CN106052162B - 热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法，特点是预测控制方法的步骤为：建立储水箱的温升ΔT随时间t、太阳能瞬时辐照量e、平均室外环境温度T_hP、水箱初始温度T_C的拟合函数式；通过上述拟合方法，对每一种同期气象条件都进行温升ΔT曲线拟合，得到一个不同气象条件下温升ΔT拟合曲线的集合；因实际的温升曲线与集合A中有限的拟合曲线不能完全吻合，需对实际预测温升曲线进行修正，得到最终预测温升ΔT′；最终预测温升ΔT′值与初始水温T_C之和即为预测水箱最终温度T_Z，用户设定水温T_S与预测水箱最终温度T_Z之差ΔT″为需要热泵热水器辅助加热的热量。其优点为：太阳能有效得热量预测更准确，热泵运行时间段的能效比更高，系统节能效果明显。

Description

热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法

技术领域

本发明涉及一种热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法。

背景技术

空气源热泵热水器辅助太阳能热水器具有节能和环境适应性强的优点，在生活热水供应中得到了越来越广泛的应用。空气源热泵热水器与太阳能热水器组合中传统的控制方法是优先使用太阳能加热，当用户使用热水时如水温达不到要求，则开启热泵热水器进行加热，或者是人工提前开启或在某一固定时间提前开启。采用上述控制方法的主要问题是由于空气源热泵热水器的能效比随室外环境温度升高而升高，但随水箱水温升高而降低，如以日常用水高峰在18时以后为例，其室外环境温度一般比午间最高温度低5～8℃，而午间的水箱水温也比较低。为此，发明专利“热泵与太阳能热水器组合的节能控制方法（ZL201210485068.4）”中提出了通过对太阳能热水器全天得热量进行预测，在午间气温较高的时段提前开启热泵热水器补充加热的技术方案。但由于每天气象条件都不相同，如何准确预测太阳能热水器全天所能提供的热量是实施的关键。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法，其能准确预测太阳能热水器全天得热量，从而确定所需热泵热水器辅助加热量以及热泵热水器最佳的开机时间及总的运行时间，实现系统运行节能目的。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法，其特征在于热泵与太阳能热水器组合系统包括热泵热水器、热泵循环水泵、储水箱、太阳能循环水泵、太阳能热水器、储水箱水温传感器、环境温度传感器及控制器；其中所述储水箱水温传感器感应储水箱的水温即水箱温度T，所述环境温度传感器感应室外环境温度即环境温度T_h；所述控制器的预测控制方法的步骤如下：

（一）影响热泵与太阳能热水器组合系统中的有效得热量的因素主要有太阳能辐照量和环境温度T_h，其中太阳能瞬时辐照量和全天总辐照量直接影响太阳能热水器的得热量，储水箱因向环境散热，室外环境温度影响热泵热水器有效得热量；因每天的太阳能照射量和室外环境温度不同，将太阳能辐照量变化和室外环境温度的变化简化为晴天、多云天、阴雨天三种不同气象情况；

（二）将太阳能辐照量及室外环境温度因素对热泵与太阳能热水器组合系统得热量的影响综合表述为储水箱的有效得热量，在给定储水箱容积的情况下，通过测量储水箱水温传感器的温升即可以得到组合系统的有效所得热量；

（三）根据同期气象条件试验数据即太阳能瞬时辐照量和全天总辐照量基本相同，平均环境温度相同，加热开始时储水箱的初始水温也相同的数据，建立储水箱的温升ΔT随时间t、太阳能瞬时辐照量e、平均室外环境温度T_hP、水箱初始温度T_C的拟合函数式即温升ΔT=ƒ (t,e, T_C,T_hP)；根据得到的试验数据，拟合函数式按晴天、多云天、阴雨天三种不同气象情况进行表述；

（四）通过上述拟合方法，对每一种同期气象条件都进行温升ΔT曲线拟合，得到一个不同气象条件下温升ΔT拟合曲线的集合A={ ƒ₁(t), ƒ₂(t), ƒ₃(t) ···ƒ_n(t)}，A是一个有限集，其将作为预测特定时间段内温升ΔT情况的依据；

（五）以早上8点作为计时零点，按照同期气象条件在集合A中选择温升曲线ƒ_i(t), ƒ_i+1(t), ƒ_i+2(t),再根据早上8点到12点的一组时间点t_1，t_2，t₃ ···t_n，对应的储水箱的水箱温度T的实测值T_1，T_2，T₃ ···T_n，计算△_j=( T_j+1- T_j)/( t_j+1- t_j)以及ƒ_i′(t), ƒ_i+1′(t), ƒ_i+2′(t)在t_j的值，i及j均为1到n中的任意实数，应用最小二乘法判断与△_j最接近的ƒ_i′(t),得到数据与集合A中哪种天气比较吻合，即ƒ_i(t)带入t得到下午用热时储水箱预测温升值；

（六）因实际的温升曲线与集合A中有限的拟合曲线不能完全吻合，考虑天气突变情况影响，需对实际预测温升曲线进行修正，得到最终预测温升ΔT′；

（七）最终预测温升ΔT′值与初始水温T_C之和即为预测水箱最终温度T_Z，用户设定水温T_S与预测水箱最终温度T_Z之差ΔT″,即ΔT″=T_S-T_Z为需要热泵热水器（1）辅助加热的热量，热泵热水器在环境温度T_h较高时提前启动运行，当热泵热水器完成辅助加热的这一部分热量即通过热泵热水器运行温升达到ΔT″后停止运行。

本发明与现有技术相比的优点为：太阳能有效得热量预测更准确，热泵运行时间段的能效比更高，系统节能效果明显。

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，其是一种热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法，热泵与太阳能热水器组合系统包括热泵热水器1、热泵循环水泵2、储水箱3、太阳能循环水泵4、太阳能热水器5、储水箱水温传感器6、环境温度传感器7及控制器8；其中所述热泵热水器1的出水口与储水箱水温传感器6的一入水口连通，所述储水箱水温传感器6的一出水口通过热泵循环水泵2与热泵热水器1的入水口连通，储水箱水温传感器6的另一出水口通过太阳能循环水泵4与太阳能热水器5的入水口连通，储水箱水温传感器6的另一入水口与太阳能热水器5的出水口连通；热泵循环水泵2及太阳能循环水泵4受控制器8的控制；所述储水箱水温传感器6感应储水箱3的水温即水箱温度T，所述环境温度传感器7感应室外环境温度即环境温度T_h；所述控制器8的预测控制方法的步骤如下：

（一）影响组合系统中的有效得热量的因素主要有太阳能辐照量和环境温度T_h，其中太阳能瞬时辐照量和全天总辐照量直接影响太阳能热水器5的所得热量，储水箱3因向环境散热，室外环境温度影响热泵热水器1有效所得热量；因每天的太阳能照射量和室外环境温度不同，将太阳能辐照量变化和室外环境温度的变化简化为晴天、多云天、阴雨天三种不同气象情况；

（二）将太阳能辐照量及室外环境温度因素对热泵与太阳能热水器组合系统所得热量的影响综合表述为储水箱3的有效得热量，在给定储水箱3容积的情况下，通过测量储水箱水温传感器6的温升即可以得到热泵与太阳能热水器组合系统的有效所得热量；

（三）根据同期气象条件试验数据即太阳能瞬时辐照量和全天总辐照量基本相同，平均环境温度相同，加热开始时储水箱的初始水温也相同的数据，建立储水箱的温升ΔT随时间t、太阳能瞬时辐照量e、平均室外环境温度T_hP、水箱初始温度T_C的拟合函数式即温升ΔT=ƒ (t,e, T_C, T_hP)；根据得到的试验数据，拟合函数式按晴天、多云天、阴雨天三种不同气象情况进行表述，具体表述如下：

（a）阴雨天：温升ΔT与时间t基本呈线性关系，用拉格朗日差值法，

对雨天同期气象条件的试验数据进行拟合，拟合函数式可以表述为

ΔT=kt+c,k、c的值可带入具体试验数据计算得出；

（b）多云天：温升ΔT与时间t基本呈连续状态和上升趋势，且没有明显拐点，采用牛顿插值法，根据差商构造

ΔT=ƒ (t)= ƒ [t0]+ ƒ [t0,t1](t-t0)+ ƒ [t0,t1,t2](t-t0)(t-t1)+

... ƒ [t0,...tn](t-t0)...(t-tn-1)+Rn(t)，其中余项Rn(t)= ƒ [t，t0,...tn]ω(t)，进行曲线拟合，得到形如ƒ (t)=Nn(t)+Rn(t)的表达式，可以用牛顿插值或二次插值法求解得到Nn(t)；

（c）晴天：太阳辐照量大,水箱升温较快,同时由于与环境温度T_h的温差加大,水箱散热量也增大,存在一个时间拐点,温升达到最大值,而以后随着时间推移,太阳辐照降低,太阳能获得的热量与水箱散热基本接近,温升曲线趋于平缓,用两个时间节点积分值增量反应温升情况，求解牛顿-科特斯公式 ，其中，cotes系数仅取决于n和i；通过数据验证得到的ΔT=ƒ (t,e, T_C, T_hP)，存在某个t_i，使得ƒ (t)的n次幂大于0，而ƒ (t)的n+1次幂等于0，即得到的温升曲线存在曲线峰值；

（四）通过上述拟合方法，对每一种同期气象条件都进行温升ΔT曲线拟合，得到一个不同气象条件下温升ΔT拟合曲线的集合A={ ƒ₁(t), ƒ₂(t), ƒ₃(t) ···ƒ_n(t)}，A是一个有限集，其将作为预测特定时间段内温升ΔT情况的依据；

（五）以早上8点作为计时零点，按照同期气象条件在集合A中选择温升曲线ƒ_i(t), ƒ_i+1(t), ƒ_i+2(t),再根据早上8点到12点的一组时间点t_1，t_2，t₃ ···t_n，对应的储水箱3的水温T的实测值T_1，T_2，T₃ ···T_n，计算△_j=( T_j+1- T_j)/( t_j+1- t_j)以及ƒ_i′(t),ƒ_i+1′(t), ƒ_i+2′(t)在t_j的值，i及j均为1到n中的任意实数，应用最小二乘法判断与△_j最接近的ƒ_i′(t),得到数据与集合A中哪种天气比较吻合，即ƒ_i(t)带入t得到下午用热时储水箱3预测温升值；

（六）因实际的温升曲线与集合A中有限的拟合曲线不能完全吻合，考虑天气突变情况影响，需对实际预测温升曲线进行修正，修正的方法为：取上午10时至12时时间段内均匀分布的几个时间点中对应的实际温升ΔT值与集合中近似吻合的拟合曲线计算得到的温升ΔT值的偏差平均值dT，作为最终预测温升ΔT的修正值，修正后的最终预测温升值ΔT′=ΔT+dT；

（七）最终预测温升ΔT′值与初始水温T_C之和即为预测水箱最终温度T_Z，用户设定水温T_S与预测水箱最终温度T_Z之差ΔT″,即ΔT″=T_S-T_Z为需要热泵热水器1辅助加热的热量，热泵热水器1在环境温度T_h较高时提前启动运行，可设定中午12时为启动运行开始时间，当热泵热水器1完成辅助加热的这一部分热量即通过热泵热水器1运行温升达到ΔT″后停止运行。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换及变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法，其特征在于热泵与太阳能热水器组合系统包括热泵热水器（1）、热泵循环水泵（2）、储水箱（3）、太阳能循环水泵（4）、太阳能热水器（5）、储水箱水温传感器（6）、环境温度传感器（7）及控制器（8）；其中所述储水箱水温传感器（6）感应储水箱（3）的水温即水箱温度T，所述环境温度传感器（7）感应室外环境温度即环境温度T_h；所述控制器（8）的预测控制方法的步骤如下：

（一）影响热泵与太阳能热水器组合系统中的有效得热量的因素主要有太阳能辐照量和环境温度T_h，其中太阳能瞬时辐照量和全天总辐照量直接影响太阳能热水器（5）的得热量，储水箱（3）因向环境散热，室外环境温度影响热泵热水器（1）有效得热量；因每天的太阳能照射量和室外环境温度不同，将太阳能辐照量变化和室外环境温度的变化简化为晴天、多云天、阴雨天三种不同气象情况；

（二）将太阳能辐照量及室外环境温度因素对热泵与太阳能热水器组合系统得热量的影响综合表述为储水箱（3）的有效得热量，在给定储水箱（3）容积的情况下，通过测量储水箱水温传感器（6）的温升即可以得到组合系统的有效所得热量；

（三）根据同期气象条件试验数据即太阳能瞬时辐照量和全天总辐照量基本相同，平均环境温度相同，加热开始时储水箱（3）的初始水温也相同的数据，建立储水箱（3）的温升ΔT随时间t、太阳能瞬时辐照量e、平均室外环境温度T_hP、水箱初始温度T_C的拟合函数式即温升ΔT=ƒ (t,e, T_C,T_hP)；根据得到的试验数据，拟合函数式按晴天、多云天、阴雨天三种不同气象情况进行表述；

（四）通过上述拟合方法，对每一种同期气象条件都进行温升ΔT曲线拟合，得到一个不同气象条件下温升ΔT拟合曲线的集合A={ ƒ₁(t), ƒ₂(t), ƒ₃(t) ···ƒ_n(t)}，A是一个有限集，其将作为预测特定时间段内温升ΔT情况的依据；

（五）以早上8点作为计时零点，按照同期气象条件在集合A中选择温升曲线ƒ_i(t),ƒ_i+1(t), ƒ_i+2(t),再根据早上8点到12点的一组时间点t_1，t_2，t₃ ···t_n，对应的储水箱（3）的水温T的实测值T_1，T_2，T₃ ···T_n，计算△_j=( T_j+1- T_j)/( t_j+1- t_j)以及ƒ_i′(t),ƒ_i+1′(t), ƒ_i+2′(t)在t_j的值，i及j均为1到n中的任意实数，应用最小二乘法判断与△_j最接近的ƒ_i′(t),得到数据与集合A中哪种天气比较吻合，即ƒ_i(t)带入t得到下午用热时储水箱（3）预测温升值；

（六）因实际的温升曲线与集合A中有限的拟合曲线不能完全吻合，考虑天气突变情况影响，需对实际预测温升曲线进行修正，得到最终预测温升ΔT′；

（七）最终预测温升ΔT′值与初始水温T_C之和即为预测水箱最终温度T_Z，用户设定水温T_S与预测水箱最终温度T_Z之差ΔT″,即ΔT″=T_S-T_Z为需要热泵热水器（1）辅助加热的热量，热泵热水器（1）在环境温度T_h较高时提前启动运行，当热泵热水器（1）完成辅助加热的这一部分热量即通过热泵热水器（1）运行温升达到ΔT″后停止运行。