一种变化最低水位的双水箱太阳能热水系统的控制装置的制作方法

本实用新型涉及双水箱太阳能热水系统的控制装置，本实用新型尤其涉及变化最低水位的双水箱太阳能热水系统的控制装置。

背景技术：

目前，国家大力发展可再生能源的利用，太阳能热水系统是太阳能利用中的一种最常用的方式。但太阳辐射量随季节、昼夜变化，同时还受天气变化等随机因素的强烈影响，具有很大的不稳定性，同时由于用户用水习惯的不同，导致各时段用水量差别很大，为此太阳能热水系统均配备了辅助热源，而辅助热源能耗也成为太阳能热水系统的主要能耗，如何在满足用户用水需求的情况下，尽量减少辅助热源的开启时间是减少太阳能热水系统能源消耗的主要方向。

常规的集中式太阳能热水系统如图1，系统主要包括太阳能集热器，辅助热源，储热水箱及控制系统，基本运行原理如图1所示：首先在夜间通过补水管路7为储热水箱补充定量的水，其中储热水箱的容积是按照规范《太阳能热水系统设计、安装及工程工程验收技术规范》选取，其次，使用温差控制集热循环时，当集热器9上部温度与储热水箱1的温度大于设定值(如5℃)时，集热循环泵8开启，系统进行集热循环，当用水终端用户10开始用水前一段时间(如1h)，判断太阳能储热水箱1中的水温是否满足设定值(如60℃),如未达到，开启循环加热泵2，利用辅助热源3循环进行加热，使水温达到设定值(60℃)，热水通过装有供水泵4的供水管5供给终端用户10，用户回水通过回水管6返回储热水箱1。

这种系统运行原理简单，控制方便，但通常为保证夏天的较高用水量的要求，水箱内设定的最低水位远远高于实际的小时用水量，并且参数的设定值为定值，无法随季节和用户用水习惯而变化，参数的设置缺乏科学性和准确性，而系统最低水位是影响系统辅助热源加热时间的主要因素，直接影响着系统的能源消耗，因季节、天气和用水量等不确定因素导致水箱内水量在绝大部分时刻比实际用水量大很多，为保证水箱内大量热水的水温，导致辅助热源加热时间明显增加，增加系统能耗。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种能更好的适应季节及天气和用水量等随机因素的变化、减少辅助热源的消耗、提高太阳能利用率并实现节能的最大化的变化最低水位的双水箱太阳能热水系统的控制装置。

本实用新型的一种变化最低水位的双水箱太阳能热水系统的控制装置，包括集热水箱和太阳能集热器，所述的集热水箱的出口端通过集热循环管路依次连接循环水泵、太阳能集热器和集热水箱的进口端，在所述的集热水箱上安装有电动补水阀，所述的集热水箱通过安装有补水泵的补水管线与供热水箱的补水口相连，所述的供热水箱的第一出水口通过循环加热管线依次连接循环加热泵、辅助热源和供热水箱的回水口，所述的供热水箱的第二出水口通过装有热水供水泵和流量计的系统供水干管与用户的入水口相连，所述的用户的出水口与供热水箱的回水口之间通过安装有流量计的系统回水干管相连，在所述的供热水箱和集热水箱上分别安装有用于检测供热水箱和集热水箱内的实时水位的上传式水位计以及检测供热水箱和集热水箱内的实时水温的温度计,在所述的集热器的进出口分别安装有用于检测集热器出口端的实时水温以及集热器进口端的实时水温的上传式温度计。

本实用新型与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)利用双水箱的方式可以有效的降低集热水箱温度，提高集热效率，双水箱将集热水箱和供热水箱分开，提高用水的稳定性，同时能更好的与辅助热源耦合，并且对于可以将集中荷载分散布置，方便建筑承重，同时利用双水箱能分别储存i时段和i+1时段的用水量，保证供热水箱水温不受补水影响。

(2)保证在i时刻供热水箱满足最低水位h_1i，集热水箱满足最低水位h_2i，使系统在最少水量下运行，调节了因昼夜、用水量变化等因素的影响，减少了辅助热源的开启时间。

(3)设置供热水箱内的梯度控温水位设定值h_s，在夏季太阳辐射量较高时，可以进行梯度控温，增加集热水箱向供热水箱补水的水温设定值t_s设定值，既保证了水量的要求，又最大限度的利用太阳能，提高水温。

(4)当太阳辐射不强时，利用集热循环相当于对冷水进行预热，而后送入供热水箱，利用辅助热源加热较高温度的水，避免从低温水直接加热，提高到加热效率。

附图说明

图1为常规集中式太阳能热水系统原理图。

图2为本实用新型的变化最低水位的双水箱太阳能热水系统的控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型做进一步的说明以令本领域普通技术人员参阅本说明书后能够据此实施。

结合图2，本实用新型的一种变化最低水位的双水箱太阳能热水系统的控制装置，包括集热水箱9和太阳能集热器11，所述的集热水箱9的出口端通过集热循环管路依次连接循环水泵10、太阳能集热器1和集热水箱9的进口端，在所述的集热水箱9上安装有电动补水阀12，所述的集热水箱9通过安装有补水泵8的补水管线与供热水箱1的补水口相连，所述的供热水箱1的第一出水口通过循环加热管线依次连接循环加热泵2、辅助热源3和供热水箱1的回水口，所述的供热水箱1的第二出水口通过装有热水供水泵4和流量计的系统供水干管5与用户的入水口相连，所述的用户的出水口与供热水箱的回水口之间通过安装有流量计的系统回水干管7相连，在所述的供热水箱1和集热水箱9上分别安装有用于检测供热水箱1和集热水箱内的实时水位的上传式水位计以及检测供热水箱和集热水箱内的实时水温的温度计,在所述的集热器11的进出口分别安装有用于检测集热器出口端的实时水温以及集热器进口端的实时水温的上传式温度计。

采用本装置的控制方法如下：

步骤一、对预测日之前n天中每天各时段的双水箱太阳能热水系统的多个参数进行采集，过程如下：

在供热水箱1和集热水箱9上分别安装上传式水位计及温度计,分别用于检测供热水箱1内的实时水位h₁、供热水箱内的实时水温t₁，集热水箱内的实时水位h₂、集热水箱内的实时水温t₂；在连接在用户6的入水口与供热水箱1的出水口之间的系统供水干管5上和连接在用户6的出水口和供热水箱的回水口之间的系统回水干管7上分别安装流量计,用于检测供水干管在预测日前n天的每天各时段的水流量Q_ijg，以及系统回水干管在相应时段的水流量Q_ijh，在集热器11的进出口分别安装上传式温度计，分别用于检测集热器出口端的实时水温t₃以及集热器进口端的实时水温t₄。

步骤二、用供水干管在预测日前n天的每天各时段的水流量Q_ijg-回水干管在相应时段的水流量Q_ijh计算得到预测日前n天每天各时段的用水量Q_ij。

步骤三、结合应用数理统计中t分布的统计方法，在设定的置信度下，分别计算得出预测日各时段用水量预测值Q_i。

具体过程如下：

式中μ_i代表样本均值；

Q_ij代表预测日前n天每天各时段的用水量；

S_i代表样本标准差；

t_p(n-1)代表可信度为p时的系数值，该值由t分布的p分位表查得，置信度越高，则Q_i会越大，综合考虑推荐选取置信度为95％。

Q_i代表预测日各时段用水量预测值；

n为预测日之前设定的采样天数；

i代表设定的每天各时段序号；

步骤四、计算预测日供热水量和集热水箱各时段最低水位值，公式如下：

h_2i＝h_1(i+1) --式5

式中h_1i代表供热水箱在预测日各时段最低水位要求值；

h_2i代表集热水箱在预测日各时段最低水位要求值；

S为供热水箱和集热水箱底面积；

h₀为供热水箱和集热水箱的最低安全水位；

本步骤中为简化计算设定两水箱底面积均为S，集热水箱i时段最低水位要求值等于供热水箱i+1时段最低水位要求值，即集热水箱储备i+1时段用水量；

步骤五、计算预测日梯度控温的供热水箱水位设定值h_s，计算过程如下：

式中h₀代表供热水箱和集热水箱的最低安全水位；

h_s代表预测日梯度控温的供热水箱水位设定值；

a为高峰用水量的开始时间,b为高峰用水量的结束时间，该值根据各个建筑用水功能可调整。

步骤六、集热循环，具体过程为：在预测日当集热器出口端的实时温度t₃-集热水箱内的实时温度t₂≥第一设定值，开启集热循环水泵10，使得集热水箱内的水流出集热水箱9并依次流经集热循环水泵10和太阳能集热器11后返回集热水箱进行集热循环，当集热器出口端的实时温度t₃-集热水箱内的实时温度t₂≤第二设定值，关闭集热循环泵10。

步骤七、在预测日的各时段前第一设定时间(该时间可适当调整)检测供热水箱内的实时水位h₁,当供热水箱内的实时水位h₁＜供热水箱在预测日各时段最低水位要求值h_1i时，开启通过补水管线连接在集热水箱9和供热水箱1之间的补水泵8，将集热水箱内的任意温度的热水送入供热水箱至供热水箱内的实时水位h₁＝供热水箱在预测日各时段的最低水位要求值h_1i，关闭补水泵8，补水泵关闭后检测供热水箱水温t₁,当供热水箱温度t₁＜系统供热水温度t_g时，开启循环加热泵2将供热水箱内的水抽出并经辅助热源3加热后再返回供热水箱1直至供热水箱内的实时水温t₁＝供热水箱供水温度设定值t_g时停止加热；当供热水箱温度t₁≥供热水箱供水温度设定值t_g，不开启辅助热源。

步骤八、在预测日的各时段晚于第一设定时间的第二设定时间(该时间可适当调整)或补水泵8停止运行时检测集热水箱内的实时水位h₂，若集热水箱内的实时水位h₂＜集热水箱在预测日各时段最低水位要求值h_2i时，开启电动补水阀12使补水经电动补水阀12流入集热水箱进行补水直至集热水箱内的实时水位h₂等于集热水箱在预测日各时段最低水位要求值h_2i时，关闭电动补水阀12，然后利用太阳能集热循环对储热水箱内的水进行集热循环；若集热水箱内的实时水位h₂≥集热水箱在预测日各时段最低水位要求值h_2i，则直接对集热水箱内的水进行集热循环；

步骤九、集热水箱向供热水箱补水，具体过程为：在任意时刻当集热水箱水温t₂＝集热水箱向供热水箱补水温度设定值t_s(设置两个梯度)时,开启补水泵8,将集热水箱中的水送入供热水箱至集热水箱内水位降至最低安全水位h₀时，关闭补水泵8，然后开启电动补水阀12对集热水箱进行补水，再继续进行集热循环。

步骤十、梯度控温补水，具体过程为：在任意时刻当供热水箱内的实时水位h₁达到预测日梯度控温的供热水箱水位设定值h_s时，提高集热水箱向供热水箱补水温度设定值t_s(第二梯度)，然后重复步骤六-步骤九直至当供热水箱的水位h₁达到供热水箱最高安全水位h_1j时,关闭补水泵8，继续进行集热循环，此后当集热水箱内的实时水温t₂≥集热水箱向供热水箱补水的水温设定值t_s(第二温度梯度)时，开启电动补水阀12向集热水箱补水至集热水箱水位h₂达到集热水箱最高安全水位h_2j时关闭电动补水阀12，若集热水箱内水继续升温等于集热器零部件损坏的极限温度t_j，则关闭集热循环，启动过热循环保护模式,防止系统损坏。本步骤中的过热循环保护模式可以采用现有技术，参见中国可再生能源学会出版的《太阳能》2013年13期的关于黄明太阳能股份有限公司刘洪绪公开的文献“分体承压型太阳能热水系统的过热保护”。

采用本实用新型装置减少了辅助热源的开启时间,预期比单水箱太阳能热水系统节约能源20％以上,充分利用太阳能,减少了常规能源的排放。

上面结合图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多细节优化，这些均属于本实用新型的保护之内。