CN104728916A - Ddc控制多单元联合运行的太阳能采暖系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种DDC控制多单元联合运行的太阳能采暖系统，包括太阳能集热器(2)、储热主水箱(3)和供暖末端(6)，由储热主水箱(3)和供暖末端(6)构成第一采暖回路，其特殊之处还设有热泵机组(5)，内部蒸发器(22)通过第三电磁阀(11)和第三循环水泵(9)与储热主水箱(3)相连接，热泵机组(5)内的冷凝器(23)通过第四循环水泵(10)与过渡水箱(4)相连接，过渡水箱(4)另一端出水管通过第四电磁阀(13)和第二循环水泵(8)与供暖末端(6)相连接，供暖末端(6)的回水管与过渡水箱(4)的回水管相连，构成第二采暖回路；由DDC控制器根据各时段采用不同的运行策略对各装置进行控制，提高了太阳能的利用率。

Description

DDC控制多单元联合运行的太阳能采暖系统及方法

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，尤其涉及一种多单元联合运行的太阳能采暖系统。

背景技术

当前，能源和环境问题备受关注，尤其是一次能源的匮乏引发的能源安全问题越来越受到人们的重视，近年来经过人们的研究与实践，普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式，是缓解能源紧张的最有效措施之一，而在建筑中应用可再生能源是建筑节能的最有效途径。根据国家未来的发展战略，将大力推进城镇化建设，在这一过程中，开发利用太阳能，用可再生清洁能源解决全部或部分供热，对于节约常规能源，保护环境意义重大。

然而，这些年来，国内外学者和研究机构在这一领域的研究还存在某些不足。主要表现在两个方面：⑴ 提高太阳能的利用率存在一些技术瓶颈，难以找到新的突破。传统的太阳能热水供暖系统大多是由太阳能集热器、蓄热水箱和阀门管路等与供暖未端（一般为辐射地暖盘管）相连进行供暖。这种方式存在以下问题，当地暖盘管的循环水温低于30℃时，不能有效担负房间的供暖，而不得不改由其他辅助热源，如电加热器加以补充。也就是说30℃以下的中温水无法被有效挖掘、利用，只能参与到第二天的太阳能集热循环中去，导致蓄热水箱内水的低温热量没能被利用，太阳能的利用率低下。⑵ 许多研究，往往更重视某一项技术的开发和应用，将多种太阳能技术整合到一起，形成一整套复合系统的研究不多。鉴于如此，本发明将太阳能集热-储热、太阳能热泵、空气集热器整合到一个系统，通过直接数字控制技术，实现系统的联合运行，以求最大限度地提高太阳能的利用率。

发明内容  

为了解决太阳能采暖系统的太阳能利用率低下的问题，提供一种多单元联合运行的太阳能采暖装置和采暖方法，针对不同时段，采用不同的采暖运行策略，以满足建筑物全天候采暖需求。其技术方案如下。  

    一种DDC（直接数字控制，以下简称DDC）控制多单元联合运行的太阳能采暖系统，包括太阳能集热器、储热主水箱和供暖末端，太阳能集热器和储热主水箱之间通过其上设有第一循环水泵的管路相连，构成集热--储热循环回路；在储热主水箱的出水管上依次连接第一电磁阀、第二循环水泵、供暖未端和第二电磁阀后回到储热主水箱的回水管构成第一采暖回路，其特殊之处是还设有热泵机组，在储热主水箱的出水管上依次连接第三电磁阀和第三循环水泵后接在热泵机组的蒸发器入水口，蒸发器的出水口与储热主水箱的回水管相连，热泵机组内的冷凝器通过其上设有第四循环水泵的管路与过渡水箱相连接，过渡水箱的另一端供水管安装第四电磁阀后接在供暖末端供水管上的第二循环水泵与第一电磁阀之间，而过渡水箱的回水管与供暖末端的回水管相连接，构成第二采暖回路；在过渡水箱中还设有辅助电加热器；在该系统中还包括DDC控制器和单独设置的其上安装有送风风扇的空气集热器；在建筑物室内设有第一温度传感器、太阳能集热器内设有第二温度传感器、储热主水箱内设有第三温度传感器、过渡水箱内设有第四温度传感器，空气集热器内设有第五温度传感器， DDC控制器内的控制模块分别与第一循环水泵、第二循环水泵、第三循环水泵、第四循环水泵、热泵、辅助电加热器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、空气集热器的送风风扇通过数据线相连接；温度采集模块分别与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器通过数据线相连接。

所述空气集热器，由保温材料围成一面呈敞开盒状，敞开面蒙上透明材料，其内部倾斜朝阳安装若干其上密布小孔、表面涂有深色的铝板，空气集热器朝向房间一侧的下部开有进气口、上部开有出气口，并设有送风风扇。

一种使用上述DDC控制多单元联合运行的太阳能采暖系统进行采暖的方法，它包括太阳能集热—储热模式和由储热主水箱通过其上设有的第一电磁阀、第二循环水泵和第二电磁阀的管路向供暖未端供热的第一采暖模式，其特殊

之处是利用太阳能热泵通过制热循环，将储热主水箱内的低品位热量传递给过渡水箱，使过渡水箱内的水升温至30℃～45℃之间，然后过渡水箱通过其上设有第四电磁阀和第二循环水泵的管路向供暖未端供热，实现第二采暖模式，当储热主水箱内的水温降至10℃时，热泵停止工作，启动辅助电加热器，加热过渡水箱中的水，继续维持供暖，实现第三采暖模式,直至早上太阳升起，空气集热器开始工作，向房间送暖风实现第四采暖模式。

根据上述使用DDC控制多单元联合运行的太阳能采暖系统进行采暖的方法，其特殊之处是通过DDC控制器对整个系统工作循环进行控制，即各个测点的温度传感器将测得的温度信号传递给温度采集模块，根据预先编制的程序，DDC控制器控制各循环水泵、电磁阀、热泵和辅助电加热器的开启和关闭。

本发明的太阳能采暖方法，体现了分时段采用不同运行策略的控制理念：正常天气，白天日照充足时，主要依靠建筑物自然得热和空气集热器向房间供暖，采暖系统设备基本不提供热量或提供的热量很少，太阳能集热-储热装置正常工作，主要是储存热能；夜幕降临时，先启动储热主水箱与供暖末端之间的循环，为房间供暖。当储热主水箱水温降至30℃时，热泵机组启动，蒸发器内的制冷工质吸收储热主水箱的低品位热量，经过压缩机压缩，制冷工质升温升压，被输送到冷凝器散热，将热量传递给过渡水箱4，使过渡水箱的水温保持在可用于供暖的35℃～45℃之间，然后过渡水箱就可继续为房间供暖。当储热主水箱水温降至10℃时，热泵停止工作，同时启动辅助电加热器27，加热过渡水箱中的水，继续维持供暖，直至天亮。当太阳升起，达到有效日照时，空气集热器15内的空气被加热，启动送风风扇21继续为房间供热，同时透过建筑物的窗户的日照也能实现自然得热。当日照能够维持建筑物供暖时，就可提前关闭辅助电加热器27，此时，过渡水箱4尚能够维持短时间的供暖，然后关闭第二循环水泵8。

本发明具有如下优点:

由于本发明将太阳能热泵连接于储热主水箱3上，先由储热主水箱3与供暖末端6的循环；当储热主水箱3中的水温下降至30℃时，热泵机组5将启动，将储热主水箱3的热量通过制热循环输送到过渡水箱4中，并将其水温保持在35℃～45℃之间，然后热媒通过第四电磁阀13，在第二循环水泵8的驱动下，被输送到供暖未端6，实现第二采暖模式。这样的设计方案和运行模式，其最大优点在于：可以进一步挖掘储热主水箱3中温水的显热，持续维持足够长的供暖时间，从而大幅度提高太阳能的利用率。由于本发明采用多装置联合运行采暖的综合措施，不仅大大地提高了太阳能的利用率，而且节省能源。

下面通过两组实验结果的对比来证明这一发明：

实验过程描述如下：

利用现有的一套实验装置，选择天气条件相近的两天分别做两个集热-储热-供热实验：

第一组实验，如附图3所示，前一天未开启热泵，集热前储热水箱起始温度为30.8℃，经白天的集热-储热，最终储热主水箱3内的热水温度最高为58.4℃；早上8:00，辅助电加热开启，第三采暖模式尚在进行中，至9:25，由于空气集热器供热和建筑的自然得热，室内温度达到20℃，第三采暖模式停止，进入免人工供热时间段；当晚18:39，室内温度低于18℃，进入储热主水箱3-供暖末端6之间的第一采暖模式；当夜0:15，主水箱3中热水的温度低于30℃，第一采暖模式停止，辅助电加热开启，进入第三采暖模式，直至早上7:59，第三采暖模式尚未停止。

第二组实验，如附图4所示，前一天因开启热泵，集热前储热水箱起始温度为12.8℃，经白天的集热-储热，最终储热主水箱3内的热水温度最高为53.9℃。早上8:00，辅助电加热开启，第三采暖模式尚在进行中，至8:54，由于空气集热器供热和建筑的自然得热，室内温度达到20℃，第三采暖模式停止，进入免人工供热时间段；当晚17:00，室内温度低于18℃，进入储热主水箱3-供暖末端6之间的第一采暖模式；当晚22:42，主水箱3中热水的温度低于30℃，第一采暖模式停止，热泵5启动，开始将储热主水箱3中的热量输送至过渡水箱4，进入第二采暖模式；5:40储热主水箱3中的水温降至10℃，第二采暖模式停止，辅助电加热开启，进入第三采暖模式，直至早上7:59，第三采暖模式尚未停止。

对比上述两组实验结果，可以得出如下结论：

(1)增加热泵5的运行，即第二采暖模式，可有效延长采暖时间。且运行时供给房间的热量中只有少部分是热泵和水泵运行时消耗的电能，其余均来自于储热主水箱3的太阳能集热。第二采暖模式运行过程中，储热主水箱3的水温由30℃降低到10℃，所释放出的热量在制热循环的驱动下，最终被供给了房间。

(2)第一组实验中，当储热主水箱3的水温低于30℃时，不再能有效担负房间的供暖，不得不改由其他辅助热源，如电加热予以补充，也就是说，30℃以下的中温水所蕴含的热能无法被有效挖掘、利用，只能参与到第二天的太阳能集热循环中去。

    (3)上述两组实验及后续的多组实验发现，第一采暖模式和第二采暖模式联合运行，相对于单一的第一采暖模式，对第二天集热影响是有限的。一般会使第二天集热水箱的最高温度比后者低2℃～4℃。两种采暖模式联合运行时，由于热泵的运行，使得第二天集热前储热主水箱3中水的温度只有10℃左右；而单一的第一采暖模式，第二天集热前储热主水箱3中水的温度为30℃左右，根据集热理论，太阳能集热器的集热效率不是常数而是变数，依集热器实际获得的有用功率公式：                                                ，在日照条件相同、工作介质流量不变的情况下，集热器进口温度越低，有用功率越高，其集热效率就越高。这可以解释第二组实验，集热前储热主水箱3中水的温度只有10℃左右，在集热运行的前半程，处于高效率集热阶段，后半程处于正常即热阶段，因而对集热水箱最终温度的影响有限。

下面通过热工计算，来推导出本发明太阳能利用率提高幅度：

假如，在第二组实验中，前一天未开启第二采暖模式，则集热前储热主水箱3的水温为30℃左右，根据对比试验，推断储热主水箱3内的热水的最高温度为高出4℃，即为：53.9+4=57.9℃。则：

在此条件下，若采用单一的第一采暖模式，储热主水箱3内的水温降至30℃时，第一采暖模式结束，此时，储热主水箱3释放出热量：

上式中，

—储热水箱水的容积(L)；

—水的密度 (kg/L)；

c —水的比热(kJ/kg﹒K)；

—储热水箱水的最高温度 (℃)；

—第一采暖模式结束时，储热水箱水的温度 ()；

若采用第一采暖模式和第二采暖模式联合运行，当储热主水箱3内的水温降至30℃时，第一采暖模式结束，此时，开启热泵5，当储热主水箱3内的水温降至10℃时，热泵关闭，第二种采暖模式也结束。此时，储热主水箱3释放出热量为：

  

上式中，

—第二采暖模式结束时，储热水箱3中水的温度 ()  

因为储热水箱放置于房间内，上述释放出的热量，全部供给了房间用于采暖。只是热泵运行时，需消耗少量的动力电。测算热泵运行时间段,热泵机组消耗电能为：1.74 Kwh ,计算热泵的

推算出增加热泵运行可提高太阳能利用率：

  

附图说明    

图1是实施例的结构示意图，图2是实施例的DDC控制框图，图3是实施例在前一天和当天夜里热泵5末开启状态下的运行参数变化图；图4是实施例在前一天和当天夜里热泵5开启状态下的运行参数变化图。

具体实施方式

下面结合附图叙述实施例，对本发明作进一步说明。

一种DDC（直接数字控制，以下简称DDC）控制多单元联合运行的太阳能采暖系统，包括置于屋顶的太阳能集热器2、置于室内的储热主水箱3、供暖末端6和热泵机组5。太阳能集热器2和储热主水箱3之间通过其上设有第一循环水泵7的管路相连，构成集热--储热循环回路；在储热主水箱3的出水管24上安装三通，三通中的一路依次连接第一电磁阀12、第二循环水泵8、供暖未端6和第二电磁阀14后回到储热主水箱3的回水管25，构成第一采暖回路；三通的另一路依次连接第三电磁阀11和第三循环水泵9后接在热泵机组5的蒸发器22入水口，蒸发器22的出水口与储热主水箱3的回水管25相连，热泵机组5内的冷凝器23通过其上设有第四循环水泵10的管路与过渡水箱4相连接，过渡水箱4的另一端的供水管上安装第四电磁阀13后接在第一电磁阀12和第二循环水泵8之间，即过渡水箱4通过第四电磁阀13和第二循环水泵8向供暖末端6供暖，供暖末端6的回水管与过渡水箱4的回水管相连构成第二采暖回路；在过渡水箱4中还设有辅助电加热器27；在该系统中还包括DDC控制器1和单独设置的其上安装有送风风扇21的空气集热器15；在建筑物室内设有第一温度传感器16、太阳能集热器2内设有第二温度传感器19、储热主水箱3内设有第三温度传感器17、过渡水箱4内设有第四温度传感器18，空气集热器15内设有第五温度传感器26，在该系统中还包括DDC控制器1和单独设置的其上安装有送风风扇21的空气集热器15； DDC控制器1内的控制模块分别与第一循环水泵7、第二循环水泵8、第三循环水泵9、第四循环水泵10、热泵5、辅助电加热器27、第一电磁阀12、第二电磁阀14、第三电磁阀11、第四电磁阀13、空气集热器15的送风风扇21通过数据线相连接；温度采集模块分别与第一温度传感器16、第二温度传感器19、第三温度传感器17、第四温度传感器18、第五温度传感器26通过数据线相连接。

所述空气集热器15，由保温材料围成一面呈敞开盒状，敞开面蒙上透明材料并始终保持面朝南向，衬板的里侧倾斜朝阳安装若干其上密布小孔、表面涂有黒色的铝板20，以便接收太阳能，提升内部的气温。空气集热器15朝向房间一侧的下部开有进气口、上部开有出气口，并设有送风风扇21。

一种使用上述DDC控制多单元联合运行的太阳能采暖系统进行采暖的方法，白天有日照时，太阳能集热器2里的工作介质水吸收来自太阳的辐射热，并由DDC控制器依据集热-储热间的温差是否大于3℃，开启第一循环水泵7，使热水回流到储热主水箱3，形成集热-储热循环。接近日落时，关闭第一循环水泵7，集热-储热循环停止；当冬季日落前后，DDC控制器通过第一温度传感器16检测到房间温度低于18℃时，DDC控制器1打开第一电磁阀12、第二电磁阀14，关闭第三电磁阀11和第四电磁阀13，启动第二循环水泵8，向供暖末端6的地暖盘管输送来自储热主水箱3的热水，形成储热主水箱3--供暖末端6循环，实现第一采暖模式；随着供暖时间的延长，储热主水箱3的水温逐步下降，当DDC控制器1通过第三温度传感器17检测到储热主水箱3的水温降至30℃时，DDC控制器1打开第三电磁阀11，关闭第一电磁阀12和第二电磁阀14，同时启动第三循环水泵9、第四循环水泵10，随后启动热泵机组5的压缩机，热泵机组5开始工作，热泵机组内的蒸发器22吸收来自储热主水箱3循环水的热量，通过制热循环传递到冷凝器23，再经循环水泵10将热量传递给过渡水箱4，当过渡水箱4中的水温超过35℃时，由DDC控制器1开启第四电磁阀13，通过第二循环水泵8继续向供暖未端6供热，此时过渡水箱4内的水依次流经第四电磁阀13、第二循环水泵8和供暖末端6后返回过渡水箱4，实现第二采暖模式。随着热泵机组工作时间的增加，储热主水箱3中的水温进一步将下降，当DDC控制器1通过第三温度传感器17检测到储热主水箱3的水温降至10℃时，DDC控制器1依次关闭热泵机组5的压缩机、第三循环水泵9、第四循环水泵10，同时接通辅助电加热器27，开始对过渡水箱4中的水加热，以使过渡水箱4中的水温保持在35℃～45℃之间，以维持供热末端6的供暖能力，实现第三采暖模式。

 上述各单元依次启动运行，辅助电加热器27是最后一个序列启动的，启动时，已接近凌晨，一般情况下，工作1～3小时，即可迎来日出。

在晴天日照良好的条件下，当DDC控制器通过第五温度传感器26检测到空气集热器15的温度达到28℃时，DDC控制器1关闭辅助电加热器27，这时主要依靠建筑物自然得热和空气集热器15向房间供暖。在日照不足导致房间温度过低，或阴天时，采用手动模式启动储热主水箱3与供暖末端6的供暖循环，或启动辅助电加热器27，对过渡水箱4中的水加热，通过第三采暖模式为房间供暖。

为确保系统节能、安全运行，DDC控制程序中设定：当室内温度超过22℃时，第二循环水泵8关闭，停止工作，当室内温度低于18℃时，第二循环水泵8启动，继续供暖循环；当过渡水箱4中的水温达到50℃时，热泵机组5的压缩机关闭，或辅助电加热器27断开，停止加热。

Claims (3)

1.一种DDC控制多单元联合运行的太阳能采暖系统，包括太阳能集热器(2)、储热主水箱(3)和供暖末端(6)，太阳能集热器(2)和储热主水箱(3)之间通过其上设有第一循环水泵(7)的管路相连，构成集热--储热循环回路；在储热主水箱(3)的出水管(24)上依次连接第一电磁阀(12)、第二循环水泵(8)、供暖未端(6)和第二电磁阀(14)后回到储热主水箱(3)的回水管(25)构成第一采暖回路，其特征是还设有热泵机组(5)，在储热主水箱(3)的出水管(24)上依次连接第三电磁阀(11)和第三循环水泵(9)后接在热泵机组(5)的蒸发器(22)入水口，蒸发器(22)的出水口与储热主水箱(3)的回水管(25)相连，热泵机组(5)内的冷凝器(23)通过其上设有第四循环水泵(10)的管路与过渡水箱(4)相连接，过渡水箱(4)的另一端供水管安装第四电磁阀(13)后接在供暖末端(6)供水管上的第二循环水泵(8)与第一电磁阀(12)之间，而过渡水箱(4)的回水管与供暖末端(6)的回水管相连接，构成第二采暖回路；在过渡水箱(4)中还设有辅助电加热器(27)；在该系统中还包括DDC控制器(1)和单独设置的其上安装有送风风扇(21)的空气集热器(15)；在建筑物室内设有第一温度传感器(16)、太阳能集热器(2)内设有第二温度传感器(19)、储热主水箱(3)内设有第三温度传感器(17)、过渡水箱(4)内设有第四温度传感器(18)，空气集热器(15)内设有第五温度传感器(26)， DDC控制器(1)内的控制模块分别与第一循环水泵(7)、第二循环水泵(8)、第三循环水泵(9)、第四循环水泵(10)、热泵(5)、辅助电加热器(27)、第一电磁阀(12)、第二电磁阀(14)、第三电磁阀(11)、第四电磁阀(13)、空气集热器(15)的送风风扇(21)通过数据线相连接；温度采集模块分别与第一温度传感器(16)、第二温度传感器(19)、第三温度传感器(17)、第四温度传感器(18)、第五温度传感器(26)通过数据线相连接。

2.一种使用权利要求1所述的DDC控制多单元联合运行的太阳能采暖系统进行采暖的方法，它包括太阳能集热—储热模式和由储热主水箱(3)通过其上设有的第一电磁阀(12)、第二循环水泵(8)和第二电磁阀(14)的管路向供暖未端(6)供热的第一采暖模式，其特征是利用太阳能热泵(5)通过制热循环，将储热主水箱(3)内的低品位热量传递给过渡水箱(4)，使过渡水箱(4)内的水升温至30℃～45℃之间，然后过渡水箱(4)通过其上设有第四电磁阀(13)和第二循环水泵(8)的管路向供暖未端(6)供热，实现第二采暖模式，当储热主水箱（3）内的水温降至10℃时，热泵（5）停止工作，启动辅助电加热器（27），加热过渡水箱（4）中的水，继续维持供暖，实现第三采暖模式，直至早上太阳升起，空气集热器（15）开始工作，向房间送暖风实现第四采暖模式。

3.根据权利要求2 所述的使用DDC控制多单元联合运行的太阳能采暖系统进行采暖的方法，其特征是通过DDC控制器（1）对整个系统工作循环进行控制，即各个测点的温度传感器将测得的温度信号传递给温度采集模块，根据预先编制的程序，DDC控制器（1）控制各循环水泵、电磁阀、热泵和辅助电加热器的开启和关闭。