基于光热耦合的高海拔地区采暖方法及系统与流程

本发明涉及采暖控制，尤其涉及一种基于光热耦合的高海拔地区采暖方法及系统。

背景技术：

1、在高海拔地区，由于海拔较高，环境气压低且昼夜温差大、太阳辐射变化剧烈，导致区域内建筑采暖时室内温度波动大且不均衡。同时，高海拔地区能源获取方式受限，通常需要结合太阳能、空气源热泵及电能等多种能源形式进行协同供热，以满足建筑采暖需求。

2、现有的采暖系统多采用单一热源，如利用空气源热泵或其他电加热设备对房间进行供暖，同时，在控制策略上，多数采暖系统通常通过预设的固定参数对各采暖设备进行控制。

3、然而，在高海拔地区强波动工况下，单一热源或基于固定参数的控制方式难以适应动态变化的采暖需求，易导致地暖供水温度偏离目标范围，从而造成室内温度波动。同时，现有控制方法多依赖反馈调节，缺乏对室内热量变化的预测能力，难以及时调整采暖设备参数，导致系统响应滞后。因此，亟需一种能够对采暖房屋的热状态进行分析，并对换热过程进行动态调控的高海拔地区采暖方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于光热耦合的高海拔地区采暖方法及系统，其主要目的在于提高采暖系统在高海拔地区的供热稳定性，降低室内温度波动。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种基于光热耦合的高海拔地区采暖方法，包括：

3、接收采暖指令，基于采暖指令确认出采暖环境，其中，采暖环境包括：采暖房屋、光伏组件、室外监测装置、太阳能集热器、蓄热水罐、板式换热器及空气能热泵组；

4、利用室外监测装置获取当前光强，比较当前光强与预设的采光阈值；

5、若当前光强大于等于采光阈值，则对光伏组件进行蓄能，得到储能组件，并利用太阳能集热器对蓄热水罐进行光热转换，得到光热水罐；

6、利用室外监测装置对采暖房屋进行状态评估，得到采暖散失指数，基于采暖散失指数、预设的采暖初始温度及预构建的温差拟合曲线确认出采暖结果温度；

7、基于光热水罐、采暖结果温度及预构建的换热流速函数确认出最佳采暖频率，比较最佳采暖频率与预设的极限频率；

8、若最佳采暖频率小于等于极限频率，则基于最佳采暖频率及光热水罐对采暖房屋进行采暖供应，得到目标房屋；

9、否则利用空气能热泵组对光热水罐进行气热辅助，得到辅助光热水罐及更新频率，基于更新频率及辅助光热水罐对采暖房屋进行采暖供应，得到目标房屋；

10、若当前光强小于采光阈值，则基于光伏组件及蓄热水罐对采暖房屋进行电热辅助采暖，得到耗能组件、目标房屋及电热水罐；

11、以得到目标房屋的时间为起点并实时记录时间，得到采暖时间，当采暖时间达到预设的更新阈值时，将目标房屋作为采暖房屋，将电热水罐、光热水罐或辅助光热水罐作为蓄热水罐，将耗能组件或储能组件作为光伏组件，返回所述利用室外监测装置获取当前光强的步骤，直到接收到预构建的采暖终止指令，完成高海拔地区采暖。

12、可选地，所述采暖环境中的采暖房屋包括：热水地暖、室温传感器、室湿传感器、出入探测器及红外相机，室外监测装置包括：光度传感器、外温传感器、风速传感器及气压传感器，太阳能集热器包括：循环水泵、集热水出口及集热水入口，空气能热泵组包括：多个空气能热泵、加热水泵、总加热进水口及总加热出水口，蓄热水罐包括：交换水入口、交换水出口、加热水入口、加热水出口、蓄热水入口、蓄热水出口及热水变频泵，板式换热器包括：热水进端、热水出端、冷水进端及冷水出端，热水地暖包括：冷水循环泵、地暖水入口及地暖水出口，光伏组件包括：光伏板及储能电池，其中，太阳能集热器的集热水出口与蓄热水罐的交换水入口之间、太阳能集热器的集热水入口与蓄热水罐的交换水出口之间、蓄热水罐的蓄热水出口与板式换热器的热水进端之间、蓄热水罐的蓄热水入口与板式换热器的热水出端之间、蓄热水罐的加热水入口与空气能热泵组的总加热出水口之间、蓄热水罐的加热水出口与空气能热泵组的总加热进水口之间、板式换热器的冷水进端与热水地暖的地暖水出口之间及板式换热器的冷水出端与热水地暖的地暖水入口之间均通过预构建的水管相连。

13、可选地，所述利用室外监测装置对采暖房屋进行状态评估，得到采暖散失指数，包括：

14、分别利用室外监测装置中的外温传感器、风速传感器及气压传感器获取当前外部气温、当前外部风速及当前外部气压；

15、基于预设的采集时长及所述出入探测器获取采暖房屋的阶段出入人数；

16、利用所述室温传感器采集采暖房屋的当前房屋室温，利用所述室湿传感器采集采暖房屋的当前房屋湿度；

17、基于预设的红外时长、所述红外相机及预设的红外时间间隔获取采暖房屋的多个房屋图像，其中，房屋图像包括：多个红外像素点，其中，红外像素点包括：红外温度值；

18、对多个房屋图像中的每个房屋图像均执行如下操作：

19、根据房屋图像中的多个红外像素点计算红外方差；

20、汇总红外方差，得到多个红外方差，根据多个红外方差计算平均方差及二次红外方差；

21、根据平均方差及二次红外方差计算房间温度波动率，其中，房间温度波动率为平均方差与二次红外方差的乘积；

22、根据当前外部气温、当前外部风速、当前外部气压、阶段出入人数、当前房屋室温、当前房屋湿度及房间温度波动率计算采暖散失指数，计算公式如下所示：

23、；

24、其中，为采暖散失指数，为当前外部气压，为当前外部风速，及分别为当前外部气温及当前房屋室温，为阶段出入人数，为当前房屋湿度，为房间温度波动率，为自然常数，为自然对数，指取绝对值。

25、可选地，所述基于采暖散失指数、预设的采暖初始温度及预构建的温差拟合曲线确认出采暖结果温度之前，还包括：

26、获取采暖房屋的多个历史散失数据组，其中，历史散失数据组包括：历史散失指数及历史散热温差；

27、根据多个历史散失数据组进行曲线拟合，得到温差拟合曲线，其中，温差拟合曲线位于预构建的第一坐标系上，且第一坐标系的横坐标为历史散失指数，第一坐标系的纵坐标为历史散热温差。

28、可选地，所述基于采暖散失指数、预设的采暖初始温度及预构建的温差拟合曲线确认出采暖结果温度，包括：

29、基于采暖散失指数在温差拟合曲线中确认出预估采暖温差；

30、基于采暖初始温度及预估采暖温差确认出采暖结果温度，其中，采暖结果温度为采暖初始温度与预估采暖温差的绝对差值。

31、可选地，所述基于光热水罐、采暖结果温度及预构建的换热流速函数确认出最佳采暖频率，包括：

32、根据采暖结果温度及采暖初始温度计算第一温差，其中，第一温差为采暖结果温度与采暖初始温度的绝对差值；

33、根据预确认的第一水密度、预确认的第一水比热容、预确认的水暖流速、预确认的换热截面积及第一温差计算冷端换热率；

34、利用光热水罐对板式换热器进行热水输送，得到初始换热器，获取初始换热器的进水初始温度，将进水初始温度、当前外部气温、当前外部风速及当前外部气压输入至预构建的环境散热模型中，得到环境散热速率；

35、基于冷端换热率及环境散热速率确认出热端换热率，其中，热端换热率为冷端换热率与环境散热速率的和；

36、根据热端换热率及预确认的第二水密度、预确认的第二水比热容、预设的流速自变量及换热截面积构建温差流速函数；

37、根据换热流速函数、温差流速函数、进水初始温度、采暖初始温度、采暖结果温度、预确认的板片数量、预确认的板片展开面积及冷端换热率构建隐式换热方程，其中，隐式换热方程如下所示：

38、；

39、其中，为隐式换热方程，为冷端换热率，为换热流速函数，及分别为板片数量及板片展开面积，、及分别为进水初始温度、采暖初始温度及采暖结果温度，为温差流速函数；

40、对隐式换热方程进行求解，得到最佳流速；

41、基于最佳流速确认出最佳采暖频率。

42、可选地，所述基于光热水罐、采暖结果温度及预构建的换热流速函数确认出最佳采暖频率之前，还包括：

43、获取板式换热器的多个历史换热数据组，其中，历史换热数据组包括：历史热端进温、历史热端出温、历史冷端进温、历史冷端出温及历史热端流速；

44、对多个历史换热数据组中的每个历史换热数据组均执行如下操作：

45、基于第一水密度、第一水比热容、水暖流速、换热截面积、历史换热数据组中的历史冷端进温及历史冷端出温计算历史换热率；

46、根据历史换热率、历史换热数据组中的历史热端进温、历史热端出温、历史换热数据组中的历史冷端进温、历史冷端出温、板片数量及板片展开面积计算历史换热效能；

47、汇总历史换热效能及所述历史换热数据组中的历史热端流速，得到换热流速数据组；

48、汇总换热流速数据组，得到多个换热流速数据组，基于多个换热流速数据组进行函数拟合，得到换热流速函数。

49、可选地，所述利用空气能热泵组对光热水罐进行气热辅助，得到辅助光热水罐及更新频率，包括：

50、从空气能热泵组中依次提取空气能热泵，并对所提取的空气能热泵执行如下操作：

51、利用预构建的电网对所述空气能热泵进行供电，得到运行热泵；

52、利用运行热泵对光热水罐进行加热，得到加热光热水罐，利用加热光热水罐对板式换热器进行热水输送，得到加热板式器；

53、获取加热板式器的加热进水温度；

54、基于加热进水温度、当前外部气温、当前外部风速、当前外部气压及环境散热模型获取更新散热速率；

55、基于更新散热速率、冷端换热率、第二水密度、第二水比热容、换热截面积、温差流速函数、加热进水温度、采暖初始温度、采暖结果温度、板片数量及板片展开面积获取更新最佳频率；

56、比较更新最佳频率与极限频率；

57、若更新最佳频率大于极限频率，则将加热光热水罐作为光热水罐，将加热板式器作为板式换热器，返回所述从空气能热泵组中依次提取空气能热泵的步骤，直到更新最佳频率小于等于极限频率，将更新最佳频率作为更新频率，将所述加热光热水罐作为辅助光热水罐。

58、可选地，所述基于光伏组件及蓄热水罐对采暖房屋进行电热辅助采暖，得到耗能组件、目标房屋及电热水罐，包括：

59、从空气能热泵组中依次提取空气能热泵，并对所提取的空气能热泵执行如下操作：

60、读取光伏组件中储能电池的储能电量，比较储能电量与预设的极限电量；

61、若储能电量大于极限电量，则利用光伏组件中的储能电池对空气能热泵进行供电，得到光能热泵；

62、否则利用电网对空气能热泵进行供电，得到光能热泵；

63、基于光能热泵对蓄热水罐进行加热，得到电热水罐；

64、基于室外监测装置、电热水罐、采暖房屋、采暖初始温度、温差拟合曲线、换热流速函数确认出无光采暖频率，比较无光采暖频率与极限频率；

65、若无光采暖频率大于极限频率，则将电热水罐作为蓄热水罐，返回所述从空气能热泵组中依次提取空气能热泵的步骤，直到无光采暖频率小于等于极限频率，将所述光伏组件作为耗能组件，基于无光采暖频率及电热水罐对采暖房屋进行采暖供应，得到目标房屋。

66、为实现上述目的，本发明还提供一种基于光热耦合的高海拔地区采暖系统，包括：

67、采暖环境确认模块，用于接收采暖指令，基于采暖指令确认出采暖环境，其中，采暖环境包括：采暖房屋、光伏组件、室外监测装置、太阳能集热器、蓄热水罐、板式换热器及空气能热泵组；

68、采暖状态评估模块，用于利用室外监测装置获取当前光强，比较当前光强与预设的采光阈值，若当前光强大于等于采光阈值，则对光伏组件进行蓄能，得到储能组件，并利用太阳能集热器对蓄热水罐进行光热转换，得到光热水罐，利用室外监测装置对采暖房屋进行状态评估，得到采暖散失指数，基于采暖散失指数、预设的采暖初始温度及预构建的温差拟合曲线确认出采暖结果温度；

69、采暖频率调控模块，用于基于光热水罐、采暖结果温度及预构建的换热流速函数确认出最佳采暖频率，比较最佳采暖频率与预设的极限频率，若最佳采暖频率小于等于极限频率，则基于最佳采暖频率及光热水罐对采暖房屋进行采暖供应，得到目标房屋，否则利用空气能热泵组对光热水罐进行气热辅助，得到辅助光热水罐及更新频率，基于更新频率及辅助光热水罐对采暖房屋进行采暖供应，得到目标房屋，若当前光强小于采光阈值，则基于光伏组件及蓄热水罐对采暖房屋进行电热辅助采暖，得到耗能组件、目标房屋及电热水罐；

70、光热采暖循环模块，用于以得到目标房屋的时间为起点并实时记录时间，得到采暖时间，当采暖时间达到预设的更新阈值时，将目标房屋作为采暖房屋，将电热水罐、光热水罐或辅助光热水罐作为蓄热水罐，将耗能组件或储能组件作为光伏组件，返回所述利用室外监测装置获取当前光强的步骤，直到接收到预构建的采暖终止指令，完成高海拔地区采暖。

71、为了解决上述问题，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：

72、存储器，存储至少一个指令；

73、处理器，执行所述存储器中存储的指令以实现上述所述的基于光热耦合的高海拔地区采暖方法。

74、为了解决上述问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令，所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现上述所述的基于光热耦合的高海拔地区采暖方法。

75、本发明为解决背景技术所述问题，本发明通过接收采暖指令，基于采暖指令确认出采暖环境，其中，采暖环境包括：采暖房屋、光伏组件、室外监测装置、太阳能集热器、蓄热水罐、板式换热器及空气能热泵组，可见本发明实施例通过统一构建包含采暖房屋、光伏组件、室外监测装置、太阳能集热器、蓄热水罐、板式换热器及空气能热泵组在内的采暖环境，实现多采暖设备的系统化集成，为后续协同控制提供基础条件，提高系统设备协调能力，进而利用室外监测装置获取当前光强，比较当前光强与预设的采光阈值，若当前光强大于等于采光阈值，则对光伏组件进行蓄能，得到储能组件，并利用太阳能集热器对蓄热水罐进行光热转换，得到光热水罐，可见本发明实施例通过对太阳能资源可用性的动态判断，从而在光照充足时优先利用光伏及光热能量，提高可再生能源利用率，降低系统运行能耗，利用室外监测装置对采暖房屋进行状态评估，得到采暖散失指数，基于采暖散失指数、预设的采暖初始温度及预构建的温差拟合曲线确认出采暖结果温度，可见本发明实施例通过对室外环境参数及房屋状态进行综合评估，确认出采暖散失指数，实现对房屋热量散失情况的量化描述，并基于该指数预测所需的采暖结果温度，从而由传统反馈控制转变为预测性控制，提高系统响应速度和供热稳定性，降低室内温度波动，基于光热水罐、采暖结果温度及预构建的换热流速函数确认出最佳采暖频率，比较最佳采暖频率与预设的极限频率，若最佳采暖频率小于等于极限频率，则基于最佳采暖频率及光热水罐对采暖房屋进行采暖供应，得到目标房屋，可见本发明实施例通过引入换热流速函数及温差流速函数，构建隐式换热方程，在已知换热需求的条件下求解出对应的最佳流速，并进一步映射得到最佳采暖频率，从而通过控制热水变频泵的频率来精确控制热水地暖的温度，进而提高供热稳定性，降低室内温度波动，否则利用空气能热泵组对光热水罐进行气热辅助，得到辅助光热水罐及更新频率，基于更新频率及辅助光热水罐对采暖房屋进行采暖供应，得到目标房屋，若当前光强小于采光阈值，则基于光伏组件及蓄热水罐对采暖房屋进行电热辅助采暖，得到耗能组件、目标房屋及电热水罐，本发明实施例通过在不同采暖情况下进行气热辅助采暖或电热辅助采暖，避免采暖系统过载运行或供热不足，提高采暖系统的稳定性和安全性，以得到目标房屋的时间为起点并实时记录时间，得到采暖时间，当采暖时间达到预设的更新阈值时，将目标房屋作为采暖房屋，将电热水罐、光热水罐或辅助光热水罐作为蓄热水罐，将耗能组件或储能组件作为光伏组件，返回所述利用室外监测装置获取当前光强的步骤，直到接收到预构建的采暖终止指令，完成高海拔地区采暖，可见本发明实施例通过设定采暖时间与更新阈值，周期性更新采暖环境参数及系统状态，使控制策略能够持续适应外界环境变化，提高系统长期运行的稳定性与准确性，进而提高采暖系统在高海拔地区的供热稳定性，降低室内温度波动。因此，本发明可提高采暖系统在高海拔地区的供热稳定性，降低室内温度波动。