CN201081470Y - 一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置 - Google Patents

一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置 Download PDF

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郝庆
郁松涛
张子平
刘志扬
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Abstract

一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于该系统包括五部分：即太阳能集热系统、地下埋管换热器系统、热泵机组、风机盘管系统、直接数字控制系统；其中热泵机组是地下埋管换热器系统与风机盘管系统间进行热量交换的中介设备，热泵机组与太阳能集热系统相连接，风机盘管系统与热泵机组相连接，地下埋管换热器系统与太阳能集热系统的贮热水箱相连接，太阳能集热系统与热泵机组的信息反馈给直接数字控制系统；直接数字控制系统控制地下埋管换热器系统与太阳能集热系统。本实用新型的优越性在于地下埋管换热器循环水泵和太阳能集热系统循环水泵能够根据空调系统负荷的变化开启或关闭，节省了空调系统的运行费用。

Description

一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置
(一)技术领域：
本实用新型涉及一种供热、供燃气、通风及空调工程专业中土壤源热泵系统的的控制装置，特别是一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置。
(二)背景技术：
在冬季热负荷较大、土壤的温度较低的地区使用土壤源热泵系统，为了满足冬季热负荷的需要，势必要加大地下埋管换热器的长度，这将造成系统初投资大大增加。另外当热泵机组长时间连续运行时，会导致土壤温度降低，机组的蒸发温度降低，机组的性能系数下降，效率下降。为了提高系统的经济性，减少初投资，扩大土壤源热泵系统的使用范围，可以考虑使用辅助加热系统，从而形成了辅助加热的复合土壤源热泵系统。太阳能是地球上最丰富的清洁能源资源，处处皆是，无需输送，可就地使用。太阳能可以作为辅助土壤源热泵系统辅助加热的一种形式。然而由于各地区的太阳辐射强度不同，且太阳辐射能的大小随着季节与昼夜而有规律的变化，同时太阳辐射能还受到天气因素(阴晴雨云)的强烈影响，太阳辐射具有间歇性和很大的不稳定性。因此要利用太阳能，就必须解决其间断性与不可靠性问题。
(三)发明内容：
本实用新型的目的在于提供一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，它可以克服现有技术中的缺点，解决太阳能辅助土壤源热泵供热系统中太阳能利用的间断性及其不可靠性，该装置不仅能够充分利用太阳辐射能，而且能够弥补冬季热负荷大地区土壤源热泵制热量不足、制热效率低及埋地盘管多、投资大等缺陷，同时可以使土壤温度得到一定程度的恢复，从而使得土壤源热泵性能系数得以提高。
本实用新型的技术方案：一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于该系统包括五部分：即太阳能集热系统、地下埋管换热器系统、热泵机组、风机盘管系统、直接数字控制(directdigital control，简称DDC)系统；其中热泵机组是地下埋管换热器系统与风机盘管系统间进行热量交换的中介设备，热泵机组与太阳能集热系统相连接，风机盘管系统与热泵机组相连接，地下埋管换热器系统与太阳能集热系统的贮热水箱相连接，太阳能集热系统与热泵机组的信息反馈给直接数字控制系统；直接数字控制系统控制地下埋管换热器系统与太阳能集热系统。
上述所说的太阳能集热系统中，循环水泵依次与蝶阀、铂电阻温度传感器、全玻璃真空管太阳能集热器、铂电阻温度传感器、蝶阀、电磁阀、贮热水箱、电磁阀、除污器、蝶阀相连接。
上述所说的全玻璃真空管太阳能集热器倾角与当地纬度一致且避开建筑物阴影的位置；在与全玻璃真空管太阳能集热器同纬度同高度且避开建筑物阴影的位置处安装有实时测量太阳能总辐射强度q(w/m2)的天空辐射表。
上述所说的铂电阻温度传感器安装在全玻璃真空管太阳能集热器的出水管上T1，全玻璃真空管太阳能集热器的进水管上T2。
上述所说的贮热水箱为不锈钢板焊接，内外壁是经过防腐处理的，水箱顶部安装有自动放气阀，贮热水箱底部有泻水管和补水管，其中泻水管上安装有球阀，补水管接自来水。贮热水箱内安装板式换热器，板式换热器浸泡在水中，板式换热器与地下埋管换热器系统连接；贮热水箱的顶部安装有铂电阻温度传感器T3，底部安装有铂电阻温度传感器T4，板式换热器的出水管上安装有铂电阻温度传感器T5。
上述所说的地下埋管换热器系统中，地下埋管换热器依次与循环水泵、蝶阀、电磁阀相连接。
上述所说的地下埋管换热器系统由地下埋管换热器系统1和地下埋管换热器系统2组成；地下埋管换热器系统1和地下埋管换热器系统2的地下埋管换热器是间隔布置的，地下埋管换热器系统1连接太阳能集热系统中的板式换热器后再与热泵机组连接；地下埋管换热器系统2直接与热泵机组连接。
上述所说的地下埋管换热器系统1有2种运行模式，其中模式1中地下埋管换热器系统1与太阳能集热系统系统中的板式换热器连接吸热后，再与地下埋管换热器连接；模式2中地下埋管换热器系统1与地下埋管换热器直接连接；地下埋管换热器系统2有1种运行模式，地下埋管换热器先与热泵机组连接，然后与地下埋管换热器连接。
上述所说的热泵机组中，热泵机组依次与铂电阻温度传感器、自动放气阀、定压水泵、Y型除污器相连接；其中铂电阻温度传感器安装在热泵机组蒸发器进水管上T8、热泵机组冷凝器进水管上T6、热泵机组冷凝器出水管上T7，在热泵机组冷凝器的出水干管上安装有涡轮流量计。
上述所说的风机盘管系统中，自动放气阀依次与风机盘管、定压水泵、Y型除污器、蝶阀、循环水泵、蝶阀相连接。
上述所说的直接数字控制系统包括含有模拟量输入接口板、模拟量输出接口板的工控机和1块热电阻信号模拟量输入调理板、1块电压/电流信号模拟量输入调理板、2块开关量输出调理板；热电阻信号模拟量输入调理板和电压/电流信号模拟量输入调理板连接工控机内的模拟量输入接口板；开关量输出调理板连接工控机内的模拟量输出接口板；所说的工控机应当包括19纯平显示器、主机、鼠标、键盘；主机包括内存、硬盘、主板，模拟量输入接口板、模拟量输出接口板；硬盘中安装有组太软件FIX；其中热电阻信号模拟量输入调理板与太阳能集热系统和热泵机组中的铂电阻温度传感器连接；电压/电流信号模拟量输入调理板与天空辐射表和涡轮流量计连接；开关量输出调理板与循环水泵和电磁阀连接。
本实用新型各部件连接的作用与说明：
全玻璃真空管太阳能集热器的面积根据太阳能辅助量的多少计算。
铂电阻温度传感器安装在全玻璃真空管太阳能集热器的出水管上T1，全玻璃真空管太阳能集热器的进水管上T2，贮热水箱的顶部T3，贮热水箱的底部T4，板式换热器的出水管上T5，热泵机组蒸发器进水管上T8、热泵机组冷凝器进水管上T6、热泵机组冷凝器出水管上T7，它们连接到DDC系统中热电阻信号模入调理板上，实时显示八个位置的温度；天空辐射表安装在与全玻璃真空管太阳能集热器同纬度同高度且避开建筑物阴影的位置，涡轮流量计安装在热泵机组冷凝器的出水干管上，天空辐射表和涡轮流量计连接到DDC系统中电压/电流信号模拟量输入调理板上，实时显示太阳能总辐射强度q(w/m2)和风机盘管系统的水流量G(m3/h)。
直接数字化控制系统通过安装在热泵机组冷凝器进水管、热泵机组冷凝器出水管的铂电阻温度传感器和热泵机组冷凝器的出水干管上的涡轮流量计，来计算空调系统的实时热负荷。通过实时热负荷与设计热负荷的比较和铂电阻温度传感器所显示的温度间的比较，来控制地下埋管换热器系统的运行模式。
模拟量输入接口板，主要用于将模拟量输入调理板(热电阻信号模拟量输入调理板、电压/电流信号模拟量输入调理板)调理的现场模拟信号(温度、流量、太阳能总辐射强度)转换成12位数字信号，直接供计算机接受，实现A/D模拟量向数字量的转换，供显示器显示现场采集的温度、流量和太阳能总辐射强度的实时数据；模拟量输出接口板，主要用于接受计算机送来的二进制数字信号，直接经D/A转换芯片转换成模拟电压输出给模拟量输出调理板(开关量输出调理板)，用于输出控制电磁阀和循环水泵的开关信号；热电阻信号模拟量输入调理板，主要用于接受现场输来的电阻信号，并输入到模拟量输入接口板中进行模拟量向数字量的转换；电压/电流模拟量输入调理板，主要用于接受现场输来的涡轮流量计和天空辐射表的电流/电压信号，并输入到模拟量输入接口板中进行模拟量向数字量的转换；开关量输出调理板，主要是实现对循环水泵和电磁阀的开/关控制。
本实用新型的工作原理：
通过DDC采集控制系统实时采集现场的温度(T6，T7)、风机盘管系统水流量G(m3/h)。实时计算出空调系统的热负荷Q(kw)，计算公式如下：
Q＝((T7-T6)·G)/0.86
设空调系统设计热负荷为Qs，设计热负荷下机组的功率为W，此时地下埋管换热器系统的吸热量为Qd(Qd＝Qs-W)，地下埋管换热器系统1承担吸热量Qd的a％，地下埋管换热器系统2承担吸热量Qd的a％，太阳能集热系统承担吸热量Qd的b％(a+a+b＝100，a＞b)。本实用新型的控制策略如下：
1.当太阳能总辐射强度q＜150w/m2时，关闭电磁阀F1，F2，F3，F4，F5，关闭太阳能集热系统循环水泵。此时太阳能辐射强度已经很弱，不能直接使用。
2.当T1-T2≥5时，启动太阳能集热系统循环水泵。此时太阳能集热系统中水的温升较大，说明太阳能辐射强度较强，可以使用；否则关闭太阳能集热系统循环水泵，关闭电磁阀F1，F2，F3，F4。
3.当T8＞T1时，此时热泵机组蒸发器供水温度高于太阳能集热系统出水温度，太阳能集热系统中的水不能直接进入热泵机组蒸发器。
4.当T5＜min(T3，T4)时，地下埋管换热器系统1采用模式1运行。
5.当Q＞2a％Qd时，打开电磁阀F1，F2，F6，F7，关闭电磁阀F3，F4，F5，启动地下埋管换热器系统1循环水泵、地下埋管换热器系统2循环水泵和太阳能集热系统循环水泵。此时空调系统实时热负荷Q接近设计热负荷Qd，太阳能集热系统、地下埋管换热器系统1、地下埋管换热器系统2全部启动消除空调系统热负荷。
6.当a％Qd＞Q≥2a％Qd时，打开电磁阀F3，F4，F5，F7，关闭电磁阀F1，F2，F6，启动地下埋管换热器系统1循环水泵、地下埋管换热器系统2循环水泵和太阳能集热系统循环水泵。此时空调系统的热负荷Q通过地下埋管换热器系统1、地下埋管换热器系统2来消除。由于地下埋管换热器系统1和地下埋管换热器系统2的地下埋管换热器是间隔布置的，太阳能集热系统不仅可以使地下埋管换热器系统1的温度提升，而且地下埋管换热器系统2的温度也有所提升。这样可以大幅度提高空调系统的制热效率，提高空调系统制热的稳定性。
7.当Q≤a％Qd时，打开电磁阀F3，F4，F5，关闭电磁阀F1，F2，F6，F7；启动地下埋管换热器系统1循环水泵、太阳能集热系统循环水泵；关闭地下埋管换热器系统2循环水泵。此时空调系统的热负荷Q通过地下埋管换热器系统1来消除。太阳能集热系统不仅可以提升地下埋管换热器系统1的温度，地下埋管换热器系统2的温度也有所提升，而且能够大幅度提高空调系统的制热效率，提高空调系统制热的稳定性。
本实用新型的优越性在于：(1)能够根据太阳辐射强度的不同，采用不同的太阳能利用方式，在太阳辐射间歇和不稳定的情况下，更好的利用太阳能；(2)在空调系统热负荷不大的情况下，太阳能直接用来提升地下埋管中水的温度，能够大幅度提高空调系统的制热效率和供热的稳定性，进一步提高土壤源热泵性能系数；(3)地下埋管换热器循环水泵和太阳能集热系统循环水泵能够根据空调系统负荷的变化开启或关闭，节省了空调系统的运行费用。
(四)附图说明：
图1-a为本实用新型所涉太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置中的设备框图示意图；
其中1太阳能集热系统；2地下埋管换热器系统；3热泵机组；4风机盘管系统。
图1-b为本实用新型所涉太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置中的设备示意图；
图1-c为本实用新型所涉太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置中的设备与测控装置示意图；
其中1太阳能集热系统；2地下埋管换热器系统；3热泵机组；4风机盘管系统；5直接数字控制系统。
图2为本实用新型所涉太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置中的各部件管路连接示意图；
图3为本实用新型所涉太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置中的太阳能集热系统结构示意图；
其中1-1全玻璃真空管太阳能集热器；1-2太阳能集热系统循环水泵；1-3天空辐射表；1-4铂电阻温度传感器；1-5贮热水箱；1-6板式换热器；1-7电磁阀；1-8蝶阀；1-9自动放气阀；1-10除污器。
图4为本实用新型所涉太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置中的地下埋管换热器装置结构示意图；
其中2-1地下埋管换热器；2-2循环水泵；2-3蝶阀；2-4电磁阀；2-5地下埋管换热器系统1；2-6地下埋管换热器系统2。
图5为本实用新型所涉太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置中的地下埋管换热器的结构示意图；
其中2-1地下埋管换热器。
图6为本实用新型所涉冷却塔辅助土壤源热泵供冷的优化控制装置中的热泵机组和风机盘管系统的结构示意图；
其中3-1热泵机组；3-2风机盘管；3-3循环水泵；3-4定压水泵；3-5Y型除污器；3-6蝶阀；3-7铂电阻温度传感器；3-8涡轮流量计；3-9自动放气阀。
图7为本实用新型所涉冷却塔辅助土壤源热泵装置中的直接数字控制系统装置连接示意图；
其中5-1显示器；5-2主机；5-3鼠标；5-4键盘；5-5热电阻信号模拟量输入调理板；5-6电压/电流信号模拟量输入调理板；5-7开关量输出调理板；5-8CPU；5-9内存；5-10硬盘；5-11模拟量输入接口板；5-12模拟量输出接口板；5-13主板；显示器、主机、鼠标、键盘、CPU、内存、硬盘、主板的连接方式与普通电脑的连接方式相同；热电阻信号模拟量输入调理板、电压/电流信号模拟量输入调理板、开关量输出调理板通过数据线连接到主板上；模拟量输入接口板、模拟量输出接口板插在主板的卡槽内。
(五)具体实施内容：
实施例：一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于该系统包括五部分：即太阳能集热系统、地下埋管换热器系统、热泵机组、风机盘管系统、直接数字控制(direct digital control，简称DDC)系统；其中热泵机组是地下埋管换热器系统与风机盘管系统间进行热量交换的中介设备，热泵机组与太阳能集热系统相连接，风机盘管系统与热泵机组相连接，地下埋管换热器系统与太阳能集热系统的贮热水箱相连接，太阳能集热系统与热泵机组的信息反馈给直接数字控制系统；直接数字控制系统控制地下埋管换热器系统与太阳能集热系统。
太阳能集热系统中，循环水泵依次与蝶阀、铂电阻温度传感器、全玻璃真空管太阳能集热器、铂电阻温度传感器、蝶阀、电磁阀、贮热水箱、电磁阀、除污器、蝶阀相连接，其中全玻璃真空管太阳能集热器倾角与当地纬度一致且避开建筑物阴影的位置；在与全玻璃真空管太阳能集热器同纬度同高度且避开建筑物阴影的位置处安装有实时测量太阳能总辐射强度q(w/m2)的天空辐射表；铂电阻温度传感器安装在全玻璃真空管太阳能集热器的出水管上T1，全玻璃真空管太阳能集热器的进水管上T2；贮热水箱为不锈钢板焊接，内外壁是经过防腐处理的，水箱顶部安装有自动放气阀，贮热水箱底部有泻水管和补水管，其中泻水管上安装有球阀，补水管接自来水；贮热水箱内安装板式换热器，板式换热器浸泡在水中，板式换热器与地下埋管换热器系统连接。贮热水箱的顶部安装有铂电阻温度传感器T3，底部安装有铂电阻温度传感器T4，板式换热器的出水管上安装有铂电阻温度传感器T5。
地下埋管换热器系统中，地下埋管换热器依次与循环水泵、蝶阀、电磁阀相连接；地下埋管换热器系统由地下埋管换热器系统1和地下埋管换热器系统2组成；地下埋管换热器系统1和地下埋管换热器系统2的地下埋管换热器是间隔布置的，地下埋管换热器系统1连接太阳能集热系统中的板式换热器后再与热泵机组连接；地下埋管换热器系统2直接与热泵机组连接。
地下埋管换热器系统1的运行模式采取地下埋管换热器系统1与太阳能集热系统系统中的板式换热器连接吸热后，再与地下埋管换热器连接；地下埋管换热器系统2的运行模式为地下埋管换热器先与热泵机组连接，然后与地下埋管换热器连接。
热泵机组中，热泵机组依次与铂电阻温度传感器、自动放气阀、定压水泵、Y型除污器相连接；其中铂电阻温度传感器安装在热泵机组蒸发器进水管上T8、热泵机组冷凝器进水管上T6、热泵机组冷凝器出水管上T7，在热泵机组冷凝器的出水干管上安装有涡轮流量计。
风机盘管系统中，自动放气阀依次与风机盘管、定压水泵、Y型除污器、循环水泵、蝶阀相连接。
直接数字控制系统包括含有模拟量输入接口板、模拟量输出接口板的工控机和1块热电阻信号模拟量输入调理板、1块电压/电流信号模拟量输入调理板、2块开关量输出调理板；热电阻信号模拟量输入调理板和电压/电流信号模拟量输入调理板连接工控机内的模拟量输入接口板；开关量输出调理板连接工控机内的模拟量输出接口板；所说的工控机应当包括19纯平显示器、主机、鼠标、键盘；主机包括内存、硬盘、主板，模拟量输入接口板、模拟量输出接口板；硬盘中安装有组太软件FIX；其中热电阻信号模拟量输入调理板与太阳能集热系统和热泵机组中的铂电阻温度传感器连接；电压/电流信号模拟量输入调理板与天空辐射表和涡轮流量计连接；开关量输出调理板与循环水泵和电磁阀连接。

Claims (10)

1.一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于该系统包括五部分：即太阳能集热系统、地下埋管换热器系统、热泵机组、风机盘管系统、直接数字控制(direct digital control，简称DDC)系统；其中热泵机组是地下埋管换热器系统与风机盘管系统间进行热量交换的中介设备，热泵机组与太阳能集热系统相连接，风机盘管系统与热泵机组相连接，地下埋管换热器系统与太阳能集热系统的贮热水箱相连接，太阳能集热系统与热泵机组的信息反馈给直接数字控制系统；直接数字控制系统控制地下埋管换热器系统与太阳能集热系统。
2.根据权利要求1所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的太阳能集热系统中，循环水泵依次与蝶阀、铂电阻温度传感器、全玻璃真空管太阳能集热器、铂电阻温度传感器、蝶阀、电磁阀、贮热水箱、电磁阀、除污器、蝶阀相连接。
3.根据权利要求2所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的全玻璃真空管太阳能集热器倾角与当地纬度一致且避开建筑物阴影的位置；在与全玻璃真空管太阳能集热器同纬度同高度且避开建筑物阴影的位置处安装有实时测量太阳能总辐射强度q(w/m2)的天空辐射表。
4.根据权利要求2所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的铂电阻温度传感器安装在全玻璃真空管太阳能集热器的出水管上T1，全玻璃真空管太阳能集热器的进水管上T2。
5.根据权利要求2所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的贮热水箱为不锈钢板焊接，内外壁是经过防腐处理的，水箱顶部安装有自动放气阀，贮热水箱底部有泻水管和补水管，其中泻水管上安装有球阀，补水管接自来水。贮热水箱内安装板式换热器，板式换热器浸泡在水中，板式换热器与地下埋管换热器系统连接；贮热水箱的顶部安装有铂电阻温度传感器T3，底部安装有铂电阻温度传感器T4，板式换热器的出水管上安装有铂电阻温度传感器T5。
6.根据权利要求1所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的地下埋管换热器系统中，地下埋管换热器依次与循环水泵、蝶阀、电磁阀相连接。
7.根据权利要求1所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的地下埋管换热器系统由地下埋管换热器系统1和地下埋管换热器系统2组成；地下埋管换热器系统1和地下埋管换热器系统2的地下埋管换热器是间隔布置的，地下埋管换热器系统1连接太阳能集热系统中的板式换热器后再与热泵机组连接；地下埋管换热器系统2直接与热泵机组连接；其中地下埋管换热器系统1有2种运行模式，其中模式1中地下埋管换热器系统1与太阳能集热系统系统中的板式换热器连接吸热后，再与地下埋管换热器连接；模式2中地下埋管换热器系统1与地下埋管换热器直接连接；地下埋管换热器系统2有1种运行模式，地下埋管换热器先与热泵机组连接，然后与地下埋管换热器连接。
8.根据权利要求1所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的热泵机组中，热泵机组依次与铂电阻温度传感器、自动放气阀、定压水泵、Y型除污器相连接；其中铂电阻温度传感器安装在热泵机组蒸发器进水管上T8、热泵机组冷凝器进水管上T6、热泵机组冷凝器出水管上T7，在热泵机组冷凝器的出水干管上安装有涡轮流量计。
9.根据权利要求1所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的风机盘管系统中，自动放气阀依次与风机盘管、定压水泵、Y型除污器、循环水泵、蝶阀相连接。
10.根据权利要求1所说的上述所说的一种太阳能辅助土壤源热泵供热系统的优化控制装置，其特征在于所说的直接数字控制系统包括含有模拟量输入接口板、模拟量输出接口板的工控机和1块热电阻信号模拟量输入调理板、1块电压/电流信号模拟量输入调理板、2块开关量输出调理板；热电阻信号模拟量输入调理板和电压/电流信号模拟量输入调理板连接工控机内的模拟量输入接口板；开关量输出调理板连接工控机内的模拟量输出接口板；所说的工控机应当包括19纯平显示器、主机、鼠标、键盘；主机包括内存、硬盘、主板，模拟量输入接口板、模拟量输出接口板；硬盘中安装有组太软件FIX；其中热电阻信号模拟量输入调理板与太阳能集热系统和热泵机组中的铂电阻温度传感器连接；电压/电流信号模拟量输入调理板与天空辐射表和涡轮流量计连接；开关量输出调理板与循环水泵和电磁阀连接。
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