热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种热泵与太阳能热水器组合系统预测控制方法，特点是预测控制方法的步骤为：建立储水箱的温升ΔT随时间t、太阳能瞬时辐照量e、平均室外环境温度ThP、水箱初始温度TC的拟合函数式；通过上述拟合方法，对每一种同期气象条件都进行温升ΔT曲线拟合，得到一个不同气象条件下温升ΔT拟合曲线的集合；因实际的温升曲线与集合A中有限的拟合曲线不能完全吻合，需对实际预测温升曲线进行修正，得到最终预测温升ΔT′；最终预测温升ΔT′值与初始水温TC之和即为预测水箱最终温度TZ，用户设定水温TS与预测水箱最终温度TZ之差ΔT″为需要热泵热水器辅助加热的热量。其优点为：太阳能有效得热量预测更准确，热泵运行时间段的能效比更高，系统节能效果明显。
【专利说明】
热累与太阳能热水器组合系统预测控制方法
技术领域
[0001 ]本发明设及一种热累与太阳能热水器组合系统预测控制方法。
【背景技术】
[0002] 空气源热累热水器辅助太阳能热水器具有节能和环境适应性强的优点，在生活热 水供应中得到了越来越广泛的应用。空气源热累热水器与太阳能热水器组合中传统的控制 方法是优先使用太阳能加热，当用户使用热水时如水溫达不到要求，则开启热累热水器进 行加热，或者是人工提前开启或在某一固定时间提前开启。采用上述控制方法的主要问题 是由于空气源热累热水器的能效比随室外环境溫度升高而升高，但随水箱水溫升高而降 低，如W日常用水高峰在1別寸W后为例，其室外环境溫度一般比午间最高溫度低5~8°C，而 午间的水箱水溫也比较低。为此，发明专利"热累与太阳能热水器组合的节能控制方法 UL201210485068.4)"中提出了通过对太阳能热水器全天得热量进行预测，在午间气溫较 高的时段提前开启热累热水器补充加热的技术方案。但由于每天气象条件都不相同，如何 准确预测太阳能热水器全天所能提供的热量是实施的关键。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种热累与太阳能热水器组合系统 预测控制方法，其能准确预测太阳能热水器全天得热量，从而确定所需热累热水器辅助加 热量W及热累热水器最佳的开机时间及总的运行时间，实现系统运行节能目的。
[0004] 为了达到上述目的，本发明是运样实现的，其是一种热累与太阳能热水器组合系 统预测控制方法，其特征在于热累与太阳能热水器组合系统包括热累热水器、热累循环水 累、储水箱、太阳能循环水累、太阳能热水器、储水箱水溫传感器、环境溫度传感器及控制 器;其中所述储水箱水溫传感器感应储水箱的水溫即水箱溫度T，所述环境溫度传感器感应 室外环境溫度即环境溫度化;所述控制器的预测控制方法的步骤如下： (一) 影响热累与太阳能热水器组合系统中的有效得热量的因素主要有太阳能福照量 和环境溫度Th，其中太阳能瞬时福照量和全天总福照量直接影响太阳能热水器的得热量， 储水箱因向环境散热，室外环境溫度影响热累热水器有效得热量；因每天的太阳能照射量 和室外环境溫度不同，将太阳能福照量变化和室外环境溫度的变化简化为晴天、多云天、阴 雨天立种不同气象情况； (二) 将太阳能福照量及室外环境溫度因素对热累与太阳能热水器组合系统得热量的 影响综合表述为储水箱的有效得热量，在给定储水箱容积的情况下，通过测量储水箱水溫 传感器的溫升即可W得到组合系统的有效所得热量； (=)根据同期气象条件试验数据即太阳能瞬时福照量和全天总福照量基本相同，平均 环境溫度相同，加热开始时储水箱的初始水溫也相同的数据，建立储水箱的溫升A T随时间 t、太阳能瞬时福照量e、平均室外环境溫度化P、水箱初始溫度Tc的拟合函数式即溫升A T= / (t，e，Tc，化P);根据得到的试验数据，拟合函数式按晴天、多云天、阴雨天=种不同气象情 况进行表述； (四） 通过上述拟合方法，对每一种同期气象条件都进行溫升A T曲线拟合，得到一个不 同气象条件下溫升at拟合曲线的集合A={ /l(t), /2(t), /3(t) ? ? ? /n(t)}，A是 一个有限集，其将作为预测特定时间段内溫升A T情况的依据； (五） W早上8点作为计时零点，按照同期气象条件在集合A中选择溫升曲线/i(t), /i+l(t), /i+2(t),再根据早上8点到12点的一组时间点tl,t2,t3 ? ? ?tn，对应的储水箱 的水箱溫度T的实测值Ti,T2,T3 ? ? - Tn，计算Ai=( Tw- Ti)/( tw- ti)W及/i'(t)， / 1+/(t)，/ (t)在ti的值，应用最小二乘法判断与Ai最接近的/ / (t)，得到数据与集 合A中哪种天气比较吻合，即/ i(t)带入t得到下午用热时储水箱预测溫升值； (六） 因实际的溫升曲线与集合A中有限的拟合曲线不能完全吻合，考虑天气突变等情 况影响，需对实际预测溫升曲线进行修正，得到最终预测溫升A r; (屯)最终预测溫升A r值与初始水溫Tc之和即为预测水箱最终溫度Tz，用户设定水溫 Ts与预测水箱最终溫度Tz之差A T"，即A T"=Ts-Tz为需要热累热水器（1)辅助加热的热量， 热累热水器在环境溫度化较高时提前启动运行，当热累热水器完成辅助加热的运一部分热 量即通过热累热水器运行溫升达到A T"后停止运行。
[0005] 本发明与现有技术相比的优点为:太阳能有效得热量预测更准确，热累运行时间 段的能效比更高，系统节能效果明显。
【附图说明】
[0006] 图1是本发明的系统原理图。
【具体实施方式】
[0007] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考 附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0008] 如图1所示，其是一种热累与太阳能热水器组合系统预测控制方法，热累与太阳能 热水器组合系统包括热累热水器1、热累循环水累2、储水箱3、太阳能循环水累4、太阳能热 水器5、储水箱水溫传感器6、环境溫度传感器7及控制器8;其中所述热累热水器1的出水口 与储水箱水溫传感器6的一入水口连通，所述储水箱水溫传感器6的一出水口通过热累循环 水累2与热累热水器1的入水口连通，储水箱水溫传感器6的另一出水口通过太阳能循环水 累4与太阳能热水器5的入水口连通，储水箱水溫传感器6的另一入水口与太阳能热水器5的 出水口连通;热累循环水累2及太阳能循环水累4受控制器8的控制;所述储水箱水溫传感器 6感应储水箱3的水溫即水箱溫度T，所述环境溫度传感器7感应室外环境溫度即环境溫度 Th;所述控制器8的预测控制方法的步骤如下： (一) 影响组合系统中的有效得热量的因素主要有太阳能福照量和环境溫度化，其中太 阳能瞬时福照量和全天总福照量直接影响太阳能热水器5的所得热量，储水箱3因向环境散 热，室外环境溫度影响热累热水器1有效所得热量；因每天的太阳能照射量和室外环境溫度 不同，将太阳能福照量变化和室外环境溫度的变化简化为晴天、多云天、阴雨天=种不同气 象情况； (二) 将太阳能福照量及室外环境溫度因素对热累与太阳能热水器组合系统所得热量 的影响综合表述为储水箱3的有效得热量，在给定储水箱3容积的情况下，通过测量储水箱 水溫传感器6的溫升即可W得到热累与太阳能热水器组合系统的有效所得热量； (=)根据同期气象条件试验数据即太阳能瞬时福照量和全天总福照量基本相同，平均 环境溫度相同，加热开始时储水箱的初始水溫也相同的数据，建立储水箱的溫升A T随时间 t、太阳能瞬时福照量e、平均室外环境溫度化P、水箱初始溫度Tc的拟合函数式即溫升A T= / (t，e，Tc，ThP);根据得到的试验数据，拟合函数式按晴天、多云天、阴雨天S种不同气象情 况进行表述，具体表述如下： (a) 阴雨天:溫升at与时间t基本呈线性关系，用拉格朗日差值法， 对雨天同期气象条件的试验数据进行拟合，拟合函数式可W表述为 A T=kt+c，k、c的值可带入具体试验数据计算得出； (b) 多云天:溫升AT与时间t基本呈连续状态和上升趋势，且没有明显拐点，采用牛顿 插值法，根据差商构造 AT=/ (t)= / [tO]+ / [tO,tl](t-tO)+ / [t0,tl,t2](t-t0)(t-tl) + .../ [to,. . .tn](t-tO). . . (t-tn-l)+I?n(t)，其中余项化（t)= / [t，tO,. . .tn] ? 如i (t)，进行曲线拟合，得到形如/ (t)=Nn(t)+Rn(t)的表达式，可W用牛顿插值或二次插 值法求解得到化(t); (C)晴天:太阳福照量大，水箱升溫较快，同时由于与环境溫度化的溫差加大，水箱散热 量也增大，存在一个时间拐点，溫升达到最大值，而W后随着时间推移，太阳福照降低，太阳 能获得的热量与水箱散热基本接近，溫升曲线趋于平缓，用两个时间节点积分值增量反应 溫升情况，求解牛顿-科特斯公式
，其中Cf ^，cotes系数仅取 决于n和i;通过数据验证得到的AT=/ (t，e，Tc，化P)，存在某个ti，使得/ (t)的n次幕 大于0,而/ (t)的n+1次幕等于0,即得到的溫升曲线存在曲线峰值； (四） 通过上述拟合方法，对每一种同期气象条件都进行溫升A T曲线拟合，得到一个不 同气象条件下溫升at拟合曲线的集合A={ /l(t), /2(t), /3(t) . . . /n(t)}，A是 一个有限集，其将作为预测特定时间段内溫升A T情况的依据； (五） W早上別寸作为计时零点，按照同期气象条件在集合^中选择溫升曲线/i(t), /i+l(t)，/i+2(t)，再根据早上8点到12点的一组时间点tl,t2,t3 ? ? - tn，对应的储水箱3 的水溫T的实测值Ti,T2,T3 ? ? - Tn，计算Ai=( Ti+广 Ti)/( ti+广 ti似及/i'(t)，/i+1' (t)，(t)在ti的值，应用最小二乘法判断与Ai最接近的//(t)，得到数据与集合A中 巧剛天气比较吻合，即/ i(t)带入t得到下午用热时储水箱3预测溫升值； (六） 因实际的溫升曲线与集合A中有限的拟合曲线不能完全吻合，考虑天气突变等情 况影响，需对实际预测溫升曲线进行修正，修正的方法为:取上午10时至12时时间段内均匀 分布的几个时间点中对应的实际溫升at值与集合^中近视吻合的拟合曲线计算得到的溫 升A T值的偏差平均值肌，作为最终预测溫升A T的修正值，修正后的最终预测溫升值A r = AT+dT； (屯)最终预测溫升A r值与初始水溫Tc之和即为预测水箱最终溫度Tz，用户设定水溫 Ts与预测水箱最终溫度Tz之差A T"，即A T"=Ts-Tz为需要热累热水器1辅助加热的热量，热 累热水器1在环境溫度化较高时提前启动运行，可设定中午12时为启动运行开始时间，当热 累热水器1完成辅助加热的运一部分热量即通过热累热水器1运行溫升达到A T"后停止运 行。
[0009]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可W理解:在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可W对运些实施例进行多种变化、修改、替换及变形，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 一种热栗与太阳能热水器组合系统预测控制方法，其特征在于热栗与太阳能热水器 组合系统包括热栗热水器（1)、热栗循环水栗（2)、储水箱（3)、太阳能循环水栗(4)、太阳能 热水器(5)、储水箱水温传感器(6)、环境温度传感器(7)及控制器(8);其中所述储水箱水温 传感器(6)感应储水箱(3)的水温即水箱温度T，所述环境温度传感器(7)感应室外环境温度 即环境温度Th;所述控制器(8)的预测控制方法的步骤如下： (一) 影响热栗与太阳能热水器组合系统中的有效得热量的因素主要有太阳能辐照量 和环境温度Th，其中太阳能瞬时辐照量和全天总辐照量直接影响太阳能热水器(5)的得热 量，储水箱(3)因向环境散热，室外环境温度影响热栗热水器（1)有效得热量;因每天的太阳 能照射量和室外环境温度不同，将太阳能辐照量变化和室外环境温度的变化简化为晴天、 多云天、阴雨天三种不同气象情况； (二） 将太阳能辐照量及室外环境温度因素对热栗与太阳能热水器组合系统得热量的 影响综合表述为储水箱(3)的有效得热量，在给定储水箱(3)容积的情况下，通过测量储水 箱水温传感器(6)的温升即可以得到组合系统的有效所得热量； (三) 根据同期气象条件试验数据即太阳能瞬时辐照量和全天总辐照量基本相同，平均 环境温度相同，加热开始时储水箱(3)的初始水温也相同的数据，建立储水箱(3)的温升ΔΤ 随时间t、太阳能瞬时辐照量e、平均室外环境温度ThP、水箱初始温度TC的拟合函数式即温升 ΔΤ=/ (t，e，Tc，ThP);根据得到的试验数据，拟合函数式按晴天、多云天、阴雨天三种不同 气象情况进行表述； (四） 通过上述拟合方法，对每一种同期气象条件都进行温升△ T曲线拟合，得到一个不 同气象条件下温升AT拟合曲线的集合A={ /Kt)，/2(t)，/3(t) · · · /n(t)}，A是 一个有限集，其将作为预测特定时间段内温升A T情况的依据； (五） 以早上8点作为计时零点，按照同期气象条件在集合Α中选择温升曲线/Jt)， /i+1(t)，/i+2(t)，再根据早上8点到12点的一组时间· · ·?η，对应的储水箱 (3)的水箱温度Τ的实测值礼!^,!^ · · ·Τη，计算Ai=( Ti+1- Ti)/( ti+1- ti)以及// (t)，/1+/(t)，的值，应用最小二乘法判断与八1最接近的//(t)，得到数 据与集合A中哪种天气比较吻合，即/ Kt)带入t得到下午用热时储水箱(3)预测温升值； (六） 因实际的温升曲线与集合A中有限的拟合曲线不能完全吻合，考虑天气突变等情 况影响，需对实际预测温升曲线进行修正，得到最终预测温升A f ; (七) 最终预测温升△ f值与初始水温TC之和即为预测水箱最终温度Tz，用户设定水温 Ts与预测水箱最终温度Τζ之差Δ Τ〃，即Δ T〃=Ts-Tz为需要热栗热水器（1)辅助加热的热量， 热栗热水器（1)在环境温度Th较高时提前启动运行，当热栗热水器（1)完成辅助加热的这一 部分热量即通过热栗热水器(1)运行温升达到A T〃后停止运行。
【文档编号】F24H4/02GK106052162SQ201610506160
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】邹时智, 徐言生, 蔡栋, 傅仁毅
【申请人】顺德职业技术学院