一種并聯式太陽能熱泵熱水系統動態控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種并聯式太陽能熱泵熱水系統動態控制方法，主要包括：檢測太陽能集熱器出口水溫T1和供熱水箱中部水溫T2，比較T1和T2，根據比較結果控制太陽能循環泵的開啟與關閉；當太陽能循環泵關閉時，采用以下方法控制熱泵機組的開啟與關閉：判斷供熱水箱中當前可用于加熱冷水的熱量和太陽能集熱器中當前可用于換熱的熱量之和能否滿足在供熱水箱補進一定量的冷水后，供熱水箱中的供水溫度大于供水設定溫度，若滿足，則熱泵機組關閉，若不滿足，則熱泵機組開啟。本發明既可以滿足末端用戶全天候動態用水的需求，又可以有效利用太陽能資源，減少熱泵機組的開啟時間，節約電能，確保了穩定供應熱水，并降低了系統運行能耗。
【專利說明】
一種并聯式太陽能熱泵熱水系統動態控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及生活熱水供應系統領域，尤其涉及一種并聯式太陽能熱栗熱水系統動態控制方法。
【背景技術】
[0002]據相關數據顯示，目前建筑能耗占社會總能耗的33%左右，預計到2050年，建筑能耗將占我國社會總能耗的35%以上。降低建筑能耗是實施綠色建筑戰略的重要內容，在有熱水供應系統的建筑中，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，對建筑節能具有重要意義。
[0003]目前，生活熱水的供應方式有很多種。傳統的燃煤、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，嚴重污染環境和浪費能源，已不能適應當今社會節約能源，保護環境的要求。太陽能因其可再生、清潔、無污染等特點被廣泛使用，但因其自身存在的一些缺陷，使其在大型熱水工程的應用中仍受到限制。首先，太陽能資源具有不穩定性，當天氣晴好時，太陽輻射量充足，足以加熱生活熱水；當遇到陰雨天氣或者晚間時，便不足以加熱生活熱水。其次，加熱周期長，熱水升溫較慢，不適用于全天候用水的場合。隨著熱栗技術的發展，空氣源熱栗熱水器逐漸受到人們的關注。熱栗技術是一種很好的可以實現夏季供冷冬季供熱的節能型系統，可以利用少量高品位能源，實現將熱量從低溫熱源傳輸給高溫熱源。熱栗熱水器可以滿足全天候制取生活熱水的需求，但若單獨使用，則放棄了太陽能的綠色能源優勢。因此，人們將太陽能技術與熱栗技術相結合，以熱栗機組作為輔助裝置，在太陽輻射量不足時輔助加熱生活熱水，不僅可以有效利用太陽能資源，而且可以實現全天候穩定供水，并聯式太陽能熱栗系統就是在熱栗技術和太陽能技術的基礎上發展而來的。
[0004]隨著對節能工作的重視以及用戶對生活熱水質量要求的提高，為提高供水質量并降低系統能耗，近年來，對并聯式太陽能熱栗熱水系統節能優化控制技術的研究逐漸增多，主要有以下幾種控制方法:一、邏輯控制法，根據時間、水位、水溫三者聯合控制熱栗機組的開啟時間。即定時檢測供熱水箱水位、水溫是否達到設定值，若沒有達到設定值，則開啟空氣源熱栗。這種控制方法不能實現全天候穩定供水，且水位、水溫的設定值多是根據人的主觀經驗值設定，主觀因素大；另外，不根據不同季節和不同室外溫度改變溫度設定值，導致天氣晴好時過早的開啟熱栗，不能充分利用太陽能資源，浪費能源。二、熱量預測法，對太陽能集熱器和熱栗機組產熱量進行預測，確定熱栗機組的啟停控制策略。即以正態曲線擬合出某一天的太陽輻射量，從而根據一段時間的輻射量預測一整天的輻射量，同時通過實驗得出熱栗能效與回水溫度的關系，建立熱栗制熱量預測模型。通過比較一整天的太陽輻射量與加熱一定量熱水所需的輻射量的大小，調節開啟熱栗的時間，這種控制策略預測周期長，忽略了天氣變化的影響，不準確性大，另外，計算一天所需的總熱量值，忽略了用戶用水時間和用水量的隨機性。
[0005]這些傳統的控制策略都有一個共同的不足:將用戶的用水負荷視為固定負荷計算加熱量，認為用水量不變，用水時間固定，從而預測出熱栗機組的啟停時間，這種靜態的控制方法不能根據用戶末端用水負荷的變化和當前太陽輻射量動態調整機組的運行狀態，因此不能滿足人們全天候動態用水的需求。

【發明內容】

[0006]針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種將熱栗熱水系統和太陽能熱水系統并聯運行的節能優化控制方法。
[0007]為實現上述目的，本發明可以通過以下技術方案予以實現:
[0008]一種并聯式太陽能熱栗熱水系統動態控制方法，包括以下步驟:
[0009]檢測太陽能集熱器出口水溫TdP供熱水箱中部的水溫T2，比較TjPT2,根據比較結果控制太陽能循環栗的開啟與關閉；
[0010]當太陽能循環栗關閉時，采用以下方法控制熱栗機組的開啟與關閉:
[0011]判斷供熱水箱中當前可用于加熱冷水的熱量和太陽能集熱器中當前可用于換熱的熱量之和能否滿足在供熱水箱補進一定量的冷水后，供熱水箱中的供水溫度大于供水設定溫度，若滿足，則熱栗機組關閉，若不滿足，則熱栗機組開啟。
[0012]進一步的，比較TjPT2:當^彡5，太陽能循環栗開啟；彡2，太陽能循環栗關閉。
[0013]進一步的，控制熱栗機組的開啟與關閉的方法具體為:假設:供熱水箱中當前可用于加熱冷水的熱量為Q1，太陽能集熱器中當前可用于換熱的熱量為Q2,供熱水箱從當前水位補到高水位的進水量由冷水溫度升至供水設定溫度所需要的熱量為Q3,當前用水量持續時間t的總水量從冷水溫度升至供水設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值對應的熱量為AQ^QdQKQdQ4+ Δ Q，熱栗機組開啟；當&+02彡Q3+Q4_ ΔQ，熱栗機組關閉；每間隔At時間計算一次Q2、Q3、Q4的值，并判定熱栗機組的開啟和關閉。
[0014]進一步的，熱量值計算公式如下:
[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——實際供水溫度，
[0028]Tg--供水設定溫度，
[0029]Ti——太陽能集熱器出口水溫，
[0030]Tz——冷水溫度，
[0031]w一一太陽能集熱器中可用于換熱的水量，
[0032]L一一用戶當前用水量，
[0033]t 當前用水量持續時間，
[0034]Δ T一一可允許供熱水箱水溫波動值。
[0035]進一步的，所述供水設定溫度為55°C。
[0036]本發明綜合考慮用戶當前用水量和太陽輻射量，實現多參數檢測，多目標協同控制，既可以滿足末端用戶全天候動態用水的需求，又可以有效利用太陽能資源，減少熱栗機組的開啟時間，節約電能，確保了穩定供應熱水，并降低了系統運行能耗。
【具體實施方式】
[0037]下面將結合【具體實施方式】對本發明作進一步的說明:
[0038]本發明所述的并聯式太陽能熱栗熱水系統動態控制方法，包括以下步驟:
[0039]—、對于太陽能集熱單元，當其在單獨工作加熱生活熱水時，由太陽能循環栗實現集熱器中的水和供熱水箱中的水的循環。太陽能集熱單元的運行狀態受太陽輻射量強弱的影響，而太陽輻射量在實際測量時較難實現，因此，需采用一種控制器可實現并容易測量的參數作為控制依據。當太陽輻射強時，水升溫較快，當太陽輻射弱時，水升溫較慢，因此水的溫升值可以反映當前太陽輻射量的強弱，故通過檢測水的溫度值控制太陽能集熱單元運行狀態的方法簡單有效。因此，太陽能循環栗采用溫差控制，檢測太陽能集熱器出口水溫TdP供熱水箱中部的水溫T2，比較TjPT2,根據比較結果控制太陽能循環栗的開啟與關閉。具體比較方法為:當^如，太陽能循環栗開啟；當^^^，太陽能循環栗關閉。
[0040]二、當太陽輻射量不足，即太陽能集熱器出口水溫較低不能達到太陽能循環栗啟動條件時，為了保證用戶的穩定用水，則需要啟動熱栗機組。確定合理的熱栗機組的啟停控制策略，是有效利用太陽能資源，實現節能控制的關鍵。
[0041]對于熱栗單元，由于熱水用戶用水時間和用水量的隨機動態性，為了使得供熱水箱中的水滿足用戶全天候動態用水需求，需預先判斷出:
[0042]供熱水箱中當前可用于加熱冷水的熱量和太陽能集熱器中當前可用于換熱的熱量之和能否滿足在供熱水箱補進一定量的冷水后，供熱水箱中的供水溫度大于供水設定溫度，若滿足，則熱栗機組關閉，若不滿足，則熱栗機組開啟。所述供水設定溫度可設為55°C。
[0043]控制熱栗機組的開啟與關閉的方法具體為:假設:供熱水箱中當前可用于加熱冷水的熱量為Q1，太陽能集熱器中當前可用于換熱的熱量為Q2,供熱水箱從當前水位補到高水位的進水量由冷水溫度升至供水設定溫度所需要的熱量為Q3,當前用水量持續時間t的總水量從冷水溫度升至供水設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值對應的熱量為△ Q，△ Q的作用是為避免熱栗機組頻繁的啟停控制；當Qi+Q2<Q3+Q4+a Q，熱栗機組開啟；當QdQ2彡Q3+Q4- Δ Q，熱栗機組關閉；每間隔At時間計算一次&、Q2、Q3、Q4的值，并判定熱栗機組的開啟和關閉。
[0044]熱量值計算公式如下:
[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]T3一一實際供水溫度，。C ;
[0058]Tg一一供水設定溫度，。C ;
[0059]Ti一一太陽能集熱器出口水溫，。C ;
[0060]Tz——冷水溫度，。C ;
[0061 ]w一一太陽能集熱器中可用于換熱的水量，m3;
[0062]L一一用戶當前用水量，L;
[0063]t--當前用水量持續時間，min;
[0064]Δ T一一可允許供熱水箱水溫波動值，0C。
[0065]對于本領域的技術人員來說，可根據以上技術方案以及構思，做出其他各種相應的改變以及變形，而所有的這些改變和變形都應該屬于本發明權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種并聯式太陽能熱栗熱水系統動態控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 檢測太陽能集熱器出口水溫TdP供熱水箱中部的水溫τ2，比較TdPT2,根據比較結果控制太陽能循環栗的開啟與關閉； 當太陽能循環栗關閉時，采用以下方法控制熱栗機組的開啟與關閉: 判斷供熱水箱中當前可用于加熱冷水的熱量和太陽能集熱器中當前可用于換熱的熱量之和能否滿足在供熱水箱補進一定量的冷水后，供熱水箱中的供水溫度大于供水設定溫度，若滿足，則熱栗機組關閉，若不滿足，則熱栗機組開啟。2.根據權利要求1所述的并聯式太陽能熱栗熱水系統動態控制方法，其特征在于，比較1'1和1'2:當1'1-1'2彡5，太陽能循環栗開啟；當1'1-1'2<2，太陽能循環栗關閉。3.根據權利要求1或2所述的并聯式太陽能熱栗熱水系統動態控制方法，其特征在于，控制熱栗機組的開啟與關閉的方法具體為:假設:供熱水箱中當前可用于加熱冷水的熱量為&，太陽能集熱器中當前可用于換熱的熱量為Q2,供熱水箱從當前水位補到高水位的進水量由冷水溫度升至供水設定溫度所需要的熱量為Q3,當前用水量持續時間t的總水量從冷水溫度升至供水設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值對應的熱量為A^hiQdQ2SQdQ4+ Δ Q，熱栗機組開啟；當&+02彡Q3+Q4_ Δ Q，熱栗機組關閉；每間隔At時間計算一次QhQ^Qs、Q4的值，并判定熱栗機組的開啟和關閉。4.根據權利要求3所述的并聯式太陽能熱栗熱水系統動態控制方法，其特征在于: 熱量值計算公式如下: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， T3一一實際供水溫度， Tg—供水設定溫度， Ti——太陽能集熱器出口水溫， Tz——冷水溫度， w一一太陽能集熱器中可用于換熱的水量， L一一用戶當前用水量， t一一當前用水量持續時間， Δ T--可允許供熱水箱水溫波動值。5.根據權利要求1所述的并聯式太陽能熱栗熱水系統動態控制方法，其特征在于:所述 供水設定溫度為55 °C。
【文檔編號】F24J2/40GK106091438SQ201610422002
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日 公開號201610422002.9, CN 106091438 A, CN 106091438A, CN 201610422002, CN-A-106091438, CN106091438 A, CN106091438A, CN201610422002, CN201610422002.9
【發明人】徐曉寧, 董旭艷, 游秀華, 劉慶軍
【申請人】廣州大學