[發明專利]空氣源熱泵與太陽能熱水器耦合集控供熱系統及其方法

在審

• 申請號: 201810279524.7
• 申請日: 2018-04-01
• 公開（公告）號: CN108644879A
• 公開（公告）日: 2018-10-12
• 發明（設計）人: 馬素霞;郭文琪;宋建成;閆澤濱;李小剛;田慕琴
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: F24D15/02
• 分類號: F24D15/02;F24D19/10;F25B30/06
• 代理公司: 太原倍智知識產權代理事務所(普通合伙) 14111
• 代理人: 戎文華

1.一種空氣源熱泵與太陽能熱水器耦合集控供熱系統，包括集中控制系統、空氣源熱泵控制系統和太陽能熱水器；其特征在于：所述耦合集控供熱系統是將線性控制、智能控制和PID控制集為一體，通過所述集中控制系統、所述空氣源熱泵控制系統和所述太陽能熱水器，實現不同模塊的運行屬性和用戶需求；

所述集中控制系統包括太陽能熱水器控制模塊、空氣源熱泵臺數控制模塊、系統熱水控制模塊、輸入輸出模塊和集中控制器五部分；

所述太陽能熱水器控制模塊是太陽能板（1）控制加熱第一水箱（2），控制第一電磁閥（9）為整個系統補水，控制第一水泵（22）和第二電磁閥（10）實現第一水箱（2）和第二水箱（3）的連通，完成工質交換；

所述空氣源熱泵臺數控制模塊是對第二水箱（3）出口管路進行分流控制，分流管路Ⅰ中安裝有第三電磁閥（11）；分流管路Ⅱ中安裝有第四電磁閥（12），并配置第一空氣源熱泵機組（5）；分流管路Ⅲ中安裝有第五電磁閥（13），并配置第二空氣源熱泵機組（6）；分流管路Ⅳ中安裝有第六電磁閥（14），并配置有第三空氣源熱泵機組（7）；分流管路Ⅴ中安裝有第七電磁閥（15），并配置有第四空氣源熱泵機組（8）；最后管路匯聚與第三水箱（4）連通；

所述系統熱水控制模塊是在第三水箱（4）出口處安裝的第二水泵（23）進行控制，通過用戶管道回到第二水箱（3）形成回路；

所述輸入輸出模塊是分別在第一水箱（2）和第二水箱（3）設置第一液位傳感器（20）和第二液位傳感器（21），在第一水箱（2）設置有第一溫度傳感器（16），在第二水箱（3）進水口設置有第二溫度傳感器（17），監測第一液位傳感器（20）和第二液位傳感器（21）與第一溫度傳感器（16）和第二溫度傳感器（17）的測量值，通過集中控制器實現對第一電磁閥（9）、第二電磁閥（10）和第一水泵（22）的控制；在第二水箱（3）出口處設置有第三溫度傳感器（18），監測其測量值，并在集中控制器中設置預期溫度，讀取當前工作狀態和工作時間，通過集中控制器實現對第三電磁閥（11）、第四電磁閥（12）、第五電磁閥（13）、第六電磁閥（14）和第七電磁閥（15）的開斷控制和第一空氣源熱泵機組（5）、第二空氣源熱泵機組（6）、第三空氣源熱泵機組（7）和第四空氣源熱泵機組（8）的啟停控制；在第三水箱（4）出口處設置有第四溫度傳感器（19）監測供水溫度，控制第二水泵（23）的啟停，實現為用戶供熱；

所述集中控制器是單片機或PLC；

所述空氣源熱泵控制系統包括空氣源熱泵運行工況控制模塊、輸入輸出模塊和空氣源熱泵控制器三部分；

所述空氣源熱泵運行工況控制模塊是蒸發器（28）連接四通換向閥（25）的端口Ⅰ，端口Ⅱ與氣液分離器I（26）相連，通過壓縮機（29）進入四通換向閥端口Ⅳ，端口Ⅲ連接第八電磁閥（34），通過冷凝管（24）、蓄熱器（30）、儲熱器（31）、第十電磁閥（36）、電子膨脹閥R2（33）與蒸發器形成回路，實現空氣源熱泵機組的供熱-蓄熱功能；儲熱器（31）出口處連接有第九電磁閥（35），通過電子膨脹閥R1（32）連接蓄熱器，氣液分離器II（27），接入壓縮機，形成回路，便于蓄熱器中的熱量再利用；與第十電磁閥（36）并聯設置第十二電磁閥（38），與冷凝器（24）、第八電磁閥（34）并聯設置第十一電磁閥（37），便于工質方向流動，實現空氣源熱泵機組的除霜功能；

所述輸入輸出模塊是在壓縮機（29）出口處設置有壓力傳感器（39）、第五溫度傳感器（40），實現空氣源熱泵系統安全監控工況的控制；在蒸發器（28）出口處設置有第八溫度傳感器（43），在空氣源熱泵機組所處環境中設置有第九溫度傳感器（44），實現空氣源熱泵系統的供熱-蓄熱工況與除霜工況的切換；在蓄熱器（30）的出口處設置有第六溫度傳感器（41）、在儲熱器（31）的出口處設置有第七溫度傳感器（42），在蒸發器（28）的出口處設置有第八溫度傳感器（43），實現電子膨脹閥R1（32）和電子膨脹閥R2（33）的開度控制；

所述空氣源熱泵控制器是單片機或PLC。

2.如權利要求1所述的空氣源熱泵與太陽能熱水器耦合集控供熱系統，其特征在于：所述電磁閥是YXZ941H電動閘閥，或是YXPZ973電動刀型閘閥；所述溫度傳感器是PT100；所述液位傳感器是LU20-5001-IS型超聲波液位計；所示壓力傳感器是KGHY330。

3.一種用于如權利要求1所述的空氣源熱泵與太陽能熱水器耦合集控供熱系統的耦合集控供熱方法，其特征在于：所述集中控制系統中太陽能熱水器控制模塊和空氣源熱泵臺數控制模塊采用智能控制；所述空氣源熱泵控制系統的安全監控工況采用線性控制；所述空氣源熱泵控制系統的供熱-蓄熱工況與除霜工況中電子膨脹閥采用PID控制，

所述集中控制系統中太陽能熱水器控制模塊的輸入層信號分別為第一水箱液位、第二水箱液位、第一水箱溫度和第二水箱進水口溫度；輸出層信號分別為狀態1：第一電磁閥（9）、第二電磁閥（10）和第一水泵（22）關閉；狀態2：第一電磁閥（9）、第二電磁閥（10）開啟，第一水泵（9）關閉；狀態3：第一電磁閥（9）、第二電磁閥（10）關閉，第一水泵（22）開啟；狀態4：第一電磁閥（9）關閉，第二電磁閥（10）開啟，第一水泵（9）關閉；采用BP神經網絡建立輸入信號和輸出狀態間的映射關系，實時監測輸入信號，并得到相應的輸出狀態，確定第一電磁閥（9）、第二電磁閥（10）和第一水泵（22）的啟停狀態，實現太陽能熱水器和整體系統間及時的能量交換；

所述集中控制系統中空氣源熱泵臺數控制模塊的輸入層信號分別為第二水箱（3）出口溫度、預期溫度、當前工作狀態和工作時間；輸出層信號分別為狀態1：第一熱泵機組（5）、第二熱泵機組（6）、第三熱泵機組（7）和第四熱泵機組（8）不工作，第三電磁閥（11）開啟；狀態2：第一熱泵機組（5）工作，第四電磁閥（12）開啟；狀態3：第二熱泵機組（6）工作，第五電磁閥（13）開啟；狀態4：第三熱泵機組（7）工作，第六電磁閥（14）開啟；狀態5：第四熱泵機組（8）工作，第七電磁閥（15）開啟；狀態6：第一熱泵機組（5）和第二熱泵機組（6）工作，第四電磁閥（12）和第五電磁閥（13）開啟；狀態7：第三熱泵機組（7）和第四熱泵機組（8）工作，第六電磁閥（14）和第七電磁閥（15）開啟；狀態8：1、2、3號熱泵系統工作，第四、第五、第六電磁閥開啟；狀態9：第一熱泵機組（5）、第二熱泵機組（6）、第三熱泵機組（7）和第四熱泵機組（8）工作，第四電磁閥（12）、第五電磁閥（13）、第六電磁閥（14）和第七電磁閥（15）開啟；采用BP神經網絡建立輸入信號和輸出狀態間的映射關系，實時監測輸入信號，并得到相應的輸出狀態，確定各熱泵系統的高效節能運行狀態；

所述空氣源熱泵控制系統安全監控工況，當壓縮機出口處壓力傳感器（39）測量值大于2.6MPa或第五溫度傳感器（40）測量值大于140℃時，空氣源熱泵系統各電磁閥關閉，系統停止運行；

所述空氣源熱泵控制系統供熱-蓄熱工況和除霜工況的電子膨脹閥R1（32）和電子膨脹閥R2（33）的PID控制方法如下：

電子膨脹閥R2（33）用于控制供熱-蓄熱工況下系統的冷劑流量q₂，通過蒸發器（28）出口溫度與飽和溫度之差DT₂來控制電子膨脹閥R2（33）的開度M₂(s)，控制規律如下：

E₂(s)= DT₂-DT_r （1）

Y(s)=K_p(1+1/T_is+T_ds) E₂(s) （2）

M₂(s)= k₂Y(s) （3）

DT₂=K_ze^-τsM₂(s)/(1+Ts) （4）

q₂=f (M₂) （5）

式中，過熱度DT_r為5^oC，DT₂為蒸發器出口冷劑溫度與飽和溫度之差，E₂(s)函數為DT₂與DT_r的偏差，函數Y(s)為PID調節器輸出調節信號，對應電子膨脹閥步進電機閥位變化，M₂(s)為電子膨脹閥R2的開度大小，K_p(1+1/T_is+T_ds)為PID調節模型，k₂為電子膨脹閥開度與步進電機閥門之比，K_ze^-τs/(1+Ts)為蒸發器出口溫度隨電子膨脹閥開度的變化規律，q₂為室外蒸發器內的冷劑流量，其和電子膨脹閥R2的閥位一一對應；

電子膨脹閥R1（32）控制蓄熱器放熱管中的制冷劑流量q₁，蓄熱器放熱管的放熱量Q_s如下確定：

（1）當5℃<DT₁<8℃時

Q_s=Q_c-Q_e-P （6）

Q_c=G_w*4.187*(t_w2-t_w1) （7）

Q_e= q₂Dh₂ （8）

q₁= Q_s/Dh₁ （9）

電子膨脹閥R1的閥位與冷劑流量q₁一一對應：M₁=g(q₁)；

（2）當DT₁<5℃時

E₁(s)= DT₁-DT_r （10）

Y(s)=K_p(1+1/T_is+T_ds) E₁(s) （11）

M₁(s)= k₁Y(s) （12）

DT₁=K_ze^-τsM₁(s)/(1+Ts) （13）

q₁=f (M₁) （14）

式中，過熱度DT_r為5^oC，DT₁為蓄熱器放熱管出口冷劑溫度與飽和溫度之差，E₁(s)函數為DT₁與DT_r的偏差；函數Y(s)為PID調節器輸出調節信號，對應電子膨脹閥R1步進電機閥位變化，M₁(s)為電子膨脹閥R1的開度大小，K_p(1+1/T_is+T_ds)為PID調節模型，k₁為電子膨脹閥開度與步進電機閥門之比，K_ze^-τs/(1+Ts)為蓄熱器放熱管出口冷劑溫度隨電子膨脹閥開度的變化規律；

電子膨脹閥R2（33）在除霜工況下控制蓄熱器蓄熱回路的冷劑流量，DT₃為蓄熱器蓄熱管出口冷劑溫度與飽和溫度之差，

E₃(s)= DT₃-DT_r （15）

Y(s)=K_p(1+1/T_is+T_ds) E₃(s) （16）

M₂(s)= k₂Y(s) (電子膨脹閥反向閥位) （17）

DT₃=K_ze^-τsM₂(s)/(1+Ts) （18）

式中，過熱度DT_r為5^oC，DT₃為蓄熱器放熱管出口冷劑溫度與飽和溫度之差，E₃(s)函數為DT₃與DT_r的偏差。