一種并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，主要包括：檢測(cè)太陽(yáng)能集熱器出口水溫T1和供熱水箱中部水溫T2，比較T1和T2，根據(jù)比較結(jié)果控制太陽(yáng)能循環(huán)泵的開啟與關(guān)閉；當(dāng)太陽(yáng)能循環(huán)泵關(guān)閉時(shí)，采用以下方法控制熱泵機(jī)組的開啟與關(guān)閉：判斷供熱水箱中當(dāng)前可用于加熱冷水的熱量和太陽(yáng)能集熱器中當(dāng)前可用于換熱的熱量之和能否滿足在供熱水箱補(bǔ)進(jìn)一定量的冷水后，供熱水箱中的供水溫度大于供水設(shè)定溫度，若滿足，則熱泵機(jī)組關(guān)閉，若不滿足，則熱泵機(jī)組開啟。本發(fā)明既可以滿足末端用戶全天候動(dòng)態(tài)用水的需求，又可以有效利用太陽(yáng)能資源，減少熱泵機(jī)組的開啟時(shí)間，節(jié)約電能，確保了穩(wěn)定供應(yīng)熱水，并降低了系統(tǒng)運(yùn)行能耗。
【專利說(shuō)明】
一種并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前建筑能耗占社會(huì)總能耗的33%左右，預(yù)計(jì)到2050年，建筑能耗將占我國(guó)社會(huì)總能耗的35%以上。降低建筑能耗是實(shí)施綠色建筑戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，在有熱水供應(yīng)系統(tǒng)的建筑中，生活熱水能耗占建筑能耗的15%-20%，降低生活熱水能耗，是降低建筑能耗的有效措施，對(duì)建筑節(jié)能具有重要意義。
[0003]目前，生活熱水的供應(yīng)方式有很多種。傳統(tǒng)的燃煤、燃油、電加熱制取生活熱水的方式消耗大量化石能源或電能，嚴(yán)重污染環(huán)境和浪費(fèi)能源，已不能適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境的要求。太陽(yáng)能因其可再生、清潔、無(wú)污染等特點(diǎn)被廣泛使用，但因其自身存在的一些缺陷，使其在大型熱水工程的應(yīng)用中仍受到限制。首先，太陽(yáng)能資源具有不穩(wěn)定性，當(dāng)天氣晴好時(shí)，太陽(yáng)輻射量充足，足以加熱生活熱水；當(dāng)遇到陰雨天氣或者晚間時(shí)，便不足以加熱生活熱水。其次，加熱周期長(zhǎng)，熱水升溫較慢，不適用于全天候用水的場(chǎng)合。隨著熱栗技術(shù)的發(fā)展，空氣源熱栗熱水器逐漸受到人們的關(guān)注。熱栗技術(shù)是一種很好的可以實(shí)現(xiàn)夏季供冷冬季供熱的節(jié)能型系統(tǒng)，可以利用少量高品位能源，實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩磦鬏斀o高溫?zé)嵩础崂鯚崴骺梢詽M足全天候制取生活熱水的需求，但若單獨(dú)使用，則放棄了太陽(yáng)能的綠色能源優(yōu)勢(shì)。因此，人們將太陽(yáng)能技術(shù)與熱栗技術(shù)相結(jié)合，以熱栗機(jī)組作為輔助裝置，在太陽(yáng)輻射量不足時(shí)輔助加熱生活熱水，不僅可以有效利用太陽(yáng)能資源，而且可以實(shí)現(xiàn)全天候穩(wěn)定供水，并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗系統(tǒng)就是在熱栗技術(shù)和太陽(yáng)能技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。
[0004]隨著對(duì)節(jié)能工作的重視以及用戶對(duì)生活熱水質(zhì)量要求的提高，為提高供水質(zhì)量并降低系統(tǒng)能耗，近年來(lái)，對(duì)并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制技術(shù)的研究逐漸增多，主要有以下幾種控制方法:一、邏輯控制法，根據(jù)時(shí)間、水位、水溫三者聯(lián)合控制熱栗機(jī)組的開啟時(shí)間。即定時(shí)檢測(cè)供熱水箱水位、水溫是否達(dá)到設(shè)定值，若沒有達(dá)到設(shè)定值，則開啟空氣源熱栗。這種控制方法不能實(shí)現(xiàn)全天候穩(wěn)定供水，且水位、水溫的設(shè)定值多是根據(jù)人的主觀經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，主觀因素大；另外，不根據(jù)不同季節(jié)和不同室外溫度改變溫度設(shè)定值，導(dǎo)致天氣晴好時(shí)過(guò)早的開啟熱栗，不能充分利用太陽(yáng)能資源，浪費(fèi)能源。二、熱量預(yù)測(cè)法，對(duì)太陽(yáng)能集熱器和熱栗機(jī)組產(chǎn)熱量進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定熱栗機(jī)組的啟停控制策略。即以正態(tài)曲線擬合出某一天的太陽(yáng)輻射量，從而根據(jù)一段時(shí)間的輻射量預(yù)測(cè)一整天的輻射量，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出熱栗能效與回水溫度的關(guān)系，建立熱栗制熱量預(yù)測(cè)模型。通過(guò)比較一整天的太陽(yáng)輻射量與加熱一定量熱水所需的輻射量的大小，調(diào)節(jié)開啟熱栗的時(shí)間，這種控制策略預(yù)測(cè)周期長(zhǎng)，忽略了天氣變化的影響，不準(zhǔn)確性大，另外，計(jì)算一天所需的總熱量值，忽略了用戶用水時(shí)間和用水量的隨機(jī)性。
[0005]這些傳統(tǒng)的控制策略都有一個(gè)共同的不足:將用戶的用水負(fù)荷視為固定負(fù)荷計(jì)算加熱量，認(rèn)為用水量不變，用水時(shí)間固定，從而預(yù)測(cè)出熱栗機(jī)組的啟停時(shí)間，這種靜態(tài)的控制方法不能根據(jù)用戶末端用水負(fù)荷的變化和當(dāng)前太陽(yáng)輻射量動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，因此不能滿足人們?nèi)旌騽?dòng)態(tài)用水的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種將熱栗熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的節(jié)能優(yōu)化控制方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可以通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0008]一種并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，包括以下步驟:
[0009]檢測(cè)太陽(yáng)能集熱器出口水溫TdP供熱水箱中部的水溫T2，比較TjPT2,根據(jù)比較結(jié)果控制太陽(yáng)能循環(huán)栗的開啟與關(guān)閉；
[0010]當(dāng)太陽(yáng)能循環(huán)栗關(guān)閉時(shí)，采用以下方法控制熱栗機(jī)組的開啟與關(guān)閉:
[0011]判斷供熱水箱中當(dāng)前可用于加熱冷水的熱量和太陽(yáng)能集熱器中當(dāng)前可用于換熱的熱量之和能否滿足在供熱水箱補(bǔ)進(jìn)一定量的冷水后，供熱水箱中的供水溫度大于供水設(shè)定溫度，若滿足，則熱栗機(jī)組關(guān)閉，若不滿足，則熱栗機(jī)組開啟。
[0012]進(jìn)一步的，比較TjPT2:當(dāng)^彡5，太陽(yáng)能循環(huán)栗開啟；彡2，太陽(yáng)能循環(huán)栗關(guān)閉。
[0013]進(jìn)一步的，控制熱栗機(jī)組的開啟與關(guān)閉的方法具體為:假設(shè):供熱水箱中當(dāng)前可用于加熱冷水的熱量為Q1，太陽(yáng)能集熱器中當(dāng)前可用于換熱的熱量為Q2,供熱水箱從當(dāng)前水位補(bǔ)到高水位的進(jìn)水量由冷水溫度升至供水設(shè)定溫度所需要的熱量為Q3,當(dāng)前用水量持續(xù)時(shí)間t的總水量從冷水溫度升至供水設(shè)定溫度所需要的熱量為Q4,供熱水箱中維持某一水溫可允許的波動(dòng)值對(duì)應(yīng)的熱量為AQ^QdQKQdQ4+ Δ Q，熱栗機(jī)組開啟；當(dāng)&+02彡Q3+Q4_ ΔQ，熱栗機(jī)組關(guān)閉；每間隔At時(shí)間計(jì)算一次Q2、Q3、Q4的值，并判定熱栗機(jī)組的開啟和關(guān)閉。
[0014]進(jìn)一步的，熱量值計(jì)算公式如下:
[0015]Qi = C.pji.r2.h2.(T3~Tg)
[0016]Q2 = C.Pw.(T4-Tg)，Ti彡Tg
[0017]Q2 = O,Ti^Tg
[0018]Q3 = C.pji.r2.(hi_h2).(Tg-Tz)
[0019]Q4=C.PLt.(Tg-Tz)
[0020]Δ Q = C.pji.r2.hi.Δ T
[0021]式中:
[0022]c一一水比熱容，
[0023]p——水密度，
[0024]r一一供熱水箱半徑，
[0025]hi一一供熱水箱高水位高度，
[0026]h2——供熱水箱低水位高度，
[0027]T3——實(shí)際供水溫度，
[0028]Tg--供水設(shè)定溫度，
[0029]Ti——太陽(yáng)能集熱器出口水溫，
[0030]Tz——冷水溫度，
[0031]w一一太陽(yáng)能集熱器中可用于換熱的水量，
[0032]L一一用戶當(dāng)前用水量，
[0033]t 當(dāng)前用水量持續(xù)時(shí)間，
[0034]Δ T一一可允許供熱水箱水溫波動(dòng)值。
[0035]進(jìn)一步的，所述供水設(shè)定溫度為55°C。
[0036]本發(fā)明綜合考慮用戶當(dāng)前用水量和太陽(yáng)輻射量，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測(cè)，多目標(biāo)協(xié)同控制，既可以滿足末端用戶全天候動(dòng)態(tài)用水的需求，又可以有效利用太陽(yáng)能資源，減少熱栗機(jī)組的開啟時(shí)間，節(jié)約電能，確保了穩(wěn)定供應(yīng)熱水，并降低了系統(tǒng)運(yùn)行能耗。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面將結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0038]本發(fā)明所述的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，包括以下步驟:
[0039]—、對(duì)于太陽(yáng)能集熱單元，當(dāng)其在單獨(dú)工作加熱生活熱水時(shí)，由太陽(yáng)能循環(huán)栗實(shí)現(xiàn)集熱器中的水和供熱水箱中的水的循環(huán)。太陽(yáng)能集熱單元的運(yùn)行狀態(tài)受太陽(yáng)輻射量強(qiáng)弱的影響，而太陽(yáng)輻射量在實(shí)際測(cè)量時(shí)較難實(shí)現(xiàn)，因此，需采用一種控制器可實(shí)現(xiàn)并容易測(cè)量的參數(shù)作為控制依據(jù)。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)時(shí)，水升溫較快，當(dāng)太陽(yáng)輻射弱時(shí)，水升溫較慢，因此水的溫升值可以反映當(dāng)前太陽(yáng)輻射量的強(qiáng)弱，故通過(guò)檢測(cè)水的溫度值控制太陽(yáng)能集熱單元運(yùn)行狀態(tài)的方法簡(jiǎn)單有效。因此，太陽(yáng)能循環(huán)栗采用溫差控制，檢測(cè)太陽(yáng)能集熱器出口水溫TdP供熱水箱中部的水溫T2，比較TjPT2,根據(jù)比較結(jié)果控制太陽(yáng)能循環(huán)栗的開啟與關(guān)閉。具體比較方法為:當(dāng)^如，太陽(yáng)能循環(huán)栗開啟；當(dāng)^^^，太陽(yáng)能循環(huán)栗關(guān)閉。
[0040]二、當(dāng)太陽(yáng)輻射量不足，即太陽(yáng)能集熱器出口水溫較低不能達(dá)到太陽(yáng)能循環(huán)栗啟動(dòng)條件時(shí)，為了保證用戶的穩(wěn)定用水，則需要啟動(dòng)熱栗機(jī)組。確定合理的熱栗機(jī)組的啟?？刂撇呗裕怯行Ю锰?yáng)能資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的關(guān)鍵。
[0041]對(duì)于熱栗單元，由于熱水用戶用水時(shí)間和用水量的隨機(jī)動(dòng)態(tài)性，為了使得供熱水箱中的水滿足用戶全天候動(dòng)態(tài)用水需求，需預(yù)先判斷出:
[0042]供熱水箱中當(dāng)前可用于加熱冷水的熱量和太陽(yáng)能集熱器中當(dāng)前可用于換熱的熱量之和能否滿足在供熱水箱補(bǔ)進(jìn)一定量的冷水后，供熱水箱中的供水溫度大于供水設(shè)定溫度，若滿足，則熱栗機(jī)組關(guān)閉，若不滿足，則熱栗機(jī)組開啟。所述供水設(shè)定溫度可設(shè)為55°C。
[0043]控制熱栗機(jī)組的開啟與關(guān)閉的方法具體為:假設(shè):供熱水箱中當(dāng)前可用于加熱冷水的熱量為Q1，太陽(yáng)能集熱器中當(dāng)前可用于換熱的熱量為Q2,供熱水箱從當(dāng)前水位補(bǔ)到高水位的進(jìn)水量由冷水溫度升至供水設(shè)定溫度所需要的熱量為Q3,當(dāng)前用水量持續(xù)時(shí)間t的總水量從冷水溫度升至供水設(shè)定溫度所需要的熱量為Q4，供熱水箱中維持某一水溫可允許的波動(dòng)值對(duì)應(yīng)的熱量為△ Q，△ Q的作用是為避免熱栗機(jī)組頻繁的啟停控制；當(dāng)Qi+Q2<Q3+Q4+a Q，熱栗機(jī)組開啟；當(dāng)QdQ2彡Q3+Q4- Δ Q，熱栗機(jī)組關(guān)閉；每間隔At時(shí)間計(jì)算一次&、Q2、Q3、Q4的值，并判定熱栗機(jī)組的開啟和關(guān)閉。
[0044]熱量值計(jì)算公式如下:
[0045]Qi = C.pji.r2.h2.(T3~Tg)
[0046]Q2 = C.Pw.(T4-Tg)，Τι彡Tg
[0047]Q2 = O,Ti^Tg
[0048]Q3 = C.pji.r2.(hi_h2).(Tg-Tz)
[0049]Q4=C.PLt.(Tg-Tz)
[0050]AQ = C.pit.r2.hi.ΔΤ[0051 ]式中:
[0052]c——水比熱容，C = 4.2kJ/(Kg.°C)；
[0053]p——水密度，P = 103kg/m3;
[0054]r一一供熱水箱半徑，m;
[0055]hi——供熱水箱高水位高度，m;
[0056]h2——供熱水箱低水位高度，m;
[0057]T3一一實(shí)際供水溫度，。C ;
[0058]Tg一一供水設(shè)定溫度，。C ;
[0059]Ti一一太陽(yáng)能集熱器出口水溫，。C ;
[0060]Tz——冷水溫度，。C ;
[0061 ]w一一太陽(yáng)能集熱器中可用于換熱的水量，m3;
[0062]L一一用戶當(dāng)前用水量，L;
[0063]t--當(dāng)前用水量持續(xù)時(shí)間，min;
[0064]Δ T一一可允許供熱水箱水溫波動(dòng)值，0C。
[0065]對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可根據(jù)以上技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其他各種相應(yīng)的改變以及變形，而所有的這些改變和變形都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 檢測(cè)太陽(yáng)能集熱器出口水溫TdP供熱水箱中部的水溫τ2，比較TdPT2,根據(jù)比較結(jié)果控制太陽(yáng)能循環(huán)栗的開啟與關(guān)閉； 當(dāng)太陽(yáng)能循環(huán)栗關(guān)閉時(shí)，采用以下方法控制熱栗機(jī)組的開啟與關(guān)閉: 判斷供熱水箱中當(dāng)前可用于加熱冷水的熱量和太陽(yáng)能集熱器中當(dāng)前可用于換熱的熱量之和能否滿足在供熱水箱補(bǔ)進(jìn)一定量的冷水后，供熱水箱中的供水溫度大于供水設(shè)定溫度，若滿足，則熱栗機(jī)組關(guān)閉，若不滿足，則熱栗機(jī)組開啟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，比較1'1和1'2:當(dāng)1'1-1'2彡5，太陽(yáng)能循環(huán)栗開啟；當(dāng)1'1-1'2<2，太陽(yáng)能循環(huán)栗關(guān)閉。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，控制熱栗機(jī)組的開啟與關(guān)閉的方法具體為:假設(shè):供熱水箱中當(dāng)前可用于加熱冷水的熱量為&，太陽(yáng)能集熱器中當(dāng)前可用于換熱的熱量為Q2,供熱水箱從當(dāng)前水位補(bǔ)到高水位的進(jìn)水量由冷水溫度升至供水設(shè)定溫度所需要的熱量為Q3,當(dāng)前用水量持續(xù)時(shí)間t的總水量從冷水溫度升至供水設(shè)定溫度所需要的熱量為Q4，供熱水箱中維持某一水溫可允許的波動(dòng)值對(duì)應(yīng)的熱量為A^hiQdQ2SQdQ4+ Δ Q，熱栗機(jī)組開啟；當(dāng)&+02彡Q3+Q4_ Δ Q，熱栗機(jī)組關(guān)閉；每間隔At時(shí)間計(jì)算一次QhQ^Qs、Q4的值，并判定熱栗機(jī)組的開啟和關(guān)閉。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于: 熱量值計(jì)算公式如下:Qi = C.PJi.r2h2(T3_Tg) Q2 = C.pw.(TfTg)，Τι彡Tg Q2 = 0,Ti^TgQ3 = C.pji.r2(hi_h2).(Tg-Tz)Q4 = C.PLt.(Tg-Tz)Δ Q = C.pji.r2.hi.Δ h式中: c——水比熱容， P——水密度， r一一供熱水箱半徑， hi一一供熱水箱高水位高度， h2—一供熱水箱低水位高度， T3一一實(shí)際供水溫度， Tg—供水設(shè)定溫度， Ti——太陽(yáng)能集熱器出口水溫， Tz——冷水溫度， w一一太陽(yáng)能集熱器中可用于換熱的水量， L一一用戶當(dāng)前用水量， t一一當(dāng)前用水量持續(xù)時(shí)間， Δ T--可允許供熱水箱水溫波動(dòng)值。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱栗熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于:所述 供水設(shè)定溫度為55 °C。
【文檔編號(hào)】F24J2/40GK106091438SQ201610422002
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日 公開號(hào)201610422002.9, CN 106091438 A, CN 106091438A, CN 201610422002, CN-A-106091438, CN106091438 A, CN106091438A, CN201610422002, CN201610422002.9
【發(fā)明人】徐曉寧, 董旭艷, 游秀華, 劉慶軍
【申請(qǐng)人】廣州大學(xué)