CN108362019A - 一种太空能热水器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种太空能热水器控制系统及控制方法，通过合理设置Δt值，太阳能集热板表面温度探头连续3次感测太阳能集热板表面温度，可更加准确地判断太阳能集热板能否充分为保温水箱供热；通过水箱温度探头、水箱液位传感器感测保温水箱内水温和水箱液位值，进一步通过出水温度探头、出水计时器、出水流量计感测保温水箱每次出水温度、出水时间和出水流量来，来保证太空能热泵热水器优先采用太阳能集热板集热，并在判断太阳能集热板的供热量能否满足用户需求后，决定空气能热泵机组的启停状态及开机时间，使得用户可根据需求在低电价时段和热泵高能效比时段开启所述空气能热泵热水机组，实现节能控制。

Description

一种太空能热水器控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及热水器领域，尤其涉及一种太空能热水器控制系统及控制方法。

背景技术

空气能热泵热水器消耗少量的高品位电能将低温热源空气的热量转移给高温热源，可全天24小时大水量、高水压、恒温提供全家不同热水需求，但是在其蒸发器在寒冷的冬季易产生结霜现象，严重影响空气循环换热，从而影响空气能热泵热水器的效率。太阳能热水器可太阳能热水器是一种利用太阳的光线通过收集器收集热能进行热交换的一种热水器，该类型的热水器，对环境要求不高并且运行成本低，但该类型的热水器受天气及日照率的影响比较大，在阴雨天气等日照强度不长的天气情况下就无法产生热水，因此太阳能热水器都有电辅加热装置，这样太阳能热水器存在着与电热水器同样的安全隐患。太空能热水器作为太阳能集热技术和热泵技术的集成，可同时提高太阳能集热效率和热泵系统性能。

目前，热泵技术和太阳能集热技术组合的控制方法是优先使用太阳能集热系统，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18:00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，如能在午间提前开启热泵热水器，其能效比在晚间开启高出许多。但要想使热泵热水器提前在午间室外环境温度较高的时间段提前开启，面临的主要问题是如何准确预测太阳能热水器全天所能提供的热量，否则可能出现用户使用时水温达不到要求或是热泵热水器运行时间过长消耗过多的电能。

发明内容

本发明目的在于提供一种将太阳能和空气能热泵两种高效热换方式结合在一起，优先采用太阳能集热板集热，并通过判断所述太阳能集热板的供热量能否满足用户需求，来决定所述空气能热泵机组的启停及开机时间，实现节能控制的太空能热水器控制系统及控制方法。

本发明目提供一种太空能热水器控制系统，用于控制所述太空能热水器中的空气能热泵机组的启停及开机时长，所述太空能热水器包括一太阳能集热板和一设置有用水端出口的保温水箱，该太空能热水器控制系统包括：一太阳能集热板表面温度探头、一水箱温度探头、一水箱液位传感器、一进水温度探头、一出水温度探头、一出水流量计、一出水计时器和一控制单元。

所述太阳能集热板表面温度探头用于探测太阳能集热板表面温度；所述水箱温度探头安装于所述保温水箱的内部，用于测量所述保温水箱内的水温；所述水箱液位传感器安装于所述保温水箱的内部，用于测量所述保温水箱液位；一进水温度探头，用于测量所述保温水箱的进水温度；所述出水温度探头安装于所述保温水箱的用水端出口，用于测量所述保温水箱每次的出水温度；所述出水流量计安装于所述的保温水箱的用水端出口，用于检测所述保温水箱的每次的出水流量；所述出水计时器用于对所述保温水箱的每次的出水进行计时；所述控制单元用于接受并存储所述太阳能集热板表面温度探头、所述水箱温度探头、所述出水温度探头、所述出水流量计、所述出水计时器传递的太阳能集热板表面温度信号、水箱温度信号、出水温度信号、出水流量信号和出水时长信号，并以该些信号为依据控制所述太空能热水器中的空气能热泵机组的启停。

优选的所述出水流量计为一质量流量计。

本发明还提供一种太空能热水器控制方法，所述太空能热水器控制方法由所述的太空能热水器控制系统实施，该太空能热水器控制方法包括如下步骤：

步骤1：测量并存储当天所述保温水箱每次的出水温度、出水流量和出水时间，测量并存储当天的所述保温水箱的进水温度T_E；

步骤2：获取前N天存储的所述保温水箱每次的出水温度、出水流量和出水时间，计算前N天每天用水的热量Q_E和前N天每天用水的热量平均值Q，将前N天中每天所述保温水箱的第一次出水温度、出水流量和出水时间分别计为T₁、M₁、t₁，前N天中每天所述保温水箱的第二次出水温度、出水流量和出水时间分别计为T₂、M₂、t₂，以此类推将前N天中每天所述保温水箱的第i次出水温度、出水流量和出水时间分别计为T_i、M_i、t_i，则所述前N天每天用水的热量Q_E由计算得出，式中C为水的比热，m为前N天所述保温水箱每天的总出水次数，前N天每天用水的热量平均值Q由计算得出；

步骤3：测量并存储所述水箱温度探头的初始测量值T_b和所述水箱液位传感器的初始测量值L_b；

步骤4：测量并存储所述太阳能集热板的表面温度T₁；间隔时间Δt后，再次测量并存储所述太阳能集热板的表面温度T₂，间隔时间Δt后，第三次测量并存储所述太阳能集热板的表面温度T₃；

步骤5：判断所述太阳能集热板表面温度T₂与所述太阳能集热板表面温度T₁的第一温度差ΔT₁及所述太阳能集热板表面温度T₃与所述太阳能集热板表面第二温度差ΔT₂是否大于零，当不能同时满足第一温度差ΔT₁≦0和所述第二温度差ΔT₂≦0时，返回步骤4；

步骤6：当所述第一温度差ΔT₁≦0且所述第二温度差ΔT₂≦0时，表明在2倍Δt时间内太阳能的表面温度持续下降，所述太阳能集热板不能充分保证为所述保温水箱的供热，需要测量当前所述水箱温度探头的测量值T_a和所述水箱液位传感器的测量值L_a，并获取所述保温水箱底面积S、进水温度探头的测量值T_E和当天此时刻前所述保温水箱每次的出水流量值、出水时间值、出水温度值来计算所述当天此时刻前太阳能集热板的加热水的热量Q₁，用于判断是否需要启动所述空气能热泵机组，将当天此时刻前所述保温水箱第一次出水流量、出水温度和出水时间分别计为M₁、T₁、t₁，第二次出水流量、出水温度和出水时间分别计为M₂、T₂、t₂，以此类推，所述保温水箱第k次出水流量、出水温度和出水时间分别计为M_k、T_k、t_k，则此时刻前当天太阳能集热板加热水的热量Q₁通过计算得到，式中C为水的比热容、ρ为水的密度；

步骤7：判断所述前N天每天用水的热量平均值Q和所述当天太阳能板加热水的热量Q₁的热量差Q₂是否大于零，当所述热量差Q₂≧0时，根据所述热量差Q₂计算所述空气能热泵机组的开机运行时间t，用于所述空气热泵机组开启时确定其运行时间，否则不开启所述空气能热泵机组，并退出控制流程。

优选的，所述N值为正整数，大小可根据实际需要调整。

优选的，所述Δt≧30min，大小可根据实际需要调整。

本发明提供的一种太空能热水器控制系统和控制方法，通过合理设置Δt值，所述太阳能集热板表面温度探头连续3次感测所述太阳能集热板表面温度，可避免因外界环境、所述保温水箱水位调整等因素引起的太阳能集热板表面温度短暂性下降对判断太阳能集热板表面温度是否持续性下降造成的干扰，可更加准确地判断所述太阳能集热板能否充分为所述保温水箱供热；通过所述水箱温度探头和所述水箱液位传感器分别感测当天太阳能集热板为所述保温水箱充分供热前、后保温水箱内水温和水箱液位值来计算水箱中水热量差值；进一步通过所述出水温度探头、所述出水计时器和所述出水流量计分别感测的所述保温水箱每次出水温度、出水时间和出水流量来计算前N天每天用水的热量平均值Q及当天所述第一温度差ΔT₁≦0且所述第二温度差ΔT₂≦0之前用户的用水热量，最后用于计算当天热泵机组需要开启的时间t，可保证所述太空能热泵热水器优先采用太阳能集热板集热，并在判断所述太阳能集热板的供热量是否满足用户需求后，决定所述空气能热泵机组的启停状态及运行时间，使得用户可根据需求在低电价时段和热泵高能效比时段开启所述空气能热泵热水机组，实现节能控制。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的太空能热水器控制方法流程图；

图2是本发明第一实施例提供的太空能热水器控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1和图2，本发明目提供一种太空能热水器控制系统，用于控制太空能热水器中的空气能热泵机组的启停与否和运行时间，所述太空能热水器包括一太阳能集热板1和一设置有用水端出口21的保温水箱2，该太空能热水器控制系统包括：一太阳能集热板表面温度探头11、一水箱温度探头22、一水箱液位传感器23、一进水温度探头3、一出水温度探头24、一出水流量计25、一出水计时器26和一控制单元4。

所述太阳能集热板表面温度探头11用于探测太阳能集热板1表面温度；所述水箱温度探头22安装于所述保温水箱2的内部，用于测量所述保温水箱2内的水温；所述水箱液位传感器23安装于所述保温水箱2的内部，用于测量所述保温水箱2的液位；一进水温度探头3，用于测量所述保温水箱的进水温度；所述出水温度探头24安装于所述保温水箱2的用水端出口21处，用于测量所述保温水箱2每次的出水温度；所述出水流量计25安装于所述的保温水箱2的用水端出口21处，用于检测所述保温水箱2的每次的出水流量；所述出水计时器25用于对所述保温水箱2的每次的出水进行计时；所述控制单元4用于接受并存储所述太阳能集热板表面温度探头11、所述水箱温度探头22、所述出水温度探头24、所述出水流量计25、所述出水计时器26传递的太阳能集热板表面温度信号、水箱温度信号、出水温度信号、出水流量信号和出水时长信号，并以该些信号为依据控制所述太空能热水器中的空气能热泵机组5的启停。

本实施例中，所述出水流量计25为一质量流量计。

本发明还提供一种太空能热水器控制方法，所述太空能热水器控制方法由所述的太空能热水器控制系统实施，该太空能热水器控制方法包括如下步骤：

步骤1：测量并存储当天所述保温水箱2每次的出水温度、出水流量和出水时间，测量并存储所述保温水箱2的进水温度T_E；

步骤2：获取前N天存储的所述保温水箱2每次的出水温度、出水流量和出水时间，计算前N天每天用水的热量Q_E和前N天每天用水的热量平均值Q，将一天内所述保温水箱2的第一次出水温度、出水流量和出水时间分别计为T₁、M₁、t₁，将N天内所述保温水箱2的第二次出水温度、出水流量和出水时间计为T₂、M₂、t₂，以此类推将所述保温水箱2的第i次出水温度、出水流量和出水时间计为T_i、M_i、t_i，则所述前N天每天用水的热量Q由计算得出，式中C为水的比热容、ρ为水的密度，所述前N天每天用水的热量平均值Q由计算得出；

步骤3：测量并存储所述水箱温度探头22的初始测量值T_b、所述水箱液位传感器23的初始测量值L_b；

步骤4：测量并存储所述太阳能集热板表面温度T₁；间隔时间Δt后，再次测量并存储所述太阳能集热板表面温度T₂，间隔时间Δt后，第三次测量并存储所述太阳能集热板表面温度T₃；

步骤5：判断所述太阳能集热板表面温度T₂与所述太阳能集热板表面温度T₁的第一温度差ΔT₁及所述太阳能集热板表面温度T₃与所述太阳能集热板表面第二温度差ΔT₂是否大于零，当不能同时满足第一温度差ΔT₁≦0和所述第二温度差ΔT₂≦0时，返回步骤4；

步骤6：当所述第一温度差ΔT₁≦0且所述第二温度差ΔT₂≦0时，表明在2倍Δt时间内太阳能集热板1的表面温度持续下降，所述太阳能集热板1不能充分保证为所述保温水箱2供热，需要测量当前所述水箱温度探头22的测量值T_a、所述水箱液位传感器23的测量值L_a，并获取所述保温水箱2的底面积S、进水温度探头3的测量值T_E、当天此时刻前所述保温水箱2每次的出水流量值、出水时间值、出水温度值来计算所述当天此时刻前太阳能集热板1加热水的热量Q₁，用于判断是否需要启动所述空气能热泵机组5，将当天此时刻前所述保温水箱2第一次出水流量、出水温度和出水时间分别计为M₁、T₁、t₁，第二次出水流量、出水温度和出水时间分别计为M₂、T₂、t₂，以此类推，所述保温水箱2第k次出水流量、出水温度和出水时间分别计为M_k、T_k、t_k，则当天此时刻前太阳能集热板1加热水的热量Q₁为所述太阳能集热板1为所述保温水箱2充分供热前、后保温水箱2中水的热量差值与当天所述太阳能集热板1为所述保温水箱2充分供热前用户用水热量之和，所述当天此时刻前太阳能集热板1加热水的热量Q₁通过计算得到，式中C为水的比热容、ρ为水的密度；

步骤7：判断所述前N天每天用水的热量平均值Q和所述当天太阳能集热板1加热水的热量Q₁的热量差Q₂是否大于零，当所述热量差Q₂≧0时，根据所述热量差Q₂计算所述空气能热泵机组的开机运行时间t，用于所述空气能热泵机组开启时确定其运行时间，否则不开启所述空气能热泵机组5，并退出控制流程。

优选的，所述N值为正整数，大小可根据实际需要调整。

优选的，所述Δt≧30min，大小可根据实际需要调整。

本发明提供的一种太空能热水器控制系统和控制方法，通过合理设置Δt值，所述太阳能集热板表面温度探头11连续3次感测所述太阳能集热板1表面温度，可避免因外界环境、所述保温水箱2水位调整等因素引起的太阳能集热板1表面温度短暂性下降对判断太阳能集热板1表面温度是否持续性下降造成的干扰，可更加准确地判断所述太阳能集热板1能否充分为所述保温水箱2供热；通过所述水箱温度探头22和所述水箱液位传感器23感测当天太阳能集热板1为所述保温水箱2充分供热前、后所述保温水箱2内水温和水箱液位值来计算保温水箱2中水热量差值；进一步通过所述出水温度探头24、所述出水计时器26、所述出水流量计25感测的所述保温水箱2每次出水温度、出水时间和出水流量来计算前N天每天用水的热量平均值Q及当天太阳能集热板1为所述保温水箱2充分供热前用户的用水热量，来计算当天热泵机组需要开启的时间t，可保证所述太空能热泵热水器优先采用太阳能集热板1集热，并在判断所述太阳能集热板1的供热量能否满足用户需求后，决定所述空气能热泵机组5的启停状态及运行时间。用户可根据需求在低电价时段和热泵高能效比时段开启所述空气能热泵热水机组5，实现节能控制。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种太空能热水器控制系统，用于控制太空能热水器中的空气能热泵机组的启停及开机时长，所述太空能热水器包括一太阳能集热板和一设置有用水端出口的保温水箱，其特征在于，该太空能热水器控制系统包括：

一太阳能集热板表面温度探头，其用于探测所述太阳能集热板表面温度；

一水箱温度探头，其安装于所述保温水箱的内部，用于测量所述保温水箱内的水温；

一水箱液位传感器，其安装于所述保温水箱的内部，用于测量所述保温水箱液位；

一进水温度探头，其用于测量所述保温水箱进水温度；

一出水温度探头，其安装于所述保温水箱的用水端出口，用于测量所述保温水箱每次的出水温度；

一出水流量计，其安装于所述保温水箱的用水端出口，用于检测所述保温水箱每次的出水流量；

一出水计时器，其用于对所述保温水箱每次的出水进行计时；

一控制单元，所述控制单元用于接受并存储所述太阳能集热板表面温度探头、所述水箱温度探头、所述出水温度探头、所述出水流量计和所述出水计时器传递的太阳能集热板表面温度信号、水箱温度内水温信号、出水温度信号、出水流量信号和出水时长信号，并以该些信号为依据控制所述太空能热水器中的空气能热泵机组的启停及开机时长。

2.如权利要求1所述的一种太空能热水器控制系统，其特征在于，所述出水流量计为一质量流量计。

3.一种太空能热水器控制方法，所述太空能热水器控制方法由权利要求1所述的一种太空能热水器控制系统实施，其特征在于，所述太空能热水器控制方法包括如下步骤：

步骤1：测量并存储当天所述保温水箱每次的出水温度、出水流量和出水时间，测量并存储当天所述保温水箱的进水温度T_E；

步骤2：获取前N天所述保温水箱每天每次的出水温度、出水流量和出水时间，计算前N天中每天用水的热量Q_E和前N天每天用水的热量平均值Q；

步骤3：测量并存储所述水箱温度探头的初始测量值T_b和所述水箱液位传感器的初始测量值L_b；

步骤4：测量并存储所述太阳能集热板的表面温度T₁；间隔时间Δt后，再次测量并存储所述太阳能集热板的表面温度T₂，间隔时间Δt后，第三次测量并存储所述太阳能集热板的表面温度T₃；

步骤5：判断所述太阳能集热板表面温度T₂与所述太阳能集热板表面温度T₁的第一温度差ΔT₁及所述太阳能集热板表面温度T₃与所述太阳能集热板表面第二温度差ΔT₂是否大于零，当不能同时满足所述第一温度差ΔT₁≦0和所述第二温度差ΔT₂≦0时，返回步骤4；

步骤6：当所述第一温度差ΔT₁≦0且所述第二温度差ΔT₂≦0时，获取当前所述水箱温度探头的测量值T_a和所述水箱液位传感器的测量值L_a，获取所述保温水箱底面积S、当天此时刻前所述保温水箱每次的出水流量值、出水时间值和出水温度值并计算所述太阳能集热板加热水的热量Q₁；

步骤7：判断所述前N天每天用水的热量平均值Q与所述当天太阳能集热板加热水的热量Q₁的热量差Q₂是否大于零，当所述热量差Q₂≧0时，根据所述热量差Q₂计算所述空气能热泵机组的开机运行时间t，用于启动所述空气能热泵机组时，确定其运行时间；否则不开启所述空气能热泵机组，并退出控制流程。

4.如权利要求3所述的一种太空能热水器控制方法，其特征在于，所述N值为正整数，大小根据实际需要调整。

5.如权利要求3所述的一种太空能热水器控制方法，其特征在于，所述Δt≧30min，大小根据实际需要调整。

6.如权利要求3所述的一种太空能热水器控制方法，其特征在于，所述前N天每天用水的热量Q_E由计算得出，式中T_i、M_i、t_i为前N天所述保温水箱每天第i次的出水温度、出水流量和出水时间，C为水的比热容，T_E为前N天所述保温水箱每天的进水温度，m为前N天所述保温水箱每天的总出水次数，所述前N天每天用水的热量平均值Q由计算得出。

7.如权利要求3所述的一种太空能热水器控制方法，其特征在于，所述当天太阳能集热板加热水的热量Q₁由式中T_k、M_k、t_k为当天所述第一温度差ΔT₁≦0且所述第二温度差ΔT₂≦0之前所述保温水箱第k次出水温度、出水流量和出水时间，C为水的比热容，ρ为水的密度，T_E为当天的进水温度T_E，n为当天所述第一温度差ΔT₁≦0且所述第二温度差ΔT₂≦0之前所述保温水箱当天的总出水次数。