CN111396977B - 一种工位辐射供暖系统及其控制方法 - Google Patents

一种工位辐射供暖系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工位辐射供暖系统及其控制方法，系统包括太阳能集热装置、储热装置、系统控制中心、加热装置、工位辐射末端装置、第一动力装置、第二动力装置、第三动力装置、分别与系统控制中心连接的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第一电动阀门、第二电动阀门、第三电动阀门、第四电动阀门、第五电动阀门以及第六电动阀门。本发明采用末端温度与人体表面辐射温度监测，反馈信号给系统控制中心，迅速响应，灵活高效。

Description

一种工位辐射供暖系统及其控制方法
技术领域
本发明属于太阳能供暖技术，具体为一种工位辐射供暖系统及其控制方法。
背景技术
目前世界的主要能源消耗来自石油、天然气等不可再生化石能源，在能源开发与消耗的过程中，会不可避免的带来雾霾、温室气体等环境问题，高效清洁的可再生能源发展成为了大势所趋。目前在城市中绿色建筑普遍要求使用太阳能清洁能源，其中太阳能供暖技术成熟，已广泛适用于生活中。由于冬季太阳能集热所能达到的热水温度在四十度左右，与辐射供暖所需的供热水温度高度匹配，因此采用太阳能辅助其他能源的供暖方式具有经济价值和商业价值。但是由于末端系统的供热负荷变化以及太阳能集热系统集热量具有一定变化曲线，系统控制方法不当，不能随负荷、集热量变化采用不同供暖方式，因此会造成辐射供暖舒适性较低，不能准确响应用户需求，系统运行不能充分利用太阳能或者太阳能集热系统起到相反的效果，难以实现太阳能的高效利用与系统优化运行。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种工位辐射供暖系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种工位辐射供暖系统，包括太阳能集热装置、储热装置、系统控制中心、加热装置、工位辐射末端装置、第一动力装置、第二动力装置、第三动力装置、分别与系统控制中心连接的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第一电动阀门、第二电动阀门、第三电动阀门、第四电动阀门、第五电动阀门以及第六电动阀门，所述太阳能集热装置、第一电动阀门、储热装置、第二电动阀门、第一动力装置依次连接组成太阳能集热回路；太阳能集热装置、第六电动阀门、加热装置以及第二动力装置、第四电动阀门依次连接组成单水箱强制循环集热回路，所述加热装置、第三动力装置、工位辐射末端装置依次连接构成辐射末端回路，所述储热装置与第二动力装置连接且第五电动阀门设置在其连接管路上，储热装置与加热装置连接且第三电动阀门设置在其连接管路上；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器分别用于采集太阳能集热装置出水口、入水口以及表面温度；所述第四温度传感器用于采集加热装置内的温度，所述第五温度传感器采集工位辐射末端装置辐射面板温度。
一种工位辐射供暖系统的控制方法，具体步骤为：
根据太阳能集热装置入口温度、面板温度、加热装置内的温度、工位辐射末端装置辐射面板温度确定温度区间；
根据太阳能集热装置出口温度所在温度区间，选择相应的运行控制策略对第一动力装置、第二动力装置、第一电动阀门、第二电动阀门、第三电动阀门、第四电动阀门、第五电动阀门、第六电动阀门进行控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明采用末端温度与人体表面辐射温度监测，反馈信号给系统控制中心，迅速响应，灵活高效；通过末端温度变化选择最适的供暖模式，合理利用太阳能，减少热量损失；发挥太阳能清洁能源的优势，使效率最大化；在不同的气象条件、室内环境与人体负荷下，通过末端温度测定装置改变运行策略，发挥系统的最大节能潜能，达到最适宜的供暖温度。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明的控制策略示意图。
图2是太阳能、电加热互补工位辐射供暖系统连接示意图。
图3是本发明的控制策略流程图。
图中：1、太阳能集热装置；2、储热装置；3、系统控制中心；4、加热装置；5、工位辐射末端装置；6、第一动力装置；7、第二动力装置；8、第三动力装置；K1、第一电动阀门；K2、第二电动阀门；K3、第三电动阀门；K4、第四电动阀门；K5、第五电动阀门；K6、第六电动阀门，P1、第一温度传感器；P2、第二温度传感器；P3、第三温度传感器；P4、第四温度传感器；P5、第五温度传感器。
具体实施方式
如图1、2所示，一种工位辐射供暖系统，包括太阳能集热装置1、储热装置2、系统控制中心3、加热装置4、工位辐射末端装置5、第一动力装置6、第二动力装置7、第三动力装置8、分别与系统控制中心3连接的第一温度传感器P1、第二温度传感器P2、第三温度传感器P3、第四温度传感器P4、第五温度传感器P5、第一电动阀门K1、第二电动阀门K2、第三电动阀门K3、第四电动阀门K4、第五电动阀门K5以及第六电动阀门K6，所述太阳能集热装置1、第一电动阀门K1、储热装置2、第二电动阀门K2、第一动力装置6依次连接组成太阳能集热回路；太阳能集热装置1、第六电动阀门K6、加热装置4以及第二动力装置7、第四电动阀门K4依次连接组成单水箱强制循环集热回路，所述加热装置4、第三动力装置8、工位辐射末端装置5依次连接构成辐射末端回路，所述储热装置2与第二动力装置7连接且连接管路上设有第五电动阀门K5，储热装置2与加热装置4连接且连接管路上设有第三电动阀门K3；所述第一温度传感器P1、第二温度传感器P2、第三温度传感器P3分别用于采集太阳能集热装置1出水口、入水口以及表面温度；所述第四温度传感器P4用于采集加热装置4内的温度，所述第五温度传感器P5、采集工位辐射末端装置5辐射面板温度。
进一步的实施例中，在加热装置4中设有自来水补水恒温装置和溢水口，用以稳定供水温度和水箱水量。
如图3所示，一种工位辐射供暖系统的控制方法，具体步骤为：
根据太阳能集热装置1处第一温度传感器P1测得的入口温度tfi、第三温度传感器P3测得的集热装置面板温度tpm，第四温度传感器P4测得的水箱温度ts，第五温度传感器P5测得的辐射末端温度tr确定温度区间；
根据第二温度传感器P2实际测得的集热装置出口温度tfo′所在温度区间，选择相应的运行控制策略对第一动力装置6、第二动力装置7、第一电动阀门K1、第二电动阀门K2、第三电动阀门K3、第四电动阀门K4、第五电动阀门K5、第六电动阀门K6进行控制，从而选择不同的供暖方式。
具体地，第五温度传感器P5获取工位辐射末端装置5辐射面板温度并将温度信息发送给系统控制中心3；
第一温度传感器P1、第二温度传感器P2、第三温度传感器P3采集太阳能集热装置1出水口、入水口以及表面温度并将温度信息发送给系统控制中心3；
具体地，系统控制中心3获取太阳能集热装置1处第一温度传感器P1测得的集热装置入口温度tfi、第二温度传感器P2实际测得的集热装置出口温度tfo′、第三温度传感器P3测得的集热装置面板温度tpm，第四温度传感器P4测得的水箱温度ts，第五温度传感器P5测得的辐射末端温度tr。
太阳能集热装置1的集热量Qu由公式(1)计算：
Qu＝Cpm1(tfo-tfi) (1)
式中，Cp,m1为设备参数，均为已知值。
太阳能集热装置1的散热量Qs由公式(2)计算：
Qs＝Cpm1((tfo+tfi)/2-tpm) (2)
系统所需的供热量Qg由公式(3)计算：
Qg＝Cpm2(ts-tr) (3)
具体地，已知第一温度传感器P1测得的集热装置入口温度tfi、第三温度传感器P3测得的集热装置面板温度tpm，第四温度传感器P4测得的水箱温度ts，第五温度传感器P5测得的辐射末端温度tr，通过上述能量方程，根据能量平衡计算求得太阳能集热装置1对应的温度节点。
将已知量代入等式，当Qu＝Qs时，计算得出太阳能集热装置1的出口温度tfo1，此时tfo1即为第一温度节点t1；当Qu＝Qs+Qg时，计算得出太阳能集热装置1的出口温度tfo2，此时tfo2即为第二温度节点t2。
根据第一温度节点t1和第二温度节点t2，将温度区间分为三个区，即第一温度区(t＜t1)、第二温度区(t1＜t＜t2)、第三温度区(t2＜t)。
具体地，当太阳能集热装置1处第二温度传感器P2实际测得的集热装置出口温度tfo′属于第一温度区(t＜t1)时，关闭第一动力装置6、第二动力装置7以及管路上第一电动阀门K1、第二电动阀门K2、第三电动阀门K3、第四电动阀门K4、第五电动阀门K5、第六电动阀门K6，打开第三动力装置8、加热装置4，采用电加热供暖方式；
当太阳能集热装置1处第二温度传感器P2实际测得的集热装置出口温度tfo′于第二温度区(t1＜t＜t2)时，关闭第一电动阀门K1、第二电动阀门K2、第三电动阀门K3、第五电动阀门K5、第一动力装置6，打开太阳能集热装置1与加热装置4之间的第六电动阀门K6、第二动力装置7、第四电动阀门K4、第三动力装置8、加热装置4，采用单水箱太阳能、电加热互补供暖方式。
当太阳能集热装置1处第二温度传感器P2实际测得的集热装置出口温度tfo′于第三温度区(t2＜t时，关闭第四电动阀门K4、第六电动阀门K6，打开太阳能集热装置1与储热装置2之间的第一电动阀门K1、第二电动阀门K2、第一动力装置6，以及储热装置2与加热装置4之间的第三电动阀门K3、第五电动阀门K5、第二动力装置7、第三动力装置8，采用双水箱太阳能、电加热互补供暖方式。
进一步地，温度区设定与工位辐射末端装置5所需供暖温度、太阳能集热装置1集热量相关。第一温度区设定不小于室内温度，第三温度区设定应大于供暖所需温度。
实施例1：
一种工位辐射供暖系统控制方法，在如图1所示的工位辐射供暖系统上实现。太阳能集热装置和工位辐射末端装置的温度传感器将信号发送给系统控制中心，系统控制中心与动力装置相连，通过控制电动阀门和动力装置实现负荷的最优配置和运行模式控制，具体为：
第五温度传感器(P5)测得的辐射末端温度tr为30℃，此时将测得的温度信息发送给系统控制中心(3)；
第一温度传感器(P1)测得的集热装置入口温度tfi为30℃、第二温度传感器(P2)实际测得的集热装置出口温度tfo′为60℃、第三温度传感器(P3)测得的集热装置面板温度tpm20℃，第四温度传感器(P4)测得的水箱温度ts为45℃，此时将测量的温度信息发送给系统控制中心(3)；
系统控制中心(3)根据第一温度传感器(P1)测得的集热装置入口温度tfi、第三温度传感器(P3)测得的集热装置面板温度tpm，由Qu＝Qs等式计算求得太阳能集热装置(1)出口温度tfo1，对应的第一温度节点t1为50℃；系统控制中心(3)根据第一温度传感器(P1)测得的集热装置入口温度tfi、第三温度传感器(P3)测得的集热装置面板温度tpm、第四温度传感器(P4)测得的水箱温度ts以及第五温度传感器(P5)测得的辐射末端温度tr，由等式Qu＝Qs+Qg计算求得太阳能集热装置(1)出口温度tfo2，对应第二温度节点t2为80℃。
此时通过太阳能集热装置(1)处的第二温度传感器(P2)实际测得的集热装置出口温度tfo′为60℃。根据温度区间判断，此时第二温度传感器(P2)实际测得的集热装置出口温度tfo′属于第二温度区(50℃＜t＜80℃)，因此采用单水箱太阳能、电加热互补供暖方式。
系统控制中心(3)将相应的控制信息发送给电动阀门和动力装置。此时关闭第一电动阀门(K1)、第二电动阀门(K2)、第三电动阀门(K3)、第五电动阀门(K5)、第一动力装置(6)，打开太阳能集热装置(1)与加热装置(4)之间的第六电动阀门(K6)、第二动力装置(7)、第四电动阀门(K4)、第三动力装置(8)、加热装置(4)，采用单水箱太阳能、电加热互补供暖模式。
系统控制中心选择供暖方式主要依据在所需供暖温度下，太阳能集热装置在整个供暖系统中所提供热量进行判断。太阳辐射较弱时，此时太阳能采暖效率低，适宜采用单一电加热供暖方式；当供暖处于第二温度区间时，此时太阳能集热装置对供暖工质起到预加热作用。此时采用单水箱的太阳能、电加热互补供暖方式。当太阳能集热装置出口温度处于第三温度区间时，此时太阳能集热装置集热量可以满足供暖需求，但此时需要采用双水箱太阳能、电加热互补供暖方式用以稳定供暖温度不变。本发明通过末端温度测定快速响应，调节供暖热源侧最优供暖模式，从而提高太阳能光热利用效率，节约能源，达到舒适的供暖效果。

Claims (2)

1.一种工位辐射供暖系统的控制方法，其特征在于，所述工位辐射供暖系统，包括太阳能集热装置(1)、储热装置(2)、系统控制中心(3)、加热装置(4)、工位辐射末端装置(5)、第一动力装置(6)、第二动力装置(7)、第三动力装置(8)、分别与系统控制中心(3)连接的第一温度传感器(P1)、第二温度传感器(P2)、第三温度传感器(P3)、第四温度传感器(P4)、第五温度传感器(P5)、第一电动阀门(K1)、第二电动阀门(K2)、第三电动阀门(K3)、第四电动阀门(K4)、第五电动阀门(K5)以及第六电动阀门(K6)，所述太阳能集热装置(1)、第一电动阀门(K1)、储热装置(2)、第二电动阀门(K2)、第一动力装置(6)依次连接组成太阳能集热回路；太阳能集热装置(1)、第六电动阀门(K6)、加热装置(4)以及第二动力装置(7)、第四电动阀门(K4)依次连接组成单水箱强制循环集热回路，所述加热装置(4)、第三动力装置(8)、工位辐射末端装置(5)依次连接构成辐射末端回路，所述储热装置(2)与第二动力装置(7)连接且第五电动阀门(K5)设置在其连接管路上，储热装置(2)与加热装置(4)连接且第三电动阀门(K3)设置在其连接管路上；所述第一温度传感器(P1)、第二温度传感器(P2)、第三温度传感器(P3)分别用于采集太阳能集热装置(1)出水口、入水口以及表面温度；所述第四温度传感器(P4)用于采集加热装置(4)内的温度，所述第五温度传感器(P5)采集工位辐射末端装置(5)辐射面板温度；
具体步骤为：
根据太阳能集热装置(1)入口温度、面板温度、加热装置(4)内的温度、工位辐射末端装置(5)辐射面板温度确定温度区间；
根据太阳能集热装置(1)出口温度所在温度区间，选择相应的运行控制策略对第一动力装置(6)、第二动力装置(7)、第一电动阀门(K1)、第二电动阀门(K2)、第三电动阀门(K3)、第四电动阀门(K4)、第五电动阀门(K5)、第六电动阀门(K6)进行控制；
根据太阳能集热装置(1)入口温度、面板温度、加热装置(4)内的温度，工位辐射末端装置(5)辐射面板温度确定温度区间的具体方法为：
根据太阳能集热装置(1)入口温度tfi、面板温度tpm确定太阳能集热装置的集热量Qu，具体公式为：
Qu＝Cpm1(tfo-tfi)
式中，Cp,m1为设备参数；
太阳能集热装置(1)的散热量Qs：
Qs＝Cpm1((tfo+tfi)/2-tpm)
根据加热装置(4)内的温度ts、工位辐射末端装置(5)辐射面板温度tr确定系统所需的供热量Qg，具体公式为：
Qg＝Cpm2(ts-tr)
令Qu＝Qs时，计算得到的太阳能集热装置(1)的出口温度tfo1作为第一温度节点t1；令Qu＝Qs+Qg时，计算得到的太阳能集热装置(1)的出口温度tfo2，此时tfo2即为第二温度节点t2；
根据温度节点将温度区间分为三个区，即第一温度区(t＜t1)、第二温度区(t1＜t＜t2)、第三温度区(t2＜t)。
2.根据权利要求1所述的工位辐射供暖系统的控制方法，其特征在于，根据太阳能集热装置(1)出口温度所在温度区间，选择相应的运行控制策略对第一动力装置(6)、第二动力装置(7)、第一电动阀门(K1)、第二电动阀门(K2)、第三电动阀门(K3)、第四电动阀门(K4)、第五电动阀门(K5)、第六电动阀门(K6)进行控制的具体方法为：
当太阳能集热装置(1)处第二温度传感器(P2)实际测得的集热装置出口温度tfo′属于第一温度区(t＜t1)时，关闭第一动力装置(6)、第二动力装置(7)以及管路上第一电动阀门(K1)、第二电动阀门(K2)、第三电动阀门(K3)、第四电动阀门(K4)、第五电动阀门(K5)、第六电动阀门(K6)，打开第三动力装置(8)、加热装置(4)；
当太阳能集热装置(1)处第二温度传感器(P2)实际测得的集热装置出口温度tfo′于第二温度区(t1＜t＜t2)时，关闭第一电动阀门(K1)、第二电动阀门(K2)、第三电动阀门(K3)、第五电动阀门(K5)、第一动力装置(6)，打开太阳能集热装置(1)与加热装置(4)之间的第六电动阀门(K6)、第二动力装置(7)、第四电动阀门(K4)、第三动力装置(8)、加热装置(4)；
当太阳能集热装置(1)处第二温度传感器(P2)实际测得的集热装置出口温度tfo′于第三温度区(t2＜t)时，关闭第四电动阀门(K4)、第六电动阀门(K6)，打开太阳能集热装置(1)与储热装置(2)之间的第一电动阀门(K1)、第二电动阀门(K2)、第一动力装置(6)，以及储热装置(2)与加热装置(4)之间的第三电动阀门(K3)、第五电动阀门(K5)、第二动力装置(7)、第三动力装置(8)。
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