双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统及其控制方法与流程

[0001]
本发明属于可再生能源利用技术领域，尤其是涉及一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统及其控制方法。


背景技术：

[0002]
随着我国能源问题日益突出，可再生能源在建筑应用中得到了迅速发展。太阳能因其资源丰富引起人们的极大重视。但太阳能能量密度低，辐射度受环境影响大，具有明显的间歇性。因此，太阳能在使用过程中，需要设置辅助热源来保证实际供暖效果。
[0003]
空气源热泵热水机组作为一种高效节能装置，其开发利用得到了越来越广泛的重视，但当室外温度降低时，空气源热泵机组的供热量及效率也随之下降，尤其当冬季室外温度降到0℃以下时机组存在结霜除霜的问题。
[0004]
居住建筑供热负荷主要包括生活热水负荷和供暖负荷。据统计，居民生活热水能耗占到了建筑能耗的10％～20％，属于常年性热负荷。它受气候条件影响较小，全年中热负荷变化不大，但在一天内变化较大。生活热水热负荷的大小，主要与使用人员的生活习惯和生活水平有关。洗澡是居民日常生活中热水使用率最高的用水方式，用水量相对最多，且供水温度一般在50℃～60℃。相关调研得出居民生活热水的使用规律如下：早上6：00～9：00、中午11：00～13：00、晚上17：00～22：00是生活热水使用高峰。现有研究主要关注生活热水用量，对于生活热水主要使用时段的分布研究较少，而居民生活热水使用时段会影响系统的控制策略进而影响系统的能耗。
[0005]
居住建筑供暖负荷在建筑能耗中占比也越来越大，在供暖季期间具有连续性。供暖末端是供暖系统的重要组成部分，它向房间散热以补充房间的热损失，保持室内要求的温度，在我国主要有散热器、风机盘管和地板辐射供暖末端。其中，地板辐射供暖房间可形成温度由下而上逐渐升高的温度梯度，符合人体“头要凉、脚要热”的舒适度需求；同时不占用平面空间，符合美观要求，是我国当下及未来居住建筑供暖系统的主流发展形式。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(gb50736-2012)》中规定，热水地面辐射供暖系统供水温度宜采用35℃～45℃，相比于生活热水供水温度(50℃～60℃)有着15℃左右的温差。


技术实现要素：

[0006]
针对上述现有技术存在的缺陷与限制，本发明提供一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统及其控制方法，为双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统提供良好的运行控制策略，有效提升太阳能系统集热效率并降低系统能耗；该方法充分考虑生活热水使用时段及其与辐射供暖供水温度的差异化需求，发挥集热水箱和供暖水箱的蓄热优势，实现能量的梯级利用，并尽可能地收集更多的太阳能资源。
[0007]
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
[0008]
一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统，其特征在于，包括太阳能集热器、
集热循环泵、换热盘管、集热水箱、生活用水循环泵、空气源热泵热水机组、双水箱换热循环泵、供暖水箱、辐射供暖循环泵、低温地板辐射供暖末端、生活热水末端；
[0009]
还包括集热器出口温度传感器、集热水箱底部温度传感器、集热水箱出水温度传感器、供暖水箱底部温度传感器、供暖水箱出水温度传感器、集热水箱水位传感器、供暖水箱水位传感器和系统控制器；
[0010]
所述太阳能集热器的出口与所述换热盘管的进口连接，所述换热盘管的出口通过所述集热循环泵与所述太阳能集热器的进口连接；所述换热盘管设置于所述集热水箱内部；
[0011]
所述集热器出口温度传感器设置在所述太阳能集热器的出口管路上，用于实时测定所述太阳能集热器的出水温度；
[0012]
所述集热水箱的上部出水口分两个支路：支路一连接通过所述生活用水循环泵连接至所述生活热水末端，支路二连接至所述供暖水箱的上部进水口，所述供暖水箱的下部出水口通过所述双水箱换热循环泵与所述集热水箱的下部进水口连接；
[0013]
所述集热水箱底部温度传感器设置在所述集热水箱的底部，用于实时测定所述集热水箱的底部温度；所述集热水箱出水温度传感器设置在所述集热水箱的上部出水口处，用于实时测定所述集热水箱的出水温度；所述集热水箱水位传感器设置在所述集热水箱的内部，用于实时测定所述集热水箱的水位。
[0014]
所述供暖水箱的上部出水口连接至所述低温地板辐射供暖末端的入口，所述低温地板辐射供暖末端的出口通过所述辐射供暖循环泵与所述供暖水箱的下部进水口连接；
[0015]
所述集热水箱的上部出水口的支路二通过热泵进口电动三通调节阀的m1-b端与所述空气源热泵热水机组的进水口连接，所述空气源热泵热水机组的出水口经热泵出口电动三通调节阀的m2-b端连接至所述生活热水末端；所述供暖水箱的中部出水口经所述热泵进口电动三通调节阀的m1-a端与所述空气源热泵热水机组的进水口连接，所述空气源热泵热水机组的出水口经所述热泵出口电动三通调节阀的m2-a端与所述供暖水箱的中部进水口连接；
[0016]
所述供暖水箱底部温度传感器设置在所述供暖水箱的底部，用于实时测定所述供暖水箱的底部温度；所述供暖水箱出水温度传感器设置在所述供暖水箱的上部出水口处，用于实时测定所述供暖水箱的出水温度；所述供暖水箱水位传感器设置在所述供暖水箱的内部，用于实时测定所述供暖水箱的水位；
[0017]
所述集热器出口温度传感器、所述集热水箱底部温度传感器、所述集热水箱出水温度传感器、所述供暖水箱底部温度传感器、所述供暖水箱出水温度传感器、所述集热水箱水位传感器、所述供暖水箱水位传感器均与所述系统控制器连接，所述系统控制器与所述集热循环泵、所述生活热水循环泵、所述空气源热泵机组、所述双水箱换热循环泵、所述热泵进口电动三通调节阀、所述热泵出口电动三通调节阀、所述辐射供暖循环泵分别连接。
[0018]
进一步地，所述集热水箱的底部补水口与自来水补水连接，所述自来水补水由所述系统控制器控制启闭。
[0019]
进一步地，所述太阳能集热器采用平板集热器或真空管集热器，其传热介质为防冻液。
[0020]
进一步地，所述集热循环泵、所述双水箱换热循环泵、所述生活用水循环泵、所述
辐射供暖循环泵均采用定频泵。
[0021]
一种上述双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统的控制方法，包括
[0022]
所述系统控制器采集所述太阳能集热器出口温度传感器与所述集热水箱底部温度传感器的输入温度信号，并计算所述太阳能集热器出口和所述集热水箱底部温差；所述系统控制器判断所述太阳能集热器出口和所述集热水箱底部温差大于等于第一设定值，则所述系统控制器控制所述集热循环泵开启；所述系统控制器判断所述太阳能集热器出口和所述集热水箱底部温差小于等于第二设定值时，则所述系统控制器控制所述集热循环泵关闭；
[0023]
所述系统控制器采集所述集热水箱底部温度传感器和所述供暖水箱底部温度传感器的输入温度信号，并计算所述集热水箱的底部和所述供暖水箱的底部温差；所述系统控制器判断所述集热水箱的底部和所述供暖水箱的底部温差大于等于第三设定值，所述系统控制器控制所述双水箱换热循环泵开启；所述系统控制器判断所述集热水箱的底部和所述供暖水箱的底部温差小于等于第四设定值，则所述系统控制器控制所述双水箱换热循环泵关闭。
[0024]
所述系统控制器控制所述空气源热泵热水机组的开启和关闭，包括如下步骤：
[0025]
(1)所述系统控制器判断时间是否在[6：00-22：00]时间段，若是，则进行步骤(2)；若否，则进行步骤(3)；
[0026]
(2)所述系统控制器采集所述集热水箱出水温度传感器的输入温度信号，判断所述集热水箱的出水温度大于等于50℃；
[0027]
若是，则所述系统控制器控制所述空气源热泵热水机组关闭；
[0028]
若否，则所述系统控制器控制所述空气源热泵热水机组开启，且所述系统控制器控制所述热泵进口电动三通调节阀的m1-b端和所述热泵出口电动三通调节阀的m2-b端开启，使所述集热水箱的出水经所述空气源热泵机组加热后供给所述生活热水末端，直至达到所述空气源热泵机组的第五设定值；
[0029]
(3)所述系统控制器采集所述供暖水箱出水温度传感器的输入温度信号，判断所述供暖水箱的出水温度大于等于40℃；
[0030]
若是，则所述系统控制器控制所述空气源热泵热水机组关闭；
[0031]
若否，则所述系统控制器控制所述空气源热泵热水机组开启，且所述系统控制器控制所述热泵进口电动三通调节阀的m1-a端和所述热泵出口电动三通调节阀的m2-a端开启，使所述供暖水箱的出水经所述空气源热泵机组加热后供给所述低温地板辐射供暖末端，直至达到所述空气源热泵机组的第六设定值；
[0032]
其中，第一设定值、第二设定值、第三设定值、第四设定值、第五设定值、第六设定值均为所述系统控制器的预设值。
[0033]
进一步地，所述系统控制器采集所述集热水箱水位传感器和供暖水箱水位传感器的输入水位信号，当判断所述集热水箱或供暖水箱的水位降至最低水位值，则所述系统控制器控制所述自来水补水开启，直至判断所述集热水箱和供暖水箱的水位补充至最高水位，所述系统控制器控制所述自来水补水停止。
[0034]
本发明的有益效果是：
[0035]
(一)本发明提供的双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统及其控制方法，能够
实现太阳能、空气能的优势互补：在太阳能辐射不足时可利用空气源热泵补充供热，克服太阳能间断性、波动性的缺点；太阳能集热系统可以弥补空气源热泵因室外环境温度低而导致的制热性能低下和结霜的缺点。
[0036]
(二)本发明提供的双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统及其控制方法，充分考虑居住建筑生活热水使用时段以及生活热水与辐射供暖供水温度差异，提出针对不同时间段(τ∈[6：00-22：00]、)分别设定不同空气源热泵机组出水温度(55℃和45℃)，并为该系统所涉及的太阳能集热循环、双水箱换热循环和空气源热泵机组运行制定合理高效的控制策略，保证系统高效地满足居住建筑生活热水和连续供暖需求。
[0037]
(三)本发明提供的双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统及其控制方法，充分发挥集热水箱和供暖水箱的蓄热优势，可以最大程度地收集太阳能等可再生能源，实现对能量的梯级利用，同时提高太阳能系统集热效率和空气源热泵机组运行效率，降低系统能耗，达到显著的节能效果。
附图说明
[0038]
图1是本发明的双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统的结构示意图。
[0039]
上述图中：1，集热循环泵；2，集热器出口温度传感器；3，集热水箱；4，集热水箱底部温度传感器；5，集热水箱出水温度传感器；6，生活热水循环泵；7，空气源热泵机组；8，双水箱换热循环泵；9，热泵进口电动三通调节阀；10，热泵出口电动三通调节阀；11，供暖水箱；12，供暖水箱底部温度传感器；13，供暖水箱出水温度传感器；14，辐射供暖循环泵；15，生活热水末端；16，低温地板辐射供暖末端；17，集热水箱水位传感器；18，供暖水箱水位传感器；19，自来水补水；20，系统控制器；21，太阳能集热器。
具体实施方式
[0040]
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
[0041]
如图1所示，本实施例提供了一种双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统控制方法，基于双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统进行控制，在保证居住建筑生活热水供应和连续供暖的需求的前提下，通过合理控制太阳能集热循环、双水箱换热循环和空气源热泵机组运行模式，从而最大化地利用可再生能源，减少辅助热源的使用，提高系统运行效率，以实现最大程度地节能。
[0042]
双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统包括集热循环泵1、集热器出口温度传感器2、集热水箱3、集热水箱底部温度传感器4、集热水箱出水温度传感器5、生活热水循环泵6、空气源热泵机组7、双水箱换热循环泵8、热泵进口电动三通调节阀9、热泵出口电动三通调节阀10、供暖水箱11、供暖水箱底部温度传感器12、供暖水箱出水温度传感器13、辐射供暖循环泵14、生活热水末端15、低温地板辐射供暖末端16、集热水箱水位传感器17、供暖水箱水位传感器18、自来水补水19、系统控制器20。
[0043]
太阳能集热器21的出口与集热水箱3内部的换热盘管进口相连，将热量传至集热水箱3；集热水箱3内部的换热盘管出口经阀门v1与集热循环泵1的进口相连，集热循环泵1的出口连接至太阳能集热器21的进口。
[0044]
集热器出口温度传感器2设置在太阳能集热器21的出口管路上，用于实时测定太阳能集热器21的出水温度。
[0045]
集热水箱3的上部出水口分两个支路：支路一连接生活用水循环泵6的进口，生活用水循环泵6的出口经阀门v3连接至生活热水末端15，构成生活热水供水循环；支路二经阀门v2连接至供暖水箱11的上部进水口，供暖水箱11的下部出水口连接双水箱换热循环泵8的进口，双水箱换热循环泵8的出口再回流连接至集热水箱3的下部进水口，构成双水箱换热循环。
[0046]
集热水箱底部温度传感器4设置在集热水箱3的底部，用于实时测定集热水箱3的底部温度。
[0047]
集热水箱出水温度传感器5设置在集热水箱3的上部出水口处，用于实时测定集热水箱3的出水温度。
[0048]
集热水箱水位传感器17设置在集热水箱3的内部，用于实时测定集热水箱3的水位。
[0049]
供暖水箱11的上部出水口连接至低温地板辐射供暖末端16的入口，低温地板辐射供暖末端16的出口连接至辐射供暖循环泵14的进口，辐射供暖循环泵14的出口再回流连接至供暖水箱11下部进水口，构成供暖循环。
[0050]
供暖水箱底部温度传感器12设置在供暖水箱11的底部，用于实时测定供暖水箱11的底部温度。
[0051]
供暖水箱出水温度传感器13设置在供暖水箱11的上部出水口处，用于实时测定供暖水箱11的出水温度。
[0052]
供暖水箱水位传感器18设置在供暖水箱11的内部，用于实时测定供暖水箱11的水位。
[0053]
集热器出口温度传感器2、集热水箱底部温度传感器4、集热水箱出水温度传感器5、供暖水箱底部温度传感器12、供暖水箱出水温度传感器13、集热水箱水位传感器17、供暖水箱水位传感器18均与系统控制器20连接，系统控制器20与集热循环泵1、生活热水循环泵6、空气源热泵机组7、双水箱换热循环泵8、热泵进口电动三通调节阀9、热泵出口电动三通调节阀10、辐射供暖循环泵14分别连接。
[0054]
当太阳辐射充足时，太阳能集热器21将太阳能转化为热能，集热循环泵1开启，通过集热水箱3进行加热。通过生活热水循环泵6将集热水箱3的热水传输至用户生活热水末端15。通过双水箱换热循环泵8将集热水箱3的热水传输至供暖水箱11；通过辐射供暖循环泵14将供暖水箱11的热水传输至用户低温地板辐射供暖末端16。
[0055]
当出现阴雨天气或太阳辐射不足时，开启空气源热泵热水机组7辅助加热，此时集热水箱3出水经空气源热泵热水机组7进一步加热后供给用户生活热水末端15；同时空气源热泵热水机组7对供暖水箱11进行加热升温后供给用户低温地板辐射供暖末端16。具体地，如图1虚线所示，若集热水箱3出水温度低于设定值，集热水箱3上部出水口的支路二经热泵进口电动三通调节阀9的m1-b端进入空气源热泵热水机组7的进水口，空气源热泵热水机组7的出水口经热泵出口电动三通调节阀10的m2-b端连接至生活热水末端11；若供暖水箱11出水温度低于设定值，空气源热泵热水机组7还对供暖水箱11内的水进行加热升温：供暖水箱11中部出水口经进口电动三通调节阀9的m1-a端进入空气源热泵热水机组7的进水口，空
气源热泵热水机组7的出水口经热泵出口电动三通调节阀10的m2-a端连接至供暖水箱11的中部进水口，从而同时保证用户生活热水负荷和连续供暖的需求。
[0056]
当集热水箱3内水位低于设定值时，开启自来水补水19，自来水经阀门v4进入集热水箱3底部补水口。
[0057]
上述方案中，太阳能集热器21采用平板集热器或真空管集热器，安装在南向屋顶，根据当地太阳高度角确定安装倾角，太阳能集热器21内传热介质为防冻液。
[0058]
上述方案中，集热循环泵1和双水箱换热循环泵8采用定频泵；生活用水循环泵6和辐射供暖循环泵14采用定频泵，根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，实现最大限度地节能运行。
[0059]
上述方案中，集热循环泵1的开关受系统控制器20输出信号控制，判断条件是集热器出口温度传感器2与集热水箱底部温度传感器4输入系统控制器20的温度信号差值。
[0060]
上述方案中，双水箱换热循环泵8的开关受系统控制器20输出信号控制，判断条件是集热水箱底部温度传感器4和供暖水箱底部温度传感器12输入系统控制器20的温度信号差值。
[0061]
上述方案中，空气源热泵热水机组7安装在室外通风较好的位置，其运行模式受系统控制器20输出信号控制，判断条件包括时间段、集热水箱出水温度传感器5和供暖水箱出水温度传感器5输入系统控制器20的温度信号。
[0062]
上述方案中，自来水补水19受系统控制器20控制，判断条件是集热水箱水位传感器17和供暖水箱水位传感器18输入系统控制器20的水位信号。
[0063]
上述方案中，系统控制器20可以为单片机、plc或dsp。
[0064]
根据能源的优先级关系，本发明进一步在上述双水箱太阳能-空气源热泵耦合供热系统的基础上提出了一种控制方法，优先采用清洁无污染且运行费用较低的太阳能集热器21进行集热，其次采用空气源热泵热水机组7进行辅助加热。
[0065]
本实施例的具体控制方法为：
[0066]
1、太阳能集热运行控制
[0067]
系统控制器20通过采集太阳能集热器出口温度传感器2与集热水箱底部温度传感器4的输入温度信号，对太阳能集热循环泵1的启停进行控制：当t
a-t
b1
≥7℃(温差设定值可调)时，开启集热循环泵1，通过集热水箱3内的换热盘管对集热水箱3进行蓄热；当t
a-t
b1
≤3℃(温差设定值可调)时，关闭太阳能集热循环泵1，避免工质循环带走集热水箱3中的热量。
[0068]
2、双水箱换热运行控制
[0069]
系统控制器20通过采集集热水箱底部温度传感器4和供暖水箱底部温度传感器12的输入温度信号对双水箱换热循环泵8的启停进行控制：当t
b1-t
b2
≥5℃时，开启双水箱换热循环泵8，将集热水箱3中的热量及时传递给供暖水箱11；当t
b1-t
b2
≤0℃时，关闭双水箱换热循环泵8。
[0070]
3、空气源热泵运行控制
[0071]
空气源热泵热水机组7受系统控制器20输出信号控制，判断条件包括时间段、集热水箱出水温度传感器5和供暖水箱出水温度传感器13输入系统控制器20的温度信号。
[0072]
先判断时间τ是否在[6：00-22：00]时间段内，若在此时间段内，根据集热水箱出水温度传感器5的输入温度信号判断集热水箱3的出水温度是否满足≥50℃，若能满足，说明
太阳能辐射充足，暂不需要开启空气源热泵机组7辅助加热；若低于50℃，则需要开启空气源热泵机组7辅助加热，此时设定热泵出水温度为55℃，关闭阀门v3，开启热泵进口电动三通调节阀9的m1-b端和热泵出口电动三通调节阀10的m2-b端，集热水箱3出水经空气源热泵机组7进一步加热供给生活热水末端15；当判断时间τ不在[6：00-22：00]时间段内，根据供暖水箱出水温度传感器13的输入温度信号判断供暖水箱11的出水温度是否满足≥40℃，若能满足，暂不需要开启空气源热泵机组7辅助加热；若低于40℃，则需要开启空气源热泵机组7辅助加热，开启电动三通调节阀9的m1-a端和热泵出口电动三通调节阀10的m2-a端，此时设定空气源热泵机组7出水温度为45℃，以满足地板辐射供暖末端16的负荷需求。
[0073]
4、自来水补水控制
[0074]
系统控制器20通过采集集热水箱水位传感器17和供暖水箱水位传感器18输入水位信号来控制自来水补水19的启停。当集热水箱3或供暖水箱11水位降至最低水位值时，打开阀门v4，开启自来水补水19，当集热水箱3和供暖水箱11水位补充至最高水位时，关闭阀门v4，停止自来水补水19。
[0075]
从以上的描述中可以看出，本发明能够实现太阳能、空气能的优势互补：在太阳能辐射不足时可利用空气源热泵补充供热，克服太阳能间断性、波动性的缺点；太阳能集热系统可以弥补空气源热泵因室外环境温度低而导致的制热性能低下和结霜的缺点；双水箱的设置可以及时把集热水箱内达到控制温度的热水放至供暖水箱，降低了集热水箱内的初始水温，避免了单水箱集热系统热水持续加热，水温过高导致集热效率降低。在此系统本身优势的基础上，考虑到居住建筑生活热水使用时段以及生活热水与辐射供暖供水温度差异，本发明提出针对不同时间段(有生活热水需求时间段τ∈[6：00-22：00]、生活热水需求较少时间段)分别设定不同热泵机组出水温度(55℃和45℃)，同时充分发挥集热水箱和供暖水箱的蓄热优势，为该系统所涉及的太阳能集热循环、双水箱换热循环和空气源热泵机组运行制定合理高效的控制策略，保证系统高效地满足居住建筑生活热水和连续供暖需求。因此，本发明可以最大程度地收集太阳能，提高太阳能系统集热效率和空气源热泵机组运行效率，降低系统能耗，达到显著的节能效果。
[0076]
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。