CN112503616A - 一种多能源互补蓄热系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多能源互补蓄热系统及其控制方法，该蓄热系统包括控制系统、太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵、蓄热水箱和末端散热器，太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵与蓄热水箱相连接，蓄热水箱与末端散热器相连接，控制系统与太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵相连接，控制系统通过时间段设置、监控水箱温度对太阳能集热器、电锅炉和空气源热泵的启停进行控制，实现最优负荷配置和运行模式的控制功能。本发明设计合理，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，利用蓄热水箱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。

Description

一种多能源互补蓄热系统及其控制方法

技术领域

本发明属于锅炉技术领域，尤其是一种多能源互补蓄热系统及其控制方法。

背景技术

目前，单纯的太阳能供热常常不能保证充足的供热量，电锅炉存在占用供 电容量、用电量过高、运行成本高等问题。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。通过分析发现，现有供热设备均存在不同的特 点：

水蓄热电锅炉：能够利用廉价的低谷电，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。平抑用电负荷，减少发电单位夜间运 行的停机限负荷。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，并且兼具经济性及环保性。

太阳能热水系统：太阳能热水系统利用太阳能集热器，收集太阳辐射能并 将水加热，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化 的一项技术。

空气源热泵：作为一种高效的供热技术，能效比可以达到4以上，具有布 置灵活。

综上所述，如何充分发现上述供热设备的特点并将各种能源最优利用起来 是目前迫切需要解决的问题。

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 可靠性高的多能源互补蓄热系统及其控制方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种多能源互补蓄热系统，包括控制系统、太阳能集热器、电锅炉、空气 源热泵、蓄热水箱和末端散热器，太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵与蓄热 水箱相连接，蓄热水箱与末端散热器相连接，控制系统与太阳能集热器、电锅 炉、空气源热泵相连接，控制系统通过时间段设置、监控水箱温度对太阳能集 热器、电锅炉和空气源热泵的启停进行控制，实现最优负荷配置和运行模式的 控制功能。

而且，所述太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵与蓄热水箱之间通过保温 输水管相连接，所述蓄热水箱与末端散热器通过保温输水管道相连接。

一种多能源互补蓄热系统的控制方法，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、设计空气源热泵容量：

步骤3、计算太阳能集热器日蓄热量；

步骤4、设计蓄热水箱容积以满足非低谷电时间段用热量；

步骤5、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6、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、电锅炉和空气源热泵的启停进行控制，并根据末端散热需求对蓄热水箱 的放热进行控制。

而且，所述步骤1采用如下模型计算电锅炉容量：

P₁＝K×F×q×H₁/H₂

式中，P₁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。

而且，所述步骤2采用如下模型计算空气源热泵容量：

P₂＝K×F×q/COP

式中，P₂为热泵功率，K为蓄热热损失系数，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，COP为能效比，表示热泵散热量与耗电量的 比值。

而且，所述步骤3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。

而且，所述步骤4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。

而且，所述步骤5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。

而且，所述步骤6的具体控制方法为：

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；当热水温度低于40℃时，控制系统控制空气源热泵启动；所述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。

本发明的优点和积极效果是：

本发明充分发挥太阳能、电锅炉、空气源热泵的优点，为确保供暖可靠性 和经济性，利用电锅炉具备低谷电独立24小时供热的能力，给出三种能源设备 的最优负荷配置和运行模式，实现能源最优利用。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，利用蓄热 水箱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。

附图说明

图1为本发明的系统连接示意图；

图2为本发明的控制方法原理图。

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。

一种多能源互补蓄热系统，如图1所示，包括控制系统、太阳能集热器、 电锅炉、空气源热泵、蓄热水箱和末端散热器，太阳能集热器、电锅炉、空气 源热泵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、空气源热泵相连接实 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、电锅炉和空气源热泵的启停进行控制，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、电锅炉、空气源根据控制系 统命令，对蓄热水箱进行蓄热。

基于上述多能源互补蓄热系统，本发明还提出一种太阳能、电锅炉、空气 源热泵互补蓄热控制方法，如图2所示，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：

P₁＝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、设计空气源热泵容量：

P₂＝K×F×q/COP

式中，P₂为热泵功率，K为蓄热热损失系数，一般取1.10-1.15；F为采暖 面积，q为建筑日平均热负荷指标，COP为能效比，表示热泵散热量与耗电量 的比值。

步骤3、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4、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5、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6、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、电 锅炉及空气源热泵的启停进行控制，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2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。当热水温度低于40℃时，控制系统控制空气源热泵启动。

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 (9)

1.一种多能源互补蓄热系统，其特征在于：包括控制系统、太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵、蓄热水箱和末端散热器，太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵与蓄热水箱相连接，蓄热水箱与末端散热器相连接，控制系统与太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵相连接，控制系统通过时间段设置、监控水箱温度对太阳能集热器、电锅炉和空气源热泵的启停进行控制，实现最优负荷配置和运行模式的控制功能。

2.根据权利要求1所述的一种多能源互补蓄热系统，其特征在于：所述太阳能集热器、电锅炉、空气源热泵与蓄热水箱之间通过保温输水管相连接，所述蓄热水箱与末端散热器通过保温输水管道相连接。

3.一种如权利要求1或2所述多能源互补蓄热系统的控制方法，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、设计空气源热泵容量：

步骤3、计算太阳能集热器日蓄热量；

步骤4、设计蓄热水箱容积以满足非低谷电时间段用热量；

步骤5、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6、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、电锅炉和空气源热泵的启停进行控制，并根据末端散热需求对蓄热水箱的放热进行控制。

4.根据权利要求3所述的一种多能源互补蓄热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1采用如下模型计算电锅炉容量：

P₁＝K×F×q×H₁/H₂

式中，P₁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。

5.根据权利要求3所述的一种多能源互补蓄热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2采用如下模型计算空气源热泵容量：

P₂＝K×F×q/COP

式中，P₂为热泵功率，K为蓄热热损失系数，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，COP为能效比，表示热泵散热量与耗电量的比值。

6.根据权利要求3所述的一种多能源互补蓄热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3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。

7.根据权利要求3所述的一种多能源互补蓄热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤4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。

8.根据权利要求3所述的一种多能源互补蓄热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤5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。

9.根据权利要求3所述的一种多能源互补蓄热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤6的具体控制方法为：

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；当热水温度低于40℃时，控制系统控制空气源热泵启动；所述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。

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