CN202769983U - 一种太阳能与空气源热泵联动热水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能与空气源热泵联动热水系统，所述系统包括太阳能集热器、空气源热泵机组、接有系统补水电磁阀的保温水箱和控制系统。采用本实用新型所述的太阳能与空气源联动热水系统，可以达到充分利用太阳能，尽可能减少空气源热泵机组运行，以达到最大程度的节省能源的目的，同时满足用户24小时不间断热水需求。

Description

一种太阳能与空气源热泵联动热水系统

技术领域    

本实用新型涉及一种太阳能与空气源热泵联动热水系统。

背景技术    

当前工程上应用的太阳能与空气源联动的热水系统，空气源热泵的启停仅仅依靠判断保温水箱的水温来进行控制，由于缺乏对水位进行白天和晚上不同时段内的差异化控制（含补水控制），也缺乏对环境温度、太阳能的光照强度的变化等的监控和控制，致使空气源热泵进行很多不必要的运行，造成较大的能源浪费，具体体现在：

1）缺乏对水位进行白天和晚上的差异化控制（含补水控制）造成的能源浪费

一般的热水系统的用水高峰期在傍晚和晚上，当用水高峰期到达时，水位很快下降到补水位，此时系统补水电磁阀打开补水到100%水位。由于高峰用水量较大，补水带入的冷量较大导致热水温度下降到空气源的启动温度以下，空气源热泵开始运行，并在晚上经过长时间的运行将一箱热水加热到使用温度，到第二天上午，由于热水温度的起点很高，且不需要补充很多冷水进行加热，太阳能的效率显著下降。而且，在夏天太阳较好的几个月份内，空气源热泵完全没有必要在晚上运行，由于缺乏相应的自动控制造成在炎热的夏天的晚上，空气源热泵也会运行。

还有一些热水系统采用定时早、中、晚三次定时补水至满水液位，这和单纯的水位控制补水一样，避免不了热泵的不必要的运行。比如早上补水至满水液位，由于经过晚上的高峰用水，补水量很大，热水温度下降到热泵启动温度以下，热泵运行，太阳能也同时工作，直到将水加热到使用温度，这在夏天的几个月内是完全没必要的。

2）缺乏对环境温度的监控而对一些控制参数进行自动修正而造成的能源浪费

A、对热水温度的修正：一般的热水系统由于缺乏对环境温度的变化而对一些控制参数进行修正引起能源浪费，如全年的热水温度设定为55℃。如果能对热水设定温度进行自动修正，将冬天热水温度设定为50～55℃，春秋季节设定为46～50℃，夏季设定为41～45℃，这样可明显提高太阳能的效率而产更多的热水，从而减少空气源的运行时间，减少能耗。据资料数据，对平板型集热器进水温度每下降10℃，集热器的效率会提升15%（相对值）；对同等条件变化下的真空管太阳能，集热器效率会提升5%。

B、对空气源热泵启停温度的修正：一般的热水系统缺乏对环境温度的变化而对热泵的启停控制温度进行有效的修正，造成空气源热泵不必要的工作或一年四季经常在50～55℃高温区域工作，空气源热泵运行效率低下，能耗居高不下，资料显示，在同等蒸发温度下，热水温度每下降10℃，空气源热泵的效率提高16%。另外，由于热泵夏天工作在高蒸发温度和高冷凝温度下，容易发生高压保护和压缩机过载，缩短了热泵的使用寿命。

3）缺乏对太阳能光照强度的随时监控而引起的能源浪费

工程上所有的太阳能与空气源热泵联动热水系统，只要因有短暂的两小时左右的阴雨天气而触发热泵运行，就会将水加热到使用温度，不管随后的太阳光的强度是否足够强，也不管留给太阳能加热时间是否足够长。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的不足，提供一种太阳能与空气源热泵联动热水系统。通过引入环境温度、热水温度、热水水位、时间等输入信号，通过内部专家数据库对各种控制数据进行动态修正，有效克服了上述传统太阳能与空气源热泵联动热水系统的控制缺陷，达到最大限度地使用太阳能而少开热泵的节能目的，节能效果显著。

本实用新型的技术方案是，

所述太阳能与空气源联动热水系统，包括太阳能集热器3、空气源热泵机组1、接有系统补水电磁阀5的保温水箱4和控制系统2；所述太阳能集热器3的进水口和出水口用连通管甲9同保温水箱4的第一出水口和第一进水口对应连通，且所述连通管甲9上设有使水循环加热的太阳能系统循环水泵7；所述太阳能集热器3内装有第二温度传感器10；所述空气源热泵机组1的进水口和出水口用连通管乙14同保温水箱4的第二出水口和第二进水口对应连通，且所述连通管乙14上设有空气源热泵系统循环水泵6；所述保温水箱4中设有第三温度传感器12和液位传感器13；所述保温水箱4的用户给水管道16上设有用户循环水泵8和第四温度传感器15；室外设有第一温度传感器11；所述第二温度传感器10、第一温度传感器11、第三温度传感器12、第四温度传感器15和液位传感器13的信号输出端均与控制系统2对应的信号输入端连接，控制系统2对应的信号输出端分别与空气源热泵机组1、系统补水电磁阀5、空气源热泵系统循环水泵6、太阳能系统循环水泵7和用户循环水泵8的工作电源控制极连接。其中，所述用户循环水泵8为增压泵或回水泵。

上述太阳能与空气源热泵联动热水系统的控制方法，包括：

（1）对太阳能循环水泵的控制：

    太阳能循环水泵由温差信号和温度信号并联控制；

当太阳能集热器内水温与保温水箱内热水温度的温差大于控制系统内预设的温差值时，控制系统开启太阳能循环水泵，使保温水箱与太阳能集热器之间形成水循环回路，对保温水箱中的水进行加热；

当太阳能集热器内水温与保温水箱内热水温度的温差小于控制系统内预设的温差值时，控制系统关闭太阳能循环水泵；

当太阳能集热器内水温低于控制系统内预设温度时，控制系统开启太阳能循环水泵，使保温水箱与太阳能集热器之间形成热水循环回路；

当太阳能集热器内水温高于控制系统内预设温度时，控制系统关闭太阳能循环水泵；

（2）对系统补水电磁阀的控制：

控制系统设有正常补水控制模式和强制补水控制模式；

白天8:00～17:00，正常补水模式起用，控制系统将8:00～17:00分成若干个供水时间段，控制系统通过判断8:00时保温水箱初始水位与系统内预设的保温水箱100%满水液位之差，计算并设定每个供水时间段的补水量及该时间段终了时间点的满水水位；根据时间段终了时间点和该时点的满水位进行间歇性补水控制，在17:00时补水至保温水箱100%满水液位； 17:00～次日8:00，正常补水模式停止；强制补水模式全天运行。

正常补水控制模式：

当时间处于控制系统预设的某一供水时间段的终了时间点，保温水箱液位低于控制系统内预设的该时间点的满水水位时，控制系统开启系统补水电磁阀，使补水管道与保温水箱之间形成通路，对保温水箱进行补水；

当时间处于控制系统预设的某一供水时间段的终了时间点，保温水箱液位达到控制系统内预设的该时间点的满水水位时，控制系统关闭系统补水电磁阀，停止补水；

强制补水控制模式：

当保温水箱液位低至控制系统内预设的强制补水底水位时，控制系统开启系统补水电磁阀，使补水管道与保温水箱之间形成通路，对保温水箱进行补水；

当保温水箱液位达到控制系统内预设的强制补水满水位时，控制系统关闭系统补水电磁阀，停止补水；

（3）对空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵的控制：

控制系统根据室外温度设定热水温度，不同室外温度，预设的热水温度不同；当保温水箱中水温低于系统内预设热水温度时，控制系统开启空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵，使保温水箱与空气源热泵机组之间形成水循环回路，对保温水箱中的水进行加热；

当保温水箱中水温加热至系统内预设热水温度时，控制系统关闭空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵，停止保温水箱与空气源热泵机组之间的水循环；

当系统强制补水时，空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵开启运行。

（4）对用户循环水泵的控制：

当用户给水管道内水温低于控制系统预设温度值时，控制系统开启用户循环水泵，使用户积水管道与保温水箱形成通路，保温水箱中的热水进入用户给水管道；

当用户给水管道内水温升至控制系统预设温度值时，控制系统关闭用户循环水泵；

当保温水箱液位低至控制系统预设的强制补水水位时，控制系统关闭用户循环水泵；

当保温水箱液位达到控制系统预设的强制补水满水位值时，控制系统开启用户循环水泵，使用户积水管道与保温水箱形成通路，保温水箱中的热水进入用户给水管道。

下面结合系统结构对控制方法作进一步说明：

所述太阳能与空气源联动热水系统的控制方法，包括对太阳能循环水泵的控制，对系统补水电磁阀的控制，对空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵的控制和对用户循环水泵的控制；具体为：

（1）    对太阳能循环水泵的控制：

太阳能循环水泵由温差信号和温度信号并联控制。

控制系统接收第二温度传感器和第三温度传感器的温度信号后，按比较得出的温差信号控制太阳能循环水泵的开启或关闭：

当温差值大于控制系统内预设温差值，控制系统输出控制信号使太阳能循环水泵开启；

当温差制小于控制系统内预设温差值，控制系统输出控制信号使太阳能循环水泵关闭；

当太阳能集热器水温低于控制系统内预设温度值时，控制系统输出控制信号使太阳能循环水泵开启；

当太阳能集热器水温高于控制系统内预设温度值时，控制系统输出控制信号使太阳能循环水泵关闭；

（2）对系统补水电磁阀的控制：

控制系统设有正常补水控制模式和强制补水控制模式；

白天8:00～17:00，正常补水模式起用，控制系统将8:00～17:00分成若干个供水时间段，控制系统通过判断8:00时保温水箱初始水位与系统内预设的保温水箱100%满水液位之差，计算并设定每个供水时间段的补水量及该时间段终了时间点的满水水位；根据时间段终了时间点和该时点的满水位进行间歇性补水控制，在17:00时补水至保温水箱100%满水液位；晚上17:00～次日8:00，正常补水模式停止；强制补水模式全天运行。

正常补水控制模式：

当时间处于控制系统预设的某一供水时间段的终了时间点，控制系统接收液位传感器传送的保温水箱液位信号后，根据保温水箱液位信号比较保温水箱液位值与系统内设定的该终了时间点满水水位值，控制系统按比较得出的液位差信号控制补水电磁阀的开启或关闭：

当保温水箱液位低于控制系统内预设的该时间点的满水水位时，控制系统开启系统补水电磁阀，使补水管道与保温水箱之间形成通路，对保温水箱进行补水；

当保温水箱液位达到控制系统内预设的该时间点的满水水位时，控制系统关闭系统补水电磁阀，停止补水；

强制补水控制模式：

控制系统只接收液位传感器传送的保温水箱液位信号，控制系统根据保温水箱液位信号比较保温水箱液位值与控制系统内预设的强制补水底水位值、强制补水满水位值，控制系统按比较得出的液位差信号控制补水电磁阀的开启或关闭：

当保温水箱液位值低至控制系统预设的强制补水底水位值时，控制系统输出控制信号开启补水电磁阀和空气源热泵机组，

当保温水箱液位值达到预设的强制补水满水位值时，控制系统输出控制信号使补水电磁阀关闭；

（3）对空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵的控制：

控制系统接收第三温度传感器的温度信号后，与控制系统内的预设热水温度值（所述预设热水温度值根据室外第一温度传感器的温度信号设定）进行比较，按比较得出的温差信号控制空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵的启动或停止：

当保温水箱水温低于预设热水温度值时，控制系统输出控制信号使空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵启动加热；

当水温加热到预设热水温度值时，控制系统输出控制信号使空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵关闭；

当系统强制补水时，空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵开启运行。

（4）对用户循环水泵的控制：

控制系统接收第四温度传感器的用户给水管道水温信号后，控制系统根据温度信号比较用户给水管道内水温与控制系统内预设的温度值，控制系统按比较得出的温度差信号控制补水电磁阀的开启或关闭：

当用户给水管道内水温低于控制系统预设温度值时，控制系统输出控制信号使用户循环水泵开启，

当用户给水管道内水温升至控制系统预设温度值时，控制系统输出控制信号使用户循环水泵关闭；

控制系统接收液位传感器传送的保温水箱液位信号后，根据保温水箱液位信号比较保温水箱液位值与控制系统内预设的强制补水液位值、满水液位值，控制系统按比较得出的液位差信号控制用户循环水泵的开启或关闭：

当保温水箱液位值低至预设的强制补水底水位值时，控制系统输出控制信号使用户循环水泵关闭，

当保温水箱液位值达到预设的强制补水满水位值时，控制系统输出控制信号使用户循环水泵开启。

下面结合原理对本实用新型作进一步说明：

1）对太阳能循环水泵的控制

该太阳能空气源热泵系统的控制系统对太阳能循环水泵的控制包括手动和自动两种方式，其中自动方式根据太阳能集热器水温与保温水箱水温之间的温差来控制，若两者之间的温差大于系统预设的温度值时，则自动开启太阳能循环水泵，将太阳能集热器内的热水循环回保温水箱，同时将保温水箱底部的水循环到太阳能集热器；当太阳能集热器水温与保温水箱水温之间的温差小于系统预设的温度值时，则自动停止太阳能循环水泵。

当太阳能集热器水温很低，低于控制系统预设温度时，太阳能系统循环泵自动开启，防止寒冷季节集热器内水结冰，冻坏太阳能集热器。当循环到集热器内的水温高于控制系统预设温度时，则自动停止太阳能系统循环泵。

2）系统补水电磁阀的控制

通过时间、水位等输入信号进行控制，分为正常补水模式和强制补水模式两种控制方式。

正常补水方式：在晚上17:00～8:00，系统停止补水；在白天8:00～17:00，通过判断上午初始水位与100%满水液位之差，来决定每个时间段内的补水量（控制系统将8:00～17:00分成若干个供水时间段，例如按小时设定，每一小时为一个供水时间段）。根据该差值与白天时段的比值来线性设定每个时间段的终了时间点需达到的满水液位。例如上午初始水位为40%水位，则当天需要补充60%的热水，平均到每小时需补充满水量的6.7%的热水，也就是说上午9:00必须将水位提升到46.7%，到10:00时必须将水位提升到53.4%，到17:00时必须到达100%的水位。当上午9:00时，若水位未达到46.7%，则开启电磁阀补水，若水位达到46.7%则关闭电磁阀；然后，当上午10:00时，若水位未达到53.4%，则开启电磁阀补水，若水位达到53.4%则关闭电磁阀，以此类推。

强制补水方式：强制补水方式只受水位控制，当水位下降到强制补水的底水位时，不管是白天还是晚上，系统补水电磁阀都上电进行补水，直至补水至强制补水的满水位（可设定，如35%水位），在补水的同时启动空气源热泵进行加热；强制补水模式全天运行。

3）空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵的控制

通过时间、水位和环境温度等输入信号来控制，具体为在一定的环境温度下，保温水箱内的热水温度必须在某一时间点到达某一温度和某一水位，时间间隔可设定（一般可为1小时）。由于补水是分时间段进行的，在一定的时间段内补入的冷水是一定的，也就是说在某一时间间隔内，必须将补入的冷水加热到热水设定温度，太阳能的热量不够时由热泵补充，当补充的热量达到该时间间隔内需要的总热量时（水温达到设定温度时），热泵自动停止运行。当另一个时间间隔到达时，重新进行热水温度判断和热泵是否需要运行判定。

环境温度对空气源热泵运行参数的修正：控制系统中将环境温度划分为几个温区，不同温区内，热水的设定温度也不同，空气源热泵系统根据保温水箱热水温度与热泵启停温度的逻辑关系式来控制启停。不同的环境温度区间，空气源热泵系统开启和停止的控制温度不同。

空气源热泵机组的强制运行：当进行强制补水时，热泵同时运行。

空气源热泵机组的循环水泵与空气源联动控制，同时开停，空气源热泵设有水流保护。

4）用户循环增压泵（或回水泵）的控制

用户循环增压泵：通过定时或循环主管的热水温度进行控制。

用户循环回水泵：通过循环主管的热水温度进行控制。

本实用新型所述的太阳能与空气源联动热水系统及其控制方法，通过对太阳能系统循环泵、系统补水电磁阀、空气源热泵、用户循环增压泵综合控制来实现太阳能与空气源热泵的联动控制和热水系统其它设备的节能控制。

其中，控制系统根据环境温度和保温水箱温度进行空气源热泵自动启停设定温度的修正调节。

其中，控制系统将环境温度划分为几个温区，不同的环境温度区间，空气源热泵自动开启和停止的设定温度不同。

其中，系统补水电磁阀的正常补水是由时间、水位联合控制，补水分时点进行间隙补水，每次的补水量由初始水位和100%水位的水位差动态决定，这样可有效地缩短热泵的每次运行时间，并对太阳能的产热量（太阳光的强度）进行多次地监测和利用。

采用本实用新型所述的太阳能与空气源联动热水系统及其控制方法，可以达到充分利用太阳能，尽可能减少空气源热泵机组运行，以达到最大程度的节省能源的目的，同时满足用户24小时不间断热水需求。

附图说明

图1是本实用新型太阳能与空气源热泵联动热水系统示意图。

图中：1、空气源热泵机组；2、控制系统；3、太阳能集热器；4、保温水箱；5、系统补水电磁阀；6、空气源热泵系统循环水泵；7、太阳能系统循环水泵；8、用户循环水泵；9、管道甲；10、第二温度传感器；11、第一温度传感器；12、第三温度传感器；13、液位传感器；14、管道乙；15、第四温度传感器；16、用户给水管道。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，所述太阳能与空气源联动热水系统，包括太阳能集热器3、空气源热泵机组1、接有系统补水电磁阀5的保温水箱4和控制系统2；所述太阳能集热器3的进水口和出水口用连通管甲9同保温水箱4的第一出水口和第一进水口对应连通，且所述连通管甲9上设有使水循环加热的太阳能系统循环水泵7；所述太阳能集热器3内装有第二温度传感器10；所述空气源热泵机组1的进水口和出水口用连通管乙14同保温水箱4的第二出水口和第二进水口对应连通，且所述连通管乙14上设有空气源热泵系统循环水泵6；所述保温水箱4中设有第三温度传感器12和液位传感器13；所述保温水箱4的用户给水管道16上设有用户循环水泵8和第四温度传感器15；室外设有第一温度传感器11；所述第二温度传感器10、第一温度传感器11、第三温度传感器12、第四温度传感器15和液位传感器13的信号输出端均与控制系统2对应的信号输入端连接，控制系统2对应的信号输出端分别与空气源热泵机组1、系统补水电磁阀5、空气源热泵系统循环水泵6、阳能系统循环水泵7和用户循环水泵8的工作电源控制极连接。所述控制系统2采用现有技术的工业控制单片机或已有PLC控制器。

实施例2

1）太阳能循环水泵控制的实施

在保温水箱与太阳能集热器内分别安装有温度传感器。白天，太阳出来后，太阳能集热器吸收阳光，里面的水温逐渐升高，当太阳能集热器与保温水箱温差（T2-T3）大于一设定值（通常为8℃）时，循环运行温差控制仪的触点闭合，太阳能循环水泵启动。这时，太阳能循环水泵从保温水箱底部抽水送往太阳能集热器，太阳能集热器内的热水流入保温水箱，直至温差（T2-T3）低于一设定值（通常为4℃）为止，太阳能循环水泵停止，太阳能集热器吸收太阳能，继续把水加热，按此方式循环，直至整个保温水箱内的水均被加热；    为保证寒冷季节，太阳能集热器不被冻坏，当太阳能集热器水温T2低于5℃时（可设定），太阳能循环水泵启动运行，当太阳能集热器水温T2高于13℃时（可设定），太阳能循环水泵停止运行；

2）系统补水电磁阀控制的实施

在保温水箱内设置有连续式液位传感器，控制系统本身有时间参数，通过在不同的时点对液位进行控制，实现多时点间隙补水。补水分为正常补水和强制补水两种控制方式。

在晚上17:00～8:00，系统停止补水；在白天8:00～17:00，通过判断上午初始水位与100%满水液位之差，来决定每个时间段内的补水量（控制系统将8:00～17:00分成若干个供水时间段，例如按小时设定，每一小时为一个供水时间段）。根据该差值与白天时段的比值来线性设定每个时间段的终了时间点需达到的满水液位。例如上午初始水位为40%水位，则当天需要补充60%的热水，平均到每小时需补充满水量的6.7%的热水，也就是说上午9:00必须将水位提升到46.7%，到10:00时必须将水位提升到53.4%，到17:00时必须到达100%的水位。当上午9:00时，若水位未达到46.7%，则开启电磁阀补水，若水位达到46.7%则关闭电磁阀；然后，当上午10:00时，若水位未达到53.4%，则开启电磁阀补水，若水位达到53.4%则关闭电磁阀，以此类推。

强制补水方式：强制补水方式只受水位控制，当水位下降到强制补水的底水位时，不管是白天还是晚上，系统补水电磁阀都上电进行补水，直至补水至强制补水的满水液位（可设定，如35%水位），在补水的同时启动空气源热泵进行加热。

3）空气源热泵机组及空气源热泵系统循环水泵控制的实施

在保温水箱内有第三温度传感器，在环境空气中设有第一温度传感器，对于空气源热泵机组的控制，该控制系统将环境温度划分为几个温区，不同的环境温度区间，空气源热泵系统1开启和停止的各个温度不同。具体如下表：

4）用户循环增压泵（或回水泵）控制的实施

在用户给水管布置有第四温度传感器，当该温度低于某一设定温度时，用户循环增压泵（或回水泵）启动，保温水箱内的热水进入用户给水管内循环，当给水管内温度升高到一定温度，则关闭用户循环增压泵（或回水泵）；

对用户循环增压泵的控制也可采用定时供水的控制方式；

用户循环增压泵（或回水泵），一用一备，要求2个水泵每12小时自动切换一次工作状态。同时，当强制补水液位的底水位触发时，用户循环增压泵（或回水泵）停止运行；水位达到强制补水液位的满水液位时，用户循环增压泵（或回水泵）恢复运行，以进行缺水保护；

所述控制系统通过引入环境温度、热水温度、热水水位、时间等输入信号，通过内部专家数据库对各种控制数据进行动态修正，控制对象包括太阳能系统循环水泵、系统补水电磁阀、空气源热泵及其循环水泵、用户循环增压泵（或回水泵），可以达到充分利用太阳能，尽可能减少空气源热泵机组运行，以达到最大程度的节省能源的目的，同时满足用户24小时不间断热水需求。 

Claims (2)

1.一种太阳能与空气源热泵联动热水系统，其特征在于，所述系统包括太阳能集热器（3）、空气源热泵机组（1）、接有系统补水电磁阀（5）的保温水箱（4）和控制系统（2）；所述太阳能集热器（3）的进水口和出水口用连通管甲（9）同保温水箱（4）的第一出水口和第一进水口对应连通，且所述连通管甲（9）上设有使水循环加热的太阳能系统循环水泵（7）；所述太阳能集热器（3）内装有第二温度传感器（10）；所述空气源热泵机组（1）的进水口和出水口用连通管乙（14）同保温水箱（4）的第二出水口和第二进水口对应连通，且所述连通管乙（14）上设有空气源热泵系统循环水泵（6）；所述保温水箱（4）中设有第三温度传感器（12）和液位传感器（13）；所述保温水箱（4）的用户给水管道（16）上设有用户循环水泵（8）和第四温度传感器（15）；室外设有第一温度传感器（11）；所述第二温度传感器（10）、第一温度传感器（11）、第三温度传感器（12）、第四温度传感器（15）和液位传感器（13）的信号输出端均与控制系统（2）对应的信号输入端连接，控制系统（2）对应的信号输出端分别与空气源热泵机组（1）、系统补水电磁阀（5）、空气源热泵系统循环水泵（6）、太阳能系统循环水泵（7）和用户循环水泵（8）的工作电源控制极连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用户循环水泵（8）为增压泵或回水泵。

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