CN113654242B - 一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统 - Google Patents

一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，包括：采集模块，用于采集室外环境温度；控制模块，基于室外环境温度对空气能热水机组进行控制，通信模块，用于对用户进行远程通信，通信模块采用无线通信的方式进行数据传输，机组状态监控模块，用于监测系统运行的模式、运行工况参数，判断空气能热水机组的工作条件，用户感受模块，用于用户对控制模块的控制成果进行评价；移动端，用于对空气能热水机组进行远程控制。本申请基于BP神经网络实现了控制的智能化，提高了此控制系统给用户带来的舒适性，通过通信模块对移动端的远程通信，使用户可以远程对空气能热水机组进行控制，提升了便利性。

Description

一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统
技术领域
本发明涉及电器智能控制领域，特别是涉及一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统。
背景技术
空气能热泵热水器使用空气这种便于选取的成本很低的清洁能源，空气能广泛地存在于任何地方，可以自由的对其进行利用，因而采用空气能作为空气能热水机组的低温热源具有较高实用价值。空气能热水机组用于进行生产热水的热源是低温热源，所使用的电能仅仅是用来驱动其进行工作，因此在空气能热水机组工作过程中消耗的电能极少，从而有效地消除了传统热水器如燃油、燃气、电能等热水器所存在的缺点：能源消耗过大、对环境造成严重污染等。空气能热水机组具有无污染、安全性高、效率高的技术特点，同时由于空气能热泵热水机组吸取能量的低温热源为空气、水等，从而又可以有效地避免气象条件对热泵热水器的制约，可以全天候地供应热水。因此，空气能热水机组已经广泛地应用到大型公共场所的热水集中供应系统中。
就控制方式而言，目前的空气能热水机组多采用定时和定温两种控制，智能化程度不高，控制效果不理想，且并未考虑室外环境温度对空气能热水机组加热的影响。为此，在远程监控系统中，内置智能控制算法，将会极大地提高控制精确性和系统运行的鲁棒性，能够远程控制热泵热水机组，使得不需要在现场就能够对热泵热水机组的制水温度进行设定。对于一个供能比较完整齐全的监控系统，不仅要求能够远程查看到机组的各种状态信息，更希望能够在监控画面上对被控制机组的具体操作参数进行精确的控制，比如水位、出水温度等参数，来实现真正的远程监控。这就需要一个算法比较完善的远程监控系统，精确的计算出需要操作参数的控制信息，并及时对其输出控制变量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，包括：采集模块和控制模块；
所述采集模块用于采集室外环境温度；
所述控制模块基于所述室外环境温度对所述空气能热水机组进行控制。
可选的，所述采集模块还用于采集水箱温度、液位高度和单日最高室外环境温度，所述单日最高室外环境温度仅在夏季和秋季进行采集。
可选的，所述控制系统还包括机组状态监控模块，用于监测所述水体温度、所述液位高度、系统运行的模式和运行工况参数，判断所述空气能热水机组的工作状态。
可选的，所述控制模块包括DSP数字信号处理器，所述DSP数字信号处理器用于对所述采集模块采集的数据进行处理。
可选的，所述DSP数字信号处理器对所述采集模块采集的数据的处理方法为：
基于所述室外环境温度计算室外环境温度变化量；
基于所述单日最高室外环境温度计算单日最高室外环境温度变化量；
基于所述液位高度计算水体的总体积；
基于所述水体的总体积、预设温度和所述室外环境温度计算加热时间。
可选的，所述控制模块对所述空气能热水机组进行控制的具体方法为：
基于BP神经网络构建控制模型，将所述采集模块采集的数据和所述DSP计算获得的数据整合为数据集；
将数据集分为训练集和测试集；
以所述室外环境温度变化量、所述单日最高室外环境温度变化量、所述加热时间以及所述水体的总体积为输入，以所述预设温度和启停时间为输出，对所述控制模型进行训练；
基于激活函数和惩罚因子优化所述控制模型，直到迭代次数达到预设值，获得训练结束的控制模型；
基于所述训练结束的控制模型对所述空气能热水机组控制进行控制。
可选的，所述预设温度由用户设置，使所述控制系统能够根据用户用水习惯调整制水温度。
可选的，所述控制系统还包括用户感受模块，用于用户对所述控制模块的控制成果进行评价，评价内容包括水温、水量、以及加热时间，其中针对所述水温的评价选项包括过高、合适和过低，针对所述水量的评价选项包括过多、合适和过少，针对所述加热时间的评价选项包括：较长、合适和较短。
可选的，所述控制系统还包括通信模块，用于对用户进行远程通信，所述通信模块采用无线通信的方式进行数据传输。
可选的，所述控制系统还包括移动端，用于对所述空气能热水机组进行远程控制，所述远程控制基于所述通信模块实现。
本发明公开了以下技术效果：
本申请通过采集的室外环境温度和单日最高室外环境温度计算出温度变化量，其中单日最高室外环境温度只在夏季和秋季进行采集，再结合其余采集的数据构建成数据集，通过BP神经网络对控制系统进行优化，获得了智能控制系统，实现了控制的智能化，本申请还采用了用户感受模块，可以通过用户的主观感受对本系统进行优化、设置以及管理。提高了此控制系统给用户带来的舒适性，通过通信模块对移动端的远程通信，使用户可以远程对空气能热水机组进行控制，提升了便利性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中的室外环境温度对空气能热水机组COP影响的示意图；
图2为本申请实施例中的室外环境温度对空气能热水机组制热量影响的示意图；
图3为本申请实施例中的空气能热水机组COP工况示意图；
图4为本申请实施例中的空气能热水机组制热工况示意图；
图5为本申请实施例中的空气能热水机组控制系统的结构示意图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，包括：采集模块和控制模块；
所述采集模块用于采集室外环境温度；
所述控制模块基于所述室外环境温度对所述空气能热水机组进行控制。
可选的，所述采集模块还用于采集水箱温度、液位高度和单日最高室外环境温度，所述单日最高室外环境温度仅在夏季和秋季进行采集。
可选的，所述控制系统还包括机组状态监控模块，用于监测所述水体温度、所述液位高度、系统运行的模式和运行工况参数，判断所述空气能热水机组的工作状态。
可选的，所述控制模块包括DSP数字信号处理器，所述DSP数字信号处理器用于对所述采集模块采集的数据进行处理。
可选的，所述DSP数字信号处理器对所述采集模块采集的数据的处理方法为：
基于所述室外环境温度计算室外环境温度变化量；
基于所述单日最高室外环境温度计算单日最高室外环境温度变化量；
基于所述液位高度计算水体的总体积；
基于所述水体的总体积、预设温度和所述室外环境温度计算加热时间。
可选的，所述控制模块对所述空气能热水机组进行控制的具体方法为：
基于BP神经网络构建控制模型，将所述采集模块采集的数据和所述DSP计算获得的数据整合为数据集；
将数据集分为训练集和测试集；
以所述室外环境温度变化量、所述单日最高室外环境温度变化量、所述加热时间以及所述水体的总体积为输入，以所述预设温度和启停时间为输出，对所述控制模型进行训练；
基于激活函数和惩罚因子优化所述控制模型，直到迭代次数达到预设值，获得训练结束的控制模型；
基于所述训练结束的控制模型对所述空气能热水机组控制进行控制。
可选的，所述预设温度由用户设置，使所述控制系统能够根据用户用水习惯调整制水温度。
可选的，所述控制系统还包括用户感受模块，用于用户对所述控制模块的控制成果进行评价，评价内容包括水温、水量、以及加热时间，其中针对所述水温的评价选项包括过高、合适和过低，针对所述水量的评价选项包括过多、合适和过少，针对所述加热时间的评价选项包括：较长、合适和较短。
可选的，所述控制系统还包括通信模块，用于对用户进行远程通信，所述通信模块采用无线通信的方式进行数据传输。
可选的，所述控制系统还包括移动端，用于对所述空气能热水机组进行远程控制，所述远程控制基于所述通信模块实现。
本发明通过研究空气能热水机组在不同环境温度下的COP(制热性能系数)和制热量，获得其关系，如图1，图2所示。
通过拟合环境温度与空气能热水机组的COP和制热量之间的关系，发现其COP满足：
Figure BDA0003208752450000071
式中x表述环境温度，单位为℃，y表示空气能热水机组COP。
Figure BDA0003208752450000081
式中x表述环境温度，单位为℃，y表示空气能热水机组制热量，单位为kW。
从图1，图2可以发现空气能热水机组COP和制热量与环境温度有着良好的相关性，且COP和制热量随着环境温度的增加均呈现上升现象；
当环境温度在-15℃～5℃时，性能提升速度较慢，且远低于额定工况下的COP和制热量，因此在选择空气能热水机组制取热水需考虑工程地点最低温度是否满足制热需求；
而当环境温度在5～25℃时，空气能热水机组COP和制热量提升速度加快，此时空气能热水机组对环境温度敏感，机组运行良好；
而当环境温度高于25℃时，其性能提升速度变缓，此时机器已达到额定工况，所以增加幅度较低。
典型日运行特性分析：
从空气能热水机组日运行状况来看，一天24小时所对应的工况也是不同，对此本发明分析了全年四季中3月1日、6月1日、9月1日和12月1日全天24小时空气能热水机组运行工况，其COP见图3，制热量见图4。
从图3可以看出空气能热水机组总体呈现出先减小后增加最后在减小，其中COP最小值在5点，14点时COP处于最大值，这是由于早上5点为全天温度最低点，而14时为全天24小时中最热时间段，因此要满足空气能热水机组最大效率运行，需要在14点前后时间段进行开启。而对于12月1日此种过渡季节工况，此时由于全天24小时室外环境温度变化不大，由公式(1)可知其COP变化较小。
由上述分析可知空气能热水机组在14时左右其制热量和COP达到最大值，且通过其运行特性曲线可知，空气能热水机组的制热量与COP随着室外环境温度的增加逐渐增加。
通过对空气能热水机组在全年，最热月，最冷月，最冷日及最热日的运行特性分析，本申请可得到以下结论。
(1)空气能热水机组的制热量和COP随着环境温度的升高，制热量和COP变化一致且均增加；
(2)在全年运行过程中，空气能热水机组在夏季运行制热效果最好，过渡季节次之，冬季最差；
(3)在全天24小时运行过程中，空气能热水机组在中午时段效率最高，制热性能最强；
(4)空气能热水机组作为制热水装置，运行最为节能且其投资低，
资金回收期短。
控制模块中包括DSP数字信号处理器，用于处理采集模块采集到的数字信息，通过采集的几天内的室外环境温度进行计算，获得室外环境温度变化量，再基于室外环境温度和室外环境温度的变化量计算应设定的水温，且所述应设定的水温有下限，最低不可低于此下限，具体的下限温度由用户设定。3月1日、6月1日、9月1日和12月
其中室外环境温度根据季节取，将一年分为2月1日-5月1日、5月1日-8月1日、8月1日-11月1日，11月1日-2月1日四个季节，对应春、夏、秋、冬。春、冬两季按照每天8：00、12：00、16：00这三个时间点的测量值取平均值作为室外环境温度，夏和秋除了按照按照每天8：00、12：00、16：00这三个时间点的测量值取平均值作为室外环境温度以外，还单独采取16：00这个时间的温度作为单日最高室外环境温度参与室外环境温度变化量的计算。且空气能热水机组在夏季和秋季的开关在14点前后时间段进行加热。
通过读取近两日的温度值做差值，获得室外环境温度变化量，设定预定水温作为输出量，采集若干组实测数据作为数据集，将数据集分为训练集和测试集，基于BP深度神经网络构建控制模型，以室外环境温度变化量和单日最高室外环境温度作为输入，预定水温作为输出，对控制模型进行计算，并通过惩罚函数和奖励函数对模型进行优化，获得最终的控制模型。
可选的，也可采用模糊控制器计算输出量。
本申请中的采集模块包括若干子模块，其中用于采集液位高度的子模块包括超声波测距子模块、雷达液位测距子模块，激光液位测距子模块，可选的，本实施例选择超声波测距子模块为例，采用HC-SR04超声波测距模块，能够实现2cm-400cm的非接触式距离感应测量，测量距离的精度能够控制在3mm以内；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路三部分。
通信模块采用无线方式，可选的，包括：4G、5G、WIFI和GPRS的方式进行数据的传输。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：包括：采集模块和控制模块；
所述采集模块用于采集室外环境温度；
所述控制模块基于所述室外环境温度对所述空气能热水机组进行控制；
所述控制模块对所述空气能热水机组进行控制的具体方法为：
基于BP神经网络构建控制模型，将所述采集模块采集的数据和DSP计算获得的数据整合为数据集；
将数据集分为训练集和测试集；
以所述室外环境温度变化量、单日最高室外环境温度变化量、加热时间以及水体的总体积为输入，以预设温度和启停时间为输出，对所述控制模型进行训练；
基于激活函数和惩罚因子优化所述控制模型，直到迭代次数达到预设值，获得训练结束的控制模型；
基于所述训练结束的控制模型对所述空气能热水机组控制进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：所述采集模块还用于采集水箱温度、液位高度和单日最高室外环境温度，所述单日最高室外环境温度仅在夏季和秋季进行采集。
3.根据权利要求2所述的基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括机组状态监控模块，用于监测所述水体温度、所述液位高度、系统运行的模式和运行工况参数，判断所述空气能热水机组的工作状态。
4.根据权利要求2所述的基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：所述控制模块包括DSP数字信号处理器，所述DSP数字信号处理器用于对所述采集模块采集的数据进行处理。
5.根据权利要求4所述的基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：所述DSP数字信号处理器对所述采集模块采集的数据的处理方法为：
基于所述室外环境温度计算室外环境温度变化量；
基于所述单日最高室外环境温度计算单日最高室外环境温度变化量；
基于所述液位高度计算水体的总体积；
基于所述水体的总体积、预设温度和所述室外环境温度计算加热时间。
6.根据权利要求1所述的基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：所述预设温度由用户设置，使所述控制系统能够根据用户用水习惯调整制水温度。
7.根据权利要求1所述的基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括用户感受模块，用于用户对所述控制模块的控制成果进行评价，评价内容包括水温、水量、以及加热时间，其中针对所述水温的评价选项包括过高、合适和过低，针对所述水量的评价选项包括过多、合适和过少，针对所述加热时间的评价选项包括：较长、合适和较短。
8.根据权利要求1所述的基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括通信模块，用于对用户进行远程通信，所述通信模块采用无线通信的方式进行数据传输。
9.根据权利要求8所述的基于室外环境温度的空气能热水机组控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括移动端，用于对所述空气能热水机组进行远程控制，所述远程控制基于所述通信模块实现。
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