一种太阳能复合热源热水系统及其控制方法与流程

本发明涉及热水供水系统，特别是涉及一种太阳能复合热源热水系统及其控制方法。

背景技术：

太阳能热水器是利用太阳能加热并产出热水的装置，具有经济、节能、环保等优点，广泛应用于生产日常洗浴所需的热水。但是，由于太阳能受天气的影响较大，在光照强度不足时，供热量不足，因此，开发了一种太阳能热水器常与热水锅炉组合的复合热源热水系统。当太阳能不足时，由其他热源补充热量，满足用户的热水需求。

为了方便进行开支结算和收费，在系统的运行过程中，在后台会写入并记录大量的用户用水数据，包含用户的卡号、放水时间、停水时间、用水量等信息。该信息大量累积，经济结算完成后即被当成无用数据删除。目前，尚未有产品对此类信息进行有效挖掘和利用。

近年来，随着数据挖掘学科的快速发展，利用历史数据进行数据挖掘分析，进而预测用户未来的用水量成为一种研究的趋势。利用历史数据，能够有效地针对特定用户进行预测，预测结果相比其他预测方法更加准确，具有更强的系统适用性和稳定性。利用预测的用户未来用水量信息，可以进行供需侧的匹配调控，提高新能源在系统中的占比，提高系统效率，降低单位热水产出成本。

发明专利一种楼宇自动控制系统及方法(专利号zl200910059585.3)中提到“存储模块存储实时采集的温度和单位时间热水用量”、“根据热水用量历史数据预测将来某一段时间的热水需求量，以此为依据，判断锅炉的启动”。但该专利仅针对传统燃气锅炉提供控制策略，并未考虑包含太阳能的辅助热源热水系统，更没有给出针对太阳能随时间的变化对系统带来的波动影响的解决方案。

发明专利申请一种基于大数据的智能多能源热水系统控制方法(申请号201410597080.3)中提到“根据水箱水位建立系统的用水习惯曲线”、“建立人均用水额定及总用水量的学习”并依此进行水箱的补水。该专利“通过加权平均算法智能判断系统人均用水定额及系统总制热水量”，与本发明所采用的预测方案不同，并且该专利没有考虑水箱内多余热水的耗散能量，也没有针对具体的含太阳能的复合热源热水系统的控制策略给出详细的解决方案。

综上所述，目前含太阳能复合热源热水系统通常存在以下问题：第一，由于太阳的辐射量和时间密切相关，中午最高，早晚最低，且加热存在迟滞，热水系统通常需要等待一天的日晒，到下午甚至晚上才能提供合适温度的热水，不能保证用户24小时的热水需求；第二，一些系统采用太阳能和辅助热源同时开启的加热策略，以满足用户24小时的热水需求，但是此时太阳能在系统中的占比较低，大部分热水利用电或燃气等进行加热，系统效率较低，增加了热水的产出成本；第三，传统复合热源热水系统的控制策略以用户设定的固定水位高度为判断是否生产热水的依据，当水箱中的水低于设定值，即开启加热装置生产热水，由于每日的用水需求存在波动，该设置容易造成大量多余的热水在水箱中，多余热水的冷却则会导致能量损失。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在无需新增或改动设备配置，在不改变用户热水使用习惯的基础上，为用户24小时不间断提供热水；本发明提供的系统和控制方法通过预测辅助热源开启和关闭的时间，可以最大程度保证太阳能在整个系统中的占比，提高系统效率，减小热水产出成本；控制方法可以较为准确地控制热水供应量，极大程度上减少储水箱中的多余的热水量，避免由于热水冷却导致的能量损失。

为了能够让用户24小时全天候使用热水洗浴，同时尽可能保证太阳能在系统中的占比，减少由于热量散失导致的能量损失，提高系统总效率，降低热水产出成本，本发明提出了一种太阳能复合热源热水系统，包括太阳能集热器、辅助热源、供热水箱、储热水箱和控制装置，所述太阳能集热器和所述辅助热源分别与所述供热水箱通过管道连接，所述供热水箱与所述储热水箱内的换热器连接，所述控制装置与各管道上的阀门和控制泵连接，通过气象预测数据和用水量预测数据，向阀门和/或控制泵发送开启和关闭指令；所述太阳能集热器是利用太阳能加热并产出热水的装置，包括但不限于真空管太阳能集热器、板式太阳能集热器、槽式太阳能集热器，所述辅助热源是能够稳定提供大量生活热水的热源，包括但不限于燃气热水锅炉、空气源热水锅炉、电热水锅炉。

进一步地，所述供热水箱与第一冷水入口连接，所述供热水箱与所述第一冷水入口之间设置有第一阀门，在所述供热水箱内布置有换热器，所述换热器分别与所述太阳能集热器和所述辅助热源通过管道连接，所述换热器用于将太阳能集热器和辅助热源的热量传递到供热水箱中，在所述换热器与所述太阳能集热器之间设置有第一循环泵和第二阀门，在所述换热器与所述辅助热源之间设置有第二循环泵和第三阀门。

进一步地，所述供热水箱与所述储热水箱之间设置有第四阀门，所述第四阀门开启时，加热到设定温度的热水从所述供热水箱流出并存入所述储热水箱；所述储热水箱与浴室管道之间设置有第五阀门，用户用水时，所述第五阀门开启，热水由所述储热水箱流向浴室。

进一步地，所述应急响应水箱与所述储热水箱连接，所述应急响应水箱与所述储热水箱之间设置有第六阀门，所述第六阀门开启时，所述储热水箱中的水流入所述应急响应水箱；所述应急响应水箱与第二冷水入口连接，所述应急响应水箱与所述储热水箱之间设置有第八阀门，所述第六阀门开启时，冷水从所述第二冷水入口流入所述应急响应水箱。

进一步地，所述控制装置包括控制柜，所述控制柜收集传感器收集的数据信息、气象预测数据和用水量预测数据，所述传感器设置在所述太阳能集热器、所述辅助热源、所述供热水箱、所述储热水箱及管道上，所述气象预测数据是所述控制柜在互联网获取的气象局提供气象数据；所述用水量预测数据是所述控制柜采集的历史用水量数据结合数据挖掘算法得到的。

进一步地，第一温度传感器安装在第一冷水入口，监测冷水的温度；第二温度传感器安装在所述太阳能集热器循环管道上，监测太阳能集热器的循环水的温度；第三温度传感器安装在所述辅助热源的循环管道上，监测辅助热源的循环水的温度；第四温度传感器安装在所述储热水箱上，监测所述储热水箱的热水温度；第五温度传感器安装在所述应急响应水箱上，监测所述应急响应水箱的水温；第六温度传感器安装在所述供热水箱上，监测所述供热水箱的水温。

在本发明的较佳实施方式中，提供了太阳能复合热源热水系统的控制方法，控制装置使用的控制系统包括初始化模块、预测模块、执行模块和应急响应模块；运行所述热水系统时，初始化模块启动，完成初始化后获取所述预测模块提供的预测信息，所述初始化模块根据所述预测信息安排热水供应计划，并将所述热水供应计划发送至所述执行模块，所述执行模块根据计划向控制太阳能集热器、辅助热源、供热水箱、储热水箱、阀门和/或控制泵发送指令，按照计划产出热水；如用户对热水的需求超过计划，则启动应急响应模块制定应急计划并执行，同时，所述执行模块暂缓执行原有计划，系统优先处理所述应急响应模块的应急计划，完成应急响应模块的应急计划后，再继续进行所述执行模块的任务。

进一步地，所述初始化模块的功能包括对系统进行初始化和安排所述热水系统每小时的供水量，所述初始化模块根据用户用水量预测数据制定热水供应计划。

进一步地，所述预测模块向所述初始化模块提供气象预测数据和用户用水量预测数据，所述气象预测数据来自气象局，通过互联网自动获取，数据内容包括但不限于未来24小时的温度、湿度、天气、太阳辐照强度、风速，数据用于预测未来太阳能供热量及系统在露天环境下的热损失和预测用户用水量；所述用户用水量预测数据通过对历史天气信息和历史用水数据进行关联性分析和聚类分析获得，关联性分析用于发现用水量与天气的相关性，相关度越大，说明用水量与天气越相关，即用水量的预测更加依赖天气信息；聚类分析用于得到用户的用水行为习惯，根据用户洗澡时间和洗澡频率，推测该用户洗澡的可能性，进而预测整个楼的用户用水量数据。

进一步地，所述执行模块根据所述初始化模块输入的热水供应计划、太阳能集热器提供的热量数据、辅助热源的开启时间点和开启时间长度制定冷水加热策略，所述执行模块开始运行时，所述供热水箱中无水，所述储热水箱无水或储存上一时段剩余的热水，所述太阳能集热器、辅助热源、第一循环泵和第二循环泵均处于关闭状态；所述执行模块获取当前时段热水供应计划，结合所述储热水箱的剩余水量确定热水补充量，开启第一阀门，放入热水补充需求量的冷水；所述执行模块根据气象预测数据计算每小时太阳能集热器能够为供热水箱提供的热量，预测太阳能集热器的出水温度：如果太阳能集热器的出水温度能够满足用户需求，则开启第二阀门，通过所述第一循环泵的作用使冷水从所述供热水箱流入所述太阳能集热器，使用太阳能集热器加热冷水后，开启第二阀门，通过所述第一循环泵的作用热水流入所述供热水箱；如果太阳能集热器的出水温度不能够满足用户需求，则使用太阳能集热器对冷水进行预热，计算所述辅助热源的开启时间点和开启时间长度，到达辅助热源开启时间点后，开启所述第二阀门和所述第一循环泵，预热的水从所述太阳能集热器流入所述供热水箱，完成后，关闭所述第二阀门和所述第一循环泵，开启第三阀门，在所述第二循环泵的作用下预热的水从所述供热水箱流入所述辅助热源，加热完成后，开启第三阀门和所述第二循环泵，加热的热水从所述辅助热源流入所述供热水箱，如果所述太阳能集热器无法对冷水进行预热，则仅使用所述辅助热源加热冷水；判断已加热热水是否已满足用户需求，如果满足用户需求，则开启第五阀门，如预测有误，未满足用户需求，则继续开启辅助热源，直到满足用户需求；当前时段任务结束，等待进入下一任务时段，所述执行模块根据所述储热水箱的热水剩余量，结合下一时段的热水供应计划更新下一时刻的热水补充量。

进一步地，所述应急响应模块用于处理未能预测到的热水需求，应急响应水箱中设有应急加热装置，当用户用水量超过所述控制装置预测结果时，启动所述应急加热装置快速加热冷水，所述应急响应水箱与浴室之间的第七阀门开启时，到达设定温度的热水从所述应急响应水箱流至浴室，所述应急加热装置是能够快速加热冷水的装置，包括但不限于电加热装置、燃气加热装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明无需改变用户的用水习惯，24小时提供热水，最大程度保证太阳能在系统能耗中的占比，提高系统效率，降低热水产出成本；

2、本发明利用历史用水数据，结合天气信息，采用数据挖掘算法进行预测，即使用相关性分析和聚类分析，再利用预测的结果进行控制，能够针对用户的用水习惯，避免由于过多热水在储热水箱中留存，散热导致的能量损失，获得良好的节能及节约成本效果；

3、本发明考虑到预测的不准确性，为保证热水保证率，设计应急响应的系统结构和控制方法，解决未能预测到的用水需求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明一种优选实施例的热水系统结构示意图；

图2是本发明一种优选实施例的控制系统示意图；

图3是本发明一种优选实施例的初始化模块流程示意图；

图4是本发明一种优选实施例的预测模块流程示意图；

图5是本发明一种优选实施例的应急响应模块流程示意图；

图6是本发明一种优选实施例的执行模块流程示意图；

其中，1-供热水箱，2-太阳能集热器，3-辅助热源，4-储热水箱，5-控制装置，6-应急响应水箱，11-第一冷水入口，12-第二冷水入口，13-热水出口，c1-第一阀门，c21-第二阀门，c22-第一循环泵，c31-第三阀门，c32-第二循环泵，c4-第四阀门，c5-第五阀门，c6-第六阀门，c7-第七阀门，c8-第八阀门，t1-第一温度传感器，t2-第二温度传感器，t3-第三温度传感器，t4-第四温度传感器，t5-第五温度传感器，t6-第六温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的一种太阳能复合热源热水系统及其控制方法的优选实施例做了详细描述，但本发明并不仅限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节。

如图1所示，一种太阳能复合热源热水系统，包括太阳能集热器2、辅助热源3、供热水箱1、储热水箱4和控制装置5，太阳能集热器2为真空太阳能集热器，辅助热源3为燃气热水锅炉，太阳能集热器2和辅助热源3分别与供热水箱1通过管道连接，供热水箱1与储热水箱4通过管道连接，控制装置5与各管道上的阀门和控制泵连接，控制装置5通过气象预测数据和用水量预测数据，向阀门和/或控制泵发送开启和关闭指令。

如图1所示，供热水箱1与第一冷水入口11连接，供热水箱1与第一冷水入口11之间设置有第一阀门c1，在供热水箱1内布置有换热器，换热器分别与太阳能集热器2和辅助热源3通过管道连接，换热器用于将太阳能集热器2和辅助热源3的热量传递到供热水箱1中，在换热器与太阳能集热器2之间设置有第一循环泵c22和第二阀门c21，在换热器与辅助热源3之间设置有第二循环泵c32和第三阀门c31。

如图1所示，供热水箱1与储热水箱4之间设置有第四阀门c4，第四阀门c4开启时，加热到设定温度的热水从供热水箱1流出并存入储热水箱4；储热水箱4与浴室管道之间设置有第五阀门c5，用户用水时，第五阀门c5开启，热水由储热水箱4流向浴室。

如图1所示，应急响应水箱6与储热水箱4连接，应急响应水箱6与储热水箱4之间设置有第六阀门c6，第六阀门c6开启时，储热水箱4中的水流入应急响应水箱6；应急响应水箱6与第二冷水入口12连接，应急响应水箱6与储热水箱4之间设置有第八阀门c8，第六阀门c8开启时，冷水从第二冷水入口12流入应急响应水箱6。

如图1所示，控制装置5包括控制柜，控制柜收集传感器收集的数据信息、气象预测数据和用水量预测数据，传感器设置在太阳能集热器2、辅助热源3、供热水箱1、储热水箱4及管道上，气象预测数据是控制柜在互联网获取的气象局提供气象数据；用水量预测数据是控制柜采集的历史用水量数据结合数据挖掘算法得到的。

如图1所示，第一温度传感器t1安装在第一冷水入口11，监测冷水的温度；第二温度传感器t2安装在太阳能集热器2循环管道上，监测太阳能集热器2的循环水的温度；第三温度传感器t3安装在辅助热源3的循环管道上，监测辅助热源3的循环水的温度；第四温度传感器t4安装在储热水箱4上，监测储热水箱4的热水温度；第五温度传感器t5安装在应急响应水箱6上，监测应急响应水箱6的水温；第六温度传感器t6安装在供热水箱1上，监测供热水箱1的水温。

如图2所示，太阳能复合热源热水系统的控制方法，控制装置5使用的控制系统包括初始化模块、预测模块、执行模块和应急响应模块；运行热水系统时，系统初始化模块启动，完成初始化后获取预测模块提供的预测信息，根据预测信息安排热水供应计划，并将热水供应计划发送至执行模块，执行模块根据计划向控制太阳能集热器2、辅助热源3、供热水箱1、储热水箱4、阀门和/或控制泵发送指令，按照计划产出热水；如用户对热水的需求超过计划，则启动应急响应模块制定应急计划，应急策略发送至执行模块，执行模块暂缓执行原有计划，优先处理应急响应模块的应急计划任务。

如图3所示，初始化模块的功能包括对系统进行初始化和安排热水系统每小时的供水量，初始化模块根据收到的气象预测数据和用户用水量预测数据制定热水供应计划。

如图4所示，预测模块向初始化模块提供气象预测数据和用户用水量预测数据，气象预测数据来自气象局，通过互联网自动获取，数据内容包括但不限于未来24小时的温度、湿度、天气、太阳辐照强度、风速，数据用于预测未来太阳能供热量及系统在露天环境下的热损失和预测用户用水量；用户用水量预测数据通过对历史天气信息和历史用水数据进行关联性分析和聚类分析获得，关联性分析用于发现用水量与天气的相关性，相关度越大，说明用水量与天气越相关，即用水量的预测更加依赖天气信息；聚类分析用于得到用户的用水行为习惯，如根据历史信息发现该用户每3天洗一次澡，则根据上一次洗澡时间，可以推测接下来该用户洗澡的可能性，进而预测整个楼的用户用水量数据。

如图6所示，执行模块根据初始化模块输入的热水供应计划、太阳能集热器2提供的热量数据、辅助热源3的开启时间点和开启时间长度制定冷水加热策略，执行模块开始运行时，供热水箱1中无水，储热水箱4无水或储藏上一时段剩余的热水，太阳能集热器2、辅助热源3、第一循环泵c22和第二循环泵c32均处于关闭状态；执行模块获取当前时段热水供应计划，结合储热水箱4的储水量确定热水补充量，开启第一阀门c1，放入热水补充需求量的冷水；执行模块根据气象预测数据计算每小时太阳能集热器2能够为供热水箱1提供的热量，预测太阳能集热器2的出水温度：如果太阳能集热器2的出水温度能够满足用户需求，则开启第二阀门c21，通过第一循环泵c22的作用使冷水从供热水箱1流入太阳能集热器2，使用太阳能集热器2加热冷水后，开启第二阀门c21，通过第一循环泵c22的作用热水流入供热水箱1；如果太阳能集热器2的出水温度不能够满足用户需求，则使用太阳能集热器2对冷水进行预热，计算辅助热源3的开启时间点和开启时间长度，到达辅助热源3开启时间点后，开启第二阀门c21和第一循环泵c22，预热的水从太阳能集热器2流入供热水箱1，完成后，关闭第二阀门c21和第一循环泵c22，开启第三阀门c31，在第二循环泵c32的作用下预热的水从供热水箱1流入辅助热源3，加热完成后，开启第三阀门c31和第二循环泵c32，加热的热水从辅助热源3流入供热水箱1，如果太阳能集热器2无法对冷水进行预热，则仅使用辅助热源3加热冷水；判断已加热热水是否已满足用户需求，如果满足用户需求，则开启第五阀门c5，热水通过热水出口13流向浴室；如预测有误，未满足用户需求，则继续开启辅助热源3，直到满足用户需求；当前时段任务结束，等待进入下一任务时段，执行模块根据储热水箱4的热水剩余量，结合下一时段的热水供应计划更新下一时刻的热水补充量。

如图1和图5所示，应急响应模块用于处理未能预测到的热水需求，当储热水箱4中的热水量低于预定值仍未满足用户的用水需求时，启动应急响应模块；应急响应模块包括应急响应水箱6，在应急水箱中设有应急加热装置，当用户用水量超过控制装置5预测结果时，启动应急加热装置快速加热冷水，此时，系统优先处理应急响应模块的应急计划，执行模块暂停任务；应急响应水箱6与浴室之间的第七阀门c7开启时，到达设定温度的热水从应急响应水箱6通过热水出口13流至浴室，同时系统解除应急响应，返回正常运行状态。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。