一种太阳能供暖的柔性控制方法及系统与流程

1.本发明属于太阳能供暖系统控制技术领域，具体涉及一种太阳能供暖的柔性控制方法及系统。


背景技术：

2.太阳能是处处存在的可再生能源，利用太阳能为建筑供能符合可持续发展战略的要求，一直受到各国的广泛关注。但其固有的能流密度低、能量供给的随机性和周期性等缺点，再加上建筑物的供热负荷本身就是一个依赖气象参数变化的随机量，给太阳能采暖设计带来了极大的障碍。要解决太阳辐射波动和室内热环境稳定之间的矛盾，需要合理设置热量蓄调装置；当采用单一太阳能采暖时，需要很大的集热面积，将致使系统初始投资成本的提高。这些问题皆为采用太阳能单一热源采暖的关键技术和经济性障碍。
3.空气源热泵是以室外蕴含的低品位空气能为热源(或热汇)，将少量的电能转化为高品位热能供人们使用，具有能量利用效率高、环保节能等优点。结合太阳能采暖和空气源热泵采暖各自的特点，太阳能采暖系统使用空气源热泵机组作为辅助热源，一方面在太阳能无法发挥作用的阴雨天，可利用空气源热泵补充供暖用热，能克服太阳能间断性、波动性的缺点，在满足供暖热需求的同时，可有效地减少常规能源消耗；另一方面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的缺点。
4.目前，一些太阳能供暖工程往往是辅助热源的实际投入比例较大，甚至占主导作用，太阳能未能发挥其应有的供暖作用，这是导致目前太阳能供暖系统不仅初期投资高，且运行费用居高不下，在清洁供暖中不占优势，难以被民众广泛推广应用的原因之一。引起上述问题的主要原因是系统控制思路不当、供暖出力顺序优化不合理。原有的太阳能集热系统常用于生活热水的供应，简单的恒温控制、温差控制等方式是合适的，但对于太阳能供暖系统而言，不仅涉及到不同热源的出力先后顺序问题，而且还考虑到室内温度有一定的允许波动，因此太阳能供暖系统应该是以太阳能出力优先、允许室内温度t0一定波动的柔性控制策略。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种太阳能供暖的柔性控制方法及系统，最大化的利用太阳能，减少系统能耗。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种太阳能供暖的柔性控制方法，采集集热器出口热水温度t1、集热器回水热水温度t2、室内温度t0和集热水箱热水温度t3；根据集热器出口热水温度t1与集热器回水热水温度t2的差值，以及集热水箱温度t3与水箱防过热温度的关系，将集热器收集的太阳能热量传递给集热水箱，实现集热循环端控制；
8.将一天划分为昼间和夜间，确定昼间、夜间温度波动空间
△
t，昼间室内舒适温度区间下限为st1
‑△
t、昼间室内舒适温度区间上限为st1
△
t，夜间室内舒适温度区间下限
为st2
‑△
t、夜间室内舒适温度区间上限为st2
△
t，根据集热水箱热水温度t3和室内温度t0在室内舒适温度区间的关系实现对水箱供暖和空气源热泵供暖的切换控制。
9.具体的，当集热器出口温度t1与集热器回水热水温度t2的差值达到启动温差且集热水箱热水温度t3小于集热水箱防过热温度时，太阳能集热循环泵g1开启；当温差达到停止温差或集热水箱温度t3大于防过热温度时，太阳能集热循环泵g1关闭，集热循环停止。
10.具体的，当时间处于昼间，若集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度且室内温度t0小于昼间所需室内舒适温度区间下限st1
‑△
t时，供暖循环泵g2开启同时阀门e2、阀门e4开启，阀门e3关闭，此时由集热水箱热水进行循环供暖；
11.当集热水箱热水温度t3小于水箱可供暖温度或室内温度t0大于昼间所需室内舒适温度区间上限st1
△
t时，阀门e2关闭，水箱停止供暖；
12.若集热水箱热水温度t3小于水箱可供暖温度且室内温度t0小于昼间所需室内舒适温度区间下限st1
‑△
t时，供暖水泵g2开启，阀门e2关闭、阀门e3、阀门e4开启，此时由空气源热泵进行供暖循环。
13.进一步的，当集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度或室内温度t0大于昼间所需室内舒适温度区间上限st1
△
t时，阀门e3关闭，空气源热泵停止供暖。
14.进一步的，当室内温度t0大于昼间所需室内舒适温度区间上限st1
△
t时，供暖水泵g2停止。
15.具体的，当时间处于夜间，若集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度且室内温度t0小于夜间所需室内舒适温度区间下限st2
‑△
t时，供暖循环泵g2开启同时阀门e2、阀门e4开启，阀门e3关闭，此时由集热水箱热水进行循环供暖；
16.当集热水箱热水温度t3小于水箱可供暖温度或室内温度t0大于夜间所需室内舒适温度区间上限st2
△
t时，阀门e2关闭，水箱停止供暖；
17.当集热水箱热水温度t3小于水箱可供暖温度且室内温度t0小于夜间所需室内舒适温度区间下限st2
‑△
t时，供暖水泵g2开启，阀门e2关闭、阀门e3、阀门e4开启，此时由空气源热泵进行供暖循环。
18.进一步的，当集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度或室内温度t0大于夜间所需室内舒适温度区间上限st2
△
t时，阀门e3关闭，空气源热泵停止供暖。
19.进一步的，当室内温度t0大于夜间所需室内舒适温度区间上限st2
△
t时，供暖水泵g2停止。
20.本发明的另一技术方案是，一种太阳能供暖的柔性控制系统，包括集热水箱，集热水箱的集热端回水口经水箱回水温度传感器、太阳能集热器、集热器出水温度传感器、集热循环泵g1和水箱进水阀门e1返回至集热水箱的集热端进水口；集热水箱内设置水箱温度传感器，并连接有液位传感器l1；集热水箱的供热端出水口依次经水箱出水阀门e2、供暖阀门e4、供暖循环泵g2和散热器返回至集热水箱的供热端回水口；散热器的出口经空气源热泵和空气源热泵出水阀门e3与供暖阀门e4连接，室内末端设置有温度传感器。
21.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
22.本发明的一种太阳能供暖柔性控制方法，通过实时采集室内温度，判断房间是否需要供暖，为了使系统集热、蓄热、供热更为合理，基于优先利用太阳能的原则，优先利用水箱供暖，其次使用空气源热泵供暖，分昼夜两个时间段将房间温度控制在一定的波动范围
内，满足昼夜热舒适的同时，减少系统的总能耗，由于一天中人在不同时段作息不同，对室内舒适温度的要求也不同，白天人们生活工作需要较高的室内温度来使身体感受到热舒适，夜晚睡眠状态下，由于被褥、电热毯等相关用品的使用，室内温度的舒适值较白天相比会有所降低，且室内舒适温度不应是一个恒定的值，而是一个范围；传统的恒温控制、温差控制等方法更适用与太阳能热水系统，而对于太阳能采暖系统，应根据不同时段所需房间舒适温度的不同，给予一定的室内温度t0波动区间，以此更好地利用太阳能，减少热泵的开启时间，从而减少系统的总能耗。
23.进一步的，当太阳能集热器出口温度t1与水箱集热端回水温度t2的差值达到启动温差时，此时集热器收集到充足的太阳能，集热器中的热水温度与集热水箱中热水温度的差值大于启动温差，此时开启集热循环泵，将集热器中温度高的热水输送至集热水箱中，与集热水箱中温度较低的热水进行热交换，同时集热水箱中较低温度的热水通过水箱集热端回水口输送回集热器再次进行加热，以此充分利用太阳能的热量加热水箱中的热水，形成热交换循环；而当集热器出口温度t1与水箱集热端回水温度t2的差值小于停止温差时，此时集热器收集的太阳能不足，集热器无法收集到充足的热量来加热热水并与水箱中的热水进行热交换，因此关闭集热循环泵，停止集热器中热水与集热水箱中热水的热交换，待集热器收集到足够的太阳能并将集热器中的热水加热充分时，再次开启集热循环。
24.进一步的，首先判断此时室内温度t0是否小于所设定的昼间室内舒适温度区间下限，当室内温度小于昼间室内舒适温度区间下限时，说明此时房间温度过低，需要进行供暖来提高房间温度，其次判断水箱中的热水温度是否满足水箱可供暖温度，若水箱中的热水温度t3大于水箱可供暖温度时，此时水箱中热水的热量充足，可以只使用水箱中的热水与末端散热器进行热交换，为房间提供热量，若此时水箱中热水温度t3小于水箱可供暖温度，此时水箱中的热水热量不足，应关闭阀门e2，停止水箱供暖，采用空气源热泵供暖；当判断到室内温度t0大于昼间室内舒适温度区间的上限时，说明此时房间温度过高，没有供暖需求，此时关闭供暖循环泵g2，停止向房间供暖。
25.进一步的，当集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度，此时水箱达到供暖条件，为了充分利用太阳能资源，若房间有供暖需求，则采取水箱进行供暖，停止空气源热泵供暖以减少能耗，并关闭阀门e3；若室内温度t0大于昼间所需室内舒适温度区间上限时，此时房间温度过高，没有供暖需求，应停止空气源热泵供暖，关闭阀门e3。
26.进一步的，当室内温度t0大于昼间所需室内舒适温度区间上限时，此时房间温度过高，没有供暖需求，则应关闭供暖循环泵g2。
27.进一步的，首先判断此时室内温度t0是否小于所设定的夜间室内舒适温度区间下限，当室内温度小于夜间室内舒适温度区间下限时，说明此时房间温度过低，需要进行供暖来提高房间温度，其次判断水箱中的热水温度是否满足水箱可供暖温度，若水箱中的热水温度t3大于水箱可供暖温度时，此时水箱中热水的热量充足，可以只使用水箱中的热水与末端散热器进行热交换，为房间提供热量，若此时水箱中热水温度t3小于水箱可供暖温度，此时水箱中的热水热量不足，应关闭阀门e2，停止水箱供暖，采用空气源热泵供暖；当判断到室内温度t0大于夜间室内舒适温度区间的上限时，说明此时房间温度过高，没有供暖需求，此时关闭供暖循环泵g2，停止向房间供暖。。
28.进一步的，当集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度，此时水箱达到供暖条件，
为了充分利用太阳能资源，若房间有供暖需求，则采取水箱进行供暖，停止空气源热泵供暖以减少能耗，并关闭阀门e3；若室内温度t0大于夜间所需室内舒适温度区间上限时，此时房间温度过高，没有供暖需求，应停止空气源热泵供暖，关闭阀门e3。
29.进一步的，当室内温度t0大于夜间所需室内舒适温度区间上限时，此时房间温度过高，没有供暖需求，则应关闭供暖循环泵g2。
30.本发明一种太阳能供暖的柔性控制系统，集热器负责收集太阳能，根据集热器出水温度传感器t1与水箱集热端回水温度传感器t2的差值大小，判断是否满足蓄热条件，并将热水通过集热循环泵g1、水箱进水阀门e1、输送至集热水箱集热端进水口，与水箱中的水进行热交换，对水箱中的水进行加热，集热水箱底部温度较低的水通过水箱集热端回水口返回至太阳能集热器进行加热，加热后再次通过水箱集热端进水口输送至集热水箱中，形成集蓄热循环。水箱中设置有温度传感器t3，液位传感器l1。温度传感器t3实时采集集热水箱中当前的热水温度，用于判断水箱水温是否过热及是否满足水箱可供暖温度，液位传感器l1采集水箱当前的液位情况，用于判断是否需要对水箱补水。室内设置有温度传感器t0，用于判断当前房间是否有供暖需求。供热侧主要包括集热水箱、空气源热泵、供暖循环泵g2、水箱供热端出水阀门e2、空气源热泵出水阀门e3、供暖阀门e4、散热器。若房间有供暖需求，此时基于尽可能利用太阳能的目的，即尽可能利用水箱供暖，判断当前水箱内水温是否达到水箱可供暖水温，若达到，则使用水箱进行供暖，热水从集热水箱供暖端出水口，经水箱出水阀门e2、供暖阀门e4、供暖循环g2输送至散热器中，通过散热器来为房间进行升温，通过散热器后的低温热水在供暖循环泵g2的作用下返回至水箱供热端回水口，构成水箱供热循环；若水箱水温不满足水箱可供暖温度，则开启空气源热泵对热水进行加热，并将热水通过空气源热泵出水阀门e3与供暖阀门e4输送至散热器给房间升温，流过散热器的低温热水在供暖循环泵g2的作用下再返回至空气源热泵继续加热，并再次输送至散热器，构成空气源热泵供热循环。
31.综上所述，本发明结合室内温度t0容许波动的思想，对太阳能复合供暖系统的控制策略进行改进，以此来最大化的利用太阳能，达到减少能耗的目的。
32.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
33.图1为本发明的太阳能
‑
空气源热泵复合供暖系统框架图；
34.图2为本发明的室内温度t0容忍波动控制原理图；
35.图3为本发明集蓄热侧的控制逻辑图
36.图4为本发明供热侧的控制逻辑图；
37.图5为trnsys仿真模拟界面图；
38.图6为室内温度t0波动前后室内温度模拟对比结果图；
39.图7为室内温度t0波动前后系统总能耗模拟对比结果图；
40.图8为室内温度t0波动前后系统太阳能保证率模拟对比结果图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
43.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
44.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
45.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
46.请参阅图1，本发明提供了一种室内温度t0容忍波动需求下太阳能供暖控制系统，包括太阳能集热器、集热水箱、空气源热泵、散热器、温度传感器(集热器出水温度t1，水箱回水温度t2，水箱温度t3，室内温度t0)、液位传感器l1、集热循环泵g1、供暖循环泵g2、水箱进水阀门e1、水箱出水阀门e2、空气源热泵出水阀门e3、供暖阀门e4。
47.温度传感器t1与所述集热器出口连接，采集集热器出口热水温度，所述温度传感器t2与所述集热器回水口连接，采集集热器回水口热水温度，所述温度传感器t3与所述集热水箱连接，采集集热水箱内热水温度，所述温度传感器t0采集室内温度，所述液位传感器l1与所述集热水箱连接，采集集热水箱内液位高度。
48.请参阅图2、图3和图4，本发明一种太阳能供暖的柔性控制方法，包括以下步骤：
49.s1、传感器采集集热器出口温度、水箱至集热器回水温度、室内温度、集热水箱温度、集热水箱液位高度；
50.s2、根据传感器采集到的数据，通过以下设定的控制逻辑，将一天分为昼间和夜间两种控制逻辑对阀门及热泵进行控制，具体如下：
51.传感器实时采集太阳能集热器出口热水温度t1、集热器回水热水温度t2、集热水箱热水温度t3，
52.当太阳能集热器出口温度t1与回水温度t2的差值达到启动温差且集热水箱温度t3小于水箱防过热温度时，如t1
‑
t2＞8℃且t3＜90℃，太阳能集热循环泵g1开启；
53.当温差达到停止温差或水箱温度大于防过热温度时，如t1
‑
t2＜2℃或t3＞90℃时，集热循环泵g1关闭，集热循环停止。
54.传感器实时采集集热水箱热水温度t3、室内温度t0，将一天的时间分为昼间(8点—18点)和夜间(18点～8点)两种情况设置不同的供暖启停温度区间，根据调研相关学者文献可知，西北地区昼间室内推荐热中性舒适温度st1约为16℃，夜间室内推荐热中性舒适温度st2约为12℃，为了优化水箱及热泵供暖出力顺序、节约系统能源消耗，给昼间、夜间推
荐热中性舒适温度设定值一定的温度波动空间
△
t，则昼间室内舒适温度区间下限为st1
‑△
t、昼间室内舒适温度区间上限为st1
△
t，夜间室内舒适温度区间下限为st2
‑△
t、夜间室内舒适温度区间上限为st2
△
t。
55.当时间处于昼间，若集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度且室内温度t0小于昼间所需室内舒适温度区间下限st1
‑△
t时，如t3＞45℃且t0＜15℃，供暖循环泵g2开启同时阀门e2、阀门e4开启，阀门e3关闭，此时由集热水箱热水进行循环供暖；
56.当集热水箱热水温度t3小于水箱可供暖温度或室内温度t0大于昼间所需室内舒适温度区间上限st1
△
t时，如t3＜45℃或t0＞17℃时，阀门e2关闭，水箱停止供暖；
57.若集热水箱热水温度t3小于水箱可供暖温度且室内温度t0小于昼间所需室内舒适温度区间下限st1
‑△
t时，如t3＜45℃且t0＜15℃，供暖水泵g2开启，阀门e2关闭、阀门e3、阀门e4开启，此时由空气源热泵进行供暖循环；
58.当集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度或室内温度t0大于昼间所需室内舒适温度区间上限st1
△
t时，如t3＞45℃或t0＞17℃时，阀门e3关闭，空气源热泵停止供暖；
59.若室内温度t0大于昼间所需室内舒适温度区间上限st1
△
t时，如t0＞17℃，此时供暖水泵g2停止。
60.当时间处于夜间，若集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度且室内温度t0小于夜间所需室内舒适温度区间下限st2
‑△
t时，如t3＞45℃且t0＜11℃，供暖循环泵g2开启同时阀门e2、阀门e4开启，阀门e3关闭，此时由集热水箱热水进行循环供暖；
61.当集热水箱热水温度t3小于水箱可供暖温度或室内温度t0大于夜间所需室内舒适温度区间上限st2
△
t时，如t3＜45℃或t0＞13℃时，阀门e2关闭，水箱停止供暖；
62.若集热水箱热水温度t3小于水箱可供暖温度且室内温度t0小于夜间所需室内舒适温度区间下限st2
‑△
t时，如t3＜45℃且t0＜11℃，供暖水泵g2开启，阀门e2关闭、阀门e3、阀门e4开启，此时由空气源热泵进行供暖循环；
63.当集热水箱热水温度t3大于水箱可供暖温度或室内温度t0大于夜间所需室内舒适温度区间上限st2
△
t时，如t3＞45℃或t0＞13℃时，阀门e3关闭，空气源热泵停止供暖；
64.若室内温度t0大于夜间所需室内舒适温度区间上限st2
△
t时，如t0＞13℃，此时供暖水泵g2停止。
65.请参阅图5，通过trnsys仿真模拟软件，搭建太阳能与空气源热泵复合供暖模型，将所述一种室内温度t0容忍波动需求下太阳能供暖控制方法应用于控制系统中，对西安地区一房间进行模拟供暖；
66.请参阅图6、图7和图8，通过应用一种室内温度t0容忍波动需求下太阳能供暖控制方法，房间室内温度t0在一天内能够按照所设定的温度区间进行一定的波动，在满足热舒适性的同时，应用所述控制方法的供暖系统较传统恒温供暖控制方法系统总能耗能减少28％，且太阳能保证率在供暖月都有提高。
67.综上所述，本发明一种太阳能供暖的柔性控制方法及系统，通过将室内温度t0容忍波动区间引入至控制逻辑中，优化了空气源热泵、水箱供暖的出力顺序，从而充分的利用太阳能，节约系统能源消耗。
68.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。