空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法和采暖装置与流程

1.本发明涉及采暖技术领域，特别是涉及一种空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法，以及一种采用该空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法进行控制的采暖装置。


背景技术：

2.目前，以清洁能源为热源的采暖市场上的热源主要有两种，分别是空气源热泵和燃气采暖炉。这两种热源各有优势，也受限于其工作原理和所使用的能源性质，各自存在着固有的优点和缺点。
3.以空气源热泵为热源的采暖方案，使用清洁的二次能源电，其制热量相当于电加热的2～6倍，但是其制热量随着室外温度(外部环境温度)的降低和出水温度(供暖水温)的变高而大幅度衰减。尽管通过喷焓压缩机技术和采用特定冷媒可以部分改善其性能，但是成本不菲。同时，大功率的空气源热泵机组对于用户的基础电路系统的要求较高，大大限制了其应用场景。
4.以燃气采暖炉(优选为全预混冷凝式燃气采暖热水炉)为热源的采暖方案，使用清洁的天然气，其热效率基本不受室外温度影响，能够稳定持久地提供热量，但是在热需求较小时(例如供暖初/末期)，受自身最小热负荷的限制，会出现频繁启停，造成能源的浪费和机器耐久的损耗。
5.为了达到节能的目的，有些厂家开发出同时具有空气源热泵和燃气采暖炉的采暖装置，根据当前的室外温度与预设的临界室外温度之间的大小关系，在空气源热泵与燃气采暖炉之间择一启动以作为热源进行供暖。这种设计相比于传统的单一的空气源热泵或者燃气采暖炉，具有不错的的节能效果。然而，其在工作时，依然是仅运行空气源热泵或者燃气采暖炉中的一者(非a即b)，所以，在设计时，不管是空气源热泵还是燃气采暖炉，都是按照设计负荷的全负荷配置进行设计的，设备成本和运行成本都比较大。


技术实现要素：

6.基于此，本发明提供一种空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法，不仅实现节能优化，而且降低设备成本和运行成本。
7.一种空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法，包括步骤：
8.获取空气源热泵的制热系数表；空气源热泵的制热系数表为空气源热泵在不同的室外温度和出水温度下的制热系数的记录表；
9.获取当前的电价和燃气价格，计算出在空气源热泵与燃气采暖炉的产出热量成本相同时的空气源热泵的临界制热系数；
10.将空气源热泵的制热系数表中制热系数不小于临界制热系数的区域划分为空气源热泵的可运行区域，反之，划分为空气源热泵的不可运行区域；
11.获取当前的室外温度和目标水温，且结合划分区域后的空气源热泵的制热系数
表，进入对应的运行模式：
12.若在当前的室外温度下，制热系数全部或部分位于可运行区域中，且在可运行区域中的制热系数所对应的出水温度的最大值不小于目标水温，则进入空气源热泵采暖模式；在空气源热泵采暖模式下，仅运行空气源热泵，且将目标水温设置为出水温度；
13.若在当前的室外温度下，制热系数部分位于可运行区域中，且在可运行区域中的制热系数所对应的出水温度的最大值小于目标水温，则进入双热源采暖模式；在双热源采暖模式下，同时运行空气源热泵和燃气采暖炉，且将空气源热泵的出水温度设定为在可运行区域中的制热系数所对应的出水温度的最小值，空气源热泵的出水温度与目标水温之间的热量差值则由燃气采暖炉补足；
14.若在当前的室外温度下，制热系数全部位于不可运行区域中，则进入燃气采暖炉采暖模式；在燃气采暖炉采暖模式下，仅运行燃气采暖炉，且将目标水温设置为出水温度。
15.上述空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法，根据当前的电价和燃气价格，并且结合空气源热泵的制热系数表，找出发挥空气源热泵的节能优势的工作区间，并且根据热负荷需求，分拆为仅空气源热泵运行的空气源热泵采暖模式、空气源热泵与燃气采暖炉同时运行的双热源采暖模式、以及仅燃气采暖炉运行的燃气采暖炉采暖模式，实现空气源热泵的节能优势最大化。并且，随着室外温度的增加，进入空气源热泵的节能劣势的工作区间时，采用燃气采暖炉进行替代。故，空气源热泵无需按照设计负荷的全负荷进行设置，达到降低设备成本的目的。同时，由于采用了三种不同的运行模式，在满足热负荷需求的前提下，实现节能优化，降低了运行成本。
16.在其中一个实施例中，空气源热泵的制热系数表由空气源热泵的厂家提供或通过实验室检测得到。
17.在其中一个实施例中，空气源热泵的制热系数表存储于设备的控制器的存储介质中。
18.在其中一个实施例中，当前的电价和燃气价格均根据当地的梯度收费标准进行动态调整。
19.在其中一个实施例中，空气源热泵的临界制热系数的计算方法为：临界制热系数＝(电价*燃气的低位热值*燃气采暖炉的效率)/(燃气价格*单位换算系数)。
20.在其中一个实施例中，在空气源热泵采暖模式下，若空气源热泵已运行预设时间，且实际出水温度仍小于目标水温时，则切换为双热源采暖模式。
21.在其中一个实施例中，在双热源采暖模式下，根据空气源热泵的出水温度与目标水温之间的热量差值，通过pid调节燃烧的燃气流量以控制燃气采暖炉。
22.在其中一个实施例中，在双热源采暖模式下，若实际出水温度大于目标水温，且温差超出预设差值范围的最大值时，则燃气采暖炉暂停运行，而空气源热泵维持当前的工作状态运行；在燃气采暖炉暂停运行后，若实际出水温度下降至低于目标水温，温差超出预设差值范围的最小值且持续时间大于预设时间后，燃气采暖炉恢复运行。
23.同时，本技术还提供一种采暖装置。
24.一种采暖装置，采用上述任一实施例的的空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法进行控制。
25.上述采暖装置，根据当前的电价和燃气价格，并且结合空气源热泵的制热系数表，
找出发挥空气源热泵的节能优势的工作区间，并且根据热负荷需求，分拆为仅空气源热泵运行的空气源热泵采暖模式、空气源热泵与燃气采暖炉同时运行的双热源采暖模式、以及仅燃气采暖炉运行的燃气采暖炉采暖模式，实现空气源热泵的节能优势最大化。并且，随着室外温度的增加，进入空气源热泵的节能劣势的工作区间时，采用燃气采暖炉进行替代。故，空气源热泵无需按照设计负荷的全负荷进行设置，达到降低设备成本的目的。同时，由于采用了三种不同的运行模式，在满足热负荷需求的前提下，实现节能优化，降低了运行成本。
附图说明
26.图1为本发明的一种实施例的空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法的流程框图。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
30.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平
的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
33.如图1所示，其为本发明的一种实施例的空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法。
34.如图1所示，该空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法，包括步骤：
35.s10：获取空气源热泵的制热系数表。其中，空气源热泵的制热系数表为空气源热泵在不同的室外温度和出水温度下的制热系数的记录表。
36.空气源热泵的制热系数(cop)是热泵系统所实现的制热量与输入功率的比值，在相同的工况下，制热系数越大，说明热泵系数的效率越高和越节能。而基于空气源热泵的工作原理可知，室外温度是影响空气源热泵的制热系数的重要参数之一。由于空气源热泵的制热量会随着室外温度降低和出水温度的变高而大幅度衰减，所以，获取空气源热泵的制热系数表，得到在不同的室外温度的下，空气源热泵所加热得到所需的热水(即出水温度)时所对应的制热系数，便可以找出空气源热泵运行的优势区域。
37.在本实施例中，空气源热泵的制热系数表由空气源热泵的厂家提供或通过实验室检测得到。例如，对于确定机型的空气源热泵，其制热系数是确定值并且是可以检测得到的。因此，如果空气源热泵的厂家在销售之前已经做了制热系数检测，那么可以要求厂家提供空气源热泵的制热系数表(例如在空气源热泵的说明书中记载)。如果空气源热泵的厂家并未提供制热系数表，则可以在购买空气源热泵后，在实验室内通过实验检测记录，得到空气源热泵的制热系数表。
38.进一步地，该空气源热泵的制热系数表存储于设备的控制器的存储介质中。在需要使用时，通过程序调取空气源热泵的制热系数表即可。
39.s20：获取当前的电价和燃气价格，计算出在空气源热泵与燃气采暖炉的产出热量成本相同时的空气源热泵的临界制热系数。
40.考虑到目前用电政策，电价和燃气价格大多数为梯度收费。因此，对于当前的电价和燃气价格，均根据当地的梯度收费标准进行动态调整。
41.在本实施例中，提供一种空气源热泵的临界制热系数的计算方法，具体如下：
42.空气源热泵的产出热量成本/kwh＝电价/制热系数；
43.燃气采暖炉的产出热量成本/kwh＝燃气价格/(燃气的低位热值*燃气采暖炉的效率/单位换算系数)；
44.因此，假定空气源热泵的产出热量成本/kwh＝燃气采暖炉的产出热量成本/kwh时，即两种热源的产出热量成本相同时，空气源热泵的制热系数为临界制热系数。因此，可以推导出：临界制热系数＝(电价*燃气的低位热值*燃气采暖炉的效率)/(燃气价格*单位换算系数)。
45.s30：将空气源热泵的制热系数表中制热系数不小于临界制热系数的区域划分为空气源热泵的可运行区域，反之，划分为空气源热泵的不可运行区域。
46.由于空气源热泵的制热量会随着室外温度降低和出水温度的变高而大幅度衰减，所以，得到空气源热泵的临界制热系数后，便可以在空气源热泵的制热系数表中，以临界制热系数为边界，划分出空气源热泵的可运行区域和不可运行区域。即，当制热系数不小于(即大于或等于)临界制热系数时，空气源热泵相比于燃气采暖炉是有节能优势的。而当制
热系数小于临界制热系数时，空气源热泵相比于燃气采暖炉是有节能劣势的。
47.s40：获取当前的室外温度和目标水温，且结合划分区域后的空气源热泵的制热系数表，进入对应的运行模式。在本方案中，运行模式包括三种，分别为空气源热泵采暖模式、双热源采暖模式、以及燃气采暖炉采暖模式，进入不同模式的判断方法和各运行模式的具体运行方式如下：
48.若在当前的室外温度下，制热系数全部或部分位于可运行区域中，且在可运行区域中的制热系数所对应的出水温度的最大值不小于目标水温，则进入空气源热泵采暖模式。在空气源热泵采暖模式下，仅运行空气源热泵，且将目标水温设置为出水温度。
49.若在当前的室外温度下，制热系数部分位于可运行区域中，且在可运行区域中的制热系数所对应的出水温度的最大值小于目标水温，则进入双热源采暖模式。在双热源采暖模式下，同时运行空气源热泵和燃气采暖炉，且将空气源热泵的出水温度设定为在可运行区域中的制热系数所对应的出水温度的最小值，空气源热泵的出水温度与目标水温之间的热量差值则由燃气采暖炉补足。
50.需要说明的是，在本方案中，在双热源采暖模式下，根据空气源热泵的出水温度与目标水温之间的热量差值，通过pid调节燃烧的燃气流量以控制燃气采暖炉。pid是一种常用于燃气采暖炉的控制方法，将空气源热泵的出水温度设定为在可运行区域中的制热系数所对应的出水温度的最小值之后，就可以计算出空气源热泵的出水温度与目标水温的温差，进而计算出得到目标水温还欠缺多少热量(热负荷)，然后通过pid调节燃气采暖炉的燃烧的燃气流量，使得燃气采暖炉将欠缺的热量进行补足。
51.若在当前的室外温度下，制热系数全部位于不可运行区域中，则进入燃气采暖炉采暖模式。在燃气采暖炉采暖模式下，仅运行燃气采暖炉，且将目标水温设置为出水温度。
52.进一步地，考虑到供暖初期，虽然实时热负荷不大，但是因为房屋的整体温度较低，需要大量的热量将建筑本体的基础温度提高。若此时在步骤s40中选择的是空气源热泵采暖模式，则可能会出现供暖不足的问题。因此，在空气源热泵采暖模式下，若空气源热泵已运行预设时间，且实际出水温度仍小于目标水温时，则切换为双热源采暖模式。
53.另外，考虑到燃气采暖炉受到自身最小热负荷的限制，那么，在双热源采暖模式下，若燃气采暖炉所需要提供的热量小于其自身最小热负荷，为了让燃气采暖炉能运行，会导致燃气采暖炉所提供的热量过多，导致实际出水温度大于目标水温。针对这种情况，本方案采取的解决方法为：
54.在双热源采暖模式下，若实际出水温度大于目标水温，且温差超出预设差值范围的最大值时，则燃气采暖炉暂停运行，而空气源热泵维持当前的工作状态运行。在燃气采暖炉暂停运行后，若实际出水温度下降至低于目标水温，温差超出预设差值范围的最小值且持续时间大于预设时间后，燃气采暖炉恢复运行。
55.为了便于理解，下文，提供空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法的一个应用例子。
56.针对某机型的空气源热泵，在实验室中实验检测得到其制热系数表，如下表一：
[0057][0058]
表一
[0059]
假定系统的全负荷设计下，仅运行空气源热泵采暖，其耗费的电量达到电价梯度标准的第三阶梯，此时电价取0.85元/kwh。
[0060]
而燃气采暖炉(选用全预混冷凝式燃气采暖热水炉)在出水温度小于等于50℃时，其效率接近极限值108％，不受室外温度和出水温度影响，燃气价格取3.5元/m3。
[0061]
基于空气源热泵和燃气采暖炉的产出热量成本相同的情况下，得到等式：
[0062]
3.5/(34.02*1.08/3.6)＝0.85/临界cop；
[0063]
因此，可以计算出临界cop＝(0.85*34.02*1.08)/(3.5*3.6)＝2.48。
[0064]
根据临界cop在表一上进行区域划分：
[0065]
cop≥2.48的区域为空气源热泵的可运行区域；
[0066]
cop＜2.48的区域为空气源热泵的不可运行区域。
[0067]
为了便于展示，将可运行区域标记为白底色，将不可运行区域标记为灰底色，如下表二。
[0068][0069]
表二
[0070]
example1：若当前的室外温度为10℃，而用户设定的目标水温为50℃，查表二可知，室外温度为10℃时，横向对应的cop全部位于白底色的可运行区域中，并且对应的出水温度的最大值为55℃(＞50℃)。因此，进入空气源热泵采暖模式，仅运行空气源热泵进行采暖，其中，空气源热泵的出水温度设置定为50℃。
[0071]
example2：若当前的室外温度为0℃，而用户设定的目标水温为40℃，查表二可知，室外温度为0℃时，横向对应的cop部分位于白底色的可运行区域中，并且对应的出水温度的最大值为45℃(＞40℃)。因此，进入空气源热泵采暖模式，仅运行空气源热泵进行采暖，其中，空气源热泵的出水温度设置定为40℃。
[0072]
example3：若当前的室外温度为0℃，而用户设定的目标水温为50℃，查表二可知，
室外温度为0℃时，横向对应的cop部分位于白底色的可运行区域中，并且对应的出水温度的最大值为45℃(＜50℃)。因此，进入双热源采暖模式，同时运行空气源热泵和燃气采暖炉进行采暖。此时，在室外温度为0℃时，在白底色区域内的cop最大值为3.09，对应的出水温度为30℃，故将空气源热泵的出水温度设置为30℃，而剩余的热负荷由燃气采暖炉补足。
[0073]
example4：若当前的室外温度为-10℃，而用户设定的目标水温为50℃，查表二可知，室外温度为-10℃时，横向对应的cop全部位于灰底色的不可运行区域中。因此，进入燃气采暖炉采暖模式，仅运行燃气采暖炉进行采暖，其中，燃气采暖炉的出水温度设置定为50℃。
[0074]
上述空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法，根据当前的电价和燃气价格，并且结合空气源热泵的制热系数表，找出发挥空气源热泵的节能优势的工作区间，并且根据热负荷需求，分拆为仅空气源热泵运行的空气源热泵采暖模式、空气源热泵与燃气采暖炉同时运行的双热源采暖模式、以及仅燃气采暖炉运行的燃气采暖炉采暖模式，实现空气源热泵的节能优势最大化。并且，随着室外温度的增加，进入空气源热泵的节能劣势的工作区间时，采用燃气采暖炉进行替代。故，空气源热泵无需按照设计负荷的全负荷进行设置(空气源热泵的设计负荷约为全负荷设计的20％～30％，所以相对于全负荷设计，可以选用功率较小的空气源热泵，降低了空气源热泵的设备成本。而且，小功率的空气源热泵机对于用户的基础电路系统的要求较低，其应用场景限制小)，达到降低设备成本的目的。同时，由于采用了三种不同的运行模式，在满足热负荷需求的前提下，实现节能优化，降低了运行成本。在空气源热泵具有节能优势的情况下，尽可能地运行空气源热泵，达到充分发挥空气源热泵的节能优势的目的，节能效果得到优化，达到降低运行成本的目的。
[0075]
同时，本技术还提供一种采暖装置。
[0076]
该采暖装置采用上述实施例的空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法进行控制。空气源热泵与燃气采暖炉一体化采暖控制方法以软件算法的形式存储在采暖装置的控制器的存储介质中。
[0077]
上述采暖装置，根据当前的电价和燃气价格，并且结合空气源热泵的制热系数表，找出发挥空气源热泵的节能优势的工作区间，并且根据热负荷需求，分拆为仅空气源热泵运行的空气源热泵采暖模式、空气源热泵与燃气采暖炉同时运行的双热源采暖模式、以及仅燃气采暖炉运行的燃气采暖炉采暖模式，实现空气源热泵的节能优势最大化。并且，随着室外温度的增加，进入空气源热泵的节能劣势的工作区间时，采用燃气采暖炉进行替代。故，空气源热泵无需按照设计负荷的全负荷进行设置，达到降低设备成本的目的。同时，由于采用了三种不同的运行模式，在满足热负荷需求的前提下，实现节能优化，降低了运行成本的。
[0078]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0079]
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。