CN106091438B - 一种并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法，主要包括：检测太阳能集热器出口水温T₁和供热水箱中部水温T₂，比较T₁和T₂，根据比较结果控制太阳能循环泵的开启与关闭；当太阳能循环泵关闭时，采用以下方法控制热泵机组的开启与关闭：判断供热水箱中当前可用于加热冷水的热量和太阳能集热器中当前可用于换热的热量之和能否满足在供热水箱补进一定量的冷水后，供热水箱中的供水温度大于供水设定温度，若满足，则热泵机组关闭，若不满足，则热泵机组开启。本发明既可以满足末端用户全天候动态用水的需求，又可以有效利用太阳能资源，减少热泵机组的开启时间，节约电能，确保了稳定供应热水，并降低了系统运行能耗。

Description

一种并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法

技术领域

本发明涉及生活热水供应系统领域，尤其涉及一种并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法。

背景技术

据相关数据显示，目前建筑能耗占社会总能耗的33％左右，预计到2050年，建筑能耗将占我国社会总能耗的35％以上。降低建筑能耗是实施绿色建筑战略的重要内容，在有热水供应系统的建筑中，生活热水能耗占建筑能耗的15％-20％，降低生活热水能耗，是降低建筑能耗的有效措施，对建筑节能具有重要意义。

目前，生活热水的供应方式有很多种。传统的燃煤、燃油、电加热制取生活热水的方式消耗大量化石能源或电能，严重污染环境和浪费能源，已不能适应当今社会节约能源，保护环境的要求。太阳能因其可再生、清洁、无污染等特点被广泛使用，但因其自身存在的一些缺陷，使其在大型热水工程的应用中仍受到限制。首先，太阳能资源具有不稳定性，当天气晴好时，太阳辐射量充足，足以加热生活热水；当遇到阴雨天气或者晚间时，便不足以加热生活热水。其次，加热周期长，热水升温较慢，不适用于全天候用水的场合。随着热泵技术的发展，空气源热泵热水器逐渐受到人们的关注。热泵技术是一种很好的可以实现夏季供冷冬季供热的节能型系统，可以利用少量高品位能源，实现将热量从低温热源传输给高温热源。热泵热水器可以满足全天候制取生活热水的需求，但若单独使用，则放弃了太阳能的绿色能源优势。因此，人们将太阳能技术与热泵技术相结合，以热泵机组作为辅助装置，在太阳辐射量不足时辅助加热生活热水，不仅可以有效利用太阳能资源，而且可以实现全天候稳定供水，并联式太阳能热泵系统就是在热泵技术和太阳能技术的基础上发展而来的。

随着对节能工作的重视以及用户对生活热水质量要求的提高，为提高供水质量并降低系统能耗，近年来，对并联式太阳能热泵热水系统节能优化控制技术的研究逐渐增多，主要有以下几种控制方法：一、逻辑控制法，根据时间、水位、水温三者联合控制热泵机组的开启时间。即定时检测供热水箱水位、水温是否达到设定值，若没有达到设定值，则开启空气源热泵。这种控制方法不能实现全天候稳定供水，且水位、水温的设定值多是根据人的主观经验值设定，主观因素大；另外，不根据不同季节和不同室外温度改变温度设定值，导致天气晴好时过早的开启热泵，不能充分利用太阳能资源，浪费能源。二、热量预测法，对太阳能集热器和热泵机组产热量进行预测，确定热泵机组的启停控制策略。即以正态曲线拟合出某一天的太阳辐射量，从而根据一段时间的辐射量预测一整天的辐射量，同时通过实验得出热泵能效与回水温度的关系，建立热泵制热量预测模型。通过比较一整天的太阳辐射量与加热一定量热水所需的辐射量的大小，调节开启热泵的时间，这种控制策略预测周期长，忽略了天气变化的影响，不准确性大，另外，计算一天所需的总热量值，忽略了用户用水时间和用水量的随机性。

这些传统的控制策略都有一个共同的不足：将用户的用水负荷视为固定负荷计算加热量，认为用水量不变，用水时间固定，从而预测出热泵机组的启停时间，这种静态的控制方法不能根据用户末端用水负荷的变化和当前太阳辐射量动态调整机组的运行状态，因此不能满足人们全天候动态用水的需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种将热泵热水系统和太阳能热水系统并联运行的节能优化控制方法。

为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案予以实现：

一种并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法，包括以下步骤：

检测太阳能集热器出口水温T₁和供热水箱中部水温T₂，比较T₁和T₂，根据比较结果控制太阳能循环泵的开启与关闭；

当太阳能循环泵关闭时，采用以下方法控制热泵机组的开启与关闭：

判断供热水箱中当前可用于加热冷水的热量和太阳能集热器中当前可用于换热的热量之和能否满足在供热水箱补进一定量的冷水后，供热水箱中的供水温度大于供水设定温度，若满足，则热泵机组关闭，若不满足，则热泵机组开启。

进一步的，比较T₁和T₂：当T₁-T₂≥5，太阳能循环泵开启；当T₁-T₂≤2，太阳能循环泵关闭。

进一步的，控制热泵机组的开启与关闭的方法具体为：假设：供热水箱中当前可用于加热冷水的热量为Q₁，太阳能集热器中当前可用于换热的热量为Q₂，供热水箱从当前水位补到高水位的进水量由冷水温度升至供水设定温度所需要的热量为Q₃，当前用水量持续时间t的总水量从冷水温度升至供水设定温度所需要的热量为Q₄，供热水箱中维持某一水温可允许的波动值对应的热量为ΔQ；当Q₁+Q₂＜Q₃+Q₄+ΔQ，热泵机组开启；当Q₁+Q₂≥Q₃+Q₄+ΔQ，热泵机组关闭；每间隔△t时间计算一次Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的值，并判定热泵机组的开启和关闭。

进一步的，热量值计算公式如下：

Q₁＝C·ρπ·r²·h₂·(T₃-T_g)

Q₂＝C·ρw·(T₁-T_g)，T₁≥T_g

Q₂＝0，T₁≤T_g

Q₃＝C·ρπ·r²·(h₁-h₂)·(T_g-T_z)

Q₄＝C·ρLt·(T_g-T_z)

ΔQ＝C·ρπ·r²·h₁·ΔT

式中：

C——水比热容，

ρ——水密度，

r——供热水箱半径，

h₁——供热水箱高水位高度，

h₂——供热水箱低水位高度，

T₃——实际供水温度，

T_g——供水设定温度，

T₁——太阳能集热器出口水温，

T_z——冷水温度，

w——太阳能集热器中可用于换热的水量，

L——用户当前用水量，

t——当前用水量持续时间，

ΔT——可允许供热水箱水温波动值。

进一步的，所述供水设定温度为55℃。

本发明综合考虑用户当前用水量和太阳辐射量，实现多参数检测，多目标协同控制，既可以满足末端用户全天候动态用水的需求，又可以有效利用太阳能资源，减少热泵机组的开启时间，节约电能，确保了稳定供应热水，并降低了系统运行能耗。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本发明作进一步的说明：

本发明所述的并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法，包括以下步骤：

一、对于太阳能集热单元，当其在单独工作加热生活热水时，由太阳能循环泵实现集热器中的水和供热水箱中的水的循环。太阳能集热单元的运行状态受太阳辐射量强弱的影响，而太阳辐射量在实际测量时较难实现，因此，需采用一种控制器可实现并容易测量的参数作为控制依据。当太阳辐射强时，水升温较快，当太阳辐射弱时，水升温较慢，因此水的温升值可以反映当前太阳辐射量的强弱，故通过检测水的温度值控制太阳能集热单元运行状态的方法简单有效。因此，太阳能循环泵采用温差控制，检测太阳能集热器出口水温T₁和供热水箱中部水温T₂，比较T₁和T₂，根据比较结果控制太阳能循环泵的开启与关闭。具体比较方法为：当T₁-T₂≥5，太阳能循环泵开启；当T₁-T₂≤2，太阳能循环泵关闭。

二、当太阳辐射量不足，即太阳能集热器出口水温较低不能达到太阳能循环泵启动条件时，为了保证用户的稳定用水，则需要启动热泵机组。确定合理的热泵机组的启停控制策略，是有效利用太阳能资源，实现节能控制的关键。

对于热泵单元，由于热水用户用水时间和用水量的随机动态性，为了使得供热水箱中的水满足用户全天候动态用水需求，需预先判断出：

供热水箱中当前可用于加热冷水的热量和太阳能集热器中当前可用于换热的热量之和能否满足在供热水箱补进一定量的冷水后，供热水箱中的供水温度大于供水设定温度，若满足，则热泵机组关闭，若不满足，则热泵机组开启。所述供水设定温度可设为55℃。

控制热泵机组的开启与关闭的方法具体为：假设：供热水箱中当前可用于加热冷水的热量为Q₁，太阳能集热器中当前可用于换热的热量为Q₂，供热水箱从当前水位补到高水位的进水量由冷水温度升至供水设定温度所需要的热量为Q₃，当前用水量持续时间t的总水量从冷水温度升至供水设定温度所需要的热量为Q₄，供热水箱中维持某一水温可允许的波动值对应的热量为ΔQ，ΔQ的作用是为避免热泵机组频繁的启停控制；当Q₁+Q₂＜Q₃+Q₄+ΔQ，热泵机组开启；当Q₁+Q₂≥Q₃+Q₄+ΔQ，热泵机组关闭；每间隔△t时间计算一次Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的值，并判定热泵机组的开启和关闭。

热量值计算公式如下：

Q₁＝C·ρπ·r²·h₂·(T₃-T_g)

Q₂＝C·ρw·(T₁-T_g)，T₁≥T_g

Q₂＝0，T₁≤T_g

Q₃＝C·ρπ·r²·(h₁-h₂)·(T_g-T_z)

Q₄＝C·ρLt·(T_g-T_z)

ΔQ＝C·ρπ·r²·h₁·ΔT

式中：

C——水比热容，C＝4.2KJ/(Kg·℃)；

ρ——水密度，ρ＝10³Kg/m³；

r——供热水箱半径，m；

h₁——供热水箱高水位高度，m；

h₂——供热水箱低水位高度，m；

T₃——实际供水温度，℃；

T_g——供水设定温度，℃；

T₁——太阳能集热器出口水温，℃；

T_z——冷水温度，℃；

w——太阳能集热器中可用于换热的水量，m³；

L——用户当前用水量，L；

t——当前用水量持续时间，min；

ΔT——可允许供热水箱水温波动值，℃。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变和变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测太阳能集热器出口水温T₁和供热水箱中部水温T₂，比较T₁和T₂，根据比较结果控制太阳能循环泵的开启与关闭；

当太阳能循环泵关闭时，采用以下方法控制热泵机组的开启与关闭：

判断供热水箱中当前可用于加热冷水的热量和太阳能集热器中当前可用于换热的热量之和能否满足在供热水箱补进一定量的冷水后，供热水箱中的供水温度大于供水设定温度，若满足，则热泵机组关闭，若不满足，则热泵机组开启；

控制热泵机组的开启与关闭的方法具体为：假设：供热水箱中当前可用于加热冷水的热量为Q₁，太阳能集热器中当前可用于换热的热量为Q₂，供热水箱从当前水位补到高水位的进水量由冷水温度升至供水设定温度所需要的热量为Q₃，当前用水量持续时间t的总水量从冷水温度升至供水设定温度所需要的热量为Q₄，供热水箱中维持某一水温可允许的波动值对应的热量为ΔQ；当Q₁+Q₂＜Q₃+Q₄+ΔQ，热泵机组开启；当Q₁+Q₂≥Q₃+Q₄+ΔQ，热泵机组关闭；每间隔△t时间计算一次Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的值，并判定热泵机组的开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法，其特征在于，比较T₁和T₂：当T₁-T₂≥5，太阳能循环泵开启；当T₁-T₂≤2，太阳能循环泵关闭。

3.根据权利要求1所述的并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法，其特征在于：

热量值计算公式如下：

Q₁＝C·ρπ·r²·h₂·(T₃-T_g)

Q₂＝C·ρw·(T₁-T_g)，T₁≥T_g

Q₂＝0，T₁≤T_g

Q₃＝C·ρπ·r²·(h₁-h₂)·(T_g-T_z)

Q₄＝C·ρLt·(T_g-T_z)

ΔQ＝C·ρπ·r²·h₁·ΔT

式中：

C——水比热容，

ρ——水密度，

r——供热水箱半径，

h₁——供热水箱高水位高度，

h₂——供热水箱低水位高度，

T₃——实际供水温度，

T_g——供水设定温度，

T₁——太阳能集热器出口水温，

T_z——冷水温度，

w——太阳能集热器中可用于换热的水量，

L——用户当前用水量，

t——当前用水量持续时间，

ΔT——可允许供热水箱水温波动值。

4.根据权利要求1所述的并联式太阳能热泵热水系统动态控制方法，其特征在于：所述供水设定温度为55℃。