CN107477553A - 一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，其技术特点是：设计电锅炉容量，以满足利用低谷电独立24小时供热能力；计算太阳能集热器日蓄热量；设计蓄热水箱容积以满足非低谷电时间段用热量；计算为满足非低谷电时间段用热时蓄热水箱的热水所达最低温度；控制系统根据上述模型及参数监控蓄热水箱内的温度，对太阳能集热器和电锅炉的启停进行控制，并根据末端散热需求对蓄热水箱的放热进行控制。本发明充分发挥太阳能和电锅炉的优点，对电锅炉和太阳能集热器进行最优负荷配置和运行模式控制，其利用廉价的低谷电和太阳能集热器，满足非低谷电时间段用热量，确保供暖的可靠性和经济性。

Description

一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略

技术领域

本发明属于锅炉技术领域，尤其是一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略。

背景技术

伴随着我国经济转型，能源革命越来越成为国家的一个主要工作方向。面对当前日益严峻的大气污染问题，国家出台了一系列政策开展铁腕治理，大力推进北方地区冬季清洁取暖，建设京津冀“无煤区”，实现能源的绿色和可持续发展，这成为能源供给和消费革命的重要内容。目前，在城市中逐渐采用电锅炉代替燃煤锅炉供暖以利于环保。采用电锅炉能够充分地将电能转化成热能，储存在蓄热水箱中，在需要的时候将热量释放出来。电能是清洁二次能源，零排放，无污染，电能转化成热能的转化率超过95％，安全性高，无噪音。但是电锅炉存在占用供电容量、用电量过高、运行成本高等问题。目前太阳热能技术也得到了广泛应用，太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项技术，但是太阳能受制于天气因素，单纯的太阳能供热常常导致供热量不足。现有的太阳能配合电辅热供热设备由于设备负荷设计不合理，控制方法不当等原因，不能最大限度的充分利用太阳能，难以实现能源最优利用。

发明内容

本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、节约能源且可靠性高的基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，包括以下步骤：

步骤1、设计电锅炉容量，以满足利用低谷电独立24小时供热能力；

步骤2、计算太阳能集热器日蓄热量；

步骤3、设计蓄热水箱容积以满足非低谷电时间段用热量；

步骤4、计算为满足非低谷电时间段用热时蓄热水箱的热水所达最低温度；

步骤5、控制系统根据上述模型及参数监控蓄热水箱内的温度，对太阳能集热器和电锅炉的启停进行控制，并根据末端散热需求对蓄热水箱的放热进行控制。

所述步骤1采用如下模型计算电锅炉容量：

P＝K×F×q×H₁/H₂

式中，P为电锅炉功率，K为蓄热热损失系数，K取值为1.10～1.15；F为采暖面积；q为建筑日平均热负荷指标，H₁为采暖时间，H₂电锅炉向蓄热水箱蓄热的时间。

所述步骤2采用如下模型计算太阳能集热器日蓄热量：

Q＝J×n₁×(1-n₂)S/f

式中：Q为太阳能集热器日蓄热量，J为当地集热器倾斜面上日均太阳辐照量，n₁则为集热器平均集热效率，n₂则为管路及蓄热装置热损失率，S为太阳能集热面积，f为太阳能保证率。

所述步骤3采用如下模型设计蓄热水箱容积：

V＝3.6(K×F×q×H₃+Q)/(C×p×△t)

式中：V为蓄热水箱容积，K为蓄热热损失系数，K取值为1.10～1.15；F为采暖面积；q为建筑日平均热负荷指标，H₃为非低谷电时间段等效耗热量时间，Q为太阳能集热器日蓄热量，C为水的比热容，p为水的密度，△t为蓄热温差。

所述步骤4的计算方法为：

t₁＝3.6(K×F×q×H₃+Q)/(C×p×V)+t₀

式中，t₁为满足非低谷电时间段用热时蓄热水箱的热水所达最低温度，t₀为60℃，K为蓄热热损失系数，K取值为1.10～1.15；F为采暖面积；q为建筑日平均热负荷指标，H₃为非低谷电时间段等效耗热量时间，Q为太阳能集热器日蓄热量，C为水的比热容，p为水的密度，V为蓄热水箱容积。

本发明的优点和积极效果是：

本发明充分发挥太阳能和电锅炉的优点，对电锅炉和太阳能集热器进行最优负荷配置和运行模式控制，实现能源最优利用。利用廉价的低谷电，平抑用电负荷，减少发电单位夜间运行的停机限负荷，并按照经济性、环保性最大化原则，充分利用现场屋顶和闲置空间面积，全部安装太阳能集热器，使得蓄热水箱最大限度存储太阳能蓄热量，满足非低谷电时间段用热量，确保供暖的可靠性和经济性。

附图说明

图1为本发明的控制策略示意图；

图2为本发明的太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，是在图2所示的太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉上实现的。该太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉包括控制系统及太阳能集热器、电锅炉、蓄热水箱和末端散热器，太阳能集热器及电锅炉与蓄热水箱之间通过保温输水管相连接，蓄热水箱与末端散热器通过保温输水管道相连接，控制系统与太阳能集热器、电锅炉、蓄热水箱相连接实现最优负荷配置和运行模式的控制功能。控制系统通过时间段设置、监控水箱温度对太阳能集热器和电锅炉的启停进行控制，并根据末端散热需求对蓄热水箱的放热进行控制。太阳能集热器和电锅炉根据控制系统命令，对蓄热水箱进行蓄热。

一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，包括以下步骤：

步骤1、设计电锅炉容量，以满足利用低谷电独立24小时供热能力：

由于太阳能受制于天气因素，存在较大的不确定性，为确保供暖可靠性和经济性，电锅炉应具备利用低谷电独立24小时供热的能力。电锅炉容量设计：

P＝K×F×q×H₁/H₂

式中，P₁为电锅炉功率，单位为W；K为蓄热热损失系数，一般取1.10-1.15；F为采暖面积，单位为㎡；q为建筑日平均热负荷指标，单位为W/m；H₁为采暖时间，单位为h；H₂电锅炉向蓄热水箱蓄热的时间(低谷电时间)，单位为h。

步骤2、计算太阳能集热器日蓄热量。

按照经济性、环保性最大化原则，充分利用现场屋顶和闲置空间面积，全部安装太阳能集热器。太阳能集热器日蓄热量：

Q＝J×n₁×(1-n₂)S/f

式中：Q为太阳能集热器日蓄热量，单位为MJ；J为当地集热器倾斜面上日均太阳辐照量，单位为MJ/(㎡·d)；n₁则为集热器平均集热效率，单位为％；n₂则为管路及蓄热装置热损失率，单位为％；S为太阳能集热面积，单位为㎡；f为太阳能保证率，单位为％。

步骤3、设计蓄热水箱容积以满足非低谷电时间段用热量。

蓄热水箱应最大限度存储太阳能蓄热量，同时保证供暖可靠性，满足非低谷电时间段用热量。蓄热水箱容积设计：

V＝3.6(K×F×q×H₃+Q)/(C×p×△t)

式中：V为蓄热水箱容积，单位为m³；H₃为非低谷电时间段等效耗热量时间；C为水的比热容，单位为kj/kg℃；p为水的密度，单位为kg/m³；△t为蓄热温差。

步骤4、计算为满足非低谷电时间段用热时蓄热水箱的热水所达最低温度：

t₁＝3.6(K×F×q×H₃+Q)/(C×p×V)+t₀

式中，t₁为满足非低谷电时间段用热时蓄热水箱的热水所达最低温度，单位为℃；t₀为60℃。

步骤5、控制系统根据上述模型及参数监控蓄热水箱，对太阳能集热器和电锅炉的启停进行控制，并根据末端散热需求对蓄热水箱的放热进行控制。控制系统的具体方法如图1所示：

在日间，当太阳能集热器水温超过90℃时，控制系统控制太阳能集热器停止蓄热，当太阳能集热器水温水温低于90℃时，控制系统控制太阳能集热器持续蓄热。在夜间，当蓄热水箱水温超过t₁时，控制系统控制电锅炉停止工作，当蓄热水箱水温低于t₁时，控制系统控制电锅炉在低谷时段开启，使蓄热水箱水温升至t₁。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、设计电锅炉容量，以满足利用低谷电独立24小时供热能力；

步骤2、计算太阳能集热器日蓄热量；

步骤3、设计蓄热水箱容积以满足非低谷电时间段用热量；

步骤4、计算为满足非低谷电时间段用热时蓄热水箱的热水所达最低温度；

步骤5、控制系统根据上述模型及参数监控蓄热水箱内的温度，对太阳能集热器和电锅炉的启停进行控制，并根据末端散热需求对蓄热水箱的放热进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，其特征在于：所述步骤1采用如下模型计算电锅炉容量：

P＝K×F×q×H₁/H₂

式中，P为电锅炉功率，K为蓄热热损失系数，K取值为1.10～1.15；F为采暖面积；q为建筑日平均热负荷指标，H₁为采暖时间，H₂电锅炉向蓄热水箱蓄热的时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，其特征在于：所述步骤2采用如下模型计算太阳能集热器日蓄热量：

Q＝J×n₁×(1-n₂)S/f

式中：Q为太阳能集热器日蓄热量，J为当地集热器倾斜面上日均太阳辐照量，n₁则为集热器平均集热效率，n₂则为管路及蓄热装置热损失率，S为太阳能集热面积，f为太阳能保证率。

4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，其特征在于：所述步骤3采用如下模型设计蓄热水箱容积：

V＝3.6(K×F×q×H₃+Q)/(C×p×△t)

式中：V为蓄热水箱容积，K为蓄热热损失系数，K取值为1.10～1.15；F为采暖面积；q为建筑日平均热负荷指标，H₃为非低谷电时间段等效耗热量时间，Q为太阳能集热器日蓄热量，C为水的比热容，p为水的密度，△t为蓄热温差。

5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能、电锅炉互补蓄热锅炉的能源控制策略，其特征在于：所述步骤4的计算方法为：

t₁＝3.6(K×F×q×H₃+Q)/(C×p×V)+t₀

式中，t₁为满足非低谷电时间段用热时蓄热水箱的热水所达最低温度，t₀为60℃，K为蓄热热损失系数，K取值为1.10～1.15；F为采暖面积；q为建筑日平均热负荷指标，H₃为非低谷电时间段等效耗热量时间，Q为太阳能集热器日蓄热量，C为水的比热容，p为水的密度，V为蓄热水箱容积。