CN113048539B - 基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置及其控制方法,该装置包括四种供暖模式:风能独立供暖:供暖设备直接与储热水箱相连,储热水箱通过永磁涡轮制热器制热;风能串联海洋能供暖:供暖设备与海水源热泵相连,海水源热泵、海水换热器和储热水箱串联成环;风能间接加热供暖:供暖设备与海水源热泵相连,第一环和第二环相连;海水源热泵单独供暖:供暖设备与海水源热泵相连,海水源热泵通过第二环制热。本发明能够根据负载需要和外界环境变化及时调整制暖模式,维持稳定制暖效率,并在满足建筑热负荷情况下,以维持稳定发电效率,缓解供暖能源消耗压力,充分实现海洋温差能和风能的合理利用。
Description
技术领域
本发明属于供热系统技术领域,具体涉及一种基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置及其控制方法。
背景技术
人们在日常生活中所需能源的主要形式为热能,而冬季供暖这种低温热能的使用要占到一半以上。特别是在高纬度沿海地区,海洋温差能属低品位能源,目前没有大规模商业化应用的主要原因是循环热效率低。为了缓解供暖所造成的能源消耗压力,利用海洋能,并将风能转化为热能的研究对于缓解能源紧缺的问题具有十分重要的意义。
由于风能的不稳定性和不连续性,为了合理并充分利用风能,确保风力磁涡流的海水源热泵供暖的连续性,系统要求控制系统能够根据负载需要和外界环境变化及时调整设备状态,维持稳定制暖效率,并在满足建筑热负荷情况下,以维持稳定发电效率。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置及其控制方法,根据负载需要和外界环境变化及时调整制暖模式,维持稳定制暖效率,并在满足建筑热负荷情况下,以维持稳定发电效率,缓解供暖能源消耗压力,解决现有技术中无法有效利用不稳定的风能以及能量密度低的海洋能的技术问题。
本发明提供的技术方案如下:
一种基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,包括:第一储液罐、永磁涡轮制热器、储热水箱、蓄热水换热器、海水源热泵、海水换热器和供暖设备;其中,第一储液罐、永磁涡轮制热器和储热水箱串联成第一环,蓄热水换热器、海水源热泵和海水换热器串联成第二环,第一环和第二环通过储热水箱和蓄热水换热器相连;供暖设备分别与储热水箱、海水源热泵串联;海水源热泵入水口处设有加热设备;
该装置还包括垂直轴风机、发电机、电磁离合、接触器和电池;垂直轴风机与发电机相连,发电机通过电磁离合与永磁涡轮制热器相连,发电机还通过接触器与电池相连;
该装置包括四种供暖模式:
MODEL1-风能独立供暖:供暖设备直接与储热水箱相连,储热水箱通过永磁涡轮制热器制热;
MODEL2-风能直接串联海洋能供暖:供暖设备与海水源热泵相连,海水源热泵、海水换热器和储热水箱串联成环;
MODEL3-风能间接串联海洋能供暖:供暖设备与海水源热泵相连,第一环和第二环相连;
MODEL4-海洋能单独供暖:供暖设备与海水源热泵相连,海水源热泵通过第二环制热。
优选地,供暖设备出水口连有第二储液罐。
优选地,供暖设备为制暖盘管。
优选地,加热设备为电阻丝加热器。
优选地,电池为梯次电池。
本发明还提供一种用于上述的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置的控制方法,包括以下步骤:
S1、设置室内的上限温度X1和下限温度X2;
S2、监测蓄热水箱温度t0和海水源热泵入水口温度T1;
S3、当蓄热水箱温度t0大于或等于35℃时,采用MODEL1进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于35℃且大于或等于30℃时,采用MODEL2进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于30℃且大于或等于13℃时,采用MODEL3进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于13℃时,采用MODEL4进行供暖;若海水源热泵入水口温度T1小于或等于7℃时,加热设备启动;
S4、监测室内温度t;
S5、判断室内温度t是否小于上限温度X1,若是,则返回步骤S2,若否,则监测蓄热水箱温度t0;
S6、判断室内温度t是否小于下限温度X2,若是,则返回步骤S2;若否,则判断蓄热水箱温度t0是否小于或等于40℃,若是,则垂直轴风机带动永磁涡轮制热器加热蓄水箱,继续监测蓄热水箱温度t0;
S7、若蓄热水箱温度t0大于40℃,垂直轴风机则带动发电机运转,进行发电并存储于电池中。
优选地,还包括以下步骤:S8、若停止供暖,则装置保持发电状态。
优选地,步骤S1具体为:设定温度X,将设定温度X±2℃得到上限温度X1、下限温度X2。
本发明的有益效果为:本发明的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置及其控制方法,能够根据负载需要和外界环境变化及时调整制暖模式,维持稳定制暖效率,并在满足建筑热负荷情况下,以维持稳定发电效率,缓解供暖能源消耗压力,充分实现海洋温差能和风能的合理利用。
附图说明
图1是本发明实施例的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置整体示意图。
图2是本发明实施例中风能独立供暖的原理示意图。
图3是本发明实施例中风能直接串联海洋能供暖的原理示意图。
图4是本发明实施例中风能间接串联海洋能供暖的原理示意图。
图5是本发明实施例中海洋能单独供暖的原理示意图。
图6是本发明基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置的控制方法流程图。
图7是本发明基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置的能量管理系统示意图。
图中:1-垂直轴风机,2-发电机,3-电磁离合,4-永磁涡流制热器,5-蓄热水箱,6-蓄热水泵,7-第一储液罐,9-第一电磁阀,10-第一循环水泵,11-第二电磁阀,12-海水换热器,13-海水泵,14-制暖盘管,15-第二储液罐,16-蓄热水换热器,17-第二循环水泵,18-电阻丝加热器,19-海水源热泵,20-地暖水泵,21-进口并联管,22-出口并联管,23-梯次电池,24-接触器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明:
本发明实施例的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,如图1所示,包括:第一储液罐7、永磁涡轮制热器4、储热水箱5、蓄热水换热器16、海水源热泵19、海水换热器12和供暖设备,优选地,供暖设备为制暖盘管14,设置在供暖房间内,用于供暖。其中:
第一储液罐7、永磁涡轮制热器4和储热水箱5串联成第一环,由第一储液罐7提供循环水,垂直轴风机1带动永磁涡轮制热器4进行制热,然后热水进入储热水箱5。蓄热水换热器16、海水源热泵19和海水换热器12串联成第二环,可由海水换热器12提供热源,海水源热泵19将低温热源转换为较高温热源,为室内供暖。第一环和第二环通过储热水箱5和蓄热水换热器16相连,储热水箱5中的热水可通过蓄热水换热器16给第二环的循环水加热。供暖设备分别与储热水箱5、海水源热泵19串联;当供暖设备与储热水箱5直接相连时,储热水箱5内的热水可直接进入供暖设备,为房间高效供热;当供暖设备与海水源热泵19并联时,由海水源热泵19提供热源,进而为房间供热。海水源热泵19入水口处设有加热设备,例如电阻丝加热器18,可将海水源热泵19入水口的工质加热,进而确保稳定供暖。
该装置还包括垂直轴风机1、发电机2、电磁离合3、接触器24和电池,优选地,电池为梯次电池23。垂直轴风机1与发电机2相连,发电机2通过电磁离合3与永磁涡轮制热器4相连,发电机2还通过接触器24与电池相连。当电磁离合3接合时,永磁涡轮制热器4工作;当电磁离合3分离时,接触器24连接发电机2和电池,进行发电和存储。
该装置包括四种供暖模式:
MODEL1-风能独立供暖,如图2所示,供暖设备直接与储热水箱5相连,储热水箱5通过永磁涡轮制热器4制热。该模式对应情况为风能资源丰富,永磁涡流制热器4通过垂直轴风机1驱动转子旋转产生交变磁场,据法拉第电磁感应定律,金属定子内壁受到交变磁场作用产生电涡流,电流热效应使金属定子内壁产热,继而加热定子水槽内的循环水,产生热水并输送到储热水箱5。供暖设备直接与储热水箱5相连,进而供热。当永磁涡轮制热器4热量超过建筑供暖需求时,即室内温度已达到供暖标准温度且储热水的温度也高于40℃时,可通过PLC控制模块将电磁离合3脱开使转轴分离,把多余风能通过发电机2转化为电能,存储于梯次电池中。
MODEL2-风能直接串联海洋能供暖,如图3所示,供暖设备与海水源热泵19相连,海水源热泵19、海水换热器12和储热水箱5串联成环。该模式下系统利用风力磁涡流集热和海洋热泵协同供暖。由永磁涡轮制热器4制热,然后由海水源热泵19将低温转换为高温热源。当蓄热水箱5中热水温度等于海水源热泵19的最佳热源温度时,采取将蓄热水箱5中的水直接通入海水源热泵19,实现海水源热泵19高效率供暖。
MODEL3-风能间接串联海洋能供暖,如图4所示,供暖设备与海水源热泵19相连,第一环和第二环相连。该模式下,系统利用风力磁涡流集热和海水源热泵共同供暖。该模式对应情况为当永磁涡流制热器4不能独自满足制暖需求且蓄热水箱5中温度远高于海水源热泵19的最佳热源温度,采取先用海水换热器12进行预热,再用蓄热水箱5热水预热的方式达到海水源热泵19最佳热源温度,实现海水源热泵19以最高效率进行供暖。
MODEL4-海洋能单独供暖,如图5所示,供暖设备与海水源热泵19相连,海水源热泵19通过第二环制热。该模式下,直接利用海水源热泵19产热供暖,若海水温度低于海水源热泵19温度下限,采取电阻丝加热器18进行加热。设计该模式是应对系统开机时,蓄热水箱5中无热量的制暖空挡或极端无风情况,确保系统对建筑实施稳定供暖。
此外,为了使供暖装置能够正常使用,该装置还包括很多连接管道、三通阀和提供工质循环动力的水泵。由于这些部件的设置位置不唯一,故未作限定。但本发明给出一种可行的实施方案,如图1所示,制暖盘管14的进出口均连接有三通阀,三通阀的另外两路,一路连接海水源热泵19,另一路又通过出口并联管22、进口并联管21、4个三通阀连接在蓄热水换热器16的四个进出口。蓄热水箱5的换热管出口端设置有第一电磁阀9,蓄热水箱5的进口端设置有第二电磁阀11。海水换热器12上设置有海水泵13,海水源热泵19的出口端设置有地暖水泵20,蓄热水箱5进出口设有第一循环水泵10和第二循环水泵17,永磁涡流制热器出口设有蓄热水泵6。优选地,供暖设备出水口连有第二储液罐15。
本发明还提供一种用于上述的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置的控制方法,如图6所示,包括以下步骤:
步骤1,整套系统处于发电状态,用户输入室内制暖设定温度X后,系统自动切换成制暖模式,并将设定温度X±2℃得到上限温度X1、下限温度X2;
步骤2,蓄热水箱内的温度传感器检测水温t0,以及海水源热泵进水温度T1;
步骤3,当蓄热水箱温度t0大于或等于35℃时,则采用模式一进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于35℃并大于或等于30℃时,则采用模式二进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于30℃并大于或等于13℃时,则采用模式三进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于30℃并大于或等于7℃时,则采用模式四进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于7℃时,将启用电热丝,提高循环水温,保护水源热泵的正常运行;
步骤4,室内温度传感器检测室温t;
步骤5,检测室温t是否小于上限温度X1,若小于上限温度X1,则系统继续保持制暖模式,返回到步骤2;反之,检测蓄热水箱温度t 0;
步骤6,检测室温t是否小于下限温度X2,若小于下限温度X1,则系统继续保持制暖模式,返回到步骤2;反之,检测蓄热水箱温度t0是否小于或等于40℃,若符合设定则风机带动永磁制热器,对需热水箱持续进行加热,返回步骤5;
步骤7,若不符合温度设定,蓄热水箱温度t0大于40℃,系统将切换成发电模式,风机带动发电机运转,通过逆变器存储于梯次电池中;
步骤8,若用户停止供暖,则系统保持发电状态,持续向蓄电池充电,否则,返回步骤4。
此外,本发明还提供一种基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置的能量管理系统,如图7所示,包括:温度传感器、流量传感器、PLC控制模块和人机界面。人机界面完成系统和用户信息交互、报警显示以及自动控制供暖模式的切换。还包括压力传感器,压力传感器安装在蓄热水箱5内,压力传感器由信号线与PLC模块的模拟量输入通道相连。
温度传感器包括室内温度传感器、蓄热水温度传感器、海水源热泵的蒸发器进水温度传感器和蒸发器出口工质温度传感器,室内温度传感器安装设置在建筑物内制暖盘管14上,蓄热水温度传感器安装在蓄热水箱5内的上部,蒸发器进水温度传感器安装在热泵19内蒸发器的进水口,蒸发器出口工质温度传感器安装在热泵19内蒸发器的工质出口。
流量传感器包括蓄热水流量传感器、循环水流量传感器、海水流量传感器和工质流量传感器,蓄热水流量传感器安装在永磁涡流制热器4的热水输出端,循环水流量传感器安装在蓄热水箱5的进口处或出口处的管路上,海水流量传感器安装在海水泵13的输出端或出口处的管路上,工质流量传感器安装在热泵19内工质泵的输出口或出口处的管路上。
室内温度传感器、蓄热水温度传感器、蒸发器进水温度传感器、蒸发器出口工质温度传感器、蓄热水流量传感器、循环水流量传感器、海水流量传感器和工质流量传感器的输出端分别由信号线与PLC控制模块的模拟量通道相连。PLC控制模块通过以太网与人机界面相连;第一循环水泵、第二循环水泵、蓄热水泵6、海水泵13、热泵19内工质泵、地暖水泵20、电磁离合13、管路上的所有三通阀9分别与PLC控制模块的开关量输出端相连。PLC控制模块以ABBAC500系列PLC为核心。PLC控制模块中根据环境和系统实时参数经模糊PID算法运算输出,调节第一循环水泵10、第二循环水泵17、蓄热水泵6、海水泵13、热泵19内工质泵、地暖水泵20的转速以及三通阀的旁通阀活门的开度,对风力磁涡流的海水源热泵供暖装置相应工况下蓄热水流量、循环水流量、地暖水流量、海水流量及工质流量进行控制,自动调节供暖系统工作状态。
PLC控制模块首先读取用户设定温度和蓄热水箱温度信号,利用模糊PID控制算法计算温度偏差及其变化率,经输入量模糊化,模糊推理,输出量清晰化,对PID的三个参数Kp、Ki和Kd进行不断调整,选择合适制暖模式,进而调节三通阀的旁通活门的开度和蓄热水泵转速,从而控制系统相应工况下蓄热水和制暖水流量,调节室内温度,从而根据实时蓄热水箱温度、流量参数实现最高制暖效率。
本发明能够根据环境参数和负载需求及时调整设备状态,达到建筑供暖需求,实现能量最优控制及全天候高效稳定制暖,维持稳定发电效率,方便管理人员操控和监测。
本领域的技术人员容易理解,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,其特征在于,该装置包括:第一储液罐、永磁涡轮制热器、储热水箱、蓄热水换热器、海水源热泵、海水换热器和供暖设备;其中,第一储液罐、永磁涡轮制热器和储热水箱串联成第一环,蓄热水换热器、海水源热泵和海水换热器串联成第二环,第一环和第二环通过储热水箱和蓄热水换热器相连;供暖设备分别与储热水箱、海水源热泵串联;海水源热泵入水口处设有加热设备;
该装置还包括垂直轴风机、发电机、电磁离合、接触器和电池;垂直轴风机与发电机相连,发电机通过电磁离合与永磁涡轮制热器相连,发电机还通过接触器与电池相连;
该装置包括四种供暖模式:
MODEL1-风能独立供暖:供暖设备直接与储热水箱相连,储热水箱通过永磁涡轮制热器制热;
MODEL2-风能串联海洋能供暖:供暖设备与海水源热泵相连,海水源热泵、海水换热器和储热水箱串联成环;
MODEL3-风能间接加热供暖:供暖设备与海水源热泵相连,第一环和第二环相连;
MODEL4-海水源热泵单独供暖:供暖设备与海水源热泵相连,海水源热泵通过第二环制热;
该装置的控制方法包括以下步骤:
S1、设置室内的上限温度X1和下限温度X2;
S2、监测蓄热水箱温度t0和海水源热泵入水口温度T1;
S3、当蓄热水箱温度t0大于或等于35℃时,采用MODEL1进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于35℃且大于或等于30℃时,采用MODEL2进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于30℃且大于或等于13℃时,采用MODEL3进行供暖;当蓄热水箱温度t0小于13℃时,采用MODEL4进行供暖;若海水源热泵入水口温度T1小于或等于7℃时,加热设备启动;
S4、监测室内温度t;
S5、判断室内温度t是否小于上限温度X1,若是,则返回步骤S2,若否,则监测蓄热水箱温度t0;
S6、判断室内温度t是否小于下限温度X2,若是,则返回步骤S2;若否,则判断蓄热水箱温度t0是否小于或等于40℃,若是,则垂直轴风机带动永磁涡轮制热器加热蓄水箱,继续监测蓄热水箱温度t0;
S7、若蓄热水箱温度t0大于40℃,垂直轴风机则带动发电机运转,进行发电并存储于电池中。
2.根据权利要求1所述的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,其特征在于,供暖设备出水口连有第二储液罐。
3.根据权利要求1所述的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,其特征在于,供暖设备为制暖盘管。
4.根据权利要求1所述的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,其特征在于,加热设备为电阻丝加热器。
5.根据权利要求1所述的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,其特征在于,电池为梯次电池。
6.根据权利要求1所述的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,其特征在于,该装置的控制方法还包括以下步骤:S8、若停止供暖,则装置保持发电状态。
7.根据权利要求1所述的基于风力磁涡流的海水源热泵供暖装置,其特征在于,控制方法中的步骤S1具体为:设定温度X,将设定温度X±2℃得到上限温度X1、下限温度X2。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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