CN105737379A - 太阳能热泵复合热水系统控制方法 - Google Patents

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    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
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    • F24H4/02—Water heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/20—Arrangement or mounting of control or safety devices

Abstract

本发明公开了一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，包括如下步骤：（1）判断控制器是否完成系统参数的初始化，当初始化完成后，（2）测试水箱底面积；（3）测试热泵在不同水箱热水温度下的制热功率；（4）判断用户是否完成简单参数的设置，是，则更新参数，否，则根据常规使用场景确定默认使用参数；（5）判断用户是否需要定时用水，是，则为保证用户用水要求，采用定时恒温供水，否，则按常规总量供水；（6）根据热水焓值分析确定最终用户所需热水具有的能量；（7）每隔固定时间记录该时刻值，并测得该时刻下的水箱温度值、水箱液位值；本发明具有自动化程度高、节约能源的有益效果。

Description

太阳能热泵复合热水系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能热泵复合热水系统控制方法。
背景技术
由于太阳能热利用的形式简单，易于实现，太阳能工程应用的规模越来越大，发展速度越来越快。
目前大多数太阳能热水器的控制系统主要是针对家庭式太阳能热水器。虽然市面上已经存在不少控制器产品，但大部分都存在或多或少的问题，主要表现在所使用的控制方法比较单一且控制逻辑比较复杂，导致了控制器控制准确性低、智能化程度不高、界面显示单调、无法自动控制的切换、控制起来不能达到理想效果、无法真正达到节能目的，并且现今对工程应用的需求提出了更高的要求，现有技术更不能满足需求。
单个控制方法往往是针对某一种太阳能热水工程的结构模式进行专门地设计，无法根据工程模态的改变而自动切换到对应的控制方案。即使某些控制器存在着多种控制方案，也是仅仅将不同种类的工况进行简单地叠加，这不仅没能从根本上解决问题，而且增加了控制器的运行负担。另外，对于一个太阳能热水系统，最为关心的便是如何能够最大限度地节约能源，即在满足用户需求的情况下减少辅助能源的投入来达到节约能源的目的。而现存的控制方法更多关注的是运行的整个过程，即注重的是哪个时间段运行哪个时间段的控制，虽然也能达到用户的要求，但往往造成了许多不必要的能源投入。
一个好的控制方法就需要减少用户的干预，能够根据系统的各项指标实时改变自己的运行状况并满足用户所需的各项要求。而市面上并不存在这种控制方法。
发明内容
本发明根据以上不足，提供了一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，能够根据系统实际工况进行控制匹配和控制参数最优化设置并能够根据系统条件的预判延迟辅助能源热泵的投入，从而最大限度地利用太阳能进行集热。
本发明的技术方案是：
一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）判断控制器是否完成系统参数的初始化，当初始化完成后，
（2）测试水箱底面积；
（3）测试热泵在不同水箱热水温度下的制热功率；
（4）判断用户是否完成简单参数的设置，是，则更新参数，否，则根据常规使用场景确定默认使用参数，简单参数包括用户所需用水温度、用户所需用水量、用户所需用水时刻；
（5）判断用户是否需要定时用水，是，则为保证用户用水要求，采用定时恒温供水，否，则按常规总量供水；
（6）根据热水焓值分析确定最终用户所需热水具有的能量；
（7）每隔固定时间记录该时刻值，并测得该时刻下的水箱温度值、水箱液位值；
（8）根据热水焓值分析确定步骤7时刻下水箱中热水所具有的能量；
（9）根据步骤（6）中热水的能量与步骤（7）中热水能量的差并用热泵制热功率对其取商，得到仅利用热泵投入来达到末态所需的时间；
（10）计算确定需要热泵加热的时刻；
（11）对步骤（10）中时刻与步骤（7）中时刻进行比较进而判断是否需要立刻开启热泵，若步骤（10）中时刻小于等于步骤（7）中时刻，则开启热泵并进入步骤（7）继续运行；若步骤（10）中时刻大于步骤（7）中时刻，则检测热泵是否开启，若开启则关闭并进入步骤（7）继续运行。
步骤（1）所述系统参数的初始化包括集热循环、水箱间循环启停温差、回水循环的运行时间、启停温度、故障标志位初始化。
步骤（2）中，所述测试水箱底面积的方法为：
控制器自动打开上水阀，检测并记录进水前水箱液位高度、进水流量、进水时间以及进水后水箱液位高度，进而计算确定水箱底面积；需要说明的是，为了计算方便，水箱任何高度的水面面积与水箱底面积相同，水箱底面积S定义为：
.
其中，q为进水流量(m3/h)，ts为进水时间(h)，L1为进水前水箱液位高度(m)，L2为进水后水箱液位高度(m)。
步骤（3）中，测试方法为：
控制器自动启动热泵，检测并记录热泵启动前水箱热水温度及液位、热泵启动运行时间、热泵运行后水箱热水温度及液位，进而计算确定热泵在不同水箱热水温度下的制热功率；制热功率Pr定义为
.
其中，c为水的比热容，取4.187KJ/(kg﹒℃)，为热水的密度(kg/m3)，L为水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，T2为热泵运行后水箱热水温度(℃)，T1为热泵启动前水箱热水温度(℃)，tr为热泵运行时间(h)。
步骤（5）中，定时用水是指事先用户设定了用水的时刻，按常规总量供水，常规总量是指用户估计一天需要用多少水量，一天有多少人用水，用水量的总和；
步骤（5）中，液位值的变化会造成上水阀的开或关，就比如给一个水桶灌水会产生液位上下起伏，用传感器去测量液位高度就存在一段误差，最好的办法就是稳定时候去测量，但要让水稳定就不能上水，解决办法是在这里产生一段液位差。当液位大于等于液位设置上限时关闭上水阀，当液位小于等于液位设置下限时开启上水阀。
步骤（6）中，不同温度下热水的焓值通过表格进行查阅，最终，能量Q2定义为：
.
其中，为最终热水的密度(kg/m3)，L2为最终水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，I2为最终热水的焓值(KJ/kg)。
步骤（8）中，时刻能量Q1定义为：
其中，为该时刻下热水的密度(kg/m3)，L1为该时刻下水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，I1为该时刻下热水的焓值(KJ/kg)。
步骤（9）中，热泵投入所需时间定义为：
其中，Q2为最终热水所具有能量(KJ)，Q1为该时刻下热水具有的能量(KJ)，Pr为热泵制热功率(KW)。
步骤（10）中，热泵投入的时刻定义为：
.
其中t2为步骤7所记录的时刻值，为热泵投入所需时间(s)。
需要说明的是，一般情况下系统利用太阳能对水箱中的水进行加热，但是有些天气情况不佳无法对水加热到用户所需温度，便需要投入热泵进行辅助加热，热泵就需要进行一个开始加热时刻点的确定，这个时刻点的确定是有讲究的，不能随便选择一个时刻点。为了最大化利用太阳能，需要尽量延迟热泵启动，但同时又有用户用水时刻的限制，不能太晚加热，否则当用户用水时就达不到用户所需用水温度，利用上面几个限制条件可以通过计算公式得到热泵开始时刻。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的太阳能热泵复合热水系统的控制方法，实现了对系统的智能化控制，用户只需要简单设置相关的几个参数，也可以保持默认参数设置就能够完成整个系统的自动运行。
2、该设计思路相对简单，减少了复杂控制逻辑的交叉判断及出错率，简化了控制代码的编写。
3、该控制策略以系统中能量的变化为核心来进行设计，大大减少了不必要的辅助能源投入，达到了最大限度节约能源的目的。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的说明：
如图所示，1.一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）判断控制器是否完成系统参数的初始化，初始化包括集热循环、水箱间循环启停温差、回水循环的运行时间、启停温度、故障标志位初始化，当初始化完成后，
（2）测试水箱底面积；控制器自动打开上水阀，检测并记录进水前水箱液位高度、进水流量、进水时间以及进水后水箱液位高度，进而计算确定水箱底面积；水箱底面积S定义为：
.
其中q为进水流量(m3/h)，ts为进水时间(h)，L1为进水前水箱液位高度(m)，L2为进水后水箱液位高度(m)。
（3）测试热泵在不同水箱热水温度下的制热功率；测试方法为：
控制器自动启动热泵，检测并记录热泵启动前水箱热水温度及液位、热泵启动运行时间、热泵运行后水箱热水温度及液位，进而计算确定热泵在不同水箱热水温度下的制热功率；制热功率Pr定义为
.
其中，c为水的比热容，取4.187KJ/(kg﹒℃)，为热水的密度(kg/m3)，L为水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，T2为热泵运行后水箱热水温度(℃)，T1为热泵启动前水箱热水温度(℃)，tr为热泵运行时间(h)。
（4）判断用户是否完成简单参数的设置，是，则更新参数，否，则根据常规使用场景确定默认使用参数，简单参数包括用户所需用水温度、用户所需用水量、用户所需用水时刻；
（5）判断用户是否需要定时用水，是，则为保证用户用水要求，采用定时恒温供水，否，则按常规总量供水；当液位大于等于液位设置上限时关闭上水阀，当液位小于等于液位设置下限时开启上水阀。
（6）根据热水焓值分析确定最终用户所需热水具有的能量；不同温度下热水的焓值通过表格进行查阅，最终，能量Q2定义为：
.
其中，为最终热水的密度(kg/m3)，L2为最终水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，I2为最终热水的焓值(KJ/kg)。
（7）每隔固定时间记录该时刻值，并测得该时刻下的水箱温度值、水箱液位值；
（8）根据热水焓值分析确定步骤7时刻下水箱中热水所具有的能量；时刻能量Q1定义为：
其中为该时刻下热水的密度(kg/m3)，L1为该时刻下水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，I1为该时刻下热水的焓值(KJ/kg)。
（9）根据步骤（6）中热水的能量与步骤（7）中热水能量的差并用热泵制热功率对其取商，得到仅利用热泵投入来达到末态所需的时间；热泵投入所需时间定义为：
其中Q2为最终热水所具有能量(KJ)，Q1为该时刻下热水具有的能量(KJ)，Pr为热泵制热功率(KW)。
（10）计算确定需要热泵加热的时刻；热泵投入的时刻定义为：
.
其中t2为步骤7所记录的时刻值，为热泵投入所需时间(s)。
（11）对步骤（10）中时刻与步骤（7）中时刻进行比较进而判断是否需要立刻开启热泵，若步骤（10）中时刻小于等于步骤（7）中时刻，则开启热泵并进入步骤（7）继续运行；若步骤（10）中时刻大于步骤（7）中时刻，则检测热泵是否开启，若开启则关闭并进入步骤（7）继续运行。

Claims (9)

1.一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）判断控制器是否完成系统参数的初始化，当初始化完成后，
（2）测试水箱底面积；
（3）测试热泵在不同水箱热水温度下的制热功率；
（4）判断用户是否完成简单参数的设置，是，则更新参数，否，则根据常规使用场景确定默认使用参数，简单参数包括用户所需用水温度、用户所需用水量、用户所需用水时刻；
（5）判断用户是否需要定时用水，是，则为保证用户用水要求，采用定时恒温供水，否，则按常规总量供水；
（6）根据热水焓值分析确定最终用户所需热水具有的能量；
（7）每隔固定时间记录该时刻值，并测得该时刻下的水箱温度值、水箱液位值；
（8）根据热水焓值分析确定步骤7时刻下水箱中热水所具有的能量；
（9）根据步骤（6）中热水的能量与步骤（7）中热水能量的差并用热泵制热功率对其取商，得到仅利用热泵投入来达到末态所需的时间；
（10）计算确定需要热泵加热的时刻；
（11）对步骤（10）中时刻与步骤（7）中时刻进行比较进而判断是否需要立刻开启热泵，若步骤（10）中时刻小于等于步骤（7）中时刻，则开启热泵并进入步骤（7）继续运行；若步骤（10）中时刻大于步骤（7）中时刻，则检测热泵是否开启，若开启则关闭并进入步骤（7）继续运行。
2.如权利要求1所述的一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，步骤（1）所述系统参数的初始化包括集热循环、水箱间循环启停温差、回水循环的运行时间、启停温度、故障标志位初始化。
3.如权利要求1所述的一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，步骤（2）中，所述测试水箱底面积的方法为：
控制器自动打开上水阀，检测并记录进水前水箱液位高度、进水流量、进水时间以及进水后水箱液位高度，进而计算确定水箱底面积；水箱底面积S定义为：
.
其中q为进水流量(m3/h)，ts为进水时间(h)，L1为进水前水箱液位高度(m)，L2为进水后水箱液位高度(m)。
4.如权利要求1所述的一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，步骤（3）中，测试方法为：
控制器自动启动热泵，检测并记录热泵启动前水箱热水温度及液位、热泵启动运行时间、热泵运行后水箱热水温度及液位，进而计算确定热泵在不同水箱热水温度下的制热功率；制热功率Pr定义为
.
其中，c为水的比热容，取4.187KJ/(kg﹒℃)，为热水的密度(kg/m3)，L为水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，T2为热泵运行后水箱热水温度(℃)，T1为热泵启动前水箱热水温度(℃)，tr为热泵运行时间(h)。
5.如权利要求1所述的一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，步骤（5）中，当液位大于等于液位设置上限时关闭上水阀，当液位小于等于液位设置下限时开启上水阀。
6.如权利要求1所述的一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，步骤（6）中，不同温度下热水的焓值通过表格进行查阅，最终，能量Q2定义为：
.
其中，为最终热水的密度(kg/m3)，L2为最终水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，I2为最终热水的焓值(KJ/kg)。
7.如权利要求1所述的一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，步骤（8）中，时刻能量Q1定义为：
其中为该时刻下热水的密度(kg/m3)，L1为该时刻下水箱液位高度(m)，S为水箱底面积(m2)，I1为该时刻下热水的焓值(KJ/kg)。
8.如权利要求1所述的一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，步骤（9）中，热泵投入所需时间定义为：
其中Q2为最终热水所具有能量(KJ)，Q1为该时刻下热水具有的能量(KJ)，Pr为热泵制热功率(KW)。
9.如权利要求1所述的一种太阳能热泵复合热水系统控制方法，其特征是，步骤（10）中，热泵投入的时刻定义为：
.
其中t2为步骤7所记录的时刻值，为热泵投入所需时间(s)。
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