CN105222214A - 太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统及控制方法，联合供热水系统包括控制器(11)、水箱(7)、空气源热泵(9)和太阳能集热器(10)；所述的空气源热泵通过第一水管与水箱相连形成空气源热泵循环回路，所述的第一水管上设有空气源热泵循环水泵(8)；所述的太阳能集热器通过第二水管与水箱相连形成太阳能集热器循环回路，所述的第二水管上设有太阳能集热器水泵(6)。本发明根据预设的集热器出口水温和水箱出口水温的温度差值来对太阳能集热器的开启和关闭实施控制，根据预设的温度基准线来对空气源热泵的开启和关闭实施精确控制。该太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统及方法节能效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统及控制方法。
背景技术
空气源热泵，也称“空气源热泵热水器”“冷气热水器”等。“空气能热水器”把空气中的低温热量吸收进来，经过热泵转化为高温热能以此来加热水温。空气能热水器具有高效节能的特点，制造相同的热水量，比电辅助太阳能热水器利用能效高。空气源热泵热水器顾名思义就是把空气中的热量通过冷媒搬运到水中，传统的电热水器和燃气热水器是通过消耗燃气和电能来获得热能，而空气能热水器是通过吸收空气中的热量来达到加热水的目的，在消耗相同电能的情况下可以吸收相当于三倍电能左右的热能来加热水。
目前工程上所有的太阳能集热器和空气源热泵联合定时供热水系统控制方面存在明显的缺陷。空气源热泵的启停是通过水箱平均水温进行判断，若水箱平均水温没达到供水温度，则开启空气源热泵，且直到水箱平均水温达到供水温度时，再关掉热泵，这造成水箱平均水温在短时间内就被加热到供水温度，大大降低了太阳能集热器的利用率。因此，由于缺乏对空气源热泵的精确控制，降低了太阳能集热器的利用率，使得空气源热泵进行了较多不必要的运行，造成较大的能源浪费。
因此，有必要设计一种太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统及控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统及控制方法，该太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统及控制方法节能效果好。
发明的技术解决方案如下：
一种太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统，其特征在于，包括控制器、水箱(7)、空气源热泵(9)和太阳能集热器(10)；
所述的空气源热泵通过第一水管与水箱相连形成空气源热泵循环回路，所述的第一水管上设有空气源热泵循环水泵(8)；
所述的太阳能集热器通过第二水管与水箱相连形成太阳能集热器循环回路，所述的第二水管上设有太阳能集热器水泵(6)；
水箱具有出水口和进水口；
太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统还包括环境温度传感器(1)、设置于水箱出水口处的水箱出口水温传感器(2)、设置于水箱中部的水箱水温传感器(3)和设置于太阳能集热器出口处的集热器出口水温传感器(4)；
所述的环境温度传感器、水箱出口水温传感器、水箱水温传感器和集热器出口水温传感器的输出端均与控制器相连；
空气源热泵、空气源热泵循环水泵和太阳能集热器水泵均受控于控制器。
水箱的出水口处连接有出水水管，出水水管上设有受控于控制器的用户供水水泵(5)。
所述的控制器为单片机、PLC或DSP。
一种太阳能集热器和空气源热泵联合供热水控制方法，采用前述的太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统；
控制器通过环境温度传感器、水箱出口水温传感器、水箱水温传感器和集热器出口水温传感器分别获得环境温度t1、水箱出口水温t2、水箱水温t3和集热器出口水温t4；
在预设的工作时段：采用以下方法控制太阳能集热器和空气源热泵的开启和关闭：
控制器监测集热器出口水温t4和水箱出口水温t2，如果t4-t2≥dt1；则开启太阳能集热器循环水泵；如果t4-t2＜dt1，则关闭太阳能集热器循环水泵；dt1为预设的温度差值，dt1取值为5～10℃
控制器监测环境温度t1和水箱水温t3，并基于4条预设的温度基准线和环境温度t1确定所需的水箱基准温度Tz(τ)，4条温度基准线分别为T1(τ)、T2(τ)、T3(τ)和T4(τ)，其中τ为时间变量；在环境温度为ta，tb，tc和td时，只开启空气源热泵，获得的水箱水温升温曲线为对应的T1(τ)、T2(τ)、T3(τ)和T4(τ)4条曲线；
ta的取值范围为ta≤5℃；
tb的取值范围为5℃＜tb≤15℃；
tc的取值范围为15℃＜tc≤25℃；
td的取值范围为25℃＜td；
【为保证热泵的制热量ta，tb，tc和td的优选值分别为0℃、10℃，20℃，30℃】
若t1≤5℃，采用温度基准线T1(τ)确定Tz(τ)；
若5℃＜t1≤15℃，采用温度基准线T2(τ)确定Tz(τ)；
若15℃＜t1≤25℃，采用温度基准线T3(τ)确定Tz(τ)；
若25℃＜t1，采用温度基准线T4(τ)确定Tz(τ)；
控制器比较水箱基准温度Tz(τ)和水箱水温t3，当水箱实际水温t3低于Tz(τ)-dt2时，开启空气源热泵，加热水箱中的水；当水箱实际水温高于Tz(τ)+dt2时，空气源热泵停止运行；
dt2为设定的温度差值，dt2取值为1.5～3℃。
在预设的工作时段，控制器每T时间对温度进行监控并实施水温控制，所述的T为20～60分钟。
预设的工作时段为开始时间tam到结束时间tpm，tam从上午的8点到10点之间取值，tpm从下午4点半到6点之间取值。
太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统包括环境温度传感器、水箱出口水温传感器、水箱水温传感器、集热器出口水温传感器、用户供水水泵、太阳能集热器循环水泵、水箱、空气源热泵循环水泵、空气源热泵、太阳能集热器和控制器等。所述控制方法全部由系统中控制器自动完成。控制器中预设温度基准线。
(1)温度基准线Tn(τ)的设置温度基准线Tn(τ)设为单独开启空气源热泵时水箱内的水温上升曲线。随环境温度不同，热泵效率不同，水温上升速度也不同。控制器中设定4条温度基准线，即T1(τ)、T2(τ)、T3(τ)和T4(τ)，分别对应于环境温度为0℃、10℃、20℃和30℃。四条水温上升曲线的终点都为(下午5：00，50℃)
(2)供热水系统的控制方法
供热水系统的控制方法主要在于两点：
①优先开启太阳能集热器太阳能集热器的运行根据集热器出口水温和水箱出口水温的温差来控制，温差大于设定值10℃时，太阳能集热器循环水泵开启，温差小于设定温差5℃时，太阳能集热器停止运行。
②精确控制空气源热泵和空气源热泵循环水泵供热水系统每天9：00开始测量环境温度和水箱水温，每30分钟测一次，直到下午5：00或者水温达到所需的供水温度50℃后停止检测。环境温度低于10℃，采用温度基准线T1(τ)；环境温度在5℃和15℃之间，采用温度基准线T2(τ)；环境温度在15℃和25℃之间，采用温度基准线T3(τ)；环境温度高于25℃，采用温度基准线T4(τ)。每天不同时刻环境温度不同，所选取的温度基准线也可随之变化。确定合适的温度基准线Tn(τ)后，找到该温度基准线在该时刻的温度作为基准温度Tz(τ)。控制器即时比较基准温度Tz(τ)和水箱水温，当水箱实际水温低于Tz(τ)-2.5℃时，空气源热泵开启，加热水箱中的水；当水箱实际水温高于Tz(τ)+2.5℃时，空气源热泵停止运行。如果该温度基准线在该时刻没有温度作为基准温度Tz(τ)，则不进行比较，空气源热泵保持停机状态。
有益效果：
本发明的太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统及方法，通过对环境温度的检测实现对空气源热泵的精确控制，提高太阳能集热器的利用率，最大程度上减少空气源热泵的运行时间，在满足系统供热水舒适性的同时，进一步提高太阳能集热器和空气源热泵联合定时供热水系统的节能效果。
本发明主要创新点：
优先开启太阳能集热器，精确控制空气源热泵启停，实现能耗最低。供热水系统定期(如每30分钟)检测一次环境温度和水箱水温，选取最为合适的基准温度，根据基准温度(而非供水温度)和实际水箱水温的比较来精确控制空气源热泵启停，在满足需求的前提下最大限度地减少空气源热泵的工作时间。
综上所述，在本发明上述公开的控制方法中，通过对环境温度的检测实现对太阳能集热器和空气源热泵联合定时供热水系统的优化控制，提高太阳能集热器的利用率，最大程度上减少空气源热泵的运行时间，在满足热水负荷需求的前提下，进一步提高太阳能集热器和空气源热泵联合定时供热水系统的节能效果。
附图说明
图1为太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统的整体结构示意图；
图2为温度基准线示意图。
标号说明：1、环境温度传感器；2、水箱出口水温传感器；3、水箱水温传感器；4、集热器出口水温传感器；5、用户供水水泵；6、太阳能集热器循环水泵；7、水箱；8、空气源热泵循环水泵；9、空气源热泵；10、太阳能集热器；11、控制器。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
在本发明公开的供热水系统包括了PLC控制器、环境温度传感器T1、集热器出口水温传感器T4、水箱水温传感器T3、水箱出口水温传感器T2、用户供水水泵、太阳能集热器循环水泵、水箱、空气源热泵循环水泵、空气源热泵、太阳能集热器等。PLC控制器中预设四条热水温度基准线。实际控制中，太阳能集热器的运行根据集热器出口水温和水箱出口水温的温差来控制，温差大于设定值10℃时，太阳能集热器循环水泵开启，温差小于设定值5℃时，太阳能集热器循环水泵停止运行。空气源热泵的运行根据水箱水温和热水温度基准线Tn(τ)进行比较来控制，热水温度基准线Tn(τ)的选取根据实时环境温度来确定。PLC每隔30分钟检测水箱水温，当水箱实际水温低于Tn(τ)-2.5℃时，空气源热泵和空气源热泵循环水泵开启，加热水箱中的水；当水箱实际水温高于Tn(τ)+2.5℃时，空气源热泵和空气源热泵循环水泵停止运行。采用本发明公开的太阳能集热器和空气源热泵联合定时供热水系统的控制方法，可在保证用户热水负荷需求的前提下，最大程度减少空气源热泵的运行时间，提高太阳能的利用率，从而使得系统运行更加节能、经济。
具体实施时：
太阳能热水器的控制方法：每天上午9时开始，控制器每隔30分钟通过温度传感器检测太阳能集热器出口水温和水箱出口水温，如果集热器出口水温比水箱出口水温高于10℃或以上，则开启太阳能集热器循环水泵；如果集热器出口水温比水箱水温低于5℃，则关闭太阳能集热器循环水泵。
空气源热泵的控制方法：每天上午9时开始，控制器每隔30分钟通过温度传感器检测环境温度和水箱水温，直到下午5：00或者水温达到当时所需的供水温度后停止检测。如果环境温度低于5℃，采用温度基准线T1(τ)；如果环境温度在5℃和15℃之间，采用温度基准线T2(τ)；如果环境温度在15℃和25℃之间，采用温度基准线T3(τ)；如果环境温度高于25℃，采用温度基准线T4(τ)。由于每天不同时刻环境温度也在变化，所选取的温度基准线也可随之变化。确定合适的温度基准线Tn(τ)后，找到该温度基准线在该时刻的温度，如果有温度读数，则该温度作为基准温度Tz(τ)，控制器即时比较基准温度Tz(τ)和水箱水温，当水箱实际水温低于Tz(τ)-2.5℃时，空气源热泵开启，加热水箱中的水；当水箱实际水温高于Tz(τ)+2.5℃时，空气源热泵停止运行。如果该温度基准线在该时刻没有温度读数(如13：30之前温度基准线T3(τ)就没有读数)，则不进行比较，空气源热泵保持停机状态。
Claims (6)
1.一种太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统，其特征在于，包括控制器、水箱(7)、空气源热泵(9)和太阳能集热器(10)；
所述的空气源热泵通过第一水管与水箱相连形成空气源热泵循环回路，所述的第一水管上设有空气源热泵循环水泵(8)；
所述的太阳能集热器通过第二水管与水箱相连形成太阳能集热器循环回路，所述的第二水管上设有太阳能集热器水泵(6)；
水箱具有出水口和进水口；
太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统还包括环境温度传感器(1)、设置于水箱出水口处的水箱出口水温传感器(2)、设置于水箱中部的水箱水温传感器(3)和设置于太阳能集热器出口处的集热器出口水温传感器(4)；
所述的环境温度传感器、水箱出口水温传感器、水箱水温传感器和集热器出口水温传感器的输出端均与控制器相连；
空气源热泵、空气源热泵循环水泵和太阳能集热器水泵均受控于控制器。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统，其特征在于，水箱的出水口处连接有出水水管，出水水管上设有受控于控制器的用户供水水泵(5)。
3.根据权利要求2所述的太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统，其特征在于，所述的控制器为单片机、PLC或DSP。
4.一种太阳能集热器和空气源热泵联合供热水控制方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的太阳能集热器和空气源热泵联合供热水系统；
控制器通过环境温度传感器、水箱出口水温传感器、水箱水温传感器和集热器出口水温传感器分别获得环境温度t1、水箱出口水温t2、水箱水温t3和集热器出口水温t4；在预设的工作时段：采用以下方法控制太阳能集热器和空气源热泵的开启和关闭：
控制器监测集热器出口水温t4和水箱出口水温t2，如果t4-t2≥dtl；则开启太阳能集热器循环水泵；如果t4-t2＜dtl，则关闭太阳能集热器循环水泵；dtl为预设的温度差值，dtl取值为5～10℃
控制器监测环境温度t1和水箱水温t3，并基于4条预设的温度基准线和环境温度t1确定所需的水箱基准温度TZ(τ)，4条温度基准线分别为T1(τ)、T2(τ)、T3(τ)和T4(τ)，其中τ为时间变量；在环境温度为ta，tb，tc和td时，只开启空气源热泵，获得的水箱水温升温曲线为对应的T1(τ)、T2(τ)、T3(τ)和T4(τ)4条曲线；
ta的取值范围为ta≤5℃；
tb的取值范围为5℃＜tb≤15℃；
tc的取值范围为15℃＜tc≤25℃；
td的取值范围为25℃＜td；
若t1≤5℃，采用温度基准线T1(τ)确定Tz(τ)；
若5℃＜t1≤15℃，采用温度基准线T2(τ)确定Tz(τ)；
若15℃＜t1≤25℃，采用温度基准线T3(τ)确定Tz(τ)；
若25℃＜t1，采用温度基准线T4(τ)确定TZ(τ)；
控制器比较水箱基准温度TZ(τ)和水箱水温t3，当水箱实际水温t3低于Tz(τ)-dt2时，开启空气源热泵，加热水箱中的水；当水箱实际水温高于Tz(τ)+dt2时，空气源热泵停止运行；
dt2为设定的温度差值，dt2取值为1.5～3℃。
5.根据权利要求4所述的太阳能集热器和空气源热泵联合供热水控制方法，其特征在于，在预设的工作时段，控制器每T时间对温度进行监控并实施水温控制，所述的T为20～60分钟。
6.根据权利要求5任一项所述的太阳能集热器和空气源热泵联合供热水控制方法，其特征在于，预设的工作时段为开始时间tam到结束时间tpm，tam从上午的8点到10点之间取值，tpm从下午4点半到6点之间取值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180731 Termination date: 20181105 |