CN113932458B - 集热系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种集热系统及其控制方法，其能够进行效率更好的泵控制。集热系统(1)包括：太阳能集热器(10)；蓄热槽(20)；集热泵(P)，作为用于在太阳能集热器(10)和蓄热槽(20)之间使热介质循环的动力源；第一计算部(41)，计算在太阳能集热器(10)中能够获得的集热量；第二计算部(42)，计算集热系统效率，该集热系统效率是用由第一计算部(41)算出的集热量除以集热泵(P)的消耗电力而到的；以及泵控制部(43)，在由第二计算部(42)算出的集热COP为COPON以上的情况下，使集热泵(P)运转，在由第二计算部(42)算出的集热COP小于COPOFF的情况下，使集热泵(P)停止。

Description

集热系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及集热系统及其控制方法。
背景技术
以往就已知一种利用太阳能进行集热的集热系统(例如参照专利文献1)。在该集热系统中，例如使热介质在太阳能集热器和蓄热槽中循环。热介质的循环中利用集热泵。在集热系统中集热泵进行差动控制，在太阳能集热器的出入口的温度差(T1’-T2’)为温度差Th以上时运转，在为Tl(小于Th的温度)以下时停止。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：特开2017-166783号公报
发明内容
[发明要解决的技术问题]
然而，上述集热泵仅根据太阳能集热器的出入口的温度差(T1’-T2’)来进行控制，有时也会在实际的集热量不高的情况下运转，或者集热量高的情况下停止。因此，存在如下课题：例如即使在存在日照，可以期待一定程度的集热的条件下，若温度差(T1’-T2’)为Tl以下，则集热泵停止。
另外，集热泵还进行如下控制：将流量设定为可变以使太阳能集热器的出口温度T1’成为预定的温度。然而，即使在该情况下，也由于根据出口温度T1’控制集热泵，所以在集热量的方面难以说进行了良好的控制。
此外，使用的集热泵具有多个种类，各自消耗电力不同，因此依据集热泵的种类而应运转集热泵的集热量的基准也是不同的，即使以集热量为基准使集热泵运转或停止，也难以说进行适当的泵控制。
本发明是为了解决这样的现有的技术问题而提出的，其发明的目的在于，提供一种集热系统及其控制方法，其能够进行效率更好的泵控制。
[用于解决技术问题的技术手段]
本发明的集热系统包括：太阳能集热器，构成为利用接收太阳光而得到的热来加热热介质；蓄热槽，构成为基于所述热介质进行蓄热；以及集热泵，构成为使所述热介质在所述太阳能集热器和所述蓄热槽之间循环，在该集热系统中，包括：第一计算装置，构成为计算在所述太阳能集热器中能够获得的集热量；第二计算装置，构成为计算集热系统效率，该集热系统效率是用所述集热量除以所述集热泵的消耗电力而得到的值；以及泵控制装置，构成为在所述集热系统效率为第一预定值以上时，使所述集热泵运转，在所述集热系统效率小于第二预定值时，使所述集热泵停止，其中，所述第二预定值为所述第一预定值以下。
另外，本发明的集热系统的控制方法，集热系统包括：太阳能集热器，构成为利用接收太阳光而得到的热来加热热介质；蓄热槽，构成为基于所述热介质进行蓄热；以及集热泵，构成为使所述热介质在所述太阳能集热器和所述蓄热槽之间循环，在集热系统的控制方法中，包括：计算在所述太阳能集热器中能够获得的集热量的步骤；计算集热系统效率的步骤，该集热系统效率是用所述集热量除以所述集热泵的消耗电力而得到的值；在所述集热系统效率为第一预定值以上的情况下，使所述集热泵运转的步骤；以及在所述集热系统效率小于第二预定值的情况下停止所述集热泵的步骤，其中第二预定值为所述第一预定值以下。
[发明效果]
根据本发明，能够提供一种集热系统及其控制方法，其能够进行效率更好的泵控制。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的集热系统的结构图。
图2是示出由控制装置存储的相关数据的概念图。
图3是示出图1所示的泵控制部进行的集热泵的运转控制的概念图。
图4是示出本发明的实施方式的集热系统的控制方法的流程图。
图5是示出图4所示的集热量计算处理的一个示例的流程图。
图6是示出图4所示的集热量计算处理的其他示例的流程图。
具体实施方式
下面，按照优选的实施方式说明本发明。此外，本发明并不局限于下文所示的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够适当变更。另外，无需说明的是，在下文所示的实施方式中，存在省略局部结构的图示或说明之处，但针对省略的技术的详细，在不与下文说明的内容产生矛盾点的范围内，可以适当采用公知或周知的技术。
图1是示出本发明的实施方式的集热系统的结构图。图1所示的集热系统1包括太阳能集热器10、蓄热槽20、集热泵P、配管R1～R4、各种传感器T1～T3、Ta、30、以及控制装置40。
太阳能集热器10被设置在光照良好的住宅或建筑物等的房顶等，通过接收太阳光而得到的热来对热介质(例如暖水)进行加热。太阳能集热器10和蓄热槽20通过第一循环配管R1及第二循环配管R2连接。更详细而言，第一循环配管R1连接蓄热槽20的下部与太阳能集热器10。另外，第二循环配管R2连接太阳能集热器10和蓄热槽20的上部。第一循环配管R1及第二循环配管R2构成为热介质在内部流动。
蓄热槽20通过存储由太阳能集热器10加热后的热介质来进行蓄热。集热泵P是用于使热介质在太阳能集热器10与蓄热槽20之间循环的动力源，被设置在第一循环配管R1上。通过该集热泵P工作，热介质在太阳能集热器10和蓄热槽20中循环。更详细而言，蓄热槽20的下部的热介质(蓄热槽20内的热介质中温度比较低的热介质)被供给至太阳能集热器10，由太阳能集热器10加热后的热介质返回蓄热槽20的上部。此外，集热泵P也可以被设置在第二循环配管R2上。
热介质去程配管R3和热介质返回配管R4使热介质在与利用暖水的设备之间循环。例如利用暖水的设备是暖水加热吸收式冷暖水机的情况下，蓄热槽20的上部的热介质经由热介质去程配管R3被供给至暖水加热吸收式冷暖水机的再生器，在吸收液的再生中被利用，温度降低后，通过热介质返回配管R4返回蓄热槽20的下部。
第一温度传感器T1用于测量太阳能集热器10的出口的热介质温度，在第二循环配管R2中被设置在太阳能集热器10侧。第二温度传感器T2被设置在蓄热槽20的下部，用于测量该位置处的热介质温度，第三温度传感器T3被设置在蓄热槽20的上部，用于测量该位置处的热介质温度。外部气温传感器Ta用于测量集热系统1(尤其是太阳能集热器10)的周边处的外部气温。日照量传感器30用于测量日照量，为了测量对于太阳能集热器10的日照量，例如在太阳能集热器10的附近位置朝向相同方向设置。来自各种传感器T1～T3、Ta、30的信号被发送给控制装置40。
控制装置40控制整个集热系统1，在本实施方式中，控制集热泵P的运转。该控制装置40根据来自各种传感器T1～T3、Ta、30的信号控制集热泵P的运转。这样的控制装置40包括第一计算部(第一计算装置)41、第二计算部(第二计算装置)42、以及泵控制部(泵控制装置)43。
第一计算部41计算在太阳能集热器10中能够获得的集热量。第一计算部41根据集热效率×集热面积〔m2〕×日照量〔kJ/m2〕的公式，计算集热量〔kJ〕。在此，集热面积相当于太阳能集热器10的面积，被预先存储在例如控制装置40中。日照量利用基于来自日照量传感器30的信号而测量的值。
集热效率η根据太阳能集热器10的温度与外部气温之差Δθ、全天日照量I、以及图2所示的相关数据算出。对于温度差Δθ，将根据来自第一温度传感器T1的信号测量的热介质温度作为太阳能集热器10的温度，采用该温度与根据来自外部气温传感器Ta的信号测量的外部温度之差。全天日照量I采用根据来自日照量传感器30的信号测量的值。此外，太阳能集热器10的温度是本实施方式的第一温度传感器T1测量太阳能集热器10的出口的热介质温度而得到的，因此可以采用热介质的出口侧温度，但不限定于此，也可以采用太阳能集热器10的入口侧温度，也可以采用入口侧与出口侧的平均温度。在此情况下，无需说明的是，在太阳能集热器10的入口侧设置有温度传感器。在下文中，假定采用基于第一温度传感器T1的检测温度作为太阳能集热器10的温度而进行说明。
图2是示出由控制装置40存储的相关数据的概念图。如图2所示，集热效率η可以根据a0－a1×(Δθ/I)－a2×(Δθ/I)2来计算。在此，a0、a1、a2是常数。常数a0、a1、a2可以是由太阳能集热器10的厂商等公开的已知的值(预先存储的值)，也可以是根据太阳能集热器10的设置状况等而由第一计算部41校正的值。
如以上所述，第一计算部41根据图2所示的相关数据、来自第一温度传感器T1的信号、来自外部气温传感器Ta的信号、以及来自日照量传感器30的信号，计算集热效率η。
此外，第一计算部41并不局限于上述，也可以根据热介质流量〔kg/h〕×集热器出入口温度差〔K〕×比热〔kJ/kg·K〕的运算式，计算集热量〔kJ〕。关于热介质流量，通过在第一循环配管R1上重新设置流量传感器来检测。此外，并不限定于此，也可以是，如果集热泵P为固定流量，则也可以预先测定流量并存储在控制装置40中。关于集热器出入口温度差，也可以重新在太阳能集热器10的入口侧设置温度传感器，并采用其与第一温度传感器T1的温度差，还可以将根据来自第二温度传感器T2的信号测量的温度作为太阳能集热器10的入口侧的温度，并采用其与第一温度传感器T1的温度差。关于比热，可以采用预先存储在控制装置40中的值，也可以根据热介质温度每次进行计算。
第二计算部42计算用由第一计算部41算出的集热量除以集热泵P的消耗电力而得到的集热系统效率(以下，称为集热COP)。由此，第二计算部42计算相对于集热泵P的消耗电力(消耗能量)的集热量，计算表示是否能够效率更好地进行集热的值。此外，第二计算部42可以根据来自功率计等的信号测量消耗电力，也可以采用对应于集热泵P的种类等而预先存储的消耗电力。
泵控制部43控制集热泵P的运转。图3是示出图1所示的泵控制部43进行的集热泵P的运转控制的概念图。如图3所示，泵控制部43在集热泵P停止的状态下，在由第二计算部42算出的集热COP为COPON(第一预定值)以上时使集热泵P运转。另外，在集热泵P运转的状态下，泵控制部43在由第二计算部42算出的集热COP小于COPOFF(第二预定值)的情况下使集热泵P停止。此外，COPOFF为COPON以下的值。另外，特别地，针对COPON的值，被设定为相比于锅炉等其他设备或其他系统，效率更差的值。
如上所示，本实施方式的集热系统1构成为：根据集热COP使集热泵P运转或停止，因此能够在相对于集热泵P的消耗电力可以期待更大的集热量的状况下使集热泵P运转并集热，能够进行效率更好的泵控制。
图4是示出本发明的实施方式的集热系统1的控制方法的流程图。此外，重复执行图4所示的处理直至断开集热系统1的控制装置40的电源。
首先，如图4所示，控制装置40的第一计算部41执行集热量计算处理(S1)。由此，计算在太阳能集热器10中能够获得的集热量。接着，第二计算部42测量集热泵P的消耗电力(S2)。此外，集热泵P的消耗电力可以采用预先确定的值。接着，第二计算部42用在步骤S1中算出的集热量除以在步骤S2中测量的消耗电力，从而计算集热COP(S3)。
其后，泵控制部43进行可否集热判定(S4)。在该处理中，泵控制部43如参照图3进行说明的那样，判断使集热泵P运转还是停止。在泵控制部43判断为使集热泵P运转的情况下(S4：开)，泵控制部43使集热泵P运转(S5)。其后，处理移至步骤S7。
另一方面，在泵控制部43判断为不使集热泵P运转的情况下(S4：关)，泵控制部43使集热泵P停止(S6)。其后，处理移至步骤S7。
在步骤S7中，控制装置40判断从前次的集热量计算处理(S1)是否经过了一定时间(S7)。此外，在该处理中，并不局限于判断从前次的集热量计算处理(S1)是否经过了一定时间的情况，例如也可以判断从图4所示的处理的开始时刻是否经过了一定时间，也可以判断从前次切换集热泵P的运转和停止的时刻是否经过一定时间。在没有经过一定时间的情况下(S7：否)，重复该处理直到经过一定时间。另一方面，在经过了一定时间的情况下(S7：是)，图4所示的处理结束。
图5是示出图4所示的集热量计算处理(S1)的一个示例的流程图。如图5所示，首先，控制装置40根据来自日照量传感器30及外部气温传感器Ta的信号，测量日照量和外部气温(S11)。接着，控制装置40在步骤S12～S14中，获取用于校正参照图2说明的式(集热效率η＝a0－a1×(Δθ/I)－a2×(Δθ/I)2)的常数a0、a1、a2(预先由太阳能集热器10的厂商等公示的已知的值(预先存储的值))的数据。
即，首先，控制装置40读取太阳能集热器10的设置角度、设置方位、设置坐标、以及当前时刻数据(S12)。接着，控制装置40计算太阳能集热器10的日照入射角(S13)。接着，控制装置40读取热介质条件(热介质物性值或流量)(S14)。
其后，控制装置40测量太阳能集热器10的温度(S15)。接着，第一计算部41根据在步骤S12～S14中得到的数据等，校正太阳能集热器10的厂商等公示的已知的值(预先存储的值)a0、a1、a2，并且将基于在步骤S11、S15中得到的测量值的日照量I或温度差ΔT应用于关系式，计算集热效率η(S16)。接着，第一计算部41根据集热效率×集热面积〔m2〕×日照量〔kJ/m2〕的公式，计算集热量〔kJ〕(S17)。其后，图5所示的处理结束。
图6是示出图4所示的集热量计算处理(S1)的其他示例的流程图。如图6所示，首先，控制装置40测量热介质流量(S21)。其后，测量太阳能集热器10的出入口温度(S22)。其后，第一计算部41根据热介质流量〔kg/h〕×集热器出入口温度差〔K〕×比热〔kJ/kg·K〕的运算式，计算集热量〔kJ〕(S23)。其后，图6所示的处理结束。
这样，根据本实施方式的集热系统1及其控制方法，计算太阳能集热器10中能够获得的集热量，并计算除以集热泵P的消耗电力所得到的集热COP，然后根据集热COP控制集热泵P的运转，因此，在相对于运转集热泵P的情况下所消耗的电力而得到的集热量的比例高于某程度时，打开集热泵P，能够进行相对于消耗电力效率良好的集热泵P的运转。因此，能够进行效率更好的泵控制。
另外，在根据由第二计算部42算出的集热COP使集热泵P运转或停止的情况下，泵控制部43对于该集热泵P，将其运转状态维持一定时间。因此，不会频繁地切换集热泵P的运转状态，能够抑制因反复运转和停止引起的效率降低。
并且，在如以往那样仅根据温度差进行集热泵P的运转控制的情况下，若不配合每年的气象变化来调整温度差的设定值，则控制效率可能会变差，但在基于集热COP进行集热泵P的运转控制的情况下，没有调整的麻烦。
以上，基于实施方式说明了本发明，但本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内，可以施加变更，也可以适当组合公知或周知的技术。
例如，本实施方式的集热系统1对太阳能集热器10供给蓄热槽20的暖水，对暖水加热，但并不限定于此，也可以是在蓄热槽20内具备换热器，在太阳能集热器10与换热器之间使防冻液(热介质)循环。
另外，在上述的流程图中，处理的顺序并不限定于图示的顺序。例如，图4所示的步骤S1和步骤S2可以先执行步骤S2的处理，图5所示的步骤S11～步骤S14的处理，若步骤S13的处理在步骤S12的处理之后，则其他处理的顺序也可以更换。图6的步骤S21及步骤S22的处理也可以同样地更换。
另外，在根据图2计算集热效率η的情况下，可以使用厂商公示的集热效率曲线图按照其进行计算，还可以根据基于流量或串联设置片数进行了效率校正后的曲线图来进行计算。另外，集热效率曲线图的横轴通常为Δθ/I，但也可以设定为Δθ。
并且，集热COP的计算、或设定的COPON和COPOFF的值也可以包含集热配管损失等系统回路的热损失。此外，在本实施方式中，根据当前的测量数据等来控制集热泵P的运转，但并不限定于此，也可以根据测定的日照量等的数据进行预测运算，并基于预测运算出的数据来控制集热泵P的运转。
[附图标记说明]
1：集热系统；10：太阳能集热器；20：蓄热槽；30：日照量传感器；40：控制装置；41：第一计算部(第一计算装置)；42：第二计算部(第二计算装置)；43：泵控制部(泵控制装置)；P：集热泵。

Claims (3)

1.一种集热系统，包括：
太阳能集热器，构成为利用接收太阳光而得到的热来加热热介质；
蓄热槽，构成为基于所述热介质进行蓄热；
集热泵，构成为使所述热介质在所述太阳能集热器和所述蓄热槽之间循环；以及
日照量传感器，其用于测量对于所述太阳能集热器的日照量，
所述集热系统特征在于，
具备：
第一计算装置，构成为基于来自所述日照量传感器的信号计算在所述太阳能集热器中能够获得的集热量；
第二计算装置，构成为计算集热系统效率，所述集热系统效率是用所述集热量除以所述集热泵的消耗电力而得到的值；以及
泵控制装置，构成为不论所述蓄热槽中的热介质温度如何，在所述集热系统效率为第一预定值以上时，从所述集热泵停止的状态起使所述集热泵运转，在所述集热系统效率小于第二预定值时，从所述集热泵运转的状态起使所述集热泵停止，其中，所述第二预定值为所述第一预定值以下。
2.根据权利要求1所述的集热系统，其特征在于，
所述泵控制装置构成为在根据所述集热系统效率使所述集热泵运转或停止的情况下，对于该集热泵使其运转状态维持一定时间。
3.一种集热系统的控制方法，所述集热系统包括：
太阳能集热器，构成为利用接收太阳光而得到的热来加热热介质；
蓄热槽，构成为基于所述热介质进行蓄热；
集热泵，构成为使所述热介质在所述太阳能集热器和所述蓄热槽之间循环；以及
日照量传感器，其用于测量对于所述太阳能集热器的日照量，
所述集热系统的控制方法的特征在于，包括：
基于来自所述日照量传感器的信号计算在所述太阳能集热器中能够获得的集热量的步骤；
计算集热系统效率的步骤，所述集热系统效率是用所述集热量除以所述集热泵的消耗电力而得到的值；
不论所述蓄热槽中的热介质温度如何，在所述集热系统效率为第一预定值以上时，从所述集热泵停止的状态起使所述集热泵运转的步骤；以及
在所述集热系统效率小于第二预定值时，从所述集热泵运转的状态起使所述集热泵停止的步骤，其中，所述第二预定值为所述第一预定值以下。
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