CN110057102A - 热泵的废热利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及废热水热量回收与循环利用领域，公开了一种热泵的废热利用方法，热泵的废水排放管道和清水排放管道上分别安装一套流量PID控制系统，通过PLC或工控电脑依据设定的清水需求温度和清水实际排放温度运算后输出控制，同步调节清水与废水流量(二者设定值始终相同)，直到清水加热温度或废水排放温度达到设定值。本方法在对洗浴废水废热回收与热水制取时，可以使得清水流量与废水流量与为1：1，保证热水的循环不间断供应。同时，在保持达到T0的前提下，系统自主调节T0′，获得了较高的能效比；在废水初始温度或T1极低等极端工况下，自动将T0′调至最低值5℃，从废水中“超额”回收热能，使废水热能利用率最大化。

Description

热泵的废热利用方法
技术领域
本发明涉及废热水热量回收与循环利用领域，特别涉及一种热泵废热双路三级梯级利用热水的控制方法。
背景技术
在用户的洗浴过程中会产生大量33℃～36℃的废热水，通常对于这些废热水中的热量的回收大多是采用水源热泵来实现，传统的水源热泵，为了稳定运行和保证效率，蒸发器的进出口温差不会设计的太高，所以废热水温降较小，废热水热量回收不彻底、废水的排放温度较高，且清水流量与废水流量比通常为0.6～0.7，系统产水量少、热回收率低，而要想保证热水供应，还必须使用电加热或空气源热泵辅助设备，导致安装与使用都极不方便，严重限制了洗浴热水的热能回收产品的普及推广与使用。
为了克服上述缺陷，本申请人在2018年3月26日提交了申请号为2018102542474、名称为热泵废热双路三级梯级利用热水装置及其控制方法的发明专利申请，该专利中提到，在清水流量、废水流量均在2.8T/h的情况下，能实现废水最低4℃低温排放，即不仅废热水中花费能源成本加热的热量被全部回收了，而且自来水中自身的一部分热量也被“超额”回收了，更为重要的是，在前述“超额”回收的基础上，实现了清水流量与废水流量1：1，相比普通水源热泵或有前置换热器的水源热泵，能够实现热水用量与产量的动态平衡，只要有启动热水，就能保证后续热水的循环不间断供应，且循环供应的热水温度始终与启动热水的温度保持一致，产品能效比与制热能力都有显著提升，极大提升产品性价比和适应性，为降低用户能源成本和我国节能减排事业作出重要贡献。
但是在具体的应用中，想要实现热水用量与产量的动态平衡，保证清水流量与废水流量1：1并不简单，本申请中就提供一种能够保证清水流量与废水流量1：1的控制方法。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种热泵的废热利用方法，能够有效保证热泵的清水流量与废水流量为1：1，并根据不同工况，系统自主调节废水排放温度，使得夏季高、春秋季略低、冬季最低，获得了较高的能效比。而在洗浴废水温度极低或自来水温度极低等极端不利的工况下，则自动将废水出水温度调至最低值5℃，从废水中“超额”回收热能，使废水热能利用率最大化。本方法实现清水流量与废水流量的1比1，保证了热水的循环不间断供应，同时还实现了节能最大化、废水热能利用率最大化，三者有机统一，自动应对不同季节、不同工况，实现了节能且高效的热水循环不间断供应，节能环保。
技术方案：本发明提供了一种热泵的废热利用方法，所述热泵具有清水排水管和废水排水管，所述清水排水管上依次设置清水温度传感器、清水流量计和清水流量调节阀，清水流量计和清水流量调节阀均与清水PID控制器信号连接；所述废水排水管上依次设置废水温度传感器、废水流量计和废水流量调节阀，废水流量计和废水流量调节阀均与废水PID控制器信号连接；所述清水温度传感器、废水温度传感器、清水PID控制器和废水PID控制器均与PLC或工控电脑连接；
包括以下步骤：
S1：在所述PLC或工控电脑中将所述热泵的初始清水流量和初始废水流量设定为能够保证所述热泵安全运行的安全流量Q安全，并将所述安全流量Q安全同时下发给所述清水PID控制器和所述废水PID控制器；
设定清水需求温度T0和废水设定排放温度T0′；清水初始温度用T1表示；设定KP比例调节系数、KI积分调节系数和KD微分调节系数；
S2：热泵正常工作后，所述PLC或工控电脑循环读取所述清水温度传感器的数值——清水实际排放温度T清(k)，循环读取所述废水温度传感器的数值——废水实际排放温度T废(k)，则T清(k)-T0＝e(k)，T废(k)-T0′＝f(k)；
通过上述KP、KI、KD和e(k)运算得出清水理论输出u清理论(k)；
通过上述KP、KI、KD和f(k)运算得出废水理论输出u废理论(k)；
S3：通过所述u清理论(k)、Q安全、T0和T1运算得出清水需求流量y清(k)；通过所述u废理论(k)、Q安全、T废(k)和T0′运算得出废水设定排放流量y废(k)；
S4：取y清(k)和y废(k)中较大的值作为最终流量设定值y0，然后同时输出至所述清水PID控制器和所述废水PID控制器；
S5：所述清水PID控制器循环读取所述清水流量计的流量u清实际(k)，所述废水PID控制器循环读取所述废水流量计的流量u废实际(k)，则u清实际(k)-y0＝g(k)，u废实际(k)-y0＝h(k)；
通过所述KP、KI、KD和g(k)运算得出清水流量调节阀的控制量v清(k)；
通过所述KP、KI、KD和h(k)运算得出废水流量调节阀的控制量v废(k)；
S6：通过所述v清(k)和y0运算得到清水流量调节阀的实际输出开度Z清(K)；
通过所述v废(k)和y0运算得到废水流量调节阀的实际输出开度Z废(K)；
S7：根据Z清(k)调节清水流量调节阀，根据Z废(k)调节废水流量调节阀，使得u清实际(k)＝u废实际(k)。
进一步地，在所述S2中，根据公式
运算得出所述清水理论输出u清理论(k)；
根据公式
运算得出废水理论输出u废理论(k)。
进一步地，在所述S3中，清水需求流量y清(k)按公式：y清(k)＝y清(k-1)-(u清理论(k)×Q安全÷(T0-T1))进行运算；废水设定排放流量y废(k)按公式：y废(k)＝y废(k-1)+(u废理论(k)×Q安全÷(T废(k)-T0′))进行运算。
进一步地，在所述S5中，根据公式
运算得出清水流量调节阀的开度v清(k)；
根据公式
运算得出废水流量调节阀的开度v废(k)。
优选地，在所述S6中，根据公式Z清(K)＝Z清(K-1)+v清(k)×100％÷y0运算得到所述Z清(K)；根据公式Z废(K)＝Z废(K-1)+v废(k)×100％÷y0运算得到所述Z废(K)。
有益效果：本发明中，热泵的废水排放管道和清水排放管道上分别安装一套流量PID控制系统，同时，通过PLC或工控电脑依据设定的清水需求温度和清水实际排放温度运算后输出控制，同步调节清水与废水流量(二者设定值始终相同)，直到清水加热温度和废水排放温度达到设定值。
热泵废热梯级利用流量1比1控制系统由二层嵌套的温度控制系统、流量控制系统组成，第一层温度控制是依据清水与废水的温度设定值和实际值运算后得出对应的流量设定值，取二者中大值同时输出至第二层流量控制，第二层流量控制依据清水与废水的流量设定值与实际值运算后输出控制信号至对应的电动调节阀调节流量。
本控制系统实现了清水与废水流量的同步调节并使之相等，达到清水与废水流量1比1的效果，能够实现热水用量与产量的动态平衡，保证热水的循环不间断供应；同时，随着自来水温度、洗浴废水温度、热水需要求温度等工况的变化，在保持热水出水达到设定温度(40℃～45℃)的前提下，自动调节废水出水温度使得夏季高、春秋季略低、冬季最低，达到最大化节能，获得了较高的能效比；更为重要的，在洗浴废水温度极低或自来水温度极低等极端不利的工况下，则自动将废水出水温度调至最低值(4℃～6℃)，从废水中“超额”回收热能，使废水热能利用率最大化。
本控制系统的发明，实现了清水流量与废水流量的1比1，保证了热水的循环不间断供应，同时还实现了节能最大化、废水热能利用率最大化，三者有机统一，自动应对不同季节、不同工况，实现了节能且高效的热水循环不间断供应。
一般情况下，只要自来水温度高于12℃，系统不需任何辅助热源，通过本方法就能够实现热水用量与产量的动态平衡，保证热水的循环不间断供应。
附图说明
图1为热泵的示意图；
图2为热泵的废热利用方法原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种热泵的废热利用方法，如图1所示，该热泵1具有清水排水管2和废水排水管3，清水排水管2上依次设置清水温度传感器4、清水流量计5和清水流量调节阀6，清水流量计5和清水流量调节阀6均与清水PID控制器信号连接；废水排水管3上依次设置废水温度传感器7、废水流量计8和废水流量调节阀9，废水流量计8和废水流量调节阀9均与废水PID控制器信号连接；清水温度传感器4、废水温度传感器7、清水PID控制器和废水PID控制器均与PLC或工控电脑连接。
上述热泵的废热利用方法如下如图2：
S1：在PLC或工控电脑中将热泵1的初始清水流量和初始废水流量设定为能够保证热泵1安全运行的安全流量Q安全，并通过RS485接口将安全流量Q安全同时下发给清水PID控制器和废水PID控制器；
设定清水需求温度T0和废水设定排放温度T0′；清水初始温度用T1表示；设定KP比例调节系数、KI积分调节系数和KD微分调节系数；
S2：热泵1正常工作后，PLC或工控电脑循环读取清水温度传感器4的数值——清水实际排放温度T清(k)，循环读取废水温度传感器7的数值——废水实际排放温度T废(k)，则T清(k)-T0＝e(k)，T废(k)-T0′＝f(k)；
根据公式
运算得出所述清水理论输出u清理论(k)；
根据公式
运算得出废水理论输出u废理论(k)。
S3：清水需求流量y清(k)按公式：
y清(k)＝y清(k-1)-(u清理论(k)×Q安全÷(T0-T1))进行运算；
废水设定排放流量y废(k)按公式：
y废(k)＝y废(k-1)+(u废理论(k)×Q安全÷(T废(k)-T0′))进行运算。
S4：取y清(k)和y废(k)中较大的值作为最终流量设定值y0，然后同时输出至所述清水PID控制器和所述废水PID控制器；
S5：清水PID控制器循环读取所述清水流量计5的流量u清实际(k)，废水PID控制器循环读取废水流量计8的流量u废实际(k)，则u清实际(k)-y0＝g(k)，u废实际(k)-y0＝h(k)；
根据公式
运算得出清水流量调节阀6的控制量v清(k)；
根据公式
运算得出废水流量调节阀9的控制量v废(k)。
S6：清水流量调节阀6的实际输出开度Z清(K)按公式(阀门从闭合状态启动调节)：
Z清(K)＝Z清(K-1)+v清(k)×100％÷y0；
废水流量调节阀9的实际输出开度Z废(K)按公式(阀门从闭合状态启动调节)：
Z废(K)＝Z废(K-1)+v废(k)×100％÷y0。
S7：根据Z清(k)调节清水流量调节阀6，根据Z废(k)调节废水流量调节阀9，使得u清实际(k)＝u废实际(k)。
实施方式2：
本实施方式为实施方式1的具体化。
针对20P机组，Q安全为4.0t/小时。清水需求温度T0为43℃，清水初始温度T1为15℃，温度控制系统的清水KP为0.5、KI为0.2、KD为0.1。废水设定排放温度T0′为5℃，废水初始温度T1′为34℃，温度控制系统的废水KP为0.6、KI为0.2、KD为0.1。清水管道、废水管道调节阀初始状态为关。流量控制系统的清水KP为0.5、KI为0.2、KD为0.1。流量控制系统的废水KP为0.5、KI为0.2、KD为0.1。
S1～S4的运行过程如下：
S5～S7的运行过程如下(需求流量设定值y0为2.97t/小时的测试记录)：
调节次数 u<sub>清实际</sub>(k) g(k) v<sub>清</sub>(k) z清
1 0.00 2.97 2.08 70％
2 4.20 -1.23 -0.48 54％
3 3.24 -0.27 0.21 61％
4 3.66 -0.69 -0.21 54％
5 3.24 -0.27 -0.01 54％
6 3.22 -0.25 -0.07 51％
7 3.08 -0.11 -0.01 51％
8 3.05 -0.08 -0.02 50％
9 3.01 -0.04 -0.01 50％
10 2.99 -0.02 -0.01 50％
11 2.98 -0.01 0.00 50％
12 2.98 -0.01 0.00 50％
13 2.97 0.00 0.00 50％
14 2.97 0.00 0.00 50％
15 2.97 0.00 0.00 50％
16 2.97 0.00 0.00 50％
17 2.97 0.00 0.00 50％
18 2.97 0.00 0.00 50％
19 2.97 0.00 0.00 50％
20 2.97 0.00 0.00 50％
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热泵的废热利用方法，所述热泵(1)具有清水排水管(2)和废水排水管(3)，所述清水排水管(2)上依次设置清水温度传感器(4)、清水流量计(5)和清水流量调节阀(6)，所述清水流量计(5)和所述清水流量调节阀(6)均与清水PID控制器信号连接；所述废水排水管(3)上依次设置废水温度传感器(7)、废水流量计(8)和废水流量调节阀(9)，所述废水流量计(9)和所述废水流量调节阀(9)均与废水PID控制器信号连接；所述清水温度传感器(4)、废水温度传感器(8)、清水PID控制器和废水PID控制器均与PLC或工控电脑连接；
其特征在于，包括以下步骤：
S1：在所述PLC或工控电脑中将所述热泵(1)的初始清水流量和初始废水流量设定为能够保证所述热泵(1)安全运行的安全流量Q安全，并将所述安全流量Q安全同时下发给所述清水PID控制器和所述废水PID控制器；
设定清水需求温度T0和废水设定排放温度T0′；清水初始温度用T1表示；设定KP比例调节系数、KI积分调节系数和KD微分调节系数；
S2：热泵(1)正常工作后，所述PLC或工控电脑循环读取所述清水温度传感器(4)的数值——清水实际排放温度T清(k)，循环读取所述废水温度传感器的数值——废水实际排放温度T废(k)，则T清(k)-T0＝e(k)，T废(k)-T0′＝f(k)；
通过上述KP、KI、KD和e(k)运算得出清水理论输出u清理论(k)；
通过上述KP、KI、KD和f(k)运算得出废水理论输出u废理论(k)；
S3：通过所述u清理论(k)、Q安全、T0和T1运算得出清水需求流量y清(k)；通过所述u废理论(k)、Q安全、T废(k)和T0′运算得出废水设定排放流量y废(k)；
S4：取y清(k)和y废(k)中较大的值作为最终流量设定值y0，然后同时输出至所述清水PID控制器和所述废水PID控制器；
S5：所述清水PID控制器循环读取所述清水流量计(5)的流量u清实际(k)，所述废水PID控制器循环读取所述废水流量计(8)的流量u废实际(k)，则u清实际(k)-y0＝g(k)，u废实际(k)-y0＝h(k)；
通过所述KP、KI、KD和g(k)运算得出清水流量调节阀(6)的控制量v清(k)；
通过所述KP、KI、KD和h(k)运算得出废水流量调节阀(9)的控制量v废(k)；
S6：通过所述v清(k)和y0运算得到清水流量调节阀(6)的实际输出开度Z清(K)；
通过所述v废(k)和y0运算得到废水流量调节阀(9)的实际输出开度Z废(K)；
S7：根据Z清(k)调节清水流量调节阀(6)，根据Z废(k)调节废水流量调节阀(9)，使得u清实际(k)＝u废实际(k)。
2.根据权利要求1所述的热泵的废热利用方法，其特征在于，在所述S2中，根据公式
运算得出所述清水理论输出u清理论(k)；
根据公式
运算得出废水理论输出u废理论(k)。
3.根据权利要求1所述的热泵的废热利用方法，其特征在于，在所述S3中，清水需求流量y清(k)按公式：
y清(k)＝y清(k-1)-(u清理论(k)×Q安全÷(T0-T1))进行运算；
废水设定排放流量y废(k)按公式：
y废(k)＝y废(k-1)+(u废理论(k)×Q安全÷(T废(k)-T0′))进行运算。
4.根据权利要求1所述的热泵的废热利用方法，其特征在于，在所述S5中，根据公式
运算得出清水流量调节阀(6)的开度v清(k)；
根据公式
运算得出废水流量调节阀(9)的开度v废(k)。
5.根据权利要求1所述的热泵的废热利用方法，其特征在于，在所述S6中，根据公式Z清(K)＝Z清(K-1)+v清(k)×100％÷y0运算得到所述Z清(K)；
根据公式Z废(K)＝Z废(K-1)+v废(k)×100％÷y0运算得到所述Z废(K)。
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