器的至少2～5倍最高可达10倍的聚光比的效果，明显提高了集热效率。此外，
CPC4可以利用3D打印等方式加工成型。
可以看出，本发明用CPC4取代了传统的吸热板，用毛细吸热管2取代了传统的热管
或常规吸热管，CPC4的引入增加了毛细管吸热器2的吸热热流密度，减少了散热面积；由于
毛细管吸热管2可以将毛细管吸热器2优选地置于CPC4的大致焦点圆的位置处，因此充分利
用了CPC4的聚光性能，使得集热器内部的毛细管吸热管2内的集热液体的温度可达到理论
上的最高温升，在高温物体面积和漏热量得以减少的前提下，提高了集热器的集热效率。
在一种可能的实施方式中，可以通过引入控制部，来实现对各个电动阀门5的开关
状态的调整。进一步参照图1，如果控制部得出的反馈结果是使得图1中的七个电动阀门5中
的(1、3、5、7)(按照并入顺序，五个电动阀门5依次指的是1下右、2下中右、3下中左、4下左、5
上右、6上中、7上左，其中电动阀门(1、3、5、7)即指的是下右、下中左、上右、上左位置处的电
动阀门5)为打开状态，则形成目标流动路径(流程)如图中的箭头所示。不过，对于经控制部
调整各个电动阀门5的开关状态形成的流动路径而言，仍然是为了保证集热具有实际意义，
在毛细管吸热器2的吸热级数递增的方向上，当毛细管吸热器2的吸热级数为奇数时，设于
进液分液管1上的最下游的电动阀门5应当关闭，而设于出液集液管3上的最下游的电动阀
门5应当打开；当毛细管吸热器2的吸热级数为偶数时，则反之。
可以看出，通过改变各个电动阀门5的开关状态即可改变集热液体的流程；通过改
变集热液体的流程，能够使得出液集液管3的下游具有不同的出液温度，如：在电动阀门5全
开的情形下，形成的集热液体的目标流动路径为并联流程，而在部分电动阀门5打开的情形
下，则该目标流动路径至少包含一部分串联流程，特别是在并入电动阀门5的级数越高的情
况下，集热液体的集热温度会明显高于单纯的并联流程；由于在上述并联流程和串联流程
(包括全部串联以及包含并联支路的部分串联)下，集热液体流过毛细管吸热器2时所形成
的压损不同，因此在流量相同的情况下，会具有不同的泵送集热液体的泵功。
此外，如图1所示，还包括用于检测集热器的运行数据的传感器组，主要用于控制
部的参数采集。传感器组主要包括：
i)第一传感器组，其设于进液分液管1的上游，用于检测集热液体在集热器进口处
的特征参数，如设于集热液体的入口处(即进液分液管1的上游)的第一温度传感器61、流量
传感器7和第一压差传感器测点81等；
ii)第二传感器组，其设于出液集液管3的下游，用于检测集热液体在集热器出口
处的特征参数，如设于集热液体的出口处(即出液集液管3的下游)的第二温度传感器62和
第二压差传感器测点82等；
iii)第三传感器组，其设于集热器所处的环境中，用于检测环境参数，如置于环境
中的第三温度传感器63、风速传感器10和太阳辐射传感器11等；以及
iv)供热温度传感器64，其设于蓄热水箱17的供热出口，用于检测蓄热水箱17内的
供热流体所具备的供热温度。
具体地：i)、ii)、iii)中三处的温度传感器(61、62、63)分别用于检测集热器进、出
口处的集热液体的温度以及集热器所在的环境温度；i)中的流量传感器7用于检测集热液
体的流量；i)、ii)中两处的压差传感器测点(81、82)用于检测出集热液体流经集热器后在
集热器出口处的压降；iii)中的风速传感器10用于测试环境风速；iii)中的太阳辐射传感
器11用于测试太阳辐射强度。
上述(第一、第二、第三)传感器组以及供热温度传感器64分别与控制部电连接，用
于向控制部提供用于调整各个电动阀门5的开关状态的基准参数。即上述所有的测试数据
通过信号线19传递至控制部，控制部可以置于蓄热水箱17的顶部，也可以置于热泵循环支
路和集热器之间，当然也可以设于集热器的内部。在第一供热循环中，集热器相对于整个循
环的蒸发器。以及在第二供热循环中，集热器内的集热液体通过换热器18直接加热蓄热水
箱17内的供热流体，。集热器根据热泵装置的运行温度的需求确定出集热模式，集热器对当
前供热模式对应的集热模式下的集热液体的流动路径和流量进行优化。即控制部通过控制
电动阀门5的开关状态来调整集热液体的流程，最终实现不同的目标供热过程。
此外，控制部还与设于进液分液管1的上游的流量控制阀9通过信号线19实现电连
接，通过调节流量控制阀9的开度来控制集热液体在流程内的流量。
不过，控制部最主要的功能是用于根据集热器的运行状况来控制电动阀门5的开
关状态；进而改变集热液体的目标流动路径。作为一种具体的实施方式，进一步参照图3，控
制部用于完成对集热液体的流程控制，该流程控制方法主要包括以下功能：
31)接收功能，其用于采集并上传集热器的参数以及能够表征集热器运行状态的
数据(运行数据)；
32)处理功能，其根据接收到的上述数据，结合当前集热模式所具有的设定的出液
温度，根据一定的优化途径对当前集热模式下的目标函数进行优化；
需要解释的是，上文中提到的优化途径，可以采用已有的、成熟应用于拆选和调整
的优化算法(如神经网络算法、蚁群算法、一一比对等)，也可以根据实际需求进行重新编
程，或者对已有算法进行适当的调整，只要能够通过调整电动阀门5的开关状态使得当前集
热模式下的目标函数更优即可。
此外，关于当前集热模式，在一种可能的实施方式中，可以在控制部中预设若干个
选定的、经典的目标工作模式，每个目标工作模式可以具有特定的目标函数，以使得其在获
得最优值的情况下适用于与目标工作模式对应的场合。或者，也可以根据实际情况，在控制
部中新增某个或者某几个新的目标工作模式，以使得其目标函数在获得最优值的情况下适
用于与新的目标工作模式对应的场合。其中，最优值的种类至少包括以给定流量下最高温
升、给定出液温度下最大流量以及给定温度和流量下最小泵功。
33)反馈功能，其用于计算出当前集热模式的目标函数为最优值时对应的各个电
动阀门5应具有的开关状态，即各个电动阀门5的目标开关状态；
34)执行功能，其将反馈模块得出各个电动阀门5应具有的开关状态与采集到的各
个电动阀门5当前的开关状态进行比对，并通过发送相应的执行命令，使得各个电动阀门5
的开关状态调整为目标开关状态。
当然，还可以具备显示、存储等其他辅助功能，具体地：
35)显示功能，其用于将集热器的实时运行状态通过一定的形式显示，如可以对运
行状态进行分级，然后以“良好、正常、过热”等形式予以显示，或者根据实际情况和需求，将
运行状态的某些参数予以显示，或者将某些参数所表征的运行状态以动画流(如集热液体
的流动路径等)的形式予以显示；
36)存储功能，其用于记录并存储集热器的参数以及运行数据；主要是作为备用数
据。如可以通过调出数据的方式，便于后续通过对集热器的运行状态来获取影响集热器性
能的因素，从而进行改善集热器性能的研究。或者在集热器发生故障时，可以通过调出相关
数据作为故障分析的参考数据。
进一步参照图4-1和图4-2，在一种可能的实施方式中，控制部可以包括控制装置
和远程控制装置两个组成部分，通过两个组成部分的相互协作来完成控制部所应具备的上
述功能“31～36”；如，两个部分的分工可以为：控制装置主要完成相关的核心运算和控制等
功能，而远程控制装置则主要完成显示等功能。具体地：
控制装置作为控制部的核心部件，其主要集成了以下五个功能：
4101)数据采集功能，采集集热器的运行数据并将该数据发送到远程控制装置，其
中：运行数据可以包括但不限于：集热温度、流量、集热液体的流动压力损失、环境温度、风
速、太阳辐射强度中的一种或者多种，主要用于根据参数计算集热器的流体温升、漏热量和
压损等表征性能特征的参数，或者某些中间参数，或者用于在远程控制装置端将某些参数
所反映的运行状态予以实时显示；以及各电动阀门5的当前开关状态，用作对电动阀门5的
开关状态进行调整时的基准状态；
4102)模式确认功能，接受远程控制装置选择出的模式确认指令，模式确认指令可
以包括：在既有的若干个集热器运行模式选定某一个作为当前集热模式，或者可以根据当
前的集热温度和流量，在远程控制装置端手动输入新的集热器运行模式，作为当前集热模
式；
4103)运算功能，对当前集热模式下的目标函数进行优化，计算出目标函数获得最
优值的情形下对应的各个电动阀门5应具有的目标开关状态，并参考前述4101)中的基准状
态，发送相应的控制指令给各电动阀门5；
4104)存储与记录功能，存储并记录集热器的相关参数以及运行数据(与实时运行
状态相关的数据)，参数可以包括但不限于集热器各部件的尺寸(如毛细管吸热器2和CPC4
的尺寸)，运行数据可以包括但不限于供热温度、集热温度、流量、集热液体流动压力损失、
环境温度、风速和太阳辐射强度等；以及记录各个电动阀门5的开关状态(包括当前的和调
整后的)。存储与记录功能主要是便于在需要时将数据调出，如可以是，在对集热器的性能
进行研究和综合评价时，或者对集热器的故障进行分析时，作为参考数据。
除了上述四个在多数情况下应当具备的基本功能之外，还可以具有以下功能：
4105)显示功能，根据实际需求，可以选择性地显示集热器的部分实时运行状态，
包括但不限于供热温度、集热温度、流量、集热液体流动压力损失、环境温度、风速、太阳辐
射强度、电动阀门开关状态及集热液体流程。此处的显示，主要是便于集热器的现场检修和
操控。
而远程控制装置则主要集成了以下两个功能：
4201)显示功能，选择性地接收控制装置采集的或者计算出的参数或者数据，可以
包括但不限于接收集热温度、流量、集热液体流动压力损失、环境温度、风速、和太阳辐射强
度，主要用于在远程控制装置端具有的显示界面上进行相应的显示，以便于用户了解当前
集热器运行环境状况和集热器运行参数，以及还可以接收各个电动阀门5的开关状态，也是
主要便于用户了解当前集热器的运行状态。
4202)模式确认功能，发送模式确认指令给控制装置，用于控制装置选择出集热器
的当前集热模式，并对当前集热模式下的目标函数进行优化，以使得集热液体的流程得以
优化。
下面主要说明控制装置采集到的集热器的参数以及运行数据所能够参与的计算，
如主要用于计算集热器的温升、漏热量和集热液体的压力损失。
可以设集热液体在集热器入口处的入口温度为Tin，集热器的面积为A，集热液体在
集热器出口处的出口温度Tout，集热器的级数(从上游到下游包含的集热单元的个数)为n，
则每一级分配的面积为Ai，假设太阳辐射强度为I，环境温度为Ta，集热液体的流量为m；
则第一级的温升为：
首先，第一级的温升满足以下公式
IA1-Ql_1＝cm(Tout_1-Tin_1)＝cmΔT1 (1)
式中，ΔT1为第一级集热液体的温升；c为集热液体的比热；Tin_1第一级集热液体的
进口温度，Tin_1＝Tin；Tout_1为第一级集热液体的出口温度，也为第二级集热液体的入口温
度：Tin_2＝Tout_1；Ql_1为第一级吸热器的漏热量，
式中，h为集热器外表面与环境的对流换热系数，该对流换热系数仅与环境风速有
关，h＝f(v)；Ah_1为第一级毛细管吸热器2的外表面面积；则可得到集热液体第一级的温升
为：
设第一级集热液体的平均温度为则可得到第一级温升为：
同样的计算方法，第二级集热液体温升计算公式为：
IA2-Ql_2＝cm(Tout_2-Tin_2)＝cmΔT2 (4)
则第i级温升为：
第n级的温升为：
可以看出，如果每一级毛细管吸热器2的集热面积和吸热面积相同，则随着级数的
增加，吸热温度越来越高，则漏热量随之增加；而当级数增加到一定程度后，集热器的吸热
量与漏热量相等，此时，集热液体的温度达到最高集热温度，不会进一步增加，后续的集热
流程只会白白浪费泵功。因此，要提高集热器的出液温度，则需要根据每一级集热液体温升
后的漏热量逐级提高每一级的吸热器面积。
其中，确定每一级管路数和压降的计算方法为：
由于电动阀门5的关闭是使集热液体的流程改变的原因，因此，集热液体的流程的
判定过程主要是寻找流程中处于关闭状态的电动阀门5。具体流程的判定方法为：
首先判断是不是单一流程，即是否所有套接的毛细管吸热器2为并联。当满足除进
液分液管最末一级的电动阀门5处于关闭状态之外，其他所有的电动阀门5都是打开状态的
情形下，集热液体即为单一的并联流程。
在集热液体不是单一的并联流程，即集热液体为多流程的情形下，首先在进液分
液管1寻找第一个关闭的电动阀门5。即j＝1，i从1开始逐渐增加，当a(x,1)＝0时，则第一流
程的管路数为x；然后在出液集液管3上寻找第二个关闭的电动阀门5，即j＝2，i从x继续增
加，当a(y,2)＝0时，则第二流程的管路数为y-x；则下一个关闭的电动阀门5应该在进液分
液管1上，然后，在进液分液管1上寻找下一个关闭的电动阀门5，即j＝1，i从y继续增加，当a
(z,2)＝0时，则第三流程的管路数为z-y；依次类推直到i＝n-1便可以得到每一级管路数。
最后一列的两个电动阀门5是为控制集热液体最后从出液集液管3流出，最后的电动阀门5
的开关状态受流程数控制：当流程管路数为奇数时，进液分液管1上的电动阀门5是关闭的，
出液集液管3上的阀门是开启的；当流程数为偶数时，进液分液管1上的电动阀门5是开启
的，出液集液管3上的电动阀门5是关闭的。
确定完成流程和每个流程中的毛细管吸热器2的数目后即可以计算整个集热器的
集热液体的压降。其等于每一级的压降之和。而每一级的压降等于毛细管吸热器2的沿程压
降和局部压降之和。其中：
单根毛细管吸热器2的沿程压降为：
式中，λ为沿程压降系数，由于集热液体的流动一般为层流，可取L
为吸热管长度；V为吸热管内集热液体的流速；g为重力加速度；
Re为集热液体的雷诺数；ρ为集热液体密度；D为吸热管外径；μ为集热液体动力粘
度；
局部压降为：
式中，ξ为局部压降系数，由于集热器的局部压降主要为进液分液管1到毛细管吸
热器2、毛细管吸热器2到出液集液管3的管径突变和流动方向造成的压降，如在一种具体的
实施方式中，ξ可以取为1。
进一步地，由公式(8)可知，对于多级集热器的集热液体的出口温度与太阳辐射强
度、集热器面积、吸热器面积、漏热换热系数、环境温度、集热液体比热和流量有关系。因此
在给定集热液体种类的情形下，可以认为集热液体的比热为常数；在给定太阳辐射强度的
情形下下，集热器的出液温度与环境温度、流量、出液集热器3的面积、毛细管吸热器2的面
积、漏热换热系数等参数有关，即：
而漏热系数又与风速有关，即：
Tout_i＝f(v,Ah_n,An,m,Ta) (12)
以及集热器的能量利用效率，其除了与集热液体的吸热量相关外，还与泵送集热
液体的泵功有关。具体而言：集热器净效率＝(集热液体温升-泵功)/太阳辐射能量。而泵功
则与集热液体的流量和流程有关系。也就是说，要想获得更高的集热器的净能量利用效率，
在满足集热液体的供液温度和流量的前提下，要合理地规划集热液体的流程，以及通过尽
量减少集热液体的压降来减少泵功。
因此，在不同的太阳辐射条件下，可以通过调整电动阀门5的开关状态来调整毛细
管吸热器2的面积、以及通过集热器的面积和流量来调整集热器的出液温度和净能量利用
效率。如集热器的工作模式可以包括以下三种目标工作模式：
1)给定流量下的最高温升，该模式适用于对集热器的集热温度有要求的情形。
2)给定出液温度下的最大流量，该模式适用于对集热器的集热量有要求的情形。
3)给定温度、流量下的最小泵功，该模式适用于要求集热器节能运行、自耗功最小
的情形。
进一步参照图1，为更清楚地表达集热液体的路径，如可以通过矩阵A＝{a(i,j)}
来表示每一个电动阀门5的开关状态。其中(i,j)表示电动阀门5的坐标，其中，i表示沿着集
热液体流动方向的列数，j表示沿着集热液体流动方向的行数。如，j＝1时表示该电动阀门5
为进液分液管1上的电动阀门5，j＝2时表示该电动阀门5为出液集液管3上的电动阀门5。a
(i,j)的值表示坐标为(i,j)的电动阀门5的开关状态；如可以是：当a(i,j)＝1时，表示电动
阀门5为开启状态，而当a(i,j)＝0时，则表示电动阀门5为关闭状态。则整个集热器的各个
电动阀门5的开关状态，可以表示为一个n×2的(0,1)矩阵，即可以通过各个a(i,j)的值来
描述整个集热器的集热液体的流程。
控制部对电动阀门5的开关状态进行控制的具体优化算法可以概括为：
首先是目标函数的设定：根据用户需求或者基于研究和/或实践的分析，设定若干
个备选的目标函数，如备选的目标函数可以包括以下三种函数：
i)目标函数得出的指标是给定流量下的最高温升，即：
当m＝常数时，f1＝max(ΔT)；其中ΔT表示集热液体的最大温升；
ii)目标函数得出的指标是给定出液温度下的最大流量，即：
当集热液体出液温度Tout＝常数时，f2＝max(m)；
iii)目标函数得出的指标是给定出液温度下的最小泵功，即：
当出液温度Tout和集热液体流量m＝常数时，f3＝min(Ppump)。
由于蓄水水箱17的供热温度已经设定，即集热温度也已确定，那么上述目标函数
iii)对应的集热模式即适用于本发明，即将集热器应用于直膨式热泵装置。
远程控制装置可以选定上述目标函数中的其中任一个作为当前的集热模式下的
目标函数，该目标函数即对应某一种侧重点(适用场合下的特定要求)的集热模式，对该集
热模式进行优化的过程具体可以包括：
初始化步骤：随机生成M个满足上述能用于描述整个集热器的集热液体的流程的n
×2的矩阵，即其中的元素a[i,j]的值在0和1之间随机选取，剔除上述M个矩阵中没有物理
意义的矩阵，如没有物理意义的矩阵至少包括：
a)造成集热液体的流程断路的矩阵，即需保证当a(i,1)和a(i,2)不能同时为0。
进一步参照图，当时，由于中上和中下两个电动阀门5同时处于
关闭状态，会导致集热器内的集热液体断路，即不能实现最基本的集热器入口流入、出口流
出的路径，属于无效流程，因此需要在对路径进行优化计算之前予以剔除。
b)剔除高温级集热面积小于低温级面积的矩阵，即每级集热液体的流程的集热面
积≤后一级的集热面积，而≥前一级的集热面积。
进一步参照图，当时，即所有电动阀门5为打开状态，流程为并
联；当时，为三级串联集热；
当时，形成两级集热，其中低级为一流程集热，二级为二流程集
热，二级集热面积大于一级集热面积，符合要求；
而当时，同样形成两级集热，其中低级为二流程集热，二级为一
流程集热，二级集热面积小于一级集热面积，不符合要求，应予以剔除。剔除的原因为：当低
级集热的温度足够高的时候，会造成高级集热的漏热量≥太阳辐射量，则集热器的集热温
度不会继续升高，即高级集热的集热面积对集热器的集热没有贡献，因此需要在对路径进
行优化计算之前予以剔除。
计算剔除之后的、具有物理意义的M1个矩阵对应的目标函数值，得到阶段最优值。
将该阶段最优值对应的矩阵A作为目标矩阵B的初始值；即：选出具有物理意义的M1个矩阵
中对应的目标函数值最优的那个矩阵，作为目标矩阵B的初始值；
优化步骤：按照设定的规则对上述目标矩阵B进行优化，在优化过程满足设定的停
止条件时，即得到该集热模式下的目标函数值。根据目标函数值获得相应的集热液体路径，
即为最优化之后的集热液体路径。控制装置结合当前的电动阀门5的开闭状态，对各个电动
阀门5发送指令，将集热液体的路径调整为该目标函数值对应的集热液体的路径。
如一种简单的示例可以是：用户在远程控制装置端将当前的集热器的目标工作模
式设定为由目标函数得出的指标是“给定流量下的最高温升”所对应的集热模式，则控制装
置对各个电动阀门5发出M1个作为初始值的矩阵A对应的控制指令：
如上述M1＝1，矩阵A所对应的控制指令形成的集热器的集热液体的路径为“多级
串联”，如为图1中的五个电动阀门中的(2、5)为打开状态，其余为关闭状态，此即初始值对
应的阶段最优值，即将其作为目标矩阵B[n，2]的初始值。根据该阶段最优值，测试、计算并
记录集热器的进出口温差。
对上述阶段最优值进行优化的过程可以为，控制装置根据设定的规则(如经验值、
随机数据交换等)调整矩阵A中的元素值，如将为集热液体的路径调整为“最末两级为串
联”，如为图1中的5个电动阀门中的(1、5)(下右，上左)为关闭状态，其余为打开状态，形成
的是串并组合的两级流程，此即对阶段最优值进行的第一次优化。根据该第一次优化值。根
据该第一次最优值，测试、计算并记录集热器的进、出口的温差。
对比阶段优化值和第一次优化值对应的两种集热液体的路径在集热器进、出口处
的温差，如果第一种(“多级串联”)进出口温差大于第二种，则控制装置重新发送指令，以
“多级串联”作为当前的集热液体流程，即不替换目标矩阵B[n，2]的值，根据设定的规则进
行进一步优化；如果第一种温差小于第二种，则需要改变流程，将第一次优化值对应的集热
液体的路径作为当前的集热液体流程，即目标矩阵B[n，2]的初始值替换为改变流程后的
值，根据设定的规则进行进一步优化；直到满足设定的条件(如迭代或者交换次数)，即将最
后一次的优化值所对应的集热液体流程作为该集热模式下的最优值，计算该最优值状态下
的集热器的集热液体的进、出口温差即为最高温升(出口温度-进口温度)，并获得目标矩阵
B[n，2]对应的集热液体的流程。
当然，为了缩短最优化的运算成本以及提高优化水平，也可以根据实际需求进行
编程或者引入已有的其他用于进行最优化选择的成熟算法。如依然同前一个示例，将当前
的集热器的目标工作模式设定为由目标函数得出的指标是“给定流量下的最高温升”所对
应的模式，发明人根据实际的需求，对该优化过程进行了一种具体的编程，逻辑框图具体参
照图5，通过该编程的算法对集热液体的路径进行优化的具体过程可以为：
501)计算M1个每个矩阵对应的目标函数值，选择目标函数值最优的作为阶段最优
值；提取该阶段最优值对应的矩阵A并存放到目标矩阵B[n，2]中，作为目标矩阵B[n，2]的初
始值。
502)在M1个矩阵里以设定的概率挑选矩阵选择矩阵A1和A2进行交叉计算，重新生
成两个新矩阵A1’和A2’。交叉计算的方式如下：①在1和n之间随机生成整数C；②将矩阵A1
和A2中的元素a1[i,j]和a2[i,j]中(i>C)的数值进行互换；③剔除矩阵交换之后没有物理
意义的矩阵，同时将没有物理意义的矩阵用B[n，2]补位代替；生成交叉后的矩阵群体。
其中，矩阵群体中的某个矩阵是否被选中用于交叉计算的概率，与该矩阵对应的
目标函数的计算值相关，即：当目标函数为本实施例中所述的求最大值运算的函数时，则矩
阵群体中的矩阵对应的目标函数值越大，则被选中用于交叉的概率就越大；相应地，当目标
函数为求最小值运算的函数时，则矩阵群体中的矩阵对应的目标函数值越小，则被选中用
于交叉的概率就越小。
503)对上述得到的交叉后的矩阵群体进行变异计算，变异计算的方式如下：①在1
和n之间随机生成整数D；②以一定的概率，决定上述矩阵群体中的矩阵个体是否参与变异
计算。此处，单一矩阵参加变异的概率完全随机，与任何其余条件无关；③如果某一个矩阵A
参与了变异计算，则将a[i,j](i＝D)对应的数值进行逻辑颠倒，即：如果是1，则变为0；如果
是0，则赋值为1；④剔除矩阵变异之后没有物理意义的矩阵；依然将没有物理意义的矩阵用
B[n，2]补位代替；生成变异后的矩阵群体。
504)进行上述变异、交叉之后，将目标值最优的一个矩阵与B[n，2]的初始值比较，
如果对应的目标函数值优于初始值，则用阶段最优值替代初始值，如果初始值更优，则继续
保留初始值，即得到阶段最优值，对变异后的矩阵群体重复进行前述交叉和变异运算，对阶
段最优值进行进一步优化。
505)直至达到设定的迭代次数或者设定的其他停止条件时，在得到的M1个矩阵
中，按照其对应的目标函数值，将目标函数值最优的一组作为目标矩阵B[n，2]的最优值。
506)调节控制各个电动阀门5的开关状态，使得集热液体的流动路径为根据目标
矩阵B[n，2]的最优值所确定的路径，为最优路径。
根据实际需要，通过调节进入集热器的集热液体的流量，通过控制集热器内的各
个电动阀门5的开闭来调节集热液体的流程，结合环境温度、风速、太阳辐射、集热器尺寸等
影响因素，针对不同的应用场合，可以在出液集液管3的下游端实现不同的出液温度。如在
夏季时，将出液温度到100℃以上，然后通过驱动吸收式制冷或者有机朗肯循环发电系统实
现对收集的热能进行制冷或者发电的利用，提高了集热器所收集的热能的转化率。
采用本发明的集热液体控制方法实现供热的步骤具体为：开机后，控制部根据集
热器的参数(如包括集热器的尺寸、毛细吸热管2的尺寸、CPC4的尺寸等)和运行数据(如环
境温度、风速、太阳辐射，集热液体进出口温度、压降和流量等)，对当前集热模式的目标函
数进行优化，当目标函数最优值的情形下，其对应的各个电动阀门5的开关状态所确定的集
热液体的流程即为理论上的最佳流程。集热液体经该最佳流程流出集热器之后，通过第一
供热循环或者第二供热循环向蓄热水箱17的供热流体提供热源。本发明包含的要点主要包
括：
1)通过以毛细管吸热器2为吸热件，取代了热管或常规吸热管，加工简单，成本低
廉，且作为一种优选，毛细管吸热器2的外径≤4mm(优选为1～4mm，更优选为2～4mm)，以及
通过以CPC4为聚光装置，且作为一种优选，CPC4的截取比范围为0～4/5，可以利用3D打印等
加工工艺成型，有效增加了毛细管吸热器2的吸热热流密度，减少了散热面积，可以使CPC4
的尺寸(高度小于等于50mm)与常规平板集热器和真空管集热器相当，且具有常规集热器2
～5倍甚至高达10倍的聚光比；而且根据实际情况和需求，可以以单根毛细管吸热器2所对
应的集热单元作为一个基本的吸热单元，也可以利用二级分液器将多跟毛细管吸热器2并
联作为一个基本的吸热单元；且整个集热器通过金属管路来连接，因此具有一定的承压能
力，同时在冬季具有防冻裂能力。
2)通过电动阀门5的开关状态来调整集热液体(可以为前述的液态或者气态的集
热介质)的流动路径，且电动阀门5的开关状态可以通过控制部根据设定温度、环境温度、风
速、太阳辐射强度、集热液体流量和/或进出流动压降等参数来决定，使得当前的集热环境
下的整机的集热效率能够最大程度地迎合应用场合的需求。根据不同的需要，通过调整电
动阀门5的开关状态来调节进入集热器的集热液体的流程，还可以通过流量控制阀9的开度
来调整进入集热器的集热液体的流量，从而能够在最大程度上实现不同热泵运行要求的集
热温度，从而满足供热需求。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明，此处的附图是用来提供对本
发明的进一步理解。显然，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围
并不局限于此，任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的
变化或替换，也均包含在本发明的保护范围之内。