多能源组合热水系统及控制方法.pdf

本发明提供了一种多能源组合热水系统及控制方法，所述热水系统采用集热器、空气源热泵、电加热器三种供热源进行供热，并包括水箱温度传感器、集热器温度传感器、空气温度传感器；所述控制方法为：若集热器真空管温度比水箱水温高，且差值大于设定的集热器与水箱温差，则集热器开；若水箱水温小于设定水箱温度，水箱温升曲线不满足温升要求，并且空气温度大于空气源开启温度，则空气源热泵开；若水箱水温小于设定水箱温度，水箱温升曲线不满足温升要求，则电加热器开；依次对三种供热源的是否开启进行判断，且集热器的开启考虑了集热器接受太阳光这种自然能源的影响，空气源热泵开启考虑了空气温度的影响，使系统达到安全运行且节约能源的效果。

权利要求书
1.  一种多能源组合热水系统，包括水箱、集热器、空气源热泵、电加热器、水箱温度传感器，其特征在于，还包括集热器温度传感器、空气温度传感器，其中
所述集热器温度传感器用来检测集热器真空管的温度；
所述空气温度传感器用来检测空气的温度。

2.  一种多能源组合热水系统控制方法，其特征在于，所述方法为：
S1若集热器真空管温度比水箱水温高，且差值大于设定的集热器与水箱温差，则集热器开；否则，集热器关；
S2若水箱水温小于设定水箱温度，则执行步骤S3；否则，返回步骤S1；
S3若水箱温升曲线不满足温升要求，则执行步骤S4；否则，返回步骤S1；
S4若空气温度大于空气源开启温度，则空气源热泵开；否则，空气源热泵关；
S5若水箱水温小于设定水箱温度，则执行步骤S6；否则，返回步骤S1；
S6若水箱温升曲线不满足温升要求，则电加热器开；否则，电加热器关；
S7返回步骤S1，重复执行上述步骤。

3.  根据权利要求2所述的多能源组合热水系统控制方法，其特征在于，所述设定水箱温度为水箱的目标水温，数值范围为40～80℃。

4.  根据权利要求2所述的多能源组合热水系统控制方法，其特征在于，所述设定的集热器与水箱温差为集热器真空管的温度高于水箱水温的数值，数值范围为5～50℃。

5.  根据权利要求2所述的多能源组合热水系统控制方法，其特征在于，所述空气源开启温度为空气源热泵开启的环境温度临界值，数值为-5℃。

说明书多能源组合热水系统及控制方法
技术领域
本发明涉及太阳能热水器技术领域，特别涉及一种多能源组合热水系统及控制方法。
背景技术
太阳能热水器作为绿色环保产品，现已被广泛的接受，越来越多的家庭采用太阳能热水器提供生活用热水。然而在阴雨天气，太阳能热水器不能提供稳定热水，这种情况给用户带来很大的不便。
为了使用户能得到稳定的热水，目前采用在太阳能热水器上增加辅助能源的方式，其主要有如下几种方式：1、太阳能和电加热组合，电加热不受其他环境因素的限制，可随时启动，但效率不高，一般要加热4-6小时才能获得可用的热水，耗能较大；2、太阳能和燃气组合，燃气加热速度快，但目前太阳能热水器和燃气热水器之间的连接往往采用多个手动阀来转换，因而造成使用的不便；3、太阳能和热泵组合，热泵具有高效的优点，但转换效率较低。
公开号为CN103090456A的中国发明专利公开了一种多能源组合热水系统及多能源控制切换方法，在用户大量使用热水器时，通过系统控制器依次启动太阳能、热泵、燃气及电加热，快速给用户提供舒适用水体验，实现节能效果，但对太阳能、热泵、燃气及电加热的启动主要依据水箱中的温升曲线，且采取顺序开启的方式，各个能源是否开启完全依据客户设定温度，没有考虑太阳能实际使用情况，没有考虑环境温度因素的影响，也没有考虑各个能源与环境因素的关系。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种运行安全稳定合理，且节约能源的多能源组合热水系统及控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种多能源组合热水系统，包括水箱、集热器、空气源热泵、电加热器、水箱温度传感器、集热器温度传感器、空气温度传感器，其中
所述集热器温度传感器用来检测集热器真空管的温度；
所述空气温度传感器用来检测空气的温度。
本发明的有益效果在于：采用集热器、空气源热泵、电加热器作为热水系统的三种供热源，通过水箱温度传感器、集热器温度传感器、空气温度传感器对热水系统选择三种供热源中的一种或者几种提供依据，使热水系统具有节能的效果。
一种多能源组合热水系统控制方法，所述方法为：
S1若集热器真空管温度比水箱水温高，且差值大于设定的集热器与水箱温差，则集热器开；否则，集热器关；
S2若水箱水温小于设定水箱温度，则执行步骤S3；否则，返回步骤S1；
S3若水箱温升曲线不满足温升要求，则执行步骤S4；否则，返回步骤S1；
S4若空气温度大于空气源开启温度，则空气源热泵开；否则，空气源热泵关；
S5若水箱水温小于设定水箱温度，则执行步骤S6；否则，返回步骤S1；
S6若水箱温升曲线不满足温升要求，则电加热器开；否则，电加热器关；
S7返回步骤S1，重复执行上述步骤。
本发明的有益效果在于：三种供热源依次按照集热器、空气源热泵、电加热器的开启顺序进行条件判断，其中集热器的开启条件与集热器真空管温度和水箱水温的差值有关，空气源热泵的开启条件与水箱水温和空气温度有关，电加热器作为最后选择的备用供热源，保证集热器的安全使用环境，使三种供热源的开启配合达到较佳的组合效果，减小热水系统的能耗。
附图说明
图1为本发明的多能源组合热水系统控制方法流程图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于:采用集热器、空气源热泵、电加热器作为热水系统的三种供热源，并且三种供热源的开启条件考虑各自的节能运行特点，而不是单纯考虑水箱温度及温升曲线，比如，集热器开启需考虑集热器真空管温度与水箱水温的差值，空气源热泵开启需考虑空气温度，使三种供热源的开启配合达到节能的效果，同时提高系统运行的安全性。
本发明的技术方案为：
一种多能源组合热水系统，包括水箱、集热器、空气源热泵、电加热器、水箱温度传感器、集热器温度传感器、空气温度传感器，其中
所述集热器温度传感器用来检测集热器真空管的温度；
所述空气温度传感器用来检测空气的温度。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：采用集热器、空气源热泵、电加热器作为热水系统的三种供热源，并且分别利用水箱温度传感器、集热器温度传感器、空气温度传感器对水箱水温、集热器真空管的温度、空气温度进行检测，充分考虑三种供热源的供热特点，对热水系统选择三种供热源中的一种或者几种提供依据，使三种供热源的能耗得到合理利用，使热水系统具有节能的效果。
请参照图1，一种多能源组合热水系统控制方法，所述方法为：
S1若集热器真空管温度比水箱水温高，且差值大于设定的集热器与水箱温差，则集热器开；否则，集热器关；
S2若水箱水温小于设定水箱温度，则执行步骤S3；否则，返回步骤S1；
S3若水箱温升曲线不满足温升要求，则执行步骤S4；否则，返回步骤S1；
S4若空气温度大于空气源开启温度，则空气源热泵开；否则，空气源热泵关；
S5若水箱水温小于设定水箱温度，则执行步骤S6；否则，返回步骤S1；
S6若水箱温升曲线不满足温升要求，则电加热器开；否则，电加热器关；
S7返回步骤S1，重复执行上述步骤。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：三种供热源依次按照集热器、空气源热泵、电加热器的开启顺序进行条件判断，其中集热器开启的条件仅考虑集热器真空管温度与水箱水温的差值，不单纯考虑水箱水温是否达到设定水箱温度，使集热器真空管温度达到一定值时，集热器即与水箱进行水循环，防止集热器中温度过高，损坏集热器，保证系统运行的安全性；空气源热泵开启的条件需要同时考虑水箱水温、水箱温升曲线，以及空气温度是否大于空气源开启温度，空气源热泵工作时，需要将空气进行压缩转换成热能，当空气温度低于一定值时，空气源热泵的能量转换率比较低，能耗比较大，电能消耗比较大；电加热器作为最后选择的备用供热源，是三种供热源中消耗能耗最大的供热源，但具有加热快速和直接的特点，当集热器所使用的自然能源不能提供足够的供热量，且空气温度较低，导致空气源热泵的能量转换率比较低，能耗比较大时，开启电加热器也是比较好的选择。
进一步的，所述设定水箱温度为水箱的目标水温，数值范围为40～80℃。
由上述描述可知，用户可根据需要将设定水箱温度设置在40～80℃数值范围内，40～80℃是用户使用热水的常用温度范围，符合用户的使用习惯。
进一步的，所述设定的集热器与水箱温差为集热器真空管的温度高于水箱水温的数值，数值范围为5～50℃。
由上述描述可知，设定的集热器与水箱温差关系到集热器与水箱之间进行水循环的条件，集热器主要利用的是太阳能这种自然能源，温度设置过高，会造成集热器中能量不能及时传输至水箱，而导致其他供热源开启，造成电能的浪费；温度设置过低，会造成集热器与水箱水循环太频繁，不利于集热器中水温的上升，同时造成电能的浪费。在冬天，集热器真空管温升较慢的情况下，可将设定的集热器与水箱温差设置为5～20℃，及时将真空管中积聚的热量传输至水箱中；在夏天，集热器真空管温升较快的情况下，可将设定的集热器与水箱温差设置为20～50℃，防止集热器与水箱之间水循环频繁开启，造成电能的浪费。
进一步的，所述空气源开启温度为空气源热泵开启的环境温度临界值，数值为-5℃。
空气源热泵在不同环境温度下的制热能效比见表1：
表1
环境温度(℃)-50510152025303540制热能效比(COP)1.52.22.73.33.74.14.24.44.64.7
由表1可知，环境温度越低，空气源热泵的制热能效比(COP)越低，能耗越高。
另外，在工况下，冷热水温差为51℃，在环境温度为20℃时，空气源热泵的制热量为17.2KW；在环境温度为5℃时，空气源热泵的制热量为11.23KW，比20℃时的制热量降低了1/3左右；在环境温度为-5℃时，空气源热泵的制热量为5.75KW，比20℃时的制热量降低了2/3左右。
由上述描述可知，空气源开启温度关系到空气源热泵与水箱之间进行水循环的条件，空气源热泵的能耗介于集热器和电加热器之间，但空气源热泵是将空气进行压缩给水箱供热，运行时受环境气候热性影响较大，随着室外温度的降低，蒸发温度不断降低，压缩比不断增大，输气量减小，而且随着蒸发温度降低，制冷剂蒸发所吸收的汽化潜热也在减小，同时压缩比增大，排气温度升高，机组的供热量逐渐减小，COP值不断降低，同时压缩机长时间在高温下运行，非常不利。当环境温度低于-5℃时，空气源热泵的COP为1.5以下，开启空气源热泵的能量转换率比较低，能耗量比较大，在此温度以下，可不启动空气源热泵作为供热系统的热源。
请参照图1，本发明的实施例一为：
一种多能源组合热水系统，包括水箱、集热器、空气源热泵、电加热器、水箱温度传感器、集热器温度传感器、空气温度传感器，其中
所述集热器温度传感器用来检测集热器给水管路中的水温；
所述空气温度传感器用来检测空气的温度。
请参照图1，一种多能源组合热水系统控制方法，晴天，全天的最高气温为 15℃，最低气温为-10℃，假设设定水箱温度为70℃，设定的集热器与水箱温差为5℃，空气源开启温度为-5℃，所述方法为：
S1若集热器真空管温度比水箱水温高，且差值大于5℃，则集热器开；否则，集热器关；
S2若水箱水温小于70℃，则执行步骤S3；否则，返回步骤S1；
S3若水箱温升曲线不满足温升要求，则执行步骤S4；否则，返回步骤S1；
S4若空气温度大于-5℃，则空气源热泵开；否则，空气源热泵关；
S5若水箱水温小于设定水箱温度，则执行步骤S6；否则，返回步骤S1；
S6若水箱温升曲线不满足温升要求，则电加热器开；否则，电加热器关；
S7返回步骤S1，重复执行上述步骤。
实际运行过程中，8:00-18:00，由于太阳能充足，集热器作为主要供热源，空气源热泵作为辅助供热源；在5:00-8:00和18:00-23:00，由于太阳能比较弱，且空气温度高于-5℃，空气源热泵作为主要供热源，集热器和电加热器作为辅助热源；在23:00-5:00，由于没有太阳能，且空气温度低于-5℃，电加热器作为主要供热源，空气源热泵不开启，集热器作为辅助供热源。
综上所述，本发明提供的多能源组合热水系统及控制方法，采用集热器、空气源热泵、电加热器作为热水系统的三种供热源，并且分别利用水箱温度传感器、集热器温度传感器、空气温度传感器对水箱水温、集热器给水管中水温、空气温度进行检测；三种供热源依次按照集热器、空气源热泵、电加热器的开启顺序进行条件判断，其中集热器开启的条件不是单纯考虑水箱水温是否达到设定水箱温度，而是考虑集热器真空管温度与水箱水温的差值达到一定值时，集热器即与水箱进行水循环，防止集热器中温度过高，损坏集热器，保证系统运行的安全性；空气源热泵工作时，需要将空气进行压缩转换成热能，开启的条件需要同时考虑水箱水温、水箱温升曲线，以及空气温度是否大于空气源开启温度；电加热器作为最后选择的备用供热源，是三种供热源中消耗能耗最大的供热源，但具有加热快速、直接的特点，所述热水系统运行安全稳定，且根据三种供热源各自能耗特点判断是否开启，具有提高能源利用率，节约能源的 效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。