一种农业温室热泵系统低成本供热的运行控制方法与系统与流程

本发明涉及热泵应用，具体地说，涉及一种农业温室热泵系统低成本供热的运行控制方法与系统。

背景技术：

1、农业大棚作为现代农业的重要标志，近年来取得了长足的发展。据统计，全球范围内农业大棚面积在5000公顷以上的国家有11个，分别为中国、韩国、西班牙、日本、土耳其、意大利、墨西哥、荷兰、法国、美国和波兰。

2、农业温室作为农业大棚的一个门类，指钢结构框架、屋顶采用玻璃采光的现代智能农业大棚。农业温室是一个半封闭智能系统，为作物提供稳定的、不受外部环境影响的、独立的局部小气候环境。为实现上述目标，半封闭的农业温室需要精准的控制温度，保证作物根获得一个稳定的、舒适的、生长环境，以促进作物的高效生长。农业温室特殊的结构特点以及使用方法，使得农业温室供热成为一个既复杂又庞大的系统。

3、农业温室的巨大的玻璃屋面结构为了保证采光效果难以采取保温措施，因此通过玻璃屋面的散热量巨大，夜间对应环境低温时段的供热需求量很高，农业温室供热指标是普通工业民用建筑的5～10倍；在白天日光充足的时段，日光辐射透过玻璃屋面对农业温室的辐射强度巨大，即使对应寒冷冬季，日光充足的时段的供热需求量也很低甚至为零。

4、电力价格随电力使用强度产生峰谷电价，在用电高峰时段对应高电价，相反在用电低谷时段对应低电价，电价波动与农业温室供热需求变化之间存在一定反差。

5、电价对运行成本的影响很大，供热介质的温度对运行成本也有很大影响，但是较电价影响低，因此，农业温室供热系统低成本运行控制方法的基础是：优先考虑利用谷电，兼顾降低供热介质的温度。鉴于此，我们提出了一种农业温室热泵系统低成本供热的运行控制方法与系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种农业温室热泵系统低成本供热的运行控制方法与系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了一种农业温室热泵系统低成本供热的运行控制系统，包括：

3、多级散热设备串联组成的供热介质大温差散热系统，多级热泵集群动态串联组成的供热介质大温差加热系统，按温度梯度竖向分隔水体的供热介质缓冲与蓄能大型水箱，水箱蓄能的高温供热介质与热泵即时生产的低温供热介质混水机构。

4、本发明的目的之二在于，提供了一种农业温室热泵系统低成本供热的运行控制方法，基于上述的农业温室热泵系统低成本供热的运行控制系统，包括：农业温室热泵系统低成本供热的控制方法是依据热需求即时调整的散热系统供热介质以散热温差控制为主，供热介质流量控制为辅；相对应热泵系统低成本制热运行控制则通过多级热泵集群动态串联组成的供热介质大温差加热系统，依据电价状态与供热需求与供热介质缓冲与蓄能大型水箱连接，即时生产低温供热介质用于直接供热或即时生产高温供热介质用于蓄热；输出的供热介质同样依据电价状态与供热需求可以是水箱蓄能的高温供热介质与热泵即时生产的低温供热介质通过混水机构混合后供应，也可以是水箱蓄能的高温供热介质或热泵即时生产的低温供热介质直接供应。

5、作为本技术方案的进一步改进，依据热需求即时调整的散热系统供热介质以散热温差控制为主，供热介质流量控制为辅，具体调整方法如下：

6、首先设定：

7、系统最高供热功率；

8、对应系统最高供热功率时的供热介质换热温差；

9、对应系统最高供热功率时的供热介质流量；

10、该条件下；

11、农业温室供热功率只在极端气候条件下达到，绝大多数时间系统供热功率，针对供热功率时农业温室热泵系统运行控制，以达到低成本供热的目的，具体包括如下步骤：

12、s1、当电价处于谷电时段，全系统热泵即时热能生产功率≤农业温室即时需热功率，但是、均小于；此时保持供热介质流量，即维持供热介质流量处于设计最大流量，则供热介质即时换热温差，；

13、热泵生产的温升温差供热介质，按照水箱温度梯度竖向分隔水体的划分方法，进入相应区域，打开该区域对应控制阀，由定量水泵抽取流量；打开水箱顶部控制阀输出温升的供热介质，定量水泵抽取流量；两股在混水机构混合后输出流量为，温升的供热介质送入用户系统；

14、s1条件下采用全部热泵全负荷生产的低于即时供热温度的热水与高温蓄热热水混合而得温升等于，混合后流量等于的热水；

15、s2、当电价处于谷电时段，全系统热泵即时热能生产功率≥农业温室即时需热功率，但是、均小于；此时保持供热介质流量，即维持供热介质流量处于设计最大流量，则供热介质即时换热温差，；

16、s2条件下采用部分热泵满负荷即时生产温升、流量的热水用于供热，剩余热泵生产温升的热水用于蓄热。

17、此时部分热泵满负荷生产的温升、流量的热水，按照水箱温度梯度竖向分隔水体的划分方法，进入相应区域，打开该区域对应控制阀，由定量水泵抽取流量进入混水机构，再输出流量为、温升的供热介质送入用户系统；

18、当电价处于峰电时段，采用高温蓄热热水与部分热泵生产的低于或等于即时供热温度的热水混合而得的符合即时供热温度的热水的方式，且热泵生产的低于或等于即时供热温度的热水量依据蓄热水箱蓄热量的持续供应能力而定。对应峰电时段，峰电电价的影响远大于热泵运行温差影响，应优先考虑使用蓄热水箱蓄热量。

19、s3、电价处于峰电时段，蓄热水箱蓄热量的持续供应能力不能满足系统需求，此时需要启动热泵生产即时热水，同样保持供热介质流量，即维持供热介质流量处于设计最大流量，则供热介质即时换热温差，；

20、设定为保证蓄热水箱蓄热量的持续供应能力，蓄热水箱可以给出的流量为，则蓄热水箱高温热水的供热量为，由此可得，热泵即时供热量，由于，所以，因此控制热泵即时生产热水的温升为，流量为；

21、s4、电价处于峰电时段，蓄热水箱蓄热量的持续供应能力能满足系统需求，此时不需要启动热泵生产即时热水，供热介质全部来自蓄热水箱存储的高温热水，则采用供热介质流量调节的辅助手段，即降低供热介质流量，从而降低供热量，以满足系统要求；即，，则；

22、当电价处于平电时段，平电电价的影响虽然大于热泵运行温差影响，但是影响力下降，考虑投资运行效益比，平电运行控制依据电价、热泵配置数量、热泵运行温差影响综合因子控制；

23、s5、当电价处于平电时段，蓄热水箱在谷电时段完成的蓄热量，其持续供应能力在满足系统峰电需求后仍有余量，则优先使用谷电时段完成的蓄热量，不足部分由热泵即时供热补充；

24、s6、当电价处于平电时段，蓄热水箱在谷电时段完成的蓄热量，其持续供应能力不能满足系统峰电需求，且全系统热泵即时热能生产功率≤农业温室即时需热功率，即热泵即时生产能力小于即时热需求量，该时段对应极端热需求的短时长时段，为保证峰电时段蓄电供应，该条件应该优先使用热泵即时生产的热能；具体如下：

25、保持供热介质流量，即维持供热介质流量处于设计最大流量，则供热介质即时换热温差，；

26、s7、当电价处于平电时段，蓄热水箱在谷电时段完成的蓄热量，其持续供应能力不能满足系统峰电需求，且全系统热泵即时热能生产功率≥农业温室即时需热功率，即热泵即时生产能力大于即时热需求量，此时保持供热介质流量，即维持供热介质流量处于设计最大流量，则供热介质即时换热温差，；

27、s7条件下采用部分热泵满负荷即时生产温升、流量的热水用于供热，剩余热泵生产温升的热水用于蓄热，至蓄热水箱的蓄热量的持续供应能力可以满足系统峰电需求。

28、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s1中，s1条件下采用全部热泵全负荷生产的低于即时供热温度的热水与高温蓄热热水混合而得温升等于，混合后流量等于的热水；

29、即：

30、；

31、；

32、式中：为全部热泵全负荷生产时供热介质加热温差；为全部热泵全负荷生产温差供热介质时的流量；为从水箱输出的蓄热温差δtm的高温热水；

33、式（1）、式（2）中共有三个变量，即：、、，因此由式（1）、式（2）构成的方程组有无数组解，选取、、均大于零，且最小的一组解为最优解；

34、采用该控制方法热泵即时生产的热水水温低于，具有较高能效比。

35、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s5具体为：

36、满足系统峰电需求后的剩余蓄热量按照平电时段的供热时间进行分配，得每个时段的蓄热供热量，则剩余即时供热量；保持供热介质流量，即维持供热介质流量处于设计最大流量，由此可得，热泵即时供热量，由于，所以，因此控制热泵即时生产热水的温升为，流量为；

37、如果蓄热水箱在谷电时段完成的蓄热量，其持续供应能力仅能满足系统峰电需求没有余量，则，可以视为步骤s5的特例。

38、作为本技术方案的进一步改进，所述供热介质缓冲与蓄能大型水箱，通过控制阀与热泵连接，单个热泵通过控制阀连接水箱按温度梯度竖向分隔的不同区域，从而组成多级热泵集群；多级热泵集群动态组合方法如下：

39、多级热泵集群动态组合模式对应三种热泵即时生产热水方式：仅生产温升的热水，仅生产温升的热水，生产一部分温升的热水，另一部分温升的热水；针对上述三种热泵即时生产热水方式，提出来多级热泵集群动态组合方法具体如下：

40、模式一、仅生产温升的热水，按照5～10℃的温差将供热介质缓冲与蓄能大型水箱由下而上划分为温区，每个温区按照制热量连接若干热泵组成若干热泵集群，具体的连接第一热泵集群的热泵打开热泵1-1控制阀从第一温区底部抽取低温回水，经第一热泵集群加热完成设定温升（），打开热泵1-2控制阀送入第一温区顶部，以此类推至第热泵集群的热泵打开热泵控制阀从第温区底部抽取低温回水，经第热泵集群加热完成设定温升（），打开热泵控制阀送入第温区顶部，则第温区顶部热水完成温升。对应第温区顶部开启连接供热介质缓冲与蓄能大型水箱与混水机构的控制阀，输出温升的热水；

41、模式二、仅生产温升的热水，按照5～10℃的温差将供热介质缓冲与蓄能大型水箱由下而上划分为温区，每个温区按照制热量连接若干热泵组成若干热泵集群，具体的连接第一热泵集群的热泵打开热泵1-1控制阀从第一温区底部抽取低温回水，经第一热泵集群加热完成设定温升（），打开热泵1-2控制阀送入第一温区顶部，以此类推至第热泵集群的热泵打开热泵控制阀从第温区底部抽取低温回水，经第热泵集群加热完成设定温升（），打开热泵控制阀送入第温区顶部，则第温区顶部热水完成温升。完成温升的热水从供热介质缓冲与蓄能大型水箱从最上层温区顶部向下进行流动，至第温区底部抽取的低温回水也实现温升，则蓄热饱和，停止蓄热；

42、模式三、生产一部分温升的热水，另一部分温升的热水。按照和将热泵划分为两个集群组。每个集群组按照5～10℃的温差将供热介质缓冲与蓄能大型水箱由下而上划分为和温区。

43、作为本技术方案的进一步改进，所述模式三条件下采用部分热泵满负荷即时生产温升（），输出流量的热水用于供热；依据热泵总制热能力分配两个集群组，温区完成从至的蓄热；

44、蓄热流量：

45、；

46、式中：为依据热泵总制热能力分配的蓄热功率，单位；为蓄热完成温升，单位；为蓄热热泵集群组的集群数量；

47、因此，该条件下部分热泵满负荷即时生产温升（），生产流量为的热水，其中用于供热，用于蓄热。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果：

49、1.该农业温室热泵系统低成本供热的运行控制方法与系统中，可以通过平衡热泵高温蓄热时的低能效，与谷电时段的低价格之间的矛盾，使系统经济效益最大化；

50、2.该农业温室热泵系统低成本供热的运行控制方法与系统中，通过低成本运行的控制方法使系统运行成本大幅度降低。