CN104832973B - 主动式太阳能和co2空气热源泵联合采暖控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统及其控制方法，该控制系统包括多个温度计、压力表、流量计和阀门，上位控制系统能够根据温度计、压力表、流量计采集的数据来根据控制方法控制阀门的开闭，实时的根据外界和系统本身参数的变化，监测控制变量，从而正确切换运行模式、故障报警等，使系统能够安全运行，对涉及太阳能集热系统运行的控制参数准确判断，使太阳能尽可能承担较多的供暖负荷，达到节能目的，采用浮球阀对水位进行控制，设定水位H_set，当实际水位低于设定水位时，对蓄热水箱进行补水，当蓄热水箱过热时，不允许集热系统热量再进入蓄热水箱。设定水温上限值T_set，当超过该限值时，停止蓄热。

Description

主动式太阳能和CO2空气热源泵联合采暖控制系统及其控制 方法

技术领域

本发明涉及一种主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统及其控制方法。

背景技术

在太阳能和CO₂空气源热泵联合采暖系统运行中，室外气象参数(太阳辐射、室外温度等) 是不可控参数，为了使系统能够在不同天气状况下尽可能达到控制目标所述要求，因此一套完整的控制系统和控制策略必不可少。

依据太阳辐射量的大小，可以将太阳能和CO₂空气源热泵联合采暖系统控制策略分为4 类。

1)日间当太阳辐射较强时，属于晴天工况。因此控制策略为在较低太阳辐射阶段(清晨或傍晚)，利用太阳能和CO₂空气源热泵联合向末端供热；在较高辐射阶段，集热器出水温度逐渐升高，可以单独向末端供热，此时利用太阳能单独向末端供热；当集热器出水温度继续升高，集热器传递至板式换热器的热量有所剩余，此时一方面可以传递至末端，另外多余部分通过蓄热水箱储存起来，当夜间无日照时可以向末端继续供热。

2)日间太阳辐射较差，多云天气，太阳提供的热量较少，属于多云工况。本系统在此工况下，集热器传递至板式换热器的热量不能够达到直接向末端供暖的要求，此时应配合CO₂空气源热泵采用联合供热方式；

3)连续阴天天气或者降雪天时，没有太阳能资源可供利用，属于阴天工况。此时CO₂空气源热泵系统单独供热；

4)日间天气变化复杂，晴天、多云天和阴天在一天内都会出现，在此工况下，综合以上三种工况下的控制策略即可。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统及其控制方法，该控制系统包括多个温度计、压力表、流量计和阀门，上位控制系统能够根据温度计、压力表、流量计采集的数据来根据控制方法控制阀门的开闭，实时的根据外界和系统本身参数的变化，监测控制变量，从而正确切换运行模式、故障报警等，使系统能够安全运行，对涉及太阳能集热系统运行的控制参数准确判断，使太阳能尽可能承担较多的供暖负荷，达到节能目的，采用浮球阀对水位进行控制，设定水位H_set，当实际水位低于设定水位时，对蓄热水箱进行补水，当蓄热水箱过热时，不允许集热系统热量再进入蓄热水箱。设定水温上限值T_set，当超过该限值时，停止蓄热。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统，它包括太阳能集热器、热交换器、蓄热水箱、CO₂空气热源泵系统、末端供暖系统、循环系统和控制系统，所述的循环系统包括流水管道、多个循环水泵、阀门、流量计、温度计和压力表，多个循环水泵、阀门、流量计、温度计和压力表分别与控制系统连接，所述的太阳能集热器通过流水管道与热交换器连接，热交换器分别通过流水管道与CO₂空气源热泵系统和蓄热水箱连接，CO₂空气源热泵系统通过流水管道与蓄热水箱连接，末端供暖系统分别通过流水管道与蓄热水箱、CO₂空气热源泵系统和热交换器连接。

所述的太阳能集热器内设置有温度计T13，检测太阳能集热器盖板内壁温度，太阳能集热器与热交换器间的回水管道上设置有第一循环泵，第一循环泵与热交换器之间管道上设置有压力表P2和温度计T2，分别检测管道工质压力和太阳能集热器的回水温度，第一循环泵与太阳能集热器之间设置有流量计G1和压力表P3，分别检测集热系统流量值和管道工质压力；太阳能集热器与热交换器间的供水管道上设置有压力表P1和温度计T1，分别检测管道工质压力和集热器出水温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统。

所述的热交换器与末端供暖系统间的供水管道上，沿水流方向依次设置有阀门E1、阀门 E11和阀门E4，热交换器供暖出口处设置有温度计T3，检测热交换器供暖出口温度，热交换器与阀门E1间的管道上设置有压力表P4，检测管道工质压力，阀门E4与末端供暖系统间的管道上设置有流量计G3和压力表P11，分别检测管道流量和管道工质压力，末端供暖系统供水口设置有温度计T12，检测末端供热系统供水温；供暖末端房间内设置有温度计T14，检测供暖后的房间温度；所述的热交换器与末端供暖系统间的回水管道上，沿水流方向依次设置有阀门E6和第二循环水泵，末端供暖系统的回水口设置有温度计T11，检测末端供暖系统回水温度，末端供暖系统与阀门E6间的管道上设置有压力表P10，检测管道工质压力，阀门E6 与第二循环水泵之间的管道上设置有流量计G2，检测管道流量，第二循环水泵与热交换器间的管道上设置有压力表P5，检测管道工质压力，热交换器供暖回水口设置有温度计T4，检测热交换器供暖回水温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接。

所述的CO₂空气热源泵通过阀门E2后，在阀门E11与E4间接入供水管道，CO₂空气热源泵出口处设置有温度计T5，检测CO₂空气热源泵出口温度，CO₂空气热源泵通过阀门E9后在第二循环水泵和热交换器之间接入回水管道，CO₂空气热源泵入口处设置有温度计T6，检测CO₂空气热源泵入口温度，CO₂空气热源泵入口管道还通过管道与阀门E10连接到阀门E1与阀门E11之间；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接。

所述的蓄热水箱的蓄热侧入口通过阀门E3接入供热管道上阀门E11与阀门E4之间，阀门E3与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P6，检测管道工质压力，蓄热水箱的蓄热侧入口上设置有温度计T7，检测蓄热水箱蓄热侧入口温度，蓄热水箱的蓄热侧出口通过阀门E7接入供热管道上阀门E6与第二循环水泵之间，阀门E7与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P7，检测管道工质压力，蓄热水箱的蓄热侧出口上设置有温度计T8，检测蓄热水箱蓄热侧出口温度；蓄热水箱的供热侧出口通过阀门E5和第三循环水泵接入供热管道上阀门E4与末端供暖系统之间，阀门E5与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P8，检测管道工质压力，蓄热水箱的供热侧出口上设置有温度计T9，检测蓄热水箱供热侧出口温度，蓄热水箱的供热侧入口通过阀门E8接入供热管道上阀门E6与末端供暖系统之间，阀门E8与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P9，检测管道工质压力，蓄热水箱的供热侧入口上设置有温度计T10，检测蓄热水箱供热侧入口温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接。

所述的控制系统包括数据存储模块、实时显示模块、状态报警模块及控制输出模块，所述的控制输出模块输出模式转换控制指令和室温控制指令。

主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统的控制方法，它包括如下子步骤：

S1：采暖系统及控制系统启动；

S2：控制系统控制各表检检测当前参数；

S3：根据检测的温度参数改变供暖方式：

A.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc1，则采用太阳能单独供热模式；

B.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc2，则采用太阳能供热和蓄热模式；

C.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc3，T₁₄＞T_fc，则采用太阳能蓄热模式；

D.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＞T_xc，则采用蓄热装置单独供热模式；

E.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，则采用CO₂空气源热泵单独供热模式；

F.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，T₉-T₁₀＞ΔT_xc，T₁₁＞T_jc，则采用CO₂空气源热泵供热和蓄热模式；

G.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₁＞T_bc，T₃＜T_bc1，则采用太阳能和CO₂空气源热泵联合供热模式；

S4：控制系统控制流水管道上的阀门的开闭来改变供暖模式，继续进行供暖；

其中，T1-T13为控制系统中各温度计检测的参数，ΔT_sc为太阳能集热器温差最大控制参数，T_bc1为热交换器出口温度最小控制参数，T_bc2为热交换器出口温度蓄热控制参数，T_bc3为热交换器出口温度最大控制参数，T_fc为末端供暖系统温度控制参数，T_xc为蓄热水箱的供热侧出口温度控制参数，ΔT_xc为蓄热水箱的供热侧进出口温差控制参数，T_jc为末端供暖系统回水口温度控制参数，T_bc为太阳能集热器出口温度控制参数。

它还包括模式之间的转换步骤，初始使用太阳能单独供热模式，则：

1)当T₃＞T_bc2，太阳能单独供热模式转换为太阳能供热与蓄热模式；

2)当T₉-T₁₀＜ΔT_xc，T₉≥T_xc，太阳能供热与蓄热模式转换为太阳能单独供热模式；

3)当T₃＜T_bc1，太阳能单独供热模式转换为联合供热模式；

4)当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，联合供热模式转换为CO₂空气源热泵单独供热模式；

5)当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＞T_xc，联合供热模式转换为蓄热装置单独供热模式；

6)当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc1，CO₂空气源热泵单独供热模式转换为太阳能单独供热模式；

7)当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＜T_bc1，CO₂空气源热泵单独供热模式转换为联合供热模式。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统及其控制方法，该控制系统包括多个温度计、压力表、流量计和阀门，上位控制系统能够根据温度计、压力表、流量计采集的数据来根据控制方法控制阀门的开闭。

系统安全性。系统运行时，应该可以实时的根据外界和系统本身参数的变化，监测控制变量，从而正确切换运行模式、故障报警等，使系统能够安全运行。

系统节能性。系统运行时，对涉及太阳能集热系统运行的控制参数准确判断，使太阳能尽可能承担较多的供暖负荷，达到节能目的；

系统稳定性。确保房间末端室内温度变化在设定的范围内蓄热水箱水位控制。

蓄热水箱水位控制。采用浮球阀对水位进行控制，设定水位H_set，当实际水位低于设定水位时，对蓄热水箱进行补水；

蓄热水箱防过热保护。当蓄热水箱过热时，不允许集热系统热量再进入蓄热水箱。设定水温上限值T_set，当超过该限值时，停止蓄热；

CO₂空气源热泵机组保护控制。由机组自带的DDC控制系统对压缩机排气压力、制冷剂流量、气体冷却器出水温度等进行控制，根据设定值判断是否故障，发出报警信号；

附图说明

图1为采暖控制系统的结构图；

图2为采暖控制方法流程图；

图3为太阳能单独供热模式示意图；

图4为太阳能供热与蓄热模式示意图；

图5为太阳能蓄热模式示意图；

图6为蓄热装置单独供热模式示意图；

图7为CO₂空气热源泵单独供热模式示意图；

图8为CO₂空气热源泵供热与蓄热模式示意图；

图9为太阳能与CO₂空气热源泵联合供热模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统，它包括太阳能集热器、热交换器、蓄热水箱、CO₂空气热源泵系统、末端供暖系统、循环系统和控制系统，所述的循环系统包括流水管道、多个循环水泵、阀门、流量计、温度计和压力表，多个循环水泵、阀门、流量计、温度计和压力表分别与控制系统连接，所述的太阳能集热器通过流水管道与热交换器连接，热交换器分别通过流水管道与CO₂空气源热泵系统和蓄热水箱连接，CO₂空气源热泵系统通过流水管道与蓄热水箱连接，末端供暖系统分别通过流水管道与蓄热水箱、CO₂空气热源泵系统和热交换器连接。

所述的太阳能集热器内设置有温度计T13，检测太阳能集热器盖板内壁温度，太阳能集热器与热交换器间的回水管道上设置有第一循环泵，第一循环泵与热交换器之间管道上设置有压力表P2和温度计T2，分别检测管道工质压力和太阳能集热器的回水温度，第一循环泵与太阳能集热器之间设置有流量计G1和压力表P3，分别检测集热系统流量值和管道工质压力；太阳能集热器与热交换器间的供水管道上设置有压力表P1和温度计T1，分别检测管道工质压力和集热器出水温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统。

所述的热交换器与末端供暖系统间的供水管道上，沿水流方向依次设置有阀门E1、阀门 E11和阀门E4，热交换器供暖出口处设置有温度计T3，检测热交换器供暖出口温度，热交换器与阀门E1间的管道上设置有压力表P4，检测管道工质压力，阀门E4与末端供暖系统间的管道上设置有流量计G3和压力表P11，分别检测管道流量和管道工质压力，末端供暖系统供水口设置有温度计T12，检测末端供热系统供水温；供暖末端房间内设置有温度计T14，检测供暖后的房间温度；所述的热交换器与末端供暖系统间的回水管道上，沿水流方向依次设置有阀门E6和第二循环水泵，末端供暖系统的回水口设置有温度计T11，检测末端供暖系统回水温度，末端供暖系统与阀门E6间的管道上设置有压力表P10，检测管道工质压力，阀门E6 与第二循环水泵之间的管道上设置有流量计G2，检测管道流量，第二循环水泵与热交换器间的管道上设置有压力表P5，检测管道工质压力，热交换器供暖回水口设置有温度计T4，检测热交换器供暖回水温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接。

所述的CO₂空气热源泵通过阀门E2后，在阀门E11与E4间接入供水管道，CO₂空气热源泵出口处设置有温度计T5，检测CO₂空气热源泵出口温度，CO₂空气热源泵通过阀门E9后在第二循环水泵和热交换器之间接入回水管道，CO₂空气热源泵入口处设置有温度计T6，检测CO₂空气热源泵入口温度，CO₂空气热源泵入口管道还通过管道与阀门E10连接到阀门E1与阀门E11之间；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接。

所述的蓄热水箱的蓄热侧入口通过阀门E3接入供热管道上阀门E11与阀门E4之间，阀门E3与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P6，检测管道工质压力，蓄热水箱的蓄热侧入口上设置有温度计T7，检测蓄热水箱蓄热侧入口温度，蓄热水箱的蓄热侧出口通过阀门E7接入供热管道上阀门E6与第二循环水泵之间，阀门E7与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P7，检测管道工质压力，蓄热水箱的蓄热侧出口上设置有温度计T8，检测蓄热水箱蓄热侧出口温度；蓄热水箱的供热侧出口通过阀门E5和第三循环水泵接入供热管道上阀门E4与末端供暖系统之间，阀门E5与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P8，检测管道工质压力，蓄热水箱的供热侧出口上设置有温度计T9，检测蓄热水箱供热侧出口温度，蓄热水箱的供热侧入口通过阀门E8接入供热管道上阀门E6与末端供暖系统之间，阀门E8与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P9，检测管道工质压力，蓄热水箱的供热侧入口上设置有温度计T10，检测蓄热水箱供热侧入口温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接。

所述的控制系统包括数据存储模块、实时显示模块、状态报警模块及控制输出模块，所述的控制输出模块输出模式转换控制指令和室温控制指令。

如图2所示，主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统的控制方法，它包括如下子步骤：

S1：采暖系统及控制系统启动；

S2：控制系统控制各表检检测当前参数；

S3：根据检测的温度参数改变供暖方式：

A.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc1，则采用太阳能单独供热模式；

B.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc2，则采用太阳能供热和蓄热模式；

C.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc3，T₁₄＞T_fc，则采用太阳能蓄热模式；

D.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＞T_xc，则采用蓄热装置单独供热模式；

E.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，则采用CO₂空气源热泵单独供热模式；

F.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，T₉-T₁₀＞ΔT_xc，T₁₁＞T_jc，则采用CO₂空气源热泵供热和蓄热模式；

G.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₁＞T_bc，T₃＜T_bc1，则采用太阳能和CO₂空气源热泵联合供热模式；

S4：控制系统控制流水管道上的阀门的开闭来改变供暖模式，继续进行供暖；

其中，T1-T13为控制系统中各温度计检测的参数，ΔT_sc为太阳能集热器温差最大控制参数，T_bc1为热交换器出口温度最小控制参数，T_bc2为热交换器出口温度蓄热控制参数，T_bc3为热交换器出口温度最大控制参数，T_fc为末端供暖系统温度控制参数，T_xc为蓄热水箱的供热侧出口温度控制参数，ΔT_xc为蓄热水箱的供热侧进出口温差控制参数，T_jc为末端供暖系统回水口温度控制参数，T_bc为太阳能集热器出口温度控制参数。

它还包括模式之间的转换步骤，初始使用太阳能单独供热模式，则：

1)当T₃＞T_bc2，太阳能单独供热模式转换为太阳能供热与蓄热模式；

2)当T₉-T₁₀＜ΔT_xc，T₉≥T_xc，太阳能供热与蓄热模式转换为太阳能单独供热模式；

3)当T₃＜T_bc1，太阳能单独供热模式转换为联合供热模式；

4)当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，联合供热模式转换为CO₂空气源热泵单独供热模式；

5)当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＞T_xc，联合供热模式转换为蓄热装置单独供热模式；

6)当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc1，CO₂空气源热泵单独供热模式转换为太阳能单独供热模式；

7)当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＜T_bc1，CO₂空气源热泵单独供热模式转换为联合供热模式。

当集热器出口温度T1和进口温度T2温差大于设定的集热器温差控制参数值ΔT_sc，且集热器盖板内的温度T13大于等于集热器进口温度T2时，第一循环水泵启动，则集热系统开始运行；相反，当集热器出口温度T1和进口温度T2温差小于停止运行控制参数值ΔT_sc1时，第一循环水泵停止，即集热系统停止运行。

集热系统 停止--启动

T₁-T₂＜ΔT_sc1 集热系统 启动--停止

蓄热水箱的运行分成两种工况：一是太阳能对蓄热水箱的蓄热；二是蓄热水箱的放热。蓄热水箱处于蓄热工况时，采用蓄热装置的供热侧进出口温差ΔT_xc作为控制参数。蓄热水箱放热运行模式主要由供热侧出口温度T9决定，因此选择T_xc作为此时的控制参数。蓄热水箱两种工况的启停控制方法如下：

蓄热

放热

CO₂空气源热泵的启动分为两种情况：一是在夜间或阴天无太阳辐射，并且无蓄热热量可供利用时；二是有太阳辐射，但辐射量不满足供热需求时。处于前者时，采用集热器和蓄热水箱的启停来综合进行判断，当集热器与蓄热水箱处于停止运行时，开启机组运行，采用ΔT_sc和T_xc作为控制参数；处于后者时，集热器处于运行状态，主要由二次侧板式换热器出口温度 T3决定，采用T_bc1作为控制参数。CO₂空气源热泵机组两种情况的启停控制如下：

启动 无太阳辐射

启动 有太阳辐射

太阳能单独供暖模式如图3所示。

水流经板式换热器出口流出，通过末端散热装置散热，然后水流经管道回到板式换热器，与太阳能集热系统热水进行换热，达到整个循环模式的实现。此种模式下，电动阀E1、E4、 E6、E11开启，关闭E2、E3、E5、E7、E8、E9、E10。

模式使用条件：太阳升起日照强度不高的时段，但供水温度满足了末端供热的要求。

控制策略：在满足太阳能集热器运行条件下，当二次侧板式换热器出口温度T3大于控制参数值T_bc1时，启动循环水泵2，此时开启电动阀E1、E4、E6、E11，关闭阀门E2、E3、E5、E7、E8、E9、E10。

太阳能供热和蓄热模式如图4所示。水流经板式换热器出口流出，一部分通过管道进入末端散热装置，一部分进入蓄热水箱，对蓄热水箱进行蓄热，然后两部分的回水汇合经管道回到板式换热器，与太阳能集热系统热水进行换热，达到整个循环模式的实现。此种模式下，电动阀E1、E3、E4、E6、E7、E11开启，关闭E2、E5、E8、E9、E10。

模式使用条件：日照强度较高时，板式换热器的出水温度高于末端供热的要求，此时在向末端供热的同时，多余的热量可以储存在蓄热水箱中。

控制策略：在满足太阳能集热器运行条件下，当二次侧板式换热器出口温度T3继续增大，大于控制参数T_bc2时，已经满足了既供热又蓄热的要求，循环水泵2和电动阀E1、E3、E4、 E6、E7、E11开启；

太阳能蓄热模式如图5所示。水流经板式换热器出口流出，通过管道进入蓄热装置，对蓄热水箱进行蓄热，然后水流经管道回到板式换热器，与太阳能集热系统热水进行换热，达到整个循环模式的实现。此种模式下，电动阀E1、E3、E7、E11开启，关闭E2、E4、E5、 E6、E8、E9、E10。

模式使用条件：日照强度较大，室外气温高，在供热初期或者后期的中午时分，室内没有供暖需求，则此时将太阳能热都储存在水箱中。

控制策略：在满足太阳能集热器运行条件下，当二次侧板式换热器出口温度T3大于控制参数值T_bc3，且房间末端温度大于控制参数值T_fc时，在太阳能单独供热模式的基础上关闭电动阀E4和E6，同时开启电动阀E3和E7；

蓄热装置单独供热模式如图6所示。蓄热装置通过循环系统直接与末端进行热交换完成整个循环模式。此种模式下，电动阀E5、E8开启，关闭E1、E2、E3、E4、E6、E7、E9、 E10、E11。

模式使用条件：已不满足集热器开启条件，并且蓄热装置满足末端供热要求时，通过蓄热水箱直接进行供热，满足末端需求。

控制策略：在太阳能集热器停止运行条件下，应首先检测蓄热水箱是否达到供热要求，当蓄热水箱出口温度T9大于控制参数值T_xc，此时，关闭循环水泵2，启动循环水泵3，只开启电动阀E5和E8；

CO₂空气源热泵单独供热模式如图7所示。启动CO₂空气源热泵，水流通过管道进入末端散热装置，然后水流经管道回到机组内，达到整个循环模式的实现。此种模式下，电动阀E2、 E4、E6、E9开启，关闭E1、E3、E5、E7、E8、E10、E11。

模式使用条件：没有太阳能，不满足集热器开启条件，并且蓄热装置放热过程已经完成，开启CO₂空气源热泵，用来满足末端的供热需要。

控制策略：在太阳能集热器停止运行条件下，同时蓄热水箱出口温度T9小于控制参数值 T_xc，此时电动阀E3、E4、E6、E9开启。

CO₂空气源热泵供热和蓄热模式如图8所示。启动CO₂空气源热泵，一部分通过管道进入末端散热装置，另外一部分进入蓄热水箱，对水箱蓄热，然后两部分回水汇合后回到机组内，完成整个循环模式。此种模式下，电动阀E2、E3、E4、E6、E7、E9开启，关闭E1、E5、 E8、E10、E11。

模式使用条件：没有太阳能，不满足集热器开启条件，并且CO₂空气源热泵供热模式下，用来满足末端的供热需要的同时，热量还有剩余，通过蓄热水箱储存起来。

控制策略：在太阳能集热器停止运行条件下，同时蓄热水箱出口温度T9小于控制参数值 T_xc，CO₂空气源热泵开始单独运行，并且末端回水温度T11大于控制参数T_jc时，此时在电动阀E2、E4、E6、E9开启的同时，再开启电动阀E3、E7。

太阳能和CO₂空气源热泵联合供热模式如图9所示，太阳能集热器和CO₂空气源热泵机组启动，二次侧水流通过板式换热器，从CO₂空气源热泵机组入口进入，通过机组水流经过末端散热装置散热，然后水流经管道回到板式换热器，与太阳能集热系统热水进行换热，达到整个循环模式的实现。此种模式下，电动阀E1、E2、E4、E6、E10开启，关闭E3、E5、E7、 E8、E9、E11。

模式使用条件：太阳能日照强度不足，而且蓄热水箱没有达到末端供热要求，则此时要启动CO₂空气源热泵，共同来满足末端供热需求。

控制策略：在满足太阳能集热系统运行条件下，且集热器出口温度大于控制参数T_bc，但二次侧板式换热器出口温度T3小于控制参数T_bc1，此时电动阀E1、E2、E4、E6、E10开启。

在前面建立的控制目标条件下，根据各个运行模式的特点确定几种典型运行模式之间的转换控制条件。

1)太阳能单独供热模式转换为太阳能供热与蓄热模式

随着太阳日照强度越来越高，经板式换热器换热后二次侧的出水温度不断的上升，系统到达末端的热量大于房间末端所需热量，此时，太阳能单独供热模式转换为太阳能供热与蓄热模式，转换条件为：

T₃＞T_bc2

2)太阳能供热与蓄热模式转换为太阳能单独供热模式

当满足蓄热装置进出口温差小于ΔT_xc，并且出口温度T₉≥T_xc，这就表示蓄热装置蓄热完成，停止蓄热。重新转换为太阳能单独供热模式。

3)太阳能单独供热模式转换为联合供热模式

当在太阳能单独供热模式下运行，当检测到二次侧的出水温度不断的下降，并最终低于控制参数T_bc1，此时太阳能单独供热送至末端的热量已不能满足房间末端的需求，启动CO₂空气源热泵机组，转换为太阳能与CO₂空气源热泵联合供热模式。

T₃＜T_bc1

4)联合供热模式转换为CO₂空气源热泵单独供热模式

当检测到一次侧的进出水温度低于控制参数ΔT_sc，此时集热系统停止运行，并且此时蓄热装置达不到供热要求时，只能由CO₂空气源热泵单独供热。

5)联合供热模式转换为蓄热装置单独供热模式

当检测到一次侧的进出水温度低于控制参数ΔT_sc，此时集热系统停止运行，同时蓄热装置满足末端供热要求时，启动蓄热装置单独供热模式。

6)CO₂空气源热泵单独供热模式转换为太阳能单独供热模式

当检测到一次侧的进出水温度大于控制参数ΔT_sc，达到集热器运行要求，并且二次侧板式换热器出口温度大于控制参数T_bc1时，转换为太阳能单独供热模式。

7)CO₂空气源热泵单独供热模式转换为联合供热模式

当检测到一次侧的进出水温度大于控制参数ΔT_sc，达到集热器运行要求，但是二次侧板式换热器出口温度小于控制参数T_bc1时，转换为联合供热模式。

Claims (1)

1.主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统，其特征在于：它包括太阳能集热器、热交换器、蓄热水箱、CO₂空气热源泵系统、末端供暖系统、循环系统和控制系统，所述的循环系统包括流水管道、多个循环水泵、阀门、流量计、温度计和压力表，多个循环水泵、阀门、流量计、温度计和压力表分别与控制系统连接，所述的太阳能集热器通过流水管道与热交换器连接，热交换器分别通过流水管道与CO₂空气源热泵系统和蓄热水箱连接，CO₂空气源热泵系统通过流水管道与蓄热水箱连接，末端供暖系统分别通过流水管道与蓄热水箱、CO₂空气热源泵系统和热交换器连接；

所述的太阳能集热器内设置有温度计T13，检测太阳能集热器盖板内壁温度，太阳能集热器与热交换器间的回水管道上设置有第一循环泵，第一循环泵与热交换器之间管道上设置有压力表P2和温度计T2，分别检测管道工质压力和太阳能集热器的回水温度，第一循环泵与太阳能集热器之间设置有流量计G1和压力表P3，分别检测集热系统流量值和管道工质压力；太阳能集热器与热交换器间的供水管道上设置有压力表P1和温度计T1，分别检测管道工质压力和集热器出水温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统；

所述的热交换器与末端供暖系统间的供水管道上，沿水流方向依次设置有阀门E1、阀门E11和阀门E4，热交换器供暖出口处设置有温度计T3，检测热交换器供暖出口温度，热交换器与阀门E1间的管道上设置有压力表P4，检测管道工质压力，阀门E4与末端供暖系统间的管道上设置有流量计G3和压力表P11，分别检测管道流量和管道工质压力，末端供暖系统供水口设置有温度计T12，检测末端供热系统供水温；供暖末端房间内设置有温度计T14，检测供暖后的房间温度；所述的热交换器与末端供暖系统间的回水管道上，沿水流方向依次设置有阀门E6和第二循环水泵，末端供暖系统的回水口设置有温度计T11，检测末端供暖系统回水温度，末端供暖系统与阀门E6间的管道上设置有压力表P10，检测管道工质压力，阀门E6与第二循环水泵之间的管道上设置有流量计G2，检测管道流量，第二循环水泵与热交换器间的管道上设置有压力表P5，检测管道工质压力，热交换器供暖回水口设置有温度计T4，检测热交换器供暖回水温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接；

所述的CO₂空气热源泵通过阀门E2后，在阀门E11与E4间接入供水管道，CO₂空气热源泵出口处设置有温度计T5，检测CO₂空气热源泵出口温度，CO₂空气热源泵通过阀门E9后在第二循环水泵和热交换器之间接入回水管道，CO₂空气热源泵入口处设置有温度计T6，检测CO₂空气热源泵入口温度，CO₂空气热源泵入口管道还通过管道与阀门E10连接到阀门E1与阀门E11之间；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接；

所述的蓄热水箱的蓄热侧入口通过阀门E3接入供热管道上阀门E11与阀门E4之间，阀门E3与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P6，检测管道工质压力，蓄热水箱的蓄热侧入口上设置有温度计T7，检测蓄热水箱蓄热侧入口温度，蓄热水箱的蓄热侧出口通过阀门E7接入供热管道上阀门E6与第二循环水泵之间，阀门E7与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P7，检测管道工质压力，蓄热水箱的蓄热侧出口上设置有温度计T8，检测蓄热水箱蓄热侧出口温度；蓄热水箱的供热侧出口通过阀门E5和第三循环水泵接入供热管道上阀门E4与末端供暖系统之间，阀门E5与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P8，检测管道工质压力，蓄热水箱的供热侧出口上设置有温度计T9，检测蓄热水箱供热侧出口温度，蓄热水箱的供热侧入口通过阀门E8接入供热管道上阀门E6与末端供暖系统之间，阀门E8与蓄热水箱间的管道上设置有压力表P9，检测管道工质压力，蓄热水箱的供热侧入口上设置有温度计T10，检测蓄热水箱供热侧入口温度；所述的温度计、压力表、流量计均将采集到的数据传回控制系统，阀门与控制系统连接；

所述的控制系统包括数据存储模块、实时显示模块、状态报警模块及控制输出模块，所述的控制输出模块输出模式转换控制指令和室温控制指令；

主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统的控制方法，它包括如下子步骤：

S1：采暖系统及控制系统启动；

S2：控制系统控制各表检检测当前参数；

S3：根据检测的温度参数改变供暖方式：

A.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc1，则采用太阳能单独供热模式；

B.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc2，则采用太阳能供热和蓄热模式；

C.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc3，T₁₄＞T_fc，则采用太阳能蓄热模式；

D.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＞T_xc，则采用蓄热装置单独供热模式；

E.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，则采用CO₂空气源热泵单独供热模式；

F.当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，T₉-T₁₀＞ΔT_xc，T₁₁＞T_jc，则采用CO₂空气源热泵供热和蓄热模式；

G.当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₁＞T_bc，T₃＜T_bc1，则采用太阳能和CO₂空气源热泵联合供热模式；

S4：控制系统控制流水管道上的阀门的开闭来改变供暖模式，继续进行供暖；

其中，T1-T13为控制系统中各温度计检测的参数，ΔT_sc为太阳能集热器启动温差，T_bc1为热交换器出口温度最小控制参数，T_bc2为热交换器出口温度蓄热控制参数，T_bc3为热交换器出口温度最大控制参数，T_fc为末端供暖系统温度控制参数，T_xc为蓄热水箱的供热侧出口温度控制参数，ΔT_xc为蓄热水箱的供热侧进出口温差控制参数，T_jc为末端供暖系统回水口温度控制参数，T_bc为太阳能集热器出口温度控制参数；

主动式太阳能和CO₂空气热源泵联合采暖控制系统的控制方法，它还包括模式之间的转换步骤，初始使用太阳能单独供热模式，则：

1)当T₃＞T_bc2，太阳能单独供热模式转换为太阳能供热与蓄热模式；

2)当T₉-T₁₀＜ΔT_xc，T₉≥T_xc，太阳能供热与蓄热模式转换为太阳能单独供热模式；

3)当T₃＜T_bc1，太阳能单独供热模式转换为联合供热模式；

4)当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＜T_xc，联合供热模式转换为CO₂空气源热泵单独供热模式；

5)当T₁-T₂＜ΔT_sc，T₉＞T_xc，联合供热模式转换为蓄热装置单独供热模式；

6)当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＞T_bc1，CO₂空气源热泵单独供热模式转换为太阳能单独供热模式；

7)当T₁-T₂＞ΔT_sc，T₁₃＞T₂，T₃＜T_bc1，CO₂空气源热泵单独供热模式转换为联合供热模式。